نگاه ِفرکانسی به دستگاه شنوایی

احسان علی‌آبادی

کارشناسی ارشد مهندسی صدا

ehsanaliabadi@iribu.ac.ir

مقدمه

دانش تخصصی در هر حیطه، وجه تمایز اپراتور از شخص حرفه‌ای‌ است؛ این دانش با روش‌های مختلف به دست می‌آید و تکمیل می‌شود. این مقاله سعی در پر کردن یکی از این خلأهای آموزشی دارد که در آن به محدودیت‌های دستگاه شنوایی، محدوده‌های فرکانسی و مقیاس‌های متناسب با دستگاه شنوایی، منحنی‌های هم‌بلندی صدا و تاریخچه‌ی آن‌ها پرداخته می‌شود و استاندارد مربوطه، معرفی می‌گردد.

گوش انسان می‌تواند صداها را در محدوده‌ی ۲۰ هرتز (۰٫۰۲ کیلوهرتز) تا ۲۰،۰۰۰ هرتز (۲۰ کیلوهرتز) بشنود. حد بالایی با افزایش سن کاهش می‌یابد. بیش‌تر بزرگسالان قادر به شنیدن صداهای بیش‌تر از ۱۶ کیلوهرتز نیستند. در شرایط آزمایشگاهی ایده آل، کمترین فرکانسی که به عنوان نت موسیقی شناخته شده است، ۱۲ هرتز است. فرکانس‌های بین ۴ تا ۱۶ هرتز را می توان از طریق حس لامسه (لرزش در بدن) درک کرد.

دقت ِفرکانس ِگوش در حدود ۳٫۶ هرتز در اکتاو ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ هرتز است؛ به این معنی که تغییرات ِبزرگ‌تر از ۳٫۶ هرتز در نواک[۱]، در شرایط بالینی، قابل درک است. با این حال، حتی تغییرات کوچک‌تر از این مقدار هم، به روش‌های دیگری قابل درک است؛ به عنوان مثال، در بیش‌تر موارد، تداخل دو موج صدا با نواک‌های متفاوت، به شکل تغییری تکراری در حجم[۲] صدا شنیده می شود. این مدولاسیون دامنه، در فرکانسی برابر با اختلاف فرکانس دو موج ِصدا اتفاق می افتد که به آن «بیت[۳]» می‌گویند.

مقیاس نیم‌گام[۴] در نت‌نویسی‌های غربی، مانند ماهیت عملکرد گوش انسان، خطی نیست و به صورت لگاریتمی تعریف می‌شود. مقیاس‌های مل[۵] و بارک[۶] مستقیما به وسیله‌ی آزمایش‌های محدوده‌ی شنوایی گوش انسان به دست آمده‌اند (به این مقیاس‌ها در مطالعات دانشگاهی ارجاع داده می‌شود و در آهنگسازی کاربردی نیستند). تقریباً به صورت ساده می‌توان گفت که این مقیاس‌ها در فرکانس‌های بالا (در محدوده‌ی انتهای بازه‌ی شنوایی) رفتار لگاریتمی و در فرکانس‌های پایین (در محدوده‌ی ابتدای بازه‌ی شنوایی) رفتار خطی دارند.

دامنه‌ی شنوایی ِسطح‌های فشار صوتی مختلف، در گوش بسیار زیاد است. پرده‌ی گوش انسان به تغییرات فشار صدا حساس است و می‌تواند این تغییرات را از مقادیری به کوچکی چند میکروپاسکال تا تغییراتی با اندازه‌ی بیش‌تر از ۱۰۰ کیلوپاسکال تشخیص دهد. به همین دلیل است که اندازه‌گیری سطوح فشار صوتی را با مقیاس لگاریتمی انجام می‌دهند و تمام فشارها را با استفاده از فشار مرجع ۲۰ میکروپاسکال (  اتمسفر) محاسبه می‌کنند. پایین‌ترین محدوده‌ی شنوایی انسان صفر دسی‌بل تعریف شده است در حالی که بالاترین حد شنوایی، به صورت مشخص تعریف نشده است. بالاترین حد شنوایی به سطحی گفته می‌شود که با شنیدن آن گوش دچار آسیب فیزیکی می‌شود یا بعد از آن قدرت شنوایی، کاهش می‌یابد.

مطالعات دقیق‌تر مشخص کرد که آستانه‌ی شنوایی در محدوده‌ی پایین فرکانس‌های شنوایی یا فرکانس‌های بم، به مقدار فرکانس وابسته است. با اندازه‌گیری این آستانه در فرکانس‌های شنوایی مختلف، منحنی‌های آستانه‌ی شنوایی گوش، به دست آمد. معمولاً گوش بیش‌ترین حساسیت را در محدوده‌ی ۱ تا ۵ کیلوهرتز نشان می‌دهد که مقدار آن با افزایش سن، تغییر می‌کند؛ معمولاً افراد مسن، حساسیت گوش کم‌تری به فرکانس‌های بالاتر از ۲ کیلوهرتز نشان می‌دهند.

در محدوده‌ی شنوایی انسان، می‌توان منحنی‌هایی در نظر گرفت که علی‌رغم داشتن سطح‌های فشار صوتی متفاوت، با بلندی یکسان شنیده می‌شوند (منحنی‌های هم‌بلندی صدا)؛ به پایین‌ترین منحنی، آستانه‌ی شنوایی گفته می‌شود. این منحنی‌ها برای اولین بار در سال ۱۹۳۳ در آزمایشگاه بل[۷]، توسط فلچر[۸] و مانسون[۹] به دست آمد که طی آزمایش‌هایی یک صدای تک فرکانسی را از طریق هدفون برای شخص مورد آزمایش پخش می‌کردند. منحنی‌های به دست آمده از این آزمایش‌ها به اسم منحنی‌های فلچر – مانسون شناخته می‌شوند. به این دلیل که این اندازه‌گیری‌ها به شخص مورد آزمایش وابسته بود، از جامعه‌ی آماری مورد استفاده میانگین‌گیری شد.

شکل ۱ – منحنی هم‌بلندی صدا؛ فرکانس‌های مختلف با سطح‌های فشار صوتی متفاوت که روی منحنی ترسیم شده، با بلندی یکسان می‌شنود. به حساسیت گوش در محدوده‌ی فرکانسی دو تا چهار کیلوهرتز توجه شود.

در سال ۱۹۵۶، رابینسون[۱۰] و دادسون[۱۱] این آزمایشات را از طریق انجام آن در محیط آکوستیکی ایزوله و با استفاده از پخش صدا به وسیله‌ی منبع صدای خارجی، رو به روی شخص مورد آزمایش، بهبود دادند. در سال ۱۹۸۶ منحنی‌های رابینسون – دادسون تحت عنوان ISO 226 استانداردسازی شد. در سال ۲۰۰۳، ISO 226 با استفاده از اطلاعات گردآوری‌شده از ۱۲ مطالعه‌ی بین‌المللی مورد بازبینی قرار گرفت.


[۱] pitch

[۲] volume

[۳] beat

[۴] semitone scale

[۵] Mel

[۶] Bark

[۷] Bell

[۸] Fletcher

[۹] Munson

[۱۰] Robinson

[۱۱] Dadson