Vnější ucho zahrnuje boltec, zvukovod a bubínek, který pokrývá vnitřní konec zvukovodu. Zvukovod má nepravidelný zakřivený tvar. U dospělého je asi 2,5 cm dlouhý a asi 8 mm v průměru. Povrch zvukovodu je pokryt chloupky a obsahuje žlázy vylučující ušní maz, který je nezbytný pro udržení vlhkosti pokožky. Sluchový meatus také zajišťuje stálou teplotu a vlhkost bubínku.
- Střední ucho
Střední ucho je vzduchem vyplněná dutina za ušním bubínkem. Tato dutina se připojuje k nosohltanu přes Eustachovu trubici, úzký chrupavčitý kanál, který je obvykle uzavřen. Polknutím se otevře Eustachova trubice, která umožňuje vstup vzduchu do dutiny a vyrovnává tlak na obou stranách bubínku pro optimální pohyblivost. Střední ucho obsahuje tři miniaturní sluchové kůstky: kladívko, kovadlinu a třmínek. Jeden konec kladívka je spojen s tympanickou membránou, jeho druhý konec je spojen s kovadlinkou, která je zase spojena se třmenem a třmen s kochleou vnitřního ucha. Bubínek pod vlivem zvuků zachycených uchem neustále kmitá a sluchové kůstky přenášejí své vibrace do vnitřního ucha.
- vnitřní ucho
Vnitřní ucho obsahuje několik struktur, ale pro sluch je relevantní pouze hlemýžď, který dostal svůj název podle svého spirálovitého tvaru. Cochlea je rozdělena do tří kanálů naplněných lymfatickými tekutinami. Kapalina ve středním kanálu se liší složením od kapaliny v ostatních dvou kanálech. Orgán přímo zodpovědný za sluch (Cortiho orgán) se nachází ve středním kanálu. Cortiho orgán obsahuje asi 30 000 vláskových buněk, které zachycují kolísání tekutiny v kanálu způsobené pohybem třmínku a generují elektrické impulsy, které jsou přenášeny sluchovým nervem do sluchové kůry. Každá vlásková buňka reaguje na specifickou zvukovou frekvenci, přičemž vysoké frekvence zachycují buňky ve spodní části hlemýždě a buňky naladěné na nízké frekvence jsou umístěny v horní části kochley. Pokud vláskové buňky z nějakého důvodu odumírají, člověk přestává vnímat zvuky odpovídajících frekvencí.
- sluchové dráhy
Sluchové dráhy jsou sbírkou nervových vláken, která vedou nervové impulsy z hlemýždě do sluchových center mozkové kůry, což má za následek sluchový vjem. Doslechová centra se nacházejí v spánkové laloky mozek. Čas potřebný k tomu, aby se sluchový signál dostal z vnějšího ucha do sluchových center mozku, je asi 10 milisekund.
Jak funguje lidské ucho (kresba s laskavým svolením Siemens)
Vnímání zvuku
Ucho postupně přeměňuje zvuky na mechanické vibrace bubínku a sluchových kůstek, poté na vibrace tekutiny v hlemýždi a nakonec na elektrické impulzy, které jsou přenášeny po drahách centrálního sluchového systému do spánkových laloků mozku. pro rozpoznání a zpracování.
Mozek a mezilehlé uzly sluchových drah extrahují nejen informace o výšce a hlasitosti zvuku, ale také další charakteristiky zvuku, například časový interval mezi okamžiky, kdy je zvuk zachycen zprava a zleva. uši - to je základ pro schopnost člověka určit směr, kterým zvuk přichází. Mozek přitom vyhodnocuje jak informace přijímané z každého ucha zvlášť, tak všechny přijímané informace spojuje do jediného vjemu.
Náš mozek ukládá vzorce pro zvuky kolem nás – známé hlasy, hudbu, nebezpečné zvuky a tak dále. To pomáhá mozku v procesu zpracování informací o zvuku rychle rozlišit známé zvuky od neznámých. Při ztrátě sluchu začíná mozek přijímat zkreslené informace (zvuky se ztišují), což vede k chybám při interpretaci zvuků. Na druhou stranu poškození mozku v důsledku stárnutí, poranění hlavy nebo neurologických onemocnění a poruch mohou být doprovázeny příznaky podobnými ztrátě sluchu, jako je nepozornost, odtržení od okolí, nepřiměřená reakce. Pro správné slyšení a porozumění zvukům je nezbytná koordinovaná práce sluchového analyzátoru a mozku. Bez nadsázky tedy můžeme říci, že člověk neslyší ušima, ale mozkem!
Na vedení zvukových vibrací se podílí boltec, zevní zvukovod, bubínek, sluchové kůstky, prstencový vaz oválného okénka, blána kulatého okénka (sekundární bubínek), labyrintová tekutina (perilymfa), hlavní membrána.
U lidí je role boltce poměrně malá. U zvířat, která mají schopnost pohybovat ušima, pomáhají ušní boltce určit směr zdroje zvuku. U lidí ušní boltec, stejně jako náustek, pouze sbírá zvukové vlny. V tomto ohledu je však jeho role nepodstatná. Proto, když člověk poslouchá tiché zvuky, přiloží ruku k uchu, díky čemuž se povrch ušního boltce výrazně zvětší.
Zvukové vlny, které pronikly zvukovodem, způsobují rozechvění bubínku, který přenáší zvukové vibrace přes kůstek do oválného okénka a dále do perilymfy vnitřního ucha.
Tympanická membrána reaguje nejen na ty zvuky, jejichž počet vibrací se shoduje s vlastním tónem (800-1000 Hz), ale také na jakýkoli zvuk. Taková rezonance se nazývá univerzální, na rozdíl od akutní rezonance, kdy sekundově znějící těleso (například struna klavíru) reaguje pouze na jeden konkrétní tón.
Bubínek a sluchové kůstky nejen přenášejí zvukové vibrace vstupující do zevního zvukovodu, ale transformují je, tj. přeměňují vibrace vzduchu s velkou amplitudou a nízkým tlakem na vibrace labyrintové kapaliny s nízkou amplitudou a vysokým tlakem.
Této transformace je dosaženo za následujících podmínek: 1) povrch tympanické membrány je 15-20krát větší než plocha oválného okna; 2) kladívko a kovadlina tvoří nestejnou páku, takže výchylky provedené nožní deskou třmínku jsou přibližně jedenapůlkrát menší než výchylky rukojeti kladívka.
Celkový efekt transformačního působení bubínku a pákového systému sluchových kůstek se projevuje zvýšením síly zvuku o 25-30 dB.
Porušení tohoto mechanismu v případě poškození bubínku a onemocnění středního ucha vede k odpovídajícímu snížení sluchu, tj. o 25-30 dB.
Pro normální fungování bubínku a řetězu kůstek je nutné, aby tlak vzduchu na obou stranách bubínku, tedy ve zevním zvukovodu a v bubínku, byl stejný.
Toto vyrovnání tlaku je způsobeno ventilační funkcí. sluchová trubice, která spojuje bubínkovou dutinu s nosohltanem. Při každém polykání se vzduch z nosohltanu dostává do bubínkové dutiny a tlak vzduchu v bubínkové dutině je tak neustále udržován na atmosférické úrovni, tedy na stejné úrovni jako ve zevním zvukovodu.
Zvukovodný aparát zahrnuje také svaly středního ucha, které plní následující funkce: 1) udržování normálního tonusu bubínku a řetězu kostních kůstek; 2) ochrana vnitřního ucha před nadměrnou zvukovou stimulací; 3) akomodace, tj. přizpůsobení zvukovodu na zvuky různé síly a výšky.
S kontrakcí svalu natahujícího ušní bubínek se zvyšuje sluchová citlivost, což dává důvod považovat tento sval za „alarmující“. Stapedius sval hraje opačnou roli - při jeho kontrakci omezuje pohyb třmínku a tím jakoby tlumí příliš silné zvuky.
Mnoho z nás někdy zajímá jednoduchá fyziologická otázka týkající se toho, jak slyšíme. Podívejme se, z čeho se náš sluchový orgán skládá a jak funguje.
Nejprve si všimneme, že sluchový analyzátor má čtyři části:
- Vnější ucho. Zahrnuje sluchové ústrojí, boltec a ušní bubínek. Ten slouží k izolaci vnitřního konce sluchového drátu od okolního prostředí. Pokud jde o zvukovod, má zcela zakřivený tvar, dlouhý asi 2,5 centimetru. Na povrchu zvukovodu jsou žlázy a je také pokryt chlupy. Právě tyto žlázy vylučují ušní maz, který ráno vyčistíme. Zvukovod je také nezbytný pro udržení potřebné vlhkosti a teploty uvnitř ucha.
- Střední ucho. Ta součást sluchového analyzátoru, která se nachází za ušním bubínkem a je naplněna vzduchem, se nazývá střední ucho. Je spojen Eustachovou trubicí s nosohltanem. Eustachova trubice je poměrně úzký chrupavčitý kanál, který je normálně uzavřen. Když děláme polykací pohyby, otevře se a do dutiny se přes ni dostane vzduch. Uvnitř středního ucha jsou tři malé sluchové kůstky: kovadlina, kladívko a třmínek. Kladívka se pomocí jednoho konce připojí ke třmenu a je již s odlitkem ve vnitřním uchu. Pod vlivem zvuků je bubínek v neustálém pohybu a sluchové kůstky dále přenášejí své vibrace dovnitř. Je to jeden z nejdůležitějších prvků, který je třeba studovat při zvažování struktury lidského ucha
- Vnitřní ucho. V této části sluchového souboru je několik struktur najednou, ale pouze jedna z nich, kochlea, ovládá sluch. Svůj název získal díky svému spirálovitému tvaru. Má tři kanály, které jsou naplněny lymfatickými tekutinami. Ve středním kanálu se kapalina výrazně liší složením od zbytku. Orgán zodpovědný za sluch se nazývá Cortiho orgán a nachází se ve středním kanálu. Skládá se z několika tisíc vlasů, které zachycují vibrace vytvářené tekutinou pohybující se kanálem. Generuje také elektrické impulsy, které jsou následně přenášeny do mozkové kůry. Konkrétní vlásková buňka reaguje na určitý druh zvuku. Pokud se stane, že vlásková buňka odumře, pak člověk přestane vnímat ten či onen zvuk. Aby bylo možné porozumět tomu, jak člověk slyší, měli bychom také zvážit sluchové dráhy.
sluchové dráhy
Jedná se o soubor vláken, která vedou nervové impulsy ze samotné kochley do sluchových center vaší hlavy. Náš mozek vnímá konkrétní zvuk prostřednictvím cest. Sluchová centra se nacházejí ve spánkových lalocích mozku. Zvuk, který se dostane přes vnější ucho do mozku, trvá asi deset milisekund.
Jak vnímáme zvuk?
Lidské ucho zpracovává zvuky přijímané z okolí na speciální mechanické vibrace, které pak převádějí pohyby tekutiny v hlemýždi na elektrické impulsy. Procházejí po drahách centrálního sluchového systému do spánkových částí mozku, aby je pak bylo možné rozpoznat a zpracovat. Nyní mezilehlé uzly a samotný mozek extrahují některé informace týkající se hlasitosti a výšky zvuku, stejně jako další charakteristiky, jako je čas, kdy je zvuk zachycen, směr zvuku a další. Mozek tak může vnímat přijaté informace z každého ucha postupně nebo společně a přijímat jediný vjem.
Je známo, že uvnitř našeho ucha jsou nějaké „šablony“ již prostudovaných zvuků, které náš mozek rozpoznal. Pomáhají mozku správně třídit a identifikovat primární zdroj informací. Pokud se zvuk sníží, mozek podle toho začne přijímat nesprávné informace, což může vést k nesprávné interpretaci zvuků. Ale nejen zvuky mohou být zkresleny, mozek je časem také vystaven nesprávné interpretaci určitých zvuků. Výsledkem může být nesprávná reakce člověka nebo nesprávná interpretace informací. Abychom správně slyšeli a spolehlivě interpretovali to, co slyšíme, potřebujeme synchronní práci mozku i sluchového analyzátoru. Proto lze poznamenat, že člověk slyší nejen ušima, ale i mozkem.
Struktura lidského ucha je tedy poměrně složitá. Pouze koordinovaná práce všech částí sluchového orgánu a mozku nám umožní správně porozumět a interpretovat to, co slyšíme.
Je to složitý specializovaný orgán, který se skládá ze tří částí: vnějšího, středního a vnitřního ucha.
Vnější ucho je zařízení pro snímání zvuku. Zvukové vibrace jsou zachycovány boltci a přenášeny zevním zvukovodem do bubínku, který odděluje vnější ucho od středního ucha. Pro určení směru zvuku je důležité snímání zvuku a celý proces slyšení dvěma ušima, tzv. biniurální slyšení. Zvukové vibrace přicházející ze strany dosáhnou nejbližšího ucha o několik desetinných zlomků sekundy (0,0006 s) dříve než druhé ucho. Tento extrémně malý rozdíl v době příchodu zvuku do obou uší stačí k určení jeho směru.
Střední ucho je vzduchová dutina, která se připojuje k nosohltanu přes Eustachovu trubici. Vibrace z bubínku přes střední ucho jsou přenášeny 3 navzájem spojenými sluchovými kůstky - kladívkem, kovadlinou a třmínkem, který přes membránu oválného okénka přenáší tyto vibrace tekutiny ve vnitřním uchu - perilymfě . Díky sluchové kůstky amplituda kmitů se snižuje a jejich síla se zvyšuje, což umožňuje uvést do pohybu sloupec tekutiny ve vnitřním uchu. Střední ucho má speciální mechanismus pro přizpůsobení se změnám intenzity zvuku. Při silných zvukech speciální svaly zvyšují napětí ušního bubínku a snižují pohyblivost třmínku. Tím se snižuje amplituda vibrací a vnitřní ucho je chráněno před poškozením.
Vnitřní ucho a v něm umístěná hlemýžď se nachází v pyramidě spánkové kosti. Lidská kochlea má 2,5 závitů. Kochleární kanál je rozdělen dvěma přepážkami (hlavní membrána a vestibulární membrána) na 3 úzké průchody: horní (scala vestibularis), střední (membranózní kanál) a dolní (scala tympani). V horní části hlemýždě je otvor spojující horní a spodní kanál do jednoho, který vede od oválného okénka k horní části hlemýždě a dále ke kulatému okénku. Jejich dutina je vyplněna kapalinou - perilymfou a dutina středního membranózního kanálu je vyplněna kapalinou jiného složení - endolymfou. Ve středním kanálu je aparát přijímající zvuk - Cortiho orgán, ve kterém jsou receptory pro zvukové vibrace - vláskové buňky.
Mechanismus vnímání zvuku. Fyziologický mechanismus vnímání zvuku je založen na dvou procesech probíhajících v hlemýždi: 1) oddělení zvuků různých frekvencí v místě jejich největšího dopadu na hlavní membránu hlemýždě a 2) přeměna mechanických vibrací na nervovou excitaci. receptorovými buňkami. Zvukové vibrace vstupující do vnitřního ucha oválným okénkem jsou přenášeny do perilymfy a vibrace této tekutiny vedou k posunům hlavní membrány. Výška sloupce kmitající kapaliny a podle toho i místo největšího posunutí hlavní membrány závisí na výšce zvuku. Při různých výškách zvuků jsou tedy vzrušeny různé vláskové buňky a různá nervová vlákna. Zvýšení intenzity zvuku vede ke zvýšení počtu excitovaných vláskových buněk a nervových vláken, což umožňuje rozlišit intenzitu zvukových vibrací.
Přeměnu vibrací na proces buzení provádějí speciální receptory - vlasové buňky. Chloupky těchto buněk jsou ponořeny do krycí membrány. Mechanické vibrace působením zvuku vedou k posunutí krycí membrány vzhledem k receptorovým buňkám a ohýbání chlupů. V receptorových buňkách způsobí mechanické přemístění chloupků proces excitace.
vedení zvuku. Rozlišujte vzduchové a kostní vedení. Za normálních podmínek člověku dominuje vedení vzduchu: Zvukové vlny jsou zachycovány vnějším uchem a vibrace vzduchu jsou přenášeny zevním zvukovodem do středního a vnitřního ucha. V případě kostního vedení se zvukové vibrace přenášejí přes kosti lebky přímo do hlemýždě. Tento mechanismus přenosu zvukových vibrací je důležitý, když se člověk potápí pod vodou.
Člověk obvykle vnímá zvuky s frekvencí 15 až 20 000 Hz (v rozsahu 10-11 oktáv). U dětí dosahuje horní hranice 22 000 Hz, s věkem klesá. Nejvyšší citlivost byla zjištěna ve frekvenčním rozsahu od 1000 do 3000 Hz. Tato oblast odpovídá nejčastěji se vyskytujícím frekvencím v lidské řeči a hudbě.
Sluchové ústrojí člověka je složitý a zároveň velmi zajímavý mechanismus. Abychom si jasněji představili, co je pro nás zvuk, musíme porozumět tomu, co a jak slyšíme.
V anatomii se lidské ucho obvykle dělí na tři části: vnější ucho, střední ucho a vnitřní ucho. Součástí vnějšího ucha je boltec, který pomáhá koncentrovat zvukové vibrace, a zevní zvukovod. Zvuková vlna vstupující do boltce prochází dále zvukovodem (jeho délka je asi 3 cm a průměr je asi 0,5) a vstupuje do středního ucha, kde naráží na bubínek, což je tenká průsvitná blána. Ušní bubínek převádí zvukovou vlnu na vibrace (zesiluje účinek slabé zvukové vlny a zeslabuje silnou). Tyto vibrace se přenášejí podél kůstek připojených k bubínku - kladívka, kovadlina a třmínek - do vnitřního ucha, což je stočená trubice s kapalinou o průměru asi 0,2 mm a délce asi 4 cm.Této trubici se říká kochlea. Uvnitř hlemýždě se nachází další membrána zvaná bazilární membrána, která připomíná provázek dlouhý 32 mm, podél kterého jsou umístěny citlivé buňky (více než 20 tisíc vláken). Tloušťka provázku na začátku hlemýždě a na jejím vrcholu je různá. V důsledku této struktury membrána rezonuje s různými částmi v reakci na zvukové vibrace různých výšek. Takže vysokofrekvenční zvuk ovlivňuje nervová zakončení umístěná na začátku hlemýždě a nízkofrekvenční zvukové vibrace ovlivňují zakončení na jejím vrcholu. Mechanismus rozpoznání frekvence zvukových vibrací je poměrně komplikovaný. Obecně spočívá v analýze umístění postižených nervových zakončení a také v analýze frekvence impulsů vstupujících do mozku z nervových zakončení.
Existuje celá věda, která studuje psychologické a fyziologické vlastnosti lidského vnímání zvuku. Tato věda se nazývá psychoakustika. V posledních desetiletích se psychoakustika stala jedním z nejdůležitějších oborů v oblasti zvukové techniky, protože moderní zvukové technologie se vyvinuly především díky znalostem v oblasti psychoakustiky. Podívejme se na nejzákladnější fakta stanovená psychoakustikou.
Mozek dostává hlavní informace o zvukových vibracích v oblasti do 4 kHz. Tato skutečnost se ukazuje jako celkem logická, vzhledem k tomu, že v tomto spektrálním pásmu se nacházejí všechny hlavní životně důležité zvuky pro člověka, a to až do 4 kHz (hlasy jiných lidí a zvířat, zvuk vody, větru atd.). Frekvence nad 4 kHz jsou pro člověka pouze pomocné, což je potvrzeno mnoha experimenty. Obecně se obecně uznává, že nízké frekvence jsou „odpovědné“ za srozumitelnost, jasnost zvukové informace a vysoké frekvence jsou zodpovědné za subjektivní kvalitu zvuku. Lidské sluchadlo je schopné rozlišit frekvenční složky zvuku v rozsahu od 20-30 Hz do přibližně 20 kHz. Uvedená horní hranice může kolísat v závislosti na věku posluchače a dalších faktorech.
Ve zvukovém spektru většiny hudebních nástrojů je pozorována frekvenční složka, která nejvíce vyniká amplitudou. Říkají jí základní frekvence nebo hlavní tón. Základní frekvence je velmi důležitým zvukovým parametrem a zde je důvod. U periodických signálů je lidský sluchový systém schopen rozlišit výšku tónu. Jak je definováno Mezinárodní organizací pro standardy, hřiště- jedná se o subjektivní charakteristiku, která rozděluje zvuky v určité škále od nízkých po vysoké. Vnímaná výška tónu je ovlivněna především frekvencí výšky tónu (období kmitů), přičemž obecná forma ovlivnit ji může i zvuková vlna a její složitost (tvar periody). Výška může být určena sluchovým systémem u komplexních signálů, ale pouze v případě, že základní tón signálu je časopis(např. při zvuku tlesknutí nebo výstřelu není tón periodický a ucho proto nedokáže posoudit jeho výšku).
Obecně platí, že v závislosti na amplitudách složek spektra může zvuk získat jinou barvu a být vnímán jako tón nebo jak hluk. Pokud je spektrum diskrétní (to znamená, že na spektrálním grafu jsou jasně vyjádřené vrcholy), pak je zvuk vnímán jako tón, pokud existuje jeden vrchol, nebo jako souzvuk, v případě přítomnosti několika výrazných vrcholů. Pokud má zvuk spojité spektrum, to znamená, že amplitudy frekvenčních složek spektra jsou přibližně stejné, pak je sluchem takový zvuk vnímán jako hluk. Pro názornou ukázku si můžete zkusit experimentálně „vyrobit“ různé hudební tóny a harmonie. K tomu je nutné připojit několik generátorů čistých tónů k reproduktoru přes sčítačku ( oscilátory). Navíc to udělat tak, aby bylo možné upravit amplitudu a frekvenci každého generovaného čistého tónu. V důsledku odvedené práce bude možné smíchat signály ze všech oscilátorů v požadovaném poměru a vytvořit tak zcela odlišné zvuky. Naučené zařízení bude nejjednodušším zvukovým syntezátorem.
Velmi důležitou vlastností lidského sluchového ústrojí je schopnost rozlišovat dva tóny s různou frekvencí. Experimentální testy ukázaly, že v pásmu od 0 do 16 kHz je lidský sluch schopen rozlišit až 620 frekvenčních gradací (v závislosti na intenzitě zvuku), přičemž přibližně 140 gradací je v rozsahu od 0 do 500 Hz.
Vnímání výšky čistých tónů je také ovlivněno intenzitou a trváním zvuku. Zejména nízký čistý tón se bude zdát ještě nižší, pokud se jeho intenzita zvýší. Opačná situace je pozorována u vysokofrekvenčního čistého tónu – zvýšením intenzity zvuku bude subjektivně vnímaná výška ještě vyšší.
Doba trvání zvuku ovlivňuje vnímanou výšku tónu kritickým způsobem. Takže velmi krátký zvuk (méně než 15 ms) jakékoli frekvence bude uchu připadat jako ostré cvaknutí - ucho nebude schopno rozlišit výšku takového signálu. Výška tónu začíná být vnímána až po 15 ms pro frekvence v pásmu 1000 - 2000 Hz a až po 60 ms pro frekvence pod 500 Hz. Tento jev se nazývá setrvačnost sluchu . Setrvačnost sluchu je spojena se strukturou bazilární membrány. Krátkodobé zvukové výboje nejsou schopny přimět membránu rezonovat na požadované frekvenci, což znamená, že mozek nedostává informaci o výšce velmi krátkých zvuků. Minimální čas potřebný k rozpoznání výšky závisí na frekvenci zvukového signálu a přesněji na vlnové délce. Čím vyšší je frekvence zvuku, tím kratší je vlnová délka zvukové vlny, což znamená, že vibrace bazilární membrány se „ustavují“ rychleji.
V přírodě se téměř nikdy nesetkáme s čistými tóny. Zvuk jakéhokoli hudebního nástroje je složitý a skládá se z mnoha frekvenčních složek. Jak jsme si řekli výše, i u takových zvuků je ucho schopno nastavit výšku jejich zvuku v souladu s frekvencí základního tónu a/nebo jeho harmonických. I při stejné výšce se však zvuk např. houslí sluchem liší od zvuku křídla. Je to dáno tím, že kromě výšky zvuku je ucho schopno posoudit i celkový charakter, barvu zvuku, jeho témbr. zvukový timbre Jedná se o kvalitu vnímání zvuku, která bez ohledu na frekvenci a amplitudu umožňuje rozlišit jeden zvuk od druhého. Barva zvuku závisí na celkovém spektrálním složení zvuku a intenzitě spektrálních složek, tj. obecný pohled zvukové vlny a ve skutečnosti nezávisí na výšce základního tónu. Fenomén setrvačnosti sluchového ústrojí má značný vliv na zabarvení zvuku. To je vyjádřeno například tím, že rozpoznání zabarvení sluchem trvá asi 200 ms.
Hlasitost zvuku je jedním z těch pojmů, které používáme každý den, aniž bychom přemýšleli o tom, jaký fyzický význam má. Hlasitost- tohle je psychologická vlastnost vnímání zvuku, které určuje vjem síly zvuku. Hlasitost zvuku, i když je pevně spojena s intenzitou, se neúměrně zvyšuje se zvýšením intenzity zvukového signálu. Hlasitost je ovlivněna frekvencí a dobou trvání pípnutí. Aby bylo možné správně posoudit souvislost mezi vjemem zvuku (jeho hlasitostí) a podrážděním (úrovní intenzity zvuku), je třeba vzít v úvahu, že změna citlivosti lidského sluchadla se přesně neřídí logaritmickým zákonem. .
Existuje několik jednotek pro měření hlasitosti zvuku. První jednotka je Pozadí"(v anglickém označení -" phon "). Říká se, že „úroveň hlasitosti zvuku je n phon“, pokud průměrný posluchač posoudí, že signál je hlasitostí stejný jako tón s frekvencí 1000 Hz a úrovní tlaku n dB. Pozadí, stejně jako decibel, v podstatě není měrnou jednotkou, ale je relativní subjektivní charakteristikou intenzity zvuku. Na Obr. 5 je graf se stejnými křivkami hlasitosti.
Každá křivka v grafu ukazuje stejnou úroveň hlasitosti s počátečním bodem na 1000 Hz. Jinými slovy, každý řádek odpovídá nějaké hodnotě hlasitosti měřené ve fonech. Například řádek „10 phon“ ukazuje úrovně signálu v dB na různých frekvencích, které posluchač vnímá jako objemově shodné se signálem s frekvencí 1000 Hz a úrovní 10 dB. Je důležité si uvědomit, že uvedené křivky nejsou referenční, ale jsou uvedeny jako příklad. Moderní studie jasně ukazují, že tvar křivek závisí v dostatečné míře na podmínkách měření, akustických vlastnostech místnosti a také na typu zdrojů zvuku (reproduktory, sluchátka). Neexistuje tedy žádný referenční graf křivek stejné hlasitosti.
Důležitým detailem vnímání zvuku lidským sluchadlem je tzv sluchový práh - minimální intenzita zvuku, při které začíná vnímání signálu. Jak jsme viděli, lidská stejná úroveň hlasitosti nezůstává s frekvencí konstantní. Jinými slovy, citlivost sluchového systému je vysoce závislá jak na hlasitosti zvuku, tak na jeho frekvenci. Zejména práh sluchu také není stejný na různých frekvencích. Například práh slyšení signálu při frekvenci asi 3 kHz je o něco menší než 0 dB a při frekvenci 200 Hz je to asi 15 dB. Naopak práh bolesti slyšitelnosti málo závisí na frekvenci a pohybuje se od 100 do 130 dB. Graf prahu sluchu je na Obr. 6. Všimněte si, že jelikož se sluchová ostrost mění s věkem, graf prahu sluchu v horní pruh frekvence je různá pro různé věkové kategorie.
Frekvenční složky s amplitudou pod prahem slyšitelnosti (tedy ty pod grafem prahu slyšitelnosti) jsou pro ucho neviditelné.
Zajímavý a nesmírně důležitý je fakt, že práh slyšení sluchového ústrojí, stejně jako křivky stejné hlasitosti, nejsou v různých podmínkách konstantní. Výše uvedené grafy prahu slyšení platí pro ticho. V případě provádění experimentů na měření prahu slyšení ne v úplném tichu, ale například v hlučné místnosti nebo za přítomnosti nějakého stálého zvuku na pozadí, se grafy ukáží jako jiné. To obecně není vůbec překvapivé. Koneckonců, když jdeme po ulici a mluvíme s účastníkem rozhovoru, jsme nuceni přerušit náš rozhovor, když kolem nás projíždí kamion, protože hluk kamionu nám nedovoluje partnera slyšet. Tento efekt se nazývá frekvenční maskování . Důvodem výskytu efektu frekvenčního maskování je schéma vnímání zvuku sluchovým systémem. Silný amplitudový signál o určité frekvenci f m způsobuje silné poruchy bazilární membrány v některých jejích segmentech. Frekvenčně blízký, ale amplitudově slabší signál s frekvencí f již není schopen ovlivňovat kmitání membrány, a proto zůstává „bez povšimnutí“ nervovými zakončeními a mozkem.
Efekt frekvenčního maskování je platný pro frekvenční složky, které jsou přítomny ve spektru signálu současně. Vlivem setrvačnosti sluchu se však efekt maskování může časem rozšířit. Takže některá frekvenční složka může maskovat jinou frekvenční složku, i když se ve spektru neobjeví současně, ale s určitým zpožděním. Tento efekt se nazývá dočasnýo a přestrojení. V případě, že se maskovací tón objeví v čase dříve než maskovaný, je vyvolán efekt post převlek . V případě, že se maskovací tón objeví později než maskovaný (i takový případ je možný), je efekt tzv. předkamufláž.
2.5. Prostorový zvuk.
Člověk slyší dvěma ušima a díky tomu je schopen rozlišit směr příchodu zvukových signálů. Tato schopnost lidského sluchového ústrojí se nazývá binaurální efekt . Mechanismus rozpoznávání směru příchodu zvuků je složitý a nutno říci, že jeho studiu a metodám aplikace ještě není konec.
Lidské uši jsou rozmístěny v určité vzdálenosti podél šířky hlavy. Rychlost šíření zvukové vlny je relativně nízká. Signál přicházející ze zdroje zvuku naproti posluchači přichází do obou uší současně a mozek to interpretuje jako umístění zdroje signálu buď za nebo před, ale ne na stranu. Pokud signál pochází ze zdroje posunutého vzhledem ke středu hlavy, pak zvuk dorazí do jednoho ucha rychleji než do druhého, což mozku umožňuje, aby to vhodně interpretoval jako signál přicházející zleva nebo zprava, a dokonce přibližně určit úhel příjezdu. Číselně rozdíl v době příchodu signálu do levého a pravého ucha, který je od 0 do 1 ms, posouvá pomyslný zdroj zvuku směrem k uchu, které signál vnímá dříve. Tento způsob určování směru příchodu zvuku využívá mozek ve frekvenčním pásmu od 300 Hz do 1 kHz. Směr příchodu zvuku pro frekvence nad 1 kHz určuje lidský mozek analýzou hlasitosti zvuku. Faktem je, že zvukové vlny s frekvencí nad 1 kHz ve vzdušném prostoru rychle utlumují. Proto se intenzita zvukových vln dopadajících do levého a pravého ucha posluchače natolik liší, že umožňuje mozku určit směr příchodu signálu rozdílem amplitud. Pokud je zvuk v jednom uchu slyšet lépe než v druhém, pak je zdroj zvuku ze strany ucha, ve které je slyšet lépe. Důležitým pomocníkem při určování směru příchodu zvuku je schopnost člověka otočit hlavu ke zdánlivému zdroji zvuku za účelem kontroly správnosti definice. Schopnost mozku určit směr příchodu zvuku rozdílem v době příchodu signálu do levého a pravého ucha a také analýzou hlasitosti signálu se využívá při stereofonie.
Pouze se dvěma zdroji zvuku je možné v posluchači vytvořit pocit, že má imaginární zdroj zvuku mezi dvěma fyzickými. Navíc lze tento imaginární zdroj zvuku „umístit“ v libovolném bodě linky spojující dva fyzické zdroje. Chcete-li to provést, musíte přehrát jeden zvukový záznam (například se zvukem klavíru) přes oba fyzické zdroje, ale s určitým časovým zpožděním. o a zpoždění v jednom z nich a odpovídající rozdíl v hlasitosti. Správným použitím popsaného efektu, pomocí dvoukanálového zvukového záznamu, můžete posluchači zprostředkovat téměř stejný zvukový obraz, jaký by cítil, kdyby se osobně zúčastnil například nějakého koncertu. Takový dvoukanálový záznam se nazývá stereo. Volá se jednokanálový záznam monofonní.
Ve skutečnosti pro vysoce kvalitní hlášení realistického prostorového zvuku posluchači konvenční stereofonní záznam vždy nestačí. Hlavní důvod spočívá v tom, že stereo signál přicházející k posluchači ze dvou fyzických zdrojů zvuku určuje umístění imaginárních zdrojů pouze v rovině, ve které se nacházejí skutečné fyzické zdroje zvuku. Přirozeně není možné „obklopit posluchače zvukem“. Celkově je ze stejného důvodu zavádějící i představa, že prostorový zvuk zajišťuje kvadrafonický (čtyřkanálový) systém (dva zdroje před posluchačem a dva za ním). Obecně lze říci, že prováděním vícekanálového nahrávání se nám daří zprostředkovat posluchači pouze zvuk tak, jak jej „slyšeli“ námi umístěná zařízení pro příjem zvuku (mikrofony), nic víc. Aby znovu vytvořili více či méně realistický, skutečně prostorový zvuk, uchylují se k použití zásadně odlišných přístupů, které jsou založeny na složitějších technikách, které modelují rysy lidského sluchového systému, stejně jako fyzické rysy a účinky přenosu. zvukových signálů ve vesmíru.
Jedním z takových nástrojů je použití HRTF (Head Related Transfer Function). Pomocí této metody (ve skutečnosti jde o knihovnu funkcí) lze zvukový signál speciálním způsobem převést a poskytnout poměrně realistický prostorový zvuk určený k poslechu i se sluchátky.
Podstatou HRTF je akumulace knihovny funkcí, které popisují psychofyzikální model vnímání prostorového zvuku lidským sluchovým systémem. K vytvoření HRTF knihoven se používá umělý manekýn KEMAR (Knowles Electronics Manikin for Auditory Research) nebo speciální „digitální ucho“. V případě použití figuríny je podstata měření následující. V uších figuríny jsou zabudovány mikrofony, pomocí kterých se provádí nahrávání. Zvuk je reprodukován zdroji umístěnými kolem figuríny. Výsledkem je, že záznam z každého mikrofonu je zvuk „slyšený“ odpovídajícím uchem figuríny, přičemž jsou zohledněny všechny změny, kterými zvuk prošel na cestě k uchu (útlum a zkreslení v důsledku ohýbání hlava a odrazy z různých jejích částí). Výpočet funkcí HRTF se provádí s ohledem na původní zvuk a zvuk „slyšený“ figurínou. Vlastní experimenty ve skutečnosti spočívají v reprodukci různých testovacích a skutečných zvukových signálů, jejich nahrávání pomocí figuríny a další analýze. Základ takto nashromážděných funkcí pak umožňuje zpracovat jakýkoli zvuk tak, že při přehrávání přes sluchátka má posluchač dojem, že zvuk nepochází ze sluchátek, ale odněkud z okolního prostoru.
HRTF je tedy souborem transformací, kterými audio signál prochází na své cestě ze zdroje zvuku do lidského sluchového systému. Po empirickém výpočtu lze HRTF aplikovat na zpracování audio signálu, aby se simulovaly skutečné změny zvuku při jeho cestě od zdroje k posluchači. Navzdory úspěchu myšlenky má HRTF samozřejmě své negativní stránky, ale obecně je myšlenka použití HRTF docela úspěšná. Využití HRTF v té či oné podobě je základem mnoha moderních technologií prostorového zvuku, jako jsou QSound 3D (Q3 D), EAX, Aureal3 D (A3 D) a další.