мая 07

Психофизиологические особенности слуха и требования к объективным шумомерам

В. С. Кузнецов

Важнейшей характеристикой акустических шумов, в основном определяющей их физиологическое действие, является уровень звукового давления, развиваемого шумом. Для измерения уровня звукового давления или интенсивности шума применяются специальные приборы – шумомеры.

Шумомер представляет собой ламповый вольтметр с изменяемой частотной характеристикой и ступенчато регулируемой чувствительностью. Шумомеры работают в широком динамическом диапазоне, примерно от 20 до 130–140 дбнад порогом слуха (2·10-5
ньютон/м2). Нижние уровни, используемыедля измерения очень тихих звуков в заглушенных помещениях, ограничиваются собственными шумами микрофона и усилителя. В связи с возрастанием общего уровня шумов современных машин, и механизмов верхние значения измеряемого уровня звукового давления в настоящее время возросли до 160–170 дб. Однако измерение только интенсивности шума дает недостаточно информации для оценки его физиологического действия. Субъективное восприятие силы звука определяется его громкостью. В то время как интенсивность и частота тона могут быть легко измерены приборами, громкость и высота являются параметрами слухового ощущения и определяются самими слушателями.

Уже давно было замечено, что ощущение громкости звука зависит не только от звукового давления, но и от частоты. В качестве единицы громкости (фон) принята величина, численно равная уровню давления (дб) частоты 1000 гц. Иными словами, громкость синусоидального сигнала 1000 гцс уровнем 60 дбравна 60 фонам. Для остальных частот величина громкости выражается как уровень звукового давления равногромкого тона 1000 гц. Вскоре после введения единиц громкости выяснилось, что шкала фонов не является натуральной, то есть громкость в фонах, вдвое большая исходной, не означает двойного прироста ощущения громкости.

Чтобы избежать этого неудобства, была введена шкала натуральной громкости с единицами сонами, обладающими аддитивными свойствами, то есть возможностью арифметического сложения громкости в санах для определения суммарного эффекта от воздействия двух или нескольких звуков. Громкость (в санах) как функция интенсивности и частоты может быть представлена объемной, трехмерной поверхностью.

После введения единиц громкости появились так называемые объективные шумомеры, то есть приборы, которые должны были показывать непосредственное значение уровня громкости шума. Для цели гигиенического нормирования, а также для оценки вредного действия шумов различных характеристик удобно пользоваться несколькими параметрами шума, такими, как уровень звукового давления, спектральное распределение энергии, а не одной характеристикой. Если частотной характеристике измерительного тракта шумомера придать вид одной из кривых равной громкости, то есть частотной характеристики уха, то показания прибора будут соответствовать субъективной громкости. Так как ухо имеет неодинаковую частотную характеристику при различных интенсивностях воздействующего сигнала, то в шумомер были заложены три кривые А, В и С для полосы пропускания.

Шкала А соответствует кривой, равной громкости 40 фон, и имеет значительный завал нижних частот. На шкале В завал несколько меньший, иногда она называется шкалой 70 фон. Шкала С имеет линейную характеристику во всем рабочем диапазоне частот, что эквивалентно кривой чувствительности уха при высоких уровнях громкости.

Однако такой шумомер показывает истинную громкость только синусоидальных звуков, а в остальных случаях дает большие ошибки по сравнению с субъективной оценкой громкости. Шумы со сплошным спектром вызывают несколько иное, ощущение громкости, нежели дискретные тона, а, кроме того, близколежащие частоты маскируют друг друга, что также влияет на величину громкости.

В настоящее время для расчета громкости шумов со сложным спектром используют результаты спектрального анализа с помощью октавных и ]/з октавных фильтров. Дальнейшие расчеты громкости ведутся либо с помощью графического метода, разработанного Цвиккером, либо по таблицам Стивенса, либо кривым равной неприятности Критера. Предложенные ими методы исходят из различных предпосылок о механизмах развития ощущения громкости.

Например, в методе Стивенса считается, что громкость внутри каждой полосы анализатора постоянна и ее можно определить, исходя из звукового давления по кривым равной громкости. Полученные значения переводят в соны и складывают арифметически для нахождения суммарного эффекта. Формула учитывает эффект маскировки и ширину полосы анализатора. Она имеет вид:

где S – показатель громкости в сонах;

Smax – максимальный указатель громкости для всех полос;

Si – громкость в i-й полосе;

S – суммарная громкость в сонах;

F – коэффициент, равный для 1/3 октавных фильтров 0,13, 1/2 октавных – 0,2 и для октавных – 0,3.

Если в схему оценивающего прибора будут заложены принципы расчетов громкости по методу Стивенса, Критера или Цвиккера, то такой шумомер будет объективным. Для этого необходимо, чтобы прибором сначала производился анализ шума в октавной или 1/3
октавной полосе, затем, исходя из уровней в каждой полосе и весовых коэффициентов, найти громкость в сонах, а затем произвести суммацию по формуле (1).

Однако стационарными шумами не исчерпывается все разнообразие реальных звуковых сигналов. Большое распространение получили различные импульсные шумы.

Важнейшими параметрами импульсных звуковых раздражителей являются время действия импульсов, форма изменения величины звукового давления в импульсе, длительность переднего и заднего фронтов. Эти временные характеристики импульсов влияют на такие параметры слухового ощущения, как определение интервала дискретности и уровня громкости.

Известно, что акустическая энергия импульсов аккумулируется слуховым анализатором в процессе возбуждения. Что касается зависимости громкости звуков от длительности, то она выражается формулой, тождественной формуле Хорвега, Нернста-Чаговца для электрического порогового стимула мышц и нервов, то есть:

I τ = a + bτ

где I – интенсивность звука;

τ – его длительность;

а и b – константы.

Это уравнение оказалось справедливым для большого числа слуховых стимулов, и было названо уравнением полной интеграции энергии. По данным Цвиккера, закон полной интеграции выполняется для длительностей от 2 до 500 мсек.

При накоплении энергии ухо ведет себя как нелинейная емкость, имеющая свою постоянную времени. Нарастание громкости происходит согласно формуле:

Р = Р0
(1-е –t/τ)   2 < t < 500,

где Р0 – максимальное значение ощущения громкости;

Р – амплитуда слухового ощущения;

τ – постоянная времени уха.

Исследования по оценке громкости импульсных шумов относились к звуковому удару сверхзвукового самолета. По своей природе это импульс сжатия и последующего разрежения воздуха, имеющий форму латинской буквы N. Величина перепада давления N-образного импульса может варьировать от 2 до 20 кг/м2, что в переводе на избыточное давление составляет от 120 до 140 дб над порогом слуха при длительности около 100 мсек.

Определение громкости производилось по следующей методике. Испытуемому, находившемуся в камере имитатора, предъявлялся N-образный импульс, сформированный специальной системой, а затем на звуковоспринимаемую систему подавался сигнал частотой 200 гц. Испытуемый с помощью аттенюатора должен был так подобрать интенсивность непрерывного тона, чтобы его громкости была бы равна громкости поступившего импульса. Динамика работы испытуемого и результаты измерения фиксировались с помощью микрофона на самописце. Было проведено более 1600 воздействий на 52 испытуемых. Измерения показали, что в диапазоне исследуемых интенсивностей громкости N-образных импульсов давление на 26–28 дб ниже эталонного тона, равного по интенсивности пиковому значению звукового давления в импульсе. Громкость импульса с избыточным давлением в 2,5 кг/м2 (122 дб) составляет 98 фон, в 5 кг/м2 (128 дб) – 102 фона, 7,5 кг/м2 (131 дб) – 105 фон и 9 кг/м2 (133,5 дб) –103,5 фона.

Результаты исследований подтверждают тот факт, что громкость коротких звуковых импульсов не достигает своего максимального значения. В результате использования данных спектрального анализа исследуемых импульсов и теории восприятия звуковых посылок произвольной формы было установлено, что для описанных сигналов постоянная времени слуха составляет 60 мсек.

Исходя из этого, в схему прибора, оценивающего громкость импульсных звуковых сигналов, должны быть включены следующие элементы:

- микрофон и усилитель, имеющие сквозную частотную характеристику от 2 до 10 000 гц и линейную фазовую характеристику для воспроизведенных без искажений импульсов произвольной формы и длительности;

- интегрирующая цепочка с постоянной времени 60 мсек.

Похожие статьи:

  1. Методика оценки заглушающих свойств шумозащитного шлема (Методика оценки заглушающих свойств шумозащитного шлема. – В. С. Кузнецов,...
  2. Продолжительность иллюзии (Изучение взаимодействия анализаторов и разработка мер профилактики вестибулярных расстройств. —...
  3. Комбинированный прибор для автоматического измерения времени распространения пульсовой волны и частоты пульса Л. А. Казарьян, Ю. А. Кукушкин Скорость распространения пульсовой волны...

автор admin



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.