Физика в быту

Как мы на слух отличаем один звук речи от другого? Разберёмся в этом на примере гласных, которые длятся, подобно музыкальным звукам, и у которых имеется основная частота, то есть высота тона (с согласными всё несколько сложнее).

Мы различаем гласные, даже произнесённые на одной высоте, по их спектру. Каждый гласный звук (А, О, У…), подобно каждому виду музыкальных инструментов, имеет свои характерные области частот – форманты гласных. Когда мы произносим гласную, все обертоны голоса, попавшие в область формант этой гласной, усиливаются. Форманты гласных остаются неизменными, когда высота основного тона меняется. Положение формант каждого гласного одинаково для всех людей, независимо от индивидуальных особенностей их тембров. По этим-то формантам наше ухо и опознаёт гласные, подобно тому как по характерным формантам музыкальных инструментов ухо отличает скрипку от флейты.

У каждого гласного звука есть две основные форманты, причём одна из них связана с резонированием в глотке, а вторая – в ротовой полости (у некоторых гласных имеется ещё несколько добавочных формант). Например, форманты гласной «У» расположены в районе частот 300 и 650 Гц, форманты «А» – около 700 и 1000 Гц. Учась говорить, мы учимся изменять собственные частоты своих ротоглоточных резонаторов, перемещая язык и губы.

Все основные форманты гласных попадают в диапазоне частот от 200 до 4000 Гц. Эта частотная область совершенно необходима нам для распознавания речи. Если по каким-то причинам ослабнет или исчезнет какая-то из формант (например, при плохом качестве радиосвязи или при некоторых формах тугоухости, когда нарушено восприятие высоких частот), то становится трудно разобрать, что говорит человек. Замечали, что старые люди иногда с трудом воспринимают вашу речь по телефону, но понимают её при личном общении?

Когда хороший певец не просто произносит, а поёт гласный звук, то помимо формант данного гласного, в спектре звука будут присутствовать также универсальные певческие форманты.

Глава 2 Восприятие звуков

В первой главе мы уже немного говорили о том, как человек слышит. Далее мы подробнее остановимся на особенностях восприятия различных по частоте и громкости звуков.

Область слышимости

Звуковая волна, достигая барабанной перепонки, заставляет её колебаться, передавая ей необходимую для этого энергию. Чем больше приносимая энергия, тем сильнее эти колебания. В физике для измерения энергии, переносимой волной, используют понятие «интенсивность волны»: она показывает, какая энергия приносится волной на единицу площади приёмника за одну секунду и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Самая слабая интенсивность звуковой волны, которая ещё вызывает слуховые ощущения, называется порогом слышимости. Для разных частот порог слышимости различен. Так, на частотах 1000–2000 Гц порог слышимости составляет одну тысячную от одной миллиардной доли ватта на квадратный метр (10^-12 Вт/м²). Представьте себе: амплитуда колебаний частиц воздуха при такой интенсивности звуковой волны в сто тысяч раз меньше размера пылинки! Такая чувствительность уха находится на пределе биологической целесообразности: будь она ещё немного меньше, и мы бы слышали постоянный шум в ушах от тока крови. А максимальная интенсивность звука, которая граничит уже с болевым порогом, в тысячу миллиардов раз больше и составляет 1 Вт/м². Это колоссальный диапазон! В этом смысле человеческое ухо уникально. Оно является намного более совершенным устройством, чем любой из измерительных приборов: обычно они воспринимают интенсивности, отличающиеся не более чем в 100 раз.

Рис. 8. Область слышимости. По горизонтальной оси отложены частоты в герцах (шкала неравномерная!), слева по вертикали – интенсивность (шкала тоже неравномерная), справа – уровни громкости в децибелах

Но по мере приближения к пограничным частотам звукового диапазона наша чувствительность к звукам быстро падает, то есть порог слышимости быстро растёт. Болевой же порог меняется не столь сильно. На нижней и верхней границах звукового диапазона порог слышимости и болевой порог сливаются: чтобы услышать звук частотой 20 герц или 20 тысяч герц, требуется интенсивность, граничащая с болью. На рисунке 8 изображены кривые порога слышимости и болевого порога в зависимости от частоты. Пространство на графике между этими кривыми соответствует области слышимости. (Напомню, что с возрастом область слышимости сильно сокращается, особенно со стороны высоких частот.) Внутри области слышимости на рисунке указаны области частот и интенсивностей, соответствующие речи и звучанию музыкальных инструментов.