МАСКИРОВКА
И УСТАЛОСТЬ
Когда мы говорим, что
мы слышим сразу два тона, то это свидетельствует о том, что акустический стимул
разлагается на составные части, ибо, сотя колебания воздуха, действующие на
барабанную перепонку, являются слиянием звуковых волн, идущих из двух различных
источников, они в то же время физически представляют собой не два звука, а
один. Примечательно и то, что наш слуховой механизм может разлагать составной
акустический стимул на компоненты и что мы можем описать громкость, высоту
звука или локализацию одного компонента, игнорируя при этом другие.
Такой анализ не
является, однако, совершенным. Слабый звук будет слышим в тихой комнате, а не в
шумной, где он маскируется этим шумом. Таким образом, маскировка
представляет собой явление, обратное анализу. Она затрудняет выделение слухом
отдельных звуков и различение между отсутствием и присутствием одного из них.
Степень, до которой
один компонент звука маскируется другим, обычно определяется путем измерения
двух порогов. Назовем маскирующую часть первичным компонентом, а маскируемую -
вторичным. Сначала определяем интенсивность, при которой вторичный компонент
только едва слышим в присутствии первичного; это - порог маскировки.
Затем определяем интенсивность, при которой вторичный компонент начинает
прослушиваться, когда он звучит один. Она и определит величину абсолютного
порога.
Отношение этих двух
интенсивностей, выраженное в децибелах и представляемое как сдвиг порога, будет
принято как мера маскировки.
Маскировка чистых
тонов чистыми тонами.
Вегель и Лэйн (1924) изучали процесс маскировки одного чистого тона другим. В
основном они работали с одним испытуемым, но исследовали широкий диапазон
частот я интенсивностей. Результаты их работы показаны на фиг. 14 и 15. На фиг.
14 видно, что происходит, когда первичный тон, 1200 гц, 80 дб над
порогом, маскирует вторичный тон другой частоты и интенсивности. Когда
вторичный тон выше своего порога маскировки, то ощущение не может быть описано
как два тона, оно осложняется присутствием биений, субъективных гармоник и
комбинационных тонов. Более подробные результаты проиллюстрированы на фиг. 15,
где показано, насколько сдвигается порог вторичного тона при включении
первичного тона.
Фиг. 14. Различия в
чувствительности, вызванные двухкомпонентным тоном.
Первичный
компонент представляет собой синусоиду 1200 гц, 80 дб над порогом; вторичный
компонент представляет синусоиду изменяющейся частоты, а уровень чувствительности
откладывается по оси ординат. Когда вторичный компонент опускается ниже жирной
кривой, он маскируется. Когда, однако, вторичный компонент находится выше
своего порога маскировки, то слуховая чувствительность может быть очень
сложной, как это видно из надписей в различных частях графика (из Флетчера,
1929; по данным Вегеля и Лэйна, 1924).
Относящиеся к
маскировке основные положения, представленные на фиг. 14 и 15, следующие:
1. Маскировка, относящаяся к тонам средних частот, имеет тенденцию больше
увеличиваться для тонов соседних частот, чем для тонов, которые значительно
удалены на шкале частот.
2. Низкочастотные тоны эффективно маскируют высокочастотные, в то время как
последние менее эффективны для маскировки низкочастотных тонов.
3. Скорость возрастания эффекта маскировки по мере повышения интенсивности
маскирующего тона зависит от частот тонов. Когда в одно ухо направлен
маскируемый тон, а в другое - маскирующий, то эффект маскировки при этом очень
незначителен (Вегель и Лэйн, 1924). Данное обстоятельство объясняется в
основном рассеянием маскирующих колебаний вокруг головы слушающего (Бекеши,
1948).
Маскировка чистых
тонов белым шумом. Как мы уже видели (см. фиг. 2, E), белый шум включает
компоненты всех звуковых частот, звучащий одновременно. Когда чистый тон звучит
на фоне белого шума, он сразу же маскируется маскирующими тонами (Вегель и
Лэйн). Следует ожидать, конечно, что последовавшая маскировка является функцией
частоты маскирующего звука в значительно меньшей степени, чем маскировка,
произведенная одним чистым тоном.
Фиг. 15. Маскировка
вторичных компонентов первичными.
Частота
первичного компонента Fp указана для каждого графика, а частота вторичного
компонента указана на каждой кривой. Увеличение эффекта маскировки по мере
повышения интенсивности Fp выражается почти линейно только тогда, когда оба
компонента приблизительно равны по частоте (из Флетчера, 1929; по данным Вигеля
и Лэйна, 1924).
Данное положение
подтверждается результатами экспериментов Хокинса и Стивенса (1950),
представленными на фиг. 16. Самый нижний контур представляет собой кривую
абсолютного порога, а монауральные пороги чистых тонов, слышимые на фоне белого
шума, показаны другими контурами. Параметром в данном случае является
интенсивность шума, выраженная в единицах - уровень шума за один период.
Уровень шума за один период, или спектральный уровень, как он часто называется,
представляет собой количество звуковой энергии в небольшой части шумового
спектра, который лежит между двумя частотами, отстоящими друг от друга на 1
период. Поскольку диапазон шума был однородным в пределах частоты,
опре-деляемой наушниками, общая энергия шума равняется уровню на 1 гц,
умноженному на общую ширину полосы.
Фиг. 16. Порог
маскировки для чистых тонов на фоне белого шума.
По оси ординат -
звуковое давление, которого должна достичь синусоида, чтобы быть слышимой на
фоне беспорядочных шумовых флуктуации. Уровень шума указан в качестве
параметра.
Фиг. 17. Зависимость
между маскировкой, создаваемой белым шумом, и эффективным уровнем шума.
Эффективный
уровень представляет собой количество шумовой энергии в узкой полосе частот -
критической полосе (см. текст), группирующейся около частоты маскируемой
СИНУСОИДЫ. Он выражается в децибелах по отношению к абсолютному порогу (в
единицах энергии) при указанной частоте. Когда интенсивность дается в
эффективных уровнях, тогда функция, показанная на графике, не зависит в
основном от частоты маскируемой синусоиды (по Хокинсу и Стивенсу, 1950).
Так как маскировка
представляет собой сдвиг порога, вызванный маскирующим звуком, то из фиг. 16
можно понять, в какой мере белый шум заданной интенсивности маскирует чистый
тон заданной частоты, если учесть смещение контуров порога маскировки и
абсолютного порога. На фиг. 16 видно, что смещение начинается в левой стороне
графика, увеличиваясь к центру. Однако, независимо от того, какова частота
маскируемого звука, с увеличением интенсивности звука степень маскировки
возрастает почти с постоянной скоростью. Зависимость, между маскировкой и интенсивностью
шума показана на фиг. 17.
Понятие
критической полосы
Очень похожими на
эксперименты Хокинса и Стивенса оказались ранние исследования, проведенные
Флетчером и Мансоном (1937). Вместо белого шума они использовали беспорядочный
шум с неодинаковым спектром. Спектр подбирался таким образом, чтобы на каждой
частоте он создавал примерно одинаковую степень маскиробки. Этот подбор
определялся, конечно, эмпирически.
Фиг. 18. Четыре
функции зависимости между Df и f
Функция
критической полосы (кружки и жирная кривая показывает ширину полосы шума,
которая способствует маскировке синусоиды в центре полосы. На кривой частота -
различение (квадратики и жирная кривая) Df = 20 *jnd (ср. фиг. 9, уровень
чувствительности примерно 70 дб) [jnd - just noticeable difference - едва
заметное различие]. Кривая, основанная на высотной шкале звука, дает ширину в
частоте интервалов, которая представляет 50 мелов по высоте. Кривая, основанная
на данных разборчивости, показывает ширину частотных полос, способствующих (2%
от общего числа) разборчивости речи (ср. гл. XXVI). Сходство кривых позволяет
предположить, что они имеют общую основу в механизме слуха, (по Флетчеру, 1940;
Шауэруи Бидальфу, 1931; Стивенсу и Фолькману, 1940; Френчу и Штейнбергу, 1947).
Установив таким
образом форму спектра, создающего одинаковую маскировку, Флетчер (1940) при
помощи важных допущений смог вывести зависимость, по которой определяется
ширина критической полосы, упомянутой в описании фиг. 17. Допущения, сделанные
Флетчером, следующие: 1) можно пренебречь маскировкой, производимой всеми
компонентами шума, за исключением тех, частоты которых лежат в пределах узкой
полосы около частоты маскируемого тона, и 2) когда тон начинает быть слышимым
на фоне шума, то акустическая энергия тона равняется акустической энергии
шумовых компонентов в пределах узкой полосы. Мы не можем входить в детали
обоснований Флетчера, но из сказанного можно получить представление относительно
основного характера функции критической полосы путем сравнения ее (фиг. 18) с
тремя другими основными психофизическими функциями, которые связывают частотную
ширину полосы с центральной частотой. На фиг. 18 функция критической полосы
отмечена кружками и аппроксимирована кривой, изображенной жирной линией. Три
другие функции основаны: 1) на данных Шауэра и Бидальфа по различению частоты
(квадратики и жирная кривая), 2) на данных высотной шкалы Стивенса и Фолькмана
(пунктирная линия) и 3) на данных кривой, Френча и Штейнберга, показывающей
значение различных частот для разборчивости речи, (линии из точек, см. гл.
XXVI).
Фиг. 19. Жирной
линией показана ширина (между точками на уровне 0,5 амплитуды) кривых
чувствительности или резонанса в различных точках основной мембраны, по
наблюдениям Бекеши.
Разница между
этой кривой и кривыми на фиг. 18 свидетельствует против толкования
психофизических данных (фиг. 18) как данных, отражающих непосредственно
механическую частотно-разрешающую способность улитки. Функции для биений и
вибраций, однако, в основном параллельны жирной кривой (по Меиеру, 1894; Бекеш
и, 1943, Миллеру и Xеисе, 1949).
Тот факт, что четыре
кривые на фиг. 18 расположены параллельно (или следуют одному курсу),
заставляет думать, что они исходят из одного источника - частотно-разрешающей
характеристики слуховой системы. Они, несомненно, относятся к функциям,
определяющим резкость настройки механизма улитки, но, вероятно, не так
буквально, как предполагает Флетчер (1940). Жирная кривая на фиг. 19
воспроизводит для сравнения то, что можно назвать функцией критической полосы
для основной мембраны. Данная функция получена путем измерения частотных
интервалов (Df) между точками на уровне 0,5 амплитуды кривых "частотной
чувствительности" (см. фиг. 31, гл. XXVII), которые представляют колебание
перегородки улитки по данным Бекеши, полученным при помощи микроскопа.
Маскировка и разностная
чувствительность. Если мы сравним действия, производимые при измерении порога
маскировки, с действиями при измерении разностного порога интенсивности, мы
обнаружим, что в этих двух экспериментах мы делаем одно и то же. Принципиальная
разница заключается в выборе сигналов и в нашем толковании результатов
измерений. Например, при определении прироста интенсивности по Ризу, мы видим,
что он действительно измерял маскировку одного тона другим, отстоящим от него
на 3 гц по шкале частот. Фактические его данные использовались при оформлении
той части графика на фиг. 14, которая показывает, сколько тонов, близких по
частоте к 1200 гц, маскируется тоном с частотой 1200 гц.
Фиг. 20. Разностный
порог интенсивности для белого шума.
Светлые кружки -
для шума, показанного на фиг. 2, А; черные кружки - для шума, содержащего
прямоугольные волны неодинаковой длины. Шум в виде хаотических прямоугольных импульсов
звучит подобно белому шуму и имеет в основном те же самые едва заметные
различия (по Миллеру, 1947).
Г. А. Миллер недавно
указывал, что это подобие методов распространяется также на маскировку белого
шума белым шумом и на разностный порог интенсивности шума. Результаты,
полученные Миллером, приведены на фиг. 20. На графике видно, каков должен быть
прирост интенсивности белого шума, слышимого бинаурально, до того, как
слушающий заметит разницу. С точки зрения различения интенсивности эти данные показывают,
что для улавливания разницы прирост должен составлять около 0,4 дб, когда он
добавляется к достаточно интенсивному белому шуму. Что касается маскировки, то
данные Миллера указывают на то, что один достаточно интенсивный белый шум
полностью маскируется другим белым шумом с интенсивностью, на 12 дб большей.
Слуховая
усталость
Явление маскировки
имеет отношение, как мы видели, к увеличению порога распознавания одного звука
при действии другого звука, звучащего одновременно. Порог звука может увеличиваться
также в результате действия предшествующего стимула.
Притупление
чувствительности, наступающее после действия стимула, носит название слуховой
усталости, или адаптации, временной или постоянной потери слуха в зависимости
от его устойчивости. В данном случае мы рассмотрим слуховую усталость
сравнительно краткой продолжительности. Предыдущие работы по данному вопросу
были подытожены Банистером (1934), Стивенсом и Дэвисом (1938).
Измерения
кратковременной слуховой усталости, вызванной тональным стимулом, производились
рядом исследователей (де Mapс, 1939; Гарднер, 1947; Кауссе и Чавассе, 1947;
Лючер и Звислоцкий, 1947). В этих экспериментах использовались различные приемы
одной и той же основной методики, которая сводилась к следующему. Испытуемому
предлагалось слушать вызывающий усталость тон определенной продолжительности.
После выключения этого тона следовала тишина, а затем предъявлялся короткий
всплеск тона для испытания мгновенной чувствительности слуховой системы. Данная
процедура повторялась с тонами, вызывающими усталость, и с контрольными тонами
на различных частотах и с разной интенсивностью.
Фиг. 21. Мгновенный
порог при различных интервалах после всплеска (0,4 сек) контрольного тона,
вызывающего усталость.
Параметр -
интенсивность этого тона в дб по отношению к 0,0002 дин/кв.см (по Лючеру и
Звислоцкому, 1947).
Кривые на фиг. 21-23
воспроизводят полученные данные, демонстрирующие степень сдвига порога для тестового
тона под действием предварительного стимула. Мы видим, что если тон, вызывающий
усталость, и тестовый тон подаются на одно и то же ухо (фиг. 21), то
последующие явления усталости даже от умеренного стимула сохраняются выше 0,1
сек. При подаче в одно ухо тона, вызывающего усталость, а в другое контрольного
тона понижение чувствительности либо незначительно, либо отсутствует.
Фиг. 22. Частотная
характеристика мгновенного порога, снятая через 20 мсек после звучания.
0,4-секундного тона.
Параметр -
интенсивность этого тона в дб по отношению к 0,0002 дин/кв.см (по Лючеру и
Звислоцкому, 1947.
На фиг. 21-23 показаны
результаты испытаний, проведенных с лицами, имеющими нормальный слух.
Испытуемые, страдавшие так называемой нервной глухотой, давали кривые
совершенно другой характерной формы. У испытуемых с кондуктивной глухотой
кривые по форме были одинаковы с кривыми для лиц с нормальным слухом, за
исключением того, что пороги у первых были сдвинуты вверх на число децибелов,
равное кондуктивной потере слуха.
Фиг. 23. Слуховая
усталость при одной частоте S, вызванная стимулом другой частоты Р.
График А
представляет собой аудиограмму, из которой видно, что в данном случае уши
испытуемого более чувствительны, чем обычно. Графики В, С и D показывают
"подтемы" порога для вторичного всплеска тона S (вторичного во
времени), которые производятся первичными (предварительными) всплесками тона Р.
На графиках также показаны частоты двух звуков и продолжительность интерзала
между ними (по Гарднеру, 1947).
Ретроактивная
маскировка. Поскольку один тон может поднимать порог другого звука, действующего
в то же самое время или через некоторый промежуток, то естественно спросить,
что произойдет, если маскируемый тон предшествовал бы маскирующему тону. Данные
по этому вопросу были получены Миллером (1947) в результате экспериментов,
которые он производил с пульсирующими тонами. Как маскируемый, так и
маскирующий тоны включались и выключались периодически, как показано на фиг.
24.
Фиг. 24. Стимулы,
используемые для изучения временного распространения маскировки, представлены в
виде повторяющихся колебаний тона.
Эти маскируемые
колебания могут появляться несколько раньше (как здесь показано) или несколько
позже, Максимальная амплитуда маскируемого колебания вместе с заданным временем
(или фазой) подбирается до тех пор, пока испытуемый может обнаружить ее
присутствие. С целью сравнения порог маскируемой волны определяется также при
отсутствии звуков (по Миллеру, 1947).
Имея постоянную
величину максимальной амплитуды маскирующей волны, Миллер определил для каждого
ряда временных интервалов (на графике время дается по отношению к фазовой
разности) величину, на которую маскирующая волна сдвигает порог маскируемой
волны.
Фиг. 25. Маскировка
как функция разделения (во времени) маскируемых и маскирующих волн, nokaзaннoro
на фиг. 24.
Для маскируемых
частот, больших, чем маскирующая частота (1000 гц), маскировка будет наибольшей
тогда, когда маскируемая волна появится несколько раньше маскирующей (по
Миллеру, 1947).
Типичные результаты
приведены на фиг. 25. Так как маскируемые частоты выше, чем маскирующая
частота, то мы видим, что маскировка была наивысшей, когда маскируемый тон
предшествовал маскирующему тону примерно на p/4 радиана, то есть примерно на 2
мсек. Данный результат подтверждается рассмотрением того обстоятельства, что
благоприятные синаптические условия позволяют интенсивным нервным импульсам
проходить через слуховые каналы с большей скоростью, чем слабым. Очевидно,
энергия интенсивного маскирующего колебания улавливается энергией слабого
маскируемого.колебания к тому времени, когда последняя достигает слухового
центра коры головного мозга.
Сенситизация. Следуя
той же методике, которая применялась при экспериментах по определению слуховой
усталости, за исключением использования резких щелкающих звуков вместо коротких
тонов, Бутендейк и Мейстерс (1942) получили результаты, указывающие на наличие
так называемой негативной (отрицательной) маскировки (ср. Бронштейн, 1936).
Щелкающий звук
умеренной интенсивности вызывает другой звук, появляющийся либо несколько
раньше, либо несколько позже, причем звук, более громкий, чем в том случае,
если бы он был один. Если "способствующий эффект" зависел бы скорее
от процессов центральных, чем от тех, которые связаны с улиткой, мы могли бы
ожидать большего усиления в том случае, когда щелчки подаются на два уха, чем в
том случае, когда они подаются на одно ухо. Последнее объясняется влиянием
небольшой "пересекающейся маскировки", и в этом случае бинаурально
разделенные щелчки не имеют тенденции к маскировке друг друга. Бутендейк и
Мейстерс действительно обнаружили, что способствующий эффект особенно заметен,
когда один щелкающий звук направлен в одно ухо, а другой - в другое.
Слуховой
последовательный образ
Многих исследователей
всегда интересовала проблема слухового последовательного образа, аналогичная
той же проблеме в области зрения. Наиболее сравнимым явлением при этом является
звон в ушах, то есть неприятное ощущение, которым часто сопровождается
воздействие оглушающих звуков; однако длительный звон, не прекращающийся целые
часы, является патологическим по природе и в области слуха может быть сравнен
скорее с точками перед глазами, чем с истинным последовательным образом.
Фиг. 26.
Характеристика слухового последействия.
А - зависимость последующего
эффекта от продолжительности и интенсивности предварительного слухового
стимула; В - чтобы создать, постоянную длительность последействия . эффекта (2
сек), интенсивность и продолжительность предварительного стимула (140 гц)
должны быть взаимосвязаны так, как показано на кривой (по Розенблиту и др.,
1947).
Последовательный образ
как последующий эффект акустического стимула, наблюдаемый Розенблитом и др.
(1947), представляет собой большой интерес, хотя, вероятно, не с технической
точки зрения. После восприятия на слух в течение нескольких секунд ряда
коротких импульсов (ср. фиг. 2,С) слушающий обнаруживает, что знакомые ему шумы
становятся иными. Они. начинают звучать слитно или приглушенно, как если бы они
были промодулированы необыкновенным образом. Это явление наблюдается после
прекращения действия импульса, и действие его сохраняется в течение нескольких
секунд (фиг. 26, А) в зависимости от интенсивности и длительности импульсов.
При наличии акустического стимула данное явление не обнаруживается, но
оказывает свое действие почти на все известные звуки. Свойства, которые должен
иметь звук, содержащий этот "последующий эффект", еще не ясны, но
установлено, что звук должен иметь сравнительно сильные высокочастотные
компоненты и что общее звуковое давление должно подвергаться внезапным
изменениям около 100 раз в секунду.
БИЕНИЯ,
СЛУХОВЫЕ ГАРМОНИКИ И КОМБИНАЦИОННЫЕ ТОНЫ
Если мы производим
слуховое раздражение уха двумя синусоидами одинаковой интенсивности и
постепенно увеличиваем расстояние между ними по шкале частот, то обнаруживаем,
что звук проходит четыре стадии (Уивер, 1929). Сначала слышится одинарный
"субъективный" звук, громкость которого возрастает и убывает. Когда
разница между частотами достигает 6-7 гц, мы перестаем различать эти усиления и
ослабления: звук приобретает перемещающийся пульсирующий характер, подобно
вибрациям скрипки. При разнице 25 гц мы не различаем больше отдельных вибраций
и звук приобретает оттенок шотландского картавого звука "эр". Эта
третья стадия длится до тех пор, пока две синусоиды разделены частотным
интервалом Df, показанным на фиг. 19 кривой, обозначенной "биения",
которая нанесена согласно данным Мейера (1894). В четвертой, и последней,
стадии испытуемый слышит два ровных тона, и если синусоиды интенсивны, то он
слышит смесь различных гармоник и комбинационных тонов.
Согласно широко
принятой теории Гельмгольца, мы слышим биение только потому, что механизм
улитки обеспечивает несовершенный частотный анализ. Основным условием для
возникновения биения является то, что два частотных компонента стимулов
воздействуют на перекрывающие Друг друга участки основной мембраны. В области
перекрывания два колебания накладываются одно на другое и форма вибрации будет,
идентична показанной на фиг. 3. С другой стороны, за пределами области
перекрывания колебания в основном являются характерными для одинарного
частотного компонента.
Вопросы биения и
разностные тоны всегда рассматривались как явления, тесно связанные друг с
другом, поскольку они характеризуются той жe самой частотой периодичности (ср.
Боринг, 1942). Тем не менее процессы, лежащие в их основе, совершенно различны.
Биения происходят
всякий раз при перекрытии двух тонов. Комбинационные тона (из которых
разностные тона образуют подгруппу) наблюдаются только тогда, когда два тона
перекрывают друг друга в нелинейной Системе. Таким образом, при рассмотрении
разностных тонов мы подходим к общему вопросу нелинейных эффектов слуха (см.
гл. XXVI).
Характерно, что на
выходе нелинейной цепи имеются частотные компоненты, не присутствующие на
входе. Это показано на фиг. 27, где видно, что вход представляет собой тон
одной частоты: на выходе имеются частоты, которые являются целыми множителями
частоты на входе. Последние называются гармониками или обертонами. Когда вход
состоит из двух бьющихся тонов, то выход включает не только две входные
частоты; но и их гармоники и компоненты, частоты которых представляют собой
суммы и разности входных частот и их целых множителей.
Фиг. 27. Нелинейное искажение в
звукопередающем аппарате уха.
Путем проецирования точек входной волны на кривую характеристики; а затем на
соответствующее месторасположение (во времени) в графике выхода мы
устанавливаем, что синусоидальный сигнал на входе трансформирован в сложный
сигнал на выходе. Последний можно разложить на устойчивый компонент (пунктирная
линия 0) и гармоники входной частоты (пунктирные линии 1, 2, 3).
Периферийный слуховой
механизм является нелинейным тогда, когда он возбуждается колебаниями большой
амплитуды. Как оказалось, нелинейность по своему типу является такой же, какая
показана на фиг. 27. Поэтому следует ожидать, что, когда интенсивность
акустического стимула станет достаточной, чтобы "возбудить" систему в
криволинейном участке, резонансный механизм разложит сложный сигнал на
составляющие, и это даст возможность слышать высоты звуков, соответствующие
перемноженным комбинационным частотам стимулов.
СУБЪЕКТИВНЫЕ
ХАРАКТЕРНЫЕ СВОЙСТВА
СЛОЖНЫХ ЗВУКОВ
Акустически сложный
звук, то есть такой, какой имеет более одного частотного компонента, может
вызывать или не вызывать сложного ощущения. Сложность звука также может
оказывать большое влияние на субъективные свойства: громкость, высоту и объем
звука, а также может давать начало образованию новых характерных свойств.
Громкость сложных,
звуков. Эксперименты, проводимые в области акустически сложных тонов (Флетчер и
Мансон, 1933; Флетчер, 1935; Xауес, 1949), показали, что если на шкале частот
компоненты удалены друг от друга на значительное расстояние, то общая громкость
равняется сумме громкостей отдельных компонентов, представленных раздельно.
Если же частотные компоненты сложных тонов находятся друг от друга на небольшом
расстоянии, то общая громкость будет несколько меньше суммы отдельных
громкостей.
Неудача метода
простого сложения объясняется тем обстоятельством, что деятельность улитки или
нервная деятельность вызывается перекрытием нескольких компонентов.
Интенсивность, по отношению к 0,0002 дин/кв.см,db
Фиг. 28. Увеличение
громкости в зависимости от повышения интенсивности.
Наиболее быстро
громкость возрастает у равномерного маскирующего шума, распределяющего
возбуждение так широко, как возможно. Чистые тоны показывают наименьшую
скорость возрастания громкости, поскольку они создают максимальную концентрацию
возбуждения. Шум с равномерным спектром (белый шум) является перемежающимся (по
Флетчеру и Мансону, 1937; Поллаку, 1948).
Следуя данному
заключению применительно к крайнему случаю, с увеличением интенсивности следует
ожидать того, что увеличение громкости будет происходить для однокомпонентного
тона медленно, поскольку вся активность будет сконцентрирована в участке основной
мембраны и одного канала слуховой системы. Как показано на фиг. 28, шумы
возрастают по громкости более быстро, чем чистые тоны.
Высота сложных звуков.
Мы уже видели, что между высотой и частотой звука нет прямого отношения,
выражающегося как 1:1, поскольку сила звука зависит от интенсивности. Однако
изменение силы звука в зависимости от интенсивности менее заметно для сложных,
чем для чистых тонов (Флетчер, 1935). Поэтому главной проблемой, которую
следует рассмотреть, является следующий вопрос: к какому аспекту спектра звука
ближе всего (хотя и не единственно) относится высота звука? Можно ли считать,
что это основная частота?
Флетчер (1935)
указывал на то, что почти каждый человек слышит комплексный тон, состоящий из
компонентов с частотой 700, 800, 900 и 1000 гц, как имеющий примерно высоту
чистого тона 100 гц. Хотя этот комплексный тон не содержит энергии на частоте
100 гц, он имеет, по определению, основную частоту 100 гц; причем наивысшая
частота повторения колебаний составляет 100 гц. Однако поскольку общая
разностная частота составляет также 100 гц, то установленное положение,
заключающееся в том, что высота тона составляет примерно 100 гц, не может
способствовать решению в пользу одного из двух возможных детерминант высоты
звука (основная частота, с одной стороны, и общая разностная частота - с
другой). Шаутен (1940) решал данный вопрос путем опроса испытуемых относительно
высоты тона, состоящего из компонентов в 300, 500,700, 900, ... гц. Этот тон
имеет основную частоту 100 гц и общую, разностную частоту 200 гц. Испытуемые
утверждали, что высота тона равняется приблизительно высоте чистого тона с
частотой 100 гц, решая, таким образом, вопрос в пользу предыдущей альтернативы,
заключающейся в том, что основная частота (или, по определению Шаутена,
периодичность волны) является очень важной независимо от наличия энергии в
основном тоне (сложного звука). Если мы примем данное заключение относительно
того, что высота тона зависит от основной частоты независимо от наличия энергии
в основном тоне, мы оказываемся на грани отрицания "теории места",
определяющей восприятие высоты звука. Мы можем принять обе теории только при
подтверждении того, что, хотя при акустическом стимуле не имеется энергии на
основной частоте, энергия перемещается в основной тон сложного звука путем
нелинейного процесса, вклинивающегося между колебанием барабанной перепонки и
возбуждением нейронов слухового нерва. Тем не менее Шаутен не считает, что
"теорию места" спасти столь легко. Он указывает, что высота звука
определяется "исчезающим основным тоном" даже и при таких низких
уровнях интенсивности, при которых нелинейное искажение либо незначительно,
либо совсем не наблюдается. Определение основной частоты для центральной
нервной системы на основе нервных коррелятов наивысших гармоник может
оказаться, конечно, возможным. Шаутен, однако, полагает, что ключом для
определения высоты звука является нервная система в смысле фактической
периодичности. На фиг. 29 показано, каким образом можно сохранить периодичность
волны, несмотря на аналитическое действие механизма улитки. Фиг. 29 сходна с
фиг. 4, за исключением того, что ряд колебаний на входе заменяется одиночным
импульсом и что в данном случае каждый низкочастотный резонатор реагирует
только в пределах узкой полосы импульсного спектра, в то время как каждый
высокочастотный резонатор реагирует в пределах ширины, достаточной для
включения нескольких гармоник. Поэтому периодичность волны сохраняется в
ответной реакции высокочастотных резонаторов. Шаутен сообщает, что сложная
волна, состоящая полностью из частотных компонентов свкше 3000 гц,
воспринимается на слух так же, как волна, имеющая высоту звука 200 гц, если ее
компоненты размещены по шкале частот как результаты перемножения частоты 200
гц.
Фиг. 29. Сохранение
периодичности, соответствующей основной частоте сложного входного сигнала в 200
гц.
Импульсы
приложены к каждой из частотно-избирательных (резонансных) цепей, для которых
показаны кривые селективности. Эти резонансные цепи отличаются от показанных на
фиг. 4 тем, что они имеют скорее равные значения для Q, чем равные постоянные
затухания. (Селективность слуховой системы является промежуточной между этими
двумя.) Через низкочастотные резонаторы проходит только один компонент входной
волны, а через более высокие резонаторы - несколько. Эти несколько компонентов
сбиваются вместе и создают периодический, сложный сигнал на выходе. Если
волокна слухового нерва реагируют на этот выход, то они могут сохранить
периодичность первоначального ряда колебаний. Устранение низкочастотных
компонентов из ряда колебаний не окажет никакого влияния на данную
периодичность (по Шаутену, 1940).
Однако теория Шаутена
применима только в определенных границах. Если период между повторениями
сложной волны слишком большой, например 1 сек, то мы не должны ожидать того,
чтобы высота звука могла определяться простым методом посредством
периодичности. Экдал и Боринг (1934) показали, что высота тональной массы
(например, 236, 244, 452, 260, 268, 276, 284 и 292 гц), как можно ожидать на
основании "резонансно-местной теории", равняется высоте звука чистого
тона, лежащего близ массы средней частоты. Тот же результат наблюдается для
полос беспорядочного шума, основная частота которого равна 0, то есть когда
звуковая волна не возвращается.
Возникает вопрос, с
какой степенью точности следует интерпретировать термин Шаутена
"периодичность".
Если частоты отдельных
компонентов несоизмеримы, то сигнал с научной точки зрения не является периодическим,
но тем не менее его огибающей может быть свойственно повторение. Данные
экспериментов, приведенные Мэйтсом и Миллером (1947), позволяют заключить, что
периодическое повторение огибающей является достаточным для сообщения звуку
высоты или по меньшей мере субъективного свойства, очень похожего на высоту
тона, и что строгая периодичность одного колебания ни в коем случае не является
основной.
Миллером и Тэйлором
(1948) описан случай, из которого явствует, что полностью апериодический звук
имел определенную высоту тона. Они включали и выключали белый шум при различных
скоростях. При небольшой скорости прерывания шум, конечно, приобретал характер
последовательных всплесков. Но когда скорость была увеличена, то есть
количества прерывав доведено до 40 в 1 сек, шум приобрел довольно определенную
высоту, несмотря на то, что интенсивность компонента в 40 гц была ни сильнее,
ни слабее интенсивности какого-либо другого компонента. Испытуемые с большой
степенью точности сравнивали высоту звука прерванного шума с высотой чистого
тона до тех пор, пока скорость прерывания не превышала 200 раз в 1 сек. Таким
образом, имеетсй случай, из которого ясно, что высота звука зависит только от
изменения среднеквадратической величины давления звуковой волны.
В силу очевидности
вышесказанного мы можем искать две различные основы воспринимаемости высоты. А
именно: высота чистого тона - высокочастотного тона при любой скорости -
связана с определенным участком высших нервных центров, где возникает
возбуждение; а высота звука сложного тона с основной частотой в пределах
приблизително 25 и 300 гц может в основном зависеть от скорости, с которой
происходят изменения этого возбуждения. (Участок частоты между 25 и 300 гц
является участком слабого механического частотного анализа; см. гл. XXVII, фиг.
44.)
Объем сложных звуков.
Работая над определением контуров равной громкости для различной ширины полосы
белого шума, Томас (1949) просил испытуемых дать определение равнообъемности
этих сигналов. По полученным контурам равнообъемности можно заключить, что с
увеличением ширины полосы шума с равномерным сплошным спектром при сохранении
общей энергии шума постоянный объем шума возрастает быстрее, чем громкость.
Данное положение особенно справедливо для высоких уровней интенсивности. На основе
результатов Томаса можно предположить, что по сравнению с громкостью объем
звука в большей степени зависит от распространения нервного возбуждения и в
меньшей - от интенсивности этого возбуждения.
Тембр сложных звуков.
Тембр сложных звуков обычно определяется как субъективное качество, зависящее
от сложности или структуры обертонов физического звука. Однако мы видели, что
как на громкость, так и на высоту сложного тона до некоторой степени оказывает
свое влияние структура обертонов. Поэтому мы должны вернуться, к определению,
хотя и недостаточно точному, согласно которому тембр связан с распределением
высоты звука и громкости в общем ощущении. До тех пор, пока в этой области не
будет проведена тщательная исследовательская работа, сказать что-либо по данному
вопросу, кроме того, что тембр представляет собой "многоразмерную"
характеристику, едва ли возможно.
Неприметное
раздражающее свойство сложных звуков. Шумы всегда раздражают. От каких факторов
зависит это раздражение? Ежедневные наблюдения показывают, что это свойство
вызывать неприятное чувство связано со значением (или смыслом) раздражающего
звука (стук или шипенье автомобильного мотора, звуковой сигнал автомобиля,
подъехавшего сзади), с состоянием слушающего (пение малиновки на лужайке ранним
утром), с повторяемостью (тиканье часов, шаги на верхнем этаже), с
интенсивностью звука (метро, железная дорога на эстакаде), с частотой (скрип
мела по школьной доске или ножа по стеклу). Несмотря на очевидную практическую
важность точного представления перечисленных моментов, лабораторным
исследованиям подверглись только два последних фактора. Лэйрд и Кой (1929)
изучали вопрос о величине раздражающей силы тонов по отношению к высоте и
громкости. Риз и Крейтер (1944), а также Крейтер (1948b) определяли контуры равной
раздражаемости и равной громкости для узких полос частот случайного шума.
Данные двух экспериментов совпадают при оценке того момента, что раздражающая
сила увеличивается по мере увеличения громкости и что высокочастотные звуки
являются более раздражающими при данной громкости, чем низкочастотные звуки.