منحنى تساوي شدة الصوت

منحنى تساوي شدة الصوت هو مقياس لمستوى ضغط الصوت ، عبر طيف التردد ، الذي يدركه المستمع بشدة صوت ثابتة عند سماع نغمات نقية ثابتة. ^{[ 1 ]} وحدة قياس مستويات شدة الصوت هي الفون ، ويتم التوصل إليها بالرجوع إلى منحنيات تساوي شدة الصوت. وبحسب التعريف، يُقال إن موجتين جيبيتين بترددات مختلفة لهما مستوى شدة صوت متساوٍ مقاسًا بالفون إذا أدركهما الشخص العادي الشاب الذي لا يعاني من ضعف سمع ملحوظ بنفس شدة الصوت.

تُعدّ منحنيات فليتشر -مونسون إحدى مجموعات منحنيات تساوي شدة الصوت للأذن البشرية، والتي حددها تجريبيًا هارفي فليتشر ووايلدن أ. مونسون، ونُشرت في ورقة بحثية عام 1933 بعنوان "شدة الصوت: تعريفها وقياسها وحسابها" في مجلة الجمعية الصوتية الأمريكية . ^{[ 2 ]} وقد تم استبدال منحنيات فليتشر-مونسون وإدراجها في معايير أحدث. أما المنحنيات الحديثة المعتمدة فهي تلك المحددة في معيار ISO 226 الصادر عن المنظمة الدولية للتوحيد القياسي ، والتي تستند إلى مراجعة للقياسات الحديثة التي أُجريت في مختلف البلدان.

أجرى فليتشر ومونسون أول بحث حول موضوع كيفية سماع الأذن لترددات مختلفة عند مستويات مختلفة في عام 1933. وحتى وقت قريب، كان من الشائع رؤية مصطلح فليتشر-مونسون يستخدم للإشارة إلى منحنيات تساوي شدة الصوت بشكل عام، على الرغم من إعادة تحديدها بواسطة روبنسون ودادسون في عام 1956، والتي أصبحت أساسًا لمعيار ISO 226.

يُفضّل الآن استخدام المصطلح العام " خطوط تساوي شدة الصوت" ، والتي تُعدّ منحنيات فليتشر-مونسون جزءًا منها، ^{[ 3 ]} وخاصةً منذ أن أعادت دراسة استقصائية أجرتها المنظمة الدولية للمعايير (ISO) عام 2003 تعريف المنحنيات في معيار جديد. ^{[ 4 ]}

يستجيب الجهاز السمعي البشري لترددات تتراوح بين 20 هرتز و20000 هرتز كحد أقصى ، مع العلم أن الحد الأعلى للسمع يتناقص مع التقدم في السن. وفي هذا النطاق، تكون الأذن البشرية أكثر حساسية بين 2 و5 كيلوهرتز ، ويعود ذلك بشكل رئيسي إلى رنين قناة الأذن ووظيفة نقل الصوت في عظيمات الأذن الوسطى.  

قام فليتشر ومونسون بقياس منحنيات تساوي شدة الصوت لأول مرة باستخدام سماعات الرأس (1933). في دراستهما، استمع المشاركون إلى نغمات نقية بترددات مختلفة  وبزيادات في شدة الصوت تتجاوز 10 ديسيبل. لكل تردد وشدة، استمع المشارك أيضًا إلى نغمة مرجعية بتردد 1000  هرتز. قام فليتشر ومونسون بضبط النغمة المرجعية حتى شعر المشارك بأنها بنفس شدة نغمة الاختبار. ولأن شدة الصوت كمية نفسية يصعب قياسها، فقد قام فليتشر ومونسون بحساب متوسط ​​نتائجهم على عدد كبير من المشاركين للحصول على متوسطات معقولة. يمثل منحنى تساوي شدة الصوت الأدنى أخف نغمة مسموعة - عتبة السمع المطلقة . أما المنحنى الأعلى فيمثل عتبة الألم .

أجرى تشرشر وكينغ تحديدًا ثانيًا في عام 1937، لكن نتائجهم ونتائج فليتشر ومونسون أظهرت اختلافات كبيرة في أجزاء من المخطط السمعي. ^{[ 5 ]}

في عام 1956، توصل روبنسون ودادسون إلى تحديد تجريبي جديد اعتقدوا أنه أكثر دقة. وأصبح هذا التحديد أساسًا لمعيار (ISO  226) الذي اعتُبر نهائيًا حتى عام 2003، عندما نقحت المنظمة الدولية للمقاييس (ISO) المعيار بناءً على تقييمات حديثة أجرتها مجموعات بحثية من جميع أنحاء العالم.

أدت التباينات الملحوظة بين التقديرات المبكرة والحديثة إلى قيام المنظمة الدولية للمقاييس (ISO) بمراجعة منحنيات المعايرة في معيار ISO  226. وقد جاء ذلك استجابةً لتوصيات دراسة نسقها معهد أبحاث الاتصالات الكهربائية بجامعة توهوكو في اليابان. وقد أسفرت الدراسة عن منحنيات جديدة من خلال دمج نتائج عدة دراسات أجراها باحثون في اليابان وألمانيا والدنمارك والمملكة المتحدة والولايات المتحدة. (وكانت اليابان المساهم الأكبر بنحو 40% من البيانات).

وقد أدى ذلك إلى اعتماد مجموعة جديدة من المنحنيات مؤخراً، وفقاً لمعيار ISO  226:2003. ويشير التقرير إلى الاختلافات الكبيرة بشكلٍ لافت، وإلى أن منحنيات فليتشر-مونسون الأصلية تتوافق مع النتائج الحديثة بشكلٍ أفضل من منحنيات روبنسون-دادسون، التي يبدو أنها تختلف بما يصل إلى 10-15  ديسيبل، خاصةً في نطاق الترددات المنخفضة، لأسباب غير مُفسَّرة. ^{[ 6 ]}

بحسب تقرير المنظمة الدولية للمقاييس (ISO)، كانت نتائج روبنسون-دادسون هي الشاذة، إذ اختلفت عن المعيار الحالي أكثر من منحنيات فليتشر-مونسون. ويشير التقرير إلى أنه من حسن الحظ أن منحنى فليتشر-مونسون ذو الأربعين فونًا، الذي استند إليه معيار ترجيح A، قد تبيّن أنه متوافق مع القياسات الحديثة. ^{[ 4 ]}

ويعلق التقرير أيضاً على الاختلافات الكبيرة الواضحة في منطقة الترددات المنخفضة، والتي لا تزال غير مفسرة. ومن التفسيرات المحتملة: ^{[ 4 ]}

• لم تتم معايرة المعدات المستخدمة بشكل صحيح.
• لقد اختلفت المعايير المستخدمة للحكم على تساوي شدة الصوت عند الترددات المختلفة.
• لم يحصل المشاركون على الراحة الكافية لعدة أيام قبل الاختبار، أو تعرضوا لضوضاء عالية أثناء السفر إلى الاختبارات، مما أدى إلى شد عضلات موترة الطبلة والركابية التي تتحكم في الاقتران الميكانيكي منخفض التردد.

تصل الأصوات الحقيقية من مصدر بعيد نسبيًا على شكل موجات مستوية. إذا كان مصدر الصوت أمام المستمع مباشرةً، فإن كلتا الأذنين تستقبلان شدة متساوية، ولكن عند الترددات التي تزيد عن 1  كيلوهرتز تقريبًا، ينخفض ​​الصوت الداخل إلى قناة الأذن جزئيًا بسبب ظل الرأس ، كما يعتمد بشكل كبير على انعكاسه من صيوان الأذن (الأذن الخارجية). تؤدي الأصوات غير المركزية إلى زيادة حجب الرأس في إحدى الأذنين، وتغيرات طفيفة في تأثير صيوان الأذن، خاصةً في الأذن الأخرى. يُقاس هذا التأثير المُجتمع لحجب الرأس وانعكاس صيوان الأذن بمجموعة من المنحنيات في الفضاء ثلاثي الأبعاد تُعرف باسم دوال نقل الصوت المتعلقة بالرأس (HRTFs). يُعتبر العرض الأمامي الآن هو الأفضل عند استخلاص منحنيات تساوي شدة الصوت، ويستند أحدث معيار ISO تحديدًا إلى العرض الأمامي والمركزي.

لأنه لا يوجد HRTF في الاستماع العادي عبر سماعات الرأس، فإن منحنيات تساوي شدة الصوت المستمدة باستخدام سماعات الرأس صالحة فقط للحالة الخاصة لما يسمى بالعرض الجانبي ، وهي ليست الطريقة التي نسمع بها عادةً.

استخدمت طريقة روبنسون-دادسون مكبرات الصوت ، ولفترة طويلة، عُزي الاختلاف بينها وبين منحنيات فليتشر-مونسون جزئيًا إلى استخدام الأخيرة سماعات الرأس. مع ذلك، يُشير تقرير المنظمة الدولية للمعايير (ISO) إلى استخدام الأخيرة لسماعات رأس مُعاوَضة ، دون توضيح كيفية تحقيق روبنسون-دادسون لهذا التعويض .

توفر سماعات الرأس الجيدة، المحكمة الإغلاق على الأذن، استجابة ضغط مسطحة للترددات المنخفضة في قناة الأذن، مع تشويه منخفض حتى عند شدة الصوت العالية. عند الترددات المنخفضة، تكون الأذن حساسة للضغط فقط، ويكون التجويف المتشكل بين سماعات الرأس والأذن صغيرًا جدًا بحيث لا يُحدث رنينًا مُعدِّلًا. لذلك، يُعد اختبار سماعات الرأس طريقة جيدة لاستخلاص منحنيات تساوي شدة الصوت تحت 500  هرتز تقريبًا، على الرغم من وجود تحفظات حول صحة قياسات سماعات الرأس عند تحديد عتبة السمع الفعلية، استنادًا إلى ملاحظة أن إغلاق قناة الأذن يُنتج حساسية متزايدة لصوت تدفق الدم داخل الأذن، والذي يبدو أن الدماغ يُخفيه في ظروف الاستماع العادية. عند الترددات العالية، تصبح قياسات سماعات الرأس غير موثوقة، وتتأثر رنينات صيوان الأذن (الأذن الخارجية) وقنوات الأذن بشدة بقربها من تجويف سماعات الرأس.

مع مكبرات الصوت، الوضع معكوس. يصعب الحصول على استجابة ترددية منخفضة مسطحة، إلا في الفضاء المفتوح على ارتفاع شاهق، أو في غرفة كبيرة جدًا عديمة الصدى خالية من الانعكاسات حتى تردد 20  هرتز. حتى وقت قريب، لم يكن من الممكن تحقيق مستويات صوت عالية عند ترددات تصل إلى 20 هرتز دون مستويات عالية من التشوه التوافقي . حتى اليوم، من المرجح أن تولد أفضل مكبرات الصوت ما بين 1 إلى 3% من إجمالي التشوه التوافقي، أي ما يعادل 30 إلى 40 ديسيبل أقل من التردد الأساسي. هذا غير كافٍ، نظرًا للارتفاع الحاد في شدة الصوت (يصل إلى 24 ديسيبل لكل أوكتاف) مع التردد، كما يتضح من منحنيات تساوي شدة الصوت تحت تردد 100 هرتز تقريبًا. يجب على الباحث الماهر التأكد من أن المشاركين في التجربة يسمعون التردد الأساسي فعلاً وليس التوافقيات، وخاصة التوافقي الثالث، الذي يكون قويًا بشكل خاص عندما تصبح حركة مخروط مكبر الصوت محدودة مع وصول تعليقه إلى حد المرونة. إحدى الطرق الممكنة لتجاوز هذه المشكلة هي استخدام الترشيح الصوتي، مثل استخدام تجويف رنين، في تصميم السماعات. من ناحية أخرى، يُعدّ الحصول على استجابة ترددية مسطحة عالية المجال تصل إلى 20 كيلوهرتز أمرًا سهلًا نسبيًا باستخدام السماعات الحديثة الموجهة. يجب مراعاة هذه التأثيرات عند مقارنة نتائج المحاولات المختلفة لقياس منحنيات تساوي شدة الصوت.     

يُقال إن منحنى الترجيح A ، المستخدم على نطاق واسع لقياس الضوضاء ، قد استند إلى منحنى فليتشر-مونسون ذي الأربعين فون. مع ذلك، أظهرت الأبحاث التي أُجريت في ستينيات القرن الماضي أن تحديدات تساوي شدة الصوت باستخدام النغمات النقية لا ترتبط ارتباطًا مباشرًا بإدراكنا للضوضاء. ^{[ 7 ]} ويعود ذلك إلى أن القوقعة في أذننا الداخلية تُحلل الأصوات من حيث المحتوى الطيفي، حيث تستجيب كل خلية شعرية لنطاق ضيق من الترددات يُعرف بالنطاق الحرج . وتكون نطاقات الترددات العالية أوسع من نطاقات الترددات المنخفضة، وبالتالي "تجمع" طاقة أكبر نسبيًا من مصدر الضوضاء. ولكن عند تحفيز أكثر من نطاق حرج واحد، تجمع الإشارات المُرسلة إلى الدماغ النطاقات المختلفة لتكوين انطباع شدة الصوت. لهذه الأسباب، تُظهر منحنيات تساوي شدة الصوت المُستمدة باستخدام نطاقات الضوضاء ميلًا تصاعديًا فوق 1  كيلوهرتز وميلًا تنازليًا تحت 1  كيلوهرتز عند مقارنتها بالمنحنيات المُستمدة باستخدام النغمات النقية.

تم اشتقاق منحنيات ترجيح متنوعة في ستينيات القرن الماضي، ولا سيما كجزء من معيار DIN 4550 لقياس جودة الصوت ، والتي اختلفت عن منحنى الترجيح A، حيث أظهرت ذروة أكبر حول 6  كيلوهرتز. وقد وفرت هذه المنحنيات مقياسًا ذاتيًا أكثر دلالة للضوضاء في أجهزة الصوت، وخاصة في مسجلات أشرطة الكاسيت المدمجة التي تم اختراعها حديثًا والمزودة بتقنية دولبي للحد من الضوضاء، والتي تميزت بطيف ضوضاء تهيمن عليه الترددات العالية.

أجرى قسم الأبحاث في بي بي سي تجارب استماع في محاولة لإيجاد أفضل منحنى ترجيح ومُقوِّم لاستخدامهما عند قياس الضوضاء في أجهزة البث، حيث فحصوا منحنيات الترجيح الجديدة المختلفة في سياق الضوضاء بدلاً من النغمات، مؤكدين أنها أكثر دقة من ترجيح A عند محاولة قياس شدة الضوضاء المُدرَكة. كما بحث هذا العمل استجابة السمع البشري لنبضات النغمات، والنقرات، والضوضاء الوردية ، ومجموعة متنوعة من الأصوات الأخرى التي، بسبب طبيعتها النبضية القصيرة، لا تمنح الأذن والدماغ وقتًا كافيًا للاستجابة. نُشرت النتائج في تقرير أبحاث بي بي سي EL-17 1968/8 بعنوان " تقييم الضوضاء في دوائر الترددات الصوتية" .

استند منحنى ترجيح الضوضاء ITU-R 468 ، الذي اقترح في الأصل في توصية CCIR رقم 468، ثم اعتمدته لاحقًا العديد من هيئات التقييس ( IEC ، BSI ، JIS ، ITU )، إلى البحث، ويتضمن كاشفًا خاصًا شبه ذروي لمراعاة انخفاض حساسيتنا للنبضات القصيرة والنقرات. ^{[ 8 ]} ويستخدمه على نطاق واسع المذيعون وخبراء الصوت عند قياس الضوضاء على مسارات البث ومعدات الصوت، مما يتيح لهم مقارنة أنواع المعدات ذات أطياف وخصائص الضوضاء المختلفة بشكل موضوعي.

• معيار ISO
• تحديد دقيق وشامل لخطوط الكنتور ثنائية الأبعاد ذات مستوى الصوت المتساوي
• نموذج فليتشر-مونسون ليس نموذج روبنسون-دادسون (ملف PDF)
• مراجعة كاملة للمعايير الدولية لخطوط الكفاف ذات مستوى الصوت المتساوي (ISO 226)
• اختبر سمعك – أداة لقياس منحنيات تساوي شدة الصوت
• قياسات خطوط تساوي شدة الصوت بالتفصيل
• تقييم ترجيح مستوى الصوت وLLSEL JASA
• نموذج لشدة الصوت قابل للتطبيق على الأصوات المتغيرة مع الزمن (مقال منشور في مجلة الجمعية الصوتية الأمريكية)