Что называется силой звука. Единицы измерения громкости. Корпус колонки, акустическое оформление
Звуковые волны, оказывая воздействие на барабанную перепонку человека, вызывают колебания волосков. Амплитуда этих напрямую связана с воспринимаемой громкостью этих волн - чем она больше, тем громкость звука будет чувствоваться сильнее. Это, конечно, упрощенное толкование. Но суть ясна!
Восприятие одной и той же силы звука у каждого человека будет свое. Поэтому справедливо будет утверждать, что громкость - субъективная величина. Кроме того, этот параметр зависит от частоты и амплитуды звуковых колебаний, а также давления волн. На громкость звука оказывают влияние такие факторы, как длительность колебаний, их локализация в пространстве, тембр и спектральный состав.
Единица носит название сон (sone). 1 сон примерно соответствует громкости приглушенного разговора, а громкость двигателей самолета равна 264 сонам. По определению, 1 сон равен громкости тона частотой в 1000 и уровнем в 40 дБ. Сила звука, выраженная в сонах имеет формулу:
J = k*I 1/3 , здесь
к - зависящий от частоты коэфициент, i - интенсивность колебаний.
В связи с тем, что колебания с разным (различающиеся своей интенсивностью) на разных частотах могут иметь одинаковую громкость звука, для оценки его силы также используется такая единица, как фон (phon). 1 Ф равен разности уровней громкости 2 звуков с одной и той же частотой, для которых одинаковые по громкости в 1000 Гц будут отличаться по уровню давления (интенсивности) на 1 децибел.
На практике, для того чтобы указать или сравнить громкость, чаще всего используют децибел - производную единицу от бела. Это связано с тем, что возрастание силы звука происходит не в линейной зависимости от интенсивности волн, а в логарифмической. 1 бел равен десятикратному изменению силы амплитуды колебаний. Это довольно крупная единица. Поэтому для расчетов используют ее десятую часть - децибел.
Днем человеческое ухо может слышать звуковые волны громкостью от 10 децибел и выше. Принято считать, что максимальный диапазон всех частот, доступных человеку, равен 20-20 000 Гц. Замечено, что он меняется с возрастом. В молодости лучше всего слышны среднечастотные волны (около 3 КГц), в зрелом возрасте - частоты от 2 до 3 кГц, а в старости - звук в 1 КГц. Звуковые волны с амплитудой до 1-3 КГц (первые килогерцы) входят в зону речевого общения. Их используют в радиовещании на ДВ- и СВ-диапазонах, а также в телефонах.
Если частота меньше 16-20 Гц, то такой шум считается инфразвуком, а если она больше 20 КГц - ультразвуком. Инфразвук с колебаниями в 5-10 Гц способен вызвать резонанс с вибрацией внутренних органов, воздействовать на работу мозга и усиливать ноющие боли в суставах и костях. А вот ультразвук нашел широкое применение в медицине. Также с его помощью отпугивают насекомых (мошкару, комаров), животных (например, собак), птиц с аэродромов.
Чтобы выяснить громкость звука или шума, применяется особый прибор - измеритель Он помогает выяснить то, не превышают ли звуковые колебания максимально допустимую величину, которая не несет опасности для человека. Если человек будет длительное время подвергаться воздействию волн с уровнем, превышающим 80-90 дБ, то это может стать причиной полной или частичной потери слуха. При этом также могут возникнуть патологические нарушения в нервной и сердечно-сосудистой системах. Безопасная громкость ограничена величиной в 35 дБ. Поэтому для сохранения слуха не стоит слушать в наушниках музыку на полную громкость. Находясь в слишком шумном месте, можно использовать беруши.
Звуком называют механические колебания частиц упругой среды (воздух, вода, металл и т. п.), субъективно воспринимаемые органом слуха. Звуковые ощущения вызываются колебаниями среды, происходящими в диапазоне частот от 16 до 20 000 гц. Звуки с частотами, лежащими ниже этого диапазона, называются инфразвуком, а выше - ультразвуком.
Звуковое давление - переменное давление в среде, обусловленное распространением в ней звуковых волн. Величина звукового давления оценивается силой действия звуковой волны на единицу площади и выражается в ньютонах на квадратный метр (1 н/метр квадартный=10 бар).
Уровень звукового давления - отношение величины звукового давления к нулевому уровню, за который принято звуковое давление н/квадратный метр:
Скорость звука зависит от физических свойств среды, в которой распространяются механические колебания. Так, скорость звука в воздухе равна 344 м/сек при T=20°С, в воде 1 481 м/сек (при T=21,5°С), в дереве 3 320 м/сек и в стали 5 000 м/сек.
Сила звука (или интенсивность) - количество звуковой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади; измеряется в ваттах на квадратный метр (вт/м2).
Следует отметить, что звуковое давление и сила звука связаны между собой квадратичной зависимостью, т. е. при увеличении звукового давления в 2 раза сила звука возрастает в 4 раза.
Уровень силы звука - отношение силы данного звука к нулевому (стандартному) уровню, за который принята сила звука вт/м2, выраженное в децибелах:
Уровни звукового давления и силы звука, выраженные в децибелах, совпадают по величине.
Порог слышимости - наиболее тихий звук, который еще способен слышать человек на частоте 1000 гц, что соответствует звуковому давлению н/м2.
Громкость звука - интенсивность звукового ощущения, вызванная данным звуком у человека с нормальным слухом Громкость зависит от силы звука и его частоты, изменяется пропорционально логарифму силы звука и выражается количеством децибел, на которое данный звук превышает по интенсивности звук, принятый за порог слышимости. Единица измерения громкости - фон.
Порог болевого ощущения - звуковое давление или сила звука, воспринимаемые как болевое ощущение. Порог болевого ощущения мало зависит от частоты и наступает при звуковом давлении порядка 50 н/м2.
Динамический диапазон - диапазон громкостей звука, или разность уровней звукового давления самого громкого и самого тихого звуков, выраженная в децибелах.
Дифракция - отклонение от прямолинейного распространения звуковых волн.
Рефракция - изменение направления распространения звуковых волн, вызванное различиями в скорости на разных участках пути.
Интерференция - сложение волн одинаковой длины, приходящих в данную точку пространства по нескольким различным путям, вследствие чего амплитуда результирующей волны в разных точках оказывается различной, причем максимумы и минимумы этой амплитуды чередуются между собой.
Биения - интерференция двух звуковых колебаний, мало отличающихся по частоте. Амплитуда возникающих при этом колебаний периодически увеличивается или уменьшается во времени с частотой, равной разности интерферирующих колебаний.
Реверберация - остаточное «после-звучание» в закрытых помещениях. Образуется вследствие многократного отражения от поверхностей и одновременного поглощения звуковых волн. Реверберация характеризуется промежутком времени (в секундах), в течение которого сила звука уменьшается на 60 дб.
Тон - синусоидальное звуковое колебание. Высота тона определяется частотой звуковых колебаний и растет с увеличением частоты.
Основной тон - наиболее низкий тон, создаваемый источником звука.
Обертоны - все тоны, кроме основного, создаваемые источником звука. Если частоты обертонов в целое число раз больше частоты основного тона, то их называют гармоническими обертонами (гармониками).
Тембр - «окраска» звука, которая определяется количеством, частотой и интенсивностью обертонов.
Комбинационные тоны - дополнительные тоны, возникающие вследствие нелинейности амплитудной характеристики усилителей и источников звука. Комбинационные тоны появляются при воздействии на систему двух или большего числа колебаний с различными частотами. Частота комбинационных тонов равна сумме и разности частот основных тонов и их гармоник.
Интервал - отношение частот двух сравниваемых звуков. Наименьший различимый интервал между двумя соседними по частоте музыкальными звуками (каждый музыкальный звук имеет строго определенную частоту) называется полутоном, а интервал частот с отношением 2:1 - октавой (музыкальная октава состоит из 12 полутонов); интервал с отношением 10: 1 называют декадой.
В статье вы узнаете, что такое звук, каков его смертельный уровень громкости, а также скорость в воздухе и других средах. Также поговорим про частоту, кодирование и качество звука.
Еще рассмотрим дискретизацию, форматы и мощность звука. Но сначала дадим определение музыки, как упорядоченному звуку — противоположность неупорядоченному хаотическому, который мы воспринимаем, как шум.
— это звуковые волны, которые образуются в результате колебаний и изменения атмосферы, а также объектов вокруг нас.
Даже при разговоре вы слышите своего собеседника потому, что он воздействует на воздух. Также, когда вы играете на музыкальном инструменте, бьете ли вы по барабану или дергаете струну, вы производите этим колебания определенной частоты, которой в окружающем воздухе производит звуковые волны.
Звуковые волны бывают упорядоченные и хаотические . Когда они упорядоченные и периодические (повторяются через какой-то промежуток времени), мы слышим определенную частоту или высоту звука.
То есть мы можем определить частоту, как количество повторения события в заданный промежуток времени. Таким образом, когда звуковые волны хаотичны, мы воспринимаем их как шум .
Но когда волны упорядочены и периодически повторяются, то мы можем измерить их количеством повторяющихся циклов в секунду.
Частота дискретизации звука
Частота дискретизации звука — это количество измерений уровня сигнала за 1 секунду. Герц (Гц) или Hertz (Hz) — это научная единица измерения, определяющая количество повторений какого-то события в секунду. Эту единицу мы будем использовать!
Частота дискретизации звука Наверное, вы очень часто видели такую аббревиатуру — Гц или Hz. Например, в плагинах эквалайзеров. В них единицами измерения являются герцы и килогерцы (то есть 1000 Гц).
Обычно человек слышит звуковые волны от 20 Гц до 20 000 Гц (или 20 кГц). Все, что меньше 20 Гц — это инфразвук . Все, что больше 20 кГц — это ультразвук .
Давайте я открою плагин эквалайзера и покажу вам как это выглядит. Вам, наверное, знакомы эти цифры.
Частоты звука С помощью эквалайзера вы можете ослаблять или усиливать определенные частоты в пределах слышимого человеком диапазона.
Небольшой пример!
Здесь у меня запись звуковой волны, которая была сгенерирована на частоте 1000 Гц (или 1 кГц). Если увеличить масштаб и посмотреть на ее форму, то мы увидим, что она правильная и повторяющиеся (периодическая).
Повторяющиеся (периодическая) звуковая волна В одной секунде здесь происходит тысяча повторяющихся циклов. Для сравнения, давайте посмотрим на звуковую волну, которую мы воспринимаем как шум.
Неупорядоченный звук Тут нет какой-то конкретной повторяющейся частоты. Также нет определенного тона или высоты. Звуковая волна не упорядочена. Если мы взглянем на форму этой волны, то увидим, что в ней нет ничего повторяющегося или периодического.
Давайте перейдем в более насыщенную часть волны. Мы увеличиваем масштаб и видим, что она не постоянная.
Неупорядоченная волна при масштабировании Из-за отсутствия цикличности мы не в состоянии услышать какую-то определенную частоту в этой волне. Поэтому мы воспринимаем ее как шум.
Смертельный уровень звука
Хочу немного упомянуть про смертельный уровень звука для человека. Он берет свое начало от 180 дБ и выше.
Стоит сразу сказать, что по нормативным нормам, безопасным уровнем громкости шума считается не более 55 дБ (децибел) днем и 40 дБ ночью. Даже при длительном воздействии на слух, этот уровень не нанесет вреда.
| Уровни громкости звука | ||
|---|---|---|
| (дБ) | Определение | Источник |
| 0 | Совсем не лышно | |
| 5 | Почти не слышно | |
| 10 | Почти не слышно | Тихий шелест листьев |
| 15 | Еле слышно | Шелест листвы |
| 20 — 25 | Едва слышно | Шепот человека на расстоянии 1 метр |
| 30 | Тихо | Тиканье настенных часов (допустимый максимум по нормам для жилых помещений ночью с 23 до 7 часов ) |
| 35 | Довольно слышно | Приглушенный разговор |
| 40 | Довольно слышно | Обычная речь (норма для жилых помещений днем с 7 до 23 часов ) |
| 45 | Довольно слышно | Разговор |
| 50 | Отчетливо слышно | Пишущая машинка |
| 55 | Отчетливо слышно | Разговор (европейская норма для офисных помещений класса А ) |
| 60 | (норма для контор ) | |
| 65 | Громкий разговор (1м) | |
| 70 | Громкие разговоры (1м) | |
| 75 | Крик и смех (1м) | |
| 80 | Очень шумно | Крик, мотоцикл с глушителем |
| 85 | Очень шумно | Громкий крик, мотоцикл с глушителем |
| 90 | Очень шумно | Громкие крики, грузовой железнодорожный вагон (7м) |
| 95 | Очень шумно | Вагон метро (в 7 метрах снаружи или внутри вагона) |
| 100 | Крайне шумно | Оркестр, гром (по европейским нормам, это максимально допустимое звуковое давление для наушников ) |
| 105 | Крайне шумно | В старых самолетах |
| 110 | Крайне шумно | Вертолет |
| 115 | Крайне шумно | Пескоструйный аппарат (1м) |
| 120-125 | Почти невыносимо | Отбойный молоток |
| 130 | Болевой порог | Самолет на старте |
| 135 — 140 | Контузия | Взлетающий реактивный самолет |
| 145 | Контузия | Старт ракеты |
| 150 — 155 | Контузия, травмы | |
| 160 | Шок, травма | Ударная волна от сверхзвукового самолета |
| 165+ | Разрыв барабанных перепонок и легких | |
| 180+ | Смерть | |
Скорость звука в км в час и метры в секунду
Скорость звука — это скорость распространения волн в среде. Ниже даю таблицу скоростей распространения в различных средах.
Скорость звука в воздухе намного меньше чем в твердых средах. А скорость звука в воде намного выше, чем в воздухе. Составляет она 1430 м/с. В итоге, распространение идет быстрее и слышимость намного дальше.
Мощность звука — это энергия, которая передается звуковой волной через рассматриваемую поверхность за единицу времени. Измеряется в (Вт). Бывает мгновенное значение и среднее (за период времени).
Давайте продолжим работать с определениями из раздела теория музыки!
Высота и нота
Высота — это музыкальный термин, который обозначает почти тоже самое, что и частота. Исключение составляет то, что она не имеет единицы измерения. Вместо того чтобы определять звук количеством циклов в секунду в диапазоне 20 — 20 000 Гц, мы обозначаем определенные значения частот латинскими буквами.
Музыкальные инструменты производят периодические звуковые волны правильной формы, которые мы называем тонами или нотами.
То есть другими словами, — это своего рода моментальный снимок периодической звуковой волны определенной частоты. Высота этой ноты говорит нам о том, насколько нота высока или низка по своему звучанию. При этом более низкие ноты имеют более длинные волны. А высокие, более короткие.
Давайте посмотрим на звуковую волну в 1 кГц. Сейчас я увеличу масштаб, и вы увидите каково расстояние между циклами.
Звуковая волна в 1 кГц Теперь давайте взглянем на волну в 500 Гц. Тут частота в 2 раза меньше и расстояние между циклами больше.
Звуковая волна в 500 Гц Теперь возьмем волну в 80 Гц. Тут будет еще шире и высота намного ниже.
Звук в 80 Гц Мы видим взаимосвязь между высотой звука и формой его волны.
Каждая музыкальная нота основана на одной основополагающей частоте (основном тоне). Но помимо тона в музыке состоит и из дополнительных резонансных частот или обертонов.
Давайте я покажу вам еще один пример!
Ниже волна в 440 Гц. Это стандарт в мире музыке для настройки инструментов. Соответствует он ноте ля.
Чистая звуковая волна в 440 Гц Мы слышим только основной тон (чистую звуковую волну). Если увеличить масштаб, то увидим, что она периодическая.
А теперь давайте посмотрим на волну той же частоты, но сыгранную на пианино.
Периодический звук пианино Посмотрите, она тоже периодическая. Но в ней есть небольшие дополнения и нюансы. Все они в совокупности и дают нам понятие о том, как звучит пианино. Но помимо этого, обертона обуславливают и тот факт, что одни ноты будут иметь большее сродство к данной ноте чем другие.
Для примера можно сыграть туже ноту, но на октаву выше. По звучанию будет совсем иначе. Однако она будет родственной предыдущей ноте. То есть это та же нота, только сыгранная на октаву выше.
Такая родственная связь двух нот в разных октавах обусловлена наличием обертонов. Они постоянно присутствуют и определяют насколько близко или отдаленно определенные ноты связаны друг с другом.
Основные термины и определения
Звук – разновидность кинетической энергии, которая называется « » и представляет собой пульсацию давления, возникающую в физической среде при прохождении звуковой волны.
Интенсивность звука – сила звука, средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени.
Громкость звука – субъективная величина слухового ощущения, которая зависит от интенсивности звука и его частоты. При неизменной частоте громкость звука растет с увеличением интенсивности. При одинаковой интенсивности наибольшей громкостью обладают звуки в диапазоне частот 700-6000 Гц. Ну- левой уровень громкости звука соответствует звуковому давлению 20 мкПа и силе звука 10-12 Вт/м2 при частоте 1 кГц.
Звуковое давление – звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние (как правило, на 1 м). Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).
Децибел – логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений, безразмерная носительная характеристика, позволяющая сравнивать между собой нужные величины:
Величина в децибелах = 10 lg (вычисляемая величина/опорная (базисная) величина).
Элементарные сведения о звуке
В звуке можно выделить следующие определяющие элементы: высота (высокий/низкий), интенсивность (слабый/сильный), тембр (мягкий, ясный и т.д.). Тембр определяемый гармониками, формирует слуховые ощущения, то есть, позволяет отличать один музыкальный инструмент или голос от другого. Скорость, с которой распространяется звук, строго связана с характером (природой) упругих сред. Далее мы будем рассматривать прохождение звука только через воздух. Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/с и меняется с изменением температуры. Для расчета скорости звука при различных температурах, используется следующая формула:
V – скорость звука в м/с
°C – температура воздуха в градусах Цельсия
Если частота звуковых колебаний находится между 20 и 20000 раз в секунду (Гц), то данные вибрации производят у человека слуховое ощущение. Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, но практически слышимый диапазон находится в пределах от 100 Гц до 10 кГц (низкий мужской голос 400Гц, женское сопрано 9 кГц). Отношение скорости звука к его частоте есть расстояние, пройденное звуковой волной за один период, по другому называется длиной звуковой волны:
где
λ –
длина волны
V – скорость звука, м/с
f – частота, Гц
Полный период колебания волны (звукового давления) состоит из полупериода сжатия (повышения давления) и последующего полупериода разряжения молекул воздуха (понижения давления). Звуки с большей амплитудой (громкие) вызывают более сильное сжатие и разряжение молекул воздуха, чем звуки с меньшей амплитудой (тихие).
В зависимости от контекста существует множество различных определений звука:
Звук
– это упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. Чтобы понять, как распространяются данные волны, дополним это определение:
Звук
– это процесс последовательной передачи колебательного состояния в упругой среде.
В современной физике утвердился взгляд, при котором многие процессы отождествляют с энергией.
Звук
– это разновидность кинетической энергии, которая называется «акустической» и представляет собой пульсацию давления, возникающую в физической среде при прохождении звуковой волны. Звук распространяется по волновым законам, следовательно, к нему применимы такие общие физические понятия, как интерференция и дифракция. Результатом интерференции может быть как усиление, так и уменьшение уровня звука, например, при сложении одного и того же сигнала, но с различной фазировкой. При расчете параметров звукового поля на открытых пространствах следует учитывать множество различных факторов, например, влажность, ветер, температуру, например, при высокой температуре звук распространяется вверх, а при низкой температуре – вниз.
Частотный и динамический диапазоны
На рис. 2.3 приведены частотные и динамические диапазоны различных звуковых источников. Из рисунка видно, что динамический диапазон человеческой речи лежит в пределах от 30 до 100 дБ. Уровень 30 дБ соответствует тихому разговору, 100 дБ сильному крику. Под порогом слышимости подразумевают минимальные значения звукового давления, при которых звук еще воспринимается человеком. Принято считать, что человек слышит сигналы от 1 до 130 дБ. Уровень 1 дБ называется порогом слышимости, 130 дБ – это болевой порог.
Рис. 2.3 Частотный и динамический диапазоны
различных звуковых источников
Уровень шума
Одним из наиболее важных параметров при расчете уровня звукового давления является уровень шума. Установлено, что человек способен (слышать) улавливать звуки с уровнем 1 дБ (20 мкПа, 10-12 Вт/м2), который называется порогом слышимости. Но это возможно только при хорошем слухе и в отсутствии шума. Так как в реальных условиях, шум всегда присутствует, то различить полезную (звуковую) информацию на фоне шума можно при условии, что уровень звука превышает уровень шума, как минимум на 3 дБ (в 2 раза). Для хорошей разборчивости данная разница должна состав-лять минимум 6 дБ (в 4 раза). В нормативной же документации данный запас составляет 15 дБ.
Рис. 2.4 Уровни шума для различных пространств
Анализ окружающей среды
Окружающая среда, в которой функционирует СОУЭ, должна рассматриваться как компонент системы. Тщательный анализ этой среды, является определяющим фактором в выборе элементов формируемой цепи. Для анализа окружающей среды наиболее часто используются два инструмента: измеритель уровня звука, которым оценивается окружающий уровень шума, и измеритель нелинейности, который показывает уровень искажения и деградации, которой подвергнут звуковой сигнал. Последний имеет передатчик и приемник, работающие с шифрованными сигналами (RASTI метод) для обеспечения величины разборчивости за несколько секунд с учетом реверберации окружающей среды. Данная величина характеризуется "индексом разборчивости" (между 0 и 1). Для объектов, специфика которых не критична с точки зрения акустики (торговые центры, офисы, дома) необходимость в применении более сложных измерителях отсутствует.
Реверберация
В акустике присутствует множество различных факторов, которые необходимо учитывать при выборе и расстановке звукового оборудования и . Одним из таких факторов является реверберация. Звук в закрытых или открытых пространствах распространяется по разному. Стены комнаты отражают звуковые волны, тогда как на открытой площадке волны проходят практически без столкновений с какими-либо препятствиями. В закрытом пространстве за счет отражений уровень звука выше. В открытом пространстве звук распространяется практически по прямой. Прямой звук идентичен оригиналу по качеству и форме. Отраженный звук, наоборот, сильно зависит от отражающей способности места (после неопределенного числа отражений, достигает слушателя со всех сторон, и слушатель не может точно установить точку его происхождения). Распространение звука в этом случае происходит через первичные и вторичные отражения исходного звука от горизонтальных и вертикальных поверхностей помещения. Уровень отражения в большой степени зависит от характера стен, типа материала, из которого они сделаны, их гладкости, поглощающих свойств и изменения поглощения на раз-личных частотах. Мебель также может играть решающую роль в распространении звука – в зависимости от ее расстановки и поглощающей способности. Слушателю приходится воспринимать как прямой, так и отраженный звук. Время, с момента, в который звуковой источник прекращает излучать до момента, в который звук больше не воспринимается, определяется как время реверберации. Замечено, что любая среда характеризуется собственной "музыкальной окраской", связанной с распространением отраженных звуков и временем реверберации, которое и характеризует эту среду. Единственной переменной в уже существующей структуре остается мебель. Наилучшие результаты могут быть получены, когда принимается во внимание конструкция мебели, материал, из которого она сделана и ее расстановка в помещении.
Реверберация
– это явление, которое возникает, когда слышен не прямой звук от источника, а отраженный от встречающихся на пути звуковой волны препятствий или помех различного характера. Для предотвращения нежелательного воздействия отраженного звука на прямой необходимо, чтобы последний, при задержке более чем на 50 мс, достигал слушателя уменьшенным не более чем на 10 дБ. Время реверберации пропорционально объему окружающего пространства и обратно пропорционально суммарному поглощению поверхностей, составляющих ее. Отраженный звук, который достигает уха слушателя через 40-50 мс после прямого, расценивается как усиление, окраска первоначального звука. Отраженные звуки, которые доходят с задержкой 50-80 мс, наоборот, искажают первоначальный сигнал и могут стать причиной потери разборчивости.
Общие сведения о звуковом давлении
Звуковое давление – звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние (как правило, на 1 м). Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).
Уровень звукового давления
(англ. SPL, Sound Pressure Level) – значение звукового давления, измеренное по относительной шкале, отнесённое к опорному давлению Рspl = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц. SPL измеряется в децибелах (дБ). Децибелы, в отличие от паскалей, чаще применяются на практике из-за большего удобства. Считается, что человек слышит в диапазоне 0-120 дБ (20 - 20000000 мкПа). В таблице 2.2 приведена зависимость между звуковым давлением в мкПа и уров-нем звука в дБ.
| Звуковое давление (мкПа) | Уровень звука (дБ) |
| 20 | 0 |
| 60 | 10 |
| 200 | 20 |
| 600 | 30 |
| 2.000 | 40 |
| 6.000 | 50 |
| 20.000 | 60 |
| 60.000 | 70 |
| 200.000 | 80 |
| 600.000 | 90 |
| 2.000.000 | 100 |
| 6.000.000 | 110 |
| 20.000.000 | 120 |
Таблица 2.2
Зависимость уровня звукового давления от подводимой мощности
Слух, как и другие человеческие ощущения, воспринимает воздействие по логарифмическому закону (см. рис. 2.6). Для того чтобы удвоить звуковое давление, не достаточно удваивать число источников звука или электрическую мощность громкоговорителей, а необходимо удесятерять. Увеличение акустического давления может быть получено установкой нескольких громкоговорителей, расположенных близко друг к другу и ориентированных в одном направлении или при каждом удвоении мощности громкоговорителей, в любом случае, увеличение (или уменьшение) акустического давления будет ±3 дБ (в дальнейшем мы сформируем более точное правило). Для построения зависимости уровня звукового давления от подводимой мощности обратимся к теории. Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, называемое интенсивностью звука.
Интенсивность – это поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, прошедший через единицу поверхности (1 м2), являющейся нормалью к направлению распространения звуковой волны (измеряется в Вт/м2). Интенсивность иначе называют силой звука. Интенсивность определяет громкость звука, которую мы слышим. Мы не можем померить ее непосредственно (особенно в закрытых помещениях), поэтому на практике данную величину связывают с мощностью источника логарифмическим соотношением.
Звуковые волны характеризуются скоростью распространения, звуковым давлением, интенсивностью, спектральным составом и рядом других величин.
Для образования единиц акустики, как и механики, достаточно трех основных единиц: длины L , массы M и времени T . Как правило, в акустике используется система единиц СИ. Вместе с тем на практике используются также и внесистемные единицы (децибел, фон, октава, атмосфера и др.) Перечислим здесь лишь некоторые из часто употребляемых акустических величин.
Скорость звука - фазовая скорость звуковых волн в упругой среде, обычно одинакова для всех частотных составляющих звука. Выражается в метрах в секунду (м/с ). Скорость звука в воздухе при температуре 0 С и давлении 1 атм (101325 Па) равна 331 м/с.
Звуковое давление р - переменная часть давления, возникающая при прохождении звуковой волны в среде. Распространяясь в среде, звуковая волна образует ее сгущения и разрежения, которые создают добавочные изменения давления по отношению к его средним значениям в среде.
Звуковое давление представляет собой переменную часть давления, т. е. колебания давления относительно среднего значения, частота которых соответствует частоте звуковой волны. Звуковое давление -- основная количественная характеристика звука .
Звуковое давление, как и всякое давление, измеряется в паскалях (1Па = 1 ньютон на м 2 ) и имеет размерность LMT . Иногда для характеристики звука применяется уровень звукового давления -- выраженное в дб отношение величины данного звукового давления р к пороговому значению звукового давления р о =2·10 -5 н/м 2 . При этом число децибел N=20 lg (p/p o ).
Звуковое давление в воздухе изменяется в широких пределах -- от 10 -5 н/м 2 вблизи порога слышимости до 10 3 н/м 2 при самых громких звуках, например шумах реактивных самолётов.
При значительном звуковом давлении наблюдается явление разрыва сплошности жидкости -- кавитация .
Звуковое давление следует отличать от радиационного давления звука .
Звуковое давление является наиболее важной характеристикой звука, потому что из всех акустических величин человеческое ухо воспринимает, в первую очередь, именно звуковое давление.
Акустическое радиационное давление (давление звукового излучения) - постоянное давление, испытываемое телом, находящимся в стационарном звуковом поле. Радиационное давление звука не следует смешивать со звуковым давлением , представляющим собой периодически меняющееся давление в среде, в которой распространяется звуковая волна.
Давление звука пропорционально плотности звуковой энергии и, следовательно, квадрату звукового давления. Оно мало по сравнению со звуковым давлением ; так, например, в звуковом поле в воздухе, в котором звуковое давление равно 10 2 н/м 2 , при нормальном падении звуковой волны на полностью отражающее звук препятствие Давление звука приблизительно равно 0,1 н/м 2 . Измерение радиационного давления звука производится радиометром . Зная величину давления звука, можно определить абсолютное значение интенсивности звука в данной среде.
Звуковая энергия W - энергия колебательного движения частиц упругой среды, заполняющей область звукового поля. Как и любая другая энергия, звуковая энергия выражается в джоулях (дж ) и имеет размерность LMT.
Плотность звуковой энергии w=dW/dV имеет размерность LMT и единицу измерения дж/м .
Поток звуковой энергии P=dW/dt , также как и звуковая мощность P=dW/dt - все эти энергетические величины выражаются в ваттах (Вт ) и имеет размерность LMT .
Интенсивность звука (плотность звуковой мощности), называемая также силой звука, - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени: I=dР/dS, имеет размерность МТ.
Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность звука
I = pv/2 = p 2 /2rc,
где р -- амплитуда звукового давления, v -- амплитуда колебательной скорости , r -- плотность среды, с -- скорость звука в ней. В сферической бегущей волне интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0 , т. е. потока звуковой энергии в среднем нет.
Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в вт/м 2 . Интенсивность звука оценивается также уровнем интенсивности по шкале децибел; число децибел
N = 10 lg (I/I 0 ) ,
где I -- интенсивность данного звука, I 0 = 10 -12 вт/м 2 .
Интенсивность звука и выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м ).
Акустическое сопротивление - физическая величина, аналогичная сопротивлению электрической цепи. Имеет размерность LMT и выражается в паскаль-секундах на кубический метр.
Спектр звука - частотная характеристика звука, описывающая его спектральный состав по отношению к какой-либо акустической величине (обычно звуковому давлению силе звука и т.д.). Как правило, в акустической практике приходится иметь дело со сплошными спектрами, когда энергия звуковых колебаний распределяется непрерывно в определенном диапазоне частот. Вместе с тем, при решении определенных задач (градуировка, прием-передача калибровочных сигналов и т.д.) возникает необходимость в использовании линейчатых - дискретных частотных составляющих спектра.
Некоторые акустические величины, связанные с восприятием звука человеком (интенсивность звука, звуковое давление, затухание звуковых волн и др.), имеют экспоненциальный характер изменения и вследствие этого могут изменяться по величине в очень широких пределах - на несколько порядков.
В свою очередь, человеческое ухо обладает огромным диапазоном восприимчивости: оно улавливает тишайший шелест листвы и одновременно выдерживает сотрясающие удары грома. Эта способность слухового восприятия человека описана в эмпирическом психофизиологическом законе Вебера-Фехнера следующим образом: ощущение пропорционально логарифму раздражения.
Если воздействие возрастает в 10 раз, его десятичный логарифм увеличивается на единицу и ощущение возрастает также на некоторую единицу. А при росте воздействия в миллион раз его логарифм, а вместе с тем и ощущение возрастают всего лишь на шесть тех же единиц. Из этого факта следует важный вывод: психофизиологический закон обусловливает изменение амплитуды и частоты воспринимаемых звуков в столь широких пределах, что использовать линейные шкалы практически невозможно и необходимо прибегать к логарифмическому масштабу. Но этот же закон делает применение в акустике логарифмических величин и их единиц вполне естественным.
Относительный уровень акустической величины с использованием логарифмического масштаба определяется как логарифм отношения данного значения Х величины к пороговому (исходному) значению Х этой величины. принятому за начало отсчета:
уровень величины = lg Х/Х .
Например, уровень интенсивности звука - это десятичный логарифм отношения данного значения интенсивности звука I к пороговому значению I интенсивности звука.
Относительный уровень обозначают буквой L с индексом, указывающим на вид акустической величины, например Lp - уровень звукового давления. В качестве исходных уровней принимают следующие:
- o уровень звукового давления - 20 мкПа;
- o уровень звуковой мощности - 10 -12 Вт;
- o уровень интенсивности звука - 0,01 Вт/м 2 .
При необходимости указать исходную величину ее значение помещают в скобках после обозначения логарифмической величины и букв re (начальные буквы слова referens). Например, для уровня звукового давления L p (re 20 мкПа)=20 дБ.
При использовании логарифмических величин для уровня величины указываются основание логарифмов (десять, корень квадратный из десяти, два и т.д.), пороговое значение величины и сам параметр (уровень звукового давления, уровень интенсивности звука и т.д.). Для количественной оценки уровней и других логарифмических величин применяются единицы бел и децибел.
Бел имеет два разных значения: одно - с основанием логарифма, равным десяти, а второе - с основанием, равным корню квадратному из десяти. Десятичное основание логарифма применяется для энергетических величин, а основание - для силовых величин.
Бел (Б) есть возрастание энергетической величины (звуковой мощности Р , энергии W , интенсивности I или другой энергетической величины) в 10 раз:
1 бел = lg (Р 2 /Р 1) при Р 2 = 10 Р 1 . (1.2.1)
Поскольку энергетические величины пропорциональны квадратам силовых величин (звукового давления, электрического тока и т.п.), бел также представляет возрастание силовой величины в = 3,162 раза.
Однако на практике наибольшее распространение получил не бел, а его дольная единица - децибел (дБ): 1дБ = 0,1 Б.
Децибел соответствует изменению энергетической величины в 10 0,1 = = 1,259 раза или силовой величины в = 1,121 раза. Существует также самостоятельное определение децибела: децибел - уровень звукового давления р , для которого выполняется соотношение 20 lg (р/р 0) = 1, где р 0 - пороговое звуковое давление, равное 20 мкПа.
Звуковая мощность - это количество звуковой энергии, излучаемой в единицу времени в ваттах.
Уровень звуковой мощности - логарифм отношения данной звуковой мощности к исходной звуковой мощности. Уровень звуковой мощности в децибелах равен десятикратному логарифму при основании, равном десяти от этого отношения:
L p = 10 lg(P/P 0),
где Р звуковая мощность, Вт, Р 0 пороговая звуковая мощность, Р 0 = 10 -12 Вт = 1 пВт, если нет другого указания.
Так как мощность акустического сигнала пропорциональна квадрату его амплитуды (мощность звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления), то усилению амплитуды сигнала в один бел соответствует величина
Один децибел, соответствующий изменению амплитуды в у 10 раз, представляет сравнительно малую величину. Поэтому в децибелах
Если бы А (щ) было отношением мощностей, то перед логарифмом в правой части (1.2.2) должен был бы стоять множитель 10. Так как А (щ) представляет собой отношение не мощностей, а выходной и входной величин (перемещений, скоростей, напряжений, токов и т. п.), то увеличение этого отношения в десять раз будет соответствовать увеличению отношения мощностей в сто раз, что соответствует двум белам или двадцати децибелам. Поэтому в правой части (1.2.2) стоит множитель 20.
Уровень интенсивности звука (уровень плотности потока звукового давления) - логарифм отношения данной интенсивности звука в указанном направлении к исходной интенсивности. Уровень интенсивности в децибелах равен десятикратному логарифму при основании, равном десяти от этого отношения. Если нет другого указания, за исходную интенсивность звука принимают 1 пВт/м 2 .
Уровень звукового давления - логарифм отношения данного звукового давления к исходному звуковому давлению. Уровень звукового давления в децибелах равен двадцати логарифмам этого отношения при основании, равном десяти. Если нет другого указания, тот за исходное звуковое давление в воздухе принимают 20 мкПа и 1 мкПа в других средах и предполагается, что звуковые давления выражены через средние квадратичные значения.
Помимо объективных акустических характеристик существуют также субъективные характеристики звука, характеризующие слуховое восприятие звуков человеком. К ним относятся: громкость звука, порог слышимости, порог болевого ощущения и другие.
Громкость звука - величина, характеризующая уровень слухового ощущения звука. Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления (интенсивности звука), от частоты и формы звуковых колебаний. При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растет с увеличением звукового давления. Наибольшей чувствительностью человек обладает к звукам в интервале частот 1 - 5 кГц.
Громкость звука данной частоты оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц, вводя для этого логарифмическую величину «уровень громкости». Уровень громкости оценивают в фонах.
Фон есть уровень громкости, для которого уровень звукового давления равногромкого с ним звука стандартного чистого тона с частотой 1000 Гц равен 1 дБ. Для стандартного тона уровень громкости в фонах совпадает с уровнем звукового давления в децибелах.
Порог слышимости - звуковое давление, при котором слышны самые слабые звуки данной частоты. Наименьший порог слышимости соответствует частотам в интервале 1 - 5 Г кГц.
Порог болевого ощущения - звуковое давление, при котором нормальное слуховое ощущение переходит в болезненное раздражение органов слуха. В диапазоне частот 1 - 5 кГц порог болевого ощущения составляет около 120 дБ.
Ключевые слова : скорость звука, звуковое давление, плотность звуковой энергии, поток звуковой энергии, интенсивность звука, акустическое сопротивление, спектр звука, психофизиологический закон, уровень акустической величины, логарифмическая величина, логарифм, бел, децибел, громкость, порог слышимости, порог болевого ощущения.
Контрольные вопросы
- 1. Укажите диапазон звуковых волн.
- 2. Перечислите акустические величины и укажите единицу измерения.
- 3. Что такое спектр звука?
- 4. В чем состоит психофизиологический закон Вебера-Фехнера?
- 5. Почему в акустике целесообразно использовать логарифмические величины?
- 6. Что такое относительный уровень акустической величины?
- 7. Что такое бел?
- 8. Что такое децибел и как он связан с белом?
- 9. Дайте определение уровня звуковой мощности, уровня интенсивности звука, уровня звукового давления.
- 10. Что такое громкость звука?
- 11. Что такое порог слышимости?
- 12. Что такое порог болевого ощущения?