Введение в акустику

Что такое звук?

Звук – упругие волны в среде (газ, жидкость, твердое тело), вызывающие у человека слуховые ощущения. По своей сути волна звука – это череда локальных изменений плотности среды (сжатий и разряжений), распространяющихся в пространстве.

Изменение плотности влечет за собой изменение давления в среде, которое называется звуковым давлением (амплитуда звуковых колебаний). Эта величина измеряется в паскалях (Па).

curve_2

Скорость распространения звуковых волн в среде называется скоростью звука. Интересно, что скорость звука зависит от плотности среды, температуры, но не зависит от давления. В газах скорость звука меньше, ем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах.

Так, средняя скорость звука в воздухе 330–340 м/с. В воде скорость звука ~1450 м/с, а в стали ~5900 м/с.

Длина волны. Частота звука.

Расстояние между двумя соседними областями сжатия (или разряжения) называется длиной волны звука. Длина волны напрямую связана с частотой звука (количество совершаемых колебаний в единицу времени). Зависимость обратная: чем больше длина волны, тем меньше частота. Частота измеряется в Герцах (Гц). Наши уши воспринимают звук частотой от 20 до 20 000 Гц, это в идеале, многие люди прекращают слышать уже с 15 000 Гц.

Условно весь диапазон слышимых ухом частот разделяют на:

  • Низкие частоты ( <400 Гц)
  • Средние частоты (400–4000 Гц)
  • Высокие частоты ( > 4000 Гц)

curve_1

Чувствительность наших ушей, зависит от частоты звука: при одинаковой громкости средние частоты мы слышим лучше, чем низкие и высокие.

Если частота волны звука лежит ниже 20 Гц, то такой звук наше ухо уже не слышит – это инфразвук. Такие волны очень длинные: в воздухе длина такой волны уже больше 16 метров! Если частота звука больше 20 000 Гц, то волна звука также нами напрямую через ухо не воспринимается и называется ультразвуком.

Громкость звука. Шкала децибел.

Громкость звука – субъективное восприятие силы звука, позволяющее располагать все звуки от тихих до громких. Физическая характеристика громкости звука – уровень звукового давления (сила звука). Уровень звукового давления измеряется в децибелах.

Зачем вообще введены децибелы и почему в них удобно измерять громкость?

Интенсивность звука изменяется в колоссальных пределах:

  • Порог слышимости человеческого уха 0,000 000 000 001 Вт/м2.
  • Шум двигателя реактивного самолета 10 Вт/м2.

Две величины различаются в 1013 раз!

Очевидно, что оперировать числами, лежащими в столь широких диапазонах, очень трудно, независимо от того, представляем ли мы их в единицах энергии или даже в виде отношений.

Поэтому для измерений громкости звука используют нелинейную логарифмическую шкалу децибел (дБ), позволяющую существенно сузить диапазон возможных значений громкости звука.

Как это работает?

Пытаясь найти наиболее удобный способ выражения интенсивностей звука, будем отмечать, сколько раз нужно умножить эталонную интенсивность (порог слышимости человеческого уха 10-12 Вт/м2) на 10 для того, чтобы получить заданную интенсивность звука. Например, шум реактивного самолета в 10 000 000 000 000 (или в 1013) раз превышает наш эталон, то есть эталонную интенсивность необходимо 13 раз умножить на 10. Такой способ выражения позволяет значительно уменьшить значения чисел, выражающих гигантский диапазон звуковых интенсивностей; если мы обозначим однократное увеличение в 10 раз как 1 бел, то получим «единицу» для выражения отношений. Так, уровень шума реактивного самолета соответствует 13 белам. Бел оказывается слишком большой величиной, поэтому удобнее пользоваться более мелкими единицами, десятыми долями бела, которые и называют децибелами. Таким образом, интенсивность шума реактивного двигателя равна 130 дБ.

Почему в качестве 1 бела мы выбрали увеличение 10 раз? (а не на 5, 7 или, к примеру, на 13?).

Дело в том, что ухо человека одинаково реагирует на одинаковые относительные изменения силы звука. Установлено, что минимально заметное приращение громкости вызывается увеличением силы звука в 1,26 раза (т.е. на 26%). Поэтому для построения шкалы сил звука, соответствующую указанной особенности слуха, удобно построить ее с таким расчетом, чтобы переходу на одно деление шкалы соответствовало изменение силы звука не на определенное число единиц, а в определенное число раз, а именно в 1,26 раза.

Давайте попробуем число 1,26 десять раз умножить само на себя:

               1,26 х 1,26 х 1,26 х 1,26 х 1,26 х 1,26 х 1,26 х 1,26 х 1,26 х 1,26 = 10

                     1          2           3          4           5          6           7          8           9          10

Видно, что при таком выборе бела каждое десятикратное увеличение силы звука соответствует изменению уровня звука на 1 бел. А приращение уровня на 1 дБ соответствует увеличению силы звука именно в 1,26 раза, т.е. на минимальную величину, которую способно уловить ухо человека.

Zvuk_scale_dB

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *