7 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Какой диапазон частот воспринимает человеческое ухо

О диапазоне частот, которые слышит человеческое ухо

Известно, что 90% информации об окружающем мире человек получает со зрением. Казалось бы, что на долю слуха остаётся не так много, но на самом деле, человеческий орган слуха — это не только высокоспециализированный анализатор звуковых колебаний, но и очень мощное средство коммуникации. Врачей и физиков давно волновал вопрос: можно ли точно определить диапазон слуха человека в разных условиях, различается ли слух у мужчин и у женщин, есть ли «особо выдающиеся» рекордсмены, которые слышат недоступные звуки, или могут производить их? Попробуем подробнее ответить на эти и некоторые другие смежные вопросы.

Но перед тем, как понять, сколько герц слышит человеческое ухо, нужно разобраться с таким фундаментальным понятием как звук, и вообще, понять что именно измеряют в герцах.

Основные звуковые характеристики

Звуковые колебания — это уникальный способ передачи энергии без передачи материи, они представляют собой упругие колебания в какой-либо среде. Когда речь идет об обычной жизни человека, такой средой является воздух. Он содержат молекулы газов, которые могут передавать акустическую энергию. Эта энергия представляет чередование полос сжатия и растяжения плотности акустической среды. В абсолютном вакууме звуковые колебания передать невозможно.

Любой звук является физической волной, и содержит все необходимые волновые характеристики. Это частота, амплитуда, время затухания, если речь идет о затухающем свободном колебании. Рассмотрим это на простых примерах. Представим себе, например, звук открытой струны соль на скрипке при извлечении его смычком. Мы можем определить следующие характеристики:

  • тихий звук или громкий. Это не что иное, как амплитуда, или сила звука. Более громкому звуку соответствует большая амплитуда колебаний, а тихому звуку — меньшая. Звук, имеющий большую силу, можно услышать на более далеком расстоянии от места возникновения;
  • длительность звука. Это всем понятно, и каждый способен отличить раскаты барабанной дроби от протяженного звучания хоральной органной мелодии;
  • высота звука, или частота звукового колебания. Именно эта основополагающая характеристика и помогает нам отличать «пищащие» звуки от басового регистра. Если бы не было частоты звука, музыка было бы возможна только в виде ритма. Частота измеряется в герцах, а 1 герц равен одному колебанию в секунду;
  • тембр звука. Он зависит от примешивания акустических дополнительных колебаний – формант, но объяснить его простыми словами очень легко: даже с закрытыми глазами мы понимаем, что звучит именно скрипка, а не тромбон, даже если у них будут совершенно одинаковые вышеперечисленные характеристики.

Тембр звука можно сравнить с многочисленными вкусовыми оттенками. Всего у нас есть горький, сладкий, кислый и соленый вкус, но этими четырьмя характеристиками далеко не исчерпываются всевозможные вкусовые ощущения. То же самое происходит и с тембром.

Остановимся подробнее на высоте звука, поскольку именно от этой характеристики и зависит в наибольшей степени острота слуха и диапазон воспринимаемых акустических колебаний. Что же такое диапазон звуковых частот?

Диапазон слуха в идеальных условиях

Частоты, воспринимаемые человеческим ухом в лабораторных, или идеальных условиях, находятся в сравнительно широкой полосе от 16 Герц до 20000 Герц (20 кГц). Всё, что ниже и выше — человеческое ухо слышать не может. Речь идет об инфразвуке и ультразвуке. Что это такое?

Инфразвук

Его слышать нельзя, но тело может ощущать его, как работу большой басовой колонки – сабвуфера. Это —инфразвуковые колебания. Все прекрасно знают, если постоянно ослаблять басовую струну на гитаре, то, несмотря на продолжающиеся вибрации, звук исчезает. Но эти колебания можно по-прежнему ощущать кончиками пальцев, прикоснувшись к струне.

В инфразвуковом диапазоне работают многие внутренние органы человека: происходит сокращение кишечника, расширение и сужение сосудов, многие биохимические реакции. Очень сильный инфразвук может вызвать серьезное болезненное состояние, даже волны панического ужаса, на этом основано действие инфразвукового оружия.

Ультразвук

На противоположном участке спектра находятся очень высокие звуки. Если звук имеет частоту выше 20 килогерц, то он перестает «пищать» и становится неслышным для уха человека в принципе. Он становится ультразвуком. Ультразвук имеет большое применение в народном хозяйстве, на нём основана ультразвуковая диагностика. С помощью ультразвука ориентируются корабли в море, обходя айсберги и избегая мелководья. Благодаря ультразвуку специалисты находят пустоты в цельнометаллических конструкциях, например, в рельсах. Все видели, как по рельсам рабочие катят специальную дефектоскопическую тележку, генерирующую и принимающую высокочастотные акустические колебания. Ультразвуком пользуются летучие мыши, чтобы находить в темноте безошибочно дорогу, не натыкаясь на стенки пещер, киты и дельфины.

Известно, что с возрастом снижается способность к различению именно высоких звуков, и лучше всего слышать их могут дети. Современные исследования показывают, что уже в возрасте 9-10 лет у детей начинает постепенно уменьшаться диапазон слуха, а у пожилых людей слышимость высоких частот значительно хуже.

Чтобы услышать, как пожилые люди воспринимают музыку, нужно просто на многополосном эквалайзере в плеере вашего сотового телефона убавить один или два ряда высоких частот. Получившееся некомфортное «бубнение, как из бочки», и будет прекрасной иллюстрацией того, как вы сами будете слышать в возрасте после 70 лет.

В снижении слуха важную роль играет неправильное питание, употребление алкоголя и курения, откладывание холестериновых бляшек на стенках сосудов. Статистика ЛОР — врачей утверждает, что люди с первой группой крови чаще и быстрее приходят к тугоухости, чем остальные. Приближает тугоухость избыточный вес, эндокринная патология.

Диапазон слуха в обычных условиях

Если отсечь «маргинальные участки» звукового спектра, то для комфортной жизни человека доступно не так уж и много: это промежуток от 200 Гц до 4000 Гц, что практически полностью соответствует диапазону человеческого голоса, от глубокого бассо — профундо, до высокого колоратурного сопрано. Тем не менее, даже при комфортных условиях, слух человека ухудшается постоянно. Обычно наибольшая чувствительность и восприимчивость у взрослых людей в возрасте до 40 лет находится на уровне 3 килогерц, а в возрасте 60 лет и более понижается до 1 килогерца.

Диапазон слуха у мужчин и женщин

В настоящее время не приветствуется половая сегрегация, но мужчины и женщины действительно различно воспринимают звук: женщины способны слышать лучше в высоком диапазоне, и возрастная инволюция звука в области высоких частот у них более медленная, а мужчины воспринимают высокие звуки несколько хуже. Логично, казалось бы, предположить, что мужчины лучше слышат в басовом регистре, но это не так. Восприятие басовых звуков, как у мужчин, так и у женщин практически одинаковое.

Но есть уникальные женщины по «генерации» звуков. Так, диапазон голоса перуанской певицы Имы Сумак (почти в пять октав) простирался от звука «си» большой октавы (123,5 Гц) до «ля» четвертой октавы (3520 Гц). Пример ее уникального вокала можно найти ниже.

При этом у мужчин и женщин существует довольно большая разница в работе речевого аппарата. Женщины производят звуки от 120 до 400 герц, а мужчины — от 80 до 150 Гц, по среднестатистическим данным.

Различные шкалы для указания диапазона слуха

Вначале мы говорили о том, что высота не является единственной характеристикой звука. Поэтому существуют различные шкалы, в соответствии с различными диапазонами. Звук, слышимый человеческим ухом, может быть, например, тихим и громким. Наиболее простая и приемлемая в клинической практике шкала громкости звука — та, которая измеряет звуковое давление, воспринимаемое барабанной перепонкой.

В основу этой шкалы положена наименьшая энергия колебания звука, которая способна трансформироваться в нервный импульс, и вызвать звуковое ощущение. Это — порог слухового восприятия. Чем порог восприятия ниже, чем чувствительность выше, и наоборот. Специалисты различают интенсивность звука, которая является физическим параметром, и громкость, который является субъективной величиной. Известно, что звук строго одной и той же интенсивности здоровый человек, и человек с тугоухостью воспримут как два разных звука, громче и тише.

Всем известно, как в кабинете ЛОР — врача пациент становится в угол, отворачивается, а врач из соседнего угла проверяет восприятие пациентом шепотной речи, произнося отдельные цифры. Это наиболее простой пример первичной диагностики тугоухости.

Известно, что еле уловимое дыхание другого человека составляет 10 децибел (дБ) интенсивности звукового давления, обычный разговор в домашней обстановке соответствует 50 дБ, вой пожарной сирены – 100 дБ, а взлетающий вблизи реактивный самолет, вблизи болевого порога — 120 децибел.

Может вызвать удивление, что вся огромная интенсивность звуковых колебаний укладывается на такой малой шкале, но это впечатление обманчиво. Это — логарифмическая шкала, и каждая последующая ступень в 10 раз интенсивнее, чем предыдущая. По такому же принципу построена шкала оценки интенсивности землетрясений, где всего 12 баллов.

В заключение следует сказать, что если ваш возраст перевалил за 45 — 50 лет, и вы начали спрашивать у более молодых, где они услышали щебетание птицы, то знайте, что у вас физиологическая акустическая потеря слуха, которые характеризует здоровое старение организма. Но в том случае, даже если вы, находясь среди своих сверстников, начали постоянно переспрашивать, то вам нужно обязательно записаться на исследование, которое называется аудиометрией.

Аудиометрическое исследование проводит специалист — сурдолог, или ЛОР — врач. В настоящее время интернет представляет разнообразные возможности, и даже сейчас, читая эту статью со своего экрана. Прямо сейчас определить приблизительно свой слуховой возраст в онлайн – режиме. А здесь можно попробовать различить свою способность различать полезный сигнал среди шума.

61. Какой частотный диапазон воспринимает человек? в каком диапазоне частот наблюдается оптимальная слышимость человека?

Считается, что человек способен улавливать звуковые колебания частотой звука лежащей от 20 Гц до 20 КГц. Всё что лежит за пределами этого диапазона человеческое ухо не может уловить. Но для разных людей эти цифры разные хоть и варьируются вокруг одних и тех же чисел, это обусловлено индивидуальным фактором каждого человека.

62. Что такое громкость звука? Для чего служат линии равной громкости?

Гро́мкость зву́ка — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Читать еще:  В каком возрасте лучше прокалывать уши

Нет линий ровной громкости!

63. Где находятся области инфра- и ультразвука? Как воздействует инфра- и ультразвук на человека?

Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — звуковые волны, имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0,001 Гц.

Ультразву́к — упругие колебания в среде с частотой за пределом слышимости человека. Обычно под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц.

Ультразвук, при высоких мощностях, (производственных) негативно влияет на здоровье и самочувствие человека, поэтому приняты международные специальные пределы безопасного излучения. В основном это касается работников заводов и производств, которые работают на ультразвуковых станках. При облучении мощным станком (без использования средств защиты) у человека может наблюдаться, повышение температуры, головная боль, онемение и покалывание конечностей, плохое самочувствие. При средней степени воздействия симптомы пропадают через несколько часов. В повседневной же жизни, это излучение, лечит и помогает человеку, нежели вредит его здоровью. Это и лечение опухолей, нервной системы, позвоночника, зубов, суставов, очистка кожи, удаление жировых отложений и лечение разных болезней.

Диапазон инфразвуковых колебаний совпадает с внутренней частотой отдельных органов человека (6-8 Гц), следовательно, из-за резонанса могут возникнуть тяжелые последствия.

Увеличение звукового давления до 150 дБА приводит к изменению пищеварительных функций и сердечному ритму. Возможна потеря слуха и зрения.

64. Что такое спектр шума? Что такое октава (октавная полоса)?

Спектр шума — зависимость уровня звукового давления от частоты.

Спектры бывают: — дискретные; — сплошные; — тональный.

Октава — полоса частот с границами f1 — f2, где f2/f1 = 2.

65. В каких единицах измеряется интенсивность звука, звуковое давление, частота звука, мощность звука?

Интенсивность звука дБ

Звуковое давление Паскаль

Частота звука Гц

Мощность звука Вт

66. Что такое «коррекция шумомера А»? Для чего она нужна?

Шумомер имеет три шкалы (А, В и С), учитывающие частотный состав измеряемого шума. Характеристика шума по шкале А соответствует кривой громкости 40 фон, т. е. до некоторой степени субъективному восприятию уровня громкости и позволяет произвести ориентировочную оценку «неприятности» или «вредности» шума. Поэтому уровень шума, измеренный по шкале А в децибелах (дБ А), имеет большое значение для гигиенической практики оценки промышленных шумов.

67. Что такое широкополосной шум, тональный шум?

Широкополосный шум (broadband noise, Breitbandgerausch) — шум, энергия которого распределяется в широком диапазоне частот (более одной октавы).

тональный шум: Шум, в спектре которого имеются слышимые дискретные тона. Тональный характер шума устанавливают измерением в третьоктавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

68. Какой шум называется постоянным?

постоянный шум: Шум, уровень звука которого изменяется во времени не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике «медленно» шумомера по ГОСТ 17187.

непостоянный шум: Шум, уровень звука которого изменяется во времени более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике «медленно» шумомера по ГОСТ 17187.

69. Что такое порог слышимости? Болевой порог?

Порог слышимости — минимальная величина звукового давления, при которой звук данной частоты может быть ещё воспринят ухом человека. Величину порога слышимости принято выражать в децибелах, принимая за нулевой уровень звукового давления 2·10−5Н/м2 или 20·10−6Н/м2 при частоте 1 кГц (для плоской звуковой волны). Порог слышимости зависит от частоты звука.

Болевой порог — это уровень раздражения, причиняемого нервной системе, при котором человек чувствует боль. Болевой порог индивидуален для каждого, один и тот же уровень раздражения может выразиться как в незначительной, так и в сильной боли для разных людей. Если при минимальном воздействии человеку уже больно, то у него низкий болевой порог, если же воздействие, причиняющее боль, должно быть достаточно сильное, то болевой порог высокий. Болевой порог человека может снизиться при общем утомлении и недостатке витаминов группы B.

Какой диапазон частот воспринимает человеческое ухо

СЛУХ, способность воспринимать звуки. Слух зависит от: 1) уха – наружного, среднего и внутреннего, – которое воспринимает звуковые колебания; 2) слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы; 3) определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание исходных звуковых сигналов.

Любой источник звука – струна скрипки, по которой провели смычком, столб воздуха, движущийся в органной трубе, или голосовые связки говорящего человека – вызывает колебания окружающего воздуха: сначала мгновенное сжатие, потом мгновенное разрежение. Другими словами, из каждого источника звука исходят серии чередующихся волн повышенного и пониженного давления, которые быстро распространяются в воздухе. Этот движущийся поток волн и образует звук, воспринимаемый органами слуха.

Большинство звуков, с которыми мы сталкиваемся каждый день, довольно сложны. Они порождаются сложными колебательным движениями источника звука, создающими целый комплекс звуковых волн. В экспериментах по исследованию слуха стараются выбрать как можно более простые звуковые сигналы, чтобы легче было оценить результаты. Много усилий тратится на то, чтобы обеспечить простые периодические колебания источника звука (по типу маятника). Получающийся в результате поток звуковых волн одной частоты называется чистым тоном; он представляет собой регулярную, плавную смену высокого и низкого давления.

Границы слухового восприятия.

Описанный «идеальный» источник звука можно заставить колебаться быстро или медленно. Это позволяет выяснить один из главных вопросов, возникающих при исследовании слуха, а именно какова минимальная и максимальная частота колебаний, воспринимаемых человеческим ухом как звук. Эксперименты показали следующее. Когда колебания совершаются очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждая звуковая волна слышится отдельно и не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук самой низкой басовой трубы органа. По мере дальнейшего возрастания частоты воспринимаемый тон становится все выше; при частоте 1000 Гц он напоминает верхнее до у сопрано. Однако и эта нота все еще далека от верхней границы человеческого слуха. Только когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает слышать.

Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). Здесь чувствительность так велика, что сколько-нибудь существенное ее увеличение оказалось бы неблагоприятным: одновременно воспринимался бы постоянный фоновый шум беспорядочного движения молекул воздуха. По мере уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха постепенно снижается. По краям воспринимаемого диапазона частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается физически прежде, чем слышится.

Звук и его восприятие.

Чистый тон имеет две независимых характеристики: 1) частоту и 2) силу, или интенсивность. Частота измеряется в герцах, т.е. определяется количеством полных колебательных циклов в секунду. Интенсивность измеряется величиной пульсирующего давления звуковых волн на любую встречную поверхность и обычно выражается в относительных, логарифмических единицах – децибелах (дБ). Необходимо помнить, что понятия частоты и интенсивности применимы только к звуку как внешнему физическому раздражителю; это т.н. акустические характеристики звука. Когда мы говорим о восприятии, т.е. о физиологическом процессе, звук оценивается как высокий или низкий, а его сила воспринимается как громкость. В целом, высота – субъективная характеристика звука – тесно связана с его частотой; звуки высокой частоты воспринимаются как высокие. Также, обобщая, можно сказать, что воспринимаемая громкость зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считается. На восприятие высоты звука в некоторой степени влияет его сила, а на воспринимаемую громкость – частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения воспринимаемой высоты, соответствующим образом варьируя его силу.

«Минимальная заметная разница».

И с практической, и с теоретической точки зрения определение минимальной улавливаемой ухом разницы в частоте и силе звука – весьма важная проблема. Как надо изменить частоту и силу звуковых сигналов, чтобы слушающий это заметил? Выяснилось, что минимальная заметная разница определяется скорее относительным изменением характеристик звука, нежели абсолютными изменениями. Это касается и частоты, и силы звука.

Необходимое для различения относительное изменение частоты различно как для звуков разных частот, так и для звуков одной частоты, но разной силы. Можно сказать, однако, что приблизительно оно равно 0,5% в широком диапазоне частот от 1000 до 12 000 Гц. Этот процент (т.н. порог различения) несколько выше в области более высоких частот и значительно выше при более низких. Следовательно, ухо менее чувствительно к изменению частоты по краям диапазона частот, чем при средних значениях, и это часто замечают все, кто играет на рояле; интервал между двумя очень высокими или очень низкими нотами кажется меньше, чем у нот в среднем диапазоне.

Минимальная заметная разница в том, что касается силы звука, несколько другая. Для различения требуется довольно большое, около 10%, изменение давления звуковых волн (т.е. около 1 дБ), и эта величина относительно постоянна для звуков почти любой частоты и интенсивности. Однако, когда интенсивность раздражителя низка, минимальная заметная разница значительно увеличивается, особенно для тонов низких частот.

Обертоны в ухе.

Характерное свойство почти любого источника звука – то, что он не только производит простые периодические колебания (чистый тон), но совершает и сложные колебательные движения, которые дают несколько чистых тонов одновременно. Обычно такой сложный тон состоит из гармонических рядов (гармоник), т.е. из самой низкой, основной, частоты плюс обертоны, частоты которых превосходят основную в целое число раз (2, 3, 4 и т.д.). Таким образом, объект, колеблющийся с основной частотой 500 Гц, может также производить обертоны 1000, 1500, 2000 Гц и т.д. Человеческое ухо в ответ на звуковой сигнал ведет себя сходным образом. Анатомические особенности уха обеспечивают много возможностей для превращения энергии входящего чистого тона, хотя бы частично, в обертоны. А значит, даже когда источник дает чистый тон, внимательный слушатель может услышать не только основной тон, но и едва воспринимаемые один или два обертона.

Взаимодействие двух тонов.

Когда два чистых тона воспринимаются ухом одновременно, могут наблюдаться следующие варианты их совместного действия, зависящие от природы самих тонов. Они могут маскировать друг друга, взаимно уменьшая громкость. Это чаще всего происходит, когда тоны не сильно различаются по частоте. Два тона могут соединяться друг с другом. При этом мы слышим звуки, соответствующие либо разнице частот между ними, либо сумме их частот. Когда два тона очень близки по частоте, мы слышим единый тон, высота которого примерно соответствует данной частоте. Этот тон, однако, становится то громче, то тише, поскольку два слегка несовпадающих акустических сигнала непрерывно взаимодействуют, то усиливая, то гася друг друга.

Читать еще:  За ухом появилась шишка и болит что делать

Тембр.

Объективно говоря, одни и те же сложные тоны могут различаться по степени сложности, т.е. по составу и интенсивности обертонов. Субъективной характеристикой восприятия, в целом отражающей особенность звука, является тембр. Таким образом, ощущения, вызванные сложным тоном, характеризуются не только определенной высотой и громкостью, но и тембром. Некоторые звуки кажутся богатыми и полными, другие – нет. Благодаря прежде всего различиям в тембре мы среди множества звуков узнаем голоса различных инструментов. Ноту ля, взятую на рояле, легко отличить от той же ноты, сыгранной на рожке. Если, однако, умудриться отфильтровать и заглушить обертоны каждого инструмента, эти ноты нельзя будет различить.

Локализация звуков.

Человеческое ухо не только различает звуки и их источники; оба уха, работая вместе, способны довольно точно определять направление, откуда идет звук. Поскольку уши расположены с противоположных сторон головы, звуковые волны от источника звука достигают их не совсем одновременно и воздействуют с несколько разной силой. За счет минимальной разницы во времени и силе мозг довольно точно определяет направление источника звука. Если источник звука находится строго спереди, то мозг локализует его вдоль горизонтальной оси с точностью до нескольких градусов. Если источник смещен в одну из сторон, точность локализации чуть-чуть меньше. Отличить звук сзади от звука спереди, а также локализовать его вдоль вертикальной оси оказывается несколько труднее.

часто описывают как атональный звук, т.е. состоящий из различных. не связанных между собою частот и потому не повторяющий достаточно последовательно такого чередования волн высокого и низкого давления, чтобы получалась какая-то определенная частота. Однако фактически почти любой «шум» имеет свою высоту, в чем нетрудно убедиться, слушая и сравнивая обычные шумы. С другой стороны, любой «тон» имеет элементы шероховатости. Поэтому различия между шумом и тоном трудно определить в этих терминах. В настоящее время наблюдается тенденция определять шум скорее психологически, чем акустически, называя шумом просто нежелательный звук. Уменьшение шума в этом смысле стало насущной современной проблемой. Хотя постоянный сильный шум, без сомнения, приводит к глухоте, а работа в условиях шума вызывает временный стресс, все же он оказывает, вероятно, менее длительный и сильный эффект, чем ему иногда приписывают.

Аномальный слух и слух животных.

Естественным стимулом для человеческого уха является звук, распространяющийся в воздухе, однако на ухо можно воздействовать и другими способами. Всем, например, хорошо известно, что звук слышен под водой. Также, если приложить источник колебаний к костной части головы, за счет костной проводимости появляется ощущение звука. Это явление весьма полезно при некоторых формах глухоты: небольшой передатчик, приложенный непосредственно к сосцевидному отростку (части черепа, расположенной сразу за ухом), позволяет больному слышать звуки, усиливаемые передатчиком, через кости черепа за счет костной проводимости.

Конечно же, слухом обладают не только люди. Способность слышать возникает на ранних ступенях эволюции и существует уже у насекомых. Разные виды животных воспринимают звуки различных частот. Одни слышат меньший, чем человек, диапазон звуков, другие – больший. Хороший пример – собака, чье ухо чувствительно к частотам за пределами человеческого слуха. Одно из применений этого – производство свистков, звук которых не слышен человеку, но достаточен для собаки.

Более полная информация о слухе животных содержится в статьях, посвященных отдельным видам.

Какой диапазон частот воспринимает человеческое ухо

Возникновение звука обусловлено вибрацией частиц окружающей среды. В частности, вибрация браншей камертона вызывает переднезадние движения частиц воздуха, которые окружают камертональную вилку. Частицы приводятся в движение вибрацией камертона, затем они оказывают воздействие на смежные воздушные частицы, передавая колебания следующему слою частиц, вызывая в нем возвратно-поступательные движения. Таким образом, именно физическое изменение звукового давления и звуковой волны, а не сами частицы распространяются в окружающей среде, заставляя слои воздуха создавать вибрацию.

Частота возникающего звука является числом циклов в секунду между началом и концом звуковой волны. Единицей измерения частоты является Герц (Гц, 1 Гц= 1 циклу в секунду). Амплитуда распространяющихся физических изменений может быть выражена количественно либо в виде звукового давления, воздействующего на частицы, либо амплитудой колебания частиц. На практике легче измерить изменения давления, чем измерить движения частиц, следовательно, звуковое давление является основной мерой звука.

Звуковое давление представляет собой переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Международной единицей давления является Паскаль (Па); 1 Па равен давлению в один Ньютон на квадратный метр площади (н/м 2 ). Самые тихие звуки, слышимые человеческим ухом, имеют очень низкое давление; изменение давления, связанное со звуком на пороге слышимости на частоте 1000 Гц, составляет около 20 μПа (или две десятых миллиардной атмосфер). Существует множество способов для измерения звукового давления, наиболее распространенный из которых определяется как квадратный корень среднеквадратичного отклонения давления.

Вибрация камертональной вилки приводит в движение частицы воздуха с частотой, эквивалентной частоте камертона.
Частицы воздуха приводят в движение соседние частицы и так далее, в результате распространяющиеся физические изменения воспринимаются как звук.
Черная точка со стрелкой является гипотетической частицей воздуха,
которая совершает возвратно-поступательные движения из-за волн (изогнутых линий) распространяющихся от камертональной вилки.

Для синусоиды чистого тона, представленной на рисунке ниже, звуковое давление может быть определено такими терминами как пиковая амплитуда, удвоенная амплитуда или среднеквадратичная амплитуда. Для синусоид существует фиксированная взаимосвязь между этими тремя различными показателями, для тона на рисунке 3-2-А эти различные показатели дают значения 1, 2 или 0,71 Па, соответственно. Интенсивность или энергия сложных звуковых колебаний, как иллюстрирует рисунок ниже, достаточно сложно выражается пиковыми показателями, однако хорошо описывается среднеквадратичной амплитудой звукового давления.

В действительности среднеквадратичная амплитуда этого сложного звука составляет 0,71 Па, и является идентичной для тонального звукового давления, показанного на рисунке ниже. В итоге, измерение звукового давления обычно выражается в показателях среднеквадратичного давления.

Человеческий орган слуха чувствителен к широкому диапазону звуковых давлений. Разговорная речь в 100-500 раз превышает пороговый уровень, музыка часто характеризуется звуковым давлением, которое в 10000 раз выше порогового, в то же время, реактивные двигатели, оружие и фейерверки могут производить давление, которое более чем в миллион раз превосходит пороговое. Учитывая то, что ухо чувствительно к изменению давления, которое может в миллион раз превышать пороговое, и то, что ухо человека может различать незначительные изменения в давлении, широко распространено использование логарифмической шкалы для градации звукового давления. Децибел (дБ, одна десятая Белла) является логарифмической единицей отношения энергии, где 10 дБ (1 Белл) демонстрирует увеличение энергетического уровня на один порядок (то есть 1 десятичный логарифм, или логарифм по основанию 10).

Номинальный уровень звукового давления (УЗД) равен 20 мкПа, или 0,00002 Па, и с этого момента энергия является пропорциональной по отношению квадрату давления:

где X — среднеквадратичное значение звукового давления, измеряемое в паскалях, а 0,00002 Па является нулевым порогом слышимости. Различные децибельные шкалы звукового давления используют разные пороговые уровни. В частности, шкала, применяющаяся для аудиометрического исследования, в качестве порогового уровня звукового давления на заданных частотах использует усредненный нормальный пороговый уровень звукового давления в популяции. Уровень звукового давления обеих звуковых волн, представленных на рисунке 3-2, составляет 91 дБ УЗД, где 91 = 20log10 (0,71/0,00002). Громкость звука является функцией звукового давления; для звуков средней громкости увеличение звукового давления на 20 дБ приводит к шестикратному увеличению громкости.

Звуковые давления различных широко известных звуков приведены в таблице ниже и охарактеризованы в значениях (Па) и дБ УЗД.

Звук есть изменение давления во времени. Чистый тон, такой как на рисунке ниже, является звуком, в котором отношение между звуковым давлением и временем может быть описано синусоидальной функцией, в частности, p(t)=Acos(2πft+φ), где мы используем функцию косинуса, общепринятого стандарта при проектировании, p(t) описывает изменение звукового давления во времени, А описывает пиковую амплитуду или величину давления, f является частотой синусоиды и (р является фазой. Фаза определяет время, когда давление является максимальным по отношению к некоторому начальному моменту времени. Взаимосвязь фаз звукового давления в наружном слуховом проходе, а также механических и невральных реакций внутри уха является полезной в определении физических и биологических процессов, связанных со слухом.

Кроме того, относительная синхронизация информации в фазе является крайне важной, когда форма сигнала комбинируется; две волны одинаковой частоты могут суммироваться структурно, имея схожие фазы, их сумма стремится к нулю, если волны с одинаковой амплитудой находятся в противофазе или имеет промежуточные значения для промежуточных фаз. Сложные звуки могут быть описаны добавлением чистых тонов разной частоты и разных фаз. Сложный звук можно разбить на отдельные компоненты (отдельные синусоиды со своей магнитудой и фазой) при помощи использования анализа Фурье. Когда ухо нечувствительно к абсолютной фазе чистого тона, комплексный акустический сигнал с определенными частотными компонентами фиксированной магнитуды может звучать по-разному на различных фазах.

В то время как человеческое ухо может слышать звук с частотой от 20 до 20000 Гц, чувствительность к звукам различной частоты избирательна, и порог слышимости варьирует в зависимости от заданного звукового раздражителя. Пороги звукового давления (самое низкое звуковое давление, которое можно услышать) измеренного у здоровых молодых людей, посредством использования чистых тонов различной частоты в двух различных условиях представлены на рисунке 3-3. Нижняя кривая обозначает пороги, определяемые объектом исследования на открытом пространстве или открытом поле, где измерение звукового давления производилось во время отсутствия субъекта. Верхняя кривая является стандартом измерения пороговых уровней Американского национального института стандартов (ANSI), с измерением звукового давления в наушниках с регулятором.

Читать еще:  Баротравма уха лечение и симптомы

Две модели изменений времени и давления воздуха, создаваемых звуком.
Схема А — чистый тон с частотой 512 Гц, схема Б — сложный звук. Абсолютные значения давления отмечены на обоих графиках,
и создаваемые звуком отклонения возникают в области статического значения в 100000 Па, равному 1 атмосфере.
Уровень звукового давления соответствует амплитуде отклонений от постоянного значения.
На обоих графиках А и В, в то время как постоянное давление составляет 100000 Па, амплитуда звукового давления составляет порядка 1 Па.
А — отклонения звукового давления чистого тона, частотой 512 Гц. Давление изменяется синусоидально с периодом 1/512=0,00195 секунд.
Амплитуда изменения давления относительно постоянного значения может быть количественно определена термином пик-пик амплитуда со значением 2 Па, пиковой амплитудой, которая составляет 1 Па,
или среднеквадратической амплитудой, составляющей 0,71 Па. (Среднеквадратическое значение равно квадратному корню из среднего арифметического квадратов отклонения звукового давления за определенный период времени.
В случае синусоиды удобное усредненное время—это целое число периодов синусной волны. При синусоидальной кривой звукового давления,с реднеквадратическое значение равно пиковой амплитуде/√2).
Б — отклонения давления в сложном звуке с множеством нерегулярных пиков и падений звукового давления. При таком характере звука пиковая амплитуда и пик-пик амплитуда являются плохими показателями среднего уровня звука.
Однако среднеквадратическое отклонение является превосходной мерой до тех пор, пока оно использует усредненное время. В представленном случае среднеквадратичное звуковое давление было вычислено за временное окно в 0,01 секунду.
Обратите внимание, что звуковое давление на графике Б, имеет такой же показатель среднеквадратического отклонения как и звуковое давление на графике А.

Различия между этими двумя кривыми можно объяснить эффектом нахождения человека в открытом звуковом поле, улавливанием звука наружным ухом, эффектом экранирования ушного канала наушниками и различиями в калибровке между условиями измерения. Обе кривые ясно показывают, что нормальные взрослые люди более чувствительны к частотным звукам от 500 до 8000 Гц. Наилучшая частота отличается в зависимости от условий измерения, составляя 1500 Гц в наушниках и 4000 Гц в свободном поле. При более высоких и более низких частотах для различения звуков требуется более высокое звуковое давление, и пороги чувствительности резко увеличиваются ниже 500 Гц и выше 8000 Гц.

Клиницисты больше всего заинтересованы в том, насколько порог слышимости обследуемого отличается от нормы; на практике, норма, определяемая при помощи стандартных ушных телефонов АНИС, представлена на рисунке 3-3. Достоверным графическим средством сравнения двух функций является сравнение их разности. Клиническая аудиограмма использует эту технику сравнения, отмеряя пороги слышимости обследуемого относительно стандартов нормальной слышимости АНИС. В частности, человек, пороговый уровень слышимости которого на частоте 1000 Гц на 10 дБ больше, чем стандартный, имеет уровень слышимости 10 дБ на этой частоте.

В клинических аудиограммах пороговые уровни звукового давления, количественно выражены в децибелах относительно к стандартному уровню слуха на октавных частотах или полуоктавных интервалах. Важно помнить, что нормальная кривая основывается на средних порогах чувствительности здоровых людей и существуют нормальные отклонения (плюс или минус 20 дБ) относительно среднего значения.

Чувствительность уха к звукам разной частоты. На рисунке изображены пороги слышимости, измеренные при помощи наушников (ANSI) а также в свободном поле (Sivian и White).
Усредненные нормальные уровни на частоте 1000 Гц, измеренные двумя разными способами, принимаются за уровень звукового давления, равный ноль дБ.

Скорость или скорость распространения звука в среде определяет длину волны для данной частоты, то есть расстояние, являющееся дистанцией, которую занимает волна, распространяясь и повторяясь. В частности, длина волны λ равна скорости распространения звука, деленной на частоту. Длина волны характеризует изменения тона в пространстве и относительную длину волны и параметры объекта, определяющие взаимодействие со звуком. При длине волны хотя бы пятикратно превышающей максимальный размер объекта влияние на звук будет незначительным, т.е. при распространении звука вокруг объекта звуковое давление на передней и задней поверхности объекта будет почти такое же, как при измерении в отсутствие объекта. С другой стороны, при длине волны близкой или меньшей, чем размеры объекта, изменение звукового давления будет обусловлено объектом.

В общем, по мере того как коротковолновый звук взаимодействует с объектом, звуковое давление вдоль передней поверхности объекта будет увеличиваться из-за отражения звука и уменьшаться вдоль задней поверхности по причине того, что объект экранирует эту область от звука. Общим для света и звука является то, что при малой длине волны объект отбрасывает тень.

Размеры тела и структур уха относительно длины звуковой волны играют значительную роль в определении взаимодействия уха и звуков различных частот. На звуковую волну частотой 20 Гц (волна длиной 17 м) тело и голова оказывают крайне малое влияние. Звук с частотой 200 Гц (длина волны 1,7 м) может быть значительно рассеян головой и туловищем, таким образом, звуковое давление на ухо будет малым. Звук с частотой 2000 Гц (длина волны 17 см) дифрагируется головой так, что звуковое давление удваивается на стороне, обращенной к звуку, а также на противоположной стороне. Звук с частотой 4000 Гц (длина волны 8,5 м) рассеивается ушной раковиной с усилением звукового давления для звука, направленного непосредственно в слуховой проход и снижением для других направлений.

Другой вид взаимодействия длины волны возникает в наружном слуховом проходе; резонансы возникают в ухе на частотах при отсутствии кратности длины ушного канала и глубины ушной раковины относительно λ/4. В таблице ниже приведено несколько критических частот, выше которых длина звуковой волны оказывает влияние на различные части тела и уха. В целом, взаимодействие структур наружного уха и звука снижается после частоты в 1000 Гц и выше.

Клиническая аудиограмма, в которой индивидуальные пороги слуха сопоставлены со стандартами ANSI для нормального уровня слуха в зависимости от частоты.
Ось ординат расположена так, что наибольшие пороги отображены в нижней части графика.
Длина волны звука и структур тела, играющих роль при взаимодействии с волнами.

gedy › Блог › Что такое — звуковая частота?

Читаю посты людей, интересные вещи узнаю. Иногда высказываю своё мнение по поводу прочитанного. Но тут, совсем не давно, я опростоволосился! Считал себя знающим человеком в этом вопросе.

И вот решил. Попытаюсь исправиться. Почитал по теме несколько работ из интернета. Одна мне очень понравилась, всё понятно и просто. Ну может за некоторым исключением — формулы и термины. Я решил пересказать данную статью, но по своему. Надеюсь понял я всё правильно и информация может кому то помочь.

Со школьной скамьи, мы знаем, что человеческое ухо слышит частоты от 16 Гц до 20 000 кГц. Звук — это волнообразное давление воздуха. Если нет воздуха, мы не слышим звук — как в космосе, идеальная тишина. Когда хлопаем в ладоши, воздух между ладонями выталкивается под огромным давлением, так создается звуковая волна.
С какой же частоты начинает слышать человек, его ухо? Частоту в 1 Гц ухо не услышит. Человеческое ухо слышать начинает с частот 16 Гц. То есть когда колебания воздуха уже воспринимается нашим ухом как некий звук.

Громкость звука — определяется амплитудой сигнала. Чем выше амплитуда звуковой волны, тем громче сигнал.
Высота звука — определяется частотой звуковой волны (периодом волны, длинной волны). Чем меньше длинна, тем выше звучание, выше звук.

Так сколько звуков слышит человек?
Не все люди одинаково слышат одни и те же звуки. Одни способны различать близкие по высоте и громкости звуки и улавливать в музыке или шуме отдельные тона. Другие же этого сделать не могут. Для человека с тонким слухом существует больше звуков, чем для человека с неразвитым слухом.

Так насколько же должна отличаться частота двух звуков, чтобы их можно было слышать как два разных тона? Можно ли отличить друг от друга тона, имеющие разницу в одно колебание в секунду? Разными измерениями и опытным путем выяснено, что для некоторых тонов возможно, а для других нет. Так же не одинакова способность уха отличать звуки, близкие по громкости. Так при частоте 32Гц можно расслышать только 3 звука разной громкости, а при частоте 125 — уже 94 звука различной громкости, но уже при частоте 16 000 Гц мы слышим только 16 звуков. Всего же, различных по высоте и громкости звуков, ухо может различить более полумиллиона, а если прибавить множество сочетаний из двух и более тонов, то получается впечатление о многообразии звукового мира.
Для удобства представления о звуковых волнах (частотах) используется шкала с делениями в 1 кГц.

Не все люди, не имеющие в принципе проблем со слухом, одинаково чувствительны к звукам различной частоты. Дети без напряжения воспринимают звуки с частотой до 22 000Гц. У большинства взрослых чувствительность понижена до 16 000–18 000 Гц. Чувствительность у стариков, вообще, бывает ограничена звуками до частоты в 10–12 тысяч герц. Пожилые люди могут не слышать комариного жужжания, стрекотания кузнечика, сверчка и даже чириканья воробья.

Мы используем акустические системы, как колебательное воздух устройство. По причине особенностей строения механической части акустических головок, не удаётся воспроизвести весь спектр частот с постоянными линейными характеристиками. В идеале, нам бы хотелось иметь широкополосный динамик, воспроизводящий спектр частот от 16 Гц до 20 кГц с одним уровнем громкости. Но это технически не реально. Только по этому, во всех качественных акустических системах применяются сразу несколько типов динамиков для воспроизведения конкретных частот. И происходит это только по тому, что мы хотим добиться качественного воспроизведения всего спектра частот.

Условно можно разнести типо-название динамиков по такому разделению частот:
Сабвуфер от 16 Гц до 60 Гц
Мидбас от 60 Гц до 600 Гц
Мидрендж от 600 Гц до 3000 Гц
Твитер от 3000 Гц до 20000 Гц

В основном все системы строятся из трех динамиков (твит, мид, саб), но особые ценители делают «всё по феншую».

Вот такая информация. Сам очень тщательно перечитал не один форум, справочник. Но специалистом в этой области себя не считаю. Потому как профессионально этим не занимаюсь, просто для самообразования.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector
×
×