Рассмотрим простейшее звуковое колебание, имеющее синусоидальную форму волны (гармоническое колебание):

Высота звука - определяется частотой звуковой волны (или, периодом волны). Чем выше частота, тем выше звучание:

Высота звука измеряется в герцах (Гц, Hz) или килогерцах (КГц, KHz). 1 Гц = 1/С. То есть колебание в 1 Гц соответствует волне с периодом в 1 секунду.

Поскольку реальный звук может иметь довольно сложный спектральный состав, под высотой звука понимают высоту его основного тона.

Область восприятия звуковых колебаний

Условно считается (пренебрегая индивидуальными и групповыми особенностями), что ухо человека воспринимает колебания волн частотой от 16 до 20000 Гц (от 12-24 до 18000-20 000 Гц). Частота колебаний выше 20000 Гц относится к области ультразвуков, ниже 16 — инфразвуков. У детей верхняя граница слуха выше и достигает 22 000 Гц.

У многих животных верхняя граница слуха выше, чем у человека. Например, у собак она доходит до 38 000 Гц, у кошек — 70 000, у летучих мышей — 100000 Гц.

Основную звуковую информацию человеческий мозг получает в области частот до 4 кГц. Это оказывается вполне логичным, если учесть, что все основные жизненно необходимые человеку звуки (голоса людей, животных, шум воды, ветра и пр.) находятся именно в этой спектральной полосе. Частоты выше 4 кГц являются для человека вспомогательными, что подтверждается многими опытами. Например, можно легко убедиться в том, что человек почти не способен разобрать речь и другие природные звуки, если из этих звуков “удалить” частоты от 0 до 4 кГц, оставив только более высокие частотные составляющие. Одновременно с этим слышимость частот выше 4 кГц, как дополнение к основным частотам, создает у человека ощущение более качественного звучания. Поэтому принято считать, что низкие частоты “ответственны” за разборчивость и ясность аудиоинформации, а высокие частоты — за субъективное качество звука.

Когда мы говорим диапазоне воспринимаемых частот, речь идет именно о способности слухового аппарата. Частоты ниже 20-30 Гц (инфразвук) человек также способен воспринимать, но только уже не ухом, а всем телом, как вибрации. В настоящее время многие специалисты склонны полагать, что и вибрации на частотах, намного превышающих порог 20 кГц (ультразвук) также воспринимаются человеком, но уже не ушами или телом, а непосредственно мозгом.

Другие шкалы представления высоты звука

"Критические полосы" и Барки. Критическая полоса (ее также называют полосой равной разборчивости) — это минимальная полоса частот, которая возбуждает одну и ту же часть базилярной мембраны. В частотном промежутке от 0 до 16 кГц опытным путем были определены 24 критические полосы:

• 0-100 Гц,
• 100-200 Гц,
• 200-300 Гц,
• 300- 400 Гц,
• 400-510 Гц,
• 510-630 Гц,
• 630-770 Гц,
• 770-920 Гц,
• 920-1080 Гц,
• 1080- 1270 Гц,
• 1270-1480 Гц,
• 1480-1720 Гц,
• 1720-2000 Гц,
• 2000-2320 Гц,
• 2320- 2700 Гц,
• 2700-3150 Гц,
• 3150-3700 Гц,
• 3700-4400 Гц,
• 4400-5300 Гц,
• 5300- 6400 Гц,
• 6400-7700 Гц,
• 7700-9500 Гц,
• 9500-12 000 Гц
• 12 000-15 500 Гц

Звуковой сигнал в пределах одной и той же критической полосы как бы обобщается мозгом, создавая близкие слуховые ощущения. Если же звуковой сигнал переходит из одной критической полосы в другую, то слуховые ощущения в момент перехода заметно изменяются, потому что мозг анализирует информацию, полученную из разных критических полос, раздельно. Это не значит, что два тона, попавшие в одну критическую полосу, не различимы на слух, однако, слуховые ощущения внутри одной полосы очень близки, а в разных полосах — отличаются существенно. Участки базилярной мембраны, соответствующие критическим полосам, имеют приблизительно равную длину, которая составляет 1,2 мм на полосу. Для удобства работы с критическими полосами существует специальная единица измерения частоты — Барк . В таблице приведены 24 критические полосы и соответствующие им параметры:

Измерение субъективного ощущения высоты и Мелы. На этой шкале равное изменение частоты в мелах соответствует равному изменению ощущения высоты тона. Уже привычная нам шкала частот с единицей измерения “герц” такого свойства не имеет. Например, изменения частоты от 500 до 1000 Гц и от 1000 до 2000 Гц воспринимаются на слух слушателем, как неравные. В то же самое время звуковой сигнал с частотой 1000 мел кажется слушателю ровно в два раза “выше”, чем сигнал с частотой 500 мел, и в два раза “ниже”, чем сигнал с частотой 2000 мел.

График соотношения трех шкал

Итак, частотные параметры звука могут измеряться в герцах, мелах и Барках. Герц — это единица измерения, которой удобно пользоваться при проведении спектрального анализа. Мел и Барк — это психофизиологические акустические единицы измерения высоты тона, используемые в психоакустике при оценке субъективной высотой тона.

Как видно из графика, шкалы барков и мелов приблизительно совпадают, хотя некоторые расхождения наблюдаются в области средних частот.
 

Инерционность слуха

Длительность звука сказывается на высоте тона критическим образом. Так, очень кратковременное звучание (менее 15 мс) любой частоты покажется на слух просто резким щелчком — человек не сможет различить высоту тона для такого сигнала. Высота тона начинает восприниматься лишь после 15 мс для частот в полосе 1000-2000 Гц и лишь спустя 60 мс — для частот ниже 500 Гц. Это явление называется инерционностью слуха. Инерционность слуха связана с устройством базилярной мембраны. Кратковременные звуковые всплески не могут заставить мембрану резонировать на нужной частоте, а значит, мозг не получает информа­цию о высоте тона при очень коротких звуках. Минимальное время, требуемое для распознавания высоты тона, зависит от частоты звукового сигнала, а точнее — от длины звуковой волны. Чем выше частота звука, тем меньше длина звуковой вол­ны и тем меньше инерционность слуха, т.е. тем быстрее мозг улавливает звуковые колебания.