Для периодич. звука усреднение производится либо за промежуток времени, большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов. Для плоской синусоидальной бегущей волны И. з. I равна:
В сферической бегущей волне И. з. обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I=0, т. е. потока звук. энергии в среднем нет.
И. з. измеряется в СИ в Вт/м2 (в системе ед. СГС - в эрг/(с см)2) И. з. оценивается также уровнем интенсивности по шкале ; число децибел N=10lg(I/I0), где I - интенсивность данного звука, I0=10-12 Вт/м2.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .
ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗВУКА
(сила звука) - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодич. звука усреднение производится либо за промежуток времени, больший по сравнению с периодом, либо за целое число периодов. I=pv/2=p 2 /2rc = v 2 rc/2, где р - амплитуда звукового давления, v - амплитуда колебат. скорости частиц, r - плотность среды, с - звука в ней. В сферич. бегущей волне И. з. обратно пропорц. квадратурасстояния от источника. В стоячей волне I=0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. И. з. в гармонич. плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. мощность излучателя, т. е. излучаемую , отнесённую к единице площади излучающей поверхности. В. А. Красилъников.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое "ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗВУКА" в других словарях:
- (абсолютная) величина, равная отношению потока звуковой энергии dP через поверхность, перпендикулярную направлению распространения звука, к площади dS этой поверхности: Единица измерения ватт на квадратный метр (Вт/м2). Для плоской волны… … Википедия
- (от лат. intensio напряжение усиление), средняя по времени энергия, которую звуковая волна переносит в единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны. Интенсивность звука… … Большой Энциклопедический словарь
- (от лат. intensio напряжение, усиление), средняя по времени энергия, которую звуковая волна переносит в единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны. Интенсивность звука… … Энциклопедический словарь
интенсивность звука - Количество звуковой энергии, переносимое звуковой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения звука [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] Тематики… … Справочник технического переводчика
- (от латинского intetisio напряжение, усиление), сила звука, поток энергии через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения звуковой волны. Авиация: Энциклопедия. М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П.… … Энциклопедия техники
интенсивность звука - 3.3 интенсивность звука, Вт/м2 (sound intensity): Усредненное по времени значение мгновенной интенсивности в стационарном во времени звуковом поле. Примечания 1 Интенсивность звука вычисляют по формуле (2) где T интервал интегрирования, с; 2… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
интенсивность звука - сила звука отношение падающей на поверхность звуковой мощности к площади этой поверхности. Определяется как амплитудами всех частотных составляющих, так и числом источников, звучащих одновременно. Интенсивность звука измеряется в Вт/м2 или… … Русский индекс к Англо-русскому словарь по музыкальной терминологии
интенсивность звука - rus интенсивность (ж) звука, интенсивность (ж) шума eng noise intensity fra intensité (f) du bruit deu Lärmintensität (f) spa intensidad (f) del ruido rus интенсивность (ж) (сила) звука, громкость (ж) звука eng sound intensity fra intensité (f)… … Безопасность и гигиена труда. Перевод на английский, французский, немецкий, испанский языки
Сила звука, средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток… … Большая советская энциклопедия
- [СИЛА ЗВУКА] количество звуковой энергии, переносимое звуковой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения звука (Болгарский язык; Български) интензивност на звука (Чешский язык; Čeština)… … Строительный словарь
Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии, которая зависит от звукового давления p и колебательной скорости v в каждой точке среды.
Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука или силой звука (Вт/м 2):
Векторная величина, характеризующая также направление переноса энергии в волне, называется вектором Умова :
Наряду с интенсивностью звука используют еще одну энергетическую характеристику: плотность звуковой энергии (Дж/м 3), равную энергии колебаний в единице объема звукового поля.
Можно показать, что в бегущей волне
Таким образом:
.
Передача энергии звуковой волны в область, ранее не затронутую волнами, требует непрерывного расходования энергии со стороны источника, возбуждающего звук. В тех зонах, где волна уже возникла, энергия непрерывно передается дальше со скоростью звука. Возникающие в среде переменные давления непрерывно совершают работу, ввиду чего и возникает сопротивление (импеданс ) при колебательных движениях частиц среды.
Формулы для силы звука:
подобны формулам закона Джоуля–Ленца для мощности электрического тока, только мощность, затрачиваемая при действии сил давления, расходуется не на выделение тепла, а на передачу энергии новым частям среды. Поэтому величину часто называют также сопротивлением излучения среды.
Логарифмическая шкала силы звука
Отношение максимальной и минимальной интенсивности слышимого человеческим ухом звука очень велико и составляет 10 14 раз (для звукового давления 10 7 раз). Поэтому для характеристики силы звука удобнее пользоваться логарифмическими величинами:
уровнем интенсивности звука , выраженным в децибелах (дБ):
и уровнем звукового давления (дБ):
,
где I
0 и p
0 – значения, соответствующие порогу слышимости на частоте 1000 Гц (
, p
0 = 2∙10 -5 Па).
Значение p 0 выбрано таким образом, чтобы при нормальных атмосферных условиях L I = L p . Поэтому в дальнейшем будем использовать величину
L = L I = L p , которую называют уровнем звука в децибелах .
Уровень звука, соответствующий порогу слышимости на частоте 1000Гц, равен 0 дБ. Болевой порог восприятия звука соответствует I б = 10 2 Вт/м 2 и р б = 2∙10 2 Па, что дает значение L б = 140 дБ.
Введению логарифмических единиц измерения способствовало также то обстоятельство, что ухо человека реагирует не на абсолютное изменение интенсивности звука, а на относительное. Разница уровней в 1 дБ соответствует минимальной величине, различимой слухом, при этом интенсивность звука изменяется в 1,26 раза или на 26%. Если же разница уровней составляет 3 дБ, то сила звука изменяется уже в 2 раза.
В любой точке пространства звуковое давление равно:
р = р 1 + р 2 ,
где р 1 и р 2 – мгновенные значения звуковых давлений, создаваемых в этой точке соответственно первым и вторым источником.
Результирующая интенсивность звука равна:
,
Если источники звука некогерентные, то есть создаваемые ими давления не связаны по фазе, то и 
или - интенсивность суммарного звукового поля равна сумме интенсивностей источников.
Таким образом, если поле создается N некогерентными источниками, то
I = I 1 +I 2 +…+I N , а дБ,
где , … - уровни звука, создаваемые каждым источником в расчетной точке.
При N одинаковых источниках шума, равноудаленных от расчетной точки, с уровнями звукового давления L 0 , суммарный уровень равен:
L = L 0 +10lgN.
3 Восприятие звука человеком
Слух
Слухом называется способность организма получать информацию о внешнем мире, воспринимая звуковые колебания окружающей среды с помощью специального нервного механизма – звукового (слухового) анализатора. Слуховой анализатор условно разделяют на три отдела: периферический, включающий звуковоспринимающие органы и рецепторы, преобразующие энергию звуковых колебаний в энергию нервного возбуждения; проводниковый - нейроны, проводящие возбуждение; центральный, в котором нейроны воспринимающих центров производят обработку информации. У человека к слуховому анализатору относятся наружное, среднее и внутреннее ухо, нервные проводящие пути слуховой системы, проходящие от кортиева органа в слуховую область коры головного мозга, и слуховая область коры.
Схема строения человеческого уха приведена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Схема строения уха человека: 1 - наружный слуховой проход; 2 - барабанная перепонка; 3 - полость среднего уха (барабанная полость); 4 - молоточек; 5 - наковальня; 6 - стремечко; 7 - полукружные каналы; 8 - преддверие; 9 - улитка; 10 - овальное окно; 11 - евстахиева труба.
Наружное ухо – это ушная раковина и примыкающий к ней наружный слуховой проход. Наружное ухо отделено от среднего кожной мембраной -барабанной перепонкой. Среднее ухо представляет собой заполненную воздухом полость, соединенную с носоглоткой евстахиевой трубой. В барабанной полости находится система слуховых косточек – молоточек, наковальня и стремечко. Рукоятка молоточка срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка гибко связана с наковальней, а короткий отросток наковальни с другой стороны соединен с головкой стремечка. Основание стремечка заходит через овальное окно во внутреннее ухо. Внутреннее ухо (улитка) представляет собой капсулу, заполненную жидкостью. Улитка длиной около 35 мм образует два витка. Полость улитки по всей длине разделена перегородкой (основной мембраной) на две части. На основной мембране расположен звуковоспринимающий кортиев орган, состоящий из множества рецепторных волосковых клеток.
Колебания барабанной перепонки, вызываемые звуковыми волнами, через систему слуховых косточек передаются жидкости в улитке. Колебания основной мембраны приводят в движение волосковые клетки кортиева органа, в которых возбуждается электрический потенциал. Этот потенциал и приводит к возбуждению волокон слухового нерва, который передает соответствующий сигнал в слуховой центр коры головного мозга.
К основным свойствам слуха можно отнести способность к различению частоты и интенсивности звуков, к анализу сложных звуков и к оценке их свойств, определять положение источника звука в пространстве, выделять один из звуковых сигналов на фоне других и так далее. Свойства слуха различны у разных животных. Более высокоорганизованные животные обладают существенно большим совершенством свойств слуха. Например, слух человека обладает рядом специфических свойств, связанных с восприятием речи.
К количественным характеристикам слуха относятся слуховая чувствительность (порог слышимости ), верхний предел слухового восприятия (порог болевого ощущения или болевой порог ) и частотный диапазон слышимости.
У разных животных частотный диапазон слышимых звуков различен. Например, для кузнечиков он составляет 10 Гц – 100 кГц, для лягушки 50 Гц – 30 кГц, верхняя граница слышимости для летучих мышей 100-150 кГц. Область слышимых для человека звуков приведена на рисунке 3.2.
Видно, что человек воспринимает на слух звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц (слышимый звук ). Звуковые волны с частотами ниже 16 Гц называются инфразвуком , а с частотами выше 20 кГц – ультразвуком .
Рисунок 3.2 - Область слышимых звуков для человека
Субъективное восприятие слышимого звука человеком характеризуется высотой, громкостью и тембром . Рассмотрим связь этих характеристик с физическими параметрами звуковой волны.
Высота тона
Гармоническая звуковая волна воспринимается на слух как чистый (музыкальный) тон . При этом, чем больше частота колебаний в волне, тем выше тон. По высоте звуки принято делить на октавы. Октавой называется полоса частот, в которой верхняя граничная частота в два раза больше, чем нижняя:
В качестве частоты, характеризующей частотную полосу в целом, берется среднегеометрическая частота . Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизованы: 32, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.
Симфонический оркестр воспроизводит почти все слышимые частоты. Диапазон рояля охватывает тона с частотами примерно от 25 до 4000 Гц. При помощи бесклавишных инструментов (типа скрипки) можно взять тон любой высоты. В таком инструменте, как рояль, струны настроены на определенные частоты. За основу берется нота «ля» первой октавы, для которой частота колебаний равна 440 Гц. При настройке таких музыкальных инструментов октаву делят на 12 частей (полутонов). Соотношение частот соседних тонов при этом равно 1,029. Связь между высотой нот музыкального звукоряда и частотой тона приведена на рисунке 3.3 а.
Единицей измерения высоты тона является мел . В соответствии с общепринятым определением тон частотой 1000 Гц при уровне звука 60 дБ имеет высоту 1000 мел. Зависимость высоты тона в мелах от частоты представлена на рисунке 3.3 б.
Рисунок 3.3 – Соотношение частоты и высоты тонов
Громкость звука
Если сравнить между собой громкость двух чистых тонов одинаковой частоты, то чем больше амплитуда звукового давления, тем более громким будет звук. Однако человеческое ухо имеет разную чувствительность к звукам разной частоты, то есть на разных частотах одинаковую громкость могут иметь звуки разной интенсивности. Область наилучшей слышимости лежит в интервале от 1000 до 5000 Гц. На низких и высоких частотах чувствительность слухового аппарата снижается.
Громкость звука оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц. Уровень звукового давления (в дБ) чистого тона с частотой 1000 Гц, столь же громкого (сравнением на слух), как и измеряемый звук, называется уровнем громкости данного звука (в фонах) . На практике для оценки громкости звука различных частот используют «кривые равной громкости» - геометрическое место точек равногромких тонов различных частот (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 – Кривые равной громкости
Нижняя кривая показывает зависимость порога слышимости от частоты. На частоте 1000 Гц порог слышимости соответствует давлению 0,02 мПа (0 дБ). В области очень низких или очень высоких частот порог слышимости повышается и может составлять 80 – 100 дБ. Следует отметить, что с возрастом порог слышимости сдвигается, особенно в области высоких частот (рисунок 3.5).
Рисунок 3.5 – Возрастные изменения порога слышимости
В области наилучшей слышимости ухо способно различить около 370 градаций по громкости, а на частоте 60 Гц число градаций только 34. Эти данные соответствуют условиям тонкого опыта при полной тишине. Практически человек с нормальным слухом начинает замечать прирост уровня звука на 1 дБ, то есть на 26% по интенсивности звука.
Примеры уровня громкости различных звуков:
Шум авиамотора (на расстоянии 5 м от винта) – 120 фон;
Вагон метро на большой скорости – 90- 95 фон;
Шумная улица - 80-85 фон;
Шум в городской квартире – 40-50 фон;
Шепот на расстоянии 1 м – 20 фон.
Шкала уровней громкости не является натуральной шкалой, то есть, например, изменение уровня громкости в два раза не означает, что субъективное ощущение громкости звука изменится во столько же раз. Для оценки субъективного восприятия громкости звука введена шкала сонов. Громкость звука в сонах равна
где L – уровень громкости в фонах.
Из формулы (3.2) видно, что громкость в 1 сон имеет звук с уровнем громкости L = 40 фон. Изменение уровня громкости на 10 фон соответствует изменению громкости звука в два раза. Диапазоны громкости различных звуков иллюстрирует рисунок 3.6.
Рисунок 3.6 – Громкость различных звуков
Спектральный состав звука
Физические величины, характеризующие звук, являются функцией времени, поэтому их можно представить в виде суммы гармонических колебаний с различными частотами и амплитудами (см. раздел 1.1.2). Зависимость амплитуды (или эффективного значения) гармонических составляющих звуковой волны от частоты называется спектром звука .
Периодические колебания при разложении в ряд Фурье представляются как сумма гармоник с различной амплитудой. Такие гармоники образуют дискретный или линейчатый спектр .
Непериодические колебания сложной формы (случайные или одиночные процессы) могут быть представлены с помощью интеграла Фурье в виде суммы бесконечно большого числа гармонических составляющих, образующих сплошной спектр . Обычно звуковые сигналы имеют смешанный спектр , в котором на фоне сплошного спектра выделяются отдельные тональные составляющие. Различные виды спектров приведены на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 – Различные виды спектров звуковых сигналов
Дискретные спектры характерны, в основном, для музыкальных звуков . При этом самая низкая по частоте гармоника называется основным тоном , а все остальные – обертонами (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8 – Разложение звукового сигнала на гармонические составляющие.
Частота основного тона определяет высоту звука, а обертоны придают звуку определённую тембровую окраску (тембр ). Если в звуке мало обертонов, то тембр оценивается как глухой, пустой, неокрашенный; если сильно выражены первые обертоны – сочный, полный; если сильно выражены высшие составляющие в области 3000 – 6000 Гц – пронзительный, металлический, резкий, яркий. На рисунке 3.9 приведены осциллограммы звуков одинаковой высоты, исполняемых на рояле и кларнете. Период у обоих колебаний одинаков, но они сильно отличаются друг от друга по своей форме и, следовательно, различаются своим гармоническим составом.
Рисунок 3.9 – Осциллограммы звуковых колебаний рояля и кларнета.
На рисунке 3.10 изображены спектры этих звуковых сигналов. Так как высоты звуков одинаковы, то и частоты тонов - основного и обертонов - одни и те же. Однако амплитуды отдельных гармоник в каждом спектре сильно различаются.
Рисунок 3.10 – Спектры звуковых колебаний рояля и кларнета
Сплошной широкополосный спектр характерен для неупорядоченных во времени звуковых сигналов, называемых шумом . При этом по положению максимума спектра шумы можно разделить на низкочастотные (максимум ниже 300 Гц), среднечастотные (от 300 до 800 Гц) и высокочастотные (максимум выше 800 Гц).
Спектр речи является смешанным, причём его дискретные частоты определяются гласными звуками, которые по своей природе близки к музыкальным. Их спектр представляет собой последовательность большого числа отдельных линий, соответствующих гармоникам колебаний голосовых связок. Основная частота колебаний голосовых связок у разных людей различна (бас – примерно 100 Гц, сопрано – 250 Гц).
Обычно при произнесении гласных звуков максимальную амплитуду имеют одна или две гармоники, которые называются формантами .Например, для гласного звука «а» частота форманты примерно равна 900 Гц, для «о» - 500 Гц, для «е» - 550 и 2100 Гц, для «и» - 350 и 2400 Гц. Согласные звуки характеризуются сплошным («шумовым») спектром. На рисунке 3.10 приведены спектры звуков «а» и «с».
Рисунок 3.10 – Спектры звуков речи: «а» (вверху) и «с» (внизу).
4 ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ЗВУКА
Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны, методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом.
Звук в широком смысле – упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле – явление, субъективно воспринимаемое органом слуха человека и животных. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.
Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком , выше 20 кГц – ультразвуком , а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 Гц – гиперзвуком .
Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов.
Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).
Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором), и сложным (издаваемым, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).
Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тона). Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону , а остальные – обертонам , или гармоникам . Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте.
Акустический спектр тона – это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.
Шум – это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную зависимость, и представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума – сплошной (шорох, скрип).
Физические характеристики звука:
а) Скорость (v ). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна примерно 330 м/с (» 1200 км/ч). Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.
б) Интенсивность (I ) – энергетическая характеристика звука – это плотность потока энергии звуковой волны. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):
порог слышимости – I 0 = 10 –12 Вт/м 2 ; такой порог выбран на основе объективных показателей – это минимальный порог восприятия звука нормальным человеческим ухом; встречаются люди у которых интенсивность I 0 может составлять 10 –13 или 10 –9 Вт/м 2 ;
порог болевого ощущения – I max – 10 Вт/м 2 ; звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли.
в) Звуковое давление (Р ). Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления.
Звуковое давление (Р ) – это давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде; оно является избыточным над средним давлением среды.
Физиологически звуковое давление проявляется как давление на барабанную перепонку. Для человека важны два значения этого параметра:
– звуковое давление на пороге слышимости – P 0 = 2×10 –5 Па;
– звуковое давление на пороге болевого ощущения – Р m ах =
Между интенсивностью (I ) и звуковым давлением (Р ) существует связь:
I = P 2 /2rv ,
где r – плотность среды, v – скорость звука в среде.
г) Волновое сопротивление среды (R a) – это произведение плотности среды (r )на скорость распространения звука (v ):
R a = rv .
Коэффициент отражения (r ) – величина, равная отношению интенсивностей отраженной и падающей волн:
r = I отр /I пад.
r рассчитывается по формуле:
r = [(R a 2 – R a 1)/(R a 2 + R a 1)] 2 .
Интенсивность преломленной волны зависит от коэффициента пропускания.
Коэффициент пропускания (b ) – величина, равная отношению интенсивностей прошедшей (преломленной) и падающей волн:
b = I прош /I пад.
При нормальном падении коэффициент b рассчитывается по формуле
b = 4(R a 1 /R a 2)/( R a 1 /R a 1 + 1) 2 .
Отметим, что сумма коэффициентов отражения и преломления равна единице, а их значения не зависят от того порядка, в котором звук проходит данные среды. Например, для перехода звука из воздуха в воду значения коэффициентов такие же, как для перехода в обратном направлении.
д) Уровень интенсивности . При сравнении интенсивности звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, то есть сравнивать не сами величины, а их логарифмы. Для этого используется специальная величина – уровень интенсивности (L ):
L = lg (I /I 0); L = 2lg (P /P 0). (1.3.79)
Единицей измерения уровня интенсивности является – бел , [Б].
Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 1 Б.
Один бел большая величина, поэтому на практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности – децибел [дБ]: 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах выражается следующими формулами:
L ДБ = 10lg (I /I 0); L ДБ = 20lg (P /P 0).
Если в данную точку приходят звуковые волны от нескольких некогерентных источников , то интенсивность звука равна сумме интенсивностей всех волн:
I = I 1 + I 2 + ...
Для нахождения уровня интенсивности результирующего сигнала используется следующая формула:
L = lg (10 L l +10 L l + ...).
Здесь интенсивности должны быть выражены в белах . Формула для перехода имеет вид
L = 0,l×L ДБ.
Характеристики слухового ощущения:
Высота тона обусловлена, прежде всего, частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности волны (звук большей интенсивности воспринимается более низким).
Тембр звука определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру, даже в том случае, когда основной тон у них одинаков. Тембр – это качественная характеристика звука.
Громкость звука – это субъективная оценка уровня его интенсивности.
Закон Вебера-Фехнера:
Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (то есть в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (то есть на одинаковую величину).
Для звука с частотой 1 кГц вводят единицу уровня громкости – фон , которая соответствует уровню интенсивности 1 дБ. Для других частот уровень громкости также выражают в фонах по следующему правилу:
громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук, причем
Е = klg (I/I 0). (1.3.80)
Пример 32. Звук, которому на улице соответствует уровень интенсивности L 1 = 50 дБ, слышен в комнате как звук с уровнем интенсивность L 2 = 30 дБ. Найти отношение интенсивностей звука на улице и в комнате.
Дано: L 1 = 50 дБ = 5 Б;
L 2 = 30 дБ = 3 Б;
I 0 = 10 –12 Вт/м 2 .
Найти: I 1 /I 2 .
Решение. Для того чтобы найти интенсивность звука в комнате и на улице, запишем формулу (1.3.79) для двух рассматриваемых в задаче случаев:
L 1 = lg (I 1 /I 0); L 2 = lg (I 2 /I 0),
откуда выразим интенсивности I 1 и 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.
Ответ: 100.
Пример 33. Для людей с нарушенной функцией среднего уха слуховые аппараты сконструированы так, чтобы передавать колебания непосредственно на кости черепа. Для костной проводимости порог слухового восприятия на 40 дБ выше, чем для воздушной. Чему равна минимальная интенсивность звука, которую способен воспринимать человек с дефектом слуха?
Дано: L к = L в + 4.
Найти: I min .
Решение. Для костной и воздушной проводимости, согласно (1.3.79),
L к = lg (I min /I 0); L в = lg (I 2 /I 0), (1.3.81)
где I 0 – порог слышимости.
Из условия задачи и (1.3.81) следует, что
L к = lg (I min /I 0) = L в + 4 = lg (I 2 /I 0) + 4, откуда
lg (I min /I 0) – lg (I 2 /I 0) = 4, то есть,
lg [(I min /I 0) : (I 2 /I 0)] = 4 Þ lg (I min /I 2) = 4, имеем:
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/м 2 .
Ответ: I min = 10 –8 Вт/м 2 .
Пример 34. Звук с частотой 1000 Гц проходит через стенку, при этом его интенсивность уменьшается с 10 –6 Вт/м 2 до 10 –8 Вт/м 2 . На сколько уменьшился уровень интенсивности?
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 .
Найти: L 2 – L 1 .
Решение. Уровни интенсивности звука до и после прохождения стенки найдем из (1.3.79):
L 1 = lg (I 1 /I 0); L 2 = lg (I 2 /I 0), откуда
L 1 = lg (10 –6 /10 –12) = 6; L 2 = lg (10 –8 /10 –12) = 4.
Тогда L 2 – L 1 = 6 – 4 = 2 (Б) = 20 (дБ).
Ответ: уровень интенсивности уменьшился на 20 дБ.
Пример 35. Для людей с нормальным слухом изменение уровня громкости ощущается при изменении интенсивности звука на 26 %. Какому интервалу громкости соответствует указанное изменение интенсивности звука? Частота звука составляет 1000 Гц.
Дано: n = 1000 Гц;
I 0 = 10 –12 Вт/м 2 ;
DI = 26 %.
Найти: DL .
Решение. Для частоты звука, равной 1000 Гц, шкалы интенсивностей и громкостей звука совпадают согласно формуле (1.3.80), так как k = 1,
Е = klg (I/I 0) = lg (I/I 0) = L , откуда
DL = lg (DI/I 0) = 11,4 (Б) = 1 (дБ) = 1 (фон).
Ответ: 1 фон.
Пример 36. Уровень интенсивности приемника составляет 90 дБ. Чему равен максимальный уровень интенсивности трех приемников, работающих одновременно?
В слуховом ощущении различают высоту, громкость и тембр звука . Эти характеристики слухового ощущения связаны с частотой, интенсивностью и гармоническим спектром - объективными характеристиками звуковой волны. Задачей системы звуковых измерений является установить эту связь и таким образом дать возможность при исследовании слуха у различных людей единообразно сопоставлять субъективную оценку слухового ощущения с данными объективных измерений.
Высота звука — субъективная характеристика, определяемая частотой его основного тона: чем больше частота, тем выше звук.
В значительно меньшей степени высота зависит от интенсивности волны: на одной и той же частоте более сильный звук воспринимается более низким.
Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом. Например, ухо различает одну и ту же ноту, воспроизведенную на разных музыкальных инструментах. Одинаковые по основным частотам звуки речи у различных людей также отличаются по тембру. Итак, тембр - это качественная характеристика слухового ощущения, в основном обусловленная гармоническим спектром звука.
Громкость звука Е — это уровень слухового ощущения над его порогом. Она зависит, прежде всего, от интенсивности звука. Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.
Уровни интенсивности и уровни громкости звука. Единицы измерения. Закон Вебера-Фехнера .
Звуковая волна создает ощущение звука, при силе звука превышающей некоторую минимальную величину, называемую порогом слышимости. Звук, сила которого лежит ниже порога слышимости, ухом не воспринимается: он слишком слаб для этого. Порог слышимости различен для различных частот (Рис. 3). Наиболее чувствительно человеческое ухо к колебаниям с частотами в области 1000 - 3000 Гц; для этой области порог слышимости достигает величины порядка I 0 = 10 -12 вт/м 2 . К более низким и к более высоким частотам ухо значительно менее чувствительно.
Колебания очень большой силы, порядка нескольких десятков Вт/м 2 , перестают восприниматься как звуковые: они вызывают в ухе осязательное чувство давления, переходящее дальше в болевое ощущение. Максимальная величина силы звука, при превышении которой возникает болевое ощущение, называется порогом осязания или порогом болевого ощущения (Рис. 3). На частоте 1 кГц она равна I m = 10 вт/м 2 .
Порог болевого ощущения различен для различных частот. Между порогом слышимости и болевым порогом лежит область слышимости, изображенная на рисунке 3.
Рис. 3. Диаграмма слышимости.
Отношение интенсивностей звука для этих порогов равно 10 13 . Удобно использовать логарифмическую шкалу и сравнить не сами величины, а их логарифмы. Получили шкалу уровней интенсивности звука. Значение I 0 принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятичный логарифм ее отношения к I 0 :
Логарифм отношения двух интенсивностей измеряется в белах (Б).
Бел (Б) — единица шкалы уровней интенсивности звука, соответствующая изменению уровня интенсивности в 10 раз. Наряду с белами широко применяются децибелы (дБ), в этом случае формулу (6) следует записать так:
|
|||
Рис. 4. Интенсивности некоторых звуков.
В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера-Фехнера. Если, согласно этому закону, увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (то есть в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения будет возрастать в арифметической прогрессии (то есть на одинаковую величину).
Элементарное приращение dE громкости звука прямо пропорционально отношению приращения dI интенсивности к самой интенсивности I звука:
где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.
Тогда уровень громкости E данного звука определяется путем интегрирования выражения 8 в пределах от некоторого нулевого уровня I 0 до заданного уровня I интенсивности.
Таким образом, закон Вебера-Фехнера формулируется следующим образом:
Уровень громкости данного звука (при определенной частоте звуковых колебаний) прямо пропорционален логарифму отношения его интенсивности I к значению I 0 , соответствующему порогу слышимости:
Сравнительную шкалу, равно как единицу бел и децибел, применяют также для характеристики уровней звукового давления.
Единицы измерения уровней громкости имеют такие же названия: бел и децибел, но для отличия от шкалы уровней интенсивности звука в шкале уровней громкости децибелы называют фонами (Ф).
Бел - изменение уровня громкости тона частотой 1000 Гц при изменении уровня интенсивности звука в 10 раз . Для тона 1000 Гц численные значения в белах уровня громкости и уровня интенсивности совпадают.
Если построить кривые для различных уровней громкости, например, ступенями через каждые 10 фонов, то получится система графиков (рис. 1.5), которая дает возможность найти зависимость уровня интенсивности звука от частоты при любом уровне громкости.
В целом система кривых равной громкости отражает зависимость между частотой, уровнем интенсивности и уровнем громкости звука и дает возможность по двум известным из этих величин находить третью - неизвестную.
Исследование остроты слуха, т. е. чувствительность слухового органа к звукам разной высоты, называется аудиометрией. Обычно при исследовании находят точки кривой порога слышимости при частотах, пограничных между октавами. Октава - это интервал высот тона, в котором отношение крайних частот равно двум. Существует три основных метода аудиометрии: исследование слуха речью, камертонами и аудиометром.
График зависимости порога слышимости от звуковой частоты называется аудиограммой . Потеря слуха определяется путем сравнения аудиограммы больного с нормальной кривой. Используемый при этом аппарат — аудиометр — представляет собой звуковой генератор с независимой и тонкой регулировкой частоты и уровня интенсивности звука. Аппарат оборудован телефонами для воздушной и костной проводимости и сигнальной кнопкой, с помощью которой исследуемый отмечает наличие слухового ощущения.
Если бы коэффициент k был постоянным, то из L Б и E следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале громкостей. В этом случае громкость звука так же, как и интенсивность измерялась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы 16.
Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и
Громкость на других частотах можно измерять, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого при помощи звукового генератора создают звук частотой 1 кГц. Меняют интенсивность этого звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, будет равна громкости этого звука в фонах.
Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков — порогу слышимости; для всех частот E ф = 0 Ф , для 1 кГц интенсивность звука I 0 = 10 - 12 Вт/м 2 (рис..5.). Из приведенных кривых видно, что среднее человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам 2500 - 3000 Гц. Верхняя кривая соответствует порогу болевого ощущения; для всех частот Е ф » 130 Ф , для 1 кГц I = 10 Вт/м 2 .
Каждая промежуточная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. Как было отмечено, только для частоты 1 кГц громкость звука в фонах равна интенсивности звука в децибелах.
По кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.
Например, пусть интенсивность звука частотой 200 Гц равна 80 дБ.
Какова громкость этого звука? На рисунке находим точку с координатами: 200 Гц, 80 дБ. Она лежит на кривой, соответствующей уровню громкости 60 Ф, что и является ответом.
Энергии, соответствующие обычным звукам, весьма невелики.
Для иллюстрации этого можно привести следующий курьезный пример.
Если бы 2000 человек вели непрерывно разговор в течение 1½ часов, то энергии их голосов хватило бы лишь на то, чтобы вскипятить один стакан воды.
Рис. 5. Уровни громкости звука для звуков различных интенсивностей.
Интенсивность звукаОписание
Интенсивность I звуковой волны (ИЗ) - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодических волн усреднение производится за промежуток времени больший по сравнению с периодом или за целое число периодов.
Для плоской синусоидальной бегущей волны ИЗ
I = pv ¤ 2 = p 2 ¤ 2 r c = v 2 r c ¤ 2 , (1)
где p - амплитуда звукового давления;
v - амплитуда колебательной скорости частиц;
r - плотность среды;
c - скорость звука в ней.
В сферической бегущей волне ИЗ обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей звуковой волне I = 0 , т.е. потока звуковой энергии в среднем нет.
ИЗ плоской гармонической бегущей волны равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют вектором Умова - вектором плотности потока энергии волны, который может быть представлен как произведение ИЗ на вектор волновой нормали, т.е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны.
Если звуковое поле является суперпозицией гармонических волн различных частот, то для вектора средней плотности потока энергии выполняется свойство аддитивности.
В практическом аспекте для излучателей, создающих плоскую волну, под ИЗ понимают интенсивность излучения - удельную мощность излучателя, т.е. мощность звука, отнесенную к единице площади излучаемой поверхности.
ИЗ измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2 . В ультразвуковой технике часто используют единицу Вт/см2 . ИЗ также оценивается уровнем интенсивности по шкале децибел: число децибел N = 10lg(I ¤ I 0 ) , где I - интенсивность данного звука, I 0 = 10-12 Вт/м2 .
Временные характеристики
Время инициации (log to от -12 до 1);
Время существования (log tc от -10 до 3);
Время деградации (log td от -12 до 1);
Время оптимального проявления (log tk от -1 до 1).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Источник упругих волн создает в среде звуковое поле, характеризующееся некоторым распределением звукового давления и связанного с ним значения ИЗ. Для измерения звукового давления применяют приемники различного типа, в основном пьезоэлектрические преобразователи. На частотах, близких к гиперзвуковым, используют пьезополупроводниковые и пленочные преобразователи. В жидкостях при больших интенсивностях звука применяют радиометр, на высоких частотах - термические приемники звука. Один из эталонных методов измерения ИЗ основан на эффекте диска Рэлея (см. описание «Диск Рэлея»), позволяющего определять колебательную скорость, по величине которой вычисляется значение звукового давления и ИЗ.
Применение эффекта
ИЗ определяет эффективность таких ультразвуковых технологий как ультразвуковая очистка, ультразвуковое диспергирование, упрочнение, металлизация и пайка (см. описания). При акустической кавитации (см. описание) и связаных с ней эффектов величина ИЗ оказывает решающее воздействие на процесс возникновения кавитации и динамику кавитационных пузырьков.
Литература
1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.- 400 с.
Ключевые слова
- амплитуда
- волна бегущая
- волна гармоническая
- волна плоская
- волна стоячая
- волна сферическая
- давление звуковое
- децибел
- интенсивность звука
- скорость звука
- мощность звука
- нормаль
- плотность среды
- плотность потока энергии
- поле звуковое
- удельная мощность
- умова вектор
- ультразвук
- фронт волны
- энергия волны
Разделы естественных наук:
