Питання для самоперевірки

1. Поясните чому суть закону Вебера-Фехнера.

2. Пояснити,в чому суть закону Стівенса.

3. Що таке “мінімальна зміна інтенсивності звуку” за Вебером ?

4. Надати формулу співвідношення “рівня відчуття” Вебера- Фехнера.

5. Що таке величина “приросту відчуття” за Стівенсом?

Завдання для самоопрацюванпя

1. Розробити таблицю переводу “тиску” в “рівень тиску”.

2. Розробити таблицю переводу “інтенсивності” в “ рівні інтен­сивності”.

1. Поняття гучності в музиці.

2. Поняття гучності та рівня гучності.

3. Криві рівної гучності.

4. Одиниці вимірювання гучності та рівня гучності.

Гучність звуку - відбиття в нашій свідомості сили звуку [19,121 Це одна з властивостей звуку, що виникає у свідомості людини щ₀д₀ інтенсивності та сили звуку при сприйнятті звукових коливань орга­ном слуху [20, т.2, 76].

Гучність, яка є нашим відчуттям, змінюється не відповідно до конкретної сили звуку, а згідно з законом Вебера-Фехнера, - пропор­ційно логарифму подразнення.

Сприйняття гучності звуку ЛЮДИНОЮ Є суб'єктивним, тому для сприйняття музики важлива не стільки абсолютна величина гучності, скільки “співвідношення між гучністю різних звуків” [31,10],

Сила звучання носить назву “динаміка” (від грецьк. бітхцікб*; ~ сильний). Різні варіанти гучності створюють динамічні відтінки, які є важливими для створення художнього образу та його сприйняття слухачем. Отже, гучність - один із засобів художньої виразності.

У музиці існують відповідні словесні терміни, літери, знаки, що позначають гучність та її динамічні відтінки. Наприклад: ріапо та /огіе - тихо та гучно, ріапіззіто та Гогііззіто - дуже тихо та дуже гуч­но, сгезсепсіо та (іітіпиепсіо - поступове збільшення гучності та посту­пове зменшення гучності.

Рівень відчуття та величина відчуття, визначені в законах Вебе­ра-Фехнера та Стівенса, не досить точно характеризують суб’єктивні відчуття людини, пов’язані зі сприйняттям звуку. У зв’язку з цим за­проваджені такі поняття як рівень гучності та гучність .

Ці поняття характеризують слухові відчуття, що залежать не тільки від інтенсивності звуку, а також і від частоти звуку. При не­змінній частоті слухове відчуття звуку росте зі збільшенням інтенсив­ності звуку. При однаковій інтенсивності найбільше слухове відчуття дають звуки в діапазоні частот 700 - 6000 Гц.

За рівень гучності довільного звуку (або шуму) прийнято вважати рі­вень інтенсивності рівногучного і ним чистого тону частот 1000 Гц. За пропозицією ГМ>аркіаутеиа рівень іучносгі юну частотою 1000 Гц прирів­нюють до рівня сили звуку в децибелах. Вимірюється рівень гучності у

(від ані .г ріюп - шук) Щоб визначиш рівень ілчносіі довільного звуку чи шуму, 'іреба взяти чистий тон часи чи 1000 І ц щ імітовані його

рівень доти, доки його гучність не буде на слух однакова з гучністю (на слух) вимірюваного звуку. При цьому шукана величина рівня гучності до­вільного звуку чи шуму у фонах буде чисельно дорівнювати рівню інтен­сивності в децибелах еталонного чистого тону частоти 1000 Гц.

Нульовий рівень гучності звуку відповідає силі звуку 10'¹² Вт/м² при частоті 1 кГц зі звуковим тиском 20 мкПа, що має рівень “нуль” дБ.

З урахуванням чутливості людини до сприйняття звуків різних частот, експериментально одержані так звані криві рівної гучності, що визначені для чистих тонів у діапазоні 20 Гц - 10 кГц при бінау­ральному та моноуральному прослуховуванні. Криві рівної гучності, подані у довіднику з акустики (під редакцією М.А. Сапожкова) пред­ставлені на рис.4.1 та 4.2.

Криві рівної гучності прийнято називати ізофонами. Криві рівної гучності наочно ілюструють частотну нелінійність слуху. Для профе­сійного прослуховування переважні рівні гучності - 85...95 фон. Але з підвищенням гучності слух значно швидше втомлюється. При більш тихому прослуховуванні виявляється ефект звуження сприйманого діа­пазону частот, причому тим значніший, чим нижча гучність. Це особ­ливо характерно для низьких частот. Важливо зауважити, що наведені криві не можуть вважатись еталонними. Сучасні дослідження свідчать, що вид кривих значною мірою залежить від умов проведення дослід­жень, акустичних характеристик приміщень, типу джерела звуку. Тому еталонного графіка кривих рівної гучності не існує.

Приклад. Заданий чистий тон з частотою 100 Гц і рівнем сили звуку 60 дБ. Знайти його рівень гучності при слуханні у вільному полі. Лінії, відповідні абсцисі 100 Гц і ординаті 60 дБ (на Рис. 4.1) для бінаурального прослуховування у вільному звуковому полі, перетинаються між криви­ми з параметрами 30 і 40 фонів. Отже, рівень гучності визначуваного то­ну для бінаурального прослуховування дорівнює 35 фонам.

Лінії, відповідні абсцисі 100 Гц і ординаті 60 дБ,(на Рис. 4.2) для мо- ноурального прослуховування у вільному звуковому полі, перетинаються між кривими з параметрами 10 і 20 фонів. Отже, рівень гучності визначу­ваного гону для бінау рального прослуховування дорівнює 15 фонам.

Рівень інтенсивності (рівень сили звуку)

Рис. 4.1. Криві рівної гу чності при бінауральному прослуховуванні у вільному звуковому полі

значення на рисунку:

• параметр кривих - рівень гу чності у фонах;

• права вертикальна вісь - рівень інтенсивності Ьі у децибелах;

• ліва вертикальна вісь - значення звукового тиску Р у паскалях\

• горизонтальна вісь - логарифмічна шкала частот у герцах.

Рівень інтенсивності

(сили звуку) Поріг Т больового

^{1 5} ні ТТЧЛ/Т'ГСГ

Рівень гучності, 1?П фон

500 1000 5000 10000

Рис. 4.2.Криві рівної гучності при моноуральному прослуховуванні у вільному звуковому полі

Позначення на рисунку:

• параметр кривих - рівень гучності у фонах\

• права вертикальна вісь - рівень інтенсивності Ьі у децибелах;

• ліва вертикальна вісь значення звукового тиску Р у паскатях\

• горизонтальна вісь - логарифмічна шкала частот у герцах.

У міру підвищення рівня сили звуку криві рівної гучності на­ближаються до прямої лінії, паралельної осі частот, тобто рівні гуч­ності і рівні сили звуку зрівнюються.

Якщо трансляція радіопередачі ведеться в середньому на рівні гучності 80 фонів, і о при цьом\ майже всі частоті складові звучать однаково голосно, незалежно від їхньої о положення в частотному діа­пазоні. При зменшенні підсилення приймача на 30 дБ. якщо хочемо, щоб гучність ни іькочасютни.ч скллдопих близько 100 Гц залишилася в

р, Па

тому ж співвідношенні з гучністю середніх частот, необхідно ПІДНЯТИ їхній рівень на 17 дБ (див. Рис. 4.1). Тому в радіоприймачах вищого класу для слухання на низьких рівнях вводиться відповідна корекція на низьких частотах.

Коли вимірюють високі рівні гучності шумів, то частотна харак­теристика вимірника шумів (шумоміра) береться близькою до рівно­мірної. що відповідає суб'єктивному сприйняттю на високих рівнях гучності (див. Рис. 4.1, криві від 80 фонів і вище). Але коли вимірю­ють рівні гучності шумів низького рівня, то показники шумоміра бли­зькі до суб'єктивного відчуття гучності тільки тоді, коли в шумомірі введена корекція, що враховує те, що при цьому слух сприймає низь­кі частоти гірше, ніж середні. Тому в шумомірах при вимірюванні ни­зьких рівнів гучності шумів вводяться корекції на низьких частотах у вигляді зниження посилення у бік низьких частот. Таким чином, якщо вимірювання проводиться на рівні гучності близько 50 фонів, то на частоті 100 Гц посилення має бути понижене порівняно з частотою 1000 Гц на 17 дБ (див. мал. 4.1, крива 50 фонів). Внаслідок цього в шумомірах є три види частотних характеристик: шкала А - для рівнів гучності близько 40 фонів (користуються для вимірювання рівнів в межах 30 ... 55 фонів); шкала В - для рівня гучності близько 70 фонів (користуються для вимірювання рівнів в межах 55 ... 85 фонів) і шка­ла 3 - для рівнів гучності вище 85 фонів.

Шумоміри дають правильні свідчення рівня гучності тільки для чистих тонів або вузькосмугових шумів, а для спектрів сигналів, що складаються з декількох складових, і для широкосмугових спектрів їх відліки відповідають рівню звукового тиску з поправкою по кривій рівної гучності без урахування взаємодії складових. Тому, щоб не змішувати показники з дійсним рівнем гучності, такі свідчення шу­моміра указують не у фонах, а в децибелах. Відповідний рівень нази­вають рівнем звуку в децибелах .

Рівень гучності, що вимірюється у фонах, характеризує суб'єк­тивне сприйняття звуку за рівнем. Але масштаб рівнів не відповідає дійсному суб'єктивному масштабу. Наприклад, збільшення рівня г\'ч- ності на 10 фон в діапазоні рівнів, вище 40 фон, відповідає субїмит­ному відчуттю збільшення гу чності \ двічі. Наприклад, кожна і рада- иія .*учнґ*сті в музиці більша або менша сусідньої удвічі (фор-іс- ф*»ртноім'\ пілно-шаженмо і і п ).

Існ>г їж* одна виносна члинипи вимірювання відчуття звчк\

<від/ш >>пи* зь>м < >*лип л; ч г.лріп джерела промон\кчь

р ізні тлумачення такої одиниці, як “сон”. Приміром, автори навчально­го посібника І.А.Алдошина та ін. [2] “еонами” позначають таке понят­тя, як “гучність звуку”. Гучність звуку - це величина, що показує, на­скільки один звук голосніший іншого. У цьому посібнику гучністю називається слухове відчуття, що дозволяє слуховій системі людини розміщувати звуки за суб’єктивною шкалою - від тихих до гучних.

Автори цього посібника вказують на властивість слуху визнача­ти відносну гучність, що базується на можливості людини прийняти рішення про однакову гучність двох звуків довільного частотного складу. Відзначається, що на практиці досить важливо знати не рі­вень гучності у фонах, а наскільки один звук голосніший іншого.

У науково-популярному виданні відомого спеціаліста в галузі обробки звуку А.Радзішевського [26] “еони” вводяться як друга оди­ниця вимірювання рівня гучності; така,що при кожному збільшенні рівня гучності на 10 фонів число одиниць “еонів” приблизно збільшу­ється у два рази.

Гучність, як і рівень гучності - це суб'єктивна величина, що ха­рактеризує слухове відчуття для даного звуку. Це відчуття залежить від звукового тиску (або інтенсивності звуку), частоти й форми коли­вань. При незмінній частоті й формі коливань звукове відчуття росте зі збільшенням звукового тиску. При однаковому звуковому тиску звукове відчуття чистих тонів (гармонійних коливань) різної частоти різна, тобто на різних частотах однакове звукове відчуття можуть да­вати звуки різної інтенсивності.

У більшості джерел з акустики застосовуються визначення: фони - це одиниці вимірювання слухового відчуття, що позначається як рі­вень гучності, а еони величина гучності. Така термінологія викори­стовується також у нашому посібнику.

Г

Таблиця 4.1

учність величиною 1 сон відповідає рівню гучності 40 фонів при частоті звуку 1000 Гц. При кожному збільшенні рівня гучності на 10 фонів число одиниць еонів приблизно збільшується у два рази. У таблиці 4.1 подано співвідношення шкали еонів і фонів.

Шкала еонів і фонів

■сонн Го.ббЗ • О.Ї25*^! 1125' ^Г7 ^] 4~ Об ^Тб4

і і і ; , І ₊

і Фоїж ! о ~ ; іо ": :п 40 ^! >о \ бд І ч/ *о ■ яо

* ^г * ! • і ...

Залежність зміни гучності 8 у еонах від рівня гучності О у фо­нах можна обчислити за формулою

5 = 2 ^{0,1 х}<^с~⁴°) якщо С >40 фон. (4.1^

Звук з рівнем гучності 40 фонів (гучність 1 сон) - це досить ти­хий звук, наприклад, розмови пошепки на відстані одного метра.

На Рис. 4.3 приведена залежність між гучністю у еонах і рівнем гучності у фонах, у випадку вимірювання для чистих тонів, одержана за формулою (4.1).

е

Рис. 4.3. Графі к залежності гучності 5 (еони) тонального звуку від його рівня гучності О (фони)

Залежність, подана на Рис.4.3, дозволяє вирахувати рівень гуч­ності складного сигналу з дискретним спектром.

Приклад. Маємо три чистих тони: 100 Гц (рівень 84дБ), 500 Гц (рівень 80 лБ) та 3500Гц (рівень 75 дБ). Який буде рівень гучності звуку, що складається з цих тонів? За кривими рівної гучності при бі­науральному прослуховуванні у вільному звуковому полі ( Рнс.4.1) визначимо, що рівень гучності кожного тону дорівнює 80 фонам.

врахування кривих рівної гучності не лаг повної картини для об'єктивного моделювання відчуття гучності. Для опису харакіеру

суб'єктивної оцінки гучності звуку з достатнім ступенем точності можна застосувати модель, що враховує наявність частотних смуг.

Увесь спектр чутного звуку розбивається на 24 частотні смуги, що отримали назву “критичні”. Наявність критичних смуг слуху ві­дображає фундаментальну здібність слухової системи до частотного аналізу, який відбувається у внутрішньому вусі. Базилярна мембрана в равлику діє як лінійка смугових фільтрів, ширина смуги яких зале­жить від частоти: вище 500 Гц вона рівна приблизно 1/3 октави, ниж­че 500 Гц вона становить приблизно 100 Гц. Усередині критичної смуги слух проводить інтеграцію звукової інформації, що надійшла. Хоч і існує спеціальна одиниця вимірювання - барк, рівна ширині критичної смуги, чітко фіксованих меж у цих смуг не існує. Для му­зики й мови будуть справедливі одні значення. Якщо сигнал набуває періодичного, тонального або імпульсного характеру, ширина смуг може дещо змінюватися.

Рівень гучності обчислюється в кожній із 24 смуг за формулою:

С=І0х1₈-^ец

^&/ ’ де

п.ч.смуги (4.2)

І смуги - інтенсивність звуку, зміряна в даній смузі частот;

іп.ч.смуги - поріг чутності для даної смуги.

За рівнем гучності визначається гучність у кожній з 24 смуг (Рис. 4.3).

Сприйняття гучності звуку залежить не тільки від вищеназваних чинників, слід враховувати й суб'єктивні обставини, непіддатливі кіль­кісній оцінці. Важливі: середовище, що оточує слухача, рівень зовніш­нього шуму, висота й гармонійна структура звучання, гучність попе­реднього звучання, ефект “маскування" (під враженням поперед­нього звучання вухо стає менш чутливим до інших звучань близької частоти) і навіть естетичне ставлення слухача до музичного матеріа­лу. Небажані звуки (шуми) можуть здаватися більш гучними, ніж ба­жані тієї самої інтенсивності.