Характеристики звуку
Щоб звукова хвиля створила відчуття звуку, необхідно, щоб сила звуку перевищувала деяку мінімальну величину, звану порогом чутності. Звук, сила якого лежить нижче за поріг чутності, вухом не сприймається: він занадто слабкий для цього. Поріг чутності різний для різних частот. Найбільш чутливе людське вухо до коливань із частотами в ділянці 1000 - 3000 Гц; для цієї області поріг чутності досягає величини порядкуI0= 10 -12 вт/м 2 . До нижчих і вищих частот вухо значно менш чутливо.
Коливання дуже великої сили, близько кількох десятків вт/м 2 , перестають сприйматися як звукові: вони викликають у вусі відчутне відчуття тиску, що переходить далі больове відчуття.
Максимальна величина сили звуку, при перевищенні якої виникає згадане відчутне відчуття, називається порогом дотику або порогом больового відчуття. На частоті 1 кГц вона дорівнюєIm= 10 вт/м 2 .
Поріг больового відчуття дещо різний для різних частот. Між порогом чутності та больовим порогом лежить область чутності, зображена малюнку.
Відношення інтенсивностей звуку цих порогів дорівнює 10 13 . Якщо будь-яка величина змінюється у дуже широкому інтервалі значень, то зручно використовувати логарифмічну шкалу і порівняти самі величини, які логарифми. Так чинять, створюючи шкалу рівнів інтенсивності звуку. ЗначенняIприймають за початковий рівень шкали, будь-яку іншу інтенсивність "I" виражають через десятковий логарифм її відношення до "I0":
LB= .
Логарифм відношення двох інтенсивностей вимірюється у білах (Б).
Бел (Б) - одиниця шкали рівнів інтенсивності звуку, що відповідає зміні рівняінтенсивності у 10 разів.
Поруч із білами широко застосовуються децибели (дБ), у разі формулу ( ) слід записати так:
LgБ =.
У слуховому відчутті розрізняються висота, гучність та тембр звуку. Ці характеристики слухового відчуття пов'язані з частотою, інтенсивністю та гармонійним спектром – об'єктивними характеристиками звукової хвилі. Завданням системи звукових вимірів є встановити цей зв'язок і таким чином дати можливість при дослідженні слуху у різних людей однаково зіставляти суб'єктивну оцінку слухового відчуття з даними об'єктивних вимірів.
Висота звуку- суб'єктивна характеристика, яка визначається частотою його основного тону: чим більша частота, тим вищий звук. Значно меншою мірою висота залежить від інтенсивності хвилі: сильніший звук сприймається нижчим.
Тембр звукумайже виключно визначається спектральним складом. Наприклад, вухо розрізняє ту саму ноту, відтворену на різних музичних інструментах. Однакові за основними частотами звуки мови у різних людей також відрізняються за тембром. Отже, тембр - це якісна характеристика слухового відчуття, переважно зумовлена гармонійним спектром звуку.
Гучність звуку "Е" -це рівень слухового відчуття над його порогом. Вона залежить насамперед відінтенсивності"I" звуку. Незважаючи на суб'єктивність, гучність може бути кількісно оцінена шляхом порівняння слухового відчуття від двох джерел.
В основі створення шкали рівнів гучності лежить важливий психофізичний закон Вебера-Фехнера. Якщо згідно з цим законом збільшувати подразнення в геометричній прогресії (тобто в однакове число разів), то відчуття цього роздратування зростатиме варифметичної прогресії (тобто однакову величину).
Елементарне збільшенняdEгучності звуку прямо пропорційно відношенню збільшенняdIінтенсивності до самої інтенсивностіIзвуку:
,
деk- коефіцієнт пропорційності, що залежить від частоти та інтенсивності.
Тоді рівень гучностіEданого звуку визначається шляхом інтегрування цього виразу в межах від деякого нульового рівняI0до заданого рівняIінтенсивності.
.
Таким чином, рівень гучності даного звуку (при певній частоті коливань) прямо пропорційний логарифму відношення його інтенсивностіIдо значенняI0, що відповідає порогу чутності (закон Вебера-Фехнера).
Порівняльну шкалу, так само як одиницю білий і децибел, застосовують також для характеристики рівнів звукового тиску.
Одиниці виміру рівнів гучності мають такі самі назви: білий і децибел, але на відміну від шкали інтенсивності звуку в шкалі гучності децибели називають фонами (ф).
Бел – зміна рівня гучності тону частотою 1000 Гц при зміні рівня інтенсивності звуку у 10 разів. Таким чином, для тону 1000 Гц чисельні значення у білах рівня гучності та рівня інтенсивності збігаються.
Якщо побудувати криві для різних рівнів гучності, наприклад, сходами через кожні 10 фонів, то вийде система графіків (малюнок), яка дає змогу знайти залежність рівня інтенсивності звуку від частоти за будь-якого рівня гучності.
У цілому нині система кривих рівної гучності відбиває залежність між частотою, рівнем інтенсивності і рівнем гучності звуку і дає можливість двом відомим із цих величин знаходити третю - невідому.
Дослідження гостротислуху називаєтьсяаудіометрією. Зазвичай для дослідження знаходять точки кривої порога чутності при частотах, прикордонних між октавами.
Октава - це інтервал висот тону, у якому відношення крайніх частот дорівнює двом.
Якби коефіцієнт "k" був постійним, то зLБіEслід було б, що логарифмічна шкала інтенсивності звуку відповідає шкалі гучностей. У цьому випадку гучність звуку так само, як і інтенсивність вимірювалася в білах або децибелах. Однак сильна залежність "k" від частоти та інтенсивності звуку не дозволяє вимірювання гучності звести до простого використання формулиE= .
Умовно вважають, що у частоті 1 кГц шкали гучності і інтенсивності звуку повністю збігаються, тобто.k = 1таЕБ =або, за аналогієюЕф = .
Гучність інших частотах можна вимірювати, порівнюючи досліджуваний звук зі звуком частотою 1 кГц. Для цього за допомогою звукового генератора виробляють звук частотою 1 кГц. Змінюють інтенсивність цього звуку до того часу, поки виникне слухове відчуття, аналогічне відчуття гучності досліджуваного звуку. Інтенсивність звуку частотою 1 кГц в децибелах, виміряна за приладом, дорівнюватиме гучності цього звуку у фонах.
Нижня крива відповідає інтенсивності найслабших чутних звуків - порога чутності; всім частотEф = 0,для 1 кГц інтенсивність звукуI0= 10 -12 вт/м 2 . З наведених кривих видно, що середнє вухо найбільш чутливе до частот 2500 - 3000 Гц. Верхня крива відповідає порогу больового відчуття; всім частотЕф » 130 ф, для 1 кГцI= 10вт/м 2 . Кожна проміжна крива відповідає однаковій гучності, але різної інтенсивності звуку для різних частот. Як було зазначено, тільки длячастоти 1 кГц гучність звуку у фонах дорівнює інтенсивності звуку в децибелах.
По кривій рівної гучності можна знайти інтенсивності, які за певних частот викликають відчуття цієї гучності. Наприклад, нехай інтенсивність звуку частотою 100 Гц дорівнює 60 дБ. Яка гучність цього звуку? На малюнку знаходимо точку з координатами: 100 Гц, 60 дБ. Вона лежить на кривій, що відповідає рівню гучності 30 ф, що є відповіддю.
Енергії, що відповідають звичайним звукам, дуже невеликі. Для ілюстрації цього можна навести наступний курйозний приклад: якби 2000 чоловік вели безперервно розмову протягом 1 1/2 години, то енергії їхніх голосів вистачило б лише на те, щоб закип'ятити одну склянку води.