Исследование свойств слуха: Методические указания к лабораторным работам по курсу ''Электроакустические устройства''

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Уральский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЛУХА Методические указания к лабораторным работам по курсу “Электроакустические устройства” для студентов дневной формы обучения специальности 2015 Бытовая радиоэлектронная аппаратура

Екатеринбург 1999

УДК 621.396.97 Составитель: С.Н. Шабунин Научный редактор: доц., канд. техн. наук С.Т. Князев

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЛУХА. Методические указания к лабораторным работам по курсу “Электроакустические устройства”/ С.Н. Шабунин. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 1999. 11 с.

Методические указания содержат краткое описание основ психофизиологии слухового восприятия человека. Рассмотрены динамический и частотный диапазоны слуха, влияние эффекта маскировки на слуховое восприятие. В лабораторной работе «Исследование свойств слуха» предлагается экспериментально проверить частотную зависимость порога слышимости человеческого уха, исследовать эффект маскировки низкочастотной и высокочастотной помехами полезного звукового сигнала и соответствующее изменение порога слышимости.

Библиогр. 3 назв. Рис. 8 Подготовлено кафедрой “Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения”.

©

Уральский государственный технический университет, 1999

2

Цель работы: экспериментально исследовать частотную зависимость порога слышимости человеческого уха без внешних помех и при наличии низкочастотной и высокочастотной узкополосной помехи.

1. Строение слухового аппарата человека Особенности строения и свойства слуха человека имеют большое значение для рационального проектирования и эксплуатации звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры. Соответствие технических средств звукопередачи и субъективных характеристик восприятия помогает достигнуть нужной информационной достоверности передаваемых сигналов, получить в процессе прослушивания семантическое и эмоциональное соответствие между первичными и воспринимаемыми звуковыми образами. Ухо человека обладает свойствами частотного анализа, дискретного восприятия по частотному и динамическому диапазонам. Таким образом, аналоговый звуковой сигнал представляется последовательностью электрических импульсов, вырабатываемых нервными окончаниями волокон основной мембраны уха. Строение человеческого уха показано на рис.1.

5 2

1

9

4

7 3 6 8

Рис. 1. Строение человеческого уха

3

Ушная раковина 1 в области наружного уха направляет акустические колебания в слуховой проход 2, заканчивающийся барабанной перепонкой 3. В слуховом проходе, как в звуковом резонаторе, настроенном на частоту 3 кГц, происходит примерно 3-х кратное усиление звукового давления, действующего далее на барабанную перепонку. Барабанная перепонка образует границу с областью среднего уха и соединена с костно-мышечным механизмом в виде молоточка 4 и наковаленки 5. Мышечная ткань ножки наковаленки опирается на входной элемент внутреннего уха - мембрану овального окна 6 внутреннего уха 7. Рычажная система молоток-наковаленка играет роль акустического трансформатора колебаний барабанной перепонки, повышая звуковое давление на мембране овального окна 6 для наибольшей отдачи энергии из воздушной среды среднего уха, сообщающегося с носоглоткой через проход 8, в область внутреннего уха 7, заполненную несжимаемой жидкостью - лимфой. Структура внутреннего уха представляет собой сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к которой примыкают каналы вестибулярного аппарата в виде трех колец. Весь лабиринт ограничен костной перегородкой. По всей длине улитки располагается основная мембрана - анализатор акустического сигнала. Она представляет собой узкую ленту из гибких связок, расширяющуюся к вершине улитки. При колебаниях мембраны овального окна внутреннего уха в жидкости внутреннего уха возникают упругие колебания, перемещающиеся вдоль основной мембраны от основания к вершине. Структура основной мембраны аналогична системе акустических резонаторов с изменяющейся резонансной частотой. На рис.2 показана развертка основной мембраны со шкалой резонансных частот соответствующих участков. Развертка основной мембраны

0

5

10

15

16000

8000

4000

1000

20

25

500

250

L, мм

60

f, Гц

Рис.2. Положение резонансных зон на развертке основной мембраны

4

Участки основной мембраны, расположенные вблизи основания улитки, резонируют на высокочастотные составляющие спектра звукового сигнала, заставляя их колебаться. Средняя часть реагирует на средние частоты звукового диапазона. Участки, расположенные вблизи вершины, возбуждаются низкими частотами. Нервные клетки расположены в основной мембране в несколько слоев и образуют орган Корти. Резонансные явления в основной мембране возбуждают окончания нервных клеток. Всего таких окончаний насчитывается около 25 тысяч. Электрический сигнал от нервных окончаний поступает в головной мозг и человек воспринимает звуковое колебание соответствующей частоты. Пространственный разнос резонаторов основной мембраны позволяет одновременно воспринимать несколько частот.

2. Свойства слуха Гармоническое колебание определенной звуковой частоты в восприятии характеризуется понятием тон. Разрешающая способность различения слухом соседних частот неодинакова. На низких частотах (ниже 500 Гц) человек начинает ощущать разницу тона при 1%-ном изменении частоты, в области высоких частот - около 0,5%. Самая высокая разрешающая способность человеческого уха (0,2-0,3%) имеет место на средних частотах. Эта разрешающая способность наблюдается при сравнении двух поочередно воспроизводимых звуков. Если же изменение частоты происходит медленно, то разрешающая способность человеческого уха составляет 2-4%. Таким образом, можно считать, что весь слышимый диапазон частот человеческое ухо дискретизирует на 2-3 сотни градаций. Силу звука человек ощущает в очень широком диапазоне звуковых давлений. Пока волокно основной мембраны при своих колебаниях не доходит до нервных окончаний - человек звук не слышит. При превышении уровня звукового давления некоторой пороговой величины человек начинает воспринимать соответствующий звук. Снизу динамический диапазон воспринимаемого звука ограничен стандартным порогом слышимости. Под ним условились понимать эффективное значение звукового давления, создаваемого гармоническим звуковым колебанием частоты 1000 Гц, едва слышимое человеком со средней чувствительностью слуха. Стандартный порог слышимости составляет 2.10-5 Па. Верхний предел слышимости, при котором возникает болевое ощущение, определяется звуковым давлением 20 Па. Таким образом, весь динамический диапазон на частоте 1000 Гц составляет 106 раз или 5

120 дБ. Порог слышимости различен на разных частотах. Он уменьшается в области низких и высоких частот (рис.3). Порог различимости силы звука вблизи порога слышимости составляет 2-3 дБ, а в области средних уровней громкости - около 0,4 дБ. Таким образом осуществляется принцип квантования ощущения уровня звука. Общая дискретность восприятия слуха по частоте и амплитуде звукового сигнала составляет около 22000 элементарных градаций в диапазоне уровней от порога слышимости до болевого ощущения в диапазоне частот от 20 Гц до 20кГц.

Рис.3. Кривые равной громкости (изофоны) человеческого уха Введем понятие абсолютный акустический уровень

N a = 20 ⋅ lg(Р зв Рзв0) где

[дБ],

Рзв [Па] - звуковое давление, воздействующее на ухо человека,

Рзв0. = 2 ⋅ 10 − 5

[Па] – порог слышимости.

6

Iзв. - плотность потока мощности акустической волны.

Уровень громкости имеет размерность фон. На рис.3 показаны кривые равной громкости - изофоны. Самая нижняя кривая, соответствующая порогу слышимости, определяется величиной 0 фон. Наличие постороннего источника звука или шума изменяет ход зависимости, показанной на рис.3. Наблюдается эффект маскировки полезного сигнала, т.е. вблизи частоты мешающего источника звука существенно повышается порог слышимости. Уровень маскировки может быть определен по формуле

∆ N м = Nа.ш.. − Nа.. , где

Nа.ш. - уровень порога слышимости при наличии шума, Nа.. - уровень порога слышимости в тишине.

При существенном уровне помехи полезный сигнал может быть совсем не слышен. Явление маскировки проявляется по-разному для различных уровней мешающего сигнала и его спектральных характеристик. Резонансные характеристики слухового резонатора несимметричны (рис.4). Со стороны высоких частот спад резонансной кривой более пологий.

Рис.4. Частотная зависимость порога слышимости при наличии узкополосной помехи на частоте 250 Гц, 1 и 4 кГц (уровень помехи 60 дБ)

7

Следует отметить, что при совпадении частот полезного сигнала и помехи порог чувствительности человеческого уха примерно на 4-5 дБ меньше, чем уровень помехи. Полезный сигнал слышен даже при некотором превышении его помехой. Нелинейные свойства слуха проявляются в том, что при достаточно большом уровне одночастотного тона ухо человека начинает воспринимать его вторую, третью и т.д. гармонику. При прослушивании двух тонов человек слышит суммарную и разностную частоты. Экспериментально это явление можно подтвердить по биениям фантомных звуков и вспомогательного пилот-сигнала.

3. Описание экспериментальной установки Исследование свойств слуха человека выполняется с использованием головных широкополосных телефонов ТДС-1, двух генераторов звуковой частоты и двух милливольтметров. Суммируется сигнал двух генераторов на микшерном устройстве. Структура лабораторного стенда показана на рис.5. Исследование порогна слышимости возможно и при использовании только одного генератора звуковой частоты и одного милливольтметра.

ЗГ 1 V Σ ЗГ 2 V Рис.5. Структура лабораторной установки для исследования свойств слуха

4. Экспериментальное исследование свойств слуха 8

4.1. Исследование порога слышимости Исследование слуха человека начинается с определения частотной зависимости порога чувствительности. Для этого включается генератор звуковой частоты ЗГ1. Выходное напряжение устанавливается равным нулю, т.е. звуковой сигнал полностью отсутствует. Устанавливается начальная частота 80 Гц. Исследователь надевает головные телефоны и для чистоты эксперимента отворачивается от лабораторного стенда. Второй исследователь медленно увеличивает уровень выходного сигнала, контролируя выходное напряжение с помощью вольтметра. При появлении первых признаков слышимости звукового сигнала первый исследователь останавливает увеличение выходной мощности, и уровень выходного сигнала записывается в протокол испытаний. Затем выходная мощность вновь обнуляется. Это необходимо делать каждый раз, т.к. человеческое ухо обладает эффектом запоминания и адаптации к звуку. Устанавливается новая частота 125 Гц на генераторе ЗГ1. Вновь второй исследователь медленно увеличивает выходную мощность до момента слышимости. Эксперимент выполняется на частотах 80, 125, 250, 500 Гц, 1, 2, 4, 8 и 16 кГц. Далее первый экспериментатор меняется местами со вторым. Снимается аналогичная зависимость. Число частотных зависимостей порога слышимости соответствует числу членов бригады, выполняющей данную лабораторную работу. Результаты строятся в виде частотного графика в логарифмическом масштабе. За 0 дБ считать уровень выходного напряжения генератора на частоте 1000 Гц порога слышимости, полученный для одного из членов бригады (по выбору). Остальные зависимости строятся относительно этого уровня. Отметить величину снижения порога слышимости на частотах 80, 250, 8000 и 16000 Гц для каждого из участников эксперимента. 4.2. Исследование эффекта маскировки При исследовании эффекта маскировки используются два генератора звуковой частоты, соединенные через суммирующее устройство. Эксперимент проводится для одного из членов бригады. Эффект маскировки последовательно исследуется на частотах узкополосной помехи, устанавливаемой на генераторе звуковой частоты ЗГ2, 250 Гц и 4 кГц. Для этого на частоте 250 Гц устанавливается выходное напряжение ЗГ2, превышающее порог слышимости данного студента на 20 дБ. Затем по методике пункта 4.1 в тех же частотных 9

точках снимается частотная зависимость порога слышимости. Вблизи частоты помехи шаг по частоте следует выбрать более мелким (в диапазоне частот от 100 до 1000 Гц шаг 100 Гц), чтобы выявить несимметричность резонансной кривой. Увеличить уровень помехи еще на 20 дБ. Повторить измерения. Аналогично с превышением на 20 и 40 дБ выполняются измерения для высокочастотной узкополосной помехи 4 кГц. Шаг по частоте в диапазоне от 1 до 10 кГц должен быть 1 кГц. Таким образом, строятся 4 частотных графика порога слышимости в дБ при наличии помех. Здесь же приводится график из пункта 4.1 для данного экспериментатора. Отметить, на сколько порог слышимости на частотах помех отличается от уровня самой помехи.

5. Содержание отчета В отчете должны быть написаны цель настоящей лабораторной работы, приведены схемы измерения порога чувствительности и эффекта маскировки с указанием типа использованных приборов, построены частотные зависимости порога чувствительности для каждого члена бригады и зависимости порога чувствительности при наличии узкополосной помехи для одного из членов бригады. Привести значения выходного напряжения генератора звуковой частоты на частоте 1000 Гц при измерении порога слышимости без помех для каждого из участников эксперимента, а также значения выходного напряжения на частотах 250 и 4000 Гц в эксперименте по маскировке узкополосной помехой, для случая отсутствия помехи и при ее превышении полученного значения на 20 и 40 дБ. Построить соответствующий график. Все графики строить в логарифмическом масштабе.

6. Контрольные вопросы 1. Дайте определения понятий "звуковое давление", "звуковое поле" и "звуковая волна". 2. Как устроен слуховой аппарат человека? 3. Назовите основные субъективные характеристики звука. 4. Назовите основные объективные характеристики звука. 5. Дайте определения абсолютного и относительного порогов слышимости. 6. Как определяется динамический диапазон слуха человека? 7. Как можно измерить порог слышимости человека? 8. Что означает маскировка сигнала? Как она влияет на восприятие звуков? 10

9. Каким образом можно измерить порог слышимости человека при наличии мешающего звука? 10.Как определяется динамический диапазон слуха? 11.Расскажите методику измерения частотной зависимости порога слышимости человека. _____________________________________________________________ __ 1. Радиовещание и акустика: Учебник для вузов/ Под ред. М.В. Гитлица. М.: Радио и связь, 1989. 2. Справочник по акустике/ Под ред. М.А. Сапожкова. М.: Связь, 1979. 3. Сапожков М.А. Электроакустика: Учебник для вузов. М.: Связь, 1978.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЛУХА

Составитель

Шабунин Сергей Николаевич

Редактор

Л.Ю. Козяйчева

Подписано в печать 1.07.99 Формат 60х84 1/16 Бумага типографская Офсетная печать Усл. 0,70 Уч.-изд.л. 0,61 Тираж 100 Заказ 195 Цена “С” Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19

11