Інтенсивність звукової хвилівизначається як середній потік енергії через одиницю площі хвильового фронту за одиницю часу. Інакше кажучи, якщо взяти одиничний майданчик (наприклад, 1 см 2), який повністю поглинав би звук , і розташувати його перпендикулярно напрямку поширення хвилі, то інтенсивність звуку дорівнює акустичній енергії, що поглинається за одну секунду. Інтенсивність зазвичай виявляється у Вт/см 2(або в Вт/м2).

Наведемо значення цієї величини для деяких звичних звуків. Амплітуда надлишкового тиску, що виникає при звичайній розмові, становить приблизно одну мільйонну атмосферного тиску, що відповідає акустичній інтенсивності звуку порядку 10-9 Вт/см2. Повна ж потужність звуку, що видається при звичайній розмові, - лише 0,00001 Вт. Здатність людського вуха сприймати такі малі енергії свідчить про його разючу чутливість.

Діапазон інтенсивностей звуку, що сприймаються нашим вухом, дуже широкий. Інтенсивність найгучнішого звуку, який може винести вухо, приблизно в 10 14 разів більша за мінімальну, яку воно здатне почути. Повна потужність джерел звуку охоплює настільки широкий діапазон. Так, потужність , що випромінюється при дуже тихому шепоті, може бути близько 10 -9 Вт, тоді як потужність , що випромінюється реактивним двигуном, досягає 10 5 Вт. Знову-таки інтенсивності розрізняються у 10 14 разів.

Децибел

Оскільки звуки настільки сильно відрізняються інтенсивністю, зручніше розглядати її як логарифмічну величину і вимірювати в децибелах. Логарифмічна величина інтенсивності є логарифм відношення аналізованого значення величини до її значення, що приймається за вихідне. Рівень інтенсивності Jпо відношенню до деякої умовно обраної інтенсивності J 0дорівнює

Ці криві використовуються визначення фону - одиниці рівня гучності, яка також вимірюється в децибелах. Фон- Це рівень гучності звуку, для якого рівень звукового тиску рівногучного стандартного чистого тону (1000 Гц) дорівнює 1 дБ. Так, звук частотою 200 Гц при рівні 60 дБ має рівень гучності 50 фонів.

Лютий 18, 2016

Світ домашніх розваг досить різноманітний і може включати: перегляд кіно на хорошій домашній кінотеатральній системі; захоплюючий та захоплюючий ігровий процес або прослуховування музичних композицій. Як правило, кожен знаходить щось своє в цій галузі, або поєднує все одразу. Але якими б не були цілі людини з організації свого дозвілля і в яку крайність не вдарялися - всі ці ланки міцно пов'язані одним простим і зрозумілим словом - "звук". Справді, у всіх випадках нас буде вести за ручку звуковий супровід. Але питання це не таке просте і тривіальне, особливо в тих випадках, коли з'являється бажання досягти якісного звучання в приміщенні або будь-яких інших умовах. Для цього не завжди обов'язково купувати дорогі hi-fi або hi-end компоненти (хоча буде вельми доречним), а буває достатнім гарне знання фізичної теорії, яка здатна усунути більшість проблем, що виникають у всіх, хто поставив за мету отримати озвучення високої якості.

Далі буде розглянуто теорію звуку та акустики з погляду фізики. В даному випадку я постараюся зробити це максимально доступно для розуміння будь-якої людини, яка, можливо, далека від знання фізичних законів або формул, але пристрасно мріє втіленням мрії створення досконалої акустичної системи. Я не беруся стверджувати, що для досягнення хороших результатів у цій галузі в домашніх умовах (або в автомобілі, наприклад) необхідно знати ці теорії досканально, проте розуміння основ дозволить уникнути безліч дурних і абсурдних помилок, а також дозволить досягти максимального ефекту звучання від системи будь-якого рівня.

Загальна теорія звуку та музична термінологія

Що ж таке звук? Це відчуття, яке сприймає слуховий орган "вухо"(саме собою явище існує і без участі «вуха» в процесі, але так простіше для розуміння), що виникає при збудженні барабанної перетинки звуковою хвилею. Вухо у разі виступає у ролі " приймача " звукових хвиль різної частоти.
Звукова хвиляж є по суті послідовний ряд ущільнень і розряджень середовища (найчастіше повітряного середовища в нормальних умовах) різної частоти. Природа звукових хвиль коливальна, викликана і вироблена вібрацією будь-яких тіл. Виникнення та поширення класичної звукової хвилі можливе у трьох пружних середовищах: газоподібних, рідких та твердих. При виникненні звукової хвилі в одному з цих типів простору неминуче виникають деякі зміни в середовищі, наприклад, зміна щільності або тиску повітря, переміщення частинок повітряних мас і т.д.

Оскільки звукова хвиля має коливальну природу, то вона має така характеристика, як частота. Частотавимірюється в герцах (на честь німецького фізика Генріха Рудольфа Герца), і позначає кількість коливань за період часу, що дорівнює одній секунді. Тобто. наприклад, частота 20 Гц позначає цикл 20 коливань за одну секунду. Від частоти звуку залежить суб'єктивне поняття його висоти. Чим більше звукових коливань відбувається за секунду, тим вище здається звучання. У звукової хвилі також є ще одна найважливіша характеристика, що має назву - довжина хвилі. Довжиною хвиліприйнято вважати відстань, яка проходить звук певної частоти за період, що дорівнює одній секунді. Наприклад, довжина хвилі найнижчого звуку в чутному діапазоні людини частотою 20 Гц становить 16,5 метрів, а довжина хвилі найвищого звуку 20000 Гц становить 1,7 сантиметра.

Людське вухо влаштоване таким чином, що здатне сприймати хвилі лише в обмеженому діапазоні, приблизно 20 Гц - 20000 Гц (залежить від особливостей конкретної людини, хтось здатний чути трохи більше, хтось менше). Таким чином, це не означає, що звуків нижче або вище за ці частоти не існує, просто людським вухом вони не сприймаються, виходячи за кордон чутного діапазону. Звук вище чутного діапазону називається ультразвуком, звук нижче чутного діапазону називається інфразвуком. Деякі тварини здатні сприймати ультра та інфра звуки, деякі навіть використовують цей діапазон для орієнтування у просторі (кажани, дельфіни). У разі, якщо звук проходить через середовище, яке безпосередньо не стикається з органом слуху людини, такий звук може бути не чуємо або сильно ослабленим згодом.

У музичній термінології звуку є такі важливі позначення, як октава, тон і обертон звуку. Октаваозначає інтервал, в якому співвідношення частот між звуками становить 1 до 2. Октава зазвичай дуже добре помітна на слух, тоді як звуки в межах цього інтервалу можуть бути дуже схожими один на одного. Октавой також можна назвати звук, який робить удвічі більше коливань, ніж інший звук, в однаковий часовий період. Наприклад, частота 800 Гц, є ні що інше, як вища октава 400 Гц, а частота 400 Гц у свою чергу є наступною октавою звуку частотою 200 Гц. Октава у свою чергу складається з тонів та обертонів. Змінні коливання в гармонійній звуковій хвилі однієї частоти сприймаються людським вухом як музичний тон. Коливання високої частоти можна інтерпретувати як звуки високого тону, коливання низької частоти як звуки низького тону. Людське вухо здатне чітко відрізняти звуки з різницею один тон (в діапазоні до 4000 Гц). Незважаючи на це, в музиці використовується дуже мало тонів. Пояснюється це з міркувань принципу гармонійної співзвучності, все ґрунтується на принципі октав.

Розглянемо теорію музичних тонів з прикладу струни, натягнутої певним чином. Така струна, залежно від сили натягу, матиме налаштування на якусь одну конкретну частоту. При дії на цю струну чимось із однією певною силою, що викличе її коливання, стабільно спостерігатиметься якийсь один певний тон звуку, ми почуємо шукану частоту налаштування. Цей звук називається головним тоном. За основний тон у музичній сфері офіційно прийнято частоту ноти "ля" першої октави, що дорівнює 440 Гц. Однак більшість музичних інструментів ніколи не відтворюють одні чисті основні тони, їх неминуче супроводжують призвуки, іменовані обертонами. Тут варто згадати важливе визначення музичної акустики, поняття тембру звуку. Тембр- це особливість музичних звуків, які надають музичним інструментам та голосам їх неповторну впізнавану специфіку звучання, навіть якщо порівнювати звуки однакової висоти та гучності. Тембр кожного музичного інструменту залежить від розподілу звукової енергії обертонами в момент появи звуку.

Обертони формують специфічне забарвлення основного тону, яким ми легко можемо визначити й дізнатися конкретний інструмент, а як і чітко відрізнити його звучання від іншого інструмента. Обертони бувають двох типів: гармонійні та негармонічні. Гармонічні обертониза визначенням кратні частоті основного тону. Навпаки, якщо обертони не кратні і помітно відхиляються від величин, вони називаються негармонічними. У музиці практично виключається оперування некратними обертонами, тому термін зводиться до поняття "обертон", маючи на увазі гармонічний. У деяких інструментів, наприклад, фортепіано, основний тон навіть не встигає сформуватися, за короткий проміжок відбувається наростання звукової енергії обертонів, а потім так само стрімко відбувається спад. Багато інструментів створюють так званий ефект "перехідного тону", коли енергія певних обертонів максимальна в певний момент часу, зазвичай на самому початку, але потім різко змінюється і переходить до інших обертонів. Частотний діапазон кожного інструменту можна розглянути окремо, і він зазвичай обмежується частотами основних тонів, який здатний відтворювати цей конкретний інструмент.

Теоретично звуку також є таке поняття як ШУМ. Шум- це будь-який звук, який створюється сукупністю неузгоджених між собою джерел. Всім добре знайомий шум листя дерев, колихається вітром і т.д.

Від чого залежить гучність звуку?Очевидно, що подібне явище безпосередньо залежить від кількості енергії, що переноситься звуковою хвилею. Для визначення кількісних показників гучності існує поняття - інтенсивність звуку. Інтенсивність звукувизначається як потік енергії, що пройшов через якусь площу простору (наприклад см2) за одиницю часу (наприклад, за секунду). При звичайній розмові інтенсивність становить приблизно 9 або 10 Вт/см2. Людське вухо здатне сприймати звуки досить широкого діапазону чутливості, у своїй сприйнятливість частот неоднорідна не більше звукового спектра. Так найкраще сприймається діапазон частот 1000 Гц - 4000 Гц, який найбільше широко охоплює людську мову.

Оскільки звуки настільки сильно різняться за інтенсивністю, зручніше розглядати її як логарифмічну величину та вимірювати в децибелах (на честь шотландського вченого Олександра Грема Белла). Нижній поріг слухової чутливості людського вуха становить 0 Дб, верхній 120 Дб, він ще називається "больовий поріг". Верхня межа чутливості також сприймається людським вухом не однаково, а залежить від конкретної частоти. Звуки низьких частот повинні мати набагато більшу інтенсивність, ніж високі, щоб викликати больовий поріг. Наприклад, больовий поріг на низькій частоті 31,5 Гц настає при рівні сили звуку 135 дБ, коли на частоті 2000 Гц відчуття болю з'явиться вже при 112 дБ. Є також поняття звукового тиску, яке фактично розширює звичне пояснення поширення звукової хвилі повітря. Звуковий тиск- це змінний надлишковий тиск, що виникає в пружному середовищі в результаті проходження через неї звукової хвилі.

Хвильова природа звуку

Щоб краще зрозуміти систему виникнення звукової хвилі, уявімо класичний динамік, що знаходиться в трубі, наповненій повітрям. Якщо динамік здійснить різке рух уперед, повітря, що у безпосередній близькості дифузора на мить стискається. Після цього повітря розшириться, штовхаючи тим самим стисну повітряну область вздовж труби.
Ось цей хвильовий рух і буде згодом звуком, коли досягне слухового органу і збудить барабанну перетинку. У разі звукової хвилі у газі створюється надлишковий тиск, надлишкова щільність і відбувається переміщення частинок з постійною швидкістю. Про звукові хвилі важливо пам'ятати те, що речовина не переміщається разом із звуковий хвилею, а виникає лише тимчасове обурення повітряних мас.

Якщо уявити поршень, підвішений у вільному просторі на пружині і здійснює повторювані рухи "вперед-назад", то такі коливання будуть називатися гармонійними або синусоїдальними (якщо уявити хвилю у вигляді графіка, то отримаємо в цьому випадку чисту синусоїду з спадами, що повторюються). Якщо уявити динамік в трубі (як і в прикладі, описаному вище), що здійснює гармонічні коливання, то в момент руху динаміка "вперед" виходить відомий ефект стиснення повітря, а при русі динаміка "назад" зворотний ефект розрядження. У цьому випадку по трубі буде поширюватися хвиля стиснень і розріджень, що чергуються. Відстань уздовж труби між сусідніми максимумами або мінімумами (фазами) називатиметься довжиною хвилі. Якщо частки коливаються паралельно до напряму поширення хвилі, то хвиля називається поздовжній. Якщо ж вони коливаються перпендикулярно до напряму поширення, то хвиля називається поперечної. Зазвичай звукові хвилі в газах і рідинах - поздовжні, у твердих тілах можливе виникнення хвиль обох типів. Поперечні хвилі у твердих тілах виникають завдяки опору до зміни форми. Основна різниця між цими двома типами хвиль полягає в тому, що поперечна хвиля має властивість поляризації (коливання відбуваються у певній площині), а поздовжня – ні.

Швидкість звуку

Швидкість звуку безпосередньо залежить від характеристик середовища, в якому він поширюється. Вона визначається (залежна) двома властивостями середовища: пружністю та щільністю матеріалу. Швидкість звуку в твердих тілах безпосередньо залежить від типу матеріалу та його властивостей. Швидкість у газових середовищах залежить лише від одного типу деформації середовища: стиснення-розрідження. Зміна тиску в звуковій хвилі відбувається без теплообміну з навколишніми частинками і зветься адіабатичним.
Швидкість звуку в газі залежить в основному від температури - зростає у разі підвищення температури і падає при зниженні. Так само швидкість звуку в газоподібному середовищі залежить від розмірів і маси самих молекул газу, - чим маса і розмір частинок менше, тим "провідність" хвилі більша і більша відповідно до швидкості.

У рідкому та твердому середовищах принцип поширення та швидкість звуку аналогічні тому, як хвиля поширюється в повітрі: шляхом стиснення-розрядження. Але в цих середовищах, крім тієї ж залежності від температури, досить важливе значення має щільність середовища та її склад/структура. Чим менша щільність речовини, тим швидкість звуку вища і навпаки. Залежність від складу середовища складніше і визначається у кожному конкретному випадку з урахуванням розташування та взаємодії молекул/атомів.

Швидкість звуку повітря при t, °C 20: 343 м/с
Швидкість звуку у дистильованій воді при t, °C 20: 1481 м/с
Швидкість звуку сталі при t, °C 20: 5000 м/с

Стоячі хвилі та інтерференція

Коли динамік створює звукові хвилі в обмеженому просторі, неминуче виникає ефект відображення хвиль від кордонів. В результаті цього найчастіше виникає ефект інтерференції- коли дві чи більше звукових хвиль накладаються друг на друга. Особливими випадками явища інтерференції є утворення: 1) биття хвиль або 2) стоячих хвиль. Биття хвиль- це випадок, коли відбувається складання хвиль з близькими частотами та амплітудою. Картина виникнення биття: коли дві схожі за частотою хвилі накладаються одна на одну. У якийсь момент часу при такому накладенні амплітудні піки можуть збігатися "по фазі", а також можуть збігатися і спади по "протифазі". Саме так і характеризуються биття звуку. Важливо пам'ятати, що на відміну стоячих хвиль, фазові збіги піків відбуваються не завжди, а через якісь тимчасові проміжки. На слух така картина биття відрізняється досить чітко, і чується як періодичне наростання і зменшення гучності відповідно. Механізм виникнення цього ефекту гранично простий: у момент збігу піків гучність наростає, у момент збігу спадів гучність зменшується.

Стоячі хвилівиникають у разі накладання двох хвиль однакової амлітуди, фази та частоти, коли при "зустрічі" таких хвиль одна рухається у прямому, а інша – у зворотному напрямку. У ділянці простору (де утворилася стояча хвиля) виникає картина накладання двох частотних амплітуд, з чергуванням максимумів (т.зв. пучностей) і мінімумів (т.зв. вузлів). У разі цього явища вкрай важливе значення має частота, фаза і коефіцієнт згасання хвилі у місці відбиття. На відміну від хвиль, що біжать, у стоячій хвилі відсутня перенесення енергії внаслідок того, що утворюють цю хвилю пряма і зворотна хвилі переносять енергію в рівних кількостях і в прямому і в протилежному напрямках. Для наочного розуміння виникнення стоячої хвилі, представимо приклад із домашньої акустики. Припустимо, у нас є акустичні системи підлоги в деякому обмеженому просторі (кімнаті). Змусивши їх грати якусь композицію з великою кількістю басу, спробуємо змінити розташування слухача в приміщенні. Таким чином слухач, потрапивши в зону мінімуму (віднімання) стоячої хвилі, відчує ефект того, що баса стало дуже мало, а якщо слухач потрапляє в зону максимуму (складання) частот, то виходить зворотний ефект суттєвого збільшення басової області. При цьому ефект спостерігається у всіх октав базової частоти. Наприклад, якщо базова частота становить 440 Гц, то явище "додавання" або "віднімання" буде спостерігатися також на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц і т.д.

Явище резонансу

Більшість твердих тіл є власна частота резонансу. Зрозуміти цей ефект досить просто на прикладі звичайної труби, відкритої лише з одного кінця. Уявімо ситуацію, що з іншого кінця труби приєднується динамік, який може грати якусь одну постійну частоту, її також можна змінювати. Так от, труба має власну частоту резонансу, кажучи простою мовою - це частота, на якій труба "резонує" або видає свій власний звук. Якщо частота динаміка (в результаті регулювання) співпаде із частотою резонансу труби, то виникне ефект збільшення гучності у кілька разів. Це відбувається тому, що гучномовець збуджує коливання повітряного стовпа в трубі зі значною амплітудою до тих пір, поки не знайдеться та сама «резонансна частота» і відбудеться ефект додавання. Виникне явище можна описати наступним чином: труба в цьому прикладі "допомагає" динаміку, резонуючи на конкретній частоті, їх зусилля складаються і "виливаються" в гучний ефект. На прикладі музичних інструментів легко простежується це явище, оскільки конструкції більшості присутні елементи, звані резонаторами. Неважко здогадатися, що має на меті посилити певну частоту або музичний тон. Для прикладу: корпус гітари з резонатором у вигляді отвору, що сполучається з об'ємом; Конструкція трубки у флейти (і всі труби взагалі); Циліндрична форма корпусу барабана, який сам собою є резонатором певної частоти.

Частотний спектр звуку та АЧХ

Оскільки практично практично не зустрічаються хвилі однієї частоти, виникає необхідність розкладання всього звукового спектру чутного діапазону на обертони чи гармоніки. Для цього існують графіки, які відображають залежність відносної енергії звукових коливань від частоти. Такий графік називається графіком частотного діапазону звуку. Частотний спектр звукубуває двох типів: дискретний та безперервний. Дискретний графік спектра відображає частоти окремо, розділені порожніми проміжками. У безперервному спектрі присутні відразу всі звукові частоти.
У випадку музики або акустики найчастіше використовується звичайний графік Амплітудно-Частота Характеристики(Скорочено "АЧХ"). На такому графіку представлена ​​залежність амплітуди звукових коливань від частоти протягом усього діапазону частот (20 Гц - 20 кГц). Дивлячись на такий графік легко зрозуміти, наприклад, сильні або слабкі сторони конкретного динаміка або акустичної системи в цілому, найбільш сильні ділянки енергетичної віддачі, частотні спади та підйоми, згасання, а також простежити крутість спаду.

Поширення звукових хвиль, фаза та протифаза

Процес поширення звукових хвиль відбувається у всіх напрямках джерела. Найпростіший приклад для розуміння цього явища: камінчик, кинутий у воду.
Від місця, куди впав камінь, починають розходитися хвилі по поверхні води у всіх напрямках. Однак, уявимо ситуацію з використанням динаміка в певному обсязі, допустимо закритому ящику, який підключений до підсилювача і відтворює якийсь музичний сигнал. Неважко помітити (особливо за умови, якщо подати потужний НЧ сигнал, наприклад бас-бочку), що динамік здійснює стрімкий рух "вперед", а потім такий самий стрімкий рух "назад". Залишається зрозуміти, що коли динамік здійснює рух уперед, він випромінює звукову хвилю, яку чуємо згодом. А ось що відбувається, коли динамік здійснює рух назад? А відбувається парадоксально те саме, динамік робить той же звук, тільки поширюється він у нашому прикладі повністю в межах обсягу ящика, не виходячи за його межі (скринька закрита). В цілому, на наведеному вище прикладі можна спостерігати досить багато цікавих фізичних явищ, найбільш значущим є поняття фази.

Звукова хвиля, яку динамік, перебуваючи в обсязі, випромінює у напрямку слухача - знаходиться "у фазі". Зворотна хвиля, яка йде в об'єм ящика, буде відповідно протифазною. Залишається тільки зрозуміти, що мають на увазі ці поняття? Фаза сигналу- Це рівень звукового тиску в даний момент часу в якійсь точці простору. Фазу найпростіше зрозуміти на прикладі відтворення музичного матеріалу звичайною стерео-парою підлоги домашніх акустичних систем. Уявімо, що дві такі колонки встановлені в деякому приміщенні і грають. Обидві акустичні системи у разі відтворюють синхронний сигнал змінного звукового тиску, причому звуковий тиск однієї колонки складається зі звуковим тиском інший колонки. Відбувається подібний ефект рахунок синхронності відтворення сигналу лівої і правої АС відповідно, іншими словами, піки і спади хвиль, випромінюваних лівими і правими динаміками збігаються.

А тепер уявімо, що тиск звуку, як і раніше, змінюються однаковим чином (не зазнали змін), але тільки тепер протилежно один одному. Подібне може статися, якщо підключити одну акустичну систему з двох у зворотній полярності ("+" кабель від підсилювача до "-" клеми акустичної системи, і "-" кабель від підсилювача до "+" клеми акустичної системи). У цьому випадку протилежний у напрямку сигнал викличе різницю тисків, яку можна представити у вигляді чисел наступним чином: ліва акустична система буде створювати тиск "1 Па", а права акустична система буде створювати тиск "мінус 1 Па". В результаті, сумарна гучність звуку в точці розміщення слухача дорівнюватиме нулю. Це називається протифазою. Якщо розглядати приклад більш детально для розуміння, то виходить, що два динаміки, що грають "у фазі" - створюють однакові області ущільнення та розряджання повітря, ніж фактично допомагають один одному. У випадку з ідеалізованою протифазою, область ущільнення повітряного простору, створена одним динаміком, буде супроводжуватися областю розрядження повітряного простору, створеної другим динаміком. Виглядає це приблизно як явище взаємного синхронного гасіння хвиль. Щоправда, практично падіння гучності до нуля немає, і ми почуємо сильно спотворений і ослаблений звук.

Найдоступнішим чином можна описати це так: два сигнали з однаковими коливаннями (частотою), але зрушені за часом. Зважаючи на це, зручніше уявити ці явища зміщення на прикладі звичайного круглого стрілочного годинника. Уявимо, що на стіні висить кілька однакових годин. Коли секундні стрілки цього годинника біжать синхронно, на одному годиннику 30 секунд і на іншому 30, то це приклад сигналу, який знаходиться у фазі. Якщо ж секундні стрілки біжать зі зміщенням, але швидкість, як і раніше, однакова, наприклад, на одному годиннику 30 секунд, а на іншому 24 секунди, то це і є класичний приклад зсуву (зсуву) по фазі. Таким же чином фаза вимірюється в градусах, у межах віртуального кола. У цьому випадку, при зміщенні сигналів один на 180 градусів (половина періоду), і виходить класична протифаза. Нерідко на практиці виникають незначні зміщення по фазі, які можна визначити в градусах і успішно усунути.

Хвилі бувають плоскі та сферичні. Плоский хвильовий фронт поширюється лише одному напрямку і рідко зустрічається практично. Сферичний хвильовий фронт є хвилі простого типу, які виходять з однієї точки і поширюється у всіх напрямках. Звукові хвилі мають властивість дифракції, тобто. здатністю огинати перешкоди та об'єкти. Ступінь обгинання залежить від відношення довжини звукової хвилі до розмірів перешкоди чи отвору. Дифракція виникає і у разі, коли на шляху звуку виявляється якась перешкода. У цьому випадку можливі два варіанти розвитку подій: 1) Якщо розміри перешкоди набагато більші за довжину хвилі, то звук відбивається або поглинається (залежно від ступеня поглинання матеріалу, товщини перешкоди і т.д.), а позаду перешкоди формується зона "акустичної тіні" . 2) Якщо ж розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі або навіть менше її, тоді звук дифрагує певною мірою в усіх напрямках. Якщо звукова хвиля під час руху в одному середовищі потрапляє на межу розділу з іншим середовищем (наприклад, повітряне середовище з твердим середовищем), то може виникнути три варіанти розвитку подій: 1) хвиля відобразиться від поверхні розділу 2) хвиля може пройти в інше середовище без зміни напрямку 3) хвиля може пройти в інше середовище зі зміною напряму на кордоні, це називається "заломлення хвилі".

Відношенням надлишкового тиску звукової хвилі до коливальної об'ємної швидкості називається хвильовий опір. Говорячи простими словами, хвильовим опором середовищаможна назвати здатність поглинати звукові хвилі або "опиратися" їм. Коефіцієнти відображення та проходження безпосередньо залежать від співвідношення хвильових опорів двох середовищ. Хвильовий опір у газовому середовищі набагато нижчий, ніж у воді або твердих тілах. Тому якщо звукова хвиля в повітрі падає на твердий об'єкт чи поверхню глибокої води, то звук або відбивається від поверхні, або поглинається значною мірою. Залежить це від товщини поверхні (води чи твердого тіла), яку падає шукана звукова хвиля. При низькій товщині твердого або рідкого середовища звукові хвилі практично повністю "проходять", і навпаки, при великій товщині середовища хвилі частіше відбивається. У разі відображення звукових хвиль відбувається цей процес за добре відомим фізичним законом: "Кут падіння дорівнює куту відображення". У цьому випадку, коли хвиля із середовища з меншою щільністю потрапляє на кордон із середовищем більшої щільності – відбувається явище рефракції. Воно полягає у вигині (заломленні) звукової хвилі після "зустрічі" з перешкодою, і обов'язково супроводжується зміною швидкості. Рефракція залежить також від температури середовища, в якому відбувається відбиття.

У процесі поширення звукових хвиль у просторі неминуче відбувається зниження їхньої інтенсивності, можна сказати загасання хвиль та ослаблення звуку. На практиці зіткнутися з подібним ефектом досить просто: наприклад, якщо двоє людей встануть у поле на деякій близькій відстані (метр і ближче) і почнуть щось говорити один одному. Якщо згодом збільшувати відстань між людьми (якщо вони почнуть віддалятися один від одного), той самий рівень розмовної гучності ставатиме все менш чутним. Подібний приклад наочно демонструє явище зниження інтенсивності звукових хвиль. Чому це відбувається? Причиною цього є різні процеси теплообміну, молекулярної взаємодії та внутрішнього тертя звукових хвиль. Найчастіше практично відбувається перетворення звукової енергії на теплову. Подібні процеси неминуче виникають у будь-якому з трьох середовищ поширення звуку і їх можна охарактеризувати як поглинання звукових хвиль.

Інтенсивність та ступінь поглинання звукових хвиль залежить від багатьох факторів, таких як: тиск та температура середовища. Також поглинання залежить від певної частоти звуку. При поширенні звукової хвилі в рідинах або газах виникає ефект тертя між різними частинками, що називається в'язкістю. В результаті цього тертя на молекулярному рівні і відбувається процес перетворення хвилі зі звукової на теплову. Іншими словами, чим вище теплопровідність середовища, тим менший ступінь поглинання хвиль. Поглинання звуку в газових середовищах залежить і від тиску (атмосферний тиск змінюється з підвищенням висоти щодо рівня моря). Щодо залежності ступеня поглинання від частоти звуку, то зважаючи на вищезгадані залежності в'язкості та теплопровідності, поглинання звуку тим вище, чим вища його частота. Наприклад, при нормальній температурі і тиску в повітрі поглинання хвилі частотою 5000 Гц становить 3 Дб/км, а поглинання хвилі частотою 50000 Гц складе вже 300 Дб/м.

У твердих середовищах зберігаються всі вищезгадані залежності (теплопровідність і в'язкість), проте до цього додається ще кілька умов. Вони пов'язані з молекулярною структурою твердих матеріалів, яка може бути різною, зі своїми неоднорідностями. Залежно від цієї внутрішньої твердої молекулярної будови, поглинання звукових хвиль у разі може бути різним, і від типу конкретного матеріалу. При проходженні звуку через тверде тіло хвиля зазнає ряд перетворень і спотворень, що найчастіше призводить до розсіювання та поглинання звукової енергії. На молекулярному рівні може виникнути ефект дислокацій, коли звукова хвиля викликає усунення атомних площин, які потім повертаються у вихідне положення. Або ж, рух дислокацій призводить до зіткнення з перпендикулярними ним дислокаціями або дефектами кристалічної будови, що викликає їхнє гальмування і як наслідок деяке поглинання звукової хвилі. Однак звукова хвиля може і резонувати з даними дефектами, що призведе до спотворення вихідної хвилі. Енергія звукової хвилі в останній момент взаємодії з елементами молекулярної структури матеріалу розсіюється внаслідок процесів внутрішнього тертя.

У я постараюся розібрати особливості слухового сприйняття людини та деякі тонкощі та особливості поширення звуку.

Основні властивості звуку

Джерело звуку

Звук - механічні коливання, що поширюються в пружних середовищах, газах, рідинах і твердих тілах, сприймаються вухом.

Джерело звуку - різні тіла, що коливаються, наприклад туго натягнута струна або тонка сталева пластина, затиснута з одного боку. Як виникають коливальні рухи? Достатньо відтягнути та відпустити струну музичного інструменту або сталеву пластину, затиснуту одним кінцем у лещатах, як вони видаватимуть звук. Коливання струни або металевої пластинки передаються навколишньому повітрі. Коли пластинка відхилиться, наприклад у правий бік, вона ущільнює (стискає) шари повітря, що прилягають до неї праворуч; при цьому шар повітря, що прилягає до пластини з лівого боку, розрідиться. При відхиленні пластини в ліву сторону вона стискає шари повітря зліва і розріджує шари повітря, що прилягають до неї праворуч, і т.д. Стиснення та розрідження прилеглих до пластини шарів повітря передаватиметься сусіднім шарам. Цей процес періодично повторюватиметься, поступово слабшаючи, до повного припинення коливань (рис. 1.1).

Мал. 1.1. Поширення звукових хвиль від пластинки, що коливається.

Таким чином, коливання струни або пластинки збуджують коливання навколишнього повітря і, поширюючись, досягають вуха людини, змушуючи коливатися його барабанну перетинку, викликаючи роздратування слухового нерва, що сприймається нами як звук.

Коливання повітря, джерелом яких є тіло, що коливається, називають звуковими хвилями, а простір, в якому вони поширюються, звуковим полем.

Швидкість поширення звукових коливань залежить від пружності середовища, в якому вони поширюються. У повітрі швидкість поширення звукових коливань у середньому дорівнює 330 м/с, проте вона може змінюватись в залежності від його вологості, тиску та температури. У безповітряному просторі звук не поширюється.

При поширенні звуку внаслідок коливань частинок середовища в кожній точці звукового поля відбувається періодична зміна тиску. Середнє квадратичне значення величини цього тиску, що позначається буквою P, називають звуковим тиском. За одиницю звукового тиску прийнято величину, що дорівнює силі в один ньютон (Н), що діє на площу в один квадратний метр (Н/м 2 ).

Чим більший звуковий тиск, тим гучніший звук. При середній гучності людської мови звуковий тиск з відривом 1м від рота мовця перебуває у межах 0,0064-0,64.

Звукові коливання

Мал. 1.2. Графік простого (синусоїдального) коливання

Форма звукових коливань залежить від властивостей джерела звуку. Найбільш простими коливаннями є рівномірні чи гармонійні коливання, які можна подати у вигляді синусоїди (рис. 1.2). Такі коливання характеризуються частотою f, періодом Т та амплітудою А.

Частотою коливань називають кількість повних коливань на секунду. За одиницю вимірювання частоти прийнято 1 герц (Гц). 1 герц відповідає одному повному (в один і інший бік) коливанню, що відбувається за секунду.

Періодом називають час (с) протягом якого відбувається одне повне коливання. Чим більша частота коливань, тим менше їх період, тобто. f=1/T. Таким чином, частота коливань тим більше, чим менше їх період, і навпаки.

Мал. 1.3. Графік звукових коливань при вимові звуків а, про та у.

Амплітудою коливань називають найбільше відхилення тіла, що коливається, від його початкового (спокійного) положення. Чим більше амплітуда коливання, тим гучніший звук. Звуки людської мови являють собою складні звукові коливання, що складаються з тієї чи іншої кількості простих коливань, різних за частотою та амплітудою. У кожному звуку мови є лише йому властиве поєднання коливань різної частоти та амплітуди. Тому форма коливань одного звуку помітно відрізняється від форми іншого, що видно на рис. 1.3, на якому зображені графіки коливань при вимові звуків а, про та у.

Будь-які звуки людина характеризує відповідно до свого сприйняття за рівнем гучності та висотою.

Гучність тону будь-якої даної висоти визначається амплітудою коливань. Висота тону визначається частотою коливання. Коливання високої частоти сприймаються як звуки високого тону, низької частоти як звуки низького тону (рис. 1.4).

Мал. 1.4. Два музичних тони однієї висоти та різної гучності (а) та однакової гучності, але різної висоти (б).

Інтенсивність звуку

Тіло, що є джерелом звукових коливань, випромінює енергію, що переноситься звуковими коливаннями в простір (середовище), що оточує джерело звуку. Кількість звукової енергії, що проходить в одну секунду через площу в 1 м 2 розташовану перпендикулярно напрямку поширення звукових коливань, називають інтенсивністю (силою) звуку.

Величину її можна визначити за формулою:

I=P 2 /Cp 0 [Вт/м 2 ] (1.1)

де: Р - звуковий тиск, н/м 2; З – швидкість звуку, м/с; р 0 - Щільність середовища.

З наведеної формули видно, що зі збільшенням звукового тиску інтенсивність звуку зростає і, отже, збільшується його гучність.

Коли ми ведемо звичайну розмову з кимось із друзів, потік енергії в 1 сек дорівнює ~10 мкВт. Звуковий потік від оратора, що виступає перед публікою, лежить у межах від 200 до 2000 мкВт. Потужність найгучніших звуків скрипки може становити приблизно 60 мкВт, а потужності звуків органних труб становлять від 140 до 3200 мкВт. Інтенсивність найслабшого звуку, який ще можна почути, становить приблизно одну мільйонну мікровата на 1м2, найгучнішого – близько одного мільйона мікроват.

Інтенсивність звукового коливання та гучність сприйняття перебувають у певній залежності. Приріст відчуття (гучності) пропорційний логарифму відносини подразнень (інтенсивностей), тобто. при сприйнятті двох звуків з інтенсивностями I 1 і I 2 відчувається різниця в їхній гучності, що дорівнює логарифму відношення інтенсивностей цих звуків. Ця залежність визначається формулою:

де: S - Збільшення гучності, Б; К – коефіцієнт пропорційності, що залежить від вибору одиниць виміру, I 1 і I 2 – початкове та кінцеве значення інтенсивності звуку. Бел – одиниця збільшення гучності, що відповідає зміні сили звуку в 10 разів.

Якщо коефіцієнт прийняти рівним 1, а відношення I 1 /I 2 =10, то

Слух людини розрізняє збільшення гучності на 0,1 Б. Тому в практиці використовують дрібнішу одиницю виміру – децибел (дБ), рівний 0,1 Б. У цьому випадку формула запишеться так:

Таблиця 1.1. Інтенсивності та рівні різних звуків.

Якщо вухо людини сприймає одночасно два або кілька звуків різної гучності, то гучніший звук заглушує (поглинає) слабкі звуки. Відбувається так зване маскування звуків, і вухо сприймає лише один, гучніший звук. Відразу після дії на вухо гучного звуку знижується сприйнятливість слуху до слабких звуків. Ця здатність називається адаптацією (пристосуванням) слуху.

Тембр звуку

Негармонійний періодичний вплив з періодом Т рівносильно одночасному дії гармонійних сил з різними частотами, а саме з частотами, кратними найнижчою частотою n=1/T.

Цей висновок є окремим випадком загальної математичної теореми, яку довів у 1822 р. Жан Батіст Фур'є. Теорема Фур'є говорить: всяке періодичне коливання періоду Т може бути представлене у вигляді суми гармонійних коливань з періодами, рівними Т, T/2, T/3, T/4 і т.д. з частотами n=(1/T), 2n, 3n, 4n тощо. Найнижча частота n називається основною частотою. Коливання з основною частотою n називається першою гармонікою чи основним тоном (тоном), а коливання із частотами 2n, 3n, 4n тощо. називаються вищими гармоніками або обертонами (першим – 2n, другим – 3n тощо).

Кожен звук, що видається різними музичними інструментами, голосами різних людей тощо, має характерні особливості - своєрідне забарвлення чи відтінок. Ці особливості звуку називають тембром. На рис. 1.5 показані осцилограми звукових коливань, створюваних роялем та кларнетом для однієї і тієї ж ноти. Осцилограми показують, що період обох коливань однаковий, але вони сильно відрізняються один від одного за своєю формою і, отже, відрізняються своїм гармонійним складом. Обидва звуки складаються з тих самих тонів, але у кожному їх ці тони - основний та її обертони - представлені з різними амплітудами і фазами.

Мал. 1.5. Осцилограми звуків роялю та кларнету.

Для нашого вуха істотні лише частоти і амплітуди тонів, які входять до складу звуку, тобто. тембр звуку визначається його гармонійним спектром. Зрушення окремих тонів за часом ніяк не сприймаються на слух, хоча й можуть дуже змінювати форму результуючого коливання.

На рис. 1.6 зображено спектри тих звуків, осцилограми яких показано на рис. 1.5. Так як висоти звуків однакові, то й частоти тонів - основного та обертонів - одні й самі. Проте амплітуди окремих гармонік у кожному спектрі дуже різняться.

Мал. 1.6. Спектри звуків роялю та кларнету.

Розповсюдження звукової хвилі супроводжується перенесенням енергії, яка залежить від звукового тиску pта коливальної швидкості vу кожній точці середовища.

Середній потік звукової енергії, що проходить в одиницю часу через одиницю поверхні, нормальної до напряму поширення хвилі, називається інтенсивністю звуку або силою звуку (Вт/м2):

Векторна величина, що характеризує також напрямок перенесення енергії в хвилі, називається вектором Умова :

Поряд з інтенсивністю звуку використовують ще одну енергетичну характеристику: щільність звукової енергії (Дж/м 3), що дорівнює енергії коливань в одиниці об'єму звукового поля.

Можна показати, що в хвилі, що біжить

Таким чином:

.

Передача енергії звукової хвилі в область, що раніше не зачеплена хвилями, вимагає безперервного витрачання енергії з боку джерела, що збуджує звук. У тих зонах, де хвиля вже виникла, енергія безперервно передається далі зі швидкістю звуку. Перемінні тиски, що виникають в середовищі, безперервно здійснюють роботу, через що і виникає опір ( імпеданс ) при коливальних рухах частинок середовища.

Формули для сили звуку:

подібні до формул закону Джоуля-Ленца для потужності електричного струму, тільки потужність, що витрачається при дії сил тиску, витрачається не на виділення тепла, а на передачу енергії новим частинам середовища. Тому величину часто називають також опором випромінювання середовища.

Логарифмічна шкала сили звуку

Відношення максимальної та мінімальної інтенсивності чутного людським вухом звуку дуже велике і становить 10 14 разів (для звукового тиску 10 7 разів). Тому для характеристики сили звуку зручніше користуватися логарифмічними величинами:

рівнем інтенсивності звуку, вираженим у децибелах (ДБ):

і рівнем звукового тиску (ДБ):

,

де I 0 та p 0 – значення, що відповідають поріг чутності на частоті 1000 Гц ( , p 0 = 2∙10 -5 Па).

Значення p 0 обрано таким чином, щоб за нормальних атмосферних умов L I = L p. Тому надалі використовуватимемо величину

L = L I = L p , яку називають рівнем звуку в децибелах .

Рівень звуку, що відповідає порогу чутності на частоті 1000Гц, дорівнює 0 дБ. Больовий поріг сприйняття звуку відповідає Iб = 10 2 Вт/м 2 та рб = 2∙10 2 Па, що дає значення Lб = 140 дБ.

Введенню логарифмічних одиниць виміру сприяла також та обставина, що вухо людини реагує не так на абсолютну зміну інтенсивності звуку, але в відносне. Різниця рівнів 1 дБ відповідає мінімальній величині, помітній слухом, при цьому інтенсивність звуку змінюється в 1,26 рази або на 26%. Якщо різниця рівнів становить 3 дБ, то сила звуку змінюється вже у 2 разу.

У будь-якій точці простору звуковий тиск дорівнює:

р = р 1 + р 2 ,

де р 1 та р 2 – миттєві значення звукових тисків, створюваних у цій точці відповідно першим та другим джерелом.

Результуюча інтенсивність звуку дорівнює:

,

Якщо джерела звуку некогерентні, тобто створювані ними тиску не пов'язані по фазі, то й або – інтенсивність сумарного звукового поля дорівнює сумі інтенсивностей джерел.

Таким чином, якщо поле створюється Nнекогерентними джерелами, то

I= I 1 +I 2 +…+I N, А дБ,

де , … – рівні звуку, створювані кожним джерелом у розрахунковій точці.

При Nоднакових джерел шуму, рівновіддалених від розрахункової точки, з рівнями звукового тиску L 0 , сумарний рівень дорівнює:

L = L 0 +10lg N.

3 Сприйняття звуку людиною

Слух

Слухомназивається здатність організму отримувати інформацію про світ, сприймаючи звукові коливання довкілля з допомогою спеціального нервового механізму – звукового (слухового) аналізатора. Слуховий аналізатор умовно поділяють на три відділи: периферичний, що включає звукосприймаючі органи та рецептори, що перетворюють енергію звукових коливань на енергію нервового збудження; провідниковий - нейрони, які проводять збудження; центральний, у якому нейрони сприймають центрів виробляють обробку інформації. У людини до слухового аналізатора відносяться зовнішнє, середнє і внутрішнє вухо, нервові провідні шляхи слухової системи, що проходять від кортієва органу в слухову область кори головного мозку, і слухова область кори.

Схема будови людського вуха наведено малюнку 3.1.

Малюнок 3.1 – Схема будови вуха людини: 1 – зовнішній слуховий прохід; 2 - барабанна перетинка; 3 – порожнина середнього вуха (барабанна порожнина); 4 - молоточок; 5 - ковадло; 6 - стремінце; 7 – півкружні канали; 8 - переддень; 9 - равлик; 10 – овальне вікно; 11 - євстахієва труба.

Зовнішнє вухо - це вушна раковина і зовнішній слуховий прохід, що примикає до неї. Зовнішнє вухо відокремлено від середнього шкірною мембраною-барабанною перетинкою. Середнє вухо є заповненою повітрям порожниною, з'єднаною з носоглоткою євстахієвою трубою. У барабанній порожнині знаходиться система слухових кісточок - молоточок, ковадло і стремечко. Рукоятка молоточка зрослася з барабанною перетинкою, головка молоточка гнучко пов'язана з ковадлом, а короткий відросток ковадла з іншого боку з'єднаний з головкою стремінця. Основа стремінця заходить через овальне вікно у внутрішнє вухо. Внутрішнє вухо (равлик) є капсулою, заповненою рідиною. Равлик довжиною близько 35 мм утворює два витки. Порожнина равлика по всій довжині розділена перегородкою (основною мембраною) на частини. На основний мембрані розташований звукосприймаючий кортієвий орган, що складається з безлічі рецепторних волоскових клітин.

Коливання барабанної перетинки, що викликаються звуковими хвилями, через систему слухових кісточок передаються рідині в равлику. Коливання основної мембрани надають руху волоскові клітини кортієва органу, в яких збуджується електричний потенціал. Цей потенціал призводить до збудження волокон слухового нерва, який передає відповідний сигнал в слуховий центр кори головного мозку.

До основних властивостей слуху можна віднести здатність до розрізнення частоти та інтенсивності звуків, до аналізу складних звуків та оцінки їх властивостей, визначати положення джерела звуку у просторі, виділяти одне із звукових сигналів і натомість інших. Властивості слуху різні у різних тварин. Більш високоорганізовані тварини мають значно більшу досконалість властивостей слуху. Наприклад, слух людини має низку специфічних властивостей, що з сприйняттям промови.

До кількісних характеристик слуху відносяться слухова чутливість ( поріг чутності ), верхня межа слухового сприйняття ( поріг больового відчуття або больовий поріг ) та частотний діапазон чутності.

У різних тварин частотний діапазон чутних звуків різний. Наприклад, для коників він становить 10 Гц – 100 кГц, для жаби 50 Гц – 30 кГц, верхня межа чутності для кажанів 100-150 кГц. Область чутних для людини звуків наведено малюнку 3.2.

Видно, що людина сприймає на слух звуки в діапазоні частот від 16 Гц до 20 кГц ( чутний звук ). Звукові хвилі з частотами нижче 16 Гц називаються інфразвуком , і з частотами понад 20 кГц – ультразвуком .

Рисунок 3.2 - Область чутних звуків для людини

Суб'єктивне сприйняття чутного звуку людиною характеризується заввишки, гучністю і тембром . Розглянемо зв'язок цих показників з фізичними параметрами звукової хвилі.

Висота тону

Гармонійна звукова хвиля сприймається на слух як чистий (музичний) тон . При цьому чим більше частота коливань у хвилі, тим вище тон. По висоті звуки прийнято поділяти на октави. Октавій називається смуга частот, у якій верхня гранична частота вдвічі більша, ніж нижня:

Як частота, що характеризує частотну смугу в цілому, береться середньогеометрична частота . Середньогеометричні частоти октавних смуг стандартизовані: 32, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Симфонічний оркестр відтворює майже всі частоти, що чутно. Діапазон роялю охоплює тони із частотами приблизно від 25 до 4000 Гц. За допомогою безклавішних інструментів (типу скрипки) можна взяти тон будь-якої висоти. У такому інструменті як рояль струни налаштовані на певні частоти. За основу береться нота «ля» першої октави, на яку частота коливань дорівнює 440 Гц. При налаштуванні таких музичних інструментів октаву ділять на 12 частин (напівтонів). Співвідношення частот сусідніх тонів у своїй дорівнює 1,029. Зв'язок між висотою нот музичного звукоряду та частотою тону наведено малюнку 3.3 а.

Одиницею виміру висоти тону є крейда . Відповідно до загальноприйнятого визначення тон частотою 1000 Гц при рівні звуку 60 дБ має висоту 1000 крейд. Залежність висоти тону в крейдах від частоти представлена ​​малюнку 3.3 б.

Рисунок 3.3 – Співвідношення частоти та висоти тонів

Гучність звуку

Якщо порівняти між собою гучність двох чистих тонів однакової частоти, чим більше амплітуда звукового тиску, тим гучнішим буде звук. Проте людське вухо має різну чутливість до звуків різної частоти, тобто різних частотах однакову гучність можуть мати звуки різної інтенсивності. Область найкращої чутності лежить в інтервалі від 1000 до 5000 Гц. На низьких та високих частотах чутливість слухового апарату знижується.

Гучність звуку оцінюють, порівнюючи її із гучністю чистого тону частотою 1000 Гц. Рівень звукового тиску (в дБ) чистого тону з частотою 1000 Гц, настільки ж гучного (порівнянням на слух), як і звук, що вимірюється, називається рівнем гучності даного звуку (у фонах) . Насправді з метою оцінки гучності звуку різних частот використовують «криві рівної гучності» - геометричне місце точок рівногучних тонів різних частот (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 – Криві рівної гучності

Нижня крива показує залежність порога чутності від частоти. На частоті 1000 Гц поріг чутності відповідає тиску 0,02 мПа (0 дБ). У сфері дуже низьких чи дуже високих частот поріг чутності підвищується може становити 80 – 100 дБ. Слід зазначити, що з віком поріг чутності зсувається, особливо у сфері високих частот (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 – Вікові зміни порога чутності

В області найкращої чутності вухо здатне розрізнити близько 370 градацій по гучності, але в частоті 60 Гц число градацій лише 34. Ці дані відповідають умовам тонкого досвіду за повної тиші. Практично людина з нормальним слухом починає помічати приріст рівня звуку на 1 дБ, тобто на 26% інтенсивності звуку.

Приклади рівня гучності різних звуків:

Шум авіамотора (на відстані 5 м від гвинта) – 120 т;

Вагон метро на великій швидкості – 90-95 тл;

Гучна вулиця - 80-85 тл;

Шум у міській квартирі – 40-50 тл;

Шепіт на відстані 1 м – 20 тл.

Шкала рівнів гучності не є натуральною шкалою, тобто, наприклад, зміна рівня гучності вдвічі не означає, що суб'єктивне відчуття гучності звуку зміниться у стільки ж разів. Для оцінки суб'єктивного сприйняття гучності звуку запроваджено шкалу сонів. Гучність звуку у сонах дорівнює

де L– рівень гучності у фонах.

З формули (3.2) видно, що гучність 1 сон має звук з рівнем гучності L= 40 тла. Зміна рівня гучності на 10 фон відповідає удвічі зміни гучності звуку. Діапазони гучності різних звуків ілюструє рисунок 3.6.

Рисунок 3.6 – Гучність різних звуків

Спектральний склад звуку

Фізичні величини, що характеризують звук, є функцією часу, тому їх можна подати у вигляді суми гармонійних коливань з різними частотами та амплітудами (див. розділ 1.1.2). Залежність амплітуди (або ефективного значення) гармонійних складових звукової хвилі від частоти називається спектром звуку .

Періодичні коливання при розкладанні ряд Фур'є представляються як сума гармонік з різною амплітудою. Такі гармоніки утворюють дискретний або лінійний спектр .

Неперіодичні коливання складної форми (випадкові або поодинокі процеси) можуть бути представлені за допомогою інтеграла Фур'є у вигляді суми нескінченно великої кількості гармонійних складових, що утворюють суцільний спектр . Зазвичай звукові сигнали мають змішаний спектр , у якому тлі суцільного спектра виділяються окремі тональні складові. Різні види спектрів наведено малюнку 3.7.

Рисунок 3.7 – Різні види спектрів звукових сигналів

Дискретні спектри характерні, в основному, музичних звуків . При цьому найнижча за частотою гармоніка називається основним тоном , а решта – обертонами (Рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 – Розкладання звукового сигналу на гармонійні компоненти.

Частота основного тону визначає висоту звуку, а обертони надають звуку певного тембрового забарвлення ( тембр ). Якщо у звуку мало обертонів, то тембр оцінюється як глухий, порожній, незабарвлений; якщо сильно виражені перші обертони - соковитий, повний; якщо сильно виражені вищі складові області 3000 – 6000 Гц – пронизливий, металевий, різкий, яскравий. На малюнку 3.9 наведено осцилограми звуків однакової висоти, що виконуються на роялі та кларнеті. Період в обох коливань однаковий, але вони сильно відрізняються один від одного за своєю формою і, отже, відрізняються гармонійним складом.

Рисунок 3.9 – Осцилограми звукових коливань роялю та кларнету.

На малюнку 3.10 зображено спектри цих звукових сигналів. Так як висоти звуків однакові, то й частоти тонів - основного та обертонів - одні й самі. Проте амплітуди окремих гармонік у кожному спектрі дуже різняться.

Малюнок 3.10 – Спектри звукових коливань роялю та кларнету

Суцільний широкосмуговий спектр характерний для невпорядкованих у часі звукових сигналів, які називаються шумом . При цьому за становищем максимуму спектра шуми можна розділити на низькочастотні (максимум нижче 300 Гц), середньочастотні (від 300 до 800 Гц) та високочастотні (максимум вище 800 Гц).

Спектр мови є змішаним, причому його дискретні частоти визначаються голосними звуками, які за своєю природою близькі до музичних. Їх спектр є послідовністю великої кількості окремих ліній, що відповідають гармонікам коливань голосових зв'язок. Основна частота коливань голосових зв'язок у різних людей різна (бас – приблизно 100 Гц, сопрано – 250 Гц).

Зазвичай при виголошенні голосних звуків максимальну амплітуду мають одна чи дві гармоніки, які називаються формантами .Наприклад, для голосного звуку "а" частота форманти приблизно дорівнює 900 Гц, для "про" - 500 Гц, для "е" - 550 і 2100 Гц, для "і" - 350 і 2400 Гц. Згідні звуки характеризуються суцільним («шумовим») спектром. На малюнку 3.10 наведено спектри звуків «а» та «с».

Рисунок 3.10 – Спектри звуків мови: «а» (зверху) та «с» (знизу).

4 ДЖЕРЕЛА І ПРИЄМНИКИ ЗВУКУ

Акустика- область фізики, що вивчає пружні коливання та хвилі, методи отримання та реєстрації коливань та хвиль, їх взаємодія з речовиною.

Звук у широкому значенні – пружні коливання та хвилі, що поширюються у газоподібних, рідких та твердих речовинах; у вузькому значенні - явище, що суб'єктивно сприймається органом слуху людини і тварин. У нормі вухо людини чує звук діапазон частот від 16 Гц до 20 кГц.

Звук із частотою нижче 16 Гц називається інфразвукомвище 20 кГц – ультразвуком, а найвищі пружні хвилі в діапазоні від 10 9 до 10 12 Гц - гіперзвуком.

Існуючі у природі звуки поділяють кілька видів.

Звуковий удар– це короткочасний звуковий вплив (бавовна, вибух, удар, грім).

Тон- Це звук, що являє собою періодичний процес. Основною характеристикою тону є частота. Тон може бути простим, що характеризується однією частотою (наприклад, що видається камертоном, звуковим генератором), і складним (виданим, наприклад, мовним апаратом, музичним інструментом).

Складний тонможна у вигляді суми простих тонів (розкласти на складові тону). Найменша частота такого розкладання відповідає основному тону, а решта - обертонам, або гармонікам. Обертони мають частоти, кратні основній частоті.

Акустичний спектр тону – це сукупність всіх його частот із зазначенням їх відносних інтенсивностей чи амплітуд.

Шум- Це звук, що має складну, неповторну тимчасову залежність, і являє собою поєднання складних тонів, що безладно змінюються. Акустичний спектр шуму – суцільний (шурхіт, скрип).

Фізичні характеристики звуку:

а) Швидкість (v). Звук поширюється у будь-якому середовищі, крім вакууму. Швидкість його поширення залежить від пружності, щільності та температури середовища, але не залежить від частоти коливань. Швидкість звуку повітря при нормальних умовах дорівнює приблизно 330 м/с (» 1200 км/ч). Швидкість звуку у воді дорівнює 1500 м/с; близьке значення має швидкість звуку й у м'яких тканинах організму.

б) Інтенсивність (I) – енергетична характеристика звуку – це густина потоку енергії звукової хвилі. Для вуха людини важливими є два значення інтенсивності (на частоті 1 кГц):

поріг чутності – I 0 = 10 -12 Вт / м 2; такий поріг обраний з урахуванням об'єктивних показників – це мінімальний поріг сприйняття звуку нормальним людським вухом; зустрічаються люди у яких інтенсивність I 0 може становити 10 -13 або 10 -9 Вт/м2;

поріг больового відчуття – I max - 10 Вт/м 2 ; звук такої інтенсивності людина перестає чути і сприймає її як відчуття тиску чи болю.

в) Звуковий тиск (Р). Поширення звукової хвилі супроводжується зміною тиску.

Звуковий тиск (Р) – це тиск, що додатково виникає при проходженні звукової хвилі в середовищі; воно є надлишковим над середнім тиском середовища.

Фізіологічно звуковий тиск проявляється як тиск на барабанну перетинку. Для людини важливими є два значення цього параметра:

- Звуковий тиск на порозі чутності - P 0 = 2×10 -5 Па;

- Звуковий тиск на порозі больового відчуття - Р m ах =

Між інтенсивністю ( I) та звуковим тиском ( Р) існує зв'язок:

I = P 2 /2rv,

де r- Щільність середовища, v- Швидкість звуку в середовищі.

г) Хвильовий опір середовища (R a) – це добуток щільності середовища ( r)на швидкість поширення звуку ( v):

R a = rv.

Коефіцієнт відбиття (r) – величина, що дорівнює відношенню інтенсивностей відбитої та падаючої хвиль:

r = Iотр / Iпад.

rрозраховується за формулою:

r = [(R a 2 – R a 1)/( R a 2 + R a 1)] 2 .

Інтенсивність заломленої хвилі залежить від коефіцієнта пропускання.

Коефіцієнт пропускання (b) – величина, що дорівнює відношенню інтенсивностей минулої (заломленої) і падаючої хвиль:

b = Iпрош / Iпад.

При нормальному падінні коефіцієнт bрозраховується за формулою

b = 4(R a 1 / R a 2)/( R a 1 / R a 1 + 1) 2 .

Зазначимо, що сума коефіцієнтів відображення та заломлення дорівнює одиниці, а їх значення не залежать від того порядку, в якому звук проходить дані середовища. Наприклад, для переходу звуку з повітря у воду значення коефіцієнтів такі ж, як для переходу у зворотному напрямку.

д) Рівень інтенсивності. При порівнянні інтенсивності звуку зручно користуватися логарифмічною шкалою, тобто порівнювати не самі величини, які логарифми. Для цього використовується спеціальна величина – рівень інтенсивності ( L):

L = lg(I/I 0);L = 2lg(P/P 0). (1.3.79)

Одиницею виміру рівня інтенсивності є – біл, [Б].

Логарифмічний характер залежності рівня інтенсивності від самої інтенсивності означає, що зі збільшенням інтенсивності вдесятеро рівень інтенсивності зростає на 1 Б.

Один білий велика величина, тому на практиці використовують дрібнішу одиницю рівня інтенсивності – децибел[дБ]: 1 дБ = 0,1 Б. Рівень інтенсивності в децибелах виражається такими формулами:

LДБ = 10 lg(I/I 0); LДБ = 20 lg(P/P 0).

Якщо в цю точку приходять звукові хвилі від кількох некогерентних джерел, то інтенсивність звуку дорівнює сумі інтенсивностей усіх хвиль:

I = I 1 + I 2 + ...

Для знаходження рівня інтенсивності результуючого сигналу використовується така формула:

L = lg(10L l +10 L l+...).

Тут інтенсивності повинні бути виражені в білах. Формула для переходу має вигляд

L= 0,l× LДБ.

Характеристики слухового відчуття:

Висота тонуобумовлена, насамперед, частотою основного тону (що більше частота, то більш високим сприймається звук). Найменшою мірою висота залежить від інтенсивності хвилі (звук більшої інтенсивності сприймається нижчим).

Тембрзвуку визначається його гармонійним спектром. Різні акустичні спектри відповідають різному тембру, навіть у тому випадку, коли основний тон вони однакові. Тембр – якісна характеристика звуку.

Гучність звуку- Це суб'єктивна оцінка рівня його інтенсивності.

Закон Вебера-Фехнера:

Якщо збільшувати подразнення в геометричній прогресії (тобто однакову кількість разів), то відчуття цього роздратування зростає в арифметичній прогресії (тобто однакову величину).

Для звуку із частотою 1 кГц вводять одиницю рівня гучності – фон, Що відповідає рівню інтенсивності 1 дБ. Для інших частот рівень гучності також виражають у фонахза наступним правилом:

гучність звуку дорівнює рівню інтенсивності звуку (дБ) на частоті 1 кГц, що викликає у «середньої» людини таке ж відчуття гучності, що і цей звук, причому

Е = klg(I/I 0). (1.3.80)

Приклад 32.Звук, якому на вулиці відповідає рівень інтенсивності L 1 = 50 дБ, чути в кімнаті як звук з рівнем інтенсивності L 2 = 30 дБ. Знайти відношення інтенсивностей звуку на вулиці та в кімнаті.

Дано: L 1 = 50 дБ = 5 Б;

L 2 = 30 дБ = 3 Б;

I 0 = 10 -12 Вт/м 2 .

Знайти: I 1 /I 2 .

Рішення. Для того щоб знайти інтенсивність звуку в кімнаті і на вулиці, запишемо формулу (1.3.79) для двох випадків, що розглядаються в задачі:

L 1 = lg(I 1 /I 0); L 2 = lg(I 2 /I 0),

звідки висловимо інтенсивність I 1 та I 2:

5 = lg(I 1 /I 0) Þ I 1 = I 0 ×10 5;

3 = lg(I 2 /I 0) Þ I 2 = I 0 ×10 3 .

Очевидно: I 1 /I 2 = 10 5 /10 3 = 100.

Відповідь: 100.

Приклад 33.Для людей із порушеною функцією середнього вуха слухові апарати сконструйовані так, щоб передавати коливання безпосередньо на кістки черепа. Для кісткової провідності поріг слухового сприйняття на 40 дБ вище ніж для повітряної. Чому дорівнює мінімальна інтенсивність звуку, яку здатна сприймати людина з дефектом слуху?

Дано: Lдо = L+ 4.

Знайти: I min.

Рішення. Для кісткової та повітряної провідності, згідно (1.3.79),

Lдо = lg(I min / I 0); Lв = lg(I 2 /I 0), (1.3.81)

де I 0 – поріг чутності.

З умови завдання та (1.3.81) випливає, що

Lдо = lg(I min / I 0) = Lв + 4 = lg(I 2 /I 0) + 4, звідки

lg(I min / I 0) – lg(I 2 /I 0) = 4, тобто,

lg[(I min / I 0) : (I 2 /I 0)] = 4 Þ lg(I min / I 2) = 4, маємо:

I min / I 2 = 10 4 Þ I min = I 2 ×10 4 .

При I 2 = 10 -12 Вт/м 2 I min = 10 -8 Вт/м2.

Відповідь: I min = 10 -8 Вт/м2.

Приклад 34.Звук із частотою 1000 Гц проходить через стінку, причому його інтенсивність зменшується з 10 -6 Вт/м 2 до 10 -8 Вт/м 2 . Наскільки зменшився рівень інтенсивності?

Дано: n= 1000 Гц;

I 1 = 10 -6 Вт/м 2;

I 2 = 10 -8 Вт/м 2;

I 0 = 10 -12 Вт/м 2 .

Знайти: L 2 – L 1 .

Рішення. Рівні інтенсивності звуку до та після проходження стінки знайдемо з (1.3.79):

L 1 = lg(I 1 /I 0); L 2 = lg(I 2 /I 0), звідки

L 1 = lg(10 –6 /10 –12) = 6; L 2 = lg(10 –8 /10 –12) = 4.

Тоді L 2 – L 1 = 6 - 4 = 2 (Б) = 20 (дБ).

Відповідь: рівень інтенсивності зменшився на 20 дБ.

Приклад 35.Для людей із нормальним слухом зміна рівня гучності відчувається за зміни інтенсивності звуку на 26 %. Якому інтервалу гучності відповідає зміна інтенсивності звуку? Частота звуку складає 1000 Гц.

Дано: n= 1000 Гц;

I 0 = 10 -12 Вт / м 2;

DI = 26 %.

Знайти: DL.

Рішення. Для частоти звуку, що дорівнює 1000 Гц, шкали інтенсивностей і гучностей звуку збігаються згідно з формулою (1.3.80), оскільки k = 1,

Е = klg(I/I 0) = lg(I/I 0) = L, звідки

DL = lg(DI/I 0) = 11,4 (Б) = 1 (дБ) = 1 (фон).

Відповідь: 1 тло.

Приклад 36.Рівень інтенсивності приймача становить 90 дБ. Чому дорівнює максимальний рівень інтенсивності трьох приймачів, які працюють одночасно?