Контур равной громкости — это мера уровня звукового давления в частотном спектре, при котором слушатель воспринимает постоянную громкость при предъявлении чистых устойчивых тонов. [1] Единицей измерения уровней громкости является фон , и она получается путем ссылки на контуры равной громкости. По определению, две синусоиды разных частот имеют равный уровень громкости, измеряемый в фонах, если они воспринимаются как одинаково громкие среднестатистическим молодым человеком без значительного нарушения слуха.
Кривые Флетчера –Мэнсона являются одним из многих наборов контуров равной громкости для человеческого уха, определенных экспериментально Харви Флетчером и Уайлденом А. Мэнсоном и представленных в статье 1933 года под названием «Громкость, ее определение, измерение и расчет» в журнале Journal of the Acoustical Society of America . [2] Кривые Флетчера–Мэнсона были заменены и включены в новые стандарты. Окончательные кривые определены в ISO 226 Международной организации по стандартизации , которые основаны на обзоре современных определений, сделанных в разных странах.
Усилители часто оснащены кнопкой «громкости», технически известной как компенсация громкости , которая усиливает низко- и высокочастотные компоненты звука. Они предназначены для компенсации кажущегося падения громкости на этих частотах, особенно на низких уровнях громкости. Усиление этих частот создает более плоский контур равной громкости, который кажется громче даже на низкой громкости, предотвращая доминирование в воспринимаемом звуке средних частот, где ухо наиболее чувствительно.
Первое исследование на тему того, как ухо слышит разные частоты на разных уровнях, было проведено Флетчером и Мансоном в 1933 году. До недавнего времени термин Флетчера–Мансона обычно использовался для обозначения контуров равной громкости в целом, хотя в 1956 году Робинсон и Дадсон провели повторное определение, которое легло в основу стандарта ISO 226.
В настоящее время предпочтение отдается общему термину «контуры равной громкости» , подмножеством которых теперь являются кривые Флетчера–Мэнсона [3] , особенно после того, как исследование ISO 2003 года переопределило кривые в новом стандарте [4] .
Слуховая система человека чувствительна к частотам от около 20 Гц до максимума около 20 000 Гц, хотя верхний предел слышимости снижается с возрастом. В этом диапазоне человеческое ухо наиболее чувствительно между 2 и 5 кГц , в основном из -за резонанса слухового прохода и передаточной функции косточек среднего уха.
Флетчер и Мансон впервые измерили контуры равной громкости с помощью наушников (1933). В их исследовании испытуемые слушали чистые тона на разных частотах и с приращением интенсивности стимула более 10 дБ. Для каждой частоты и интенсивности слушатель также слушал эталонный тон на 1000 Гц. Флетчер и Мансон корректировали эталонный тон до тех пор, пока слушатель не воспринимал, что он имеет ту же громкость, что и тестовый тон. Громкость, будучи психологической величиной, трудно измерить, поэтому Флетчер и Мансон усреднили свои результаты по многим испытуемым, чтобы получить разумные средние значения. Самый низкий контур равной громкости представляет собой самый тихий слышимый тон — абсолютный порог слышимости . Самый высокий контур — это порог боли .
Черчер и Кинг провели второе определение в 1937 году, но их результаты, а также результаты Флетчера и Мансона показали значительные расхождения в некоторых частях слуховой диаграммы. [5]
В 1956 году Робинсон и Дадсон вывели новое экспериментальное определение, которое, по их мнению, было более точным. Оно легло в основу стандарта (ISO 226), который считался окончательным до 2003 года, когда ISO пересмотрела стандарт на основе последних оценок исследовательских групп по всему миру.
Ощущаемые расхождения между ранними и более поздними определениями заставили Международную организацию по стандартизации (ISO) пересмотреть стандартные кривые в ISO 226. Они сделали это в ответ на рекомендации исследования, координируемого Научно-исследовательским институтом электросвязи Университета Тохоку, Япония. Исследование вывело новые кривые путем объединения результатов нескольких исследований — исследователей из Японии, Германии, Дании, Великобритании и США. (Япония внесла наибольший вклад, предоставив около 40% данных.)
Это привело к недавнему принятию нового набора кривых, стандартизированных как ISO 226:2003. В отчете комментируются удивительно большие различия и тот факт, что исходные контуры Флетчера-Мэнсона лучше согласуются с недавними результатами, чем контуры Робинсона-Дадсона, которые, по-видимому, отличаются на целых 10–15 дБ, особенно в области низких частот, по необъясненным причинам. [6]
Согласно отчету ISO, результаты Робинсона-Дадсона были необычными, отличаясь от текущего стандарта больше, чем кривые Флетчера-Мансона. В отчете говорится, что повезло, что 40- фоновая кривая Флетчера-Мансона, на которой был основан стандарт A-взвешивания, оказалась в согласии с современными определениями. [4]
В отчете также комментируются большие различия, которые наблюдаются в области низких частот, но остаются необъясненными. Возможные объяснения: [4]
Реальные звуки из достаточно удаленного источника поступают в виде плоских волновых фронтов. Если источник звука находится прямо перед слушателем, то оба уха получают одинаковую интенсивность, но на частотах выше примерно 1 кГц звук, который входит в ушной канал, частично уменьшается тенью головы , а также сильно зависит от отражения от ушной раковины (наружного уха). Нецентральные звуки приводят к увеличению маскировки головы на одном ухе и тонким изменениям эффекта ушной раковины, особенно на другом ухе. Этот комбинированный эффект маскировки головы и отражения ушной раковины количественно определяется набором кривых в трехмерном пространстве, называемых передаточными функциями, связанными с головой (HRTF). Фронтальное представление в настоящее время считается предпочтительным при выводе контуров равной громкости, и последний стандарт ISO специально основан на фронтальном и центральном представлении.
Поскольку при обычном прослушивании через наушники HRTF не задействован, кривые равной громкости, полученные с помощью наушников, справедливы только для особого случая, называемого боковым представлением , которое не соответствует тому, как мы обычно слышим.
В определении Робинсона–Дадсона использовались громкоговорители , и долгое время разница с кривыми Флетчера–Мэнсона частично объяснялась тем, что в последнем использовались наушники. Однако в отчете ISO последний фактически указан как использующий компенсированные наушники, хотя и не ясно, как Робинсон–Дадсон достиг компенсации .
Хорошие наушники, плотно прилегающие к уху, обеспечивают ровную низкочастотную реакцию давления на ушной канал с низким искажением даже при высокой интенсивности. На низких частотах ухо является чисто чувствительным к давлению, а полость, образованная между наушниками и ухом, слишком мала, чтобы вносить модифицирующие резонансы. Таким образом, тестирование наушников является хорошим способом получения контуров равной громкости ниже примерно 500 Гц, хотя были высказаны сомнения относительно достоверности измерений с помощью наушников при определении фактического порога слышимости, основанные на наблюдении, что закрытие ушного канала приводит к повышенной чувствительности к звуку кровотока внутри уха, который мозг, по-видимому, маскирует в нормальных условиях прослушивания. [ необходима цитата ] На высоких частотах измерение с помощью наушников становится ненадежным, и различные резонансы ушных раковин (наружного уха) и ушных каналов серьезно страдают от близости к полости наушников.
С динамиками все наоборот. Плоскую низкочастотную характеристику трудно получить — за исключением свободного пространства высоко над землей или очень большой и безэховой камеры , свободной от отражений вплоть до 20 Гц. До недавнего времени [ когда? ] было невозможно достичь высоких уровней на частотах вплоть до 20 Гц без высоких уровней гармонических искажений . Даже сегодня лучшие динамики, вероятно, генерируют около 1–3% от общего гармонического искажения, что соответствует 30–40 дБ ниже основного тона. Этого недостаточно, учитывая крутой рост громкости (возрастающий до 24 дБ на октаву) с частотой, выявленной кривыми равной громкости ниже примерно 100 Гц. Хороший экспериментатор должен гарантировать, что испытуемые действительно слышат основной тон, а не гармоники — особенно третью гармонику, которая особенно сильна, поскольку перемещение диффузора динамика становится ограниченным, когда его подвеска достигает предела податливости. Возможным способом обойти эту проблему является использование акустической фильтрации, например, с помощью резонансной полости, в установке громкоговорителя. С другой стороны, плоская высокочастотная характеристика свободного поля до 20 кГц сравнительно легко достигается с помощью современных громкоговорителей на оси. Эти эффекты необходимо учитывать при сравнении результатов различных попыток измерения контуров равной громкости.
Кривая A-взвешивания , широко используемая для измерения шума , как говорят, была основана на 40-фоновой кривой Флетчера-Мэнсона. Однако исследования 1960-х годов показали, что определения равной громкости, сделанные с использованием чистых тонов, не имеют прямого отношения к нашему восприятию шума. [7] Это происходит потому, что улитка во внутреннем ухе анализирует звуки с точки зрения спектрального содержания, каждая «волосковая клетка» реагирует на узкую полосу частот, известную как критическая полоса . Высокочастотные полосы шире в абсолютном выражении, чем низкочастотные полосы, и поэтому «собирают» пропорционально больше мощности от источника шума. Однако, когда стимулируется более одной критической полосы, сигналы в мозг добавляют различные полосы, чтобы произвести впечатление громкости. По этим причинам кривые равной громкости, полученные с использованием шумовых полос, показывают наклон вверх выше 1 кГц и наклон вниз ниже 1 кГц по сравнению с кривыми, полученными с использованием чистых тонов.
Различные кривые взвешивания были получены в 1960-х годах, в частности, как часть стандарта DIN 4550 для измерения качества звука , которые отличались от кривой взвешивания A, показывая больше пика около 6 кГц. Они давали более значимую субъективную меру шума на аудиооборудовании, особенно на недавно изобретенных компактных кассетных магнитофонах с шумоподавлением Dolby , которые характеризовались шумовым спектром, в котором доминировали высокие частоты.
BBC Research провела прослушивание в попытке найти наилучшую комбинацию весовой кривой и выпрямителя для использования при измерении шума в вещательном оборудовании, изучив различные новые весовые кривые в контексте шума, а не тонов, подтвердив, что они были гораздо более достоверными, чем A-взвешивание при попытке измерить субъективную громкость шума. В этой работе также исследовалась реакция человеческого слуха на тональные импульсы, щелчки, розовый шум и множество других звуков, которые из-за своей кратковременной импульсивной природы не дают уху и мозгу достаточно времени для реагирования. Результаты были представлены в исследовательском отчете BBC EL-17 1968/8 под названием « Оценка шума в цепях аудиочастот» .
Кривая взвешивания шума ITU-R 468 , первоначально предложенная в рекомендации CCIR 468, но позднее принятая многочисленными органами по стандартизации ( IEC , BSI , JIS , ITU ), была основана на исследовании и включает в себя специальный квазипиковый детектор для учета нашей пониженной чувствительности к коротким всплескам и щелчкам. [8] Она широко используется вещателями и аудиопрофессионалами при измерении шума на вещательных трактах и аудиооборудовании, чтобы они могли субъективно сравнивать типы оборудования с различными спектрами и характеристиками шума.