<< Пред. стр. 2 (из 6) След. >>
Список литературы по разделу
2) частично поглощается;
3) частично проникает через преграду (с точки зрения приема в помещении это то же, что и поглощение).
Эти процессы (рис. 1.4) для плоских волны и преграды могут быть описаны законами геометрической акустики, которые имеют в основном такую же форму, как и законы геометрической оптики.
Рис. 1.4 ? Диаграмма, поясняющая процессы отражения и преломления
звуковой волны, падающей на преграду
Отношение энергии отраженного сигнала к энергии падающего называется коэффициентом отражения ?.
Отношение энергии поглощенного поверхностью сигнала (включая перевод в тепло и звукопроводность) к энергии падающего называется коэффициентом поглощения ?.
Отношение энергии прошедшего через поверхность сигнала к энергии падающего называется коэффициентом звукопроводности ?.
?, ?, ? зависят от:
1) материала поверхности;
2) конструктивных особенностей (конфигурации) поверхности;
3) частоты сигнала;
4) угла падения волны.
Очевидно, ?+?=1.
Описание реверберации в частотной области
Данный раздел обычно фигурирует в литературе под названиями "волновое описание" или "волновая теория". Однако то, что называется в данном случае волной, есть не волна вообще, а синусоидальная волна, и предметом рассмотрения являются резонансные явления по отношению к синусоидальным волнам.
Частота, на которой возникает резонанс, называется собственной частотой (в данном случае помещения прослушивания). Совокупность собственных частот называется спектром собственных частот.
Спектр собственных частот реально рассчитать только для простых геометрических форм. Для параллелепипеда длиной l, шириной b и высотой h с идеально жесткими отражающими поверхностями:
, (1.1)
где g, q, r - целые числа. Каждой тройке чисел соответствует одна из собственных частот помещения fn. Об амплитуде и фазе сигнала на данной частоте речь не идет, поскольку они зависят от точки съема и возбуждения.
Спектр собственных частот линейчатый. Средний интервал между соседними резонансами уменьшается с частотой в линейном (рис. 1.5, а) и тем более в логарифмическом масштабе (рис. 1.5, б) (логарифмический масштаб более адекватен восприятию высоты звука человеком).
а)
б)
Рис. 1.5 ? Спектр собственных частот помещения прослушивания размером (5,5?3,5?2,7) м: а - масштаб по оси частот линейный, б - логарифмический
Такое распределение собственных частот отрицательно сказывается на воспроизведении низкочастотного участка звукового диапазона - на резонансных частотах происходит усиление или ослабление (в зависимости от точки съема) частот звукового сигнала, совпадающих с собственными частотами. В связи с этим воспроизведение глубокого баса без искажения тембра в помещениях малого объема невозможно. Таким образом, можно говорить об ошибочности традиционной цели получить от акустической системы (АС) наименьшую нижнюю граничную частоту. Более адекватным решением в помещениях небольшого объема являются АС с относительно высокой граничной частотой с правильной установкой в помещении для использования усиливающего действия резонансов.
Кроме того, ситуацию можно улучшить выбором соотношения l/b/h для наиболее равномерного распределения резонансов по частоте, непараллельными поверхностями и увеличением звукопоглощения.
Число собственных частот ?n, приходящееся на интервал частот ?f , называется плотностью спектра собственных частот.
При ?n настолько велико, что спектр любого реального звука, даже тонального в стабильной фазе, перекрывает одну или несколько собственных частот и преимущественного усиления или ослабления отдельных звуков не происходит. Однако на синусоидальном сигнале генератора неравномерность АЧХ помещения вполне ощущается вплоть до самых высоких частот. В этом состоит недостаток данного метода анализа характеристик помещения: собственные колебания помещения представляются сигналами, которых реально не бывает.
Описание реверберации во временной области
Реверберационный процесс во временной области представляет собой взвешенную сумму задержанных копий излучаемого источником звука сигнала:
,
где ai и ?i - соответственно амплитуда и время запаздывания i-го отзвука (для прямого звука i=0),
x(t) - сигнал, излучаемый источником звука. Если x(t) - функция Дирака, то отклик помещения будет иметь вид рис. 1.6.
Рис. 1.6 ? Отклик помещения на функцию Дирака
Реверберационный процесс можно разделить на начальный и завершающий участки. Для начального участка характерны два свойства.
1. Отраженные волны накладываются на тот же элемент речи или музыки, который их вызвал, и приводят к увеличению разборчивости и прозрачности. Для количественной оценки этого эффекта вводят понятие коэффициента четкости [8]. Коэффициентом четкости называют отношение средней плотности энергии реверберационного сигнала на участке (0; t0) к средней плотности энергии всего реверберационного сигнала:
,
где t0=50...60 мс. Обычно D=30...70 %.
2. На начальном участке количество отражений, приходящих в единицу времени, невелико, т.е. структура реверберационного процесса дискретна. Конкретное расположение отдельных отражений во времени несет информацию об индивидуальных особенностях помещения и мест прослушивания. При звучании музыки максимальный эффект пространственности достигается, если первое отражение запаздывает на 20...30 мс, а последующие три размещаются на интервале 45...75 мс. Для речи максимальная разборчивость достигается, если первый запаздывающий отклик приходит не позже 10...15 мс, а последующие три в интервале 25...35 мс [3]. Важная особенность реверберационного процесса - пространственность прихода дискретных отражений. Есть залы и даже фонограммы, в которых слышно блуждание эха.
На завершающем участке отражения сливаются. Этот участок определяет гулкость звука. Наступает он примерно через 100 мс (в больших помещениях через ~200 мс). Среднее распределение энергии для концертного зала между прямым звуком, начальным и завершающим участками реверберации следующее:
1) 5...20 % ? прямой звук;
2) 70...80 % ? начальный участок;
3) 10 % ? завершающий участок.
1.3.3 Статистическое описание реверберационного процесса
Важной характеристикой реверберационного процесса являются его векторные свойства. Если в установившемся реверберационном поле все направления прихода волн равновероятны, то оно называется изотропным.
Если плотность энергии во всех точках некоторого объема постоянна, то поле в этом объеме называется однородным.
Поле, одновременно являющееся изотропным и однородным, называется диффузным.
Практически близкое к диффузному поле возникает, если:
1) отражателей очень много и расположены они хаотически;
2) структура излучаемого сигнала не допускает существенных интерференционных явлений. Для этого сигнал должен быть достаточно широкополосным, т.е. спектральная плотность мощности должна быть значительной в достаточно широком диапазоне частот. На фазовый спектр особенных ограничений не накладывается, т.е. сигнал может быть шумоподобным, импульсным, линейно-частотно-модулированным и т.д. Единственное, что нужно учитывать во временном или фазовом смысле, это то, что спектральная плотность мощности характеризует интегральные свойства сигнала за некоторый промежуток времени. Т.е. если диффузность оценивается, например, импульсным сигналом, то нужно подождать, пока точки приема достигнут все энергетически значимые переотражения.
Практически идеально диффузного поля не бывает. Степень приближения к нему оценивается при помощи индекса (коэффициента) диффузности:
,
где , , ,
Iср - средняя интенсивность звука в пределах полного телесного угла,
?I - среднее отклонение интенсивности звука,
m0 - среднее относительное отклонение интенсивности звука, измеренное в заглушенной камере для того же относительного расположения тех же излучателя и приемника.
Индекс диффузности зависит от расстояний между приемником, излучателем и отражателями. Если m=m0, то iд=0, что соответствует полностью заглушенному помещению. Если m=0, то iд=1 - поле абсолютно диффузно. Для большинства залов iд=0,65...0,75. При увеличении объема помещения свыше 10000 м3 iд уменьшается. Его увеличивают звукорассеивающими конструкциями.
Средний коэффициент и фонды звукопоглощения
В качестве характеристической величины, не зависящей от угла падения волны, используется коэффициент звукопоглощения для диффузного поля. Т.к. в диффузном поле все направления прихода волны равновероятны, то:
,
где ? коэффициент звукопоглощения для угла падения волны ?,
M(•) - оператор вычисления математического ожидания.
Взвешенная коэффициентами звукопоглощения сумма всех поверхностей, с которыми взаимодействует волна, называется фондом звукопоглощения:
.
Фонд звукопоглощения делится на:
1) основной - стены и неподвижные элементы конструкции;
2) дополнительный - люди, предметы обстановки;
3) добавочный - учитывающий проникновение энергии в щели и отверстия помещения.
Добавочный фонд образуется из-за усечения основного видимой частью помещения. В отношении дополнительного фонда трудно оценить площадь поверхности образующих его предметов. Если известны индивидуальный фонд звукопоглощения Ak k-го предмета и их количество Nk, то дополнительный фонд равен:
.
Общий фонд звукопоглощения в первом приближении является суммой основного, дополнительного и добавочного:
.
Если разделить фонд звукопоглощения на площадь поверхностей, с которыми взаимодействует волна, то получим средний коэффициент звукопоглощения:
.
Фонд звукопоглощения можно трактовать как площадь идеального звукопоглотителя с ?=1, имеющую такую же поглощательную способность, как и реальная поверхность, которую этот фонд характеризует.
Средняя длина и время пробега звуковой волны
Путь волны в помещении можно представить в виде ломаной линии. Средняя длина (математическое ожидание) ребра этой линии называется средней длиной пробега волны lср, а время, за которое волна проходит это расстояние, - средним временем пробега tср. Точные значения средней длины и времени пробега зависят от размеров, конфигурации помещения и положения точек возбуждения и съема сигнала. Вычисление их затруднительно. Приближенные расчеты показывают, что lср=4V/S, tср=4V/(cзвS).
Сами по себе коэффициент поглощения, среднее время и длина пробега волны мало о чем говорят, но в совокупности они позволяют описать процесс нарастания и спада энергии в помещении.
Нарастание звуковой энергии в помещении
Пусть в момент времени t=0 начал работать источник звука мощностью P. Через (tср?0) источник отдаст энергию E=Ptср. Часть энергии поглотится при отражении, и в момент (tср+0) энергия будет E=Ptср?. В последующие моменты времени:
2tср?0: ,
2tср+0: ,
3tср?0: ,
ntср?0: .
, , следовательно
.
?<1, поэтому ln???? Величина называется реверберационным коэффициентом поглощения (рис. 1.7). Для ?<0,2 .
Таким образом:
.
Рис. 1.7 ? Связь между средним и реверберационным коэффициентами
звукопоглощения
Переходя к плотности, получим:
. (1.2)
Из (1.2) следует, что процесс нарастания энергии в помещении происходит по экспоненциальному закону (линейно в логарифмической шкале) и тем быстрее, чем больше фонд звукопоглощения A и меньше объем помещения.
Второе слагаемое в скобках стремится к нулю при t?0, поэтому в установившемся режиме . В этом случае мощность, излученная источником, равна мощности, поглощенной поверхностями помещения. ?? растет с увеличением P и уменьшением А.
Следует напомнить, что (1.2) верна только для диффузного поля, в реальном помещении процессам установления энергии свойственны флуктуации.
Спад звуковой энергии
Имеем установившуюся ?0, в момент времени t=0 источник звука выключается. Далее:
t=tср+0: ,
t=2tср+0: ,
t=ntср+0: .
Как и ранее,
.
Процесс спада также экспоненциальный (линейный в логарифмической шкале) и тем короче, чем больше А и меньше V. Коэффициент, определяющий скорость изменения плотности энергии, один и тот же и для нарастания, и для спада, т.е. чем больше время реверберации, тем медленнее и нарастание (рис. 1.8).
Рис. 1.8 ? Зависимость плотности звуковой энергии в помещении от времени при включении и выключении источника
Потери энергии происходят также в воздухе из-за его вязкости, теплопроводности и молекулярного поглощения. Они могут быть описаны соотношением , где , ? - коэффициент затухания, равный обратному значению того пути l, на котором ? уменьшается в e=2,718... раз. , где ? - коэффициент вязкости.
С учетом поглощения звука в воздухе:
.
В связи с тем, что звукопоглощение в воздухе пропорционально квадрату частоты, оно влияет на процесс изменения плотности звуковой энергии в основном на высоких частотах. Однако чем больше помещение, тем больше длина свободного пробега и тем на меньших частотах начинает сказываться поглощение в воздухе.
Стандартное время реверберации
Стандартным временем реверберации ТР называется время, за которое реверберационный процесс затухает на 60 дБ.
.
Решив уравнение относительно ТР, получим:
.
Итак, ТР зависит в первую очередь от отношения объема помещения к фонду звукопоглощения, а на ВЧ еще и от поглощения энергии в воздухе (ТР уменьшается с ростом поглощения).
Для помещений небольшого объема и на частотах менее 1000 Гц вторым слагаемым можно пренебречь. При частоте сигнала свыше 4 кГц сказывается поглощение в воздухе и время реверберации уменьшается.
Акустическое отношение и радиус гулкости
Стандартное время реверберации характеризует изменение плотности энергии диффузного поля. Однако в реальных условиях диффузной можно считать только совокупность отраженных сигналов, помимо которой существует еще и прямой звук. Соотношение плотностей энергии отраженного и прямого звука зависит от акустических свойств помещения, размещения источника и приемника, влияет на ощущение реверберации и называется акустическим отношением R.
Определим акустическое отношение для диффузного поля и сферической волны. Плотность энергии прямого звука сферической волны:
.
Плотность энергии отраженного звука ?отр определяется как часть установившейся плотности ?0, которая остается через tср после выключения источника:
.
.
R определяет акустический баланс между прямым и отраженным звуками. Изменение акустического отношения воспринимается как изменение времени реверберации. Для музыки R=6...8, для органной музыки до 10...12.
Для направленного источника
,
где ? коэффициент осевой концентрации источника звука,
D(?) - характеристика направленности (зависимость звукового давления от направления излучения),
? - угол между акустической осью источника и направлением на точку прослушивания.
Акустическое отношение зависит главным образом от расстояния между излучателем и приемником (квадратично) и фонда звукопоглощения (обратно пропорционально). Кроме того, оно зависит от направленных свойств излучателя. Это говорит о важности характеристик направленности, даже если слушатель находится на акустической оси излучателя. Ненаправленные излучатели интенсивней озвучивают поверхности помещения, в связи с чем их звучание в большей степени зависит от характеристик помещения. Кроме того, направленные свойства излучателей, как правило, изменяются с частотой, поэтому реверберационная накачка помещения производится звуком с частотной характеристикой давления, отличающейся от АЧХ звукового давления на акустической оси. Это приводит к искажению тембра даже в том случае, если АЧХ излучателя на акустической оси равномерная. Известно довольно много разновидностей акустических систем, в которых разработчики стараются получить ту или иную характеристику направленности (рупоры, монополи, диполи, биполи, контрапертурные АС и т.д.).
Расстояние, при котором R=1, называется радиусом гулкости rгул. Для одиночного источника
.
Внутреннее пространство сферы с радиусом, равным радиусу гулкости, - та зона, в которой влияние помещения незначительно. Поэтому в акустически неблагоприятных помещениях (слабо заглушенных, малого объема, с тонкостенной резонирующей мебелью) рекомендуется расположение точки прослушивания на расстоянии, меньшем радиуса гулкости. Эту же рекомендацию можно дать любителям сфокусированного, камерного звука.
Эквивалентная реверберация
Поле в точке прослушивания после выключения источника меняется скачком - исчезает прямой звук. Величина скачка определяется акустическим отношением. В идеально диффузном поле R=?, ?пр=0 и скачок отсутствует. Два процесса спада энергии, со скачком и без, оцениваются как эквивалентные по гулкости, если точка их пересечения отстоит от момента исчезновения прямой волны в точке прослушивания на ?t=0,2 c (рис. 1.9).
Рис. 1.9 ? Сопоставление реального спада плотности энергии и спада
в диффузном поле
Время, за которое энергия эквивалентного процесса уменьшается на 60 дБ, называется эквивалентным временем реверберации Тэр.
,
где ? коэффициент направленности приемника,
EП1 - чувствительность приемника к прямому звуку,
EП2 - чувствительность приемника к диффузному звуку.
Тэр<Тр. Для R>3 Тэр?Тр, для концертных залов это практически всегда так, для электроакустических систем в помещении прослушивания - не всегда.
Оптимальная реверберация
Оптимальным является время реверберации, при котором программа воспринимается наилучшим образом. Исследована зависимость разборчивости речи (артикуляции) от времени реверберации для различных объемов помещения (рис. 1.10). Процентная артикуляция - это отношение числа правильно понятых слогов артикуляционной таблицы к общему их числу.
Рис. 1.10 ? Зависимость процентной артикуляции от времени реверберации при различных объемах помещения:
1 - 700 м3; 2 - 2800 м3; 3 - 11200 м3; 4 - 22400 м3; 5 - 44800 м3
Наибольшая разборчивость обеспечивается при Тр?1 с, т.е. оптимальная скорость затухания реверберации ~ 60 дБ/с. Недостаток реверберации также уменьшает разборчивость. Объясняется это, вероятно, двумя моментами.
1. Удлинение звуков позволяет слуховому аппарату более точно проанализировать характеристики звука, и больше времени дается на смысловое восприятие. Вполне вероятно, что в условиях недостаточной реверберации более активно используется кратковременная слуховая память в качестве "устройства выборки-хранения" отрывистого звука на время его распознавания.
2. Реверберация отфильтровывает быстрые изменения трех слышимых характеристик звука: высоты, громкости и тембра и подавляет щелкающие или хрустящие помехи звуку.
1.3.4 Элементы архитектурной акустики
Геометрия помещения
При выборе геометрии помещения следует избегать скучивания резонансных частот и образования между ними больших промежутков. Достижению этого способствуют следующие меры.
1. Выбор соотношения размеров сторон помещения. Самая неблагоприятная форма в этом смысле ? куб, поскольку некоторые собственные частоты, соответствующие разным тройкам чисел g, q, r в формуле (1.1), совпадают.
2. Использование непараллельных и криволинейных поверхностей.
Законы геометрической акустики сохраняют свою силу и для криволинейных поверхностей (рис. 1.11).
а) б)
Рис. 1.11 ? Отражение звуковых волн от вогнутой (а) и выпуклой (б) поверхностей (И - источник звука, И* - мнимый источник звука)
Из рисунка видно, что при отражении звуковых лучей от вогнутой поверхности происходит их фокусировка. В этой точке звуковое давление возрастает, что означает увеличение неоднородности звукового поля. Поэтому при проектировании помещений допустимы поверхности либо с малым (не более 40 см), либо с большим (в четыре и более раз больше длины помещения) радиусом кривизны.
Выпуклые поверхности способствуют рассеянию отраженных волн, способствуя однородности звукового поля.
Звукопоглощающие материалы и конструкции
Для достижения оптимального времени реверберации в помещении, при заданном отношении объема к площади, необходимо получить определенный средний коэффициент звукопоглощения поверхностей помещения. Кроме того, звукопоглощающие материалы используются не только при отделке помещений, но и в акустических оформлениях громкоговорителей. Можно провести следующую классификацию звукопоглощающих материалов и конструкций.
1. Пористые: a) с жестким скелетом, б) с упругим скелетом.
2. Резонансные: a) мембранные, б) перфорированные.
Пористые звукопоглотители с жестким скелетом представляют собой недеформируемый звуковой волной скелет (гравий, пемза, шлак) плюс вяжущие материалы (цемент, алебастр, синтетические смолы). Характеризуются невысоким звукопоглощением (на высоких частотах больше, на низких частотах (НЧ) меньше, рис. 1.12).
Стенки пористых поглотителей с упругим скелетом способны неупруго деформироваться под действием звуковой волны с переводом части энергии в тепло. Это такие материалы как войлок, вата, стекловолокно, драпировки, ковры. Их звукопоглощение заметно выше, чем у поглотителей с жесткими стенками, и также более эффективно в области ВЧ (рис. 1.12). Звукопоглощение минимально при расположении вплотную к стене и максимально при размещении на расстоянии четверти длины волны от стены.
Рис. 1.12 ? Частотные характеристики коэффициента звукопоглощения для пористых акустических материалов: 1? известковая штукатурка по деревянной обрешетке; 2 - ковер с ворсом, лежащий на бетонном полу; 3 ? арболитовая плита толщиной 2 см; 4 ? фиброакуститовая плита толщиной 2,5 см; 5 - драпировка на стене; 6 - драпировка на расстоянии 10 см от стены
Резонансные мембранные поглотители представляют собой тонкие пластины, неупруго колеблющиеся под действием звуковой волны. Звукопоглощение резонансных поглотителей (рис. 1.13) имеет максимум на их резонансной частоте. В основном они используются для звукопоглощения в области НЧ, поскольку их резонансные частоты проще сделать низкими.
Рис. 1.13 ? Зависимость изменения коэффициента звукопоглощения от частоты для панелей, резонирующих на нижних частотах: 1 - фанера толщиной
3 мм с воздушным промежутком 5 см; 2 - оконное стекло
Перфорированные резонаторные поглотители (рис. 1.14, а) представляют собой пористый материал, примыкающий к стене, закрытый жесткой перфорированной решеткой. Звукопоглощение достаточно равномерное в широком диапазоне частот с тупым максимумом на средних частотах. Диаметр и шаг отверстий позволяют регулировать положение максимума.
Рис. 1.14 ? Эскиз конструкции (а) и зависимость коэффициента звукопоглощения перфорированных резонаторных панелей от частоты при различной их толщине ?, диаметре отверстий D, расстоянии между отверстиями d и расстоянии от стены h (б): 1 - ?=3 мм, D=7 мм, d=3 см, h=5 см; 2 - ?=3 мм, D=7 мм, d=3 см, h=10 см; 3 - ?=3 мм со щелью 45 мм, расстояние между щелями 6,5 см, фанера подклеена тканью; 4 - d=3 мм со щелью 45 мм без подклейки тканью с заполнением воздушного промежутка матами из асбестовой ваты
Требуемая частотная характеристика звукопоглощения формируется комбинацией перечисленных видов поглотителей.
Традиционно для достижения максимально диффузного поля стремятся разместить звукопоглотители равномерно по поверхности помещения. Однако есть иной, неплохо обоснованный подход.
Концепция LEDE
LEDE - аббревиатура от Live End - Dead End (живая сторона - мертвая сторона, англ.). Автор Don Davis, создана концепция в 1978 году. Согласно этой концепции, передняя стена и передняя половина помещения являются "мертвыми", поглощающими.
Задняя стена и задняя половина являются "живыми", отражающими. При такой обработке помещения обеспечивается "оживление" звучания реверберацией и в то же время реверберационное дополнение максимально разнесено с прямой волной по углу, что обеспечивает минимальное маскирующее и расфокусирующее действие реверберации.
Изначально LEDE предназначалась для студий звукозаписи, однако практика, по мнению приверженцев концепции, показала универсальный характер возможного использования основных принципов обработки помещений по LEDE.
1.4 Восприятие. Общие замечания и предварительная обработка сигнала
1.4.1 Общие замечания о слуховом восприятии
Вопрос описания, моделирования слуха и восприятия является краеугольным, поскольку определяет критерии качества звукозаписи/воспроизведения и, таким образом, облик электроакустической аппаратуры в целом.
Восприятием называется отражение объектов и явлений в виде образов или символов. Речь пойдет о восприятии звуковых явлений.
С точки зрения системотехники, слуховой образ есть неязыковая модель звукового поля. Для нее характерны все свойства, присущие моделям вообще. Важнейшие из них:
1. Целостность. Множество вызвавших образ характеристик поля воспринимается как новая самостоятельная единица - собственно образ.
2. Обособленность от фона. Воздействия, вызвавшие образ, воспринимаясь как целое, обосабливаются, таким образом, от всех остальных воздействий (фона).
3. Различимость частей - возможность различить отдельные составляющие образа, называемые признаками образа.
4. Неразделимость на части. Это свойство проявляется двояко:
1) отдельно взятый признак воспринимается не так, как он воспринимался в составе образа;
2) образ, из которого изъят признак, не обладает свойствами целого образа.
5. Эмерджентность. Этот термин происходит от английского emergency, что в переводе означает некоторое непредвиденное событие. Событие это в данном случае состоит в том, что образ проявляет свойства, отличные от суммы свойств признаков образа.
Перечисленные свойства образов человеку не просто полезны, а необходимы, но иногда проявляется и их оборотная сторона. С точки зрения все той же системотехники, образ является агрегатом-оператором, который задает внешнюю целостность входящих в образ признаков. Общими свойствами всех агрегатов являются:
1) потеря части информации о входящих в образ признаках;
2) возможность неадекватного агрегирования.
Практически с этими свойствами сталкивается всякий, кто пытается проанализировать слуховой образ (анализ, точнее декомпозиция, есть операция, обратная агрегированию). В связи с неразделимостью образа на части и в связи с тем, что анализируемый экземпляр образа является единственным, аналитик "собственными руками" необратимо разрушает то, что он анализирует.
Типичные составляющие (элементы) образов называются ощущениями. Ощущения, анализ которых затруднителен, называются сложными (например, тембр). Ощущения, которые не обнаруживают составной структуры или у которых она очевидна, называются простыми (примеры: высота тона, громкость). Ощущения могут быть зафиксированы в измерительных шкалах. Сложные ощущения можно зафиксировать в самой слабой шкале - шкале наименований. Эта шкала не допускает упорядочивания. Простые ощущения измеримы в более сильных шкалах:
1) порядковых - допускают упорядочивание без указания расстояний между измерениями;
2) интервальных - допускают численную характеристику расстояний между измерениями;
3) шкалах отношений - есть физически обусловленный нуль шкалы;
4) абсолютных - и ноль и единица измерения физически обусловлены.
Исследование соотношений между результатами чувственных экспериментов и физическими параметрами раздражителей составляет предмет психофизики. Раздел психофизики, посвященный звуковым образам, называется психоакустикой.
В механизме слухового восприятия можно выделить две составляющие:
1) акустоэлектрическое преобразование звукового сигнала;
2) обработка нервной системой.
Будем рассматривать их по порядку.
1.4.2 Акустоэлектрическое преобразование сигнала
Акустоэлектрическое преобразование сигнала осуществляется в несколько этапов.
1. Трансформация звукового давления.
2. Преобразование перемещения барабанной перепонки в колебания жидкости внутреннего уха.
3. Механоэлектрическое преобразование звукового сигнала с функциональным Фурье-подобным преобразованием.
Рассмотрим их.
Трансформация звукового давления
Выполняется наружным ухом (рис. 1.15), конкретно - ушной раковиной (аурикулой) 1. Кроме того, на этом этапе осуществляется акустическая пространственная обработка сигнала. В зависимости от направления прихода волны в спектре сигнала формируются характерные зоны подъема и спада АЧХ, получившие название пеленговых зон [9] (подробнее см. раздел "Восприятие пространственных характеристик"). Далее звуковая волна через слуховой проход 2 попадает на барабанную перепонку 3.
Рис. 1.15 ? Устройство органа слуха
Преобразование перемещения барабанной перепонки в колебания жидкости внутреннего уха
В среднем ухе выполняется трансформация звукового давления и преобразование перемещения барабанной перепонки в колебания жидкости внутреннего уха.
Барабанная перепонка вогнута внутрь и натянута. Ее перемещение воздействует на систему рычагов, состоящих из трех слуховых косточек: молоточка 4, наковальни 5 и стремени 6, шарнирно соединенных между собой суставами и оснащенными мышечным аппаратом из двух мышц 7. Рукоятка молоточка прикреплена к барабанной перепонке, основание стремени закрывает собой овальное окно, за которым находится внутреннее ухо. Стремя в овальном окне может совершать возвратно-поступательные движения. Коэффициент трансформации давления от барабанной перепонки к овальному окну ~1:100. С целью защиты барабанной перепонки от повреждения, полость внутреннего уха соединена евстахиевой трубой 8 с носоглоткой. Это обеспечивает выравнивание статического давления по обе стороны барабанной перепонки.
Механоэлектрическое преобразование сигнала с функциональным Фурье-подобным преобразованием
Необходимость предварительного функционального преобразования связана с тем, что скорость обработки сигнала центральной нервной системой значительно ниже скорости изменения звукового сигнала. Осуществляется механоэлектрическое преобразование во внутреннем ухе, точнее в улитке. Расположена улитка в височной кости. Там же расположены элементы вестибулярного аппарата - органа определения пространственного положения. Совмещение уха и вестибулярного аппарата, вероятно, способствует более точному отслеживанию перемещений ушей с целью выделения пространственных характеристик источника звука из изменений ушных сигналов при перемещении головы. На рис. 1.15 улитка показана спрямленной, фактически же она свернута в спираль наподобие настоящей улитки. Длина канала улитки составляет ~35 мм.
Пространство улитки разделено двумя мембранами (основной мембраной 10 и мембраной Рейснера 11) на три заполненных жидкостями спиральных канала:
1) лестницу преддверия 12 (заполнена перилимфой);
2) серединную лестницу 13 (заполнена эндолимфой);
3) и лестницу барабана 14 (заполнена перилимфой).
Овальное окно является входом в лестницу преддверия. Лестница барабана также соединена со средним ухом через круглое окно 9. Перилимфатические полости соединены между собой через отверстие в вершине улитки - геликотрему 15. Эндолимфа и перилимфа имеют разные вязкость и плотность. Основная мембрана представляет собой аморфную ненатянутую перепонку, закрепленную по краям. Длина ее около 32 мм, ширина у входа в улитку около 0,1 мм и вблизи геликотремы 0,5 мм. Со стороны эндолимфы на основной мембране расположен кортиев орган 16, покрытый покровной мембраной 17. Кортиев орган содержит множество волосковых клеток, чувствительных к давлению и деформациям основной мембраны. С волосковыми клетками контактируют окончания нервных волокон. Нервные волокна объединяются в пучок, называемый слуховым нервом 18. В кортиевом органе производится преобразование давления в электрические импульсы. Кроме того, некоторые волосковые клетки (называемые "наружными") получают команды от мозга: при больших уровнях сигнала они удлиняются и снижают амплитуду колебаний основной мембраны, а при очень малых уровнях сигнала дополнительно раскачивают мембрану [11].
Теперь мы подошли к вопросу о динамических процессах в улитке. Этот вопрос на сегодня не является вполне ясным, некоторые из нижеперечисленных утверждений, возможно, будут со временем дополнены или пересмотрены. Итак:
1. В жидкостях внутреннего уха волновые процессы отсутствуют, т.к. во всем слышимом диапазоне длина волны в них больше длины мембраны, поэтому к мембране по всей ее длине приложено одно и то же давление.
2. Т.к. мембрана закреплена по краям, избыточное давление вызывает прогиб мембраны. Мембрана колеблется в режиме бегущей волны. Стоячие волны не возникают потому, что отражение от вершины улитки практически отсутствует. Это утверждение выдвинуто Георгом Бекеши.
3. Направление распространения волны зависит не от точки возбуждения (давление со стороны жидкости на все точки мембраны одинаковое), а от распределения жесткости мембраны. Волна распространяется от более жесткого конца (входа в улитку) к менее жесткому (геликотреме).
4. Зависимость прогиба основной мембраны y от удаления от овального окна x и частоты может быть описана следующей функцией (рис. 1.16):
.
yмах - функция с одним максимумом по x. Расположение максимума на оси x однозначно связано с частотой, что позволяет приписать основной мембране шкалу частот.
Рис. 1.16 ? Семейство зависимостей амплитуды колебания основной
мембраны координаты для разных частот сигнала
<< Пред. стр. 2 (из 6) След. >>
Список литературы по разделу