По отношению к синусоидальным сигналам («чистым тонам») слуховой анализатор можно уподобить особому преобразователю, где со стороны входа параметрами сигнала являются звуковое давление и частота, а со стороны выхода - «громкость» и «высота» тона.
Экспериментально получены сенсорные характеристики передачи «чистых тонов» слуховой системой человека, т.е. в установившемся режиме при достаточно продолжительном звучании измерительного сигнала.
Существуют несколько принципов построения измерительных шкал Н-высоты тона от F- частоты звука:
1. Шкала Г.Флетчера: частоте 1000 Гц соответствует высота тона в 1000 мел (1 мел, единица измерения высоты тона). На практике она оказывается не всегда удобной;
2. Шкала Э.Цвиккера: частоте 131 Гц (нота «до» малой октавы) соответствует высота в 131 мел;
3. Музыкальная шкала: в ее основе лежит тональный интервал в одну октаву, при которой верхняя частота F В вдвое превышает нижнюю частоту F Н, т.е. F В/ F Н = 2. Интервал частот F 1 и F 2 в октавах равен F 1 - F 2 (октав) = log2 
. Октава делится на 12 полутонов так, что в каждом полутоне частоты соотносятся между собой как 
. Каждый полутон делится на 100 центов. Высота полутонов имеет свои обозначения (нотацию) – до (C), ре (D), ми (E), фа (F), соль (G), ля (А), си (B) с указанием октавы (большая, малая, первая и т.д.) и с добавлением знаков аллитерации (бемоль, диез, бекар). Диапазон 20 Гц…20 кГц составляет около 10 октав. Примерный вид сенсорной характеристики «высоты» тона по шкале Э.Цвиккера представлен на рис 2.22.
|
Рис. 2. 22
На рис. 2.23 изображены стандартные кривые равной громкости («изофоны ») при прослушивании чистых тонов. За «пороговое» значение принято давление 
, называемое стандартным порогом слышимости на частоте 1000 Гц. Легко показать, что значение «пороговой» интенсивности звука составит 
Вт/м2. Относительное значение слышимости определяется по формуле:
. (2.2)
В качестве примеров графиков на рис. 2.23 приведены: 1 – линия «порога» слышимости; 2- линия «порога» болевого ощущения, за пределами (выше) которой возможно механическое травмирование слухового аппарата человека; 3 - промежуточные линии «равной громкости». Обращает внимание, прежде всего подобие кривых, а также заметное снижение чувствительности на краях частотного диапазона. Громкость в «фонах» совпадает со слышимым уровнем громкости в «
Б» на частоте 
Гц: 
. «Провал» в области частот 3000 Гц – соответствует резонансу объема воздушного канала слухового хода.
Большое практическое значение имеет, помимо выделения соответствующих тональных составляющих, возможность пространственной локализации источников звуковых колебаний. Слуховые сенсоры, как и сенсоры визуальной информации, относятся к парным сенсорам. При этом, существенно важными оказываются бинауральные свойства слуха.
К бинауральным относят свойства слуха по определению различий акустических сигналов, воспринимаемых правым и левым слуховыми органами по времени прихода и амплитуде.
 |
Рис. 2.23
Физическая основа этих различий - разновременность прихода звуковых волн к разным сенсорам и разные уровни сигналов, что делает возможным образование «бинауральных разностей»: 
и 
.
К бинауральным свойствам слуха относят способность определять направление на «кажущийся» источник звука. При этом следует различать, по крайней мере, две ситуации:
1. Слуховая система выполняет роль акустического пеленгатора. Наблюдения и эксперименты позволяют утверждать, что слуховая система человека - не слишком хороший, а скорее плохой пеленгатор. Иногда, особенно для узкополосных сигналов возникает ошибка на 180° - «фронт» - «тыл» - кажущийся источник «обнаруживается» в противоположной стороне от реального. Для широкополосного сигнала угловые погрешности (т.е. угловые разности направлений на мнимый и реальный источники) в горизонтальной плоскости могут доходить до 10°…15°, а в вертикальной плоскости (по углу наблюдения) еще больше. По этой причине ведущую роль в пространственной ориентации отводят зрительным органам, а слух выполняет вспомогательные функции.
2. Свойства слуховой системы изучаются и используются применительно к искусственно воспроизведенным условиям объемного звука: стереофонии, квадрофонии и т.д.
Еще слабее выражены способности слуховой системы к определению расстояния до кажущегося источника звука. Если слушатель хорошо знаком со звуковым сигналом, то точность оценки расстояния сильно возрастет. Для незнакомых звуков на дистанции более 3 метров оценка удаленности источника становится практически неосуществимой.
Даже при восприятии тональных сигналов возможности человеческого уха заметно ограничены. Так, в диапазоне слышимых звуков 20 Гц…20 кГц человек запоминает не более 150…200 градаций на частоте. Разница в частотах, которая свободно улавливается человеком, составляет примерно 4%. Разумеется, у отдельных индивидуумов, обладающих «музыкальным» слухом, эти данные могут существенно отличаться. Существенно изменяются эти возможности и с возрастом человека.
Если различия по частоте и интенсивности еще сравнительно доступны для слуховых сенсоров, то определить различия по фазе человек практически не в состоянии. Это справедливо до тех пор, пока фазовый сдвиг не приведет к сдвигу по времени. Если сдвиг фазы достигает 50 мс, то сигналы начинают восприниматься как раздельные. Если второй сигнал значительно громче или тише (на 20 ДБ и более), то ощущаемая разность времени прихода возрастает до 150…200 мс.
Подведем итоги…
· Действия оператора по принятию решений и исполнению управляющих действий осуществляются на основе информационной и концептуальной моделей объекта, формирование которых не требует непосредственного взаимодействия оператора с объектом;
· Различные по физическим принципам каналы, как правило, адаптированы к свойствам среды, вмещающей «информационный» тракт; наиболее эффективны для информационного обмена комбинированные системы, объединяющие каналы, основанные на разных физических принципах;
· Качество визуальной информации, воспринимаемой оператором, определяется пороговыми яркостными, контрастными и временными характеристиками зрительных сенсоров человека; их оптимальные значения сближены с предельными и адаптированы к условиям наблюдения; свойство парности зрительных сенсоров - необходимое условие «бинокулярного» зрения, обеспечивающего основную часть информационных потоков;
· Качество аудиоинформации, воспринимаемой оператором, определяется пороговыми «тональной» и «громкостной» сенсорной характеристиками, адаптированными для восприятия речевых сигналов; слуховые сенсоры, обладают «бинауральными» свойствами и выполняют роль дополнительной сигнальной системы.
В следующем разделе будут рассмотрены примеры основных моделей процессов, протекающих в звуковых полях, и определяющих систему параметров, важных для информационного обмена.