Субъективные характеристики звука

Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками звука являются высота, громкость и тембр.

Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.

Тон — это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.

Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 ООО Гц воспринимается как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.

Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты, музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые).

Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3…6 Гц.

Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону. Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо от начальной частоты) всегда воспринимается как одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20…20 ООО Гц, он охватывает приблизительно десять октав.

Октава — достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты приблизительно в 1,054 раза.

Октаву делят на полуоктавы и третьоктавы. Для последних стандартизован следующий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.

Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального состава, условий восприятия и длительности воздействия (см. рис.3). Тяк, два звучащих тона средней и низкой частоты, имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости. За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости чистого тона частотой 1000 Гц, т. е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают. На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более тихими.

Кривые, приведенные на рис. 3, называются кривыми равной громкости. Каждая кривая соответствует некоторому уровню громкости, выраженному в фонах, и дает возможность вычислить уровень интенсивности звуковых колебаний на различных частотах, при которых создается эта громкость, например уровню громкости в 30 фон на частоте 100 Гц соответствует уровень интенсивности звука 60 дБ.

Предположим, что мы на концерте симфонической музыки и с помощью «идеального» магнитофона делаем его запись; предположим также, что средний уровень громкости в зале 90 фон. Вернувшись домой, включаем магнитофон через «идеальную» систему воспроизведения, не вносящую никаких искажений в запись, но, чтобы не мешать соседям по квартире, устанавливаем уровень громкости 70 фон.

При прослушивании фонограммы обнаруживаем, что музыкальное произведение потеряло «краски», не хватает высоких и низких частот. Чтобы обеспечить высокое качество воспроизведения в современной звукоусилительной аппаратуре при уменьшении уровня громкости, с помощью тонкомпенсирующего регулятора изменяют коэффициент усиления в области низкочастотных (30…100 Гц) и высокочастотных (8000… 10 000 Гц) сигналов, компенсирующий в какой-то степени потерю чувствительности слуха на НЧ и ВЧ при снижении громкости прослушивания.

Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает, что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости в зале.

При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается, и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха на перегрузку, т. е. с естественной его адаптацией. После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха). Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.

Значительный уровень громкости и длительное его воздействие вызывают необратимые явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости. Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.

Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора — шумомера. Измеряемый звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой чувствительности слуха.

Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.

Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.). При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.

Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты основного тона и нескольких «примесных» частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.

От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. На рис. 4 показаны спектры звуков одной высоты, взятой на разных музыкальных инструментах. Звуки разных музыкальных инструментов различаются по тембру.

Различия в тембре определяются в основном низкои среднечастотными составляющими сигнала, следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона. Сигналы же, относящиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник, средних 8 — 10, высоких 2 — 3, так как остальные либо ела бы, либо выпадают из области слышимых частот Поэтому высокие звуки, как правило, по тембр} беднее.

Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен и слух — для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие звуки обычно являются и более резкими.

Тембровый признак громкости звука часто даже существеннее, чем уровень звукового давления, так как тембр для слуха меньше зависит от того, на каком расстоянии находится источник, т. е. от абсолютного уровня звукового давления в точке приема. Всегда легко отличить форте оркестра при тихом воспроизведении от пиано при полном усилении и т. п. Нарушение указанной зависимости создает противоестественное ощущение. Например, регулирование громкости в современных электромузыкальных устройствах, регуляторы которых изменяют только уровень звукового давления, не создавая никакого ощущения звукового напряжения, яркости. А ведь именно яркость и напряженность громкого звучания вызывают эмоцию силы в сравнении с нежностью и слабостью, свойственными звукам мягким и приглушенным.