Акустический предел. Особенности восприятия звука человеком. Пределы восприятия звука

1. Звук, виды звука.

2. Физические характеристики звука.

3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения.

4. Прохождение звука через границу раздела сред.

5. Звуковые методы исследования.

6. Факторы, определяющие профилактику шума. Защита от шума.

7. Основные понятия и формулы. Таблицы.

8. Задачи.

Акустика. В широком смысле - раздел физики, изучающий упругие волны от самых низких частот до самых высоких. В узком смысле - учение о звуке.

3.1. Звук, виды звука

Звук в широком смысле - упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.

В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается:

Звук с частотой ниже 16-20 Гц называется инфразвуком, выше 20 кГц -ультразвуком, а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 Гц - гиперзвуком.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

Акустический спектр тона - это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Наименьшая частота в спектре (ν) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2ν, 3ν, 4ν, ...

Обычно наибольшая амплитуда спектра соответствует основному тону. Именно он воспринимается ухом как высота звука (см. ниже). Обертоны создают «окраску» звука. Звуки одной и той же высоты, созданные разными инструментами, воспринимаются ухом по-разному именно из-за различного соотношения между амплитудами обертонов. На рисунке 3.1 показаны спектры одной и той же ноты (ν = 100 Гц), взятой на рояле и кларнете.

Рис. 3.1. Спектры ноты рояля (а) и кларнета (б)

Акустический спектр шума является сплошным.

3.2. Физические характеристики звука

1. 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 газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Изменение давления в среде при распространении звука.

Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление (Δ Ρ) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной (см. формулу 2.5).

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ΔΡ) выражается следующей формулой:

где ρ - плотность среды; v - скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу слышимости соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ 0) и интенсивности звука (I 0):

ΔΡ 0 = 3х10 -5 Па (≈ 2х10 -7 мм рт.ст.); I 0 = 10 -12 Вт/м 2 .

Значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения, называются порогом болевого ощущения.

Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу болевого ощущения соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ m) и интенсивности звука (I m):

4. Уровень интенсивности (L). Отношение интенсивностей, соответствующих порогам слышимости и болевого ощущения, столь велико (I m /I 0 = 10 13), что на практике используют логарифмическую шкалу, вводя специальную безразмерную характеристику - уровень интенсивности.

Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости:

Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б).

Обычно используют более мелкую единицу уровня интенсивности - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах вычисляется по следующим формулам:

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 10 дБ.

Характеристики часто встречающихся звуков приведены в табл. 3.1.

Если человек слышит звуки, приходящие с одного направления от нескольких некогерентных источников, то их интенсивности складываются:

Высокий уровень интенсивности звука приводит к необратимым изменениям в слуховом аппарате. Так, звук в 160 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки и смещение слуховых косточек в среднем ухе, что приводит к необратимой глухоте. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное действие шума в 90-120 дБ приводит к поражению слухового нерва.

3.3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

Высота, тембр

Воспринимая звуки, человек различает их по высоте и тембру.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности звука (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр - это характеристика звукового ощущения, которая определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Закон Вебера-Фехнера. Громкость звука

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом Вебера-Фехнера:

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Именно логарифмическая функция обладает такими свойствами.

Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учета этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости I 0 установлен для этой частоты).

Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах:

Для остальных частот громкость определяют путем сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука на опорной частоте.

Громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук.

Единицу громкости звука называют фоном.

Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты при уровне интенсивности 60 дБ.

Кривые равной громкости

Детальную связь между частотой, громкостью и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости (рис. 3.3). Эти кривые демонстрируют зависимость уровня интенсивности L дБ от частоты ν звука при заданной громкости звука.

Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Она позволяет найти пороговое значение уровня интенсивности (Е = 0) при заданной частоте тона.

С помощью кривых равной громкости можно найти громкость звука, если известны его частота и уровень интенсивности.

Звуковые измерения

Кривые равной громкости отражают восприятие звука средним человеком. Для оценки слуха конкретного человека применяется метод тональной пороговой аудиометрии.

Аудиометрия - метод измерения остроты слуха. На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения, или порог восприятия, L П на разных частотах. Для этого с помощью звукового генератора создают звук заданной частоты и, увеличивая уро-

Рис. 3.3. Кривые равной громкости

вень интенсивности L, фиксируют пороговый уровень интенсивность L п, при котором у испытуемого появляются слуховые ощущения. Меняя частоту звука, получают экспериментальную зависимость L п (v), которую называют аудиограммой (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Аудиограммы

Нарушение функции звуковоспринимающего аппарата может привести к тугоухости - стойкому снижению чувствительности к различным тонам и шепотной речи.

Международная классификация степеней тугоухости, основанная на усредненных значениях порогов восприятия на речевых частотах, приведена в табл. 3.2.

Для измерения громкости сложного тона или шума используют специальные приборы - шумомеры. Звук, принимаемый микрофоном, преобразуется в электрический сигнал, который пропускается через систему фильтров. Параметры фильтров подобраны так, что чувствительность шумомера на различных частотах близка к чувствительности человеческого уха.

3.4. Прохождение звука через границу раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами звук частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Интенсивности отраженной и прошедшей через границу волн определяются соответствующими коэффициентами.

При нормальном падении звуковой волны на границу раздела сред справедливы следующие формулы:

Из формулы (3.9) видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем большая доля энергии отражается на границе раздела. В частности, если величина х близка к нулю, то коэффициент отражения близок к единице. Например, для границы воздух-вода х = 3х10 -4 , а r = 99,88 %. То есть отражение является практически полным.

В таблице 3.3 приведены скорости и волновые сопротивления некоторых сред при 20 °С.

Отметим, что значения коэффициентов отражения и преломления 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.

3.5. Звуковые методы исследования

Звук может быть источником информации о состоянии органов человека.

1. Аускультация - непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма. По характеру таких звуков можно определить, какие именно процессы протекают в данной области тела, и в некоторых случаях установить диагноз. Приборы, применяемые для выслушивания: стетоскоп, фонендоскоп.

Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей мембраной, которая прикладывается к телу, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вызывающий усиление звучания и, следовательно, улучшение выслушивания. Выслушиваются дыхательные шумы, хрипы, тоны сердца, шумы в сердце.

В клинике используются установки, в которых выслушивание осуществляется при помощи микрофона и динамика. Широко

применяется запись звуков с помощью магнитофона на магнитную ленту, что дает возможность их воспроизведения.

2. Фонокардиография - графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация. Запись осуществляется с помощью фонокардиографа, который состоит из микрофона, усилителя, частотных фильтров, регистрирующего устройства.

3. Перкуссия - исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Постукивание осуществляется либо с помощью специальных молоточков, либо при помощи пальцев.

Если в замкнутой полости вызвать звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, усиливая тот тон, который соответствует размеру полости и ее положению. Схематично тело человека можно представить суммой разных объемов: газонаполненных (легкие), жидких (внутренние органы), твердых (кости). При ударе по поверхности тела возникают колебания с разными частотами. Часть из них погаснет. Другие совпадут с собственными частотами пустот, следовательно, усилятся и из-за резонанса будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию органа.

3.6. Факторы, определяющие профилактику шума.

Защита от шума

Для профилактики шума необходимо знать основные факторы, определяющие его воздействие на организм человека: близость источника шума, интенсивность шума, длительность воздействия, ограниченность пространства, в котором действует шум.

Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (и не только органа слуха).

Воздействие длительного шума на ЦНС проявляется в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности.

После длительного действия шума изменяется ритм дыхания, ритм сердечных сокращений, возникает усиление тонуса сосудистой системы, что приводит к повышению систолического и диастоли-

ческого уровня кровяного давления. Изменяется двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, наблюдается гиперсекреция отдельных желез внутренней секреции. Имеет место повышение потливости. Отмечается подавление психических функций, особенно памяти.

Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10-15 дБ. После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3-5 минут. При высоком уровне интенсивности шума (80-90 дБ) его утомляющее действие резко усиливается. Одной из форм расстройства функции органа слуха, связанной с длительным воздействием шума, является тугоухость (табл. 3.2).

Сильное воздействие как на физическое, так и на психологическое состояние человека оказывает рок-музыка. Современная рок-музыка создает шум в диапазонах от 10 Гц до 80 кГц. Экспериментально установлено, что если основной ритм, задаваемый ударными инструментами, имеет частоту 1,5 Гц и имеет мощное музыкальное сопровождение на частотах 15-30 Гц, то у человека наступает сильное возбуждение. При ритме с частотой 2 Гц при таком же сопровождении человек впадает в состояние, близкое наркотическому опьянению. На рок-концертах интенсивность звука может превышать 120 дБ, хотя человеческое ухо настроено наиболее благоприятно на среднюю интенсивность 55 дБ. При этом могут возникать контузии звуком, звуковые «ожоги», потеря слуха и памяти.

Шум оказывает вредное воздействие и на орган зрения. Так, длительное воздействие производственного шума на человека, находящегося в затемненном помещении, приводит к заметному снижению активности сетчатки глаза, от которой зависит работа глазного нерва, а следовательно, и острота зрения.

Защита от шума достаточно сложна. Это связано с тем, что вследствие сравнительно большой длины волны звук огибает препятствия (дифракция) и звуковая тень не образуется (рис. 3.5).

Кроме того, многие материалы, применяемые в строительстве и технике, имеют недостаточно высокий коэффициент поглощения звука.

Рис. 3.5. Дифракция звуковых волн

Эти особенности требуют специальных средств борьбы с шумами, к которым относятся подавление шумов, возникающих в самом источнике, использование глушителей, применение упругих подвесов, звукоизолирующих материалов, устранение щелей и т.п.

Для борьбы с шумами, проникающими в жилые помещения, большое значение имеют правильное планирование расположения зданий, учет розы ветров, создание защитных зон, в том числе и растительных. Растения - хороший гаситель шума. Деревья и кустарники могут снижать уровень интенсивности на 5-20 дБ. Эффективны зеленые полосы между тротуаром и мостовой. Лучше всего шум гасят липы и ели. Дома, находящиеся позади высокого хвойного заслона, могут быть избавлены от шумов улицы почти полностью.

Борьба с шумом не предполагает создания абсолютной тишины, так как при длительном отсутствии слуховых ощущений у человека могут возникнуть расстройства психики. Абсолютная тишина и длительный повышенный шум одинаково противоестественны для человека.

3.7. Основные понятия и формулы. Таблицы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

Таблица 3.1. Характеристики встречающихся звуков

Таблица 3.2. Международная классификация тугоухости

Таблица 3.3. Скорость звука и удельное акустическое сопротивление для некоторых веществ и тканей человека при t = 25 °С

3.8. Задачи

1. Звук, которому на улице соответствует уровень интенсивности L 1 = 50 дБ, слышен в комнате так, как звук с уровнем интенсивности L 2 = 30 дБ. Найти отношение интенсивностей звука на улице и в комнате.

2. Уровень громкости звука частотой 5000 Гц равен Е = 50 фон. Найти интенсивность этого звука, воспользовавшись кривыми равной громкости.

Решение

Из рисунка 3.2 находим, что на частоте 5000 Гц громкости Е =50 фон соответствует уровень интенсивности L = 47 дБ = 4,7 Б. Из формулы 3.4 находим: I = 10 4,7 I 0 = 510 -8 Вт/м 2 .

Ответ: I = 5?10 -8 Вт/м 2 .

3. Вентилятор создает звук, уровень интенсивности которого L = 60 дБ. Найти уровень интенсивности звука при работе двух рядом стоящих вентиляторов.

Решение

L 2 = lg(2x10 L) = lg2 + L = 0,3 + 6Б = 63 дБ (см. 3.6). Ответ: L 2 = 63 дБ.

4. Уровень громкости звука реактивного самолета на расстоянии 30 м от него равен 140 дБ. Каков уровень громкости на расстоянии 300 м? Отражением от земли пренебречь.

Решение

Интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния - уменьшается в 10 2 раз. L 1 - L 2 = 10xlg(I 1 /I 2) = 10x2 = 20 дБ. Ответ: L 2 = 120 дБ.

5. Отношение интенсивностей двух источников звука равно: I 2 /I 1 = 2. Чему равна разность уровней интенсивностей этих звуков?

Решение

ΔL = 10xlg(I 2 /I 0) - 10xlg(I 1 /I 0) = 10xlg(I 2 /I 1) = 10xlg2 = 3 дБ. Ответ: 3 дБ.

6. Каков уровень интенсивности звука с частотой 100 Гц, который имеет ту же громкость, что и звук с частотой 3 кГц и интенсивностью

Решение

Используя кривые равной громкости (рис. 3.3), найдем, что 25 дБ на частоте 3 кГц соответствуют громкости 30 фон. На частоте 100 Гц этой громкости соответствует уровень интенсивности 65 дБ.

Ответ: 65 дБ.

7. Амплитуда звуковой волны увеличилась в три раза. а) во сколько раз возросла ее интенсивность? б) на сколько децибел увеличился уровень громкости?

Решение

Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды (см. 3.6):

8. В лабораторном помещении, находящемся в цехе, уровень интенсивности шума достигал 80 дБ. С целью уменьшения шума было решено обить стены лаборатории звукопоглощающим материалом, уменьшающим интенсивность звука в 1500 раз. Какой уровень интенсивности шума станет после этого в лаборатории?

Решение

Уровень интенсивности звука в децибелах: L = 10x lg(I/I 0). При изменении интенсивности звука изменение уровня интенсивности звука будет равно:

9. Импедансы двух сред различаются в 2 раза: R 2 = 2R 1 . Какая часть энергии отражается от границы раздела и какая часть энергии переходит во вторую среду?

Решение

Используя формулы (3.8 и 3.9) найдем:

Ответ: 1/9 часть энергии отражается, а 8/9 переходит во вторую среду.

В повседневной жизни мы описываем звук, указывая, среди прочего, его громкость и высоту. Но с точки зрения физики звуковая волна - это периодическое колебание молекул среды, распространяющееся в пространстве. Как и всякая волна, звук характеризуется своей амплитудой, частотой, длиной волны и т. д. Амплитуда показывает, насколько сильно колеблющаяся среда отклоняется от своего «спокойного» состояния; именно она отвечает за громкость звука. Частота говорит о том, сколько раз в секунду происходит колебание, и чем больше частота, тем более высокий звук мы слышим.

Типичные значения громкости и частоты звука, которые встречаются, например, в технических нормативах и характеристиках аудиоустройств, адаптированы к человеческому уху, они находятся в комфортном для человека диапазоне громкости и частоты. Так, звук громкостью выше 130 дБ (децибел) вызывает болевые ощущения, а звуковую волну с частотой 30 кГц человек вообще не услышит. Однако кроме этих «человеческих» ограничений существуют и чисто физические пределы громкости и частоты звуковой волны.

Задача

Оцените максимальную громкость и максимальную частоту звуковой волны, которая может распространяться в воздухе и в воде при обычных условиях. Опишите в общих словах, что будет происходить, если попытаться излучить звук выше этих пределов.

Подсказка

Напомним, что громкость, измеряемая в децибелах, - это логарифмическая шкала, которая показывает, во сколько раз давление в звуковой волне (P) сильнее некоторого фиксированного порогового давления P 0 . Формула пересчета давления в громкости такова: громкость в децибелах = 20 lg(P/P 0), где lg - это десятичный логарифм. В качестве порогового давления в акустике принято брать P 0 = 20 мкПа (в воде принято другое пороговое значение: P 0 = 1 мкПа). Например, звук с давлением P = 0,2 Па превышает P 0 в десять тысяч раз, что соответствует громкости 20·lg(10000) = 80 дБ. Таким образом, предел громкости возникает из максимально возможного давления, которое может создавать звуковая волна.

Для решения задачи надо попытаться представить себе звуковую волну с очень большим давлением или очень большой частотой и постараться понять, какие физические ограничения при этом возникают.

Решение

Найдем вначале предел громкости . В спокойном воздухе (без звука) молекулы летают хаотично, но в среднем плотность воздуха остается постоянной. При распространении звука молекулы кроме быстрого хаотического движения испытывают еще и плавное смещение вперед-назад с некоторым периодом. Из-за этого возникают чередующиеся области сгущения и разряжения воздуха, то есть области повышенного и пониженного давления. Именно это отклонение давления от нормы и есть акустическое давление (давление в звуковой волне).

В области разряжения давление опускается до P атм – P. Ясно, что в газе оно должно оставаться положительным: нулевое давление означает, что в этой области в данный момент времени частиц нет совсем, и меньше этого быть уже не может. Поэтому максимальное акустическое давление P, которое звуковая волна может создавать, оставаясь при этом звуком, как раз равно атмосферному. P = P атм = 100 кПа. Ему отвечает теоретический предел громкости равный 20·lg(5·10 9), что дает примерно 195 дБ .

Ситуация слегка меняется, если речь идет про распространение звука не в газе, а в жидкости. Там давление может стать отрицательным - это просто означает, что сплошную среду пытаются растянуть, разорвать, но она за счет межмолекулярных сил выдерживает такое растяжение. Однако по порядку величины это отрицательное давление невелико, порядка одной атмосферы. С учетом другого значения для P 0 это дает теоретический предел громкости в воде около 225 дБ .

Получим теперь ограничение на частоту звука . (На самом деле, это лишь одно из возможных ограничений на частоту; о других мы упомянем в послесловии.)

Одно из ключевых свойств звука (в отличие от многих других, более сложных волн) состоит в том, что его скорость практически не зависит от частоты. Но скорость волны связывает частоту ν (то есть временну ю периодичность) с длиной волны λ (пространственной периодичностью): c = ν·λ. Поэтому чем выше частота, тем меньше длина звуковой волны.

Частоту волны ограничивает дискретность вещества. Длина звуковой волны не может быть меньше типичного расстояния между молекулами: ведь звуковая волна есть сгущение-разряжение частиц и не может существовать без них. Более того, длина волны должна составлять как минимум два-три таких расстояния: ведь она должна включать как области сгущения, так и область разряжения. Для воздуха в нормальных условиях среднее расстояние между молекулами составляет примерно 100 нм, скорость звука равна 300 м/с, поэтому максимальная частота составляет порядка 2 ГГц . В воде масштаб дискретности меньше, примерно 0,3 нм, а скорость звука составляет 1500 м/с. Это дает ограничение на частоту примерно в тысячу раз выше, порядка нескольких терагерц .

Обсудим теперь, что произойдет, если мы попытаемся излучить звук, превышающий найденные ограничения. В качестве излучателя звуковой волны подойдет погруженная в среду твердая пластина, которую мотор двигает взад-вперед. Технически осуществим излучатель с такой большой амплитудой, который в максимуме создает давление намного выше атмосферного - для этого достаточно двигать пластину быстро и с большой амплитудой. Однако тогда в фазе разряжения (когда пластина отходит назад) будет просто вакуум. Таким образом, вместо очень громкого звука такая пластина будет «нареза ть воздух» на тонкие и плотные слои и выбрасывать их вперед. Распространяться сквозь среду они не смогут - столкнувшись с неподвижным воздухом, они резко его нагреют, породят ударные волны, а сами разрушатся.

Можно представить себе и другую ситуацию, когда акустический излучатель колеблется с частотой, превышающей найденный предел частоты звука. Такой излучатель будет толкать молекулы среды, но так часто, что не даст им шанса сложиться в синхронное колебание. В результате пластина будет просто хаотично передавать энергию подлетающим молекулам, то есть будет попросту нагревать среду.

Послесловие

Наше рассмотрение было, конечно, очень простым и не принимало во внимание множество процессов, происходящих в веществе и также ограничивающих распространение звука. Например, вязкость приводит к затуханию звуковой волны, причем скорость этого затухания быстро увеличивается с частотой. Чем больше частота, тем быстрее газ движется вперед-назад, а значит, тем быстрее энергия превращается в тепло за счет вязкости. Поэтому в слишком вязкой среде высокочастотный ультразвук просто не успеет пролететь какое-либо макроскопическое расстояние.

В затухании звука играет роль и другой эффект. Из термодинамики следует, что при быстром сжатии газ нагревается, а при быстром расширении - охлаждается. Это происходит в том числе и в звуковой волне. Но если у газа большая теплопроводность, то при каждом колебании тепло будет перетекать из горячей зоны в холодную, ослабляя таким образом тепловой контраст, а в конечном счете - и амплитуду звуковой волны.

Стоит еще подчеркнуть, что все найденные ограничения относятся к жидкостям и газам при нормальных условиях; они изменятся при существенном изменении условий. Например, максимальная теоретическая громкость, очевидно, зависит от давления. Поэтому в атмосфере планет-гигантов, где давление существенно выше атмосферного, возможен и еще более громкий звук; и наоборот, в очень разреженной атмосфере все звуки неизбежно тихие.

Наконец, упомянем еще одно интересное свойство ультразвука очень большой частоты при его распространении в воде. Оказывается, когда частота звука существенно превышает 10 ГГц, его скорость в воде возрастает примерно вдвое и примерно сравнивается со скоростью звука во льду. Это означает, что некие быстрые процессы взаимодействия молекул воды начинают играть существенную роль при колебании с периодом меньше 100 пикосекунд. Условно говоря, вода приобретает некую дополнительную упругость на таких временных интервалах, что и ускоряет распространение звуковых волн. Микроскопические причины этого так называемого «быстрого звука», впрочем, были поняты

8417 0

Kаким бы методом исследования не пользовались при аудиологическом изучении слуховой функции, существенными являются представления об основных физических характеристиках звуковых сигналов. Ниже будут представлены лишь самые основные понятия акустики и электроакустики.

Значения скорости распространения звуковой волны при разной температуре

Звук в природе распространяется в виде изменяющегося во времени возмущения упругой среды. Колебательные движения частиц такой yпругой среды, возникающие под воздействием звука, называются звуковыми колебаниями, а пространство распространения звуковых колебаний создает звуковое поле. Если среда, в которой распространяются звуковые колебания, является жидкой или газообразной, то частицы в этих средах колеблются вдоль линии распространения звука и поэтому их принято рассматривать как продольные колебания.

При распространении звука в твердых телах, наряду с продольными колебаниями, наблюдаются и поперечные звуковые колебания. Естественно, что распространение колебаний в среде должно иметь какое-либо направление. Это направление называется звуковым лучом, а поверхность, соединяющую все смежные точки звуковой волны с одинаковой фазой колебаний, принято называть фронтом звуковой волны. Кроме того, звуковые волны в различных средах распространяются с различной скоростью. При этом необходимо учитывать, что значение скорости определяется плотностью среды, в которой распространяется звуковая волна.

Сведения о значениях плотности звуковой среды весьма существенны, так как эта плотность создает определенное акустическое сопротивление распространению звуковой волны. На скорость распространения звуковой волны влияет также температура среды: при повышении температуры среды скорость распространения звуковой волны возрастает.

Основными для аудиологического обследования физическими характеристиками звука являются его интенсивность и частота. Именно поэтому они будут рассмотрены более подробно.

Для перехода к физической характеристике интенсивности звука вначале необходимо рассмотреть ряд других параметров звуковых сигналов, имеющих отношение к их интенсивности.

Звуковое давление - p(t) - характеризует силу, действующую на площадь, расположенную перпендикулярно к движению частиц. В системе СИ звуковое давление измеряется в Ньютонах. Ньютон - это сила, придающая массе в 1 кг ускорение в 1 м/с за 1 с и действующая на 1 квадратный метр, сокращенно Н/м2.

В литературе приводятся и другие единицы измерения звукового давления. Ниже представлено соотношение основных используемых единиц:

1Н/м2-10 дин/см2=10 мкбар (микробар)

Энергия акустических колебаний (Е) характеризует энергию частиц, движущихся под действием звукового давления (измеряется в джоулях - Дж).

Oтнесение энергии на единицу площади характеризует акустическую плотность, измеряемую в Дж/м2. Собственно интенсивность звуковых колебаний определяется как мощность или плотность акустического потока за единицу времени, т.е. Дж/м2/с или Вт/м2.

Человек и животные воспринимают весьма большой диапазон звуковых давлений (от 0,0002 до 200 мкбар). Поэтому для удобства измерения принято пользоваться относительными величинами, а именно, десятичной или натуральной шкалами логарифмов. Звуковое давление измеряется в децибелах и белах (1Б = 10 дБ), если используются логарифмы с десятичным основанием. Иногда (довольно редко) звуковое давление измеряется в ненерах (1Нн = 8,67 дБ); в этом случае используются натуральные логарифмы, т.е. логарифмы не с десятичными (как в случае с Б и дБ), а с двоичным основанием.

Однако следует учесть, что оценка в белах и децибелах была принята как логарифмическая мера отношения мощностей. Между тем, мощность и интенсивность пропорциональны квадрату звукового давления. Поэтому дня перехода к интенсивности звука устанавливаются следующие oтношения:

где N - интенсивность или звуковое давление (Р) в белах (Б) или децибелах (дБ), I0 и Р0 - условно принимаемые уровни отсчета интенсивности и звукового давления. Обычно уровнем отсчета звукового давления (часто в литературе используется сокращение "УЗД", от начальных букв слов "уровень звукового давления", а в английском языке используется аббревиатура - "SPL" (от идентичного выражения "Sound Pressure Level") считается 2x10-5 Н/м2. Соотношения УЗД с другими единицами измерения интенсивности звука выглядит следующим образом:

2х10-5 Н/м2=2х10-4дин/см2=2х10-4 мкбар

Рассмотрим теперь акустические характеристики частоты звуковых сигналов. В большинстве случаев для обследования слуховой функции используют гармонические звуковые сигналы.

Гармонический звуковой сигнал (иначе синусоидальный сигнал или чистый тон), обладающий также начальной фазой включения тонального сигнала, помимо звукового давления, характеризуется такой важной физической характеристикой как длина волны. Все гармонические звуковые сигналы (или чистые тоны) обладают периодичностью (т.e., периодом Т). В этом случае длина звуковой волны определяется как расстояние между соседними фронтами волны при одинаковой фазе колебаний и вычисляется по формуле:

J = с х Т

Где с - скорость распространения звуковых колебаний (обычно м/с), I их периодичность. При этом частота звуковых колебаний (f) соответствует формуле:

f = J/Т

Частоту тона оценивают количеством звуковых колебаний в секунду и выражают в герцах (сокращенно - Гц). Исходя из диапазона воспринимаемых человеком частот звуковых колебаний, частоты в диапазоне 20 - 20000 Гц называют звуковыми, более низкие частоты (f < 20 Гц) называют инфразвуками, а более высокие (f > 20000 Гц) - ультразвуками.

В свою очередь, чисто из практических соображений, диапазон звуковых частот иногда условно делят на низкие - ниже 500 Гц, средние 500-4000 Гц и высокие - 4000 Гц и выше. Заметим, что для обозначения звуковых колебаний от 1000 Гц и выше часто пользуются обозначением килогерц, сокращенно кГц.

Схематическое изображение формы и спектра ряда звуковых сигналов, используемых при аудиологических исследованиях:

1 - тональный сигнал; 2 - короткий звуковой импульс (щелчок); 3 -шумовой сигнал; 4 - короткая тональная посылка; 5 - амплитудно-модулированный сигнал (Т - период амплитудной модуляции); 6 - частотно-модулированный сигнал.

Если в звуковом сигнале представлено много разных частот (в идеале все частоты звукового спектра), то возникает, так называемый, шумовой сигнал.

Одним из методов аудиологического обследования больных является акустическая импедансометрия. Поэтому рассмотрим более подробно еще одну физическую характеристику звуковых сигналов.

Хорошо известно, что при распространении в средах разные виды энергии встречают определенное сопротивление. Выше указывалось, что такое же сопротивление встречает и акустическая энергия при распространении звуковых волн в акустических системах. Из последующего изложения станет очевидным, что периферические отделы слуховой системы, т.е. наружное и среднее ухо, представляют собой с физической точки зрения типичные акустические системы, а именно, акустические приемники звука. Поэтому и необходимо рассмотрение существа и характеристик акустического сопротивления с учетом прохождения звуковых сигналов через периферические отделы слуховой системы.

Комплексное акустическое сопротивление или акустический импеданс определяется как общее сопротивление прохождению акустической энергии в акустических системах. Акустический импеданс представляет собой отношение комплексных амплитуд звукового давления к колебательной объемной скорости и описывается формулой:

Za = ReZa + ilmZa

В этом уравнении ReZa представляет собой активное акустическое сопротивление (иначе его называют истинным или резистивным сопротивлением), которое связано диссипацией энергии в самой аккустической системе. Под диссипацией энергии понимают ее рассеивание в переход энергии упорядоченных процессов (какой, например, является кинетическая энергия звуковых волн) в энергию неупорядоченных процессов (в конечном итоге - в теплоту). Вторая часть уравнения ilmZa (его мнимая часть) получила название реактивного акустического сопротивления, которое обусловлено силами инерции или силами упругости, податливости или гибкости.

Ниже будет подробно изложена процедура исследования акустического импеданса среднего уха при ряде существенных для аудиологического обследования измерений (тимпанометрия, импедансометрия).

Я.А. Альтман, Г. А. Таварткиладзе

В этой статье мы еще глубже окунемся в структуру строения слухового аппарата, и как бы соединим на «физическом» уровне, то о чем я писал в предыдущих трех статьях. Сегодня мы затронем тему «предел громкости» в двух следующих статьях. Звуковой сигнал любой природы может быть описан определенным набором физических характеристик: частота, интенсивность, длительность, временная структура, спектр и др. Им соответствуют определенные субъективные ощущения, возникающие при восприятии звуков слуховой системой: громкость, высота, тембр, биения, консонансы-диссо нансы, маскировка, локализация-стер еоэффект и т.п. Как мы знаем, слуховые ощущения не линейны по восприятию! Обычно, это всегда комплекс физических параметров. К примеру, громкость – это ощущение, возникающее из комбинаций частоты , от уникальности спектра и самой интенсивности звука.

Еще в давние времена было установлено взаимоотношение о не линейном восприятии слуха. Это вылилось в закон Вебера - Фехнера - эмпирический психофизиологич еский закон, заключающийся в том, что интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя.

В 1834 году Э. Вебер провел ряд экспериментов и пришел к выводу: новый раздражитель, чтобы отличаться по ощущениям от предыдущего, должен отличаться от исходного на величину, пропорциональную исходному раздражителю. На основе этих наблюдений Г. Фехнер в 1860 году сформулировал «основной психофизический закон», согласно которому сила ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя . Как пример: люстра, в которой 8 лампочек, кажется нам настолько же ярче люстры из 4 лампочек, насколько люстра из 4 лампочек ярче люстры из 2 лампочек. То есть количество лампочек должно увеличиваться в одинаковое число раз, чтобы нам казалось, что прирост яркости постоянен. И наоборот, если абсолютный прирост яркости (разница в яркости «после» и «до») постоянен, то нам будет казаться, что абсолютный прирост уменьшается по мере роста самого значения яркости. Например, если добавить одну лампочку к люстре из двух лампочек, то кажущийся прирост в яркости будет значительным. Если же добавить одну лампочку к люстре из 12 лампочек, то мы практически не заметим прироста яркости.

Из этого примера (хотя он полностью не описывает структуру «громко-восприяти я») мы видим прямое и явное перевоплощение «частотных групп» (критические полосы) слухового аппарата. Их заполняемость, подобно «лампочкам», приводит к субъективному увеличению чувства громкости. Степень «заполняемости» называется «интенсивностью» звука.

Но прежде чем мы будем более подробно говорить не только о громко-восприятии, но и о такой возможности слухового аппарата, как установление высоты тона, нужно более подробно окунуться в строение «уха» и наглядно понять работу всех этих «фишек». Об этом я поведаю в следующей статье.

Психоакустика - область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения - звука. Накоплен большой объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия звука человеком.
Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20-20 000 Гц. Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи. На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение, зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.
Но было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей неважна передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность верхних частот.

Частотные характеристики слуховых ощущений

Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20-20000 Гц ограничивается по интенсивности порогами: снизу - слышимости и сверху - болевых ощущений.
Порог слышимости оценивается минимальным давлением, точнее, минимальным приращением давления относительно границы чувствителен к частотам 1000-5000 Гц - здесь порог слышимости самой низкий (звуковое давление около 2- 10 Па). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха резко падает.
Порог болевых ощущений определяет верхнюю границу восприятия звуковой энергии и соответствует примерно интенсивности звука 10 Вт/м или 130 дБ (для опорного сигнала с частотой 1000 Гц).
При увеличении звукового давления увеличивается и интенсивность звука, причем слуховое ощущение нарастает скачками, называемыми порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150.

Поскольку диапазон изменения интенсивностей 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем по диапазону амплитуд равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. При низких уровнях слуха эти скачки достигают 2-3 дБ, при высоких уровнях они уменьшаются до 0,5 дБ (в 1,1 раза). Увеличение мощности усилительного тракта меньше чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.

Субъективные характеристики звука

Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками звука являются высота, громкость и тембр.
Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.
Тон - это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.

Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 000 Гц воспринимается как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.
Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты, музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые..
Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6 Гц.
Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону. Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо or начальной частоты) всегда воспринимается как одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20-20 000 Гц, он охватывает приблизительно десять октав.
Октава - достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты приблизительно в 1,054 раза.
Октаву делят на полуоктавы и треть октавы. Для последних стандартизован следующий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3: 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.
Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального состава, условий восприятия и длительности воздействия. Так, два звучащих тона средней и низкой частоты, имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости. За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости чистого тона частотой 1000 Гц, т.е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают. На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более тихими.
Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает, что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости, при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости в зале.
При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается, и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией, После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха). Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.
Значительный уровень громкости и длительность его воздействия вызывают необратимые явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости. Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.
Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора - шумомера. Измеряемый звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой чувствительности слуха.
Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.
Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.). При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.
Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.
От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Звуки разных музыкальных инструментов различаются по тембру.
Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом. В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе ссоответствуюшими обертонами
Различия в тембре onpeделяются в основном низко-средне частотными составляющими сигнала, следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона. Сигналы же, относяшиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник, средних 8 - 10, высоких 2 - 3, так как остальные либо слабы, либо выпадают из области слышимых частот. Поэтому высокие звуки, как правило, по тембру беднее.
Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен и слух - для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие звуки обычно являются и более резкими.

Музыкальные источники звука

Большое влияние на качество звучания электроакустических систем оказывает ряд факторов, характеризующих первичные источники звуков.
Акустические параметры музыкальных источников зависят от состава исполнителей (оркестр, ансамбль, группа, солиста и типа музыки: симфоническая, народная, эстрадная и пр.).

Зарождение и формирование звука на каждом музыкальном инструменте имеет свою специфику, связанную с акустическими особенностями звукообразования в том или ином музыкальном инструменте.
Важным элементом музыкального звука является атака. Это - специфический переходный процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики звука: громкость, тембр, высота. Любой музыкальный звук проходит три стадии -начало, середину и конец, причем и начальная, и конечная стадии имеют некоторую продолжительность. Начальная стадия называется атакой. Длится она по-разному: у щипковых, ударных и некоторых духовых инструментов 0-20 мс, у фагота 20-60 мс. Атака - это не просто нарастание громкости звука от нуля до некоторого установившегося значения, она может сопровождаться таким же изменением высоты звука и его тембра. Причем характеристики атаки инструмента неодинаковы в разных участках его диапазона при разной манере игры: скрипка по богатству возможных выразительных способов атаки - наиболее совершенный инструмент.
Одна из характеристик любого музыквльного инструмента - это частотный диапазон звучания. Кроме основных частот каждый инструмент характеризуется дополнительными высококачественными составляющими - обертонами (или, как принято в электроакустике, - высшими гармониками), определяющими его специфический тембр.
Известно, что звуковая энергия неравномерно распределяется по всему спектру звуковых частот, излучаемых источником.
Большинство инструментов характеризуется усилением основных частот, а также отдельных обертонов в определенных (одной или нескольких) относительно узких полосах частот (формантах), различных для каждого инструмента. Резонансные частоты (в герцах) формантной области составляют: для трубы 100-200, валторны 200-400, тромбона 300-900, трубы 800-1750, саксофона 350-900, гобоя 800-1500, фагота 300-900, кларнета 250-600.
Другое характерное свойство музыкальных инструментов - сила их звука, обусловливается большей или меньшей амплитудой (размахом) их звучащего тела или воздушного столба (большей амплитуде соответствует более сильное звучание и наоборот). Значение пиковых акустических мощностей (в ваттах) составляет: для большого оркестра 70, большого барабана 25, литавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепиано 0,4, трубы и саксофона 0,3, трубы 0,2, контрабаса 0.(6, малой флейты 0,08, кларнета, валторны и треугольника 0,05.
Отношение мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении "фортиссимо", к мощности звука при исполнении "пианиссимо" принято называть динамическим диапазоном звучания музыкальных инструментов.
Динамический диапазон музыкального источника звука зависит от вида исполнительского коллектива и характера исполнения.
Рассмотрим динамический диапазон отдельных источников звука. Под динамическим диапазоном отдельных музыкальных инструментов и ансамблей (различные по составу оркестры и хоры), а также голосов понимают отношение максимальных звуковых давлений, создаваемых данным источником, к минимальным, выраженное в децибелах.
На практике при определении динамического диапазона источника звука обычно оперируют только уровнями звукового давления, вычисляя или измеряя соответствующую их разность. Например, если максимальный уровень звучания оркестра составляет 90, а минимальный 50 дБ, то говорят, что динамический диапазон равен 90 - 50= = 40 дБ. При этом 90 и 50 дБ - это уровни звукового давления относительно нулевого акустического уровня.
Динамический диапазон для данного источника звука - величина непостоянная. Она зависит от характера исполняемого произведения и от акустических условий помещения, в котором происходит исполнение. Реверберация расширяет динамический диапазон, который обычно достигает максимального значения в помещениях, имеющих большой объем и минимальное звукопоглощение. Почти у всех инструментов и человеческих голосов динамический диапазон неравномерен по регистрам звучания. Например, уровень громкости самого низкого звука на "форте" у вокалиста равен уровню самого высокого звука на "пиано".

Динамический диапазон той или иной музыкальной программы выражается таким же образом, как и для отдельных источников звука, но максимальное звуковое давление отмечается при динамическом ff (фортиссимо) оттенке, а минимальное при рр (пианиссимо).

Наибольшей громкости, обозначаемой в нотах fff (форте-, фортиссимо), соответствует акустический уровень звукового давления примерно 110 дБ, а наименьшей громкости, обозначаемой в нотах ррр (пиано-пианиссимо), примерно 40 дБ.
Следует отметить, что динамические оттенки исполнения в музыке относительны и их связь с соответствующими уровнями звукового давления до некоторой степени условна. Динамический диапазон той или иной музыкальной программы зависит от характера сочинения. Так, динамический диапазон классических произведений Гайдна, Моцарта, Вивальди редко превышает 30-35 дБ. Динамический диапазон эстрадной музыки обычно не превышает 40 дБ, а танцевальной и джазовой - всего около 20 дБ. Большинство произведений для оркестра русских народных инструментов также имеют небольшой динамический диапазон (25-30 дБ). Это справедливо и для духового оркестра. Однако максимальный уровень звучания духового оркестра в помещении может достигать достаточно большого уровня (до 110 дБ).

Эффект маскировки

Субъективная оценка громкости зависит от условий, в которых звук воспринимается слушателем. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Одновременно с ним воздействуют на слух посторонние шумы, затрудняющие звуковое восприятие, маскируюшие в определенной мере основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается величиной, указываюшей. на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия в тишине.
Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают, что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими. Например, если два камертона (1200 и 440 Гц) излучают звуки с одинаковой интенсивностью, то мы перестаем слышать первый тон, он замаскирован вторым (погасив вибрацию второго камертона, мы снова услышим первый).
Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала, состоящих из определенных спектров звуковых частот, то возникает эффект взаимной маскировки. При этом если основная энергия обоих сигналов лежит в одной и той же области диапазона звуковых частот, то эффект маскировки будет наиболее сильным, Так, при передаче оркестрового произведения из-за маскировки аккомпанементом партия солиста может стать плохо разборчивой, невнятной.
Достижение четкости или, как принято говорить, "прозрачности" звучания при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей становится весьма трудным, если инструмент или отдельные группы инструментов оркестра играют в одном или близких регистрах одновременно.
Режиссер, производя запись оркестра, обязательно учитывает особенности маскировки. На репетициях он с помощью дирижера устанавливает баланс между силой звучания инструментов одной группы, а также между группами всего оркестра. Ясность основных мелодических линий и отдельных музыкальных партий достигается в этих случаях близким расположением микрофонов к исполнителям, умышленным выделением звукорежиссером наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами звукорежиссуры.
Явлению маскировки противостоит психофизиологическоя способность органов слуха выделять из обшей массы звуков один или несколько, несущих наиболее важную информацию. Например, при звучании оркестра дирижер замечает малейшие неточности в исполнении партии на каком-либо инструменте.
Маскировка может существенно влиять на качество передачи сигнала. Четкое восприятие принимаемого звука возможно в том случае, если его интенсивность существенно превышает уровень составляющих помех, находящихся в той же полосе, что и принимаемый звук. При равномерной помехе превышение сигнала должно быть 10- 15 дБ. Эта особенность слухового восприятия находит практическое применение, например, при оценке электроакустических характеристик носителей. Так, если отношение сигнал-шум аналоговой грампластинки 60 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45- 48 дБ.

Временные характеристики слухового восприятия

Слуховой аппарат, как и любая другая колебательная система, инерционен. При исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого ошущение по уровню громкости уменьшается на 8- 10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. Если к слушателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковых пи частотному составу и уровню, но один из них запаздывает, то они будут восприниматься слитно при запаздывании, не превышающем 50 мс. Пои больших интервалах запаздывания оба импульса воспринимаются раздельно, возникает эхо.
Эта особенность слуха учитывается при конструировании некоторых приборов обработки сигналов, например электронных линий задержки, ревербератов и др.
Следует отметить, что благодаря особому свойству слуха ощушение громкости кратковременного звукового импульса зависит не только от его уровня, но и от продолжительности воздействия импульса на ухо. Так, кратковременный звук, длящийся всего 10-12 мс, воспринимается ухом тише, чем звук такой же но уровню, но воздействующий на слух в течение, например 150-400 мс. Поэтому при прослушивании передачи громкость является результатом усреднения энергии звуковой волны в течение некоторого интервала. Кроме того, слух человека обладает инерцией, в частности, при восприятии нелинейных искажений он не ощущает таковых, если продолжительность звукового импульса меньше 10-20 мс. Именно поэтому в индикаторах уровня звукозаписывающей бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется усреднение мгновенных значений сигнала за промежуток, выбираемый в соответствии с временными характеристиками органов слуха.

Пространственное представление о звуке

Одной из важных способностей человека является возможность определять направление источника звука. Эта способность называется бинауральным эффектом и объясняется тем, что человек имеет два уха. Данные экспериментов показывают, откуда приходит звук: один для высокочастотных тонов, другой для низкочастотных.

До уха, обращенного к источнику, звук проходит более короткий по времени путь, чем до второго уха. Вследствие этого давление звуковых волн в ушных каналах различается по фазе и амплитуде. Амплитудные различия значительны только на высоких частотах, когда длина звуковой волны становится сравнимой с размерами головы. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется, что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше. Угол отклонения источника звука от средней линии (линии симметрии) приблизительно пропорционален логарифму отношения амплитуд.
Для определения направления источника звука с частотами ниже 1500-2000 Гц существенны фазовые различия. Человеку кажется, что звук приходит с той стороны, с которой волна, опережаюшая по фазе, достигает уха. Угол отклонения звука от средней линии пропорционален разности времени прихода звуковых волн к обоим ушам. Тренированный человек может заметить разность фаз при разннице во времени 100 мс.
Способность определять направление звука в вертикальной плоскости развита значительно слабее (примерно в 10 раз). Эту особенность физиологии связывают с ориентацией органов слуха в горизонтальной плоскости.
Специфическая особенность пространственного восприятия звука человеком проявляется в том, что органы слуха способны ощушать суммарную, интегральную локализацию, создаваемую с помошью искусственных средств воздействия. Например, в помещении по фронту на расстоянии 2-3 м друг от друга установлены две АС. На таком же расстоянии от оси соединяющей системы строго по центру находится слушатель. В помешении через АС излучаются два одинаковых по фазе, частоте и интенсивности звука. В результате идентичности звуков, проходящих в орган слуха, человек не может их разделить, его ощущения дают представления о едином, кажущемся (виртуальном) источнике звука, который находится строго по центру на оси симметрии.
Если теперь уменьшить громкость одной АС, то кажущийся источник переместится в сторону более громко работающего громкоговорителя. Иллюзию перемещения источника звука можно получить не только изменением уровня сигнала, но и искусственной задержкой одного звука относительно другого; в этом случае кажущийся источник сместится в сторону АС, излучающей сигнал с опережением.
Для иллюстрации интегральной локализации приведем пример. Расстояние между АС 2м, расстояние от фронтальной линии до слушателя 2 м; для того чтобы источник как бы сместился на 40 см влево или вправо, необходимо подать два сигнала с разностью по уровню интенсивности в 5 дБ или с временным запаздыванием в 0,3 мс. При разности уровней в 10 дБ или задержке по времени 0,6 мс источник "переместится" на 70 см от центра.
Таким образом, если изменять создаваемое АС звуковое давление, то возникает иллюзия перемещения источника звука. Это явление называется суммарной локализацией. Для создания суммарной локализации применяется двухканальная стереофоническая система звукопередачи.
В первичном помешении устанавливаются два микрофона, каждый из которых работает на свой канал. Во вторичном - два громкоговорителя. Микрофоны располагаются на определенном расстоянии друг от друга по линии, параллельной размещению излучателя звука. При перемещении излучателя звука на микрофон будет действовать разное звуковое давление и время прихода звуковой волны будет различно из-за неодинакового расстояния между излучателем звуха и микрофонами. Эта разница и создает во вторичном помешении эффект суммарной локализации, в результате чего кажущийся источник локализуется в определенной точке пространства, находящейся между двумя громкоговорителями.
Следует сказать о биноуральной системе звукопередачи. При использовании этой системы, называемой системой "искусственной головы", в первичном помешении размещают два отдельных микрофона, располагая их на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между ушами человека. Каждый из микрофонов имеет независимый канал звукопередачи, на выходе которого во вторичном помещении включены телефоны для левого и правого уха. При идентичности каналов звукопередачи такая система точно передает бинауральный эффект, создаваемый около ушей "искусственной головы" в первичном помещении. Наличие головных телефонов и необходимость пользования ими в течение длительного времени является недостатком.
Орган слуха определяет расстояние до источника звука по ряду косвенных признаков и с некоторыми погрешностями. В зависимости от того, мало или велико расстояние до источника сигнала, субъективная его оценка меняется под воздействием различных факторов. Было установлено, что если определяемые расстояния невелики (до 3 м), то их субъективная оценка почти линейно связана с изменением громкости перемещающегося по глубине источника звука. Дополнительным фактором для сложного сигнала является его тембр, который становится все более "тяжелым"" по мере приближения источника к слушателю. Это связано со все большим усилением обертонов низкого по сравнению с обертонами высокого регистра, вызванным происходящим при этом повышением уровня громкости.
Для средних расстояний 3-10 м. удаление источника от слушателя будет сопровождаться пропорциональным уменьшением громкости, причем это изменение будет одинаково относиться к основной частоте и к гармоническим составляюшим. В результате происходит относительное усиление высокочастотной части спектра и тембр становится более ярким.
С ростом расстояния потери энергии в воздухе будут расти пропорционально квадрату частоты. Увеличенная потеря обертонов высокого регистра приведет к снижению тембральной яркости. Таким образом, субъективная оценка расстояний связана с изменением его громкости и тембра.
В условиях закрытого помещения сигналы первых отражений, запаздывающие относительно прямого на 20-40 мс, воспринимаются органом слуха как приходящие с различных направлений. Вместе с этим все большее их запаздывание создает впечатление о значительном удалении точек, от которых происходят эти отражения. Таким образом, по времени запаздывания можно судить об относительной удаленности вторичных источников или, что то же, о размерах помещения.

Некоторые особенности субъективного восприятия стереофонических передач.

Стереофоническая система звукопередачи имеет ряд существенных особенностей по сравнению с обычной монофонической.
Качество, отличающее стереофоническое звучание, объемность, т.е. естественную акустическую перспективу, можно оценить с помощью некоторых дополнительных показателей, не имеющих смысла при монофонической технике передачи звука. К таким дополнительным показателям следует отнести: угол слышимости, т.е. угол, под которым слушатель воспринимает звуковую стереофоническую картину; стереофоническую разрешающую способность, т.е. определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства в пределах угла слышимости; акустическую атмосферу, т.е. эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия в первичном помещении, где происходит передаваемое звуковое событие.

О роли акустики помещения

Красочность звучания достигается не только с помощью аппаратуры воспроизведения звука. Даже при достаточно хорошей аппаратуре качество звучания может оказаться низким, если помещение, предназначенное для прослушивания, не обладает определенными свойствами. Известно, что в закрытом помешении возникает явление нослезвучания, называемое реверберацией. Воздействуя на органы слуха, реверберация (в зависимости от ее длительности) может улучшать или ухудшать качество звучания.

Человек, находящийся в помещении, воспринимает не только прямые звуковые волны, создаваемые непосредственно источником звука, но и волны, отраженные потолком и стенами помещения. Отраженные волны слышны еше некоторое время после прекращения действия источника звука.
Иногда считают, что отраженные сигналы играют только отрицательную роль, создавая помехи восприятию основного сигнала. Однако такое представление неправильно. Определенная часть энергии начальных отраженных эхосигналов, достигая ушей человека с малыми задержками, усиливает основной сигнал и обогашает его звучание. Напротив, более поздние отраженные эхосигналы. время задержки которых превышает некоторое критическое значение, образуют звуковой фон, затрудняющий восприятие основного сигнала.
Помещение прослушивания не должно иметь большое время реверберации. Жилые комнаты, как правило, имеют малое воемя реверберации в силу ограниченности своих размеров и наличия звукопоглощающих поверхностей, мягкой мебели, ковров, занавесок и т. п.
Различные по характеру и свойствам преграды характеризуются коэффициентом поглощения звука, который представляет собой отношение поглощенной энергии к полной энергии падающей звуковой волны.

Для повышения звукопоглощающих свойств ковра (и снижения шумов в жилом помещении) ковер желательно вешать не вплотную к стене, а с зазором 30-50 мм).