Почему измерительные стенды «слышат» резонанс слухового прохода намного сильнее, чем человек? Сравнительный анализ физической акустики и психоакустики.

Приветствую, коллеги! Недавно я провёл детальный аналитический обзор работы различных измерительных стендов и сопоставил их данные с особенностями человеческого восприятия. В ходе исследования удалось прийти к весьма примечательным выводам, касающимся фундаментального расхождения между инструментальными измерениями и субъективной психоакустикой.

Введение и методология

Целью анализа было сопоставление частотных характеристик наружного уха при воздействии идентичного звукового сигнала с уровнем давления 90 дБ SPL на частотах 1 кГц и 2,5 кГц (в условиях свободного поля, фронтальное направление, 0°). В рамках работы были проанализированы и сопоставлены четыре системы:

1. Реальное ухо (probe microphone): оценка уровня звукового давления (SPL) непосредственно у барабанной перепонки согласно стандарту ISO 11904-1.

2. Искусственная голова B&K Type 5128: симулятор уха и торса (HATS) нового поколения с типовой кривой LFR.

3. Стенд GRAS KEMAR: классический манекен, данные измерений давления у барабанной перепонки (Ear Simulator).

4. Слуховая система человека (психоакустика): кривые равной громкости на уровне 90 фон в соответствии с актуальным стандартом ISO 226:2023.
   
   

   

   Анализ полученных данных

При переходе от опорной частоты 1 кГц к области естественного анатомического резонанса слухового прохода (2,5 кГц) все инструментальные методы фиксируют резкий, лавинообразный рост звукового давления у имитатора перепонки:

• В условиях реального уха (микрофон-зонд) зафиксирован подъем на +13,0 дБ (с 92,7 до 105,7 дБ SPL).

• Симулятор B&K Type 5128 демонстрирует прирост порядка +15,0 дБ (с ≈92–93 до ≈107–108 дБ SPL).

• Стенд GRAS KEMAR регистрирует дельту в пределах +15,0…16,0 дБ (с ≈90–91 до ≈106 дБ SPL).

Таким образом, физический подъем давления в диапазоне 1 → 2,5 кГц на прецизионном измерительном оборудовании составляет стабильные 13–16 дБ.

Однако при обращении к психоакустическому стандарту ISO 226:2023 обнаруживается парадокс. Для обеспечения одинаковой субъективной громкости (90 фон) на частоте 2,5 кГц человеку требуется уровень SPL всего лишь на 1,5 дБ меньше, чем на частоте 1 кГц (88,5 дБ SPL против 90,0 дБ SPL соответственно).

Система / Стенд SPL на 1 кГц SPL на 2,5 кГц Разница (Δ SPL)

Реальное ухо (зонд, ISO 11904-1) 92,7 дБ 105,7 дБ +13,0 дБ
B&K Type 5128 (LFR) ≈ 92–93 дБ ≈ 107–108 дБ ≈ +15,0 дБ
GRAS KEMAR Manikin ≈ 90–91 дБ ≈ 106 дБ ≈ +15…16 дБ
Человек (ISO 226:2023, восприятие) 90,0 дБ 88,5 дБ -1,5 дБ

Главный инсайт исследования

<О физическом подъеме давления и психоакустической разнице равной громкости>

Физический подъем акустического давления, регистрируемый микрофонами и симуляторами HATS в области 1 → 2,5 кГц, по своей абсолютной величине в децибелах оказывается в 9–11 раз выше, чем его реальное психоакустическое восприятие живым человеком.

Физическое обоснование и выводы

Ключевая причина столь жесткой девиации кроется в принципиальном механическом различии между измерительным датчиком и живым органом слуха:

• Зонд или микрофон стенда выполняет сугубо локальное измерение давления в тупиковой точке жесткого канала, работая как идеальный приемник давления без обратного электромеханического влияния на систему.

• Барабанная перепонка человека не является изолированным микрофоном. Она представляет собой подвижный элемент механически и акустически нагруженной колебательной системы состоящей из цепи: слуховых косточек, среднего уха и гидродинамическим сопротивлением (демпфированием) жидкостной системы улитки внутреннего уха.

Вывод: Слуховая система человека за счет сложного комплексного импеданса среднего и внутреннего уха существенно сглаживает физический резонанс наружного слухового прохода. В результате реальный акустический подъем воспринимается нашей центральной нервной системой как значительно менее выраженный, нежели те экстремальные пики, которые транслируют нам графики «железных» измерительных стендов.