ПРОСТРАНСТВЕН СЛУХ
Дата: Tuesday, May 05 @ 17:24:27 CEST
Тема: Акустика


ПРОСТРАНСТВЕН СЛУХ

инж. Г.Цветков

Цел на настоящата статия е да запознае читателя в популярна форма и съкратен вид с част от съвременните знания за пространсвения слух. С тези проблеми се занимават редица дисциплини, като психология, психофизика, медицина, от една страна, и физика и теория на музиката – от друга. Целия кръг от въпроси, свързани с пространствения слух, е твърде широк и едва ли е достъпен за специалисти само от една област на науката.

Широкото развитие на DIY – движението за звуковъзпроизвеждане с висока вярност, както и сравнително рядко появяващата се информация по тези проблеми налагат запознаване с тях, с цел по-ясна представа за задачите стоящи пред конструктора на звуковъзпроизвеждаща апаратура.



Устройство на слуховия орган – ухото
Слуховия орган на човека се разделя условно на три части:

Външно, средно и вътрешно ухо виж фиг.1.



Фиг.1


Към външното ухо се отнасят ушната мида и ушният канал. Ушната мида е покрита с продължение на кожата, която постепенно изтънява в слуховия проход (дължина 25 мм и диаметър 5-9мм) и се слива с тъпанчевата ципа (дебела 0.1мм).

Ушните миди представляват линеен филтър, чиято характеристика на предаване зависи от посоката на източника на звука и разстоянието до него. По този начин, те изпълняват функция на преобразувател на пространствените характеристики на звуковото поле във временни. В това е тяхната роля за формиране на пространствен слух. Акустичното действие на ушните миди е основано на различни физични явления: отражение, засенчване, разсейване, дифракция, интерференция и резонанс. Ушните миди заедно със слуховия канал образуват единна резонансна система.

Бинуралните (достигащи до двете уши) пространствени сигнали съдържат признаци , характеризиращи посоката на звукоизточника, а слуха ги оценява и формира в усещане за слуховия обект.

Средното ухо, започващо с мембрана (тъпанче), се състои от канал в който са разположени три костици: чукче, наковалня и стреме. То е свързано с носоглътката посредством евстахиевата тръба за изравняване на налягането от двете страни на тъпанчето. Тази връзка предпазва тъпанчето от продължителни и силни ниски тонове с голямо налягане. Към центъра на тъпанчето, от вътрешната страна е долепено чукчето. Тъпанчето и трите костици се задвижват от мускулни влакна, които същевременно държат тъпанчето опънато. При големи звукови налягания, тези влакна ги отдалечават като намаляват чувствителността на възприятието. Трептенията от тъпанчето (с площ около 70.4 мм.мм) през лостовата система на чукчето и наковалнята се предават на стремето което е с много по-малка площ - 3.2 мм.мм. и упражняваната в края му сила е 22 пъти по-голяма (обратно пропорционална на площите им). От стремето вибрациите се прехвърлят върху кохлеарната течност на вътрешното ухо, където става преобразуването в нервни импулси. При бавни трептения под 16 Hz движението на течността не предизвиква нервни дразнения и звук не чуваме.

Вътрешното ухо (кохлея) има формата на спирала с 2 ? навивки и е запълнено с течност (хеликотерма, или кохлеарна течност). Вътрешното ухо се намира в т.н. камениста част на слепоочната кост и се нарича лабиринт. То се състои от три части - преддверие, охлюв и три полукръгли канала. Кухините на всички тези части са изпълнени с течност. По стените им се разклонява слуховият нерв. Външното ухо е предназначено да приема, събира и усилва звуковите вълни. Тук се намира и органа за равновесие – вестибуларния апарат.

Според Бекиш при честоти по-високи от 16 Hz в определени области на каналите на вътрешното ухо, вследствие на стоящи вълни, се образуват определени области в зависимост от честотата с повишена амплитуда. При високите тонове максимални са трептенията на онези части, които са разположени по-близо до овалното прозорче. При ниските тонове максимумът на трептенията се измества към върха на охлюва. Това довежда до възбуждане на група власинкови клетки в Кортиевия орган - около 24000 подредени в четири дълги редици, свързани с около 3000 нервни влакна. По такъв начин всеки път се дразнят различни рецептори. Така чрез местоположението на възбудените рецептори се получава информация за височината на тона. Силата на звука намира израз в амплитудата, с която трепти основната мембрана.

Тези импулси, преобразувани в електрически, достигат до мозъка, където се интерпретират като звук. По такъв начин броя на различните дразнения от звука е много голям, което дава възможност за различаване на много тънки особености на звука по сила, честота и спектрален състав.

Елементарната схема на постъпване на дразнения от слуховия нерв към кората на главния мозък се състои в следното. Нервните импулси се разпространяват по слуховия нерв и достигат центровете на слуха в лявото и дясното полукълбо на главния мозък. Невроните в мозъка могат да се възбудят под въздействие на предишен импулс, или, обратно, да не възприемат импулса. Неврона може да остане недовъзбуден, ако до него достига импулс само от една връзка, и да се възбуди, ако до него достигат импулси по два пътя. Чрез такива взаимодействия на невроните, мозъка диференцира последователността на моментите на въздействие и разликата в интензивността на звуковата вълна в лявото и дясното ухо. В резултат, в зависимост от разликата на фазите на предишните звукове и интензивности, се възбуждат едни или други клетки на слуховите центрове на мозъка.

Освен описания начин за възприемане на звука съществуват и други, макар и по-несъвършени, механизми за възприемането му:

  • Костна теория. Освен чрез тъпанчето звуковите вълни могат да проникнат до вътрешното ухо, по така наречения костен канал, което се забелязва при хора с увредено едно ухо. Тази чувствителност е с около 40 dB по-ниска, което е под нивото повлияващо усещането за звуковия обект.
  • Зрителна теория. Във формирането на слуховото възприятие участва и зрителното въздействие. Съвместното им участие довежда до сливане на звуковия и зрителния обект в пространството.
  • Вестибуларна теория. В процесите на пространствения слух участва и вестибуларния апарат (органа на равновесие). Регистрацията за движение на главата се извършва от вестибуларния апарат. В този смисъл той косвено участва във формирането на усещане за звуковия обект.
  • Осезателна (тактилна) теория. Във формирането на усещането за местоположението на слуховия обект участват и усещанията за трептене на различни участъци от кожата, например косите около ушните миди и тила. Тези усещания са забележими предимно за най-ниските честоти.

Този така съвършено устроен орган - ухото има способността да улавя звуково налягане 10^-12 вата на квадратен метър, което отговаря на преместване на частиците на въздуха около 1/10 от молекулният им радиус, до като хаотичното топлинно движение на тези молекули върху тъпанчето е само 5-10 пъти по-малко.

Човекът има способността да локализира местоположението на звуко източника. Тази способност се е развила в процеса на еволюцията за да се засече евентуалната опасност. При това се различава локализация в хоризонталната равнина, във вертикалната равнина и в дълбочина.

Информацията за локализация на звука постъпва като разлика по интензивност, разлика във фазата и закъснение във времето в лявото и дясното ухо, а също и във вид на допълнителна информация – съотношение между прекия и отразените звуци, формата на фронта на звуковата вълна, особено на ниски честоти и др. Цялата тази сложна информация постъпва чрез нервните окончания на слуховите центрове на мозъка, където се анализират. Самия процес на анализ е твърде сложен и до сега не е напълно изяснен.

Най-съвършена е локализацията в хоризонталната равнина. По данни на Е.Скучик човек е способен да долови разлика в закъснението на сигнала между лявото и дясното ухо от 10 µS и да го оцени като изместване с 3 ? местоположението на звуко източник, намиращ се на разстояние 50 м. Без проблем слуха на нетрениран слушател може да различи закъснения на едното спрямо другото ухо от 30 µS, а за трениран слушател 1 µS.

Информацията за разположението на звука в хоризонталната посока се състои от три основни фактора: разлика във фазите, разлика в амплитудите и времезакъснение. Ако звука има стационарен характер, например синусоидален звук, то човека се ориентира по първите два фактора (фаза и амплитуда). При еднократен звуков процес (пукване, почукване, изстрел) действат двата последни фактора (разлика в амплитудата и времезакъснение). Трябва да се отбележи, че при странично разположение на звука, разликата в амплитудите се усложнява от екраниращото действие на главата. Много ниските тонове (под 300 Hz) слабо се локализират. Това се обяснява с обстоятелството че разликата във фазите е твърде малка. Много високи тонове (над 5000 Hz) също се локализират слабо. При тях разликата във фазата, предвид късата вълна, е многозначна величина. Прието е че човек добре локализира местоположението на звуците в честотния обхват 300 до 5000 Hz.

Звуци във вид на чист синусоидален тон се локализират слабо. И обратно, сложните звуци, особено от типа на почукване, удар, потропване и др. се локализират много остро. Това е обяснимо, защото сложните звуци съдържат широк спектрален състав. В този случай чрез слуховите рецептори в мозъка постъпва значително повече информация за посоката на звука, отколкото при чистия тон.

Разстоянието до звукоизточника се оценява с по-малка точност. Локализация по отдалеченост е необходима на човека за да възприеме движението на звуков обект. Както показват изследванията, основна роля за оценка на отдалечеността имат нискочестотните компоненти на звука. Несъвършенството на слуха да локализира далечината е причина за заблуда на слуха, че далечен източник се намира близо и обратно, близък източник – далече. Преобладаващ критерий е изменението в силата на звука. Но тъй като силата на звука може да се изменя и без да се изменя разстоянието, то този критерий е несигурен. Това важи и за тембъра, който в резултат на честотно зависимото изменение на поглъщането на звука при увеличение на разстоянието се изменя в посока на подем на високите честоти. Най-добри резултати се получават в закрити помещения, чрез оценка на правия и отразения сигнал, тъй като при приближаване до звукоизточника, правия сигнал се увеличава, докато реверберацията се запазва

Локализацията на звука във вертикалната равнина също е развита по-слабо от колкото в хоризонталната. Информацията е за сметка на екраниращото действие на главата и на отражение на звука от обкръжаващите предмети.

Сред хората стоящи далече от проблемите на звукозаписа битува мнението, че стереофонията цели да даде възможност за точно определяне на то на звуко източниците. Това не е съвсем така. При стерео възпроизвеждането локализацията не е цел а средство, позволяващо да се създаде по-богато и по-естествено звучене. Когато се намираме в концертната зала, ние не се замисляме от къде идват до нас звуците на оркестъра. Същевременно предпочитаме да не сме много близо до оркестъра, а в средата между 5-ти и 15-ти ред. Впечатлението е сума от редица фактори, сред които локализацията на отделните инструменти има достатъчно важна роля, но не единствена.

Усещането за местоположение се създава от монорални и бинурални (слушане с едно ухо) признаци. Експериментите са показали че моноралните признаци формират усещане за дистанция и възвишение, а бинуралните за отклонение във фронталната област.

При движение на главата, вследствие промяната на честотната характеристика за всяка посока и промяна на моноралните и бинурални признаци се извършва т.н. моторна локализация. Тя често се използва от хора с едно увредено ухо, но характерни съзнателни или подсъзнателни движения с цел пеленгация се забелязват и при експерти с трениран слух. Оценката, при движение на главата, позволява да се определи един от четирите пространствени квадранта в който се намира звука – отпред горе, отпред долу, отзад горе, отзад долу. Ако в процеса на слушане се оценява информацията, получена вследствие на движение на главата, то тя доминира над информацията от моноралните признаци на сигнала (Валах).

Целта на стереофоничното възпроизвеждане на звука, е максимално да се пресъздаде впечатлението от залата. По тази причина, звукорежисьорите често съзнателно намаляват ефекта на локализация, с цел с цел най-добро възпроизвеждане на общата „звукова картина“.

На практика локализацията е сумарна – по амплитуда, фаза и времезакъснение. При двуканалната стереофония, основен недостатък е проблема с локализация на средата, което е свързано с разполагане на слушателя. Малко отклонение от линията, перпендикулярна на средата, довежда до невярно възприятие. Например при изместване на източника на ± 50 см, при ширина на базата 3 м и разстояние до базата 3 м стереофоничния ефект е реален само в зона от 21 см, а за разстояние 5 м то е 32 см.

По разликата във фазата на сигнала може да се определи посоката на звука. Ако източника е с честота над 800 Hz, а закъснението е по-голямо от времето на половин период, то се губи еднозначността на съответствие. В този случай, обаче, за ориентацията помага отслабването на звука вследствие на екраниращото действие на главата т.е. локализация по амплитуда.

Експериментално е било установено, че разликата в интензивностите може до някаква степен да замени фазовата разлика. Така, ако, например, към лявото ухо пристигне звук със закъснение, спрямо дясното, то в нормални условия звука е по-слаб поради екранирането на главата. За това, даже когато няма никакво закъснение, а ние изкуствено направим десния звук по-слаб (например при слушане със слушалки), на нас ще ни се струва, че звука идва от дясно. Това е ефект на компенсация на фазовия бинурален ефект чрез амплитудата.

За синусоидални (стационарни) сигнали временното закъснение, зависещо от честотата, може да се разглежда като фазово изместване. Но поради пропорционалната зависимост на фазата от честотата, връзката между посока и фаза не е достатъчно нагледна. Освен това , повечето от естествените звуци имат импулсен характер и при тях трудно може да се говори за фаза.

Анализа показва, че локализацията на стационарните звуци по фаза могат да дадат еднозначни резултати само до 800 Hz, тъй като при по-високи честоти разликата в пътя до двете уши, около 20 см, довежда до фаза по-голяма от 180 ?. За импулсни звукови процеси такава честотна граница не съществува. Субективните измервания са показали, че фазови разлики, на честоти под 100 Hz, нито при импулсните, нито при стационарните сигнали не предизвикват усещания за изменение на посоката.

Локализацията „напред – назад“ по фаза е невъзможна, тъй като фазите са огледално-симетрични спрямо посока 90 ? т.е. страничен звук.

Над 800 Hz фазовата локализация, при синусоидални сигнали, не се наблюдава. Но това не се отнася за импулсни сигнали. При едновременно излъчване на два близки по честота сигнала, слуха може да реагира на тяхната обвивка.

Според Релей, Мацумото, Пирс и др. бинуралната разлика в интензивността е основен и едва ли не единствения фактор.

Локализацията по интензивност се простира до 15-20dB. Според Бекиш (1930) способността да се различи отклонение в посоката, по амплитуда, съответства на моноралната способност за различаване на промяна в нивото.

Ако слуха се възбужда в течение на дълъг период от време, то неговата чувствителност се намалява. Това свойство се нарича адаптация. Адаптацията се проявява бързо, само след няколко секунди, и достига максимум след 3-5 мин. Ре адаптацията продължава 1 до 2 мин.

Слуха е способен да оценява два вида времезакъснения – на носещата и на обвивката на сигнала. При това е възможно засилване или компенсация на бинуралния ефект. За това явление съществуват две хипотези. Първата е че разпознаването на отклонението на звуковия обект от централната нервна система се извършва по време изместването на нервните импулси, постъпващи от двете уши. Тук важна роля играят ефектите на маскиране и праговия ефект. Според втората хипотеза усещането за отклонение се изработва в следствие на бинуралната разлика на звуковото налягане, тъй като по-силния сигнал ще възбуди повече нервни клетки от по-слабия. Най-вероятно централната нервна система разделно в кодиран вид обработва и двата вида информация – за сила и времезакъснение.

Вътре в ухото спектъра на сигнала се разделя на ленти, чиято обвивка се оценява поотделно. Бинуралното изместване на обвивките на спектралните ленти може приблизително да бъде описано с груповото време на закъснение в съответната честотна област. Но как се получава сумарна оценка от информацията от отделните честотни ленти – това е все още малко изучен проблем.

Доказано е че ако в честотната характеристика на груповото време на закъснение има спадове и максимуми, то слуховия обект си променя дислокацията и локализацията става размита.

Звуци с еднаква интензивност но различна честота се възприемат от ухото с различна сила. Тази нелинейност на АЧХ е известна като криви на Флетчер. Освен това усещането за удвояване на интензивността на звука зависи от звуковото налягане. Ако при звуково налягане 20 dB са достатъчни 5 dB, то при 80 dB са нужни вече 10 dB. Ухото е много чувствително към малка честотна разлика на сигнала. В обхвата 500 до 4000 Hz тази разлика е 0.2 %. На много ниски и много високи честоти тя се увеличава над 1 %. Усещането за височина на тона също е логаритмично.

Една от удивителните особености на възприемане на естествените звуци с две уши се състои в това, че от множество звуци, постъпващи от различни направления, слуха може да избере един определен, а въздействието на останалите да се потисне. Това се случва, когато слушателя следи за определени детайли на музикалната картина, например за солиращ инструмент на оркестъра, или вслушвайки се в гласа само на едно от действащите лица при едновременното звучене на сцената на няколко гласа. Тази способност до някъде се развива в резултат на тренираност на слуха. Това свойство е известно като ефект на шумното общество (Cocktail – party effect). Механизмите на тази селективност са свързани със сложни и неизучени функции в главния мозък.

Близко до това явление е още едно свойство на слуха - ефект на Хаас: източника на звук се локализира в тази посока, от която пристига първия по време фронт на звуковата вълна. Усещането за посока се запазва, дори и ако след 3 mS или повече, последва отражение от друга посока. При времезакъснение от 3 до 30 mS, вторичния звук може да бъде дори с 10 dB по силен. Според Кремер обаче, при закъснение над 1 mS, стават забележими други признаци, например тембралната украска, а при надвишаване на определена прагова стойност, слуховия обект се разпада на две части.

Минималното времезакъснение за възприемане на два звука като отделни е 150 mS, а минималното време за локализация „напред-назад“ 230 mS. Тези две стойности значително превишават т.н. „праг на ехото“ (от 40 до 90 mS), при който правия и отразения сигнал (с еднаква интензивност) се възприемат като дефазирани.

Бекиш (1971) е открил че ако закъснението между двата сигнала е над 70 mS, то може да настъпи ефект, обратен на закона за първата вълна, т.е. да се потисне изпреварващия сигнал. За пълно потискане на изпреварващия сигнал от закъснелия (ефект на маскиране) е необходима амплитудна разлика от 15-30 dB.

Слушател седящ в зала, възприема звука от различни посоки. Всеки инструмент звучи от мястото си. Концертната зала добавя в звуковата картина отразени звукове. В резултат се получава богата „звукова картина“, без която не може да считаме звученето за пълноценно.

Съвсем друго впечатление се получава от същия слушател ако той се намира в жилищна стая с поставени пред него високоговорители, а микрофоните се намират в концертната зала. Всички звуци, на инструментите, се смесват в една точка – центъра на сцената. Изменя се влиянието на реверберацията на залата. Впечатлението на слушателя е - неприятно обеднена звукова картина и изчезнал ефект на присъствие.

Възможен изход от ситуацията е в залата да се постави „изкуствена глава“, т.е. макет, имащ формата и размерите на човешка глава, а на мястото на ушите – два микрофона. От тези микрофони две свързващи линии отиват до слушателя, намиращ се в друго помещение. Така слушателя получава звукова информация, много близка до тази която би получил, ако се намираше в залата.

Друг метод за получаване на естествено възпроизвеждане на звука от концертната зала в друго помещение е „по точки“. В залата се разполагат голямо количество микрофони, а в помещението същия брой говорители, разположени по същия начин. При достатъчен брой говорители и ако помещението не внася изкривявания, информацията ще бъде предадена достатъчно точно. Такава система се нарича „многоканално стереофонично предаване“.

Обаче, както са показали многократните изследвания, двуканалното стерео се приема за оптимално, тъй като предава стерео ефекта 60% до 70%.

При двуканалната стереофония се различават три основни системи на запис: система AB, система XY и система MS.

При системата AB, или наречена „класическа стереофония“, двата микрофона с еднакви характеристики са разположени симетрично от двете страни на сцената. При тази система се запазват двата признака: амплитуда и фаза. При нея е много важно разстоянието между микрофоните. При малко разстояние се намалява стереофоничността, а при голямо се разкъсва звука и се получава „ефекта на пинг-понга“. Системата се използва за подчертаване на локализацията.

При системата XY двата микрофона са на едно място, в централната точка на сцената, и имат диаграма – осморка. Единия приема от ляво, а другия от дясно. Фазова разлика отсъства и системата се нарича „стереофония по интензивност“. По тази система се създават записи с високо качество, макар че ефекта на локализация е до някъде приглушен поради липсата на фазова информация.

При записа по системата MS двата микрофона са също на една вертикална стойка в центъра на сцената. Единия микрофон е с насоченост към средата, а другия приема звук от двата края на сцената. Разделянето на ляв и десен канал се получават чрез последващо сумиране и изваждане на сигналите M и S.







Тази статия идва от bgaudio.org
http://www.bgaudio.org

URL на тази публикация е:
http://www.bgaudio.org/modules.php?name=News&file=article&sid=113