Слух человека
Слух - способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха; специальная функция слухового аппарата, возбуждаемая звуковыми колебаниями окружающей среды, например, воздуха или воды. Одно из биологических дистантных ощущений, называемое также акустичеcким восприятием. Обеспечивается слуховой сенсорной системой.
Человеческий слух способен слышать звук в пределах от 16 Гц до 22 кГц при передаче колебаний по воздуху, и до 220 кГц при передаче звука по костям черепа. Эти волны имеют важное биологическое значение, например, звуковые волны в диапазоне 300-4000 Гц соответствуют человеческому голосу. Звуки выше 20 000 Гц имеют малое практическое значение, так как быстро тормозятся; колебания ниже 60 Гц воспринимаются благодаря вибрационному чувству. Диапазон частот, которые способен слышать человек, называется слуховым или звуковым диапазоном; более высокие частоты называются ультразвуком, а более низкие - инфразвуком.
Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, наследственности, подверженности заболеваниям органа слуха, тренированности и усталости слуха. Некоторые люди способны воспринимать звуки относительно высокой частоты - до 22 кГц, а возможно и выше.
У человека, как и у большинства млекопитающих, органом слуха является ухо. У ряда животных слуховая перцепция осуществляется благодаря комбинации различных органов, которые могут значительно отличаться по своему строению от уха млекопитающих. Некоторые животные способны воспринимать акустические колебания, не слышимые человеком (ультра- или инфразвук). Летучие мыши во время полёта используют ультразвук для эхолокации. Собаки способны слышать ультразвук, на чём и основана работа беззвучных свистков. Существуют свидетельства того, что киты и слоны могут использовать инфразвук для общения.
Человек может различать несколько звуков одновременно благодаря тому, что в ушной улитке одновременно может быть несколько стоячих волн.
Механизм работы слуховой системы:
Звуковой сигнал любой природы может быть описан определенным набором физических характеристик:
частота, интенсивность, длительность, временная структура, спектр и др.Им соответствуют определенные субъективные ощущения, возникающие при восприятии звуков слуховой системой: громкость, высота, тембр, биения, консонансы-диссонансы, маскировка, локализация-стереоэффект и т.п.
Слуховые ощущения связаны с физическими характеристиками неоднозначно и нелинейно, например, громкость зависит от интенсивности звука, от его частоты, от спектра и т.п. Еще в прошлом веке был установлен закон Фехнера, подтвердивший, что эта связь нелинейна: "Ощущения
пропорциональны отношению логарифмов стимула". Например, ощущения изменения громкости в первую очередь связаны с изменением логарифма интенсивности, высоты - с изменением логарифма частоты и т.д.Всю звуковую информацию, которую человек получает из внешнего мира (она составляет примерно 25% от общей), он распознает с помощью слуховой системы и работы высших отделов мозга, переводит в мир своих ощущений, и принимает решения, как надо на нее реагировать.
Прежде чем приступить к изучению проблемы, как слуховая система воспринимает высоту тона, коротко остановимся на механизме работы слуховой системы.
В этом направлении сейчас получено много новых и очень интересных результатов.
Слуховая система является своеобразным приемником информации и состоит из периферической части и высших отделов слуховой системы. Наиболее изучены процессы преобразования звуковых сигналов в периферической части слухового анализатора.Периферическая часть
Это акустическая антенна, принимающая, локализующая, фокусирующая и усиливающая звуковой сигнал;
- микрофон;
- частотный и временной анализатор;
- аналого-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговый сигнал в двоичные нервные импульсы - электрические разряды.Общий вид периферической слуховой системы показан на первом рисунке. Обычно периферическую слуховую систему делят на три части: внешнее, среднее, и внутреннее ухо.
Внешнее ухо состоит из ушной раковины и слухового канала, заканчивающегося тонкой мембраной, называемой барабанной перепонкой.
Внешние уши и голова - это компоненты внешней акустической антенны, которая соединяет (согласовывает) барабанную перепонку с внешним звуковым полем.
Основные функции внешних ушей - бинауральное (пространственное) восприятие, локализация звукового источника и усиление звуковой энергии, особенно в области средних и высоких частот.Слуховой канал представляет собой изогнутую цилиндрическую трубку длиной 22,5 мм, которая имеет первую резонансную частоту порядка 2,6 кГц, поэтому в этой области частот он существенно усиливает звуковой сигнал, и именно здесь находится область максимальной чувствительности слуха.
Барабанная перепонка - тонкая пленка толщиной 74 мкм, имеет вид конуса, обращенного острием в сторону среднего уха.
На низких частотах она движется как поршень, на более высоких - на ней образуется сложная система узловых линий, что также имеет значение для усиления звука.Среднее ухо - заполненная воздухом полость, соединенная с носоглоткой евстахиевой трубой для выравнивания атмосферного давления.
При изменении атмосферного давления воздух может входить или выходить из среднего уха, поэтому барабанная перепонка не реагирует на медленные изменения статического давления - спуск-подъем и т.п. В среднем ухе находятся три маленькие слуховые косточки:
молоточек, наковальня и стремечко.
Молоточек прикреплен к барабанной перепонке одним концом, вторым он соприкасается с наковальней, которая при помощи маленькой связки соединена со стремечком. Основание стремечка соединено с овальным окном во внутреннее ухо.Среднее ухо выполняет следующие функции:
согласование импеданса воздушной среды с жидкой средой улитки внутреннего уха; защита от громких звуков (акустический рефлекс); усиление (рычаговый механизм), за счет которого звуковое давление передаваемое во внутреннее ухо, усиливается почти на 38 дБ по сравнению с тем, которое попадает на барабанную перепонку.Внутреннее ухо находится в лабиринте каналов в височной кости, и включает в себя орган равновесия (вестибулярный аппарат) и улитку.
Улитка (cochlea) играет основную роль в слуховом восприятии. Она представляет собой трубку переменного сечения, свернутую три раза подобно хвосту змеи. В развернутом состоянии она имеет длину 3,5 см. Внутри улитка имеет чрезвычайно сложную структуру. По всей длине она разделена двумя мембранами на три полости: лестница преддверия, срединная полость и барабанная лестница.
Преобразование механических колебаний мембраны в дискретные электрические импульсы нервных волокон происходят в органе Корти. Когда базилярная мембрана вибрирует, реснички на волосковых клетках изгибаются, и это генерирует электрический потенциал, что вызывает поток электрических нервных импульсов, несущих всю необходимую информацию о поступившем звуковом сигнале в мозг для дальнейшей переработки и реагирования.
Высшие отделы слуховой системы (включая слуховые зоны коры), можно рассматривать как логический процессор, который выделяет (декодирует) полезные звуковые сигналы на фоне шумов, группирует их по определенным признакам, сравнивает с имеющимися в памяти образами, определяет их информационную ценность и принимает решение об ответных действиях.
Наш слуховой орган отличается очень высокой чувствительностью. При нормальном слухе мы способны различать звуки, вызывающие ничтожно малые (исчисляемые в долях микрона) колебания барабанной перепонки.
Чувствительность слухового анализатора к звукам различной высоты неодинакова. Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой колебаний от 1000 до 3000. По мере понижения или повышения частоты колебаний чувствительность падает. Особенно резкое падение чувствительности отмечается в области самых низких и самых высоких звуков.
С возрастом слуховая чувствительность изменяется. Наибольшая острота слуха наблюдается у 15-20-летних, а затем она постепенно падает. Зона наибольшей чувствительности до 40-летнего возраста находится в области 3000 Гц, от 40 до 60 лет -в области 2000 Гц, а старше 60 лет - в области 1000 Гц.
Минимальная сила звука, способная вызвать ощущение едва слышимого звука, называется порогом слышимости, или порогом слухового огцищения. Чем меньше величина звуковой энергии, необходимая для получения ощущения едва слышимого звука, т. е. чем ниже порог слухового ощущения, тем, стало быть, выше чувствительность уха к данному звуку. Из сказанного вытекает, что в области средних частот (от 1000 до 3000 Гц) пороги слухового восприятия оказываются наиболее низкими, а в области низких и высоких частот пороги повышаются.
При нормальном слухе величина порога слухового ощущения равна 0 дБ. Необходимо помнить, что нуль децибел означает не отсутствие звука (не «нуль звука»), а нулевой уровень, т. е. уровень отсчета при измерении интенсивности воспринимаемых звуков, и соответствует пороговой интенсивности при нормальном слухе.
При увеличении силы звука ощущение громкости звука усиливается, но при достижении силы звука определенной величины нарастание громкости прекращается и появляется ощущение давления или даже боли в ухе. Сила звука, при которой появляется ощущение давления или боли, называется порогом неприятного ощущения (болевым порогом), порогом дискомфорта.
Расстояние между порогом слухового ощущения и порогом дискомфорта оказывается наибольшим в области средних частот (1000-3000 Гц) и достигает здесь 130 дБ, т. е. отношение максимальной выносимой для уха силы звука к минимальной ощущаемой силе равно 10 13 , или 10 000 000 000 000 (десяти триллионам).
Эта способность слухового анализатора поистине удивительна. В технике нельзя найти пример, когда один и тот же прибор мог бы регистрировать воздействия, величина которых разнилась бы на такие астрономические цифры. Если бы можно было сконструировать весы, обладающие таким же диапазоном чувствительности, как ухо человека, то на этих весах можно было бы взвешивать тяжести от 1 миллиграмма до 10 000 тонн.
Чувствительность слухового анализатора характеризуется не только величиной порога восприятия, но и величиной разностного, или дифференциального, порога. Разностным порогом частоты называют минимальный, едва заметный для слуха прирост частоты звука к его первоначальной частоте.
Разностные пороги оказываются наименьшими в диапазоне от 500 до 5000 Гц и выражаются здесь цифрой 0,003. Это значит, что изменение, например, частоты 1000 Гц на 3 Гц уже ощущается ухом человека как другой звук.
Разностным порогом силы звука называют минимальный прирост силы звука, дающий едва заметное усиление громкости первоначального звука. Разностные пороги силы звука равны в среднем 0,1-0,12, т. е. для того, чтобы звук ощущался как более громкий, его надо усилить на 0,1 первоначальной величины, или на 1 дБ.
Таким образом, область слухового восприятия у нормально слышащего человека ограничена по частоте и по силе звука. По частоте эта область охватывает диапазон от 16 до 25 000 Гц (частотный диапазон слуха), а по силе - до 130 дБ (динамический диапазон слуха).
Принято считать, что область речи, т. е. частотный и динамический диапазон, необходимый для восприятия звуков речи, занимает лишь небольшую часть всей области слухового восприятия, а именно по частоте от 500 до 600 Гц и по силе от 50 до 90 дБ над порогом слышимости. Такое ограничение области речи по частоте и интенсивности может быть, однако, принято лишь весьма условно, так оно оказывается действительным только в отношении наиболее важной для понимания речи области воспринимаемых звуков, но далеко не охватывает всех звуков, входящих в состав речи.
В самом деле, целый ряд звуков речи, как, например, согласные с, з, ц, содержит форманты, лежащие значительно выше 3000 Гц, а именно до 8600 Гц. Что касается динамического диапазона, то нужно учитывать, что уровень интенсивности тихого шепота соответствует 10-15 дБ, а в громкой речи имеются такие составные элементы, интенсивность которых не превышает уровня обычной шепотной речи, т. е. 25 дБ. К их числу относятся, например, некоторые глухие согласные. Следовательно, для полноценного различения на слух всех звуков речи необходима сохранность всей или почти всей области слухового восприятия как в отношении частоты, так и в отношении интенсивности звука.
На рисунке 17 представлена область звуков, воспринимаемых нормальным ухом человека. Верхняя кривая изображает порог слышимости звуков различной частоты, нижняя кривая - порог неприятного ощущения. Между этими кривыми располагается область слухового восприятия, т. е. весь диапазон слышимых человеком звуков. Заштрихованные части диаграммы обнимают область наиболее часто встречающихся звуков музыки и речи.
Слуховая адаптация и слуховое утомление. Звуковая травма. При воздействии звуковых раздражений происходит временное понижение чувствительности органа слуха. Так, например, выйдя на шумную улицу, человек, обладающий нормальным слухом, ощущает шум улицы как очень громкий, соответственно его действительный интенсивности. Однако через некоторое время уличный шум ощущается уже как менее громкий, хотя фактически интенсивность шума не изменяется. Это снижение ощущения громкости является следствием понижения чувствительности слухового анализатора в результате воздействия сильного звукового раздражителя. После прекращения воздействия шума, когда, например, человек входит с шумной улицы в тихое помещение, чувствительность слухового органа быстро восстанавливается, и, выйдя вновь на улицу, человек опять будет ощущать уличный шум как очень громкий. Такое временное снижение чувствительности получило название адаптации (от лат. adaptare - приспособлять). Адаптация является защитно-приспособительной реакцией организма, предохраняющей нервные элементы слухового анализатора от истощения под воздействием сильного раздражителя. Понижение слуховой чувствительности при адаптации очень кратковременно. После прекращения звукового раздражения чувствительность органа слуха восстанавливается через несколько секунд.
Изменение чувствительности в процессе адаптации происходит и в периферическом, и в центральном концах слухового анализатора. Об этом свидетельствует тот факт, что при воздействии звука на одно ухо чувствительность изменяется в обоих ушах.
При интенсивном и длительном (например, в течение нескольких часов) раздражении слухового анализатора наступает слуховое утомление. Оно характеризуется значительным понижением слуховой чувствительности, которая восстанавливается лишь после более или менее продолжительного отдыха. Если при адаптации чувствительность восстанавливается в течение нескольких секунд, то для восстановления чувствительности при утомлении слухового анализатора требуется время, измеряемое часами, а иногда и сутками. При частом и длительном (в течение нескольких месяцев или лет) перераздражении слухового анализатора в нем могут возникнуть необратимые патологические изменения, приводящие к стойкому нарушению слуха (шумовое поражение слухового органа).
При очень большой мощности звука, даже при кратковременном его воздействии, может возникнуть звуковая травма, сопровождающаяся иногда нарушением анатомической структуры среднего и внутреннего уха.
Маскировка звука. Если какой-либо звук воспринимается на фоне действия другого звука, то первый звук ощущается менее громким, чем в тишине: он как бы заглушается другим звуком.
Так, например, в шумном цехе, в поезде метро отмечается значительное ухудшение восприятия речи, а некоторые слабые звуки в условиях шумового фона совсем не воспринимаются.
Это явление называется маскировкой звука. Для звуков разной высоты маскировка выражена неодинаково. Высокие звуки сильно маскируются низкими и, наоборот, сами оказывают очень небольшое маскирующее действие на низкие звуки. Наиболее сильно выражено маскирующее влияние звуков, близких по высоте к маскируемому звуку. На практике приходится часто иметь дело с маскирующим действием различных шумов. Так, например, шум городской улицы оказывает заглушающее (маскирующее) действие, достигающее днем 50-60 дБ.
Бинауральный слух. Наличие двух ушей обусловливает способность определять направление источника звука. Эта способность получила название бинаурального (двуушного) слуха, или ототопики (от греч. otos - ухо и topos - место).
Для объяснения этого свойства слухового анализатора высказано три суждения 1) ухо, расположенное ближе к источнику звука, воспринимает звук сильнее, чем противоположное; 2) ухо, находящееся ближе к источнику звука, воспринимает его несколько раньше; 3) звуковые колебания доходят до обоих ушей в разных фазах. По-видимому, способность различать направление звука обусловлена совместным действием всех трех факторов.
Для точного определения направления источника звука необходимо, чтобы слух на оба уха были одинаковым. Слух может быть и пониженным, но при одинаковом понижении на оба уха. Если звук будет услышан, то и направление его будет определено правильно. Следует отметить, что и при асимметричном слухе на оба уха и даже при полной глухоте на одно ухо известная способность к определению направления источника звука может быть выработана путем специальной тренировки.
Слуховой анализатор обладает способностью не только различать направление звука, но и определять местоположение его источника, т. е. оценивать расстояние, на котором находится источник звука. Бинауральный слух дает также возможность воспринимать сложные звуковые комплексы, когда звук приходит одновременно с разных сторон, и определять при этом положение источников звука в пространстве (стереофония).
Основные этапы развития слуховой функции у ребенка
Слуховой анализатор человека начинает функционировать уже с момента его рождения. При воздействии звуков достаточной громкости у новорожденных можно наблюдать ответные реакции, протекающие по, типу безусловных рефлексов и проявляющиеся в виде изменений дыхания и пульса, задержки сосательных движений и пр. В конце первого и начале второго месяцев жизни у ребенка образуются уже условные рефлексы на звуковые раздражители. Путем многократного подкрепления какого-либо звукового сигнала (например, звука колокольчика) кормлением можно выработать у такого ребенка условную реакцию в виде возникновения сосательных движений в ответ на звуковое раздражение. Очень рано (на третьем месяце) ребенок уже начинает различать звуки по их качеству (по тембру, по высоте). По новейшим исследованиям, первичное различение звуков, резко отличающихся друг от друга по характеру (например, шумов и стуков - от музыкальных тонов, а также различение тонов в пределах смежных октав), можно наблюдать даже у новорожденных. По этим же данным, у новорожденных отмечается также возможность определения направления звука.
В последующем периоде способность к дифференцированию звуков получает дальнейшее развитие и распространяется на голос и элементы речи. Ребенок начинает по-разному реагировать на различные интонации и различные слова, однако последние воспринимаются им на первых порах недостаточно расчленено. В течение второго и третьего годов жизни, в связи с формированием у ребенка речи, происходит дальнейшее развитие его слуховой функции, характеризующееся постепенным уточнением восприятия звукового состава речи. В конце первого года ребенок обычно различает слова и фразы преимущественно по их ритмическому контуру и интонационной окраске, а к концу второго и началу третьего года он обладает уже способностью различать на слух все звуки речи. При этом развитие дифференцированного слухового восприятия звуков речи происходит в тесном взаимодействии с развитием произносительной стороны речи. Это взаимодействие носит двусторонний характер. С одной стороны, дифференцированность произношения зависит от состояния слуховой функции, а с другой стороны - умение произнести тот или иной звук речи облегчает ребенку различение его на слух. Следует, однако, отметить, что в норме развитие слуховой дифференциации предшествует уточнению произносительных навыков. Это обстоятельство находит свое отражение в том, что дети 2-3 лет, полностью различая на слух звуковую структуру слов, не могут ее воспроизвести даже отраженно. Если предложить такому ребенку повторить, например, слово карандаш, он воспроизведет его как «каландас», но стоит взрослому сказать вместо карандаш «каландас», как ребенок сразу же определит фальшь в произношении взрослого.
Февраль 7, 2018
Часто у людей (даже тех кто хорошо разбирается в вопросе) возникает путаница и затруднения в чётком понимании того, как именно слышимый человеком частотный диапазон звука делится на общие категории (низкие, средние, высокие) и на более узкие подкатегории (верхние басы, нижнаяя середина и т.п.). В тоже самое время эта информация крайне важна не только для экспериментов c автозвуком, но и полезна для общего развития. Знания обязательно пригодятся во время настройки аудиосистемы любой сложности и, главное, поможет правильно оценить сильные или слабые стороны той или иной акустической системы или же нюансы помещения прослушивания музыки (в нашем случае актуальнее салон автомобиля), ведь оно оказывает непосредственное влияние на конечное звучание. Если есть хорошее и чёткое понимание преобладания тех или иных частот в звуковом спектре на слух, то элементарно и быстро можно оценить звучание той или иной музыкальной композиции, при этом отчётливо услышать влияние акустики помещения на окрашивании звука, вклад самой акустической системы в звук и более тонко разобрать все нюансы, к чему и стремится идеология "хай-фай" звучания.
Разделение слышимого диапазона на основные три группы
Терминология разделения слышимого спектра частот пришла к нам частично из музыкального, частично из научного миров и в общем виде она знакома практически каждому. Самое простое и понятное деление, которое может испытать частотный диапазон звука в общем виде выглядит следующим образом:
- Низкие частоты.
Границы диапазона низких частот находятся в пределах 10 Гц (нижняя граница) - 200 Гц (верхняя граница)
. Нижняя граница начинается именно с 10 Гц, хотя в классическом представлении человек способен слышать от 20 Гц (всё что ниже попадает уже в область инфразвука), оставшие 10 Гц всё ещё могут частично прослушиваться, а так же ощущаться тактильно в случае глубокого низкого баса и даже влиять на психологический настрой человека.
Низкочастотный диапазон звука несёт функцию обогащения, эмоционального насыщения и конечного отклика - если провал в низкочастотной части у акустики или изначальной записи будет сильным, то это никак не скажется на узнаваемости той или иной композиции, мелодии или голоса, но звук будет восприниматься скудно, обеднённо и посредственно, при этом субъективно будет более резким и острым в плане восприятия, поскольку средние и высокие частоты будут выпячиваться и преобладать на фоне отсутствия хорошей насыщенной басовой области.
Достаточно большое количество музыкальных инструментов воспроизводят звуки в диапазоне низких частот, в том числе мужской вокал может опускаться в область до 100 Гц. Наиболее выраженным инструментом, который играет с самого начала слышимого диапазона (от 20 Гц) можно смело назвать духовой орган. - Средние частоты.
Границы диапазона средних частот находятся в пределах 200 Гц (нижняя граница) - 2400 Гц (верхняя граница)
. Средний диапазон всегда будет фундаментальным, определяющим и составлять фактически основу звука или муз композиции, потому его значимость трудно переоценить.
Объясняется это по-разному, но главным образом данная особенность человеческого слухового восприятия обуславливается эволюцией - так сложилось за многие годы нашего формирования, что слуховой аппарат наиболее остро и отчётливо улавливает среднечастотный диапазон, т.к. в его пределах находится человеческая речь, а она является главным инструментом для эффективной коммуникации и выживания. Этим же объясняется некоторая нелинейность слухового восприятия, всегда нацеленная на преобладание средних частот при прослушивании музыки, т.к. наш слуховой аппарат наиболее чувствителен к этому диапазону, а так же автоматически подстраивается под него как бы больше "усиливая" на фоне остальных звуков.
В среднем диапазоне находится абсолютное большинство звуков, музыкальных инструментов или же вокала, даже если затрагивается узкий диапазон сверху или снизу, то всё равно диапазон обычно простирается до верхней или нижней середины. Соответственно, в среднечастотном диапазоне располагается вокал (как мужской так и женский), а так же почти все хорошо известные инструменты, такие как: гитара и прочие струнные, пианино и другие клавишные, духовые инструменты и т.д. - Высокие частоты.
Границы диапазона высоких частот находятся в пределах 2400 Гц (нижняя граница) - 30000 Гц (верхняя граница)
. Верхняя граница, как и в случае с низкочастотным диапазоном, получается несколько условной и также индивидуальной: среднестатистический человек не может слышать выше 20 кГц, однако встречаются редкие люди с чувствительностью до 30 кГц.
Так же, ряд музыкальных обертонов теоретически может заходить в область свыше 20 кГц, а как известно - обертона в конечном счёте отвечают за окраску звучания и окончательное тембральное восприятия целостной картины звучания. Вроде бы "неслышимые" ультразвуковые частоты могут влиять явным образом на психологическое состояние человека, хоть и не будут при этом прослушиваться в привычной манере. В остальном же роль высоких частот, опять-таки по аналогии с низкими, больше обогатительная и дополняющая. Хотя высокочастотный диапазон куда больше влияет на узнаваемость конкретного звука, достоверность и сохранение первоначального тембра, нежели НЧ секция. Высокие частоты придают музыкальным трекам "воздушность", прозрачность, чистоту и ясность.
Многие музыкальные инструменты играют также в диапазоне высоких частот, в том числе вокал может заходить в область 7000 Гц и выше с помощью обертонов и гармоник. Наиболее выраженная группа инструментов в высокочастотном сегменте - это струнные и духовые, а более полно в звучании доходят почти до верхней границы слышимого диапазона (20 кГц) тарелки и скрипка.
В любом случае, роль абсолютно всех частот слышимого человеческим ухом диапазона внушительна и проблемы в тракте на любой частоте скорее всего будут хорошо заметны, особенно натренированному слуховому аппарату. Целью воспроизведения высокоточного звучания "хай-фай" класса (или выше) ставится достоверное и максимально ровное звучание всех частот друг с другом так, как оно происходило на момент записи фонограммы в студии. Наличие сильных провалов или же пиков в АЧХ акустической системы свидетельствует о том, что в силу своих конструктивных особенностей она не способна воспроизвести музыку так, как изначально задумывалось автором или звукорежиссёром на момент записи.
Слушая музыку, человек слышит совокупность звучания инструментов и голоса, каждый из которых звучит в каком-то своём отрезке частотного диапазона. У некоторых инструментов может быть весьма узкий (ограниченный) диапазон частот, у других же он наоборот может простираться буквально от нижней до верхней слышимой границы. Необходимо учитывать, что несмотря на одинаковую интенсивность звуков на разных частотах диапазонах, человеческое ухо воспринимает эти частоты с разной громкостью, что опять-таки обусловлено механизмом биологического устройства слухового аппарата. Природа этого явления так же объясняется во многом биологической необходимостью адаптации преимущественно к среднечастотному звуковому диапазону. Так на практике, звук, имеющий частоту 800 Гц при интенсивности в 50 дБ, будет восприниматься субъективно на слух как более громкий по сравнению со звуком той же силы, но с частотой 500 Гц.
Более того, у разных звуковых частот, наводняющих слышимый частотный диапазон звука, будет различная пороговая болевая чувствительность! Болевой порог
эталонно считается на средней частоте 1000 Гц при чувствительности примерно 120 Дб (может слегка варьироваться в зависимости от индивидуальных особенностей человека). Как и в случае с неравномерным восприятием интенсивности на разных частотах при нормальных уровнях громкости, примерно такая же зависимость наблюдается и в отношении болевого порога: быстрее всего он наступает на средних частотах, а вот по краям слышимого диапазона порог становится выше. Для сравнения, болевой порог на средней частоте 2000 Гц составляет 112 Дб, тогда как болевой порог на низкой частоте 30 Гц будет уже 135 Дб. Болевой порог на низких частотах всегда выше, чем на средних и высоких.
Аналогичная неравномерность наблюдается и в отношении порога слышимости
- это нижний порог, после которого звуки становятся слышимыми человеческим ухом. Условно порогом слышимости считается значение 0 Дб, но справедливо оно опять-таки для эталонной частоты 1000 Гц. Если же для сравнения взять низкочастотный звук частотй 30 Гц, то он станет слышимым только при интенсивности излучения волны в 53 Дб.
Перечисленные особенности человеческого слухового восприятия конечно же оказывают непосредственное влияние тогда, когда ставится вопрос прослушивания музыки и достижения определённого психологического эффекта восприятия. Мы помним из , что звуки интенсивностью выше 90 Дб вредны для здоровья и способны привести к деградации и значительному ухудшению слуха. Но при этом слишком тихий звук низкой интенсивности будет страдать от сильной частотной неравномерности из-за биологических особенностей слухового восприятия, которое по природе нелинейно. Таким образом, музыкальный тракт громкостью 40-50 Дб будет восприниматься как обеднённый, с явно выраженным недостатком (можно сказать провалом) низких и высоких частот. Названная проблема хорошо и давно известна, для борьбы с ней даже придумана небезызвестная функция под названием тонокомпенсация
, которая путём эквализации выравнивает уровни низких и высоких частот близко к уровню середины, тем самым устраняя нежелательный провал без необходимости поднимать уровень громкости, делая слышимый частотный диапазон звука субъктивно равномерным по степени распределения звуковой энергии.
С учётом интересных и уникальных особенностей человеческого слуха полезно отметить, что с повышением громкости звука кривая нелинейности частот выравнивается, и примерно на отметке 80-85 дБ (и выше) звуковые частоты станут субъективно равнозначными по интенсивности (с отклонением 3-5 Дб). Хотя выравнивание происходит не до конца и на графике всё ещё будет видна пусть и сглаженная, но кривая линия, которая будет сохранять тенденцию в сторону преобладания интенсивности средних частот по сравнению к остальным. В аудиосистемах подобная неравномерность может решаться либо при помощи эквалайзера, либо же с помощью раздельных регулировок громкости в системах с раздельным поканальным усилением.
Разделение слышимого диапазона на более мелкие подгруппы
Помимо общепринятого и хорошо известного деления на три общие группы, иногда возникает необходимость более детально и развёрнуто рассмотреть ту или иную узкую часть, тем самым разделить частотный диапазон звука на ещё более мелкие "фрагменты". Благодаря этому появилось более детальное разделение, пользуясь которым можно элементарно быстро и достаточно точно обозначить предполагаемый отрезок звукового диапазона. Рассмотрим это разделение:
В область самого нижнего баса и тем более суб-баса опускается небольшое избранное число инструментов: контрабас (40-300 Гц), виолончель (65-7000 Гц), фагот (60-9000 Гц), туба (45-2000 Гц), валторны (60-5000 Гц), бас-гитара (32-196 Гц), бас-барабан (41-8000 Гц), саксофон (56-1320 Гц), пианино (24-1200 Гц), синтезатор (20-20000 Гц), орган (20-7000 Гц), арфа (36-15000 Гц), контрафагот (30-4000 Гц). Указанные диапазоны с учётом всех гармоник инструментов.
Поэтому именно верхний бас ответственен за атаку, напор и музыкальный драйв, а так же только этот узкий отрезок звукового диапазона способен подарить слушателю ощущение легендарного "панча" (от англ. punch - удар), когда мощный звук воспринимается ощутимым и сильным ударом в грудь. Таким образом, распознать хорошо оформленный и правильный быстрый верхний бас в музыкальной системе можно по качественной отработке энергичного ритма, собранной атаке и по хорошей оформленности инструментов в нижнем регистре нот, таких как виолончель, рояль или духовые инструменты.
В аудиосистемах отрезок диапазона верхнего баса целесообразнее всего отдать мидбасовым динамикам достаточно большого диаметра 6.5"-10" и с хорошими мощностными показателями, сильным магнитом. Подход объясняется тем, что именно такие по конфигурации динамики в полной мере смогут раскрыть энергетический потенциал, заложенный в этой весьма требовательной области слышимого диапазона. 
Но не стоит забывать и о детализированности и разборчивости звука, эти параметры так же важны в процессе воссоздания того или иного музыкального образа. Поскольку верхний бас уже хорошо локализуется/определяется в пространстве на слух, то диапазон выше 100 Гц необходимо отдавать исключительно фронтально расположенным динамикам, которые будут формировать и строить сцену. В отрезке верхнего баса отлично прослушивается стереопанорама, если она предусмотрена самой записью.
Область верхнего баса охватывает уже достаточно большое число инструментов и даже низкий по тональности мужской вокал. Поэтому среди инструментов те же, что играли низкий бас, но к ним добавляются многие другие: томы (70-7000 Гц), малый барабан (100-10000 Гц), перкуссия (150-5000 Гц), тенор-тромбон (80-10000 Гц), труба (160-9000 Гц), тенор-саксофон (120-16000 Гц), альт-саксофон (140-16000 Гц), кларнет (140-15000 Гц), альт-скрипка (130-6700 Гц), гитара (80-5000 Гц). Указанные диапазоны с учётом всех гармоник инструментов.
В данном диапазоне сосредотачиваются нижние гармоники и обертона, наполняющие голос, соответственно он крайне важен для правильной передачи вокала и насыщенности. Так же именно в нижней середине располагается весь энергетический потенциал голоса исполнителя, без которого не будет соответствующей отдачи и эмоционального отклика. По аналогии с передачей человеческого голоса, многие живые инструменты тоже прячут свой потенциал энергии в этом отрезке диапазона, особенно те, у которых нижняя слышимая граница начинается от 200-250 Гц (гобой, скрипка). Нижняя середина позволяет слышать мелодичность звучания, но не даёт возможность чётко различать инструменты.Соответственно, нижняя середина отвечает за правильное оформление большинства инструментов и голоса, насыщая последние и делая их узнаваемыми по тембральной окраске. Так же нижняя середина крайне требовательна в отношении правильной передачи полноценного басового диапазона, поскольку она "подхватывает" драйв и атаку основного ударного баса и предполагается, что она же должна его правильно поддержать и плавно "закончить", постепенно сводя на нет. Ощущения чистота звука и разборчивости баса лежат именно в этой области и, если имеются проблемы в нижней середине от переизбытка или наличия резонансных частот - то звук будет утомлять слушателя, он будет грязным и слегка бубнящим. 
Ежели ощущается нехватка в области нижней середины, то пострадает правильное ощущение баса и достоверная передача вокальной партии, которая будет лишена напора и энергетической отдачи. Тоже самое касается большинства инструментов, которые без поддержки нижней середины потеряют "своё лицо", станут оформлены неправильно и звучание их заметно обеднеет, даже если останется узнаваемым, оно уже будет не таким полным.
При построении аудиосистемы диапазон нижней середины и выше (до верхней) обычно отдаётся среднечастотным динамикам (СЧ), которые без сомнения должны располагаться во фронтальной части перед слушателем и строить сцену. Для этих динамиков не так важен размер, он может быть 6.5" и ниже, как важна детализация и способность раскрыть нюансы звучания, что достигается конструктивными особенностями самого динамика (диффузором, подвесом и прочими характеристиками). 
Так же, для всего среднечастотного диапазона жизненно важна правильная локализация и буквально малейший наклон или доворот динамика может оказывать ощутимое влияние на звучание с точки зрения правильного реалистичного воссоздания образов инструментов и вокала в пространстве, хотя зависеть это во многом будет от конструктивных особенностей самого диффузора динамика.
Нижняя середина охватывает почти все существующие инструменты и человеческие голоса, правда не несёт фундаментальную роль, но всё ещё очень важна для полноценного восприятия музыки или звуков. Среди инструментов будет тот же набор, который был способен отыгрывать нижний диапазон басовой области, но к ним добавляются и другие, которые начинаются уже с нижней середины: тарелки (190-17000 Гц), гобой (247-15000 Гц), флейта (240-14500 Гц), скрипка (200-17000 Гц). Указанные диапазоны с учётом всех гармоник инструментов.
В случае провала середины звучание становится скучным и невыразительным, теряет звонкость и яркость, вокал перестаёт завораживать и фактически сходит на "нет". Так же середина отвечает за разборчивость основной информации, исходящей от инструментов и вокала (в меньшей степени, т.к. согласные звуки идут диапазоном выше), помогая хорошо различать их на слух. Большинство существующих инструментов оживают в этом диапазоне, становятся энергичными, информативными и осязаемыми, тоже самое происходит и с вокалом (в особенности женским), который наполняется энергией в середине.
Среднечастотный фундаментальный диапазон охватывает абсолютное большинство инструментов, которые уже были перечислены ранее, а так же раскрывают весь потенциал мужского и женского вокала. Свою жизнь на средних частотах начинают лишь редкие избранные инструменты, играющие в относительно узком диапазоне изначально, например малая флейта (600-15000 Гц).
А вот чрезмерное подчёркивание этого диапазона сказывается крайне нежелательно на звуковой картине, т.к. она начинает заметно резать слух, раздражать и даже вызывать болезненные неприятные ощущения. Потому верхняя середина требует с собой деликатного и осторожного отношения, т.к. из-за проблем в этой области очень легко испортить звучание, или же наоборот сделать его интересным и достойным. Обычно окраска в области верхней середины во многом определяет субъективный момент жанровой принадлежности акустической системы.
Благодаря верхней середине окончательно оформляется вокал и многие инструменты, они становятся хорошо различаемыми на слух и появляется разборчивость звучания. Особенно это касается нюансов воспроизведения человеческого голоса, ведь именно в верхней середине помещается спектр согласных звуков и продолжаются гласные, появившиеся в ранних диапазонах середины. В общем смысле, верхняя середина выгодно подчёркивает и раскрывает в полной мере те инструменты или голоса, которые насыщенны верхними гармониками, призвуками. В частности, по-настоящему живо и натурально в верхней середине раскрывается женский вокал, многие смычковые, струнные и духовые инструменты.
В верхней середине всё ещё играет подавляющее большинство инструментов, хотя многие уже представлены лишь ввиде обертнов и гармоник. Исключение составляют отдельные редкие, изначально отличающиеся ограниченным низкочастотным диапазоном, например туба (45-2000 Гц), которая заканчивает своё существование в верхней середине полностью.
Они же практически не несут в себе роль по части различения инструментов и узнавания голоса, хотя нижний верх остаётся крайне информативной и основополагающей областью. По сути, эти частоты очерчивают музыкальные образы инструментов и вокала, они обозначают их присутствие. В случае провала нижнего высокого отрезка частотного диапазона речь станет сухой, безжизненной и незавершённой, примерно тоже самое происходит с инструментальными партиями - теряется яркость, искажается сама суть источника звука, он становится отчётливо незавершённым и недооформленным.
В любой нормальной аудиосистеме роль высоких частот принимает на себя отдельный динамик под названием твитер (высокочастотный). Обычно небольшой по размеру, он нетребователен к подводимой мощности (в разумных пределах) по аналогии с серединой и в особенности НЧ секции, однако так же предельно важен для того, чтобы звук играл правильно, реалистично и как минимум красиво. Твитер охватывает весь слышимый высокочастотный диапазон от 2000-2400 Гц до 20000 Гц. В случае с высокочастотными динамиками, почти по аналогии с СЧ секцией, очень важно правильное физическое расположение и направленность, поскольку твитеры максимально задействованы не только в формировании звуковой сцены, но так же и в процессе её тонкой настройки.
При помощи твитеров можно во многом управлять сценой, приближать/отдалять исполнителей, менять форму и подачу инструментов, играться с окраской звучания и его яркостью. Как и в случае регулировки СЧ динамиков, на правильное звучание твитеров влияет практически всё, причём зачастую очень и очень чувствительно: поворот и наклон динамика, его расположение по вертикали и горизонтали, удалённость от близлежайших поверхностей и т.д. Однако, успех правильной настройки и привередливость ВЧ секции зависит от конструкции динамика и его диаграмы направленности.
Инструменты, которые доигрывают до нижних высоких, они делают это преимущественно за счёт гармоник, а не основных нот. В остальном в диапазоне нижних высоких "живут" практически все те же, что были и в среднечастотном отрезке, т.е. практически все существующие. Тоже самое и с голосом, который особенно активен в нижних высоких частотах, особенную яркость и влияние можно услышать в женских вокальных партиях.
Фактически представленный отрезок диапазона сравним с повышенной чёткостью и детализацией звучания: если провала в среднем верхе нет, то источник звука хорошо локализуется мысленно в пространстве, концентрируется в определённой точке и выражается ощущением определённого расстояния; и наоборот, если ощущается нехватка нижнего верха, то чёткость звука словно размывается и образы теряются в пространстве, звук становится мутным, зажатым и синтетически нереалистичным. Соответственно, регулирование отрезка нижних высоких частот сопоставимо с возможностью виртуально "двигать" звуковую сцену в пространстве, т.е. отдалять или приближать её.
Частоты средних высоких в конечном счёте обеспечивают желанный эффект присутствия (точнее они довершают его в полной мере, т.к. основу эффекта составляют глубокие и проникновенные НЧ), благодаря этим частотам инструменты и голос становятся максимально реалистичными и достоверными. Так же про средние верха можно сказать, что они отвечают за детальность в звуке, за многочисленные мелкие нюансы и призвуки как в отношении инструментальной части, так и в вокальных партиях. Под конец отрезка средних высоких начинается "воздух" и прозрачность, которая так же может совершенно явственно ощущаться и оказывать влияние на восприятие.
Несмотря на то, что звук уверенно сходит на спад, в этом отрезке диапазона всё ещё активны: мужской и женский вокал, бас-барабан (41-8000 Гц), томы (70-7000 Гц), малый барабан (100-10000 Гц), тарелки (190-17000 Гц), тромбон в форме воздушной поддержки (80-10000 Гц), труба (160-9000 Гц), фагот (60-9000 Гц), саксофон (56-1320 Гц), кларнет (140-15000 Гц), гобой (247-15000 Гц), флейта (240-14500 Гц), малая флейта (600-15000 Гц), виолончель (65-7000 Гц), скрипка (200-17000 Гц), арфа (36-15000 Гц), орган (20-7000 Гц), синтезатор (20-20000 Гц), литавры (60-3000 Гц).
К тому же, помимо непосредственной слышимой части, область верхних высоких, плавно переходящая в ультразвуковые частоты, всё ещё может оказывать некое психологическое воздействие: даже если эти звуки не слышны отчётливо, но волны излучаются в пространство и могут восприниматься человеком, при этом больше на уровне формирования настроения. Так же они в конечном счёте влияют на качество звучания. В целом, эти частоты - наиболее тонкие и нежные во всём диапазоне, но они же ответственные за ощущение красоты, изящности, искристого послевкусия музыки. При нехватке энергии в диапазоне верхних высоких вполне реально ощутить дискомфорт и музыкальную недосказанность. В дополнении ко всему, капризный диапазон верхних высоких дарует слушателю ощущение пространственной глубины, словно погружения вглубь сцены и обволакивание звуком. Однако переизбыток насыщенности звука в обозначенном узком диапазоне может сделать звук излишне "песочным" и неестественно тонким.
При обсуждении диапазона верхних высоких частот стоит так же упомянуть про ВЧ динамик под названием "супертвитер", который представляет собой фактически расширенную конструктивно версию обычного твитера. Такой динамик разрабатывается с целью охвата бОльшего участка диапазона в верхнюю сторону. Если рабочий диапазон обычного твитера заканчивается на предполагаемой ограничительной отметке, выше которой человеческий слух теоретически не воспринимает звуковую информацию, т.е. 20 кГц, то супертвитер может поднимать эту границу до 30-35 кГц.
Идея, преследуемая реализацией такого изощрённого динамика, весьма интересна и любопытна, она пришла из мира "hi-fi" и "hi-end", где считается, что в музыкальном тракте нельзя игнорировать никаие частоты и, даже если мы их напрямую не слышим, они всё-равно изначально присутствуют во время живого исполнения той или иной композиции, а значит косвенно могут оказывать какое-то влияние. Ситуация с супертвитером осложняется только тем, что не всякая аппаратура (источники звука/проигрыватели, усилители и т.п.) способны выводить сигнал в полном диапазоне, без обрезки частот сверху. Тоже самое справедливо и в отношении самой записи, которая зачастую делается с обрезкой частотного диапазона и потерей качества.
Примерно таким описанным выше образом выглядит разделение слышимого частотного диапазона на условные отрезки в реальности, с помощью деления легче понимать проблемы в звуковом тракте с целью их устранения или для выравнивания звучания. Несмотря на то, что каждый человек представляет себе какой-то исключительно свой и понятный только ему эталонный образ звука в соответствии только лишь со своими вкусовыми предпочтениями, характер изначального звучания стремится к равновесию, а точнее к усреднению всех звучащих частот. Поэтому правильный студийный звук всегда уравновешенный и спокойный, весь спектр звуковых частот в нём стремится к ровной линии на графике АЧХ (амплитудно-частотной характеристики). То же направление пытается реализовать бескомпромиссный "hi-fi" и "hi-end": получить максимально ровное и сбалансированное звучание, без пиков и провалов на всём участке слышимого диапазона. Такой звук по характеру может показаться обычному неискушённому слушателю скучным и невыразительным, лишённым яркости и не представляющим интереса, однако именно он и является истинно правильным на самом деле, стремящийся к равновесию по аналогии с тем, как проявляют себя законы самой вселенной, в которой мы живём.
Так или иначе, желание воссоздать какой-то определённый характер звучания в рамках своей аудиосистемы лежит целиком и полностью на пристрастиях самого слушателя. Кому-то нравится звук с преобладающими мощными низами, другие любят повышенную яркость "задранных" верхов, третьи могут часами наслаждаться резковатым подчёркнутым в середине вокалом... Вариантов восприятия может быть огромное множество, а информация о частотном делении диапазона на условные отрезки как раз поможет любому желающему создать звук своей мечты, только теперь уже с более полным пониманием нюансов и тонкостей тех законов, которым подчиняется звук как физическое явление.
Понимание процесса насыщения теми или иными частотами звукового диапазона (наполнение его энергией на каждом из участков) на практике не только облегчит настройку любой аудиосистемы и сделает возможным построение сцены в принципе, но так же и даст бесценный опыт по оценке конкретного характера звучания. С опытом человек сможет моментально на слух определять недостатки звука, притом весьма точно описать проблемы в определённом участке диапазона и предположить возможное решение для улучшения звуковой картины. Корректировка звучания может проводится различными методами, где в качестве "рычагов" можно использовать эквалайзер, например, или же "играться" расположением и направлением динамиков - тем самым меняя характер ранних отражений волны, устраняя стоячие волны и т.п. Это уже будет "совсем другая история" и тема для отдельных статей.
Частотный диапазон человеческого голоса в музыкальной терминологии
Отдельно и обособленно в музыке отводится роль человеческому голосу в качестве вокальной партии, ведь природа этого явления воистину удивительна. Человеческий голос столь многогранен а диапазон его (в сравнении с музыкальными инструментами) наиболее широкий, за исключением некоторых инструментов, например фортепьяно. 
Более того, в разных возрастах человек может издавать различные по высоте звуки, в детском возрасте до ультразвуковых высот, во взрослом возрасте мужской голос вполне способен опускаться крайне низко. Тут, как и ранее, крайне важны индивидуальные особенности голосовых связок человека, т.к. встречаются люди, способные поражать своим голосом в диапазоне 5 октав!
- Детские
- Альт (низкий)
- Сопрано (высокий)
- Дискант (высокий у мальчиков)
- Мужские
- Бас-профундо (сверхнизкий) 43.7-262 Гц
- Бас (низкий) 82-349 Гц
- Баритон (средний) 110-392 Гц
- Тенор (высокий) 132-532 Гц
- Тенор-альтино (сверхвысокий) 131-700 Гц
- Женские
- Контральто (низкие) 165-692 Гц
- Меццо-сопрано (средние) 220-880 Гц
- Сопрано (высокие) 262-1046 Гц
- Колоратурное сопрано (сверхвысокий) 1397 Гц
Мы часто оцениваем качество звучания. При выборе микрофона, программы для обработки звука или формата записи звукового файла один из самых важных вопросов - насколько хорошо будет это звучать. Но существуют различия между характеристиками звука, которые можно измерить и теми, которые можно услышать.
Тон, тембр, октава.
Мозг воспринимает звуки определённых частот. Это связано с особенностями механизма внутреннего уха . Рецепторы, расположенные на основной мембране внутреннего уха превращают звуковые колебания в электрические потенциалы, возбуждающие волокна слухового нерва. Волокна слухового нерва обладают частотной избирательностью, обусловленной возбуждением клеток кортиева органа, находящихся в разных местах основной мембраны: высокие частоты воспринимаются вблизи овального окна, низкие – у вершины спирали.
С физической характеристикой звука, частотой, тесно связана ощущаемая нами высота тона. Частота измеряется как количество полных циклов синусоидальной волны за одну секунду (герц, Гц). Это определение частоты основано на том, что у синусоидальной волны форма колебаний волн в точности сохраняется. В реальной жизни очень немногие звуки обладают таким свойством. Однако любой звук можно представить набором синусоидальных колебаний. Такой набор мы обычно и называем тоном. То есть, тон – это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи), в котором выделяется частота синусоидальной волны, имеющая в этом наборе максимальную амплитуду. Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю интенсивность, называют белым шумом.
Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний 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 и тренировки его слуха. 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 или даже меньше.
Спектр частот музыкального инструмента или голоса содержит последовательность равномерно расположенных пиков - гармоник. Они соответствуют частотам, кратным некоторой базовой частоте, самой интенсивной из составляющих звук синусоидальных волн.
Особый звук (тембр) музыкального инструмента (голоса) связан с относительной амплитудой различных гармоник, а воспринимаемая человеком высота тона наиболее точно передает базовая частота. Тембр, являясь субъективным отображением воспринимаемого звука, не имеет количественной оценки и характеризуется только качественно.
В «чистом» тоне присутствует только одна частота. Обычно же воспринимаемый звук состоит из частоты основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами. Обертоны кратны частоте основного тона и меньше его по амплитуде. От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом. В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе с сопутствующими обертонами.
Если частота одного звука ровно вдвое превосходит частоту другого, звуковая волна «укладывается» одна в другую. Частотное расстояние между такими звуками называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 16-20 000 Гц, охватывает приблизительно десять-одиннадцать октав.
Амплитуда звуковых колебаний и громкость.
Слышимую часть диапазона звуков разделяют на низкочастотные звуки – до 500 Гц, среднечастотные – 500-10000 Гц и высокочастотные – свыше 10000 герц. Наиболее чувствительно ухо к сравнительно узкому диапазону среднечастотных звуков от 1000 до 4000 Гц. То есть, звуки одинаковой силы в среднечастотном диапазоне могут восприниматься как громкие, а в низкочастотном или высокочастотном - как тихие или быть вовсе не слышны. Такая особенность восприятия звука связана с тем, что звуковая информация, необходимая для существования человека – речь или звуки природы – передаётся, в основном, в среднечастотном диапазоне. Таким образом, громкость – это не физический параметр, а интенсивность слухового ощущения, субъективная характеристика звука, связанная с особенностями нашего восприятия.
Слуховой анализатор воспринимает повышение амплитуды звуковой волны за счёт увеличения амплитуды вибрации основной мембраны внутреннего уха и стимуляции всё большего числа волосковых клеток с передачей электрических импульсов с большей частотой и по большему числу нервных волокон.
Наше ухо может различать интенсивность звука в диапазоне от самого слабого шепота до самого громкого шума, что примерно соответствует увеличению амплитуды движения основной мембраны в 1 млн. раз. Однако ухо интерпретирует это громадное различие в амплитуде звука приблизительно как 10000-кратное изменение. То есть, шкала интенсивности сильно «сжата» механизмом восприятия звука слухового анализатора. Это позволяет человеку интерпретировать различия в интенсивности звука в чрезвычайно широком диапазоне.
Интенсивность звука измеряется в децибелах (дБ) (1 бел равен десятикратному увеличению амплитуды). Эту же систему применяют для определения изменения громкости.
Для сравнения можно привести примерный уровень интенсивности разных звуков: едва слышимый звук (порог слышимости) 0 дБ; шёпот около уха 25-30 дБ; речь средней громкости 60-70 дБ; очень громкая речь (крик) 90 дБ; на концертах рок и поп музыки в центре зала 105-110 дБ; рядом с взлетающим авиалайнером 120 дБ.
Величина приращения громкости воспринимаемого звука имеет порог различения. Число градаций громкости, различаемое на средних частотах, не превышает 250, на низких и высоких частотах оно резко уменьшается и в среднем составляет около 150.
Понятие звука и шума. Сила звука.
Звук - физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Амплитудой звуковой волны называется разница между самым высоким и самым низким значением плотности. Частотой звука называется количество колебаний воздуха в секунду. Частота измеряется в Герцах (Гц).
Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты. Звук частотой ниже 16 – 20 Гц (диапазона слышимости человека) называют инфразвуком; от 15 – 20 кГц до 1 ГГц, – ультразвуком, от 1 ГГц – гиперзвуком. Среди слышимых звуков можно выделить фонетические (речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов, а иногда и шумовые компоненты в широком диапазоне частот.
Шум является разновидностью звука, он воспринимается людьми как неприятный, мешающий или даже вызывающий болезненные ощущения фактор, создающие акустический дискомфорт.
Для количественной оценки звука используют усредненные параметры, определяемые на основании статистических законов. Сила звука - устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. Она зависит от длины волны. Единица измерения силы звука - бел (Б) . Уровень звука чаще всего измеряют в децибелах (это 0,1Б). Человек на слух может обнаружить разницу в уровне громкости приблизительно в 1 дБ.
Для измерения акустического шума, Стивеном Орфилдом, была основана в Южном Миннеаполисе «Лаборатория Орфилд». Чтобы достичь исключительной тишины, в комнате использованы стекловолоконные акустические платформы толщиной в метр, двойные стены из изолированной стали и бетон толщиной в 30 см. Комната блокирует 99,99 процентов внешних звуков и поглощает внутренние. Эта камера используется многими производителями для тестирования громкости своих продуктов, таких как клапаны сердца, звук дисплея мобильного телефона, звук переключателя на приборной панели автомобиля. Также её используют для определения качества звука.
Звуки различной силы оказывают на организм человека различные воздействия. Так звук силой до 40 дБ оказывает успокаивающее действие. От воздействия звука 60-90 дБ возникает чувство раздражения, утомляемость, головная боль. Звук силой 95-110 дБ вызывает постепенно ослабление слуха, нервно-психический стресс, различные заболевания. Звук от 114 дБ вызывает звуковое опьянение наподобие алкогольного опьянения, нарушает сон, разрушает психику, приводит к глухоте.
В России действуют санитарные нормы допустимого уровня шума, где для различных территорий и условий нахождения человека даны предельные значения уровня шума:
· на территории мкр-она 45-55 дБ;
· в школьных классах 40-45 дБ;
· больницы 35-40 дБ;
· в промышленности 65-70 дБ.
В ночное время (23:00-7:00) уровни шума должны быть на 10 дБ меньше.
Примеры силы звука в децибелах:
· Шорох листьев: 10
· Жилое помещение: 40
· Разговор: 40–45
· Офис: 50–60
· Шум в магазине: 60
· Телевизор, крик, смех на расстоянии 1 м: 70–75
· Улица: 70–80
· Фабрика (тяжелая промышленность): 70–110
· Цепная пила: 100
· Старт реактивного самолёта: 120–130
· Шум на дискотеке: 175
Восприятие звуков человеком
Слух - способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха. В основе возникновения звука лежат механические колебания упругих тел. В слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности колеблющего тела, возникает сгущение (сжатие) и разрежения. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в стороны в виде упругой продольной волны, которая достигает уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, воздействующие на слуховой анализатор.
Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16–20 Гц до 15–20 кГц. Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха.
У человека органом слуха является ухо, которое воспринимает звуковые импульсы, а также отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами. Он представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.
Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна.
Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом, мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов. Наружный слуховой проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания. В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.
Основной частью среднего уха является барабанная полость - небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко - они соединяются между собой и с внутренним ухом (окно преддверия), они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их. Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки.
Внутреннее ухо из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, внутри которой находится перепончатый канал, заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту.
Слуховой орган человека работает следующим образом. Ушные раковины улавливают колебания звуковой волны и направляют их в слуховой проход. По нему колебания направляются в среднее ухо и, достигнув барабанной перепонки, вызывают ее колебания. Через систему слуховых косточек колебания передаются дальше – во внутреннее ухо (звуковые колебания передаются перепонке овального окна). Колебания перепонки вызывают движение жидкости в улитке, она, в свою очередь, заставляет колебаться базальную мембрану. При движении волоконец волоски рецепторных клеток касаются покровной мембраны. В рецепторах возникает возбуждение, которое по слуховому нерву в конечном итоге передается в головной мозг, где через средний и промежуточный мозг возбуждение попадает в слуховую зону коры больших полушарий, расположенную в височных долях. Здесь происходит окончательное различение характера звука, его тона, ритма, силы, высоты и его смысла.
Влияние шума на человека
Сложно переоценить воздействие шума на состояние здоровья людей. Шум относится к тем факторам, к которым нельзя привыкнуть. Человеку лишь кажется, что он привык к шуму, но акустическое загрязнение, действуя постоянно, разрушает здоровье человека. Шум вызывает резонанс внутренних органов, постепенно изнашивая их незаметно для нас. Недаром в средние века существовала казнь "под колокол". Гул колокольного звона мучил и медленно убивал осужденного.
Долгое время влияние шума на организм человека специально не изучалось, хотя уже в древности знали о его вреде. В настоящее время ученые во многих странах мира ведут различные исследования с целью выяснения влияния шума на здоровье человека. В первую очередь от шума страдают нервная, сердечно-сосудистая системы и органы пищеварения. Существует зависимость между заболеваемостью и длительностью проживания в условиях акустического загрязнения. Рост болезней наблюдается после проживания в течение 8-10 лет при воздействии шума с интенсивностью выше 70 дБ.
Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Регулярное и длительное воздействие производственного шума в 85-90 дБ приводит к появлению тугоухости (постепенной потере слуха). Если сила звука выше 80 дБ, появляется опасность потери чувствительности находящихся в среднем ухе ворсинок – отростков слуховых нервов. Отмирание половины из них еще не ведет к ощутимой потере слуха. А если погибает больше половины - человек погрузится в мир, в котором не слышно шелеста деревьев, жужжания пчел. С потерей всех тридцати тысяч слуховых ворсинок человек попадает в мир безмолвия.
Шум обладает аккумулятивным эффектом, т.е. акустические раздражение, накапливаясь в организме, все сильнее угнетают нервную систему. Поэтому перед потерей слуха от воздействия шумов возникает функциональное расстройство центральной нервной системы. Особенно вредное влияние шум оказывает на нервно-психическую деятельность организма. Процесс нервно-психических заболеваний выше среди лиц, работающих в шумных условиях, нежели у лиц, работающих в нормальных звуковых условиях. Поражаются все виды интеллектуальной деятельности, ухудшаются настроение, иногда появляется ощущение растерянности, тревоги, испуга, страха , а при высокой интенсивности - чувство слабости, как после сильного нервного потрясения. В Великобритании, например, один из четырёх мужчин и одна из трёх женщин больны неврозами из-за высокого уровня шума.
Шумы вызывают функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы. Изменения, происходящие в сердечнососудистой системе человека под воздействием шума, имеют следующие симптомы: болевые ощущения в области сердца, сердцебиение, неустойчивость пульса и артериального давления, иногда наблюдается наклонность к спазмам капилляров конечностей и глазного дна. Функциональные сдвиги, возникающие в системе кровообращения под влиянием интенсивного шума, со временем могут привести к стойким изменениям сосудистого тонуса, способствующим развитию гипертонической болезни.
Под влиянием шума изменяются углеводный, жировой, белковый, солевой обмены веществ, что проявляется в изменении биохимического состава крови (снижается уровень сахара в крови). Шум оказывает вредное влияние на зрительные и вестибулярные анализаторы, снижает рефлекторную деятельность , что часто становится причиной несчастных случаев и травм. Чем выше интенсивность шума, тем хуже человек видит и реагирует на происходящее.
Шум также влияет на способность к интеллектуальной и учебной деятельности. Например, на успеваемость учеников. В 1992 году в Мюнхене аэропорт перенесли в другую часть города. И выяснилось, что проживавшие рядом со старым аэропортом ученики, которые до его закрытия демонстрировали плохие показатели по чтению и запоминанию информации, в тишине стали показывать намного лучшие результаты. Зато в школах того района, куда аэропорт перенесли, успеваемость, наоборот, ухудшилась, а дети получили новое оправдание для плохих оценок.
Исследователи установили, что шум может разрушать растительные клетки. Например, эксперименты показали, что растения, подверженные обстрелу звуками, засыхают и гибнут. Причиной гибели является чрезмерное выделение влаги через листья: когда уровень шума превышает определённый предел, цветы буквально исходят слезами. Пчела теряет способность ориентироваться и перестаёт работать при шуме реактивного самолёта.
Очень шумная современная музыка также притупляет слух, вызывает нервные заболевания. У 20 процентов юношей и девушек, часто слушающих модную современную музыку, слух оказался притупленным в такой степени, как у 85 летних стариков. Особую опасность представляют плееры и дискотеки для подростков. Обычно уровень шума на дискотеке составляет 80–100 дБ, что сравнимо с уровнем шума интенсивного уличного движения или взлетающего в 100 м турбореактивного самолёта. Громкость звука плеера составляет 100–114 дБ. Почти так же оглушительно работает отбойный молоток. Здоровые барабанные перепонки без ущерба могут переносить громкость плеера в 110 дБ максимум в течение 1,5 мин. Французские учёные отмечают, что нарушения слуха в наш век активно распространяются среди молодых людей; с возрастом они, скорее всего, будут вынуждены пользоваться слуховыми аппаратами. Даже низкий уровень громкости мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание – это следует учитывать при выполнении домашней работы. Когда звук нарастает, организм производит много гормонов стресса, например, адреналин. При этом сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа кишечника. В дальнейшем всё это может привести к нарушениям работы сердца и кровообращения. Ухудшение слуха из-за шума относится к неизлечимым заболеваниям. Восстановить поврежденный нерв хирургическим путем практически невозможно.
Негативно влияют на нас не только те звуки, которые мы слышим, но и те, которые находятся за пределами диапазона слышимости: прежде всего – инфразвук. Инфразвук в природе возникает при землетрясениях, ударах молний, при сильном ветре. В городе источники инфразвука - тяжелые станки, вентиляторы и любое оборудование, которое вибрирует. Инфразвук с уровнем до 145 дБ вызывает физическое напряжение, переутомление, головные боли, нарушения работы вестибулярного аппарата. Если инфразвук более сильный и длительный, то человек может ощущать вибрации в грудной клетке, сухость во рту, нарушения зрения, головную боль и головокружение.
Опасность инфразвука в том, что от него сложно защититься: в отличие от обычного шума, он практически не поддается поглощению и распространяется намного дальше. Для его подавления необходимо снизить звук в самом источнике с помощью специального оборудования: глушителей реактивного типа.
Полная тишина также оказывает вред на организм человека. Так, сотрудники одного конструкторского бюро, имевшего прекрасную звукоизоляцию, уже через неделю стали жаловаться на невозможность работы в условиях гнетущей тишины. Они нервничали, теряли работоспособность.
Конкретным примером воздействия шума на живые организмы, можно считать следующее событие. Тысячи не вылупившихся птенцов погибли в результате дноуглубительных работ, ведущихся немецкой компанией «Мебиус» по распоряжению Минтранса Украины. Шум от работающей техники разносился на 5-7км, оказывая негативное влияние на прилегающие территории Дунайского биосферного заповедника. Представители Дунайского биосферного заповедника и еще 3 организаций вынуждены были с болью констатировать гибель всей колонии пестроносой крачки и речной крачки, которые располагались на косе Птичья. Дельфины и киты выбрасываются на берег из-за сильных звуков военных гидролокаторов.
Источники шума в городе
Самое вредное воздействие оказывают звуки на человека в больших городах. Но даже в загородных поселках можно страдать от шумового загрязнения, вызванного работающими техническими приспособлениями у соседей: газонокосилкой, токарным станком или музыкальным центром. Шум от них может превышать предельно допустимые нормы. И все же основное загрязнение шумовое происходит в городе. Источником его в большинстве случаев являются транспортные средства. Самая большая интенсивность звуков исходит от автомагистралей, метро и трамваев.
Автотранспорт . Наибольшие уровни шума отмечаются на магистральных улицах городов. Средняя интенсивность движения достигает 2000-3000 транспортных единиц в час и больше, а максимальные уровни шума – 90-95 дБ.
Уровень уличных шумов определяется интенсивностью, скоростью и составом транспортного потока. Кроме того, уровень уличных шумов зависит от планировочных решений (продольный и поперечный профиль улиц, высота и плотность застройки) и таких элементов благоустройства, как покрытие проезжей части и наличие зелёных насаждений. Каждый из этих факторов способен изменить уровень транспортного шума до 10 дБ.
В промышленном городе обычен высокий процент грузового транспорта на магистралях. Увеличение, в общем потоке автотранспорта, грузовых автомобилей, особенно большегрузных с дизельными двигателями, приводит к росту уровней шума. Шум, возникающий на проезжей части магистрали, распространяется не только на примагистральную территорию, но вглубь жилой застройки.
Рельсовый транспорт. Повышение скорости движения поездов также приводит к значительному росту уровня шума в жилых зонах, расположенных вдоль железнодорожных путей или близ сортировочных станций. Максимальный уровень звукового давления на расстоянии 7,5 м от движущегося электропоезда достигает 93 дБ, от пассажирского – 91, от товарного состава –92 дБ.
Шум, возникающий при прохождении электропоездов, легко распространяется на открытой территории. Наиболее значительно звуковая энергия снижается на расстоянии первых 100 м от источника (в среднем на 10 дБ). На расстоянии 100-200 снижение шума равно 8 дБ, а расстоянии от 200 до 300 всего на 2-3 дБ. Основной источник железнодорожного шума – удары вагонов при движении на стыках и неровностях рельсов.
Из всех видов городского транспорта наиболее шумный трамвай . Стальные колёса трамвая при движении по рельсам создают уровень шума на 10 дБ выше, чем колёса автомобилей при соприкосновении с асфальтом. Трамвай создаёт шумовые нагрузки при работе двигателя, открывании дверей, подаче звуковых сигналов. Высокий уровень шума от движения трамвая – одна из основных причин сокращения трамвайных линий в городах. Однако трамвай обладает и целым рядом преимуществ, поэтому при снижении создаваемого им шума он может выиграть в соревновании с другими видами транспорта.
Большое значение имеет скоростной трамвай. Он может с успехом использоваться как основной вид транспорта в малых и средних городах, а в крупных – как городской, пригородный и даже как междугородный, для связи с новыми жилыми массивами, промышленными зонами, аэропортами.
Воздушный транспорт. Значительный удельный вес в шумовом режиме многих городов занимает воздушный транспорт. Нередко аэропорты гражданской авиации оказываются расположенными в непосредственной близости от жилой застройки, а воздушные трассы проходят над многочисленными населёнными пунктами. Уровень шума зависит от направления взлётно-посадочных полос и трасс пролётов самолётов, интенсивности полётов в течение суток, сезонов года, от типов самолётов, базирующихся на данном аэродроме. При круглосуточной интенсивной эксплуатации аэропортов эквивалентные уровни звука на жилой территории достигают в дневное время 80 дБ, в ночное – 78 дБ, максимальные уровни шума колеблются от 92 до 108 дБ.
Промышленные предприятия. Источником большого шума в жилых кварталах городов являются промышленные предприятия. Нарушение акустического режима отмечается в тех случаях, когда их территория непосредственно к жилым массивам. Изучение промышленного шума показало, что по характеру звучания он постоянный и широкополосный, т.е. звук различных тонов. Наиболее значительные уровни наблюдаются на частотах 500-1000 Гц, то есть в зоне наибольшей чувствительности органа слуха. В производственных цехах устанавливается большое количество разнотипного технологического оборудования. Так, ткацкие цехи могут быть охарактеризованы уровнем звука 90-95 дБ А, механические и инструментальные - 85-92, кузнечнопрессовые – 95-105, машинные залы компрессорных станций – 95-100 дБ.
Домашняя техника. С наступлением постиндустриальной эпохи всё больше и больше источников шумового загрязнения (а также электромагнитного) появляется и внутри жилища человека. Источником этого шума является бытовая и офисная техника.
