Сила звука (относительная) - устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука , но не идентичную ей. Примерно такую же ситуацию мы наблюдаем для силы света (единица - кандела ) - величины, подобной силе излучения (единица - ватт на стерадиан ).
Сила звука измеряется по относительной шкале от порогового значения, которому соответствует интенсивность звука 1 пВт/м² при частоте синусоидального сигнала 1 кГц и звуковом давлении 20 мкПа. Сравните это определение с определением единицы силы света: «кандела равна силе света, испускаемого в заданном направлении монохроматическим источником, при частоте излучения 540 ТГц и силе излучения в этом направлении 1/683 Вт/ср».
Данная версия страницы не проверялась участниками с соответствующими правами. Вы можете прочитать последнюю стабильную версию , проверенную 25 апреля 2010, однако она может значительно отличаться от текущей версии. Проверки требуют 10 правок .
Гро́мкость зву́ка - субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления , амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его частота, спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы (см. , ).
Единицей абсолютной шкалы громкости является сон . Громкость в 1 сон - это громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц , создающего звуковое давление 2 мПа .
Уровень громкости звука - относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах - дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку).
Зависимость уровня громкости от звукового давления и частоты
На рисунке справа изображено семейство кривых равной громкости, называемых также изофонами . Они представляют собой графики стандартизированных (международный стандарт ISO 226) зависимостей уровня звукового давления от частоты при заданном уровне громкости. С помощью этой диаграммы можно определить уровень громкости чистого тона какой-либо частоты, зная уровень создаваемого им звукового давления.
средства звукового наблюдения
Например, если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон. Это значит, что данный звук имеет уровень громкости 50 фон.
Изофона «0 фон», обозначенная пунктиром, характеризует порог слышимости звуков разной частоты для нормального слуха .
На практике часто представляет интерес не уровень громкости, выраженный в фонах, а величина, показывающая, во сколько данный звук громче другого. Представляет интерес также вопрос о том, как складываются громкости двух разных тонов. Так, если имеются два тона разных частот с уровнем 70 фон каждый, то это не значит, что суммарный уровень громкости будет равен 140 фон.
Зависимость громкости от уровня звукового давления (и интенсивности звука ) является сугубо нелинейной кривой, она имеет логарифмический характер. При увеличении уровня звукового давления на 10 дБ (т.е. в 10 раз) громкость звука возрастёт в 2 раза. Это значит, что уровням громкости 40, 50 и 60 фон соответствуют громкости 1, 2 и 4 сона.
Уровень интенсивности шума, выраженный в децибелах, не учитывает такую физиологическую, особенность слуха, как различную чувствительность к звукам разной частоты. Поэтому было введено понятие уровня громкости с единицей измерения фон. Уровень громкости в фонах определяют путем сравнения оцениваемого звука со звуком такой же воспринимаемой громкости частотой 1000 Гц (эталонный тон). Иными словами, для звука частотой 1000 Гц громкость в фонах равна громкости в децибелах:
Например, если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон. Это значит, что данный звук имеет уровень громкости 50 фон.
Сон
Шкала сонов является шкалой субъективной оценки и разработана в результате многочисленных тестов. Полученные экспериментальным способом оценки показывают, что громкость возрастает как кубический корень из интенсивности звука, то есть зависимость психологической оценки громкости (J) от физической интенсивности (мощности) звука (I) описывается формулой:
где k - коэффициент, зависящий от частоты.
1 сон соответствует громкости чистого тона частотой 1000 Гц с уровнем 40 дБ. При увеличении уровня на каждые 10 дБ значение громкости в сонах удваивается.
| Звук | Громкость, соны | Уровень громкости, фоны |
|---|---|---|
| Порог слышимости | 0 | 0 |
| Шелест листьев | ~ 0,02 | 10 |
| Шепот | ~ 0,15 | 20 |
| Тиканье часов | ~ 0,4 | 30 |
| Тихая комната | ~ 1 | 40 |
| Тихая улица | ~ 2 | 50 |
| Разговор | ~ 4 | 60 |
| Шумная улица | ~ 8 | 70 |
| Опасный для здоровья уровень | ~ 11,31 | 75 |
| Пневматический молоток | ~ 32 | 90 |
| Поезд метро | ~ 64 | 100 |
| Громкая музыка | ~ 128 | 110 |
| Болевой порог | ~ 256 | 120 |
| Сирена | ~ 512 | 130 |
| Старт ракеты | ~ 2048 | 150 |
| Смертельный уровень | ~ 16384 | 180 |
| Шумовое оружие | ~ 65536 | 200 |
Шумы могут иметь различную частоту и интенсивность.
Скорость распространения звука
Шум распространяется с гораздо меньшей скоростью, чем световые волны. Скорость звука в воздухе - примерно 330 м/с. В жидкостях и твердых телах скорость распространения шума выше, она зависит от плотности и структуры вещества.Пример: скорость звука в воде равна 1.4 км/с, а в стали - 4.9 км/с.
Частота шума
Основной параметр шума - его частота (число колебаний в секунду). Единица измерения частоты - 1 герц (Гц), равный 1 колебанию звуковой волны в секунду.Человеческий слух улавливает колебания частот от 20 Гц до 20000Гц. При работе систем кондиционирования учитывают обычно спектр частот от 60 до 4000Гц.
Для физических расчетов слышимая полоса частот делится на 8 групп волн. В каждой группе определена средняя частота: 62 Гц, 125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2 кГц, 4 кГц и 8 кГц. Любой шум раскладывается по группам частот, и можно найти распределение звуковой энергии по различным частотам.
Мощность звука
Мощность звука какой-либо установки - это энергия, которая выделяется установкой в виде шума за единицу времени. Измерять силу шума в стандартных единицах мощности неудобно, т.к. спектр звуковых частот очень широк, и мощность звуков отличается на много порядков.Пример: сила шума при поступлении в помещение воздуха под низким давлением равна одной стомиллиардной ватта, а при взлете реактивного самолета сила шума достигает 1000 Вт.
Поэтому уровень мощности звука измеряют в логарифмических единицах - децибелах (дБ). В децибелах сила шума выражается двух- или трехзначными числами, что удобно для расчетов.
Уровень мощности звука в дБ - функция отношения мощности звуковых волн возле источника шума к нулевому значению W 0 , равному 10 -12 Вт. Уровень мощности рассчитывается по формуле:
L w = 10lg(W/W0)
Пример: если мощность звука вблизи источника равна 10 Вт, то уровень мощности составит 130 дБ, а если мощность звука равна 0.001 Вт, то уровень мощности - 90 дБ.
Мощность звука и уровень мощности независимы от расстояния до источника шума. Они связаны лишь с параметрами и режимом работы установки, поэтому важны для проектирования и сравнения различных систем кондиционирования и вентиляции.
Уровень мощности нельзя измерить непосредственно, он определяется косвенно специальным оборудованием.
Уровень давления звука
Уровень давления звука L p - это ощущаемая интенсивность шума, измеряемая в дБ.L p = P/P0
Здесь P - давление звука в измеряемом месте, мкПа, а P 0 = 2 мкПа - контрольная величина.
Уровень звукового давления зависит от внешних факторов: расстояния до установки, отражения звука и т.д. Наиболее простой вид имеет зависимость уровня давления от расстояния. Если известен уровень мощности шума L w , то уровень звукового давления L p в дБ на расстоянии r (в метрах) от источника вычисляется так:
L p = L w - lgr - 11
Пример: мощность звука холодильного блока равна 78 дБ. Уровень звукового давления на расстоянии 10 м от него равен: (78 - lg10 - 11) дБ = 66 дБ.
Если известен уровень звукового давления L p1 на расстоянии r1 от источника шума, то уровень звукового давления L p2 на расстоянии r2 будет вычисляться так:
L p2 = L p1 - 20*lg(r2/r1)
Пример: Уровень звукового давление на расстоянии 1 м от установки равно 65 дБ. Тогда уровень звукового давления на расстоянии 10 м от нее равен: (65 - 20*lg10) дБ = (65 - 20) дБ = 45 дБ..
Вообще, в открытом пространстве уровень звукового давления снижается на 6 дБ при увеличении расстояния до источника шума в 2 раза. В помещении зависимость будет сложнее из-за поглощения звука поверхностью пола, отражения звука и т.д.
Громкость шума
Чувствительность человека к звукам разной частоты неодинакова. Она максимальна к звукам частотой около 4 кГц, стабильна в диапазоне от 200 до 2000 Гц, и снижается при частоте менее 200 Гц (низкочастотные звуки).Громкость шума зависит от силы звука и его частоты. Громкость звука оценивают, сравнивая ее с громкостью простого звукового сигнала частотой 1000Гц. Уровень силы звука частотой 1000Гц, столь же громкого, как измераемый шум, называется уровнем громкости данного шума. На приведенной ниже диаграмме показана зависимость силы звука от частоты при постоянной громкости.
При малом уровне громкости человек менее чувствителен к звукам очень низких и высоких частот. При большом звуковом давлении ощущение звука перерастает в болевое ощущение. На чатоте 1 кГц болевой порог соответствует давлению 20 Па и силе звука 10 Вт/кв.м.
Диаграмма кривых равной громкости
Шумовые характеристики оборудования
Шумовые характеристики оборудования представляют в виде таблиц, где содержатся:- уровень мощности шума в дБ с разбивкой по полосам частот
- общий уровень звукового давления
Суммирование источников шума
Шум от нескольких источников не соответствует сумме шумов от каждого источника в отдельности. Для двух находящихся рядом установок шум определяется следующим образом:- Если показатели уровня шума одинаковы , то суммарный уровень шума на 3 дБ превышает уровень шума каждой установки.
- Если разница уровней шума превышает 10 дБ
, суммарный уровень шума равен величине большего из двух шумов.
Например, общий шум от двух установок с уровнями 30 и 60 дБ, равен 60 дБ.
- Если разница уровней шума не более 10 дБ , нужно воспользоваться приведенной ниже таблицей. Вычисляем разность уровней шума установок.
Если источников шума более двух, метод расчета не меняется, и источники рассматриваются парами, начиная с самых слабых.
Например, есть четыре установки с уровнями шума 25 дБ, 38 дБ, 43 дБ и 50 дБ.
Сначала делаем подсчет для двух слабейших установок: 38 - 25 = 13 дБ. Разница больше 10 дБ, и эту установку вообще не учитываем.
Для установок 38 и 43 дБ: 43 - 38 = 5 дБ, поправка из таблицы равна 1.2 дБ. Суммарный шум трех установок: 43 + 1.2 = 44.2 дБ.
Теперь найдем полный шум всех установок. 50 - 44.2 = 5.8 дБ. Округляя разность уровней шума до 6 дБ, по таблице находим поправку 1.0 дБ.
Итак, общий уровень шума четырех установок равен 50 + 1 = 51 дБ.
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.
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?
