Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Психоакустики



План:


Введення

Психоакустики - наука, що вивчає психологічні та фізіологічні особливості сприйняття звуку людиною.


1. Передумови

У багатьох додатках акустики і обробки звукових сигналів необхідно знати, що люди чують. Звук, який утворюють хвилі тиску повітря, може бути точно виміряний сучасним обладнанням. Проте зрозуміти, як ці хвилі приймаються і відображаються в нашому головному мозку - завдання не така проста. Звук - це безперервний аналоговий сигнал, який (у припущенні, що молекули повітря нескінченно малі) може теоретично переносити нескінченну кількість інформації (так як існує нескінченна кількість частот, що містять інформацію про амплітуду і фазі).

Розуміння процесів сприйняття дозволяє вченим і інженерам зосередитися на можливостях слуху і не враховувати менш важливі можливості інших систем. Важливо також зазначити, що питання "що людина чує" - не тільки питання про фізіологічні можливості вуха, але значною мірою також питання психології, чіткості сприйняття.


2. Межі сприйняття звуку

Людське вухо номінально чує звуки в діапазоні від 16 до 20 000 Гц. Верхня межа має тенденцію знижуватися з віком. Більшість дорослих людей не можуть чути звук частотою вище 16 кГц. Вухо саме по собі не реагує на частоти нижче 20 Гц, але вони можуть відчуватися через органи дотику.

Діапазон гучності сприймаються звуків величезний. Але барабанна перетинка у вусі чутлива тільки до зміни тиску. Рівень тиску звуку прийнято вимірювати в децибелах (дБ). Нижній поріг чутності визначений як 0 дБ (20 мікропаскаль), а визначення верхньої межі чутності відноситься скоріше до порогу дискомфорту і далі - до порушення слуху, контузія і т.д. Ця межа залежить від того, як довго за часом ми слухаємо звук. Вухо здатне переносити короткочасне підвищення гучності до 120 дБ без наслідків, але довгострокове сприйняття звуків гучністю понад 80 дБ може викликати втрату слуху.

Більш ретельні дослідження нижньої межі слуху показали, що мінімальний поріг, при якому звук залишається чути, залежить від частоти. Цей графік отримав назву абсолютний поріг чутності. В середньому, він має ділянку найбільшої чутливості в діапазоні від 1 кГц до 5 кГц, хоча з віком чутливість знижується в діапазоні вище 2 кГц.

Крива абсолютного порога чутності є окремим випадком більш загальних - кривих однаковою гучності. Криві однакової гучності - це лінії, на яких людина відчуває звук різних частот однаково гучними. Криві були вперше отримані Флетчером і Мансон (H. Fletcher and WA Munson) і опубліковані в 1933 у праці "Loudness, its definition, measurement and calculation" [1]. Пізніше більш точні вимірювання виконали Робінсон і Датсон (DW Robinson and RS Dadson) [2]. Отримані криві значно різняться, але це не помилка, а різні умови проведення вимірювань. Флетчер і Менсон в якості джерела звукових хвиль використовували навушники, а Робінсон і Датсон - фронтально розташований динамік в безлунній кімнаті.

Вимірювання Робінсона і Датсона лягли в основу стандарту ISO 226 в 1986 р. У 2003 році стандарт ISO 226 був оновлений з урахуванням даних, зібраних із 12 міжнародних студій.

Існує також спосіб сприйняття звуку без участі барабанної перетинки - так званий мікрохвильовий слуховий ефект, коли модульоване випромінювання в мікрохвильовому діапазоні (від 1 до 300 ГГц) впливає на тканини навколо равлики, змушуючи людини сприймати різні звуки.


3. Що ми чуємо

Людський слух багато в чому подібний до спектральному аналізатору, тобто, вухо розпізнає спектральний склад звукових хвиль без аналізу фази хвилі. У реальності фазова інформація розпізнається і дуже важлива для спрямованого сприйняття звуку, але цю функцію виконують відповідальні за обробку звуку відділи головного мозку. Різниця між фазами звукових хвиль приходять на праве і ліве вухо дозволяє визначати напрям на джерело звуку, причому інформація про різниці фаз має першорядне значення, на відміну від зміни гучності звуку сприйманого різними вухами. Ефект фільтрації передавальних функцій голови також відіграє в цьому важливу роль.


4. Ефект маскування

У певних випадках один звук може бути прихований іншим звуком. Наприклад, розмова поруч із залізничними шляхами може бути зовсім неможливий, якщо повз проїжджає поїзд. Цей ефект називається маскуванням. Кажуть, що слабкий звук маскується, якщо він стає невиразним у присутності більш гучного звуку.

Розрізняють декілька видів маскування:

  • За часом приходу маскуючого і замаскованого звуку:
    • одночасне (моноуральное) маскування
    • тимчасове (неодновременное) маскування
  • За типом маскуючого і замаскованого звуків:
    • чистого тону чистим тоном різної частоти
    • чистого тону шумом
    • мови чистими тонами
    • мови монотонним шумом
    • мови імпульсними звуками і т. п.

4.1. Одночасна маскування

Будь-які два звуки при одночасному прослуховуванні впливають на сприйняття відносної гучності між ними. Гучніший звук знижує сприйняття більш слабкого, аж до зникнення його чутності. Чим ближче частота замаскованого звуку до частоті маскуючого, тим сильніше він буде ховатися. Ефект маскування не однаковий при зміщенні замаскованого звуку нижче або вище за частотою щодо маскуючого. Більш низькочастотний звук сильніше маскує високочастотний. При цьому важливо відзначити, що високочастотний звук не може маскувати низькочастотний звук.


4.2. Тимчасова маскування

Це явище схоже на частотну маскування, але тут відбувається маскування в часі. При припиненні подачі маскуючого звуку маскується деякий час продовжує бути нечутним. У звичайних умовах ефект від тимчасової маскування триває значно менше. Час маскування залежить від частоти і амплітуди сигналу і може досягати 100 мс.

У випадку, коли маскує тон з'являється за часом пізніше замаскованого, ефект називають пост-маскуванням. Коли маскує тон з'являється раніше замаскованого (можливий і такий випадок), ефект називають пре-маскуванням.


4.3. Постстімульное стомлення

Нерідко після впливу гучних звуків високої інтенсивності у людини різко знижується слухова чутливість. Відновлення звичайних порогів може тривати до 16 годин. Цей процес називається "тимчасовий зсув порогу слухової чутливості" або "постстімульное стомлення". Зрушення порога починає з'являтися при рівні звукового тиску вище 75 дБ і відповідно збільшується при підвищенні рівня сигналу. Причому найбільший вплив на зрушення порогу чутливості надають високочастотні складові сигналу.


5. Фантоми

Іноді людина може чути звуки в низькочастотній області, хоча в реальності звуків такої частоти не було. Так відбувається через те, що коливання базилярній мембрани у вусі не є лінійними і в ній можуть виникати коливання з різницевої частотою між двома більш високочастотними.

Цей ефект використовується в деяких комерційних звукових системах, щоб розширити область відтворюваних низьких частот, якщо неможливо адекватно відтворити такі частоти безпосередньо, наприклад в навушниках.


6. Психоакустики в програмному забезпеченні

Психоакустические моделі слуху дозволяють з високою якістю виробляти компресію сигналу з втратою інформації (коли відновлений сигнал не збігається з вихідним), за рахунок того, що дозволяють точно описати, що можна безпечно видалити з вихідного сигналу - тобто, без значного погіршення якості звуку. На перший погляд може здатися, що навряд чи це дозволить забезпечити сильне стиснення сигналу, однак програми, що використовують психоакустические моделі дозволяють домогтися зменшення обсягів файлів з музикою в 10-12 разів, і при цьому різниця в якості буде не дуже значна.

До таких видів компресії відносяться всі сучасні формати стиснення звуку:

  • MP3 (практично те ​​ж саме що і Musicam (використовується для цифрового аудіовіщання в деяких країнах, на відміну від mp3 (Mpeg 1 Layer 3) вважається більш професійним алгоритмом стиснення (кодеком). Також відомий як MPEG-1 Layer 2 і MP2)
  • Ogg Vorbis
  • WMA
  • AAC
  • Musepack
  • ATRAC використовується в форматі MiniDisc і в деяких портативних MP3-плеєрах Sony

Примітки

  1. Fletcher H., Munson WA Loudness, its definition, measurement and calculation / / J. Acoust. Soc Am.5, 82-108 (1933)
  2. Robinson DW, Dadson RS A re-determination of the equal-loudness relations for pure tones / / Br. J. Appl. Phys. 7, 166-181, 1956)

Література

Гельмгольц Г. Вчення про слухові відчуття як фізіологічна основа для теорії музики. Пер. з нім. СПб., 1875.


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru