Слуховой биокомпрессор
1. Постановка задачи.
Известно, что наш слуховой орган уникален тем, что способен воспринимать полосу частот до десяти октав в огромном динамическом диапазоне — до 160 дБ. Общепринятое измерение уровня громкости в (дБ) оправдано тем, что субъективное ощущение громкости (N) находится в логарифмической зависимости от акустической мощности, как показано на рис.1, график 1.
Согласно определению:
где: Pmax — уровень акустической мощности на пороге болевого ощущения; Pmin — уровень акустической мощности на пороге слышимости, находим, что отношение пороговых мощностей Pmax /Pmin ~ 10**16 представляет огромную величину. За 1 дБ ещё на заре развития радиотехники и электроакустики был принят не только порог слышимости, но и минимальная градация громкости, которую способен различать слух (в современной трактовке — разрешающая способность слуха). Однако, по данным более поздних исследований установлено, что эта величина непостоянна и может достигать 0,05 дБ, что соответствует изменению характера графика 1 (при увеличении разрешения в области слабых сигналов — график 3, при уменьшении — график 2). ^Нажмите для увеличения^
Исходя из этих данных можно заключить, что слуховой аппарат регулируемый компрессор звуковых сигналов.
2. Механизм компрессирования сигнала барабанной перепонкой.
Смоделируем барабанную перепонку упрощенной механической колебательной моделью (рис.2) и обозначим физические величины полученной системы:
m — масса перепонки;
c0 — гибкость подвеса при отсутствии звуковых волн;
ci — мгновенное значение гибкости при колебаниях перепонки;
F и fi — сила натяжения подвеса, соответственно, при отсутствии и при наличии колебаний;
/f/ — сила со стороны акустического поля, действующая на перепонку;
l — смещение перепонки под действием /f/.
^Нажмите для увеличения^
|
| ^Нажмите для увеличения^ |
1. Относительно высокая fp, порядка 2…3 кГц означает малую m и c (большую упругость). Возвратное смещение слышимых звуковых частот вниз, в том числе и fp, означает потерю упругости тканей.
2. Низкая добротность Q подтверждается опытом «хлопок в заглушенной камере» и соответствует: а) наличию органической жидкости, хорошо демпфирующей колебательный процесс б) малой величине r за счет малой площади поверхности перепонки.
Из формулы (6) видно, что ci=c0 при l=0 и по мере увеличения смещения перепонки убывает и в пределе стремится к нулю. Если на смещенную перепонку наложить колебания, то, согласно формуле (3) и неравенству ci<c0 амплитуда их уменьшаться по сравнению с амплитудой колебаний несмещенной перепонки (при условии одинаковой мощности наложенных колебаний). Данное рассуждение иллюстрируется с помощью рис. 3.
^Нажмите для увеличения^
Из рис. 3 видно: а) смещение перепонки происходит под воздействием низкочастотной составляющей звуковых волн; б) по мере увеличения l, амплитуда наложенной ВЧ-составляющей падает. В подтверждении изложенному можно провести опыт с динамической головкой. Прослушивая музыкальную программу, будем смещать диффузор, пропуская постоянный ток от отдельного источника. По мере увеличения тока, т.е. смещения диффузора, ощущение громкости будет падать.
Реальные звуковые сигналы имеют еще более сложный характер. Рис. 3 иллюстрирует лишь принцип возникновения компрессии при общем увеличении громкости (смещении перепонки).
Очевидно, так же, что меньшей компрессии в реальном сигнале подвержены самые низкочастотные составляющие, что соответствует кривой 4 на рис.1. Из рис. 1 так же следует, что в диапазоне малых мощностей ВЧ — составляющие уже «перешагнут» порог слышимости, в то время как основные низкочастотные тона будут еще не услышаны. Это находится в полном соответствии с давно известной в акустике психометрической функцией (кривыми «равной громкости»).
^Нажмите для увеличения^
На рис. 4 показаны АЧХ тон-корректора для выравнивания субъективного ощущения громкости во всем диапазоне звуковых частот. Из рис. 4 видно, что корректор должен обладать наибольшим коэффициентом передачи на самых низких частотах в режиме самых слабых сигналов.
3. Факторы, влияющие на степень компрессии.
Число «10» в основании логарифма характеризует ту усредненную степень компрессии, которая характерна для большинства людей, что сложилось в процессе эволюции. Однако, для каждого индивидуума эта величина может меняться под воздействием различных факторов. Ниже рассматриваются некоторые из них.
^Нажмите для увеличения^
Биоритмы. Известно, что с приближением ночи слух обостряется, что соответствует большей разрешающей способности в области слабых сигналов (высокая чувствительность к мелким шорохам), т.е. более глубокой степени компрессии. Днем эта чувствительность падает. Отсюда можно предположить о действии суточной биоритмической модуляции компрессора, как примерно показано на рис.5. Неизвестно, каков этот механизм, но можно предположить следующее. В упрощенной механической модели перепонки (рис. 2) подвес и перепонка четко разграничены хотя, на самом деле, это единая монолитная конструкция. Известно, что к концу дня происходит размягчение тканей, суставов и т.д., и, как следствие, повышение их гибкости. Очевидно, это не должно обойти стороной и перепонку. В модели на рис. 2 это означало бы удлинение подвеса (увеличение с) с одновременным укорочением мембраны (уменьшение m). Увеличение с приведет к большей величине l при воздействии одной и той же /f/, что следует из Ф. З.
Кроме того, т.к. звуковое давление, создаваемое мембраной, прямопропорционально ее ускорению, из a=F/m (7) находим, что снижение «m» так же приведет к повышению чувствительности слуха.
4. Влияние других информационных каналов. Известно, что органы чувств представляют собой каналы доставки в мозг информационных потоков, т.е. в конечном итоге работают на «общую нагрузку». Моделью такой системы может быть резистивная матрица, (рис. 6), где информационные потоки, вызванные сигналами U1…Un через каналы R1…Rn попадают в нагрузку (Rn). Увеличение тока через один из каналов увеличит падение напряжения на Rn, что призакрывает (или закрывает полностью) остальные каналы. Возможно, что таким образом «срочная информация» вытесняет остальную, как, например, при ожоге, ударе, вспышке света и т. д. Так же можно предположить, что через мозг регулировка проводимости каналов осуществляется за счет цепей ООС, в пользу осуществления которых можно привести множество примеров.
^Нажмите для увеличения^
|
| ^Нажмите для увеличения^ |
Таким образом, активное или пассивное состояние других органов чувств должно влиять на чувствительность слуховых органов, т.е. на глубину компрессирования.
Возможно, есть и другие факторы, о которых мы не знаем.
5. Некоторые аспекты проектирования звуковой техники с учетом биокомпрессора.
Из вышеизложенного следуют интересные выводы с которыми необходимо считаться.
5.1. Из рис. 3 можно найти, что максимальная плотность информации сосредоточена в области перехода сигнала через ноль. В связи с этим возникает предположение, что мозг считывает только эту информацию, т.к. в этой области она представлена наиболее подробно, и максимальную амплитуду. Остальную часть полупериода идет обработка и формирование команд, что напоминает принцип работы, например, цифрового частотомера: период счета сменяет период индикации и т. д. В области следующего перехода через ноль (через 1/2) считанная информация сравнивается с предыдущей и, в случае отличия, вырабатывается «сигнал ошибки», который корректирует команды. Данное предположение о дискретном характере поступления информации подтверждается экономичностью работы мозга, которую обязана была предусмотреть природа и тем, что любая «срочная» звуковая информация не потребует от нас реакции с точностью момента менее 25 мс (Тmax/2=25 мс). Известно, что реакция организма на 1…2 порядка медленнее.
Последнее соображение о дискретном поступлении информации дополняет вывод из рис. 3, обратить особое внимание на качество сигнала в области перехода через ноль, т.е. обеспечить непрерывную передачу его в этой области.
5.2. Из опыта с динамической головкой с учётом рис.3 следует, что упрощение акустической системы (снижение числа полос вплоть до применения одной широкополосной головки; применение НЧ головок с малой площадью диффузора, что требует большего его смещения для получения необходимого звукового давления; применение ящиков малых размеров, что снизит общую гибкость головка-ящик и др.) приведёт к аналогичной компрессии уже при электроакустическом преобразовании звукового сигнала. То есть, сигнал дважды компрессируется в общем звуковоспроизводящем тракте (до головного мозга), что вызовет эффект «зажатости» звука.
Проведённые исследования показали следующие результаты. При работе головки в диапазоне одной декады, не имеет значения, в каком (НЧ, СЧ или ВЧ) именно, эффект зажатости не наблюдался при любой музыкальной программе, если соблюдалось условие
, где l — полная амплитуда смещения диффузора, Dэфф — эффективный диаметр диффузора. ^Нажмите для увеличения^
6. Заключение.
Биокомпрессор, как было показано ранее, соответствует кривым равной громкости (рис. 4). Возникает вопрос: почему мы имеем слуховой орган с такими законами, которые в свою очередь, подвержены определенным модуляциям.
Приведем несколько примеров.
Наши далекие предки, подверженные действием различных природных стихий и катаклизмов, должны были вовремя среагировать, следуя инстинкту самосохранения. Если проявление стихий происходит на очень большом удалении, а, едва слышимый, основной низкий тон не позволит определить направление источника (отсутствие стереоэффект на низких частотах), то не имеет смысла слышать его вообще. Сопутствующие гармоники с меньшей дли ной волны еще не выше порога слышимости. Этим объясняется невосприимчивость слуха к слабым низким тонам.
^Нажмите для увеличения^
Наоборот, многочисленные насекомые привели к максимальной чувствительности на средних частотах, где длина волны сравнима с расстоянием между перепонками (максимальный стереоэффект) и человек определяет направление, откуда ждать неприятностей.
Небольшой изгиб вверх (рис. 4) кривой максимальной чувствительности с дальнейшим ростом частоты соответствует ослаблению стереоэффекта, т.к. длина волны уменьшается по сравнению с расстоянием между перепонками.
Ползающие насекомые, змеи и др. заставили обострить слух к слабым сигналам в темное время суток (рис. 5). Этому способствует так же ограничение потока информации (рис. 6) по другим каналам.
Таким образом, биокомпрессор, сделавший наши органы слуха уникальными по своим параметрам, достался нам по наследству, как результат длительного эволюционного процесса в соответствии с информационной потребностью индивидуума в окружающей природе.
Гришин В. А.
