Разрешающая способность

Хорошо известно, что частотный диапазон слуха простирается от 16 до 20000 Гц. Слуховая память позволяет удерживать до нескольких сотен градаций частоты. Их число уменьшается с понижением интенсивности звука. Поэтому среднее число градаций не более 150. Устройство органа слуха часто уподобляют цепочке резонаторов, настроенных на определенные полосы частот. Такая модель показывает хорошее приближение к устройству и результатам действия реальной слуховой улитки, в которой расположена базилярная мембрана, содержащая свыше 20000 осязающих волокон, которые передают возбуждающее воздействие через нервные окончания в слуховой центр мозга, где и происходит обработка полученных сигналов, вследствие чего слушатель воспринимает (субъективно) образовавшийся слуховой образ. Если слуховая память уже содержит предваряющую эмпирическую информацию о подобном или близком слуховом образе, то мозг идентифицирует ее как знакомую, идентичную или тождественную.

Частотную разрешающую способность слуха обеспечивают полосы пропускания, образованные специфическим устройством органа слуха. Их называют критическими полосками, иногда - частотными группами. Всего таких полосок 24. Поэтому считается, что слух как бы превращает широкополосный звук со сплошным спектром частот в дискретный, т.е. состоящий из конечного числа составляющих, соответствующих включенным в работу числу критических полосок. Ранее было отмечено, что разрешающая способность слуха по амплитуде составляет несколько сот ступеней ощущения.

Таким образом, совокупная разрешающая способность слуха по амплитуде и частоте в пределах области слышимости, ограниченной снизу порогом слышимости, а сверху - болевым порогом, составляет около 22000 элементарных градаций звуковых ощущений. Своего рода четкость звукового изображения. Заметим для справки, что число градаций зрительных ощущений составляет около 600000.

Как было отмечено, орган слуха имеет 24 критические полоски, определяющие дискретную избирательность слуха и его разрешающую способность по частоте. если среднее число ощущаемых градаций по частоте около 150, то максимальное может доходить до 620 при высокой интенсивности звука.

При уровне звукового давления L_P=70дБ на частотах менее 500 Гц слышны отклонения частоты тона на 1,8 Гц; выше же 500 Гц слышны отклонения порядка 0,35% от частоты тона. Частота тона является параметром раздражения органа слуха. Субъективным параметром ощущения частоты тона является высота тона. До частот 500 - 1000 Гц изменения частоты тона (раздражение) и высоты тона (ощущение) описывается логарифмическим законом, выше частоты 500 - 1000 Гц связь раздражения и ощущения все более отличается от логарифмической зависимости (рис. 2.4). За единицу высоты тона как параметра ощущения выбран "мел". Тон частотой 131 Гц (нота "до" малой октавы) имеет высоту тона z=131 мел. Более крупной величиной измерения высоты тона принят "барк": 1 барк = 100 мел.

Рис. 2.4. Высота тона и шкала частотных групп (критических полосок) в зависимости от частоты.

Из рис. 2.4 следует, что между высотой тона и 24 критическими полосками (правая шкала) существует тесная связь. Увеличению частоты на одну критическую полоску соответствует возрастание высоты тона на один барк.

Звуковое раздражение передается на базилярную мембрану, имеющую длину 32 мм. Вдоль мембраны в кортиевом органе располагаются связующие волокна по 3500 в каждом. Раздражение тоном определенной частоты вызывает возбуждение некоторых волокон. При малых уровнях воздействия число возбуждаемых волокон меньше, при больших - больше. При изменении частоты тона изменяется локализация максимального возбуждения на базилярной мембране. На рис. 2.5 показано соотношение и расположение различных шкал относительно протяженности базилярной мембраны.

1. Основная (базилярная) мембрана, мм
2. Число осязающих волокон в ряду, шт
3. Число допустимых градаций высоты тона, шт
4. Частота, Гц
5. Высота тона, мел
6. Высота тона, барк (число и нумерация критических полосок).

Рис. 2.5. Естественные шкалы основной (базилярной) мембраны

На рис. 2.6 показана зависимость уровня возбуждения L_Е на базилярной мембране при воздействии узкополосного шума со средней частотой 1 кГц и уровнем L_Ш. Из рис. 2.6 следует, что сигнал другой частоты, обеспечивающий на несколько децибел меньший уровень возбуждения базилярной мембраны, не будет услышан. Это явление называется Эффектом маскировки. Причем низкие тоны сильнее маскируют высокие, нежели наоборот. Громкие высокие тоны не маскируют низкие тоны даже малого уровня. Высокий тон, который при малой громкости отчетливо слышен одновременно с низким тоном, может оказаться полностью замаскирован низким тоном, если громкость увеличена чрезмерно. При L_Ш=100 дБ почти все критические полоски выше восьмой "загружены" маскирующим сигналом, для преодоления эффекта воздействия которого на волокна базилярной мембраны потребуется такой уровень, который не свойственен натуральным звукам в высокочастотной области. На рис. 2.6 показано действие шума со средней частотой 1 кГц, что не равнозначно музыкальной программе, но тенденции и эффекты маскировки сохраняются при любых типах сигналов.

Рис. 2.6. Зависимость уровня возбуждения L_Е на базилярной мембране от уровня шума L_Ш со средней частотой 1 кГц.

Это вторая причина (после увеличения субъективных гармоник), по которой громкие звуки не обязательно сопровождаются качественным звуком.

Из рис. 2.6 следует также, что два звука маскируют друг друга тем сильнее, чем ближе их основные частоты, например, в случае взятия одинаковых нот на разных инструментах. Слух различает в этом случае каждый инструмент раздельно лишь по признакам характерной окраски звука каждого инструмента (тембру), хранящимся в долговременной памяти слушателя.

Различия в тембрах определяются преимущественно низко- и среднечастотными составляющими звучаний инструментов. Большое разнообразие и богатство тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона, тем более, что в музыке основные тоны выше 1 кГц используются редко.