О восприятии звука и музыки.

В общем случае ухо - нелинейная система и не может быть точно описано с помощью только линейных элементов (таких как фильтры и линии задержки). Как побочный результат нелинейности может проявляться, например, следующий эффект: при подаче двух тонов с частотой 1000 и 1200Hz может также быть слышен третий тон с частотой 800Hz. Однако в интересующем нас диапазоне амплитуд нелинейность достаточно слаба и ей обычно пренебрегают. 

Строение 


Ухо состоит из трех частей: ушной раковины (также называемой внешним ухом), среднего уха и внутреннего уха - улитки. Проходя через различные части уха звук претерпевает изменения. 

* Одна из функций внешнего уха (ушной раковины) - улучшение локализации источника звука в пространстве. Благодаря ее несимметричной форме АЧХ сигналов приходящих из разных точек пространства изменяется по разному. Ушная раковина может влиять лишь на сигналы с длинной волны, сопоставимой с размерами уха (>3kHz). Внешний ушной канал резонирует на частоте около 2kHz , что дает повышенную чувствительность в данном диапазоне. 
* Среднее ухо выполняет роль гидравлического усилителя. Так как в улитке находится жидкость а снаружи - воздух, то необходимо согласование сопротивления среды. Среднее ухо также защищает от низкочастотных звуков чрезмерной амплитуды.
* Внутреннее ухо - улитка. В развернутом виде будет представлять из себя трубочку, с постепенно уменьшающимся к одному из концов диаметром. Улитка выполняет роль частотного анализатора. Внутри улитки находятся до 4000 нервных окончаний. Различные области улитки входят в резонанс при подаче сигнала определенной частоты. 


Восприятие в зависимости от частоты 

* Так как нейрон может возбуждаться не чаще чем 500 раз в секунду, то для получения информации о более высоких частотах слуховой аппарат человека прибегает к некоторым "ухищрениям": 

На частотах до 500 Hz --> колебания непосредственно переходят в нервные импульсы. 
Примерно до 1.5кГц проблема решается подключением одновременно до 3 нейронов к одному нервному окончанию. Нейроны в данном случае возбуждаются последовательно, один за другим и, соответственно, помогают улучшить частотное разрешение в 3 раза. 
На более высоких частотах регистрируется лишь амплитуда сигнала. 

* Таким образом бинауральный слух, играющий большую роль в локализации источника звука, лучше всего развит на частотах меньших 1.5кГц. Выше этой частоты источником информации о местоположении служит лишь разница амплитуд сигнала для левого и правого уха. Это делает возможным применение при кодировании режимов Joint Stereo - запоминается либо информация для суммы правого и левого каналов и их разница, со значительно меньшей точностью (Mid/Side coding), либо вообще запоминается лишь амплитуда сигнала (Intensity coding). 


Психоакустика 

Критические полосы (Critical Bands) 

* Человеческая система восприятия звука имеет ограниченное, зависящее от частоты разрешение. Равномерное, с точки зрения восприятия человеком измерение частоты может быть выражено в единицах ширины Критических Полос. 
Их ширина менее 100 Hz для нижних слышимых частот, и более 4 kHz для наиболее высоких. Весь частотный диапазон может быть разделен на 25 критических полос. 
* Новый отсчет частоты был назван барк (bark, after Barkhausen): 

1 Барк = ширина одной критической полосы 
Для частот < 500 Hz, может быть рассчитан по формуле: частота / 100 Барк 
Для частот > 500 Hz: 9 + 4log2(частота / 1000) Барк. 


Чувствительность человеческого уха в зависимости от частоты 

* Эксперимент: Слушатель в тихой комнате. Повышаем громкость тона частотой 1 kHz до уровня когда он становится слышимым. Изменяя частоту тона получим: