Слуховые аппараты виды и характеристики. Как правильно выбрать слуховой аппарат? Автоматическая регулировка усиления

С помощью звуковых сигналов человек получает до 10% информации.

Характерными особенностями слухового анализатора являются следующие способности:

• - быть готовым к приему информации в любой момент времени;
• - воспринимать звуки в широком диапазоне частот и выделять необходимые;
• - устанавливать со значительной точностью месторасположение источника звука.

В связи с этим слуховое представление информации осуществляется в тех случаях, когда оказывается возможным использовать указанные свойства слухового анализатора. Наиболее часто слуховые сигналы применяются для сосредоточенного внимания человека-оператора (предупредительные сигналы и сигналы опасности), для передачи информации человеку-оператору, находящемуся в положении, не обеспечивающем ему достаточной для работы видимости объекта управления, приборной панели и т.п., а также для разгрузки зрительной системы.

Для эффективного использования слуховой формы представления информации необходимо знание характеристик слухового анализатора. Свойства слухового анализатора оператора проявляются в восприятии звуковых сигналов. С физической точки зрения звуки представляют собой распространяющиеся механические колебательные движения в слышимом диапазоне частот.

Механические колебания характеризуются амплитудой и частотой. Амплитуда - наибольшая величина измерения давления при сгущениях и разрежениях. Частота/- число полных колебаний в одну секунду. Единицей ее измерения является герц (Гц) - одно колебание в секунду. Амплитуда колебаний определяет величину звукового давления и интенсивность звука (или силу звучания). Звуковое давление принято измерять в паскалях (Па).

Основные параметры (характеристики) звуковых сигналов (колебаний):

• - интенсивность (амплитуда);
• - частота и форма, которые отражаются в таких звуковых ощущениях, как громкость, высота и тембр.

Воздействие звуковых сигналов па звуковой анализатор определяется уровнем звукового давления (Па). Интенсивность (сила) звука (Вт/м) определяется плотностью потока звуковой энергии (плотностью мощности).

Для характеристики величин, определяющих восприятие звука, существенными являются не столько абсолютные значения интенсивности звука и звукового давления, сколько их отношение к пороговым значениям (У0 = 10"12 Вт/м2 или Р0 = = 2 o 10~° Па). В качестве таких относительных единиц измерения используют децибелы (дБ):

где Ь - уровень интенсивности звука и звукового давления; ] и Р - соответственно интенсивность звука и звуковое давлением/о и Р0 - их пороговые значения.

Интенсивность звука уменьшается обратно пропорциональны квадрату расстояния; при удвоении расстояния она снижается на 6 дБ. Абсолютный порог слышимости звука составляет (принят) 2 o 10~5 Па (Ю-12 Вт/м2) и соответствует уровню 0 дБ.

Пользование шкалой децибел удобно, так как почти весь диапазон слышимых звуков укладывается менее чем в 140 дБ (рис. 2.11).

Громкость - характеристика слухового ощущения, наиболее тесно связанная с интенсивностью звука. Уровень громкости выражается в фонах. Фон численно равен уровню

Рис. 2.11.

звукового давления в дБ для чистого тона частотой 1000 Гц. Дифференциальная чувствительность к изменению громкости К= (Л///) наблюдается в диапазоне частот 500-1000 Гц. С характеристикой громкости тесно связана характеристика раздражающего действия звука. Ощущение неприятности звуков возрастает с увеличением их громкости и частоты.

Минимальный уровень определенного звука, который требуется для того, чтобы вызвать слуховое ощущение в отсутствие шума, называют абсолютным порогом слышимости. Значение его зависит от топа звука (частота, длительность, форма сигнала), метода его осуществления и субъективных особенностей слухового анализатора оператора. Абсолютный порог слышимости имеет тенденцию с возрастом уменьшаться (рис. 2.12).

Высота звука, как и его громкость, характеризует звуковое ощущение оператора. Частотный спектр слуховых ощущений простирается от 16-20 до 20 000^22 000 Гц. В реальных условиях человек воспринимает звуковые сигналы на определенном акустическом фоне. При этом фон может маскировать полезный сигнал. Эффект маскировки имеет двоякое значение. В ряде случаев фон может маскировать полезный (нужный) сигнал, а в некоторых случаях - улучшать аку

Рис. 2.12.

стическую обстановку. Так, известно, что имеется тенденция маскировки высокочастотного тона низкочастотным, который менее вреден для человека.

Слуховой анализатор способен фиксировать даже незначительные изменения частоты входного звукового сигнала, т.е. обладает избирательностью, которая зависит от уровня звукового давления, частоты и длительности звукового сигнала. Минимально заметные различения составляют 2-3 Гц и имеют место на частотах менее 10 Гц, для частот более 10 Гц минимально заметные различения составляют около 0,3% частоты звукового сигнала. Избирательность повышается при уровнях громкости 30 дБ и более и длительности звучания, превышающей 0,1 с. Минимально заметные различения частоты звукового сигнала существенно уменьшаются при его периодическом повторении. Оптимальными считаются сигналы, повторяющиеся с частотой 2-3 Гц. Слышимость, а следовательно, и обнаруживаемость звукового сигнала зависят от длительности его звучания. Так, для обнаружения звуковой сигнал должен длиться не менее 0,1 с.

Наряду с рассмотренными звуковыми сигналами в управлении используются речевые сигналы для передачи информации или команд управления от оператора к оператору. Важным условием восприятия речи является различение длительности и интенсивности отдельных звуков и их комбинаций. Среднее время длительности произнесения гласного звука равно примерно 0,36 с, согласного 0,02-0,03 с. Восприятие и понимание речевых сообщений существенно зависят от темпа их передачи, наличия интервалов между словами и фразами. Оптимальным считается темп 120 слов в мин, интенсивность речевых сигналов должна превышать интенсивность шумов на 6,5 дБ. При одновременном увеличении уровня речевых сигналов и шумов при постоянном их отношении разборчивость речи сохраняется и даже несколько увеличивается. При значительном увеличении уровня речи и шума до 120 и 115 дБ разборчивость речи ухудшается на 20%. Распознавание речевых сигналов зависит от длины слова. Так, односложные слова распознаются в 13% случаев, шестисложные - в 41%. Это объясняется наличием в сложных словах большого числа опознавательных признаков. Имеет место повышение до 10% точности распознавания слов, начинающихся с гласного звука. При переходе к фразам оператор воспринимает не отдельные слова или их сочетания, а смысловые грамматические конструкции, длина которых (до уровня 11 слов) не имеет особого значения.

Полезно знать, что используемые стереотипные словосочетания, фразеологизмы распознаются значительно хуже, чем это можно ожидать. Увеличение количества альтернативных слов, возможных словосочетаний, фраз повышает правильность распознавания. Однако включение фраз, допускающих неоднозначность толкования их смыслового содержания, приводит к замедлению процесса восприятия.

Таким образом, вопрос организации звукового и речевого взаимодействия "оператор - оператор", "техническое средство - оператор" является не тривиальным, и его оптимальное решение оказывает существенное воздействие на безопасность производственных процессов.

12188 0

Успехи в технологии разработки СА определяются, прежде всего, совершенствованием их компонентов, что выражается в улучшении акустических и электрических характеристик, а также в миниатюризации и повышении надежности компонентов.

Источники питания

Как правило, чем больше усиление и выходной УЗД насыщения СА, тем большей должна быть емкость батареи и, соответственно, большим ее размер. Наиболее распространенными являются воздушно-цинковые батареи (до 63%), в то время как ртутные не превышают 36%, хотя и намечается тенденция к их вытеснению.

Применение других типов батарей - оксид-серебряных или никель-кадмиевых - весьма ограничено. Основным отличительным свойством батарей слуховых аппаратов является относительно пологая характеристика их разряда. Это означает, что в течение жизни батареи она не разряжается резко. Емкость батареи измеряется в мА/час.

При известном разряде тока жизнь батареи определяется по формуле: емкость, деленная на разряд тока. Формула эта справедлива для усилителей типа А, так как разряд тока постоянен и не зависит от установки громкости или входного уровня. В усилителях же типа Б время жизни батареи установить достаточно сложно.

В данном классе усилителей разряд тока - величина непостоянная. Кроме того, разряд имеет большие значения при высоких входных уровнях, высоких уровнях усиления, высоких уровнях окружающего шума, а также при сдвинутом в низкочастотную область диапазоне усиления. Для усилителей класса Б (пуш-пульных, с большим усилением и уровнями выхода) обычными являются значения разряда, равные 3-15 мА.

Преобразователи

К преобразователям СА относятся микрофоны и телефоны. Они активируются одним видом энергии, преобразуя его в другую форму.

Микрофоны. Они преобразуют звуковое давление в небольшие аналоговые электрические сигналы. В микрофонах, используемых в течение десятилетий в слуховых аппаратах, применялись различные принципы, в частности, углеродные и пьезоэлектрические микрофоны (1930). Электромагнитный микрофон с низким входным сопротивлением был впервые применен в 1946 г. в карманном СА и послужил основанием для разработки в начале 1950-х годов транзисторного усилителя. Ограничения данного класса микрофонов - плохая низкочастотная характеристика ответа и относительно высокая чувствительность к механическим повреждениям и вибрации.

Начиная с 1971 г., в СА используются электретные микрофоны, что обусловлено их высокой чувствительностью, прекрасным широкополосным частотным ответом и качеством звука, небольшими размерами, надежностью, низким внутренним шумом и низкой чувствительностью к механическим вибрациям.
Категории: микрофоны, используемые в СА, могут характеризоваться как по давлению (всенаправленные), так и по градиенту давления (направленные).

К дополнительному входу, используемому в СА, относится индукционная катушка. Она используется как при разговоре по телефону, так и в помещениях с индукционной петлей.

Кроме того, в большинстве современных СА имеется аудиовход, обеспечивающий подсоединение СА к внешним источникам звуков.

Телефоны (или приемники) предназначены для преобразования усиленного электрического сигнала в акустический или вибраторный сигнал на выходе. Соответственно, различаются телефоны воздушного и костного звукопроведения.

Усилители

Усилитель предназначен для усиления слабого электрического сигнала на выходе микрофона. Нередко процесс усиления разделяется на несколько стадий. В современных СА усиление обеспечивается использованием транзисторов, которые могут рассматриваться как полупроводниковые резисторы, регулирующие ток или действующие как преобразователь. Так в СА он преобразует ток, поступающий от батареи, в требуемый на выходе ток. При этом общее усиление контролируется входным током микрофона.

Как правило, усилители, используемые в СА, представляют собой монолитные интегральные схемы или же гибридные интегральные схемы, а также их комбинации.

Схемы, используемые в СА, имеют три или более стадий усиления. Финальная выходная стадия усилителя может подразделяться на классы А, В и D.

Класс А обычно используется в СА с низким усилением и выходным УЗД, в которых пиковое усиление не превышает 50 дБ. Они имеют постоянный разряд тока вне зависимости от уровня входного сигнала.

При необходимости использования большего усиления применяются пуш-пульные СА, в которых используются усилители класса В. В них имеются два раздельных устройства, обеспечивающих усиление отрицательных и положительных циклов входной волны. При отсутствии сигнала на входе отсутствует и разряд тока. Иными словами, они более экономичны. Выходная стадия усиления данного класса усилителей теоретически может обеспечить в 4 раза большую амплитуду выходного сигнала в телефоне, по сравнению классом А. Кроме того, усилители класса В обеспечивают больший выходной уровень на высоких частотах.

Усилители класса D - в отличие от предыдущих встроены непосредственно в телефон. Это позволяет запустить телефон относительно низкими уровнями переменного тока. К преимуществам интегральных схем данного класса относятся: 1) меньшее количество элементов и размеры; 2) меньший ток; 3) более высокий уровень насыщения; 4) повышенная надежность СА, обусловленная меньшим количеством внешних связей. Однако, учитывая то, что в современных усилителях класса В также используется минимальное количество внешних связей, отмеченные преимущества относятся прежде всего к классу А.

Наконец усилители подразделяются на одно- и многополосные. Используемые до 1987 года однополосные усилители обеспечивали лишь регулировку высоких и низких частот.

Многополосные усилители аналогичны графическим эквалайзерам. Они обеспечивают раздельную регулировку усиления раздельных частотных полос.

Регулировки

Регулировкам принадлежит особая роль в изменении характеристик СА. Наиболее часто используемой является регулировка усиления, применяемая больным и представляющая собой переменное сопротивление.

Существует также триммерный контроль усиления, представляющий собой регулировку усиления, используемую специалистом.

Электронная регулировка тембра - меняет частотный ответ СА и включает набор фильтров (конденсаторов, сопротивлений). Изменения частотного ответа регулируются дискретной установкой при помощи переключателя или плавной установкой при помощи отвертки. Набор фильтров имеет диапазон от простого пассивного фильтра первого порядка до активных фильтров более высокого уровня, обеспечивающих большее низкочастотное и высокочастотное подавление, а также фильтрацию отдельных полос в многополосных СА.

Регулировка выходного уровня звукового давления (SSPL90) используется для обеспечения максимального выходного уровня, не достигающего однако порогов дискомфорта пациента. Диапазон составляет 15-25 дБ.
Другие регулировки представлены автоматической регулировкой усиления, схемами подавления обратной связи (в основном подавлением высокочастотного усиления, однако иногда и фильтрами).

Ограничивающие системы

Предназначением каждого СА является усиление слабых звуков до достаточно громкого уровня, однако, без их чрезмерного усиления, достигающего дискомфортных уровней. Каждый слуховой аппарат имеет максимально достижимый УЗД (насыщение, перегрузка), определяемый телефоном, напряжением батареи, а также усилителем. На практике, однако, ограничения преимущественно определяются усилителем. Эти уровни могут регулироваться и устанавливаться ниже уровня насыщения.

Концепция линейного усиления

Усиление линейного аппарата отображено кривыми входа/выхода.

Линейное усиление означает, что выходной сигнал всегда пропорционален входному сигналу. При увеличении входного УЗД выходной УЗД увеличивается на ту же самую величину до достижения уровня насыщения, после чего дальнейшее увеличение входного УЗД не сопровождается изменением выходного. В большинстве линейных СА насыщение достигается при уровне входного сигнала 90 дБ УЗД.

Передаточная функция (характеристики входа/выхода) всегда изображается под углом в 45° к абсциссе, если и абсцисса, и ордината имеют одинаковую шкалу. Линейное усиление может быть описано как отношение 1:1 в рабочем диапазоне, с наклоном в 45° или постоянным усилением. В подобных системах при достижении уровня насыщения имеет место клиппирование пиков.

Ограничение выхода путем непосредственного его регулирования.

Клиппирование пиков является самым простым способом ограничения выходного уровня СА и определяется как удаление электронным путем пиков сигнала одной или обеих полярностей.

К преимуществам жесткого клиппирования относятся его конструктивная простота и малые размеры при обеспечении эффективного ограничения выхода.

К недостаткам жесткого клиппирования прежде всего следует отнести возникновение гармонических и интермодуляционных искажений над уровнем ограничения.
Данный вид клиппирования является разновидностью нелинейного усиления, которое характеризуется медленным увеличением выходного уровня при увеличении входного уровня.

Ограничение выхода путем регулирования усиления в зависимости от времени: схемы обратной связи, преобразования, адаптивные слуховые аппараты.

Автоматическая регулировка усиления

Данные системы имеют встроенную схему, автоматически уменьшающую электронное усиление СА как функцию величины сигнала, подлежащего усилению. Усиление уменьшается, однако способ этот отличается от клиппирования. Двумя основными задачами данной системы являются: 1) снижение усиления СА при повышении входного УЗД таким образом, что не достигается предел выходных характеристик, а искажения снижаются и 2) снижение динамического диапазона выходного сигнала и приведение его к динамическому диапазону поврежденного уха.

Уровень усиления контролируется автоматически. Данный процесс описывается также как компрессия имеющегося динамического диапазона в меньший диапазон. Иными словами, компрессия сводит к минимуму искажения при высоких уровнях входного сигнала, перераспределяет динамический диапазон речи, выполняет функции автоматического регулятора громкости, обеспечивает слуховой комфорт в шумной обстановке.

Кривая входа/выхода СА с автоматической регулировкой усиления может быть разделена на 3 части: линейный отрезок при низких входных значениях УЗД, когда прибавки во входном УЗД вызывают равные прибавки в выходном УЗД; отрезок, соответствующий компрессии, когда прибавки во входном УЗД вызывают меньшие прибавки в выходном УЗД; отрезок с ограничениями, когда прибавки во входном УЗД не оказывают существенного влияния на выходной УЗД.

Компрессия характеризуется следующими понятиями:

Ограничительный уровень - уровень, которым ограничен выходной уровень насыщения СА.

Колено компрессии - порог компрессии или порог автоматической регулировки усиления. Порог компрессии - это минимальный входной уровень, необходимый для срабатывания компрессии. Колено компрессии может быть охарактеризовано как точка, в которой кривая входа/выхода отстоит на 2 дБ по оси выходного УЗД от продолжения линейного участка кривой входа/выхода (при нелинейной компрессии). Уровень, на котором проявляется это колено, различает аппараты с высокими и низкими уровнями компрессии.

Коэффициент компрессии - степень компрессии представляет собой результат отношения величины изменения (увеличения) входного УЗД к величине изменения (увеличения) выходного УЗД в области действия компрессии.

Коэффициент компрессии может определяться также как отношение порога дискомфорта к величине динамического диапазона.

Постоянная времени. В процессе стабилизации при новых значениях усиления возникают временные задержки, обусловленные схемами обратной связи.

Время атаки (время срабатывания) относится к промежутку времени, необходимому для схемы обратной связи для установки нового значения усиления при высокоинтенсивных сигналах на входе. Как правило, время атаки равно 1 - 5 мс.

Время восстановления относится к промежутку времени, необходимому для схемы обратной связи для возвращения сниженных значений усиления к предыдущим величинам, когда прекращается подача высокоинтенсивных сигналовна вход. Время восстановления всегда больше времени атаки. Время восстановления может колебаться от 40 мс до нескольких секунд.

Компрессия может разделяться на низкопороговую и высокопороговую.

Нелинейная компрессия. При нелинейной компрессии коэффициент компрессии меняется в зависимости от входного уровня.

Рассматривая весь диапазон компрессии, можно вычислить средний эффективный коэффициент компрессии.

Большинство компрессионных технологий можно разделить на следующие категории: компрессия, регулируемая по входу (AGC-I), и компрессия, регулируемая по выходу (AGC-0).

Компрессия, регулируемая по входу. При компрессии сигнала до его усиления можно использовать низкие значения порога и коэффициента компрессии. Можно также использовать AGC-I для ограничения компрессии при высоких значениях порога и коэффициента компрессии. При этом следует иметь в виду, что положение регулятора громкости влияет на максимальный выходной уровень сигнала.

В некоторых СА используется фронтальная AGC-I (высокий порог для ограничения компрессии) и вторичная AGC-I для компрессии обычных сигналов ниже высокого порога срабатывания входной компрессии. Применяется также первичная нелинейная обработка сигнала, предполагающая использование низкого порога компрессии для восстановления нормального ощущения громкости.
В данном случае при компрессии сигнала после его усиления необходимо использовать высокие значения порога и коэффициента компрессии. Положение регулятора громкости минимально влияет на максимальный выходной уровень сигнала. Первичная линейная обработка не предназначена для восстановления нормального ощущения громкости, а используется в основном для уменьшения искажений (сравните с клиппированием) при высоких уровнях входного сигнала.

Ограничение компрессии

Ограничение компрессии может быть использовано как при компрессии, регулируемой по входу, так и при компрессии, регулируемой по выходу. При этом отсутствует необходимость в использовании специальной электронной схемы. Ограничение компрессии используется для предотвращения искажений, дискомфорта и болевых ощущений при громких звуках. Обычно применяются высокие значения порога и коэффициента компрессии. Данная функция может быть сравнена с "ударом по тормозам".

Следующей разновидностью компрессии является компрессия в широком динамическом диапазоне. В данном случае используется низкий порог компрессии - не выше 55 дБ. Иногда именуется компрессией в полном динамическом диапазоне.

Слоговая компрессия. Компрессия с низкими значениями порогов и коэффициентов характеризуется коротким временем срабатывания и отпускания - 50 - 150 мс.

Таким образом, ограничение усиления может происходить как при компрессии, регулируемой по входу, так и при компрессии, регулируемой по выходу, однако компрессия, регулируемая по входу, не обязательно ограничивает усиление, в то время как компрессия, регулируемая по выходу, всегда ограничивает усиление.

Компрессия в широком динамическом диапазоне всегда является компрессией, регулируемой по входу. В то же время, компрессия, регулируемая по входу, не обязательно является компрессией в широком динамическом диапазоне.

Слоговая компрессия всегда является компрессией в широком динамическом диапазоне, но последняя не всегда является слоговой.

Автоматическая обработка сигнала (ASP)

Представлена схема, включающая многообразие принципов обработки сигнала. До настоящего времени в подобных схемах предусматривалось ослабление усиления на высоких уровнях и/или увеличение усиления на низких уровнях без изменения частотных характеристик (фиксированный частотный ответ - FFR). В данных схема предусмотрено использование схем традиционной автоматической обработки сигнала (схем автоматической регулировки усиления или компрессии).

В современных схемах предусмотрено также и изменение частотного ответа как функции входного сигнала (частотный ответ, зависящий от уровня - LDFR).
Тип 1 (BILL) - повышение низких частот на низких уровнях и понижение их на высоких уровнях.

Тип 2 (TILL) - повышение высоких частот на низких уровнях и понижение их на высоких уровнях.

Тип 3 (PILL) - программируемое повышение (модификация частотного ответа) на низких уровнях, зависящее от уровня, в нескольких частотных полосах.

Схема К-амр

Наиболее распространенными схемами автоматической обработки сигнала являются схемы, обеспечивающие усиление низких частот на низких уровнях и снижение их на высоких. В отличие от этого, в К-амр на низких уровнях усиливаются высокие частоты, которые ослабляются на высоких уровнях. Как правило, данный тип используется у больных с высокочастотной тугоухостью.

Электроакустические искажения, влияющие на характеристики слухового аппарата.

Искажения

Гармонические искажения возникают при прохождении сигнала через нелинейный усилитель. Усилитель искажает сигнал за счет использования части энергии входного сигнала и передачи его в виде нового сигнала или продуктов искажений, расположенных на частотах, кратных частоте входного сигнала. Так, например, если входной сигнал с основной частотой, равной 500 Гц, проходит через нелинейный усилитель, то результатом будет образование новых сигналов, имеющих частоты кратные основной частоте, а именно, 1000, 1500 и 2000, 2500 Гц и т.д.

При разделении гармоник с основной частотой в выходном сигнале и измерении отношения общего значения гармоник и основной частоты определяется коэффициент гармонических искажений. Чем больше нелинейность усилителя, тем больше гармонические искажения и тем хуже качество усиленных звуков.

Интермодуляционные искажения - это отношение мощности выходного сигнала на частотах, отличных от поступивших к слуховому аппарату, и мощности входного сигнала. Интермодуляционные искажения могут быть продемонстрированы при рассмотрении двух входных частот (например, 500 и 700 Гц) равной амплитуды, однако не связанных гармонически. Как результат прохождения их через нелинейную систему мы имеем на выходе сложный ответ, состоящий как из этих частот, так и из их гармоник (500, 1000, 15000 и 2000; 700, 1400, 2100 Гц).

Дополнительно в ответе присутствуют частоты, соответствующие сумме и разнице двух указанных частот: 1200 и 200 Гц. При сложном входном сигнале, таком как речь, и при высоких уровнях окружающего шума, добавляется значительно большее количество частот.

Существуют также частотные (амплитудные или линейные) и фазовые искажения.

Транзиентные искажения - результат механического и электрического резонанса. Для исключения транзиентных искажений усиление должно быть на 9 дБ меньше оптимального ответа.

Приводим основные характеристики СА:
- Входной УЗД;
- Выходной УЗД;
- УЗД насыщения;
- Акустическое усиление;
- Частотный ответ;
- Частотный диапазон;
- Гармонические искажения;
- Эквивалентный уровень шума на входе;
- Ток батареи;
- Характеристики входа/выхода (для СА с АРУ);
- Динамические характеристики АРУ.

Шум слухового аппарата

Шум усилителя СА может суммироваться с входным сигналом, что изменяет его характеристики. Данный шум не относится к нелинейностям входного сигнала и обычно измеряется как соотношение сигнал/шум. Основным источником шума является микрофон. Дополнительные шумы могут возникать при неадекватном отключении батареи и схемы усилителя.

Обратная связь

Акустическая. Имеет место, когда выходной сигнал воспринимается микрофоном СА и усиливается. Она может быть также обусловлена неадекватным ушным вкладышем или трубкой, а также плохой акустической изоляцией преобразователей (и особенно при высоких значениях усиления) и наличием острых резонансных пиков в частотном ответе СА.

Механическая. Проявляется при механической вибрации телефона, передающейся к близко расположенному микрофону. С целью ее исключения используются резиновые амортизаторы-изоляторы, а также соответствующее расположение микрофона и телефона.

Магнитная. Имеет место при взаимодействии индукционной катушки с другими магнитными полями, например телефона.

Я.А. Альтман, Г. А. Таварткиладзе

С помощью слухового анализатора человек ориентируется в звуковых сигналах окружающей среды, формирует соответствующие поведенческие реакции, например оборонительные или пищедобывательные. Способность восприятия человеком разговорной и вокальной речи, музыкальных произведений делает слуховой анализатор необходимым компонентом средств общения, познания, приспособления.

Общая характеристика

Адекватным раздражителем для слухового анализатора являются звуки, т.е. колебательные движения частиц упругих тел, распространяющихся в виде волн в самых различных средах, включая воздушную, и воспринимающиеся ухом. Звуковые волновые колебания (звуковые волны) характеризуются частотой и амплитудой. Частота звуковых волн определяет высоту звука. Человек различает звуковые волны с частотой от 20 до 20 000 Гц. Звуки, частота которых ниже 20 Гц (инфразвуки) и выше 20 000 Гц (20 кГц) (ультразвуки), человеком не ощущаются. Звуковые волны, имеющие синусоидальные или гармонические колебания, называют тоном. Звук, состоящий из не связанных между собой частот, называют шумом. При большой частоте звуковых волн тон высокий, при малой - низкий. Второй характеристикой звука, которую различает слуховая сенсорная система, является его сила, зависящая от амплитуды звуковых волн. Сила звука или его интенсивность воспринимаются человеком как громкость. Ощущение громкости нарастает при усилении звука и зависит также от частоты звуковых колебаний, т.е. громкость звучания определяется взаимодействием интенсивности (силы) и высоты (частоты) звука. Единицей измерения громкости звука является бел, в практике обычно используется децибел (dB), т.е. 0,1 бела. Человек различает звуки также по тембру («окраске»). Тембр звукового сигнала зависит от спектра, т.е. от состава дополнительных частот (обертонов), которые сопровождают основной тон (частоту). По тембру можно различить звуки одинаковой высоты и громкости, на чем основано узнавание людей по голосу.

Чувствительность слухового анализатора определяется минимальной силой звука, достаточной для возникновения слухового ощущения. В области звуковых колебаний от 1000 до 3000 в 1 секунду, что соответствует человеческой речи, ухо обладает наибольшей чувствительностью. Эта совокупность частот получила название речевой зоны. В данной области воспринимаются звуки, имеющие давление меньше 0,001 бара (1 бар составляет приблизительно одну миллионную часть нормального атмосферного давления). Исходя из этого в передающих устройствах, чтобы обеспечить адекватное понимание речи, речевая информация должна передаваться в речевом диапазоне частот.

Отделы слухового анализатора

Периферическим отделом слухового анализатора, превращающим энергию звуковых волн в энергию нервного возбуждения, являются рецепторные волосковые клетки кортиева органа (орган Корти), находящегося в улитке. Слуховые рецепторы (фонорецепторы) относятся к механорецепторам, являются вторичными и представлены внутренними и наружными волосковыми клетками. У человека приблизительно 3500 внутренних и 20 000 наружных волосковых клеток, которые расположены на основной мембране внутри среднего канала внутреннего уха. Внутреннее (звуковоспринимающий аппарат), а также среднее (звукопередающий аппарат) и наружное ухо (звукоулавливающий аппарат) объединяются в понятие орган слуха.

Наружное ухо за счет ушной раковиныобеспечивает улавливание звуков, концентрацию их в направлении наружного слухового прохода и усиление интенсивности звуков. Кроме того, структуры наружного уха выполняют защитную функцию, охраняя барабанную перепонку от механических и температурных воздействий внешней среды.

Среднее ухо (звукопроводящий отдел) представлено барабанной полостью, где расположены три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко. От наружного слухового прохода среднее ухо отделено барабанной перепонкой. Рукоятка молоточка вплетена в барабанную перепонку, другой его конец сочленен с наковальней, которая в свою очередь сочленена со стремечком. Стремечко прилегает к мембране овального окна. Площадь барабанной перепонки (70 мм 2) значительно больше площади овального окна (3,2 мм 2), благодаря чему происходит усиление давления звуковых волн на мембрану овального окна примерно в 25 раз. Рычажный механизм косточек уменьшает амплитуду звуковых волн примерно в 2 раза - следовательно, происходит такое же усиление звуковых волн на овальном окне. Таким образом, среднее ухо усиливает звук примерно в 60-70 раз. Если же учитывать усиливающий эффект наружного уха, то эта величина вырастает в 180-200 раз. Среднее ухо имеет специальный защитный механизм, представленный двумя мышцами - мышцей, натягивающей барабанную перепонку, и мышцей, фиксирующей стремечко. Степень сокращения этих мышц зависит от силы звуковых колебаний. При сильных звуковых колебаниях мышцы ограничивают амплитуду колебаний барабанной перепонки и движение стремечка, предохраняя тем самым рецепторный аппарат внутреннего уха от чрезмерного возбуждения и разрушения. При мгновенных сильных раздражениях (удар в колокол) этот защитный механизм не успевает срабатывать. Сокращение обеих мышц барабанной полости осуществляется по механизму безусловного рефлекса, который замыкается на уровне стволовых отделов мозга.

В барабанной полости поддерживается давление, равное атмосферному, что очень важно для адекватного восприятия звуков. Эту функцию выполняет евстахиева труба, которая соединяет полость среднего уха с глоткой. При глотании труба открывается, вентилируя полость среднего уха и уравнивая давление в нем с атмосферным. Если внешнее давление быстро меняется (быстрый подъем на высоту), а глотания не происходит, то разность давлений между атмосферным воздухом и воздухом в барабанной полости приводит к натяжению барабанной перепонки и возникновению неприятных ощущений («закладывание ушей»), снижению восприятия звуков.

Внутреннее ухо представлено улиткой -спирально закрученным костным каналом, имеющим 2,5 завитка, который разделен основной мембраной и мембраной Рейснера на три узкие части (лестницы). Верхний канал (вестибулярная лестница) начинается от овального окна, соединяется с нижним каналом (барабанная лестница) через геликотрему (отверстие в верхушке) и заканчивается круглым окном. Оба канала представляют собой единое целое и заполнены перилимфой, сходной по составу со спинномозговой жидкостью. Между верхним и нижним каналами находится средний (средняя лестница). Он изолирован и заполнен эндолимфой. Внутри среднего канала на основной мембране расположен собственно звуковосприни- мающий аппарат - орган Корти (кортиев орган) с рецепторными клетками, представляющий периферический отдел слухового анализатора. Основная мембрана вблизи овального окна по ширине составляет 0,04 мм, затем по направлению к вершине она постепенно расширяется, достигая у геликотремы 0,5 мм. Над кортиевым органом лежит текториальная (покровная) мембрана соединительнотканного происхождения, один край которой закреплен, второй - свободен. Волоски наружных и внутренних волосковых клеток соприкасаются с текториальной мембраной. При этом энергия звуковых волн трансформируется в нервный импульс.

Проводниковый отдел слухового анализатора представлен периферическим биполярным нейроном, расположенным в спиральном ганглии улитки (первый нейрон). Волокна слухового (или кохлеарного) нерва, обра образованные аксонами нейронов спирального ганглия, заканчиваются на клетках ядер кохлеарного комплекса продолговатого мозга (второй нейрон). Затем после частичного перекреста волокна идут в медиальное коленчатое тело метаталамуса, где опять происходит переключение (третий нейрон), отсюда возбуждение поступает в кору (четвертый нейрон). В медиальных (внутренних) коленчатых телах, а также в нижних буграх четверохолмия располагаются центры рефлекторных двигательных реакций, возникающих при действии звука.

Корковый отдел слухового анализатора находится в верхней части височной доли большого мозга (верхняя височная извилина, 41-е и 42-е поля по Бродману). Важное значение для функции слухового анализатора имеют поперечные височные извилины (извилины Гешля).

Слуховая сенсорная система дополняется механизмами обратной связи, обеспечивающими регуляцию деятельности всех уровней слухового анализатора с участием нисходящих путей. Такие пути начинаются от клеток слуховой коры, переключаясь последовательно в медиальных коленчатых телах метаталамуса, задних (нижних) буграх четверохолмия, в ядрах кохлеарного комплекса. Входя в состав слухового нерва, центробежные волокна достигают волосковых клеток кортиева органа и настраивают их на восприятие определенных звуковых сигналов.



В системах управления значительная часть инфор­мации поступает к человеку в форме звуковых сигна­лов. Отражающие эти сигналы ощущения вызываются действием звуковой энергии на слуховой анализатор. Он состоит из уха, слухового нерва и сложной систе­мы нервных связей и центров мозга. В аппарат, обо­значаемый термином «ухо», входят: наружное (звуко­улавливающий аппарат), среднее (звукопередающий аппарат) и внутреннее (звуковоспринимающий аппа­рат) ухо. Ухо воспринимает определенные частоты звуков благодаря функциональной способности волокон его мембраны к резонансу. Физиологическое значение наружного и среднего уха заключается в проведении и усилении звуков. Слуховой анализатор человека улав­ливает форму волны, частотный спектр чистых тонов и шумов, осуществляет анализ и синтез в определенных пределах частотных компонент звуковых раздражении, обнаруживает и опознает звуки в большом диапазоне интенсивностей и частот. Слуховой анализатор позво­ляет дифференцировать звуковые раздражения и оп­ределять направление звука, а также удаленность его источника. Источником звуковых волн может быть любой процесс, вызывающий местное изменение дав­ления или механические напряжения в среде. Слухо­вой аппарат человека воспринимает как слышимый звук колебания с частотой 16 Гц - 20 кГц; ухо наибо­лее чувствительно к колебаниям в области средних частот - от 1000 до 4000Гц. Звуки частот ниже 16 Гц называются инфразвуками, а выше 20кГц - ультразву­ками. Инфразвуки и ультразвуки также могут оказы­вать воздействие на организм, но оно не сопровожда­ется слуховым ощущением.

Физически звук характеризуется амплитудой (ин­тенсивностью), частотой и формой звуковой волны. Интенсивностью звукового сигнала принято считать силу звука в Вт/м2. Так как сила звука пропорциональ­на квадрату звукового давления, то в практике пси­хофизиологической акустики чаще всего используется непосредственно звуковое давление, выраженное в децибелах от исходного уровня, равного 2x10-5 Па. Сила звука в децибелах определяется выражением

где J - сила звука данного сигнала; J 0 - исходный уровень силы звука эталонного сигнала.

Так как , то

где а - коэффициент пропорциональности; Р зв - зву­ковое давление; - исходный уровень давления.

Давление 210 -5 Па при частоте 2000 Гц соот­ветствует силе звука, равной 10 ~12 Вт/м2, и считается абсолютным порогом звукового анализатора.

В реальных условиях деятельности человеку прихо­дится воспринимать звуковые сигналы на том или ином фоне. При этом фон может маскировать полезный сигнал, что, естественно, затрудняет его обнаружение. При разработке и конструировании акустических ин­дикаторов задача борьбы с эффектом маскировки и поисков оптимального отношения интенсивности полезного сигнала к интенсивности шума (фона) являет­ся одной из важнейших.

Основными количественными характеристиками слухового анализатора являются абсолютный и диф­ференциальный пороги. Нижний абсолютный порог соответствует интенсивности звука в децибелах, обна­руживаемого испытуемым с вероятностью 0,5; верхний порог - интенсивность, при которой возникают раз­личные болевые ощущения (щекотание, покалывание, головокружение и т.д.). Между ними расположена область восприятия речи (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Линии равной громкости.

Рис. 11.8. Дифференциальные пороги слухового анализатора:

а - по интенсивности (D 13); б - по частоте (D F).

Человек оценивает звуки, различные по интенсив­ности, как равные по громкости, если частоты их так­же различны. Например, тон с интенсивностью 120 дБ и частотой 10 Гц оценивается как равный по громкости тону, имеющему интенсивность 100 дБ и частоту 1000 Гц. Таким образом, снижение интенсивности как бы компенсируется увеличением частоты. Субъектив­ное ощущение интенсивности звука называется гром­костью и измеряется в фонах. Уровень громкости в фонах численно равен интенсивности звука в децибе­лах для чистого тона частотой 1000 Гц, воспринимае­мого как равногромкий с данным звуком.

Величина едва различимой прибавки к исходному звуковому раздражителю зависит не только от его интенсивности, но и от частоты. В пределах среднего участка диапазона изменения звука по частоте и интенсивности величина энергетического дифференци­ального порога примерно постоянна и составляет 0,1 от исходной интенсивности раздражителя (рис. 11.8, а).

Дифференциальный порог по частоте зависит как от частоты исходного звука, так и от его интенсивно­сти. В пределах от 60 до 2000 Гц при интенсивности звука выше 30 дБ абсолютная величина едва различи­мой прибавки равна примерно 2 - 3 Гц. Для звуков выше 2000 Гц эта величина резко возрастает и изменя­ется пропорционально росту частоты (рис. 11.8, б). От­носительная величина дифференциального порога для звуков в зоне 200- 16000 Гц является почти констант­ной и равна примерно 0,002. При сокращении интен­сивности звука ниже 30 дБ величина дифференциаль­ного порога резко возрастает.

Временной порог чувствительности акустического анализатора, т. е. длительность звукового раздражите­ля, необходимая для возникновения ощущения, так же как пороги по громкости и высоте, не является посто­янной величиной. С увеличением как интенсивности, так и частоты он сокращается. При достаточно высо­кой интенсивности (30 дБ и более) и частоте (1000 Гц и более) слуховое ощущение возникает уже при дли­тельности звукового раздражителя, равной всего 1 мс. Однако при уменьшении интенсивного звука той же частоты до 10 дБ временной порог достигает 50 мс. Аналогичный эффект дает и уменьшение частоты.

Оценка громкости и высоты очень коротких зву­ков затруднена. При длительности синусоидального тона 2 - 3 мс человек лишь отмечает его наличие, но не может определить его качеств. Любой звук оценивается только как «щелчок». С увеличением длительности звука слуховое ощущение постепенно проясняется: человек начинает различать высоту и громкость. Минимальное время, необходимое для отчетливого ощу­щения высоты тона, равно примерно 50 мс.

Дифференцировка двух звуков по частоте и интен­сивности также зависит от отношения их по длитель­ности и от интервала между ними. Как правило, звуки, равные по длительности, различаются точнее, чем не­равные.

Акустический анализатор обеспечивает также от­ражение и положения источника звука в простран­стве: его расстояние и направление относительно субъекта.

Пороги зависят от времени предъявления сигна­ла, положения головы испытуемого, адаптации и изме­няются с течением времени для одного и того же ис­пытуемого. Эти изменения могут составлять до 5 дБ за 0,5 мин, тогда как в некоторых условиях ярко выражен­ной тенденции к увеличению или уменьшению порога может и не быть даже в течение часа. Сравнение каж­додневных изменений порогов, полученных в течение некоторого периода времени, с усредненными данны­ми этих изменений показывает, что колебание измене­ний в 3 - 4 раза превышает усредненное. Иногда по­рог может изменяться даже в течение нескольких секунд. Если стимул состоит из пяти сигналов одного тона длительностью по 0,4 с, следующих друг за дру­гом с интервалом в 0,6 с, то все они будут восприняты только при интенсивности, на 6 дБ превышающей аб­солютный порог, когда не слышно ни одного из этих сигналов. Значительное влияние на величину порогов оказывает длительность сигнала. Так, для синусоидаль­ных сигналов средних и высоких частот в диапазоне длительностей от 10 до 100 - 200 мс удвоение длитель­ности приводит к понижению порога на 3 дБ.

Специфическим видом слухового восприятия яв­ляется восприятие речевых сообщений. Речь представ­ляет одно из наиболее эффективных исторически сло­жившихся средств передачи информации человеку. Вопрос о характеристиках речевых сигналов прежде всего возникает при разработке аппаратуры, предназ­наченной для передачи информации от человека к человеку. Однако этим его значение не ограничивается. В связи с развитием синтетической телефонии откры­ваются возможности использования речевых сигналов также при обмене информацией между человеком и машиной.

Проблема речи имеет кардинальное значение в психологии. Она выступает в той или иной форме при изучении сенсорных процессов, памяти, умственных действий, двигательных навыков, свойств личности и т. д. Данные, накопленные в экспериментальной пси­хологии, позволили раскрыть ряд существенных ас­пектов механизмов восприятия речи и речеобразования. Они послужили основой для постановки проблемы речевой коммуникации в плане инженер­ной психологии.

Задачи техники связи потребовали изучения зави­симости восприятия речевых сигналов от их акусти­ческих характеристик, определения разборчивости речи в условиях шума, поиска путей повышения раз­борчивости и т. п.

Форма волны является функцией, которая связы­вает мгновенное речевое давление со временем. Рече­вое давление есть сила, с которой речевая волна давит на единицу площади, обычно перпендикулярной к гу­бам говорящего и расположенной в произвольном, но определенном участке по отношению к говорящему, на расстоянии 1 м от него.

Речевой звук является сложным. Он включает ряд обертонов, находящихся в гармоничном отношении к основному тону (гармоник). Для повышения разборчи­вости речи увеличивают ее интенсивность.

Важным условием восприятия речи является раз­личение длительности произнесения отдельных звуков и их комбинаций. Среднее время длительности произ­несения гласного равно примерно 0,35 с. Длительность согласных колеблется от 0,02 до 0,3 с. При восприятии потока речи особенно важно различение интервалов между словами или группами слов. Исключение пауз или их неверная расстановка может привести к иска­жению смысла воспринимаемой речи.

Речь обладает не только акустическими, но и неко­торыми другими специфическими характеристиками. Слово имеет определенный фонетический, фонематический, слоговой, морфологический состав, является определенной частью речи, несет определенную смыс­ловую нагрузку. Важным фактором, влияющим на опоз­нание слов, является их частотная характеристика. Чем чаще встречается слово, тем при более низком отно­шении речи к шуму оно опознается.

При восприятии отдельных слогов и слов суще­ственную роль играют их фонетические характерис­тики; при восприятии словосочетаний в действие всту­пают синтаксические зависимости, а фонетические отступают на второй план.

Слушатель улавливает синтаксическую связь меж­ду словами, которая помогает ему восстановить сооб­щение, разрушенное шумом. Если абстрагироваться от лексико-семантических характеристик словосочетаний и представить только модель связи, то оказывается, что слушатель легче всего улавливает согласование, затем управление и, наконец, примыкание. Интересно отме­тить, что стереотипные словосочетания, фразеологиз­мы опознаются згачительно хуже, чем можно было бы ожидать исходя из вероятностной модели восприятия. Слишком большое сужение сочетательных возможно­стей слова ограничивает возможность поиска. Увели­чение количества возможных ответов как бы расширя­ет «зону поиска» и тем самым повышает вероятность правильного опознания. Это лишний раз подтверждает положение о том, что аудирование есть активный про­цесс.

При переходе к фразам слушатель начинает ориен­тироваться уже не на отдельные элементы предложе­ния, а на весь его сложный грамматический каркас.

Изучалось также восприятие речевых сообщений, которые включали фразы, допускающие неоднознач­ную интерпретацию (вызывающие «семантический шум»). Было показано, что в этих условиях процесс восприятия замедляется, возникает необходимость повторного восприятия тех частей текста, которые предшествуют критической фразе. В ходе восприятия человек, преодолевая неоднозначность, осуществляет трансформацию фраз.

Приведенные данные показывают, что аудирова­ние представляет собой многоуровневый процесс, в котором сочетаются фонетический, синтаксический и семантический уровни. При этом вышележащие уров­ни играют ведущую роль, определяя ход всего процес­са аудирования, что необходимо иметь в виду при орга­низации речевых сообщений.

На качество восприятия и понимания речевых сообщений оператором оказывает влияние два основ­ных интегральных фактора: правильное построение аудиотекста и организация речевого сообщения.

Аудиотекстом называется текст, предназначенный для смыслового восприятия на слух. Звуковая речевая связь в деятельности оператора очень часто принима­ет именно такую форму логического и семантического объединения отдельных слов и предложений в смыс­ловые блоки - сверхфазовые единства (СФЕ). Пони­мание звучащего сообщения во многом обусловлено действием двух факторов: логико-смысловой структу­ры аудиотекста и его паралингвистической реализа­ции (скорости речи, распределения фраз, интонации).

Логико-смысловая структура аудиотекста опреде­ляется способом изложения мыслей. Наиболее опти­мальным считается дедуктивный способ их изложения (от общего к частному), при котором первое предложе­ние нацеливает аудитора на восприятие определенной темы, после чего следует ряд конкретных положений, доказывающих правильность посылок умозаключений. В психолингвистических исследованиях при анализе текстов исходят из следующих положений:

■ расчленение всего текста на смысловые блоки - СФЕ;

■ представление схемы всего текста в виде логической це­почки, являющейся каркасом, на который как бы нанизы­вается весь текст;

■ вычисление в выделенных СФЕ информации с помощью некоторых формализованных процедур.

Информационная ценность аудиотекста может быть усилена с помощью полного или частичного по­вторения, особенно ключевых слов в СФЕ. Это обеспе­чивает избыточность сообщения и его помехоустойчи­вость. Большое значение при организации аудиотекста имеет также выбор слов для компоновки текстов и выбор грамматических конструкций. Словарь текста должен быть максимально ограничен условиями дея­тельности: чем он меньше, тем выше помехоустойчи­вость аудиотекста. Все слова должны быть понятны и знакомы, частота их встречаемости должна быть высо­кой. Грамматические конструкции и связи между сло­вами должны быть четкими и простыми. Любое услож­нение ведет к ухудшению понимания и разборчивости. Определенное значение имеет длина предложений аудиотекста (не более 9-11 слов) и компоновка смыс­ловых блоков (не более 7). В противном случае проис­ходит перегрузка оперативной памяти.

Организация речевого сообщения предусматрива­ет построение его в форме, наиболее пригодной для восприятия оператором. Правильная организация ре­чевого сообщения позволяет обеспечить требуемые уровни разборчивости речи. Она оценивается процен­тным отношением числа правильно принятых слуша­телем элементов речевой передачи к числу передан­ных. Элементами речи считаются: форманты (области концентрации энергии в спектре данного звука), от­дельные звуки (фонемы), слоги, слова, словосочетания (фразы).

Разборчивость речи можно определить экспери­ментально с помощью артикуляционных таблиц и рас­четным методом, исходя из разборчивости формант и известных функциональных зависимостей. Нормы разборчивости речи приведены в табл. 11.5.

Таблица 11.5

Нормы разборчивости речи

Разборчивость речи является важнейшей характе­ристикой, определяющей качество ее восприятия. В ус­ловиях тишины основным фактором, влияющим на разборчивость, является интенсивность. Частота голоса не оказывает существенного влияния на разборчи­вость речи: высокий и низкий голос понимаются оди­наково хорошо. Оптимальный диапазон интенсивнос­ти речи составляет от 40 до 60 дБ. Основным фактором, влияющим на разборчивость

Рис. 11.9. Влияние уровня шума на разборчивость речи.

речи в условиях шума, является отношение мощности речи к мощности шума (рис. 11.9). Обычно речь бывает понятной, если интен­сивность речи превышает интенсивность шума на 6 дБ.

Большое значение на разборчивость оказывает правильный выбор слов. В условиях шума двухслож­ные слова опознаются на 30% лучше, чем однослож­ные, а трехсложные - на 50%. Слова с ударением на последнем слоге опознаются лучше, чем с ударением на первом. Важным фактором является также вероят­ностная характеристика слов: чем чаще оно встречает­ся, тем лучше опознается. Наибольшей помехоустой­чивостью к белому шуму обладают звуки Р, Л, М, Н, наихудшей - С, Ф, Ц, Т, Г. Распознаваемость слов повышается, если они начинаются с гласных. Опти­мальным считается темп речи от 60 до 80 слов в мину­ту, допустимым - до 120 слов в минуту.

Длина фразы не должна превышать 7±2 слов, что определяется объемом оперативной памяти. Наиболее значащие слова следует располагать в первой трети фразы. В разрешающих фразах, командах разрешение следует располагать в конце фразы, после содержания действия, в запрещающих - наоборот.

Повышению разборчивости речи способствует зрительный контроль (возможность видеть говорящего). Эффективным при интенсивности речи более 85 дБ является применение шумозаглушек. Однако при уров­не более 95 дБ применение шумозаглушек может ока­заться неэффективным. Большое значение имеет вы­полнение специальных требований к говорящему: достаточная интенсивность и оптимальный темп речи; большая продолжительность слогов; повышенная ва­риативность звуковых высот; преобладание (по време­ни) речевых звуков, а не пауз; повторение передачи должно иметь ту же структуру и те же слова, что в первоначальном случае.

С помощью речи формируется особый вид сигна­лов, называемых речевыми. Любой сигнал является носителем информации (см. главу И). Речевой сигнал и представляемая им информация используются в дея­тельности оператора, а следовательно являются объек­том изучения инженерной психологии в следующих случаях:

■ при организации общения между операторами (речевая коммуникация);

■ при организации взаимодействия между человеком и ЭВМ (речевой ввод и вывод информации);

■ при проведении контроля функционального состояния оператора: по анализу спектрально-временных характе­ристик речи можно судить о состоянии человека в про­цессе его работы;

■ при организации подсказки оператору о необходимых действиях.

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными (физическими) характеристиками звуковой волны.

Воспринимаемые звуки человек различает их по тембру, высоте, громкости.

Тембр – « окраска» звука и определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру, даже в том случае, когда основной тон у них одинаков. Тембр – это качественная характеристика звука.

Высотатона – субъективная оценка звукового сигнала, зависящая от частоты звука и его интенсивности. Чем больше частота, главным образом, основного тона, тем больше высота воспринимаемого звука. Чем больше интенсивность, тем ниже высота воспринимаемого звука.

Громкость – также субъективная оценка, характеризующая уровень интенсивности.

Громкость главным образом зависит от интенсивности звука. Однако восприятие интенсивности зависит от частоты звука. Звук большей интенсивности одной частоты может восприниматься как менее громкий, чем звук меньшей интенсивности другой частоты.

Опыт показывает, что для каждой частоты в области слышимых звуков

(16 – 20 . 10 3 Гц) имеется так называемый порог слышимости. Это минимальная интенсивность, при которой ухо еще реагирует на звук. Кроме того, для каждой частоты имеется так называемый порог болевых ощущений, т.е. то значение интенсивности звука, которое вызывает боль в ушах. Совокупности точек, отвечающих порогу слышимости, и точек, соответствующих порогу болевых ощущений, образуют на диаграмме (L,ν) две кривые (рис.1), которые пунктиром экстраполированы до пересечения.

Кривая порога слышимости (а), кривая порога боли (б).

Область, ограниченная этими кривыми, называется областью слышимости. Из приведенной диаграммы, в частности, видно, что менее интенсивный звук, соответствующий точке А, будет восприниматься более громким, чем звук более интенсивный, соответствующий точке В, так как точка А более удалена от порога слышимости, чем точка В.

4. Закон Вебера-Фехнера .

Громкость может быть оценена количественно путем сравнения слуховых ощущений от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит психофизический закон Вебера-Фехнера. Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковое значение).

Применительно к звуку это формулируется так: если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например, а I 0 , а 2 I 0,

а 3 I 0 ,….(а - некоторый коэффициент, а > 1) и т.д., то им соответствуют ощущения громкости звука Е 0 , 2 Е 0 , 3 Е 0 ….. Математически это означает, что уровень громкости звука пропорционален десятичному логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражителя с интенсивностями I и I 0, причем I 0 – порог слышимости, то согласно закону Вебера-Фехнера уровень громкости Е и интенсивность I 0 связаны следующим образом:

Е= k lg (I / I 0),

где k – коэффициент пропорциональности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале уровней громкостей. В этом случае уровень громкости звука так же, как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы: Е= k lg(I / I 0).

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы уровней громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и Е Б = lg (I / I 0). Чтобы различить шкалы громкости и интенсивности звука, децибелы шкалы уровней громкости называют фонами (фон).

Е ф = 10 k lg(I / I 0)

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук

со звуком частотой 1 кГц.

Кривые равной громкости. Зависимость громкости от частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков (рис. 2), которые называются кривыми равной громкости. Эти кривые характеризуют зависимость уровня интенсивности L от частоты ν звука при постоянном уровне громкости. Кривые равной громкости называют изофонамим.

Нижняя изофона соответствует порогу слышимости (Е = 0 фон). Верхняя кривая показывает верхний предел чувствительности уха, когда слуховое ощущение переходит в ощущение боли (Е = 120 фон).

Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.

Звуковые измерения . Для субъективной оценки слуха применяется метод пороговой аудиометрии.

Аудиометрия – метод измерения пороговой интенсивности восприятия звука для разных частот. На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения на разных частотах:

L п = 10 lg (I п /I 0),

где I п – пороговая интенсивность звука, которая приводит к возникновению слухового ощущения у испытуемого. Получают кривые – аудиограммы, которые отражают зависимость порога восприятия от частоты тона, т.е. это спектральная характеристика уха на пороге слышимости.

Сравнивая аудиограмму пациента (рис. 3, 2) с нормальной кривой порога слухового ощущения (рис. 3, 1), определяют разность уровней интенсивности ∆L=L 1 –L 2 . L 1 – уровень интенсивности на пороге слышимости нормального уха. L 2 - уровень интенсивности на пороге слышимости исследуемого уха. Кривая для ∆L (рис3, 3) называется потерей слуха.

Аудиограмма в зависимости от характера заболевания имеет вид, отличный от аудиограммы здорового уха.

Шумомеры – приборы для измерения уровня громкости. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический. Уровень громкости регистрируется стрелочным или цифровым измерительным прибором.