Характеристики слухового ощущения. Понятие об аудиометрии.

Объективные характеристики звука могут быть оценены соответствующими приборами независимо от человека. Однако звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком также и субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота тона — субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.

В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона.

Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом.

На рис. 6.1, а, б разные акустические спектры соответствуют Разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона одинаковы.

Громкость — еще одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера—Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т. е. на одинаковую величину). Применительно к звуку это означает, что если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например aI₀, a²I₀, a³I₀

(а — некоторый коэффициент, а > 1) и т. д., то соответствующие им ощущения громкости звука Е₀, 2Е₀, 3 Е₀ и т. д.

Математически это означает, что громкость звука пропорци­ональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два зву­ковых раздражения с интенсивностями I и I₀, причем I₀ — порог слышимости, то на основании закона Вебера—Фехнера громкость относительно I₀ связана с интенсивностью следующим образом:

Е = klg(I /I₀), (6.3)

где k — некоторый коэффициент пропорциональности, завися­щий от частоты и интенсивности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то из (6.1) и (6.3) сле­довало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука со­ответствует шкале громкостей. В этом случае громкость звука, так же как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибе­лах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому ис­пользованию формулы (6.3).

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и ин­тенсивности звука полностью совпадают, т. е. k = 1 и Е_Б = lg(I / I₀), или, по аналогии с (6.2),

(6.4)

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкос­ти децибелы называют фонами (фон), поэтому введено обозначе­ние Е_ф.

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая ис­следуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового генератора¹ создают звук частотой 1 кГц. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощу­щение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.

Звуковым генератором называют электронный прибор, генерирую­щий электрические колебания с частотами звукового диапазона. Однако сам звуковой генератор не является источником звука. Если же создавае­мое им колебание подать на динамик, то возникает звук, тональность ко­торого соответствует частоте генератора. В звуковом генераторе предус­мотрена возможность плавного изменения амплитуды и частоты колеба­ний.

Д ля того чтобы найти соответствие между громкостью и интен­сивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости (рис. 6.4). Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых по описанному выше ме­тоду.

Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков — порогу слышимости: для всех частот Е_ф = 0, для 1 кГц соответствующая интенсивность звука I₀ = 10^-12 Вт/м². Из приведенных кривых видно, что среднее человеческое ухо наи­более чувствительно к частотам 2500—3000 Гц. Каждая промежу­точная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интен­сивности звука для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определен­ных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя со­вокупность кривых равной громкости, можно найти для разных частот громкости, соответствующие определенной интенсивнос­ти. Например, пусть интенсивности звука частотой 100 Гц соот­ветствует L = 60 дБ. Какова громкость этого звука? На рис. 6.4 на­ходим точку с координатами 100 Гц, 60 дБ. Она лежит на кривой, соответствующей уровню громкости 30 фон, что и является отве­том.

Чтобы иметь определенные представления о различных по ха­рактеру звуках, приведем их физические характеристики (табл. 13). Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией.

Таблица 13

Примерный характер звука	Интенсив­ность зву­ка, Вт/м2	Звуковое давле­ние, Па	Уровень интенсивности звука относительно по­рога слышимости, дБ (или уровень громкости звука для частоты 1 кГц, фон)
Порог слышимости	10^-12	0,00002	0
Сердечные тоны через
стетоскоп	10^-11	0,000064	10
	10^-10	0,0002	20
Шепот	10^-9	0,00064	30
Разговор:
тихий	10^-8	0,002	40
нормальный	10^-7	0,0064	50
громкий	10^-6	0,02	60
Шум на оживленной улице	10^-5	0,064	70
Крик	10^-4	0,2	80
Шум:
в поезде метро	10^-3	0,64	90
мотоцикла (максимальный)	10^-2	2	100
двигателя самолета	10^-1	6,4	110
то же, вблизи	10^0	20	120
Порог болевого ощущения	10^1	64	130

При аудиометрии на специальном приборе (аудиометре) опре­деляют порог слухового ощущения на разных частотах; получен­ная кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощуще­ния помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Для объективного измерения уровня громкости шума исполь­зуется шумомер. Структурно он соответствует схеме, изображен­ной на рис. 6.3. Свойства шумомера приближаются к свойствам человеческого уха (см. кривые равной громкости на рис. 6.4), для этого для разных диапазонов уровней громкости используются корректирующие электрические фильтры.