2015-07-04
1812
Акустические волны образуются в результате разности звукового давления в различных точках носителя. По отношению к воздушной среде, звуковое давление - переменная составляющая давления воздуха, присутствующая на фоне атмосферного давления и возникающая вследствие колебаний источника звука. Другими словами, звуковое давление A – это разность между мгновенным значением суммарного (полного) давления и атмосферным (средним) давлением в невозмущенной среде, измеренное в “Паскалях”. Звуковое давление человек субъективно воспринимает как громкость звука.
При распространении звуковых волн имеет место перенос звуковой энергии, величина которой определяется интенсивностью звука. Интенсивность звука - звуковая мощность на единицу площади, т.е. интенсивность обозначает поток звуковой энергии, проходящий через квадратный сантиметр условной плоскости, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны, в единицу времени. Звуковая мощность P описывает энергетические свойства звуковой волны и измеряется в “Ваттах”, а интенсивность в “ваттах на квадратный метр”.
В психоакустическом восприятии звука присутствует логарифмическая зависимость. Увеличению громкости в 2 раза соответствует увеличение звукового давления в 10 раз (мощности в 100 раз), увеличению громкости в 3 раза соответствует увеличение звукового давления в 100 раз (мощности в 10 000 раз) и т.д. Из этого следует, что звуковая мощность и звуковое давление находятся в квадратичной зависимости, т.е. P = f (A 2).
Изменение громкости звука в беллах соответствует изменению звуковой мощности и звукового давления: 
, где A1 и A2 - верхняя и нижняя границы изменения звукового давления. Изменение уровня в децибелах вычисляется по формуле 
(рис.4). Использование децибела в акустике удобно также по причине того, что один децибел - это минимальное изменение уровня звукового сигнала, которое способен воспринять слух человека.
Величины, измеренные в децибелах, нельзя складывать (как и все относительные величины, в том числе проценты). Например, при наличии двух звуковых сигналов в 50дБ присутствует удвоенная интенсивность звука, но уровень громкости равен 53дБ, т.к.
N=10lg (2*P1/P2)=10(lg2+lgP1/P2)=10*(0.3+5)=53дБ.
Таким образом, удвоение интенсивности увеличивает громкость на 3дБ.
Рис.4. Зависимость громкости звука от звукового давления
и звуковой мощности
Примеры отношений давления, мощности и уровня громкости приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Отношение давления A1/A2 | Отношение мощности P1/P2 | Уровень громкости [дБ] |
| 21/2 | ||
| 21 | ||
| 101/2 | ||
| 101 | ||
| 103/2 | ||
| 20 | ||
| 2-1/2 | ½ | -3 |
| 2-1 | ¼ | -6 |
| 10-1/2 | 10-1 | -10 |
Во многих приложениях цифровой обработки звуковых сигналов применяется обратное соотношение акустических параметров, при котором за максимально допустимый уровень принят уровень 0дБ, т.е. выражение имеет вид 20lg A/Amax. Шкала рабочих значений начинается с некоторого отрицательного значения (например, -90дБ) и доходит до нуля. Положительные значения указывают на перегрузку звукового канала. Изменению уровня сигнала на 6дБ соответствует изменение двоичного порядка на 1, т.е. в 2 раза, что на практике реализуется операцией сдвига.
Например, для цифрового кода каждый разряд соответствует 6дБ, а максимально возможный уровень равен 0dB. Положительные значения показывают на перегрузку звукового канала. При кодировке уровню 0dB соответствует значение цифрового слова со всеми битами, равными 1. Потере уровня на 6дБ соответствует изменение двоичного порядка на 1, т.е. изменение двоичного числа в 2 раза, что реализуется сдвигом на 1 разряд. В случае 16-битного кодирования динамический диапазон цифрового звука составляет 90дБ (таблица 2).
Таблица 2
| Amax/A |  , [дБ]
| Код | |
| 20 | 1111 1111 1111 1111 | ||
| 21 | -6 | 0111 1111 1111 1111 | |
| 22 | -12 | 0011 1111 1111 1111 | |
| 23 | -18 | 0001 1111 1111 1111 | |
| 24 | -24 | 0000 1111 1111 1111 | |
| … | … | … | … |
| 214 | 16 384 | -84 | 0000 0000 0000 0011 |
| 215 | 32 768 | -90 | 0000 0000 0000 0001 |
Изменение уровня громкости звука относительно порога слышимости с давлением A0 указывает на абсолютный уровень громкости, измеренный в единицах дБ SPL (sound pressure level). Звуковое давление, соответствующее порогу слышимости на частоте 1кГц, равно А0=2*10-5[Па], т.е. 20мкПа. Акустическая мощность, соответствующая порогу слышимости на частоте 1кГц, равна Р0=10-6 микроватт, т.е. 10-12 ватт.
Например, при А=2*10-3[Па] (что соответствует P=3*10-8Вт) 20lg(A/A0)=20lg(2*10-3/2*10-5)=20lg(102)=40dBSPL, тогда как 10lg(P/P0)=10lg(3*10-8/10-12)=10lg(3*104)= 10[lg3+lg104]=45dB.
В таблице 3 приведена оценка звука в различных единицах.
Таблица 3
| Наименование | дБ SPL | Па | Вт | дБ |
| Порог слышимости | 0.00002 | 10-12 | ||
| Тихий шелест листьев | 0.000062 | 3*10-11 | ||
| Шепот на расстоянии 1м | 0.0002 | 3*10-10 | ||
| Студия звукозаписи | 3*10-9 | |||
| Шум в квартире | 0.002 | 3*10-8 | ||
| Шум в учреждении | 0.0062 | 3*10-7 | ||
| Аплодисменты | 0.02 | 3*10-6 | ||
| Шум на улице | 0.2 | 3*10-4 | ||
| Шум в метро во время движения | 3*10-3 | |||
| Ниагарский водопад | 3*10-2 | |||
| Гром | 3*10-1 | |||
| Порог звуковых ощущений | ||||
| Болевой порог | 3*102 | |||
| Реактивный самолет | 2*103 | 3*104 | ||
| Грохот пушки | 2*106 | 3*1010 |
Разница между минимальным и максимальным уровнями различимых звуковых ощущений называется динамическимдиапазоном слуха, который составляет приблизительно 120дБ. Болевой порог соответствует звуковому давлению 200Па (на частоте 1кГц).
Кроме звукового давления громкость звука зависит от частоты звуковых колебаний, их формы, длительности воздействия и другие факторов. Поэтому в акустике применяются также модифицированные системы измерения громкости звука, учитывающие особенности психоакустического восприятия.
