Інтенсивність звуку визначає. Звук та акустичні одиниці виміру. Поглинання у твердих тілах

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?

Інтенсивність звуку(абсолютна) - величина, що дорівнює відношенню потоку звукової енергії dPчерез поверхню, перпендикулярну до напряму поширення звуку, до площі dSцієї поверхні:

Одиниця виміру - ват на квадратний метр (Вт/м 2 ).

Для плоскої хвилі інтенсивність звуку може бути виражена через амплітуду звукового тиску p 0та коливальну швидкість v:

де Z S- Питомий акустичне опір середовища.

Тіло, що є джерелом звукових коливань, випромінює енергію, яка 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 (а також, 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.

9. Які види частотних діапазонів звуку ви знаєте?

Частотний спектр звуку- Графік залежності відносної енергії звукових коливань від частоти. Існують два основні типи таких спектрів: дискретний та безперервний. Дискретний спектр складається з окремих ліній частот, розділених порожніми проміжками. У безперервному спектрі в межах смуги присутні всі частоти.

Насправді звукові хвилі однієї-єдиної частоти зустрічаються рідко. Але складні звукові хвилі можна розкладати на гармоніки. Такий метод називається фур'є-аналізомна ім'я французького математика Ж. Фур'є (1768-1830), який першим застосував його (теоретично теплоти).

ДВА ТИПУ ПЕРІОДИЧНИХ ХВИЛЬ:а – прямокутні коливання; б - пилкоподібні коливання. Амплітуда обох хвиль дорівнює А, а період коливань Т - величина, обернена до частоти f.

10. Яка смуга частот називається октавою?

Октава -смуга частот, у якій верхня гранична частота вдвічі більша за нижню

Октава -одиниця частотного інтервалу, що дорівнює інтервалу між двома частотами (f2 і f1), логарифм відношення яких (при підставі 2) log2(f2/f1)=1, що відповідає f2/f1=2;

11. Що розуміють вод порогом чутності?

Поріг чутності- мінімальна величина звукового тиску, коли звук цієї частоти може бути сприйнятий вухом людини. Величину порога чутності прийнято виражати децибелах, приймаючи за нульовий рівень звукового тиску 2·10 -5 Н/м 2 або 20·10 -6 Н/м 2 при частоті 1 кГц (для плоскої звукової хвилі). Поріг чутності залежить від частоти звуку. При дії шумів та інших звукових подразників поріг чутності для даного звуку підвищується, причому підвищене значення порога чутності зберігається деякий час після припинення дії фактора, що заважає, а потім поступово повертається до вихідного рівня. У різних людей і в тих самих осіб у різний час поріг чутності може відрізнятися. Він залежить від віку, фізіологічного стану, тренованості. Вимірювання порога чутності зазвичай роблять методами аудіометрії.

12. У яких одиницях вимірюється рівень звукового тиску?

Звуковий тиск- Змінний надлишковий тиск, що виникає в пружному середовищі при проходженні через неї звукової хвилі. Одиниця виміру – паскаль (Па).

Миттєве значення звукового тиску в точці середовища змінюється як з часом, так і при переході до інших точок середовища, тому практичний інтерес становить середньоквадратичне значення даної величини, пов'язане з інтенсивністю звуку:

де - інтенсивність звуку, - звуковий тиск, - питомий акустичне опір середовища, - усереднення за часом.

Під час розгляду періодичних коливань іноді використовують амплітуду звукового тиску; так, для синусоїдальної хвилі

де – амплітуда звукового тиску.

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.

Звук та його властивості

Звук, у широкому значенні - пружні хвилі, що розповсюджуються в будь-якому пружному середовищі і створюють у ній механічні коливання; у вузькому значенні - суб'єктивне сприйняття цих коливань спеціальними органами почуттів тварин чи людини. Як і будь-яка хвиля, звук характеризується амплітудою та спектром частот. Зазвичай людина чує звуки, що передаються повітрям, в діапазоні частот від 16-20 Гц до 15-20 кГц. Звук нижче діапазону чутності людини називають інфразвуком; вище: до 1 ГГц - ультразвуком, від 1 ГГц - гіперзвуком. Серед чутних звуків слід також особливо виділити фонетичні, мовні звуки та фонеми (з яких складається усне мовлення) та музичні звуки (з яких складається музика). Звукові хвилі можуть бути прикладом коливального процесу. Будь-яке коливання пов'язане з порушенням рівноважного стану системи і виявляється у відхиленні її показників від рівноважних значень з подальшим поверненням до вихідного значення. Для звукових коливань такою характеристикою є тиск у точці середовища, яке відхилення - звуковим тиском. Якщо зробити різке зміщення частинок пружного середовища одному місці, наприклад, з допомогою поршня, то цьому місці збільшиться тиск. Завдяки пружним зв'язкам частинок тиск передається на сусідні частки, які, у свою чергу, впливають на наступні, і область підвищеного тиску переміщується в пружному середовищі. За областю підвищеного тиску слідує область зниженого тиску, і, таким чином, утворюється ряд областей стиснення і розрідження, що чергуються, що поширюються в середовищі у вигляді хвилі. Кожна частка пружного середовища в цьому випадку буде здійснювати коливальні рухи. У рідких та газоподібних середовищах, де відсутні значні коливання щільності, акустичні хвилі мають поздовжній характер, тобто напрям коливання частинок збігається з напрямом переміщення хвилі. У твердих тілах, крім поздовжніх деформацій, виникають також пружні деформації зсуву, що зумовлюють порушення поперечних хвиль; у цьому випадку частинки здійснюють коливання перпендикулярно до напряму поширення хвилі. Швидкість поширення поздовжніх хвиль значно більша за швидкість поширення зсувних хвиль.

Звукове поле

Звукове поле, область простору, в якій поширюються звукові хвилі, тобто відбуваються акустичні коливання частинок пружного середовища (твердого, рідкого або газоподібного), що заповнює цю область. З. п. визначено повністю, якщо для кожної його точки відома зміна в часі і в просторі якої-небудь з величин, що характеризують звукову хвилю: зміщення частки, що коливається, з положення рівноваги, коливальної швидкості частинки, звукового тиску в середовищі; в окремих випадках становлять інтерес зміни щільності або температури середовища за наявності З. п. Поняття З. п. застосовується зазвичай для областей, розміри яких порядку або більше довжини звукової хвилі. З енергетичної сторони З. п. характеризується щільністю звукової енергії (енергією коливального процесу, що припадає на одиницю об'єму); у тих випадках, коли в З. п. відбувається перенесення енергії, він характеризується інтенсивністю звуку, тобто середньою за часом енергією, що переноситься в одиницю часу через одиницю поверхні, перпендикулярної до напряму поширення хвилі.

Довжина хвилі

Довжина хвилі - відстань між двома найближчими один до одного точками, що коливаються в однакових фазах. За аналогією з хвилями у воді, що виникають, від кинутого в неї каменю - відстань між двома сусідніми гребенями хвилі. Однією з основних характеристик коливань. Вимірюється в одиницях відстані (метри, сантиметри тощо). Ми просто ділимо шлях, пройдений світлом за секунду, на кількість коливань за той же час і отримуємо довжину одного коливання. Довжина хвилі - дуже важливий параметр, оскільки вона визначає прикордонний масштаб: на відстанях помітно більше за довжину хвилі випромінювання підпорядковується законам геометричної оптики, його можна описувати як поширення променів. На менших відстанях необхідно враховувати хвильову природу світла, його здатність обтікати перешкоди, неможливість точно локалізувати положення променя тощо.

Період

Найважливішою характеристикою механічних, електричних, електромагнітних та інших видів коливань є період-час, протягом якого відбувається одне повне коливання. Якщо, наприклад, маятник годинника-ходика робить за 1 з два повних коливання, період кожного коливання дорівнює 0,5 с. Період коливань великих гойдалок - близько 2 с, а період коливань струни може бути від десятих до десятитисячних часток секунди. По частоті коливань тіла можна судити про тон, або висоту звуку. Чим більша частота, тим вищий тон звуку, і, навпаки, що менше частота, то нижче тон звуку. Наше вухо здатне реагувати на порівняно невелику смугу (дільницю) частот звукових коливань – приблизно від 20 Гц до 20 кГц. Ця смуга вміщує всю велику гамму звуків, створюваних голосом людини і симфонічним оркестром: від дуже низьких тонів, схожих на звук дзижчання жука, до ледь вловимого високого писку комара. Коливання частотою до 20 Гц, які називаються інфразвуковими, і понад 20 кГц, звані ультразвуковими, ми не чуємо. А якби наше вухо виявилося здатним реагувати і на ультразвукові коливання, ми, можливо, могли б чути коливання маточок квітів, крилець метеликів. Не плутай висоту, тобто тон звуку, із силою його. Висота звуку залежить не від амплітуди, а від частоти коливань

Спектр звуку

Спектр звуку, сукупність простих гармонійних хвиль, куди можна розкласти звукову хвилю. З. з. висловлює його частотний (спектральний) склад і виходить у результаті аналізу звуку. З. з. представляють зазвичай на координатній площині, де осі абсцис відкладена частота f, а по осі ординат - амплітуда А або інтенсивність гармонійної складової звуку з даною частотою. Чисті тони, звуки з періодичною формою хвилі, а також отримані при додаванні декількох періодичних хвиль, мають лінійчасті спектри (рис. 1); такі спектри, що визначають їхній тембр, мають, наприклад, музичні звуки. Акустичні шуми, одиночні імпульси, звуки, що загасають, мають суцільний спектр (рис. 2). Комбіновані спектри характерні для шумів деяких механізмів, де, наприклад, обертання двигуна дає накладені на суцільний спектр окремі частотні складові, а також для звуків клавішних музичних інструментів (рис. 3), що мають (особливо у верхньому регістрі) шумове забарвлення, зумовлене ударами молоточків.

Тембр

Тембр звуку – забарвлення звуку; якісна оцінка звуку, що видається музичним інструментом, пристроєм звуку або голосовим апаратом людей і тварин. Тембр звуку: – характеризує відтінок звучання; - Визначається джерелом звуку; і - залежить від складу обертонів, супутніх основному тону, та їх інтенсивності. По тембрам відрізняють звуки однакової висоти і гучності, але виконані або різних інструментах, різними голосами, або одному інструменті різними способами, штрихами. Тембр визначається матеріалом, формою вібратора, умовами його вагань, резонатором, акустикою приміщення. У характеристиці тембру велике значення мають обертони та їх співвідношення за висотою та гучністю, шумові призвуки, атака (початковий момент звуку), форманти, вібрато та інші фактори. При сприйнятті тембрів зазвичай виникають різні асоціації: темброву якість звуку порівнюють з органолептичними відчуттями від тих чи інших предметів і явищ, наприклад, звуки називають яскравими, блискучими, матовими, теплими, холодними, глибокими, повними, різкими, насиченими, соковитими, металом ; застосовуються і власне слухові визначення (наприклад, дзвінкі, глухі, галасливі). Науково-обгрунтована типологія тембру ще склалася. Встановлено, що тембровий слух має зонну природу. Тембр використовується як важливий засіб музичної виразності: за допомогою тембру можна виділити той чи інший компонент музичного цілого, посилити чи послабити контрасти; зміна тембрів - одне із елементів музичної драматургії. У музиці XX століття виникла тенденція засобами гармонії та фактури посилювати, підкреслювати тембровий бік звучання (паралелізми, кластери). Особливими напрямками використання тембру є сонорика і спектральна музика.

Гармоніка

Всесвіт складається зі звуків, а кожен звук - з безлічі гармонік, або обертонів. Обертони притаманні кожному звуку незалежно від його походження. Звучання скрипкової чи фортепіанної струни людське вухо сприймає як тон. Але насправді майже всі звуки, що виробляються музичними інструментами, людським голосом чи іншими джерелами, – не чисті тони, а комплекси призвуків, які називаються також «частковими тонами». Найнижчий із цих часткових тонів називають «основним». Проте інші призвуки, які мають більшу частоту коливань, ніж основний тон, прийнято називати «обертонами». Перш ніж переходити до детального вивчення складових частин звуку - гармонік, уважніше розглянемо звук як такий. Звук є коливальною енергією, що приймає форму хвиль. Одиниця виміру цих хвиль зветься «герц» (Гц). У герцах вимірюють кількість коливань, що здійснюються об'єктом за секунду. Ця кількість називається "частотою". Вухо ж сприймає частоту як «висота тону».

Форманта - акустична характеристика звуку мови (головним чином голосного), пов'язана з рівнем частоти голосового тону і утворює тембр звуку

Тон у лінгвістиці - використання висоти звуку для сенсорозрізнення у межах слів/морфем. Тон слід відрізняти від інтонації, тобто зміни висоти тону протягом порівняно великого мовного відрізка (висловлювання чи речення). Різні тонові одиниці, що мають сенсорозрізнювальну функцію, можуть називатися тонемами (за аналогією з фонемою). Тон, як і інтонація, фонація і наголос, відноситься до супрасегментним, або просодичним ознаками. Носіями тону найчастіше є голосні, але зустрічаються мови, де у цій ролі можуть виступати і приголосні, найчастіше сонанти. Тоновим, чи тональним, називається мову, у якому кожен склад вимовляється з певним тоном. Різновидом тонових мов є також мови з музичним наголосом, у яких один або кілька складів у слові є виділеними, та різні типи виділення протиставляються тоновими ознаками. Звукові хвилі, як інші хвилі, характеризуються такими об'єктивними величинами, як частота, амплітуда, фаза коливань, швидкість поширення, інтенсивність звуку та інші. Але. крім цього, вони описуються трьома суб'єктивними характеристиками. Це - гучність звуку, висота тону та тембр. Чутливість людського вуха різна для різних частот. Для того щоб викликати звукове відчуття, хвиля повинна мати деяку мінімальну інтенсивність, але якщо ця інтенсивність перевищує певну межу, то звук не чутний і викликає тільки больове відчуття. Таким чином, для кожної частоти коливань існує найменша (поріг чутності) та найбільша (поріг болючого відчуття) інтенсивність звуку, яка здатна викликати звукове відчуття. На малюнку 15.10 представлена ​​залежність порогів чутності та больового відчуття від частоти звуку. Область, розташована між двома кривими, є областю чутності. Найбільша відстань між кривими посідає частоти, яких вухо найбільш чутливо (1000-5000 Гц).

Частота

Звук починається із частоти 16 Гц. Збільшивши частоту вдвічі, отримуємо 32 Гц, - це субконтроктава / відношення частот 1: 2 / . 32 - 64 Гц - контроктава, 64 - 128 Гц - велика октава, 128 - 256 Гц - мала октава, ще вдвох - перша і так до шостої. До такого поділу додумалися давно. Але як поділити частоти на окремі тони всередині октави? Піфагор, досліджуючи звуки за допомогою приладу монохорда («монос» по-грецьки – «один», «хорда» - «струна») запропонував поділ частотного ряду по квінтах. Але при такому розподілі відстань між різними інтервалами була різною. Ну, і що з того? А річ у тому, що якщо інструмент налаштувати за такою гамою, то на ньому можна буде виконувати будь-який твір лише в одній тональності, знизити чи підвищити музику не можна, звучатиме дуже фальшиво. Для вирішення цієї проблеми були потрібні розрахунки. Фізики та математики активно працювали в галузі музики. Так, Ейлер та Кеплер довго розмірковували над проблемою темперованого звукоряду у пошуках найбільш гармонійного співвідношення частот. Темперація у перекладі з латинської означає – правильне співвідношення. Рішення було знайдено у середині 17 століття. Маловідомий органіст Веркмейстер запропонував чудово простий вихід: трошки вкоротити всі квінти, так щоб 12 квінт «влазило» точно в 7 октав. І, як за помахом чарівної палички, всі відстані між сусідніми звуками (напівтонами, яких у октаві стало точно 12) стали однаковими. Частота кожного наступного півтону більше попереднього в корінь дванадцятого з двох, тобто. приблизно 1,06 раз. Такий лад отримав назву рівномірно або добре темперованого. Поступово темперований лад має переважну більшість сучасних музичних інструментів. Варто в оркестрі налаштувати інструменти за одним загальним тоном (ля першої октави – 440 Гц), і багато інструментів гратимуть узгоджено, не допускаючи фальшу. Великий німецький композитор Йоганн Себастьян Бах палко пропагував рівномірну темперацію, написавши з цією метою свою знамениту збірку прелюдій і фуг, яку назвав: «Добре темперований клавір». Стандартизація музики шляхом застосування рівномірно темперованого ладу, звичайно, як і будь-яка стандартизація, стала величезним досягненням. Але чи означає це, що темперованому строю, так вдало знайденому три століття тому, уготоване вічне існування? Звичайно, ні. Сприйняття музики поступово змінюється, музика розвивається. В останні роки в цей процес активно включилася музична акустика, яка не тільки, кажучи словами пушкінського Сальєрі, «перевіряє алгеброю гармонію», але використовує для цієї мети найскладніші фізичні прилади, та кібернетичні машини, за допомогою яких намагається моделювати таємничий ще багато в чому процес сприйняття музики.

Сила звуку, його інтенсивність

Сила звуку (відносна) - застарілий термін, що описує величину, подібну до інтенсивності звуку, але не ідентичну їй. Приблизно таку ж ситуацію ми спостерігаємо для сили світла (одиниця – кандела) – величини, подібної до сили випромінювання (одиниця – ват на стерадіан). Сила звуку вимірюється за відносною шкалою від порогового значення, якому відповідає інтенсивність звуку 1 пВт/м2 при частоті сигналу синусоїдного 1 кГц і звуковому тиску 20 мкПа. Порівняйте це визначення з визначенням одиниці сили світла: «Кандела дорівнює силі світла, що випускається в заданому напрямку монохроматичним джерелом, при частоті випромінювання 540 ТГц і силі випромінювання в цьому напрямку 1/683 Вт/ср». В даний час термін "сила звуку" витіснений терміном "рівень гучності звуку".

Поріг чутності

Поріг чутності - мінімальна величина звукового тиску, коли звук цієї частоти може бути сприйнятий вухом людини. Величину порога чутності прийнято виражати децибелах, приймаючи за нульовий рівень звукового тиску 2×10-5Н/м2 чи 20×10-6Н/м2 при частоті 1 кГц (для плоскої звукової хвилі). Поріг чутності залежить від частоти звуку. При дії шумів та інших звукових подразників поріг чутності для даного звуку підвищується (див. Маскування звуку), причому підвищене значення порога чутності зберігається деякий час після припинення дії фактора, що заважає, а потім поступово повертається до вихідного рівня. У різних людей і в тих самих осіб у різний час поріг чутності може відрізнятися. Він залежить від віку, фізіологічного стану, тренованості. Вимірювання порога чутності зазвичай роблять методами аудіометрії.

А це так про всяк випадок-зробити розумний вигляд:)))))

Слуховий поріг - 10дБ

Шепіт на відстані 1м - 20дБ

Шум у квартирі - 40дБ

Шепіт на відстані 10 см - 50дБ

Тиха розмова на відстані 1м – 50дБ

Оплески - 60дБ

Гра на акустичній гітарі пальцями; звук на відстані 40 см – 70дБ

Тиха гра на фортепіано – 70дБ

Гра на акустичній гітарі медіатором; звук на відстані 40 см – 80дБ

Шум у метро під час руху – 90дБ

Реактивний літак з відривом 5 м - 120дБ

Барабанний бій на відстані 3 см – 140дБ

Больовий поріг

Больовий поріг-слуховий, величина звукового тиску, при якому у вусі виникає відчуття болю. Больовим відчуттям часто визначають верх. кордон динаміч. Діапазон чутності людини. б. о. для синусоїдальних сигналів дорівнює в середньому 140 дБ стосовно тиску 2 10-5 Па, а для шумів з суцільним спектром - 120 дБ. Між порогами чутності та больового відчуття знаходиться область чутності, що визначає діапазон частот та ефективний тиск звуків, що сприймаються вухом. Найбільший за ефективним тиском діапазон чутності відповідає частоті близько 1 кГц. Тому звук частотою 1 кГц обраний як зразок для порівняння з ним звуків інших частот. Поріг чутності звуку з частотою 1 кГц, що дорівнює 2-10-5 Па, називають стандартним порогом чутності.

Гучність

Гучність звуку – суб'єктивне сприйняття сили звуку (абсолютна величина слухового відчуття). Гучність головним чином залежить від звукового тиску, амплітуди та частоти звукових коливань. Також на гучність звуку впливають його спектральний склад, локалізація у просторі, тембр, тривалість впливу звукових коливань та інші фактори. Одиницею абсолютної шкали гучності є сон. Гучність 1 сон - це гучність безперервного чистого синусоїдального тону частотою 1 кГц, що створює звуковий тиск 2 мПа. Рівень гучності звуку – відносна величина. Вона виявляється у фонах і чисельно дорівнює рівню звукового тиску (у децибелах - дБ), створюваного синусоїдальним тоном частотою 1 кГц такої ж гучності, як і звук, що вимірюється (рівногучному даному звуку).

> Інтенсивність звуку

Визначення

Завдання навчання

Терміни

Основні пункти

Визначення

Інтенсивність звуку- Потужність на одиницю площі, що транспортується водою. Потужність відображає швидкість передачі хвилею енергії.

Завдання навчання

Обчислити звукову інтенсивність потужності.

• Децибели – міра звукової інтенсивності, що становить 1/10 частина логарифмічної шкали інтенсивності. Обчислюється як дБ = 10 * log 10 (P1/P2), де P1 і P2 - відносні потужності звуку.
• Амплітуда – максимальне абсолютне значення зміни величини.

Основні пункти

Як визначити рівень інтенсивності звуку: значення та терміни, децибели та амплітуда, одиниця звукової інтенсивності, формула, що визначає інтенсивність.

приклад

Використовуйте дані для обчислення звукової інтенсивності та рівня децибелу.

Pav w = 331 м/с 2 за 0°C. (Тиск повітря при 0°С = 1.29 кг/м3).

Перекладемо рівень інтенсивності звуку до рівня децибелу:

Огляд інтенсивності

Звукова інтенсивність – потужність на одиницю переносимої хвилею площі. Потужність відображає швидкість транспортування хвилею енергії.

Для визначення інтенсивності застосовують формулу I = P/A (Р – потужність, А – одиниця інтенсивності у Вт/м2). Це загальна формула для інтенсивності, але її можна поглянути з позиції звуку.

Звукова інтенсивність

Для вимірювання звукової інтенсивності підійде формула (Δp – зміна тиску або амплітуда, ρ – щільність матеріалу, крізь який проходить звук, v w – швидкість звуку, що спостерігається). Видно, що зміна тиску та амплітуда пропорційні інтенсивності, тому можна сказати, що при підйомі коливання підвищується інтенсивність. На зображенні показано цю тенденцію.

Перед вами графіки калібрувальних тисків у двох звукових хвилях, що відрізняються інтенсивністю. Велика інтенсивність формується джерелом з великими амплітудними коливаннями, де є значні максимуми і мінімуми тиску. Видно, що показник тиску зростає при більшій інтенсивності, тому здатний надавати більш значне зусилля на тіла

Стандартною одиницею інтенсивності вважають Вт/м 2 але найчастіше використовують децибели. Це співвідношення амплітуди до еталонного значення (0 дБ). Формула:

(β – рівень децибелу, I – спостерігається інтенсивність, I 0 – еталонна інтенсивність).

Щоб отримати контрольну точку на рівнях інтенсивності, наведено нижче список декількох інтенсивностей:

0 дБ, I = 1 x 10-12 - поріг людського слуху.

10 дБ, I = 1 x 10 -11 - шелест листя.

60 дБ, I = 1 x 10 -6 – нормальна розмова.

100 дБ, I = 1 x 10-2 - гучна сирена.

160 дБ, I = 1 x 10 4 - лопнуть барабанні перетинки.