Проверка порога слышимости на различных частотах

В одной из последних новостей я поднял тему частотного слуха, а именно восприятия человеком частот выше 16 кГц. Собственно, в том случае вся загвоздка была в маскировке этих самых высокочастотных составляющих другими звуками. Но немаловажную роль сыграло и такое понятие, как порог слышимости (ATH, Absolute threshold of hearing).

Порог слышимости определяет минимальный уровень звукового давления, при котором создающие его звуковые колебания воспринимаются на слух. Проще говоря, это минимальный уровень громкости, при котором человек слышит звук. Порог слышимости в значительной степени зависит от частоты — как и в случае с кривыми равной громкости — человек лучше слышит средние частоты, чем высокие и низкие.

Как видно из рисунка, кривые равной громкости и порог слышимости строятся в одной координатной сетке. Напомню: кривые равной громкости соединяют точки, в которых звучание воспринимается с одной громкостью (воспринимаемая громкость выражается в фонах). Например, человек будет воспринимать сигнал 4 кГц с уровнем 10 dBSPL (децибел звукового давления) и 8 кГц с уровнем 30 dBSPL как одинаковые по громкости (смотрите кривую для громкости 20 фон). Причем из графика следует, что частотный баланс меняется в зависимости от громкости. Таким образом, например, при понижении громкости относительное количество частот выше 10 кГц уменьшается и звук становится глуше. Кстати говоря, в связи с этим явлением была изобретена технология так называемой тонкомпенсации, которая компенсирует этот самый частотный дисбаланс при уменьшении/увеличении громкости (например, на усилителях с тонкомпенсацией при установке регулятора громкости в более низкое положение повышается уровень высоких частот). Само собой, такие системы требуют точной калибровки громкости, т.к. для расчета компенсации необходимо знать реальный уровень звукового давления.

Порог слышимости также является кривой равной громкости, т.е. по сути это кривая, соединяющая звуки с минимальной воспринимаемой громкостью (ноль фон в пределе).

В этой статье я расскажу, каким образом можно получить график порога слышимости для своих собственных ушей.

Итак, нам понадобятся:

1. Хорошая звуковая карта с ровной АЧХ в диапазоне 20 Гц — 20 кГц. Подойдет практически любая дискретная карта, либо же хорошая встроенная, не дающая завала на низких частотах.
2. Качественные наушники, желательно мониторные, с максимально ровной АЧХ.
3. Вольтметр.
4. foobar2000
5. Microsoft Excel или любая другая программа для построения графиков по таблицам.

Первым делом нам необходимо настроить качественное воспроизведение звука, не забыв поотключать всевозможные эффекты звуковой карты.

Очень важным моментом является коррекция АЧХ наших наушников. В идеале нам надо получить совершенно ровную АЧХ, скомпенсировав все перепады исходной характеристики. Как выполняется коррекция АЧХ, я рассказывал в видеоролике Некоторые приемы улучшения звука в foobar2000.

Теперь наша система готова к тесту. В нем мы будем использовать генератор сигналов, встроенный в foobar2000. Для начала установим частоту дискретизации равную опорной частоте звуковой карты (ресемплер в таком случае точно не понадобится). Это можно сделать в File->Preferences->Advanced->Decoding->Tone/sweep sample rate:

Теперь добавим в плейлист набор частот, на которых будет проверяться порог слышимости. Для этого необходимо выбрать File->Add location... и прописать, например, tone://6000,60 (6 кГц, 60 секунд). Таким образом я создал плейлист с двадцатью двумя частотами. На всякий случай также следует поставить воспроизведение в режим Repeat (track):

Теперь выполним предварительную проверку. Установим громкость на минимум (или выключим звук), затем перейдем в DSP и поотключаем все ограничители амплитуды — будь то Advanced Limiter, или лимитер в iZotope Ozone. Затем пройдемся по всем частотам в плейлисте и посмотрим: не происходит ли клиппинга (не превышает ли пикметр отметку в 0dBFS). Произойти это может в том случае, если мы, например, выполнили коррекцию низких частот с помощью Loudspeaker Equalizer, но уровень громкости при этом не уменьшили или уменьшили недостаточно. Это может привести к ошибочным результатам измерений. Так что необходимо выполнить проверку уровня на каждой частоте, и в случае перегрузки уменьшать громкость на необходимое значение. Например, в том самом Loudspeaker Equalizer это делается регулятором Equalizer pre-gain:

Впрочем, здесь можно воспользоваться галочкой автоустановки preamp. Если вы используете iZotope Ozone, следует отключить Loudness Maximizer и при необходимости уменьшить громкость соответствующими ползунками:

Теперь, когда мы проверили все частоты, необходимо записать результирующий уровень preamp (т.е., насколько мы суммарно уменьшили громкость). Например, это -15 dB в Loudspeaker Equalizer и -3 dB в iZotope Ozone — -18 dB в сумме. Хотя лучше, пожалуй, уменьшать громкость в одном DSP, находящемся в конце цепочки. Например, поставить в конце цепочки DSP iZotope Ozone и с его помощью мониторить/занижать уровень.

Теперь ставим общую громкость звуковой карты на максимум, громкость в foobar2000 на уровень пониже (скажем -60 dB) и переходим, собственно, к тесту. А заключается он вот, в чем. Находясь в полной тишине (все окружающие шумы надо свести к минимуму, кулеры системного блока поставить на низкие обороты и т.д.), вы включаете первый сигнал (20 Гц), поднимаете громкость настолько, чтобы он был отчетливо слышен, а затем постепенно уменьшаете, до тех пор, пока звук полностью не перестает восприниматься. После чего фиксруете минимальный уровень регулятора громкость foobar2000, при котором звук еще был слышен и записываете его таблицу (лучше всего в таблицу Excel) напротив соответствующей частоты. То же самое повторяете со всеми последующими частотами в плейлисте. Если сигнал не слышен даже при максимальном положении регулятора, ставите прочерк.

В результате получаем вот такую таблицу:

Что ж, основные входные данные у нас есть, и в общем-то уже можно построить график и увидеть форму кривой, но давайте сначала произведем кое-какие расчеты, чтобы привести данные к реальным цифрам.

Прежде всего надо перейти от абстрактных децибел к dBFS (full scale, полная шкала), а затем к уровню звукового давления в dBSPL. Чтобы перейти к dBFS, необходимо сложить полученное значение с записанным ранее уровнем усиления. Например, если у нас есть точка со значением -56 dB, а уровень preamp равен -18 dB, то это будет -56 + (-18) = -74 dBFS. Вписав в Excel эту несложную формулу, мы получим новый столбец dBFS.

Теперь задачка немного посложнее. Для перехода к звуковому давлению нам необходимо знать эффективное значение напряжения на выходе звуковой карты при подаче 1 кГц с уровнем -0 dBFS, а также сопротивление и чувствительность наушников. Отключим все DSP, установим громкость в foobar2000 и системе на максимум, включим тон 1000 Гц и замеряем уровень напряжения на одном из каналов звуковой карты вольтметром (режим переменного напряжения). Формулу для расчет громкости наушников я выводил в соответствующей статье.

Для моей карты и наушников уровень громкости получился 125 dBSPL. Теперь необходимо сложить уровень dBFS с рассчитанной громкостью — и мы получим четвертый столбец, в котором будет прописан порог слышимости для каждой частоты в единицах звукового давления:

По табличным данным теперь легко можно построить график:

Обратите внимание, что полученный мною график, хоть и с некоторой погрешностью, но всё же во многом повторяет форму приведенного в начале статьи. Отклонения формы обусловлены, во-первых, окружающими шумами, из-за которых кривая оказалась несколько выше значения 0 dBSPL (да и ползунок громкости на 1 кГц уперся в минимальные -100 дБ), во-вторых, неидеальностью коррекции АЧХ наушников, и в-третьих — несовершенством метода, т.к.на самом деле порог слышимости уловить довольно сложно, и случайная погрешность при этом могла составлять около +/- 5 dB.

С другой стороны, полученные результаты позволяют оценить ваши возможности именно на вашем оборудовании, с конкретными настройками воспроизведения.

[Обсудить на форуме]