Природа звука. Характеристики звука и ощущения

Содержание:

Понятие звука

Звук - это распространяющиеся в упругих средах - газах, жидкостях и твёрдых телах - механические колебания, воспринимаемые органами слуха.

Теперь немного поразмышляем. Если, например, в горах упал камень, а рядом не было никого, кто мог бы слышать звук его падения, существовал звук или нет? На вопрос можно ответить и положительно и отрицательно в равной степени, так как слово «звук» имеет двоякое значение. Поэтому нужно условиться, что же считать звуком - физическое явление в виде распространения звуковых колебаний в воздухе или ощущения слушателя. Первое по существу является причиной, второе следствием, при этом первое понятие о звуке - объективное, второе - субъективное.

В первом случае звук действительно представляет собой поток энергии, текущей подобно речному потоку. Такой звук может изменить среду, через которую он проходит, и сам изменяется ею. Во втором случае под звуком мы понимаем те ощущения, которые возникают у слушателя при воздействии звуковой волны через слуховой аппарат на мозг. Слыша звук, человек может испытывать различные чувства. Самые разнообразные эмоции вызывает у нас тог сложный комплекс звуков, который мы называем музыкой. Звуки составляют основу речи, которая служит главным средством общения в человеческом обществе. И, наконец, существует такая форма звука, как шум. Анализ звука с позиций субъективного восприятия более сложен, чем при объективной оценке.

Мы живем в мире звуков, которые позволяют нам получать информацию о том, что происходит вокруг.

Звуковые волны переносят энергию, которая, как и другие виды энергии, может использоваться человеком. Но главное - это огромный диапазон выразительных средств, которыми обладают речь и музыка. Еще с древних времен звуки служили людям средством связи и общения друг с другом, средством познания мира и овладения тайнами природы. Звуки - наши неизменные спутники. Они по-разному действуют на человека радуют и раздражают, умиротворяют и придают силы, ласкают слух и пугают своей неожиданностью.

Рассмотрим, например, колокольный звон, который с глубокой древности сопутствовал жизни народа. Своими звонами издавна славились Великий Новгород, Псков, Москва, но такого «оркестра», как в Ростове, не было нигде. Что же является причиной звука? Причиной всех звуков является вибрация (колебания) тел, хотя обычно такие колебания незаметны. Если послушаем звук, издаваемый камертоном, и звук, издаваемый вращающейся на нитке линейкой. А что является источником звука в этих случаях?

Это колебания вилки камертона в первом случае и линейки - во втором. Источники звука бывают разные. Например, музыка звучит из радиоприемника благодаря колебаниям диффузора громкоговорителя; речь и пение обусловлены колебаниями голосовых связок; колокольный звон вызван колебаниями юбки колокола при ударе об нее языка, автомобильную катастрофу сопровождает немузыкальный звук - скрежет - вследствие беспорядочных колебаний кузовов столкнувшихся автомобилей под действием удара.

Итак, звук - это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах и воспринимаемые ухом человека и животных. Механические волны, которые вызывают ощущение звука, называют звуковыми волнами. Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на препятствия, называется акустикой.

Звуковые волны являются в основном продольными, т.е. это чередование сгущений и разрежений. Скорость распространения звуковой волны зависит от свойств среды. Например, в воздухе звуковая волна распространяется со скоростью 330-340 м/с.

Выясним, в каком диапазоне частот наше ухо воспринимает звук. С помощью звукового генератора можно увидеть, что звуковые частоты, находящихся в интервале 16 Гц-20 000 Гц, воспринимает человеческое ухо.

Звуковые волны частотой от 16 Гц до 20 000 Гц воздействуют на органы слуха человека, вызывая слуховые ощущения. Они называются слышимым звуком. Звуковые волны частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а частотой от 2 • 10⁴ Гц до 10¹³ Гц - ультразвуком. Ультразвук частотой 10⁹ Гц и выше называется гиперзвуком. Итак, чтобы услышать звук, необходимы;

• источник звука;

• упругая среда между ним и ухом (опытами доказано, что в вакууме звук не распространяется);

• определенный диапазон частот колебаний источника звука - между 16 Гц и 20 кГц;

• достаточная для восприятия ухом мощность звуковых волн.

Звуки дают нам много информации об окружающем мире. Особенно это важно для людей, лишенных зрения. Звук можно не только услышать, но и «увидеть». Рассмотрим колебания камертона (через микрофон) на осциллографе.

Характеристики звука

Какие же характеристики имеет звук?

• Субъективное восприятие звука: громкость, высота, тембр.

• Объективные физические характеристики звука; интенсивность (сила), звуковое давление и частота.

Громкость и высота звука

Громкость звука - это субъективная характеристика, которая зависит от частоты колебаний и чувствительности человеческого уха. Объективной характеристикой звука является интенсивность. Интенсивность звука - это энергия, которую переносит звуковая волна за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Выражается она в системе СИ в единицах Вт/м".

Можно продемонстрировать изменение амплитуды звуковой волны с изменением громкости на осциллографе (с использованием громкоговорителя). Получаем, что громкость звука зависит от амплитуды и частоты колебаний в звуковой волне. Наиболее чувствительны наши органы слуха к частотам в диапазоне от 700 до 6000 Гц. Порогом слышимости называется наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органом слуха. При частоте 1 кГц порог слышимости составляет 10~¹² Вт/м².

За единицу громкости звука принят бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона) [это логарифм отношения мощности звука к начальной мощности, отвечающей порогу слышимости: громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости. На практике громкость измеряют в децибелах (дБ): 1 дБ = 0,1 Б]. Громкость звука в жизни будет следующей:

10 дБ - шепот;

20-30 дБ - норма шума в жилых помещениях;

40 дБ - тихий разговор;

50 дБ - разговор средней громкости;

70 дБ - шум пишущей машинки;

80 дБ - шум работающего двигателя грузового автомобиля;

100 дБ - громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5-7 м;

120 дБ - шум работающего трактора на расстоянии 1 м;

130 дБ - порог болевого ощущения.

Порогом болевого ощущения называется интенсивность звука, вызывающего болевые ощущения. Он практически не зависит от частоты и составляет примерно 1 Вт/м . Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Звук, издаваемый телом, которое колеблется с одной, строго определенной частотой, называется тоном. Например, камертоны различного размера издают звуки разного тона Частота колебаний характеризует высоту тона. Например, летящий комар издает звук высокого тона, шмель - звук низкого тона

Высота тона определяется частотой колебаний. Звуки человеческого голоса делят на несколько диапазонов:

 - бас - 80-350 Гц (Ф.И.Шаляпина), а английский певец Норман Аллин даже брал частоту 44 Гц;

 - баритон - 110-149 Гц (В.С.Высоцкого);

 - тенор - 130-520 Гц (И.С.Козловского);

 - дискант - 260-1000 Гц (Р. Лоретти);

 - сопрано - 260-1050 Гц (Г. Вишневской);

 - колоратурное сопрано - до 1400 Гц, а француженка Мадо Робен брала ре четвертой октавы - 2300 Гц,

Еще одна очень важная характеристика звука - тембр. Это качество звука. которое придает индивидуальную окраску звучанию источника Он зависит от состава звука. Тон, соответствующий наименьшей частоте в наборе частот данного звука, называется основным. Тоны более высоких кратных частот называются обертонами.

Мы охотно слушаем музыку, пение птиц, приятное человеческое пение. Напротив, тарахтение телеги, визг пилы, мощные удары молота нам неприятны, они раздражают и утомляют. По действию, производимому на нас, все звуки делятся на музыкальные и шумы.

Слуховой орган человека (приемник звуковых раздражений) состоит из трех частей: внешнее ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.

Звуковые колебания, поступая в наружный слуховой проход и достигая барабанной перепонки, вызывают синхронные ее колебания, которые воспринимаются окончанием слухового нерва. Возникающие в клетках возбуждения затем распространяются по нервам и поступают в центральную нервную систему. Интенсивность ощущений при приеме звука или шума (чувствительность) зависит от интенсивности раздражителя.

Так, например, в условиях полной тишины чувствительность слуха максимальна, но она снижается при наличии дополнительного шумового воздействия. Умеренное понижение слуховой чувствительности позволяет организму приспосабливаться к условиям внешней среды и играет защитную роль против сильных и продолжительно действующих шумов.

Заглушение одного звука другим называется маскировкой, которое часто используется на практике для выделения полезного сигнала или подавление нежелательного шума (маскировка посылаемого сигнала на высокочастотных линиях, прием сигналов от искусственных спутников.)

К физическим характеристикам звука относятся: частота, интенсивность (сила звука) и звуковое давление.

Частота колебаний (f=1/T =w/2п ) где Т период колебания, w — круговая частота. Единица измерения (Гц).

Ухо человека воспринимает колебательные движения упругой среды как слышимые в диапазоне частот от 20 до 20 кГц.

Интенсивность звука (I) – это количество энергии, переносимое звуковой волной за 1 секунду через площадку в 1 см2, направленную перпендикулярно движению волны. Единица измерения интенсивности (Вт\м2).

Звуковое давление – это разность между мгновенными значениями давления в данной точке среды при прохождении через эту точку звуковой волны и средним давлением, которое наблюдается в этой же точке при отсутствии звука. Звуковое давление обозначается (Р) и измеряется в (Па).

В свободном звуковом поле (где нет отражения) интенсивность звука (I) и звуковое давление (Р) связаны соотношением:

I = P*V

Для свободного звукового поля можно записать:

V = P\p*C

где р - плотность среды,кг\м3; С - скорость звука в среде, м\с; V - скорость звуковой волны.

Скорость распространения звука (м/с) зависит от физических параметров среды. Для некоторых сред она составляет: резина - 40-60; воздух - 343; вода - 1500; дерево - 2500-3500; кирпич - 3500; сталь - 5000. (м\с).

Диапазон звукового давления, различаемого органами слуха человека, довольно широк, его минимальная величина, ощущаемая органами слуха человека, называется порогом слышимости.

Среднее значение величины порогового давления находится на уровне Р = 2*10-5Па (при частоте 1000Гц), а соответствующая ему интенсивность звука составляет I = 10-12Вт\м².

Величина звукового давления, при котором начинает возникать болезненное ощущение о органах слуха человека, называется болевым порогом, и для человека оно составляет Р = 2*102 Па и интенсивности I = 102 Вт\м2 .

Установлено, что слуховое ощущение человека соответствует кратности изменения абсолютных величин, а не их относительному приросту. Так как изменение звукового давления от порогового восприятия (Р = 2*10^-5) до болевого порога (Р = 1*10²) происходит в диапазоне 7 порядков (10⁷ раз), то для удобства представления этих характеристик принято представлять отношения логарифмов этих величин (децибелы). Измеренные таким образом величины называются

Li = 10*lg (I/Io) - уровень интенсивности;

Lp = 20*Ig (p/po) - уровень звукового давления,

где I и Р представляют собой среднеквадратичные значения интенсивности звука и звукового давления, создаваемые в данной точке источником шума.

Подставляя минимальные значения давления и интенсивности звука:

I = 10 - 12Вт\м². Р = 2*10 - 5Па

И их максимальные значения соответственно (Р = 1*10²) и I = 10² Вт/м2) нетрудно установить, что наибольший диапазон слышимых звуков укладывается в пределах от 0 до 140 дБ.

Li = 10lg (102/10--12) = 140дБ;

Lp = 20lg (2*102/2*10--5) = 140дБ.

Следует отметить. что величина уровня интенсивности звука (Li) используется для проведения акустических расчетов, а величина звукового давления (Lp) - для оценки степени его воздействия на органи слуха человека..

Ухо человека неодинаково воспринимает звуки различной частоты. Слуховой аппарат человека проявляет наибольшую чувствительность на средних и высоких частотах (800-4000Гц), а наименьшую -на низких (20-100Гц). Поэтому звуки , одинаковые по звуковому давлению, но разные по частоте, могут казаться на слух неодинаково громкими.

Зависимость уровней звукового давления от частоты колебаний называется частотным спектром шума.

Весь слышимый диапазон частот разбит на 8 октавных полос. Октава--полоса, в которой значение верхней граничной частоты (f1) в два раза больше значения нижней граничной частоты (f2) т.е. f1/f2 = 2. Третьоктавная полоса частот это полоса частот, в которой это соотношение равно f1/f2 = 1,26. Для каждой октавной полосы устанавливается значение среднегеометрической частоты.