Лекция 5

5.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХА

При восприятии переданной речевой информации в качестве приемника выступает слуховой аппарат человека - речевое колебание воздействует на органы слуха человека, вызывая определенные слуховые ощущения. Первичный акустический преобразователь, используемый человеком при слуховом восприятии, - ухо разделяют на три области: наружное, среднее и внутреннее.

Рисунок 5.1 - Внутренняя структура уха

Наружное ухо Вы можете изучить самостоятельно при помощи зеркала. Оно состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода.

Функционально наружное ухо предназначено, во-первых, для улавливания и фокусировки звуковых волн (что нужно для улучшения слуха), и, во-вторых, для защиты среднего и внутреннего уха от механических повреждений. Что же касается преобразования звуковых колебаний воздуха в электрические импульсы, то наружное ухо не имеет к этому процессу никакого отношения.

Среднее ухо герметично отделено от наружного уха барабанной перепонкой. Таким образом, когда вода попадает к Вам в ухо, она может залить только наружное ухо, но дальше она не пройдет. Толщина барабанной перепонки всего 0.1 мм, и ее легко повредить.

Внутренняя область среднего уха, называемая барабанной полостью, соединена при помощи евстахиевой трубы с носоглоткой. Это позволяет поддерживать давление внутри барабанной полости, равному внешнему атмосферному давлению.

В барабанной полости находится система так называемых слуховых косточек, состоящая из молоточка, наковальни и стремени. Эти косточки связаны между собой в единую подвижную цепь, состоящую из рычагов. Задача системы слуховых косточек заключается в передаче звуковых колебаний от барабанной перепонки в область внутреннего уха.

Внутреннее ухо представляет наибольший интерес для специалистов по распознаванию речи, так как именно оно ответственно за преобразование звуковых колебаний в электрические импульсы.

Внутреннее ухо заполнено жидкостью. Оно состоит из двух частей: вестибулярного аппарата и улитки. Свое название улитка получила из-за своей формы — улитка свернута спирально, наподобие раковины обычной улитки.

Механизм функционирования внутреннего уха достаточно сложен. Важно, что внутри улитки имеются чувствительные волоски, «подключенные» при помощи нервов к головному мозгу.

Эти периферические отделы слуховой системы доводят звуковые колебания воздушной среды до чувствительных окончаний слуховых волокон нервной системы. Здесь акустический сигнал преобразуется в электрический и в результате сложного взаимодействия в сфере высшей нервной деятельности происходит восприятие речи, заключающееся в распознавании смысловых элементов речи. При этом слуховой аппарат человека позволяет решать следующие задачи слухового восприятия: распознавать речь (фонемы, слоги, слова); определять направление источника звука; адаптироваться к шумам и тишине (регулировка чувствительности); идентифицировать говорящего по речевым сигналам и т.д.

5.1.1.Восприятие по частоте.

Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора, дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам Человеческое ухо воспринимает звуковые волны длиной примерно от 1,6 см до 20 м, что соответствует частотному диапазону 16-20 000 Гц.

Что же касается человеческой речи, то ее частотный диапазон 300-4000 Гц. Надо заметить, что разборчивость речи останется вполне удовлетворительной при ограничении этого диапазона до 300-2400 Гц.

Избирательность (разрешающая способность) слухового анализатора невелика: полосы пропускания резонаторов слухового анализатора, определенные на уровне - 3 дБ от своего максимального значения, составляют на частотах 250, 1000 и 4000 Гц около 35, 50 и 200 Гц соответственно. Эти полосы пропускания - ряд выделяемых слуховым анализатором человека специфических поддиапазонов частотного спектра - носят название критических полосок слуха или частотных групп. Слуховым анализатором человека образуется 24 критических полоски слуха.

Субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону называют высотой звука. Так как ширина критической полоски слуха на средних и высоких частотах примерно пропорциональна частоте, то субъективный масштаб восприятия по частоте близок к логарифмическому закону.

5.1.2. Порог слышимости и уровень громкости.

Человек ощущает звук в чрезвычайно широком диапазоне звуковых давлений (или интенсивностей). Чувствительность к чистым тонам (гармоническим колебаниям) является одной из основных характеристик слуха. Воспринимаемое ухом значение спектрального уровня чистого тона принято называть порогом слышимости, а наибольшее значение спектрального уровня чистого тона данной частоты, которое человек воспринимает без болевого ощущения, — болевым порогом (порогом осязания). Область, ограниченная кривыми порога слышимости β0 и болевого порога γ, называется областью слухового восприятия, или областью слышимых звуков (рис. 4.1). Порогом слышимости также называют наименьшее значение раздражающей силы чистого тона, которое вызывает ощущение звука. Это скачкообразный переход из слышимого состояния в неслышимое и обратно. Под раздражающей силой подразумевают интенсивность звука или звуковое давление.

Пороги слышимости звуков при моноуральном (одним ухом) и биноуральном (двумя ушами) слушании различны. Бинауральный порог лежит несколько ниже моноурального, так как при слушании двумя ушами результирующий порог определяется сложением слуховых ощущений.

Рисунок 5.2 - Область слухового восприятия

Громкость звуков определяется как субъективное ощущение уровня речи (В). Громкость зависит от звукового давления, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Мерой громкости звука является уровень громкости.

Значение звукового давления эталонного сигнала, равногромкого данному звуку, называется уровнем громкости этого звука. За единицу уровня громкости принят фон. Таким образом, величина уровня громкости какого-либо звука численно равна уровню эталонного тона 1000 Гц, если на слух его громкость одинакова с громкостью определяемого звука.

Рисунок 5.3 - кривые равной громкости.

Уровень громкости звука любой частоты определяют уровнем интенсивности звука с частотой 1000 Гц равногромкого с этим звуком. Уровень громкости измеряется в фонах (фон). Уровень громкости звука определенной частоты определяется по кривым равной громкости или рассчитывается по формуле:

Где f0=10-12 Вт/м² - интенсивность нулевого уровня ;

f1000 - интенсивность звука f=1000 Гц, равногромкого с заданным звуком

5.1.3. Маскировка звуков.

Порог слышимости существенно зависит от условий прослушивания: в тишине или же на фоне шума. В последнем случае порог слышимости повышается. Это говорит о том, что помеха маскирует полезный сигнал. Количественно повышение порога выражают уровнем маскировки, который определяют как разность:

М = β – β0 ,

где β - порог слышимости при воздействии помех; β0 - порог слышимости в тишине.

Человеческое ухо обладает свойством изменять свою чувствительность, приспосабливаясь к громкости воспринимаемого звука вследствие изменения порога слышимости. Это свойство называется адаптацией слуха. Процесс адаптации происходит не мгновенно, а с некоторым запаздыванием во времени (3…5 с). С этим явлением приходится считаться при разработке схем телефонных аппаратов.

Если орган слуха находится под воздействием двух звуков с давлением PM и P1, то более громкий звук, даже при значительной разнице в частотах, заглушает слабый звук и ухо воспринимает не два, а один звук.

Рисунок 5.4 - Изменение порога слышимости маскирующим звуком:

ПС − порог слышимости; ПС´ − новый порог слышимости.

Маскирование речи позволяет определить слышимость и разборчивость звука.

5.1.4. Временные характеристики слуха.

При исчезновении раздражающей силы слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно уменьшается до нуля. Этот эффект называется слуховым впечатлением. Время, в течение которого ощущение по уровню громкости падает на 8,7 фон, считается постоянной времени слуха. Ее величина составляет в среднем при нарастании звука 20...30 мс, при спаде - 100...200 мс.

5.1.5. Разборчивость речи.

При реализации цифровых преобразований речевых сигналов (РС) возникают специфические искажения, влияющие на качество речи. Одним из критериев качества речи является ее разборчивость. Разборчивость — есть объективная количественная мера, характеризующая способность тракта электросвязи передавать содержащуюся в речи смысловую информацию в данных конкретных акустических условиях окружающей среды. Эта мера является объективной в том смысле, что величина разборчивости зависит от физических параметров тракта, а также от среды, в которой ведется разговор, и не зависит от субъективных свойств конкретных, измеряющих разборчивость операторов.

Под мерой разборчивости понимается выраженное в процентах отношение числа правильно принятых элементов речи (звуков, слогов, слов, фраз) к достаточно большому общему числу переданных. На практике используют преимущественно слоговую (S), звуковую (D) и словесную (W) разборчивость.

Измерение разборчивости производится на основе артикуляционных таблиц.

5.2. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЗВУЧАНИЯ РЕЧИ

Современная акустическая метрология, при всей совершенности и многогранности современных методов измерений, по-прежнему не может дать абсолютно точную оценку качества звучания. Связанно это с отсутствием четкой корреляции между объективными параметрами звукового тракта (изменяемыми инструментально, с помощью приборов) и субъективным восприятием звукового сигнала (восприятие на слух).

В соответствии с Рек. Р.48 VRRNN эффективная полоса пропускания звукового тракта речевого (тонального) сигнала лежит в области 300…3400Гц. Основным критерием, определяющим качество РС, является разборчивость, т.е. смысловая понятность переданной информации слушателю. Для проведения испытаний по оценке разборчивости используются тональные и артикуляционные методы, в которых экспертные оценки выносятся подготовленными слушателями-экспертами.

Тональный метод основан на способности человеческого уха достаточно точно улавливать минимальный порог уровня громкости.

РС воспроизводится в идее отдельных тональных полосок. При прослушивании их уровень уменьшается до минимально воспринимаемой громкости. Полученные значения затухания с помощью справочных таблиц, используемых при расчетах разборчивости речи, пересчитываются и дают численное значение этого параметра.

Артикуляционный метод предусмотривает воспроизведение слогов, фраз или слов и восприятие их на слух экспертами. Чаще всего используются слоги и несуществующие слова (например, «шуц», «ыть», «вусь», «янь» и пр.), чтобы слушатели не домысливали услышанное.

Для проведения испытаний заранее составленные слоги или слова, записанные профессиональными дикторами, воспроизводятся через звуковой тракт. Эксперты заносят услышанное в свои протоколы. Сопоставляя услышанное с исходным материалом, можно сделать вывод о качестве разборчивости. Оценочные характеристики для слоговых артикуляционных испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Оценка разборчивости (класс качества) | Характеристика класса качества | % совпадений с табл.материалом
Отличная (высший) | Понимание передаваемой речи без малейшего напряжения внимания | >80
Хорошая (первый) | Понимание передаваемой речи без затруднений | 56…80
Удовлетворительная (второй) | Понимание передаваемой речи с некоторым напряжением внимания, без переспросов и повторений | 41…55
Предельно допустимая (третий) | Понимание передаваемой речи с некоторым напряжением внимания, редкими переспросами и повторениями | 25…40
Неудовлетворительная (четвертый) | Понимание передаваемой речи с большим напряжением внимания, частыми переспросами и повторениями | <25