Воспринимают ли наши уши (или мозг) только периодические помехи?

То, что вы воспринимаете как звук, — это всего лишь интерпретация вашим мозгом изменений давления во внутреннем ухе за барабанной перепонкой. Когда возмущение воздуха заставляет барабанную перепонку двигаться, вызывая изменение давления на другой стороне, ваш мозг «слышит» это.

Таким образом, любое движение барабанной перепонки «слышно» как некий «звук». Волновые или нет и периодические или нет.

Но вы можете не захотеть называть это звуком. Вы скорее назовете это шумом . Если вы когда-нибудь стояли в «тихой» комнате (со всеми этими острыми пенопластовыми шипами на стенах), вы поймете, что в повседневной жизни постоянно слышите шум. Постоянно какое-то нарушение барабанной перепонки.

Если вам случится услышать периодическое возмущение, оно будет звучать более упорядоченно. Это будет звучать как реальный звук , а не шум. Если вы слышите только один период в течение одной четыреста сороковой секунды, то вы никак не можете его распознать или различить и назвали бы это шумом вместе со всеми другими случайными возмущениями атмосферного давления.

Определение того, является ли то, что вы слышите, звуком или шумом, зависит от человека, и я не думаю, что существует конкретное официальное определение, указывающее, требуется ли определенное количество времени, чтобы назвать это звуком. Степень упорядоченности и достаточное количество периодов, чтобы заметить ее как периодическое возмущение, субъективны.

Наш слух в первую очередь основан на частоте. В частности, наш мозг обычно структурирует свое представление о «звуке» вокруг так называемой «основной частоты». Звуки можно разложить на множество частот, которые часто организуются в виде гармоник. Самый низкий тон в этом гармоническом ряду является «основной» частотой этого звука. Затем наш мозг приписывает характер этому звуку на основе обертонов.

Есть несколько мест, где это может сломаться. Отличным примером является тувинское горловое пение. В этом искусстве человек поет дрон, а затем манипулирует обертонами с помощью формы рта, чтобы выделить один обертон. Когда мы слышим это своими ушами, мы слышим обычные гармоники готового и думаем, что «это один голос», но выделенный обертон слишком громкий, чтобы соответствовать этому распределению. Это намного громче, чем близлежащие гармоники. Таким образом, наш мозг предпочитает относиться к нему как к «второму голосу», и у нас возникает иллюзия, что тувинские горловые певцы на самом деле поют две разные ноты одновременно!

Мы также собираем некоторую переходную нечастотную информацию для целей пространственного определения. Если я хлопаю в одном направлении, вы можете сказать, откуда пришел хлопок, потому что вы измеряете разницу во времени между сигналом, достигающим вашего правого уха, и тем же сигналом, достигающим левого. Мы можем показать, что эта информация важна, с помощью того, что я считаю забавным.Испытательная установка. Поместите кого-нибудь в комнату с жесткими стенами с двумя динамиками, назовем их А и Б. Вы начнете воспроизводить тон из динамика А (любой тон, лучше всего средние частоты). Сначала ваши уши будут слышать переходные эффекты этого динамика, и вы будете ассоциировать звук с динамиком А. Однако со всеми этими твердыми стенами довольно скоро вы потеряете след этих переходных процессов. Все, с чем вам придется работать, — это частотные данные. В этот момент мы сдвигаем звук от A к B, изменяя мощность с помощью экспоненциальной кривой. Этот переход затрудняет обнаружение ухом того, что говорящий А теперь молчит, а говорящий В сейчас играет. Таким образом, вы на самом деле услышите звук, исходящий от динамика А. Этот эффект может настолько сбить с толку, что даже когда вам говорят, что вы слушаете динамик Б, вам будет невозможно убедить себя.отключите динамик А. Вы будете слышать звук из динамика А, даже если он отключен! Фокус!

Так что в нашем чудесном мягком программном мозгу есть инструменты, позволяющие распознавать аспекты звука, отличные от частоты. Однако, с точки зрения эволюции, сигналы, которые могли хорошо улавливаться частотами, были очень важны, поэтому большая часть нашей обработки использует их.

По поводу вопроса в заголовке: мы слышим только звуки с частотой?

Слышимые звуки имеют частоты (волны) примерно в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц. Звуки, которые воспринимаются как имеющие доминирующую частоту/высоту, называются тонами.

Цитата из Википедии: высота тона — это свойство восприятия звуков, которое позволяет упорядочивать их по частотной шкале.

Мы говорим, что звук имеет определенную высоту, потому что он в значительной степени обладает свойствами синусоиды соответствующей частоты. То есть есть доминирующая частота, и именно ее мы связываем с этим тоном.

если я играю любую музыкальную ноту 440 раз в секунду, я слышу ля, частота которой составляет 440 Гц.

Когда вы брали тон с определенной высотой и ускоряли его, чтобы играть на частоте A, вы просто получали тон A (чьи отклонения от идеальной синусоидальной функции определялись исходным тоном). Потому что тон определяется его частотой/высотой.

... что произойдет, если мы слышим его только в течение одного периода, и если сам этот период не состоит из периодического сигнала?

Это меня смущает, надеюсь, вы могли бы улучшить эту часть своего вопроса сейчас.

Вас наверняка заинтересуют эти:

• https://music.stackexchange.com/questions/3849/how-do-harmonics-work
• https://sound.stackexchange.com/questions/28163/whats-the-shortest-sound-perceptible-to-the-human-ear
• И, возможно, примеры глав здесь: http://whyyouhearwhatyouhear.com/subpages/sample.html

Надеюсь, я не сказал что-то неправильное ;)

если давление воздуха в точке, где находится мое ухо, является функцией$\sin⁡(2π⋅440t)$Я слышу букву А, но что произойдет, если я услышу ее за$\frac{1}{440}$секунды?

Если у вас есть «достаточно длинный» образец, то частота становится четко определенной. Вы можете представить себе преобразование Фурье на образце, и вы получите хороший пик на доминирующей частоте ($440 \text{Hz}$в вашем примере).

По мере уменьшения выборки неопределенность частоты увеличивается. Отдельный «импульс» не имеет периодического содержания. Если вы выполните преобразование, вы получите очень широкий выходной частотный диапазон. Гармоники, создаваемые переходом от нулевого выхода к вашему сигналу, а затем обратно к нулю за короткое время, могут возбуждать ряд различных частотных датчиков (например, в ваших ушах).

Например, попробуйте взять одну-две секунды чистого тона, а затем уменьшить его в аудиопрограмме, такой как Audacity. По мере того, как вы делаете его все короче и короче, фактический тон звука теряется. Внезапное начало и остановка подавляют тон и заставляют его звучать как шум. Это вводит сигнал, которого нет в вашем$20\text{Hz}$тон и позволяет его воспринимать.