Дифференциальная чувствительность слухового анализатора

13.09.2016
Дифференциальная чувствительность по интенсивности. Согласно закону Вебера, график зависимости разностного порога интенсивности от высоты звука (ΔI/1 — частота) должен быть прямой линией, параллельной оси абсцисс. Однако измерения показали, что при средних и высоких интенсивностях звука отношение ΔI/I = 0,3.

Дифференциальная чувствительность по частоте. Чтобы определить эту чувствительность, на ухо подается пульсирующий тон и испытуемый указывает на наименьшее изменение частоты, т.е. определяет дифференциальный порог по частоте Δf. Исследования по различению частоты тонов от 200 до 8000 Гц на уровнях ощущения от 5 до 80 дБ показали, что при увеличении частоты увеличивается дифференциальный порог по частоте Δf. Наименьшая величина Δf порядка 1 Гц обнаружена при уровне сигнала выше 40 дБ. При увеличении частоты выше 1000 Гц увеличивается и Δf и при частоте 8000 Δf достигает 68 Гц.

Различение приращения длительности звука. Каково минимальное время, в течение которого ухо способно различить сигналы? Это время можно измерить, предложив испытуемому различить два сигнала, одинаковые во всех отношениях, кроме фазы. Этот интервал связывают с временной остротой слуха или минимальным временем интеграции энергии звукового сигнала. Обычно в таких экспериментах применяют звуковые щелчки или тональные посылки. Ухо человека способно различать временные различия в 2 мс, и эта величина существенно не зависит от частоты (на частотах выше 1000 Гц различение временного интервала даже обостряется).

Однако при определении этого параметра большое значение имеет методика измерений. Допустим, испытуемому предъявляют последовательность высокочастотного и низкочастотного сигналов и в этом случае испытуемый обнаруживает разницу между началом сигналов в 2 мс. Однако, если испытуемый должен определить, какой из сигналов поступает первым, в данном случае ему потребуется 20 мс.

Факторы, влияющие на остроту временного различения, следующие: число сигналов в ряду, каждый из которых должен быть обнаружен; способ подачи сигналов (раздельно или слитно); тип задачи, которую должен выполнить испытуемый; степень тренированности испытуемого. Изучение дифференциальной чувствительности временного различения (ΔТ/Т), привело исследователей к выводу, что дифференциальный порог уменьшается при увеличении длительности сигнала.

Маскировка звука. Схема эксперимента сводится к следующему. Определяют немаскированный порог тестового звука. Затем подают маскер (звук другой частоты) и на его уровне регулируют интенсивность тестового звука до уровня его слышимости. Полученный уровень звукового давления и будет маскированным порогом.

Моноауральная маскировка звука. При изучении маскировки следует обращать внимание не только на интенсивность, но и на частоту изучаемых звуков. На рис. 14.36 показаны так называемые аудиограммы маскировки. Каждый из графиков отражает степень маскировки, производимой маскером определенной частоты. Из приведенных графиков можно заключить: 1) самая сильная маскировка наблюдается, если частота маскера близка к частоте маскируемого звука; 2) степень маскировки увеличивается при нарастании интенсивности маскера. Обращает на себя внимание также то, что низкочастотные маскеры маскируют тестовые звуки в более широком частотном диапазоне, чем высокочастотные маскеры. Предполагают, что маскировка отражает возбуждение вдоль базилярной мембраны. Вспомним, что бегущая волна имеет постепенно нарастающую амплитуду по ее высокочастотному склону (в направлении к базальной части улитки), а затем круто затухает в низкочастотной области (в направлении к апикальной части улитки). Таким образом, высокочастотный маскер не распространяется за пределы базального завитка улитки, тогда как огибающая волны низкочастотного маскера производит сдвиг мембраны на значительно большой части базилярной мембраны. Этим и можно объяснить то, что низкочастотный маскер по сравнению с высокочастотным маскером вызывает маскирование в более широком частотном диапазоне.
Дифференциальная чувствительность слухового анализатора

Степень маскировки линейно зависит от интенсивности маскера, т.е. увеличение интенсивности маскера на 10 дБ повышает порог маскировки тестового стимула также на 10 дБ. При этом специальными исследованиями показано, что линейная зависимость маскировки и уровня интенсивности маскера не зависит от частоты предъявляемого звука. Это применимо как к чистым тонам, так и речевым звукам.

Временная маскировка. Можно создать несколько временных соотношений между предъявлением сигнала и маскера:
Дифференциальная чувствительность слухового анализатора

В этих схемах можно варьировать следующими параметрами: интервалом между подачей сигнала и подачей маскера, уровнем интенсивности маскера, длительностью маскера. На рис. 14.37 показаны результаты эксперимента по временной маскировке. Эксперимент проводился следующим образом. В качестве маскера применяли белый шум длительностью 50 мс при уровне звукового давления 70 дБ, а сигналом был звук частотой 1000 Гц и длительностью 10 мс. На графике по оси ординат отложена степень маскировки, а по оси абсцисс — временной интервал между поступлением маскера и поступлением исследуемого сигнала (при обратной и предшествующей маскировках). Из приведенных результатов можно сделать следующие выводы: обратная маскировка более аффективна, чем прямая; маскировка более выражена при моноауральной, чем при дихотической подаче сигнала и маскера: чем меньше интервал между сигналом и маскером, тем сильнее аффект маскировки. Крутой и пологий сегменты графиков (рис. 14.37) в интервале 0—15 мс позволяют предполагать действие двух механизмов: в интервале 0—15 мс происходит перекрывание бегущих волн, вызванных маскером и сигналом, тогда как сегмент, идущий параллельно абсциссе, обусловлен, по-видимому, процессами в слуховых центрах. Возможно, дихотическая маскировка является полностью центральным процессом. Показано, что длительность действия маскера влияет на степень предшествующей маскировки, но не влияет на обратную маскировку. Степень маскировки больше при сочетании обратной и прямой маскировок, чем суммарная степень маскировки при их раздельном применении. Это позволяет предположить, что механизмы обратной и предшествующей маскировок различаются.
Дифференциальная чувствительность слухового анализатора

Постстимуляционное утомление. При действии звуков высокой интенсивности (выше 70—75 дБ) слуховая чувствительность у человека снижается на длительный период (до 16 часов). Высокочастотные сигналы (4000 Гц) вызывают более длительное постстимуляционное утомление, чем низкочастотные. Скорость, с которой увеличивается постстимуляционное утомление пропорциональна логарифму времени действия звука.

Громкость. Субъективно воспринимаемая интенсивность звука называется громкостью. Будут ли одинаково громко звучать, например, тон частотой 100 Гц и тон частотой 1000 Гц при звуковом давлении 60 дБ? Ответ: нет, не будут. Поставим этот вопрос по другому: какая интенсивность звука необходима, чтобы тоны разной частоты звучали одинаково громко?

Уровни одинаковой громкости обычно получают методом сравнения эталонной громкости с тестовым тоном и регулируют (экспериментатор или испытуемый) интенсивность тестируемого звука до тех пор, пока она не сравняется с эталоном. Обычно в качестве эталона используют тон 1000 Гц. В этом случае звук любой частоты, равный по громкости тону 1000 Гц при уровне звукового давления 40 дБ, имеет уровень громкости 40 фон (фон — психофизическая единица уровня громкости). Тон, у которого такая же громкость, как у тона 1000 Гц при уровне звукового давления 50 дБ, имеет уровень громкости 50 фон и т.д. На низких уровнях громкости кривые фонов в основном совпадают с кривой минимально слышимого поля. Для достижения одинаковой громкости требуется большая интенсивность звука на низких частотах, чем на высоких (рис. 14.38).
Дифференциальная чувствительность слухового анализатора

При измерениях уровня шума на производстве, транспорте целесообразно уровень звукового давления измерять таким образом, чтобы он приближался к разным кривым фонов. Для этого на входе измерительного прибора устанавливают соответствующую схему. Например, А-нагрузочная схема соответствует кривой 40 фон, В-нагрузочная схема — кривой 70 фон и т.д. Однако введение фона в качестве единицы уровня громкости еще не позволяет измерить громкость в чистом виде.

Шкалирование громкости. Благодаря шкале громкости можно сопоставить восприятие субъективно воспринимаемой громкости с интенсивностью звукового стимула. Единицей громкости служит сон. Один сон равен громкости тона 1000 Гц при уровне звукового давления 40 дБ, т.е. 40 фонам. В связи с этим громкость, выраженную в сонах, можно принять за функцию уровня ее в фонах, а также как функцию интенсивности звука. На рис. 14.39 показана шкала сонов. При определенной величине, выраженной как 1 сон по отношению к эталонному звуку, звук громкостью 2 сона имеет интенсивность, в два раза превышающую громкость эталонного тона, и т.д. Громкость, выраженная в сонах и изображенная как функция громкости в логарифмических координатах, представляет собой прямую линию. Это значит, что громкость L может быть выражена как мощность е уровня стимула I:L = k*Iе, где к — константа, которая зависит от единиц, используемых для выражения измеряемых величин. Согласно этому уравнению, ощущение громкости звука нарастает как мощность уровня звука. Уточненный по данным разных исследователей, показатель е равен 0,67. Такой наклон графика определяется у двух третей испытуемых.
Дифференциальная чувствительность слухового анализатора

Временная интеграция громкости. Ранее была описана временная суммация на пороговом уровне интенсивности. Это проявляется в повышении слуховой чувствительности при увеличении длительности сигнала до 200 мс; для звуков большей длительности порог не изменяется. При исследовании временной суммации громкости применяют два метода. По одному методу перед испытуемым ставят задачу уравнять громкость звука с громкостью эталонного звука. Эталонный звук имеет бесконечную длительность (свыше 1 с), а тестовый звук представляет собой короткую тональную посылку (10, 20, 30 мс и т.д.). В результате получают горизонтали равной громкости как функцию длительности тестового сигнала. Другой метод состоит в непосредственном шкалировании величин громкости, при котором получают кривые равной громкости. На рис. 14.40 показаны типичные кривые временной интеграции громкости. Испытуемые уравнивали по громкости исследуемые тона разной длительности с тоном эталонной громкости длительностью 500 мс при уровне звукового давления 20, 50 и 80 дБ. По оси ординат отложена интенсивность исследуемого тона, которую необходимо установить, чтобы достичь эталонной громкости. Видно, что увеличение громкости происходит до длительности 80 мс, после чего наступает медленное снижение громкости.
Дифференциальная чувствительность слухового анализатора

Адаптация к громкости. Под адаптацией к громкости понимают снижение громкости, когда звук звучит достаточно долго. Схема эксперимента может быть следующей: на одно ухо подают эталонный звук, а на другое, например, звук 1000 Гц при уровне звукового давления 80 дБ. Испытуемый специальной регулировкой должен добиться одинаковой громкости. Первые измерения характеризуют громкость звука до наступления адаптации. Затем эталонный тон выключают, тогда как адаптирующий тон продолжает поступать в ухо (период адаптации). После нескольких минут адаптации вновь включают эталон и испытуемый регулирует его интенсивность, уравнивая громкость с тоном, к которому происходит адаптация. Было установлено, что механизм адаптации связан с процессами в слуховых центрах; адаптация может составить величину до 30 дБ. Этот феномен не имеет отношения к вышеописанному постстимульному утомлению.

Восприятие высоты звука. Ранее уже указывалось, что частота звука в слуховом анализаторе кодируется по двум признакам: частота, согласно теории места, кодируется возбуждением определенного места базилярной мембраны и примерно до 5000 Гц отмечается привязка разряда нейрона к фазе стимулирующего тона. Вместе с тем восприятие звука человеком само по себе многогранно. Например, на равных правах в настоящее время существуют, по крайней мере две шкалы высоты звука: одна психофизическая, другая музыкальная. Эти шкалы не совпадают, но каждая из них проверена опытом.

Психофизическая и музыкальная шкалы высоты звука. Под высотой звука понимают субъективное восприятие частоты. Для разрешения вопроса о соответствии воспринимаемой высоты и частоты звука используют метод фракционирования. Испытуемым предлагают в пределах определенного диапазона подстроить частоты пяти тонов, чтобы они были разделены равными интервалами высоты. Вообще в зависимости от метода получают разные шкалы высоты. На рис. 14.41 показана одна из таких шкал, психофизическая шкала. Высота выражается в мелах (единица высоты звука); принято считать, что 1000 мел соответствует высоте тона 1000 Гц на уровне громкости 40 фонов. Частота тона, в два раза превышающая по высоте 1000 мел, имеет высоту 2000 мел и т.д. На графике видно, что при увеличении частоты в три раза (от 1000 до 3000 Гц) высота повышается только в два раза — от 1000 до 2000 мел. Весь слышимый диапазон до 20 000 Гц по высоте составляет только 3500 мел. Как видно на приведенном графике, самая низкая воспринимаемая высота звука соответствует частоте 20 Гц.
Дифференциальная чувствительность слухового анализатора

Кроме описанной психофизической шкалы существует и широко применяется музыкальная шкала высоты звука. Музыкальная шкала делит весь диапазон частот в субъективных интервалах, таких, как октава (отношение 1:2), квинта (отношение 2:3) и т.д. Например, интервал музыкальной шкалы между 100 и 200 Гц, а также интервал 1000—2000 Гц соответствуют одной октаве. Вместе с тем интервал, измеряемый в мелах, для этих двух частотных диапазонов не одинаков. Таким образом, психофизическая и музыкальная шкалы построены на разных принципах и естественно, что они не совпадают. Ho нет оснований предпочитать одну шкалу и отвергать другую; обе шкалы существуют равноправно.

Для восприятия высоты звука большое значение имеет предшествующий опыт слушателя. Фактическое ощущение высоты возникает вне частотного анализа и состоит в восприятии предварительно заученного слухового образа. Процесс предварительного обучения играет ведущую роль в восприятии музыкальных мелодий и речи. Решающее значение в этих механизмах играют процессы, протекающие в мозговых центрах.

Например, представим себе, что испытуемому подается два тона, различающихся на несколько герц f1 = 1000 Гц и f2 = 1003 Гц. Согласно «теории места», мы имеем два смещения на базилярной мембране, которые будут перекрываться. Небольшое различие по частоте между этими тонами приведет к тому, что они будут периодически совпадать по фазе в темпе, равном (f1-f2). В результате эта комбинация тонов 1000—1003 Гц будет слышна как тон 1000 Гц, качественно характеризующийся «тусклостью», и будут прослушиваться биения в темпе 3 в 1 с. Этот феномен, в общем, характеризует ограничение уха воспринимать небольшие различия по частоте. При увеличении частотной разницы между тонами f1 и f2 темп биений начинает убыстряться, но быстрые колебания интенсивности звука воспринимаются как «шероховатость» звука. Еще большее увеличение разницы тонов f1 и f2 приводит к восприятию двух разных частот, в дополнение к которым будут прослушиваться комбинационные тоны. Последние, также как и биения, возникают в результате нелинейных искажений в улитке.