VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Психоакустика. Изучение особенностей слухового восприятия звука в различных возрастных группах и их корректировка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Герасимова Т.А. 1

---

1МБОУ "Центр образования - гимназия №1" г.Тулы

Кошкин И.А. 1Герасимов В.П. 2

---

1МБОУ "Центр образования - гимназия №1" г.Тулы

2Тульский государственный университет

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность работы. Я люблю музыку и посещаю музыкальную школу по классу фортепьяно, где изучаю классику. По ее мотивам я сочиняю свои музыкальные произведения, используя синтезатор для создания новых звуков. Однажды я заметила, что некоторые слушатели плохо воспринимают определенные звуки, либо совсем их не слышат. Меня заинтересовало, чем обусловлена такая особенность слуха, какими средствами можно на нее повлиять и улучшить.

В поиске ответов на эти вопросы, я познакомилась с физической природой звука, его свойствами, особенностями его восприятия человеком.

Проведенное мной исследование показало, что проблемы слухового восприятия очень распространены. В старшей возрастной группе испытуемые не слышат от двадцати до тридцати процентов звукового спектра. Если я смогу изменить музыкальное произведение таким образом, что «неслышимый» спектр звуковых частот станет вновь доступен, музыкальное произведение для таких слушателей заново приобретет пространственность, теплоту и «объем». В этом заключается актуальность моей работы.

Изучение источников в сети Интернет [6] и книги Уильяма Брэгга [3] помогло мне представить, что такое звук, волна, частота, разобраться в базовых основах акустики, необходимых для решения моей задачи. Информацию о характеристиках звуков, их влиянии на организм, проблемах слуховой системы человека я подчерпнула в книге И.А. Варданян «Звук-Слух-Мозг». [4]

Мы слышим звук, который передается по воздуху. Мы воспринимаем звук, как нечто первичное и называем это воздействие раздражением. То, что мы слышим, мы называем ощущением [5]. Между раздражением и ощущением существуют как взаимосвязи, так и отличия, обусловленные восприятием. Проблемами восприятия звуков человеком занимается психоакустика (акустика слуха). Одним из крупнейших специалистов в этой области является д.т.н., профессор И.А. Алдошина, книга которой «Музыкальная акустика» [1] и лекции по психоакустике [2] являются наиболее полным источником информации, необходимой для решения моей задачи.

Предметом моего исследования является психоакустика и особенности восприятия музыки людьми разного возраста.

Объектом исследования выступают звуковые волны различных частот.

Целью моей работы является изучение особенностей слухового восприятия звука и поиск методов их корректировки.

Задачи работы:

изучить доступную теорию звука;

провести исследование восприятия звука разными людьми разного возраста, собрать статистику;

понять причины недостаточного восприятия звука;

найти способ корректировки этих особенностей восприятия звука.

Для решения этих задач я изучила доступную мне теорию, осуществила сбор информации и ее статистическую обработку, выдвинула гипотезу и экспериментально ее подтвердила.

Методы исследования:

Изучение теории, работа с интернет-ресурсами и литературой.

Сбор информации среди испытуемых разного возраста с использованием звукового генератора.

Статистическая обработка и анализ собранной информации, построение аудиограмм.

Проведение эксперимента по модификации частотного спектра музыкального произведения.

Новизна моей работы заключается в разработке простого метода улучшения частотно-динамического диапазона музыкального произведения для того, чтобы люди с недостатками слухового восприятия смогли услышать все детали и нюансы музыки. Надеюсь, что моя работа найдет практическое применение в музыкальных программах (плеерах), а также музыкальных интернет-сервисах, обладающих сведениями о возрасте слушателей.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Природа звука и его физические характеристики

З вук – физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Звук – это волна. Но как она выглядит? При слове «волна» сразу представляется морская волна, каждая частица которой смещается вверх и вниз в вертикальном положении, в результате чего мы можем наблюдать «змееподобное» движение. Такая волна называется поперечной.

Но звук выглядит не так. Звук является продольной волной, которая не колеблется вверх-вниз, а сжимается и растягивается. «Дорога звука» представляет из себя цепочку сжатий и растяжений, например, как у дождевого червя или движение пружинной спирали.

Звуковая волна является сжатием и последующим расширением среды, которое вызывается давлением (волной давления) в результате воздействия источника звука. Означает ли это, что в среде, где нет частиц, звук не распространяется? Да это так. В безвоздушном пространстве космоса взрыв огромной звезды, называемый вспышкой сверхновой, происходит в абсолютной тишине.

Если мы захотим визуализировать звуковую волну, то мы увидим, что волны давления, создаваемые источником звука, не перемещают частицы (молекулы) воздуха во времени с постоянной скоростью (примером такого перемещения является ветер), а заставляют их колебаться в направлении движения волны, в результате чего воздух динамически изменяет свое давление и плотность.

Следующая иллюстрация показывает сжатие и расширение воздуха в процессе распространения звуковой волны.

Воздух сжимается и расширяется, опять сжимается и т.д. Когда источник звука перестает поддерживать колебания давления, звук стихает.

Основные характеристики звуковой волны:

Амплитуда или максимальное значение давления. От амплитуды звуковой волны, то есть от максимального значения звукового давления зависит громкость звука, измеряемая в децибелах (дБ). Уровни громкости звука:

Скорость распространения, которая зависит от среды. В воздухе звук распространяется со скоростью 330 метров в секунду, что в десять раз быстрее скорости автомобиля на шоссе. Скорость звука в жидкости (воде) еще в пять раз выше, чем в воздухе. Быстрее всего звук распространяется в твердых телах.

Частота или число колебаний давления в секунду, измеряемая в герцах (Гц). Нота ля первой октавы фортепьяно имеет частоту 440 Гц. То есть давление воздуха, создаваемое инструментом при нажатии на клавишу, меняется от максимального до минимального уровня и обратно 440 раз в секунду. Визуальизация двух звуковых волн с одинаковой амплитудой, движущихся в одной среде, а значит с одинаковой скоростью, но обладающих разной частотой:

Человеческое ухо может улавливать частоту от 20 Гц (самый низкий звук), длина звуковой волны при этом составляет 17 метров, до 20 000 Гц (самый высокий звук), длина звуковой волны которого равна 1,5 см. Из-за очень большой длины волны (17 метров), низкочастотные волны хорошо огибают различные препятствия (свойство дифракции). Именно поэтому, когда за стеной играет громкая музыка, слышны бывают только низкочастотные басы.

Инфразвуком (от латинского «инфра» – ниже) называют звуковые волны настолько низкой частоты, что они не воспринимаются человеком на слух, это акустические колебания, частоты которых ниже 20 Гц. Источники инфразвука – землетрясения, вулканические извержения, потоки движущегося транспорта, двигатели ракет и самолетов. Эти звуки могут быть очень опасны ввиду того, что вызывают резонансные колебания во внутренних органах человека. Для инфразвука характерны слабое поглощение и очень большая длина волны, вследствие чего он может распространяться на далекие расстояния, что позволяет определять места взрывов, предсказывать землетрясения и цунами.

Ультразвук – звук частотой выше 20 000 Гц, тоже не воспринимается человеческим ухом. Однако его способны излучать и воспринимать некоторые животные. Так, например, дельфины, посылая и принимая возвратившиеся назад ультразвуковые импульсы, уверенно ориентируются в воде. Ультразвук помогает летучим мышам, которые обладают очень плохим зрением, успешно ловить добычу даже в полной темноте. В отличие от инфразвука, ультразвук широко используется в науке, промышленности, медицине, морской навигации.

1.2. Закон Вебера-Фехнера как основа психоакустики

Еще в XIX веке было замечено, что связи между физическими сигналами и вызываемыми ими ощущениями неоднозначны. В 1834 году был сформулирован закон Вебера: ощущение пропорционально относительному изменению параметра сигнала, а не абсолютному. Так, для того чтобы человек мог отличить один звук от другого по высоте, их частота должна различаться в 0,003 (ноль целых три тысячных) раза – константа Вебера для звука. Для того, чтобы человек смог отличить один низкий звук от другого, его частота должна измениться на 0,15 Гц. А для того, чтобы различить два высоких звука, они должны отличаться уже на 45 Гц.

Звуковые волны переносят энергию. Мерой переноса энергии является интенсивность.

На основе закона Вебера в 1860 году Г. Фехнер получил следующее соотношение между величиной ощущения и физическим параметром сигнала:

S = kͯlg(I / I₀)

где k — константа Вебера, S — величина ощущения. Например, для звукового сигнала это связь между громкостью S и интенсивностью I.

Закон Вебера-Фехнера послужил базой для многочисленных исследований в области психоакустики. Применение современных компьютерных технологий и новых алгоритмов (например, теории нейронных сетей) позволило психоакустике за последние годы значительно расширить область своих исследований в сторону высших отделов слуховой системы. Построены компьютерные модели формирования пространственного трехмерного слухового образа, новые исследования постоянно расширяют границы психоакустики как науки.

1.3. Слуховая система человека

Человек воспринимает звук с помощью своей слуховой системы. После того как звуковые волны прошли звуковой канал и вызвали механические колебания барабанной перепонки, они через систему косточек трансформируются в движение стремечка, а оно в свою очередь толкает мембрану овального окна и вызывает движение жидкости. Движение жидкости вызывает колебания базилярной мембраны, в которой возникает бегущая волна.

Дальнейшее преобразование механических колебаний в электрические импульсы происходит в волосковых клетках. Генерируется поток дискретных электрических импульсов в нервных волокнах слухового нерва. Такой механизм похож на способ передачи информации в современных компьютерах, хотя в слуховой системе эти процессы намного сложнее.

1.4. Аудиометрия

В среднем, здоровый человек слышит частоты от 20Гц до 20000 Гц. Определение слуховой чувствительности к звуковым волнам различной частоты осуществляется специальным исследованием – аудиометрией. Испытуемому подают сигнал разной частоты и интенсивности и отмечают точками величину минимального звука, который испытуемый слышит. Каждая точка показывает минимальную интенсивность звука, слышимого на данной частоте. Соединив точки, получаем график – аудиограмму (см.Приложение 2).

Современные исследования говорят о том, что человеческий мозг стремится обработать все частоты одинаково («ровная» линия на аудиограмме). При недостатке информации мозг пытается «додумать» недостающие детали.

Глава 2. Практическая часть

Я решила проверить своих родственников и знакомых на восприятие различных звуковых частот, составить аудиограммы для каждого из них и найти зависимости в изменении восприятия. Для исследования я выбрала испытуемых разных возрастов, выделив три возрастные группы:

Д ля проведения эксперимента я использовала смартфон с установленным программой «Звуковой генератор» и головные телефоны (наушники). Процесс проведения исследований представлен в Приложении 3.

Каждому испытуемому подавался сигнал разной частоты (от самой низкой до самой высокой) и интенсивности. Были отмечены величины минимальной громкости звука, который испытуемые слышали. После этого для каждого испытуемого были составлены таблицы снижения уровня восприятия звука (Приложение 1) и аудиограммы (Приложение 2).

Составленные аудиограммы наглядно показывают закономерность – снижение восприимчивости к высоким и низким частотам с возрастом. В результате мне стало понятно, почему люди, слушающие музыку, плохо воспринимают, либо совсем не слышат высокочастотые звуки.

Частотный диапазон, воспринимаемый человеческим ухом, делится на три поддиапазона: низкочастотный (басовый) – от 20 до 200 Гц, среднечастотный – от 200 Гц до 4 000 Гц и высокочастотный – от 4 000 до 20 000 Гц.

Каждый музыкальный инструмент звучит в собственном диапазоне.

При недостатке высоких частот звучание теряет пространственность, становится «плоским» и «глухим», появляется ощущение заложенности в ушах. Особенно это характерно для людей старшего возраста.

То же самое и с низкими частотами, восприимчивость к которым также снижается с возрастом. Своей любовью к музыке человек во многом обязан низким частотам, поскольку именно партии басовых инструментов придают музыке «магию», благодаря уникальной способности баса полностью заполнять окружающее пространство.

Возрастное снижение слуха зачастую имеет психофизиологическую природу. Если человек методично не интересуется определенными частотами, они перестают быть «опрошенными» с рецепторов и мозг отвыкает их использовать. Человеческому мозгу необходимо, чтобы все частоты имели одинаковый уровень громкости, так их проще обрабатывать.

Аудиограммы людей старшей возрастной группы показывают гораздо более сильное снижение порога слышимости на высоком частотном диапазоне, чем в средней возрастной группе. Аудиограммы младшей возрастной группы почти совпадают с нормальными значениями.

Мною выдвинута гипотеза: эквализация (увеличение амплитуды высоких и низких частот) для музыкального произведения позволит значительно улучшить восприятие музыкального произведения слушателями старшей возрастной группы.

Для исследования взято музыкальное произведение П.И.Чайковский – Лебединое озеро. Работа проводилась на персональном компьютере с установленным аудиоредактором звуковых файлов Audacity.

График звукового спектра музыкального произведения до обработки:

График спектра показывает, что частоты начиная с 11000 Гц звучат менее интенсивно. Помимо этого, аудиограммы испытуемых старшего возраста показывают снижение восприимчивости к частотам начиная с 6000 Гц. В их восприятии большая часть высокочастотного диапазона классического произведения пропадает и музыка становится «плоской».

Если принять во внимание особенность мозга в равномеризации уровня звучания всех частот, решить мою задачу можно усилением высоких частот.

Применив инструмент «Эквалайзер» к музыкальному произведению, мне удалось увеличить интенсивность низких и высоких частот в том диапазоне, в котором они «пропадают» для слушателей старшего возраста.

В результате эквализации график звукового спектра музыкального произведения изменился, став равномерным на средних и высоких частотах.

После прослушивания музыкального произведения, подвергнутого эквализации, все слушатели, особенно в старшей возрастной группе отметили, что звучание стало насыщенным и богатым.

Следует учесть, что параметры эквализации для каждой возрастной группы выбираются в соответствии с аудиограммами для данной группы, исходя из снижения уровня восприятия звука.

Заключение

В процессе своей работы я изучила теоретические вопросы о звуке и его волновой природе, познакомилась с основами психоакустики.

Мной было проведено исследование восприятия звука разными людьми разного возраста, собрана статистика, построены аудиограммы для разных возрастных групп, выявлена закономерность в снижении звукового восприятия в зависимости от возраста испытуемых.

В результате проделанной работы я получила подтверждение своей гипотезы о том, что эквализация музыкального произведения улучшает восприятие музыки. Для каждой возрастной группы необходимы использовать индивидуальные параметры эквализации.

Результаты настоящего исследования могут быть практически использованы для автоматической эквализации в музыкальных программах (плеерах) и музыкальных интернет-сервисах, транслирующих аудио- либо видео- контент и обладающих сведениями о возрасте слушателей. В настоящее время, такая функция в музыкальных плеерах и сервисах отсутствует.

Мне интересно дальнейшее изучение природы звука и психоакустики, а также углубленное изучение физики, математики и программирования для практического воплощения результатов моих исследований.

Список литературы

1. Алдошина И.А. Музыкальная акустика / И.А.Алдошина, Р.Приттс. СПб., 2006. – 720 с.

2. Алдошина И.А. Основы психоакустики / И.А. Алдошина // Звукорежиссер. – 2002. – №1 (32). – С.38-43

3. Брэгг У. Мир света - Мир звука, пер. с англ. / У. Брэгг. М., 1967. – 336с.

4. Варданян И.А. Звук-слух-мозг. / И.А.Варданян. Л., 1981. – 176 с.

5. Цвикер Э. Ухо как приемник информации, пер. с нем. / Э.Цвикер, Р.Фельдкеллер. М., 1971. – 255 с.

6. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. – URL: http://ru.science.wikia.com/wiki/Звук

Приложение 1

Снижение уровня слышимости (дБ) в зависимости от частоты звука

Приложение 2

Аудиограммы

Приложение 3

Проведение исследований