Лабораторная работа

“ БИНАУРАЛЬНЫЙ СЛУХ”

(Слух двумя ушами)

Теоретическая часть.

В естественных условиях мы воспринимаем внешние источники звука расположенными в определенном месте пространства. Мы, как правило, без труда можем определить слева или справа от нас располагается источник звука или он звучит перед нами, над нашей головой или за нашей спиной. Звуковой образ источника, создаваемый нашей слуховой системой, оказывается, таким образом, вынесенным наружу и помещенным (локализованным) в определенное место пространства.

Для выполнения этой сложной операции слуховая система, по всей вероятности, может воспользоваться только физическими параметрами звуковых волн, поступающих на ее вход.

Рассмотрим чисто теоретически, в каких параметрах звуков могут содержаться сведения о положении источника относительно головы человека. При решении этой задачи учтем тот факт, что любой звук это волновой процесс, в котором присутствуют гармонические волны определенных частот.

Cлуховая система человека воспринимает звуки в диапазоне частот от 20 Гц до 20 000 Гц. Длина волн (l) в воздухе этим крайним значениям частот составляет соответственно 17 метров и 1,7 сантиметров. ….Обратимся вначале к случаю,когда длина звуковых волн ( l ) намного превышает линейныеразмеры черепа человека (диаметр черепа D). На рисунке 1 изображена голова человека (вид сверху).

В горизонтальной плоскости введем полярную систему координат с центром в точке О и с нулевой осью ОО. Расположение любого источника звука относительно головы в этой плоскостной системе координат будет определяться двумя параметрами: величиной радиуса-вектора R и углом поворота j этого вектора относительно нулевого направления. В биоакустике R – это дальность до источника, а j - азимут источника звука.

Изображенный на рисунке источник звука создает звуковые волны. Пусть какой-либо конкретный фронт этих волн достигает правого уха человека в определенный момент времени. Прежде, чем этот же звуковой фронт подойдет к левому уху, он должен будет пройти дополнительный путь DS. Из рисунка видно, что величина DS зависит от азимута,то есть является функцией j: DS=DS(j).

Наличие дополнительного пути приводит к временной задержке t между моментами прихода звука к правому и левому ушам. При этом величина временной задержки также будет зависеть от азимута j:

t= t(j) (1)

Оценим в каких пределах в естественных условиях может меняться величина t. В воздухе, как известно, звук распространяется со скоростью V=340 м /сек. Чтобы определить временную задержку t, нам надо поделить величину дополнительного пути DS на скорость звука V, то есть:

t(j)=DS(j)/V (2)

Как можно видеть из рисунка 1, величина DS, будет равнятся нулю в случаях, когда источник звука будет располагаться на медианной оси ОО перед или за головой человека. Соответственно и t (временная задержка) будет равняться в этих случаях нулю. Максимальное же значение разности хода DS будет наблюдаться в случае, когда азимут источника звука j = 90 градусов. При таком положении источника звука величина DS будет составлять половину периметра черепа человека, что,в среднем, для взрослого человека,составляет примерно 28 сантиметров. Используя формулу (2), мы получим максимальное значение временной задержки t (max):

t (max) = 0.28 (м.) / 340 (м /сек.) = 0. 820 миллисекунд = 820 микросекунд

Таким образом, в естественных условиях слуха двумя ушами звуковая волна (в зависимости от азимута источника) будет приходить на одно из ушей позже, чем на другое и это запаздывание будет лежать во временном интервале от 0 до 820 микросекунд.

Напомним, что это теоретическое рассмотрение мы провели для звуков, длины волн которых значительно превышают диаметр черепа человека (l>D).В чем смысл этого условия? Наш слух очень тонко различает не только частоту звука,но и его интенсивность (I).В случае l>D, будут выполняться условия дифракции, то есть огибания звуковыми волнами препятствия (черепа) без изменения интенсивности звука. В результате, при любых значениях азимута j интенсивности звука у правого уха (Iпр) и у левого уха (Iлев) будут равны(Iпр =Iлев) и информация о положении источника, необходимая слуховой системе, может содержаться только в параметре t.

Рассмотрим теперь другой крайний случай, когда источник звука излучает волны,длины которых намного меньше,чем размер черепа человека, то есть l<D.

Обратимся к рисунку 2. Высокочастотные звуковые волны, распространяясь в свободном пространстве, достигнут правого уха и будут иметь на его входе интенсивность Iпр. К левому уху эти же волны подойдут, во-первых, с некоторой временной задержкой, а во-вторых, с интенсивностью Iлев, которая будет меньше, чем интенсивность звука у правого уха. Это уменьшение интенсивности будет обусловлено тем, что в случае, когда длина волны волнового процесса меньше, чем линейные размеры препятствия, дифракция резко ухудшается и возникает область звуковой тени.

Величина или ‘глубина’ звуковой тени будет зависеть от частоты звука и,что особенно важно для нас, будет зависеть от азимута источника j. Чем больше звуковая тень, тем меньше значение Iлев. и тем больше разница в интенсивностях звуков у правого и левого ушей DI=Iпр - I лев.

При этом:

DI=Iпр -Iлев = DI(j) (3)

Мы можем, таким образом, заключить, что и в случае высокочастотных звуков (l<D) на входах нашей слуховой системы всегда имеются сведения о положении источника звука в пространстве относительно головы человека.

Нетрудно заметить, что наше теоретическое рассмотрение объясняет присутствие на входах слуховой системы сведений только об азимуте источника j. В естественных же условиях мы воспринимаем источник звука на определенном удалении (D) от нас и легко определяем звучит ли он перед нами, за нашей спиной или над нашей головой. Теоретическое рассмотрение этих вопросов мы проводить не будем. Отметим только, что в данном случае приходиться учитывать сложные акустические свойства наружного уха, в основном,ушной раковины.

Итак, наш теоретический анализ показывает, что сведения об азимуте источника j присутствуют на входах нашей слуховой системы в виде следующих параметров:

1) временной разности прихода звуковой волны к правому и левому ушам t(j),

2) различия в интенсивностях звуковых волн DI(j), подходящих к правому и левому уху.

Цель данной лабораторной работы – убедиться, что слуховая система человека учитывает эти параметры при решении задачи локализации источника звука в пространстве и измерить характеристики этого процесса, то есть в эксперименте измерить зависимости j=j(t) и j=j(DI). Учет нашей слуховой системой параметра t (запаздывания прихода звука на одно из ушей) для решения проблемы локализации источника звука в пространстве называется временным бинауральным эффектом. Учет для этих же целей разницы в интенсивностях DI звуков называется амплитудным бинауральным эффектом.

Дата добавления: 2015-10-13