Навигация по сайту Моя кладовка

Исследование верхней границы слуха

Эта работа была выполнена в 2017 году в рамках студенческой научной работы, поэтому супер серьезной ее назвать нельзя. Тем не менее, работа была выполнена, и выполнена хорошо, по ее результатам опубликована статья в научном журнале. Другое дело, что количество исследованных человек невелико и для серьезной статистики не годится. Поэтому если спроецировать полученные результаты «на весь мир», погрешность получится довольно большой. Но выводы все же сделать можно.

Началось все с того, что некоторые студенты жаловались, что импульсные блоки питания в оборудовании «противно свистят». Оборудование немецкой фирмы выпущено в Китае. Действительно, блоки питания «свистели», но негромко и на довольно высокой частоте. По идее, никто слышать не должен был. Но услышали. Вот и возникла идея проверить высокочастотную границу слуха у студентов.

За основу этого материала взята журнальная статья, поэтому язык может показаться вам «сухим». Так уж вышло.

Основной целью, которая ставилась в данной работе, является исследование индивидуальных особенностей восприятия высокочастотного звука и измерение значения верхней границы слухового диапазона у достаточно большого количества людей.

Тот факт, слышим ли мы сигналы определенных частот, или нет, сильно зависит от уровня громкости. На рисунке 1 показана область слышимости и ее границы. Для тихих звуков частотный диапазон слуха более узкий, чем для громких. Кроме того, у каждого человека область слышимости индивидуальна и изменяется как с возрастом, так и при небрежном отношении к собственному слуху, например прослушивании музыки на очень большой громкости ведет к ухудшению слуха.

Задачей исследования было экспериментально проверить частотную границу, выделенную на рисунке 1 красным цветом, у разных людей.

 

Рис. 1. Область слышимости и ее границы.

 

Исследовались возможности слуха на частотах 13-23 кГц с шагом 1 кГц, и уровнями 90, 100 и 110 дБ. Исследовался слух студентов возрастом 20-21 год, как юношей, так и девушек. Всего было исследовано 34 человека.

Проведение экспериментальных исследований.

Схема эксперимента показана на рис. 2. Генератор 1 создает тестовый синусоидальный сигнал нужной частоты, который через аттенюатор 2 поступает на усилитель 3. Аттенюатор позволяет, как плавно настраивать уровень начального сигнала, так и ступенчато изменять его с шагом 10 дБ при проведении эксперимента. Усиленный усилителем 3, сигнал излучается громкоговорителями 4. В экспериментальной установке использовались высококачественные высокочастотные громкоговорители с верхней рабочей частотой, равной 30 кГц. Два громкоговорителя создают большее звуковое давление и более равномерное звуковое поле. Для настройки уровня звука использовался шумомер 6, располагаемый непосредственно возле уха участника теста 5. Звук, образующийся во время измерения, контролировался микрофоном 7 и отображался осциллографом 8. Такой контроль по конечному результату исключал возможные технические ошибки. Испытываемый не видел осциллограф, поэтому его показания не могли повлиять на результаты эксперимента.

Рис. 2. Схема проведения исследования свойств слуха.

 

Последовательность действий.

1. По шумомеру с включенной кривой «С» (линейная АЧХ) на частоте 13 кГц при помощи регулятора «Плавно» аттенюатора настраивался уровень громкости, равный 90 дБ.

2. Подавался тестовый сигнал частотой 13 кГц, отличающийся от настроечного периодическим изменением уровня. Тестируемый описывал свои ощущения – слышит он звук, или нет.

3. Частота сигнала повышалась с шагом 1 кГц до тех пор, пока тестируемый не переставал слышать тестовый сигнал. Значит, граница частотного диапазона достигнута.

4. После этого тестируемый отдыхал примерно 5 минут.

5. Аттенюатор переключался на следующую ступень, дающую уровень ровно на 10 дБ больше.

6. Измерения повторялись, начиная с пункта 2.

Исследования проводились по правилам проведения субъективных испытаний. Тест был слепым, то есть испытываемый ничего не знал о том, какой сигнал в данный момент включен. Также он не знал о том, включен сигнал на самом деле, или нет. Для исключения «ложных срабатываний» использовался следующий прием: имитировалось включение звука, но на самом деле звук не включался. Испытываемый при этом говорил, что ничего не слышит. Результаты испытаний заносились в специальный бланк.

Анализ результатов. Статистически обработанные результаты исследований показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Распределение верхней границы слуха для различной громкости сигнала. По вертикальной оси – количество человек.

 

Рис. 4. Обобщенное распределение верхней границы слуха в процентах от количества участников теста.

 

Из них можно сделать следующие выводы:

1. Существует довольно большой разброс слуховых возможностей у разных людей. Например при уровне громкости 90 дБ, верхняя граница слуха у разных людей может быть от 13 кГц до 20 кГц.

2. При этом большинство людей демонстрирует примерно одинаковые результаты.

3. При уровне громкости 90 дБ типовая граница частотного диапазона составляет 17-18 кГц. У нескольких участников теста даже 19 кГц. Частоту 20 кГц слышал всего один человек.

4. При уровне 100 дБ максимум уверенно сдвигается на частоту 18 кГц. Частоту 20 кГц уже слышит уже три человека. Максимально достигнутый предел – 22 кГц. Этот результат показал тот же испытуемый, который услышал частоту 20 кГц с уровнем 90 дБ.

5. При уровне 110 дБ большинство слышит частоту 19 кГц. Много людей слышат частоту 20 кГц, а некоторые даже выше – до 23 кГц.

6. То есть с ростом громкости растет и верхняя граничная частота слуха, как и должно быть.

7. Важный момент: 5% обследованных имеют верхнюю границу частотного диапазона 23 кГц, а возможно и больше, что выходит за рамки «стандартного» значения верхней границы слышимости.

8. Почему были выбраны такие довольно большие уровни сигнала? Изначально априори исходили из кривой чувствительности слуха, рис. 1. Мы опасались, что высокочастотные сигналы с меньшим уровнем могут оказаться неслышимыми. Примерно так и оказалось: сигнал с уровнем 90 дБ – наиболее тихий из всех тестовых сигналов – на частоте 20 кГц услышало только 3% участников эксперимента, а на частоте 19 кГц – 21% участников. То есть большинство людей сигналы частотой 19…20 кГц не слышит даже с уровнем 90 дБ.

Зависимости среднего значения и дисперсии высокочастотной границы слуха от уровня громкости показаны на рис. 5. Из графика видно, что разброс высокочастотной границы слуха отдельных людей довольно большой. При уровне сигнала 90 дБ наиболее вероятная граница слухового диапазона составляет 17…18 кГц. Но есть шанс, что небольшое количество людей будут иметь границу, равную 19…20 кГц. В то же время, небольшое количество людей не слышат сигнал такого уровня с частотой выше 15…16 кГц. С ростом уровня громкости граничная частота слуха растет, причем рост верхней границы опережает рост нижней границы.

Рис. 5. Среднее значение и дисперсия верхней частотной границы слуха.

 

На рис. 5 показаны сравнительные значения верхней частотной границы слуха отдельно для мужчин и женщин. Принципиальных различий нет, но некоторая разница все же присутствует. Например, у женщин выше средние пики гистограммы. Это говорит о том, что у женщин меньше разброс параметров слуха, чем у мужчин. Но в большинстве своем мужчины имеют границу слышимости более высокой частоты.

Рис. 6. Сравнительные значения верхней частотной границы слуха для мужчин и женщин раздельно.

 

Выводы.

1. Слуховые способности обследованных студентов в среднем совпадают с общемировыми.

2. С ростом уровня громкости растет и верхняя граница слухового диапазона, что соответствует стандартным кривым равной громкости. Т.е. и здесь нет отличий обследованных студентов от других людей.

3. Те числа, которые считаются официально признанными границами диапазона частот слуха, являются усредненными. Эти усредненные значения характерны примерно для половины людей. Другая половина имеет границу частотного диапазона как больше, так и меньше официально заданного предела. Причем это отличие существенное – верхняя частотная граница слуха может составлять 23 кГц, а возможно и выше.

4. Процент людей, у которых верхняя граница частотного диапазона слуха лежит выше 20 кГц довольно велик. В наших измерениях это 17% испытываемых. Это значит, что следует пересмотреть стандарты и рекомендации по разработке технических устройств, работа которых сопровождается излучением звука – сравнительно большое количество людей способно слышать те звуковые частоты, которые считаются неслышимыми. Они будут испытывать дискомфорт, повышенную утомляемость и другие негативные последствия.

5. Частотные свойства слуха юношей и девушек имеют некоторые различия, которые нужно исследовать более подробно.

 

Ну и выводы от меня лично.

1. Эксперимент был поставлен очень хорошо для студентов, но я не очень им доволен – для серьезного исследования надо делать лучше.

2. Было обследовано всего 34 человека. Это очень мало для полноценной статистики. Так что полученные результат, когда частоту выше 20 кГц слышат 17% людей, имеет довольно большую погрешность. Если обследовать несколько тысяч человек (а так и надо делать для полноценного исследования), то может оказаться, что выше 20 кГц слышат всего 8% людей, а может – 30%. Если например, некоторая особенность слуха встречается один раз на 100 человек, то скорее всего такой человек в проведенное исследование не попал. А если особенность слуха встречается один раз на 1000 человек, то такой человек в исследование не попал практически наверняка. А ведь соотношение 1:1000 хоть и соответствует 0,1% населения, но в мировых масштабах таких людей немало.

3. Тем не менее, даже в такой бедной выборке встретился человек с верхней граничной частотой слуха 13 кГц при уровне громкости 90 дБ. И два человека, слышащих до 23 кГц.

Главное. Мало кто слышит сигнал частотой 20 кГц при уровне сигнала 90 дБ. В среднем частотная граница составляет 17…18 кГц. А теперь внимание! Тестовый уровень громкости 90 дБ – это уровень непосредственно высокочастотного сигнала. В реальности все не так. Мы слушаем музыку при уровне громкости 70…90 дБ (например, для меня уровень громкости 90 дБ – это громко, и так я слушаю редко, только такую музыку, которую хочется сделать погромче). То есть, уровень 90 дБ – это весь музыкальный сигнал, сумма всех составляющих его частот. Из них высокие частоты составляют лишь малую часть. То есть звуковое давление высокочастотных составляющих гораздо меньше, чем в проведенном эксперименте. И верхняя граница слышимости тоже находится гораздо ниже, чем в проведенных экспериментах (см. рис. 1). То есть в реальной музыке при нормальной громкости большинство из нас не слышит частоты выше где-то 16 кГц. Выходит, что частоты 18...20 кГц в реальном звуке мы скорее всего не слышим.

А выше 20 кГц?

В реальных фонограммах частоты выше 20 кГц содержатся крайне редко. На CD частоты выше 22 кГц не могут быть записаны в принципе. При записи на винил частоты выше 20…25 кГц обрезаются – такие частоты сложно механическим способом как записать, так и воспроизвести. На носители высокого разрешения (Audio-DVD и SACD) в принципе можно записать частоты вплоть до 80…90 кГц, но вот записывают их или нет – это зависит от студий звукозаписи.

Но даже если частоты выше 20 кГц и записываются, то каков их уровень? На рисунке 7 показаны спектры четырех фонограмм высокого разрешения одной из английских студий звукозаписи.

Рис. 7. Спектры реальных высококачественных фонограмм:

 

Фонограммы следующие (по информации студии звукозаписи). Все фонограммы можно скачать в формате mp3 224 kbps для оценки звука и состава инструментов.

1. Sonnerie de Sainte Genevieve du Mont de Paris. Composer Marin Marais. Band Trio Sonnerie .

2. Nicholas Drake. Soloist Judith Owen. Guest Artist Richard Thompson. Writer Judith Owen.

3. Twitter and Bisted. Soloist Alyn Cosker drums. Writer Alyn Cosker.

4. Old Greenwich Time. Soloist Maeve O'Boyle. Writer Maeve O'Boyle, Ricky Ross.

Как видите, если не считать фонограмму №2 в которой отсутствуют инструменты с широким спектром (в ней спад АЧХ до частоты 20 кГц естественный, а выше 20 кГц производится фильтрация для записи на CD, вот вам и «формат высокого разрешения»!), то можно сделать вывод: жизнь за пределами 20 кГц существует. Но посмотрите на уровни сигнала: уровень частоты 20 кГц как минимум на 50 дБ ниже, чем уровень громкости. То есть если слушать музыку при уровне 120 дБ (это примерно болевой порог), то уровень составляющих частотой 20 кГц будет порядка 70 дБ. Такой сигнал услышат хорошо как пара процентов людей. А при более тихой музыке уровень частоты 20 кГц еще более снизится и станет еще недоступнее для восприятия.

Если говорить о более высоких частотах, то у них уровень еще ниже, а чувствительность слуха – еще хуже. То есть процент людей, слышащих такие звуки, приближен к нулю.

Так что есть ли смысл в воспроизведении частот выше 20 кГц? Ведь мы их явно не услышим!

На самом деле, причины делать верхнюю рабочую частоту аппаратуры выше, чем 20 кГц, существуют:

1. Если аудиосистема уверенно воспроизводит все частоты до, скажем, 40 кГц, то с частотами ниже 20 кГц она справится легко, и на них будет отлично работать.

2. Амплитудно-частотная характеристика не является исчерпывающей для оценки параметров аудиоаппаратуры. Существуют и другие параметры. В том числе оценивающие быстродействие усилителя. И чтобы получить хорошие значения таких параметров, необходимо иметь линейную АЧХ вплоть до довольно высоких частот. То есть, требование воспроизведения частот до 100 кГц может быть вызвано, например, необходимостью обеспечить высокую скорость нарастания выходного напряжения. Или хорошую глубину ООС на высоких частотах. Но вот сама АЧХ линейная до 100 кГц и выше самоцелью быть не должна. И еще, очень часто можно сконструировать усилитель таким образом, чтобы он обрезал АЧХ на уровне 40…50 кГц и не усиливал ненужный ультразвук, но при этом его скоростные показатели от этого улучшались.

3. Если вы обладаете уникальным слухом, и даже на малой громкости слышите частоты до 20 кГц и выше (нет никаких причин считать, что таких людей не бывает), то аппаратура предоставит вам максимально качественный звук.

А вот преднамеренно расширять АЧХ до сотен килогерц – смысла нет никакого, разве что для изготовления ультразвукового оружия…

 

20.05.2019

Счетчик