Основные характеристики звука

Скорость звука в воздухе равняется 332,5 м/с при 0°С. При комнатной температуре (20°С) скорость звука составляет около 340 м/с. Скорость звука обозначается символом «с».

Частота.Звуки, воспринимаемые слуховым анализатором человека, образуют диапазон звуковых частот. Принято считать, что этот диапазон ограничен частотами от 16 до 20000 Гц. Эти границы весьма условны, что связано с индивидуальными особенностями слуха, возрастными изменениями чувствительности слухового анализатора (с возрастом верхняя граница слышимых частот падает до 14–16 кГц) и т.д. Это довольно широкий диапазон, перекрывающий три декады (диапазон частот с отношением максимальной частоты к минимальной равным 10). Из музыки к нам пришла и другая мера измерения диапазона частот звуковых колебаний – октава (отношение крайних частот диапазона равное 2).

Физическое понятие звука охватывает как слышимые, так и неслышимые частоты колебаний. Звуковые волны с частотой ниже 16 Гц условно называют инфразвуковыми, выше 20 кГц – ультразвуковыми. Инфразвуковые и ультразвуковые колебания ощущения звука у человека не вызывают.

Область инфразвуковых колебаний снизу практически не ограничена – в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли Гц. Частоты порядка 20 Гц и ниже мы не столько слышим ухом, сколько воспринимаем телом и даже нашими внутренними органами. Однако когда такие частоты приближаются к частотам колебаний внутренних органов человека, они способны вызвать тревогу, чувство страха, эйфорию, а при достаточной силе звука привести даже к смертельному исходу. Заметим, что при этом человек не слышит эти звуки и не отдает себе отчет о причинах возникновения этих чувств.

Существует достаточно обоснованное мнение, что и ультразвуковые колебания все же влияют на ощущения человека при прослушивании музыкальных произведений, поскольку оказывают заметное влияние на форму звуковых волн, поэтому наиболее совершенные акустические системы способны воспроизводить ультразвуковые колебания с частотами до 35–50 кГц, а иногда и выше.

Интенсивность звука(Вт/м²) определяется количеством энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны. Ухо человека воспринимает звук в весьма широком интервале интенсивности: от самых слабых слышимых звуков до самых громких, например создаваемых двигателем реактивного самолета.

Минимальная интенсивность звука, при которой возникает слуховое ощущение, называется порогом слухового восприятия. Он зависит от частоты звука (рис. 124). Наибольшей чувствительностью к звуку человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1 до 4 кГц, соответственно и порог слухового восприятия здесь имеет наименьшее значение 10^–12 Вт/м². Эта величина принята за нулевой уровень слышимости. При действии шумов и других звуковых раздражений порог слышимости для данного звука повышается (маскировка звука – физиологический феномен, заключающийся в том, что при одновременном восприятии двух или нескольких звуков разной громкости более тихие звуки перестают быть слышимыми), причем повышенное значение сохраняется некоторое время после прекращения действия отвлекающего фактора, а затем постепенно возвращается к исходному уровню. Порог слышимости может изменяться в зависимости от возраста, физиологического состояния, тренированности слушателя.

Рис. 124. Частотная зависимость стандартного порога слышимости синусоидального сигнала

Звуки высокой интенсивности вызывают ощущение давящей боли в ушах. Минимальная интенсивность звука, при которой возникает ощущение давящей боли в ушах, называется порогом болевого ощущения. Так же, как и порог слухового восприятия, порог болевого ощущения зависит от частоты звуковых колебаний (рис. 124). Звуки, интенсивность которых приближается к болевому порогу, оказывают вредное воздействие на слух.

Нормальное восприятие звука возможно, если интенсивность звука находится между порогом слышимости и болевым порогом.

Слуховой анализатор человека способен к восприятию огромного динамического диапазона. Изменения в давлении воздуха, вызываемые самыми тихими из воспринимаемых на слух звуков, составляют порядка 2×10^–5 Па. В то же время звуковое давление с уровнем, приближающимся к порогу болевых ощущений для наших ушей, составляет порядка 20 Па. В итоге динамический диапазон (соотношение между самыми тихими и самыми громкими звуками, которые может воспринимать наш слуховой аппарат) – 1:1000000. Измерять такие разные по уровню сигналы в линейной шкале неудобно.

С целью сжатия такого широкого динамического диапазона было введено понятие «бел». Бел – это простой логарифм отношения двух степеней, а децибел равен 0,1 бела.

Чтобы выразить акустическое давление в децибелах, необходимо возвести давление (в паскалях) в квадрат и разделить его на квадрат эталонного давления. Для удобства возведение в квадрат двух давлений выполняется вне логарифма (свойство логарифмов).

Для преобразования акустического давления в децибелы применяется формула:

где P – интересующее нас акустическое давление, P₀ – исходное давление.

Оценку звука удобно проводить по уровню (L) интенсивности (звукового давления), рассчитываемому по формуле:

(дБ),

где J₀ – порог слухового восприятия, J – интенсивность звука (табл. 10).

Таблица 10

Характеристика оценки звука по уровню интенсивности
относительно порога слухового восприятия

Представим связь между децибелами и обычными относительными единицами измерения отмеченных параметров (данные приведены для К = 20) (табл. 11).

Таблица 11