Психоакустика двухтонального клаксона

Если вкратце

  • Двухтональный клаксон. Типичный автомобильный клаксон содержит два излучателя, каждый физически способен непрерывно воспроизводить одну музыкальную ноту. Нажатие на кнопку запускает оба излучателя, и они одновременно воспроизводят свои отдельные ноты.
  • «Сладкая точка» шероховатости. Клаксон обычно настраивают на большую или малую терцию (отношения 5:4 или 6:5). Этот интервал попадает в особую область критической полосы, которая создаёт ощущение срочности за счёт «шероховатости», но при этом сигнал не превращается в неузнаваемый шум.
  • Кортикальное предпочтение. Нейронные цепи обработки высоты тона в мозге предпочитают «гармонические комплексы». Двухтональный клаксон даёт богатую спектральную структуру, которую нейроны коры распознают как целостный «объект», а не как случайный шум окружающей среды.
  • Нейронный рекрутинг. Два тона, разделённые достаточным интервалом по частоте, вовлекают большее общее число волокон слухового нерва, чем один тон той же энергии, создавая более высокую субъективную громкость за счёт «спектрального суммирования громкости».

«Ухо — единственное чувство, которое нельзя закрыть… ухо всегда открыто».
— приписывается Р. Мюррею Шеферу (1977)

1. Инженерное ограничение: громкость vs. закон

Прежде чем понять выбор нот, нужно понять предел громкости. Автомобильные клаксонные устройства регулируются строгими нормами (например, Правилом № 28 ЕЭК ООН), которые ограничивают максимальный уровень звукового давления (SPL), обычно около 105–118 дБ на расстоянии 2 метров.123

Поскольку конструктор не может просто бесконечно повышать уровень децибел, чтобы привлечь внимание, он должен увеличивать воспринимаемую громкость и срочность за счёт спектральной манипуляции. Здесь одноголосый клаксон проигрывает, а двухтональный — выигрывает.

2. Физиология: спектральное суммирование громкости

Основное преимущество двухтонального клаксона — явление, называемое спектральным суммированием громкости.4

2.1 Базилярная мембрана как анализатор Фурье

Внутреннее ухо (улитка) организует звук тонотопически. Высокие частоты возбуждают основание базилярной мембраны; низкие — её верхушку. Один тон активирует определённую, локализованную популяцию волосковых клеток и волокон слухового нерва.

Волокна слухового нерва имеют ограниченный динамический диапазон. По мере увеличения интенсивности одного тона частота разрядов стимулируемых волокон в конце концов выходит на плато — явление, известное как насыщение. Дополнительная энергия, подаваемая в одну и ту же частоту, даёт всё меньшую прибавку нейронного отклика.

2.2 Уход от насыщения

Разделив акустическую энергию на две различные частоты (например, 400 Гц и 500 Гц), клаксон активирует две отдельные популяции нейронов вдоль базилярной мембраны.

Frequency coding in the cochlea" by OpenStax, Anatomy and Physiology, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons.

Поскольку эти две популяции пространственно разделены, они не конкурируют за один и тот же нейронный ресурс. Мозг суммирует входы из этих отдельных каналов. В результате два тона по 70 дБ каждый будут субъективно звучать заметно громче, чем один тон в 73 дБ (физическая сумма энергии), потому что нейронный рекрутинг шире и менее насыщен.56

3. Психоакустика интервалов: почему именно «терция»?

Если два тона лучше одного, почему бы не взять любые два? Ответ кроется в критической полосе.7

3.1 Критическая полоса частот

Ухо анализирует звук в дискретных частотных полосах. В диапазоне автомобильных клаксонов (300–600 Гц) ширина критической полосы составляет примерно 100 Гц.

  • Если тоны слишком близки (< 50 Гц друг от друга): Они попадают в одну и ту же критическую полосу. Они мешают друг другу, вызывая медленное «биение» или маскировку. Преимущество по громкости теряется, потому что они конкурируют за один и тот же участок нейронной карты.
  • Если тоны слишком разнесены (> 200 Гц друг от друга): Они воспринимаются как два несвязанных события, что может сбивать слушателя с толку.

3.2 Кривая консонанса Пломпа–Левелта

В 1965 году Пломп и Левелт описали, как люди воспринимают «шероховатость» (диссонанс) в зависимости от частотного разделения.78

Они обнаружили, что максимальная шероховатость возникает, когда два тона разделены примерно на 25 % ширины критической полосы. По мере того как разделение приближается к границе критической полосы, ощущение смещается от «шероховатого» к «консонантному».

Автомобильные клаксонные устройства, как правило, настраиваются на малую терцию (6:5) или большую терцию (5:4) и попадают в переходную зону.9101112 Они:

  1. Достаточно различимы, чтобы находиться за пределами порога маскировки (максимизируя громкость).
  2. Достаточно шероховаты, чтобы вызывать «сенсорный диссонанс», который привлекает внимание и создаёт ощущение срочности.
  3. Достаточно гармоничны, чтобы восприниматься как сигнал одного механического устройства, а не как визжащая аномалия.

4. Нейронаука: кортикальное распознавание «объектов»

Помимо уха, в мозге существуют специальные цепи для идентификации «объектов» в звуке.

Исследования в области слуховой нейронауки выявили в слуховой коре нейроны гармонического шаблона. Эти нейроны настроены на специфический отклик на звуки, содержащие основную частоту с наложенными целочисленными гармониками — именно такую структуру имеет сигнал клаксона.131415

Двухтональный клаксон создаёт «аккорд» из двух гармонических стеков. Эта сложная структура более устойчива к шумам окружающей среды (таким как ветер или шум шин), потому что даже если одна частотная компонента маскируется средой, мозг может реконструировать «объект» по оставшимся видимым гармоникам. Один чистый тон такой избыточности не даёт: если его конкретная частота маскируется, предупреждающий сигнал полностью исчезает.

5. Сводная таблица: один тон vs. два тона

ХарактеристикаОднотональный клаксонДвухтональный клаксон (большая/малая терция)
Нейронный рекрутингЛокализованный; подвержен насыщениюРаспределённый; вовлекает более широкую популяцию
Восприятие громкостиЛинейно по отношению к физической интенсивностиСверхлинейно за счёт суммирования
СрочностьЗависит от чистой громкостиУсилена за счёт «шероховатости» (биений)
Устойчивость к шумуНизкая; легко маскируется специфическим шумомВысокая; избыточные гармонические шаблоны

6. Выводы для проектирования систем безопасности

Для велосипедистов и инженеров по безопасности главный вывод в том, что «громкость» — это не одно число на шкале децибел. Это нейрологическое событие. Используя два тона, разделённые определённым интервалом (примерно 15–20 % по частоте), устройство предупреждения может «взломать» человеческую слуховую систему и восприниматься как более громкое, более срочное и более «реальное», чем один тон той же мощности.16171819

Литература

Footnotes

  1. United Nations Economic Commission for Europe. «Regulation No. 28: Audible warning devices.» Consolidated text (2010). EUR-Lex PDF. ↩

  2. American Academy of Audiology. «Levels of noise in decibels (dB).» Образовательный плакат, указывающий, что автомобильные клаксонные устройства ≈110 дБ, и другие распространённые звуки окружающей среды. PDF. ↩

  3. World Health Organization. «Deafness and hearing loss: Safe listening.» Вопросы и ответы (2025). WHO safe listening. ↩

  4. Cedolin, L., & Delgutte, B. «Spatiotemporal representation of the pitch of harmonic complex tones in the auditory nerve.» Journal of Neuroscience 30(4), 12734–12744 (2010). PMC article. ↩

  5. Larsen, E., & Delgutte, B. «Pitch representations in the auditory nerve: two concurrent complex tones.» Journal of the Acoustical Society of America 123(3), 1637–1655 (2008). MIT DSpace summary. ↩

  6. Su, Y., Delgutte, B., & Colburn, H. S. «Pitch of harmonic complex tones: rate-place coding of pitch in the auditory nerve.» bioRxiv 2019. Preprint. ↩

  7. Plomp, R., & Levelt, W. J. M. «Tonal consonance and critical bandwidth.» Journal of the Acoustical Society of America 38(4), 548–560 (1965). JASA abstract. ↩ ↩2

  8. Vassilakis, P. N. «Perceptual and physical properties of amplitude fluctuation and their musical significance.» Music Perception 21(3), 313–336 (2004). (Резюмировано и развито в более поздних моделях консонанса, опирающихся на Пломпа и Левелта.) См. обзор в Semantic Scholar summary of Plomp–Levelt. ↩

  9. «Vehicle horn.» Wikipedia (rev. 2025). Раздел о частотах клаксона и двухтональных конструкциях. Vehicle horn article. ↩

  10. Lemaitre, G., Susini, P., Winsberg, S., McAdams, S., & Letinturier, B. «The sound quality of car horns: A psychoacoustical study of timbre.» Acta Acustica united with Acustica 93, 457–468 (2007). PDF. ↩

  11. Toyota / Hella. «Electric twin horn, frequency 400 Hz low tone / 500 Hz high tone.» Описание товара (дата обращения 2025). Example product. ↩

  12. PIAA Corporation. Маркетинговые материалы и независимые тесты, описывающие спортивные двухтональные клаксонные устройства 400/500 Гц (2019–2024). Пример сравнения: BMWSportTouring horn tests. ↩

  13. Feng, L., & Wang, X. «Harmonic template neurons in primate auditory cortex underlying complex sound processing.» Proceedings of the National Academy of Sciences 114(5), E840–E848 (2017). PNAS article. ↩

  14. Fishman, Y. I., Micheyl, C., & Steinschneider, M. «Neural representation of concurrent harmonic sounds in monkey primary auditory cortex.» Journal of Neuroscience 34(37), 12425–12438 (2014). JNeurosci article. ↩

  15. Wang, X. «The harmonic organization of auditory cortex.» Frontiers in Systems Neuroscience 7, 114 (2013). PMC article. ↩

  16. Kang, H. S., Park, S. H., & Lee, K. H. «Quality index of dual shell horns of passenger cars based on a spectrum decay slope.» International Journal of Automotive Technology 16, 237–244 (2015). Springer article. ↩

  17. Mollah, A. A., et al. «Intelligent classification of automotive horn sound quality.» Transportation Research Record (2024). TRID record. ↩

  18. Kim, S. Y., et al. «Methodology for sound quality analysis of motors using psychoacoustic parameters.» Applied Sciences 12(17), 8549 (2022). PMC article. ↩

  19. Wang, Y. S., et al. «A sound quality model for objective synthesis evaluation of vehicle interior noise.» Applied Acoustics 74(10), 1141–1149 (2013). ScienceDirect. ↩

Related Articles

Правда ли, что электровелосипеды действительно заменяют поездки на машине? Что показывают исследования

Действительно ли электровелосипеды заменяют поездки на машине? Обзор исследований о том, сколько поездок на автомобиле они на самом деле вытесняют и что необходимо, чтобы электровелосипеды сокращали использование машин.

Читать далее →

Скрытый дивиденд велоспорта: экономика двух колёс против четырёх

Как поездка на велосипеде вместо поездки на машине экономит деньги домохозяйств, стимулирует местный бизнес и возвращает вложения городам за счёт экономии на здравоохранении и инфраструктуре.

Читать далее →