Звук как психофизическое явление

Звук в широком смысле – упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле – явление, субъективно воспринимаемое органом 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:

Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов.

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

Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором), и сложным (издаваемым, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).

Акустический спектр. Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тона). Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону, а остальные – обертонам, или гармоникам. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте.

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

Обычно наибольшая амплитуда спектра соответствует основному тону. Именно он воспринимается ухом как высота звука (см. ниже). Обертона создают «окраску» звука. Звуки одной и той же высоты созданные разными инструментами воспринимаются ухом по-разному именно из-за различного соотношения между амплитудами обертонов. Сложные тоны имеют дискретный спектр.

Шум – это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную зависимость, и представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума – сплошной (шорох, скрип).

При восприятии звука таким физическим характеристикам, как частота и спектральный состав, соответствуют психофизические характеристики: высота тона и тембр. Рассмотрим теперь, какой субъективной характеристике соответствует интенсивность звука. Органы слуха человека и животных могут воспринимать акустические колебания не только в определенном диапазоне частот, но и в ограниченном диапазоне интенсивностей. Так, человеческое ухо воспринимает звуки с интенсивностью не менее 10^–12 Вт/м². Эта чувствительность соответствует биологическому пределу. Если бы мы ощущали звуки с интенсивностями на один-два порядка меньше, то у нас в ушах стоял бы постоянный шум, вызванный ударами молекул о барабанную перепонку, и передача информации была бы невозможна. Максимальная интенсивность колебаний, воспринимаемая субъективно как звук, равна примерно 10 Вт/м² и называется болевым порогом, поскольку вызывает болевые ощущения. Еще большие интенсивности звука приводят к повреждениям органа слуха.

Различие между минимальной воспринимаемой человеком интенсивностью звука I ₀ и интенсивностью звука, вызывающего боль, I _б очень велико (I _б êI ₀ = 10¹³), и чтобы при измерениях интенсивностей не оперировать с очень малыми или очень большими числами, удобно пользоваться логарифмами чисел. В связи с этим введена величина уровня интенсивности звука, равная десятичному логарифму отношения интенсивности исследуемого звука I к интенсивности I ₀ на пороге слышимости

Уровень интенсивности звука измеряют в белах. Из этого следует, что при I =10 I ₀, L= 1 Б. Следовательно, бел – есть единица шкалы уровней интенсивности звука, соответствующая изменению интенсивности в 10 раз. Обычно применяют единицу в 10 раз меньшую, называемую децибелом (дБ); тогда формула (2.17) принимает вид

Если L = 1 дБ, то I êI ₀ = 1,26. Таким образом, децибел соответствует таким двум уровням, интенсивности которых отличаются в 1,26 раза. Поскольку отношение интенсивностей, соответствующих болевому порогу и порогу слышимости 10¹³, то шкала уровней интенсивности звука может быть разделена на 130 дБ.

Часто в акустике вместо уровней интенсивности звука используют уровни акустического давления.

Используемый в акустике логарифмический масштаб является не просто удобным средством представления интенсивностей, отличающихся друг от друга в миллионы и миллиарды раз, но отражает важную биологическую закономерность, присущую нашим органам чувств (слуху, зрению, обонянию, осязанию). Согласно закону Вебера – Фехнера прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых раздражений.

Если бы чувствительность уха была одинаковой для звуков разных частот, то область слышимости на графике зависимости воспринимаемой интенсивности от частоты звука была бы прямоугольником (см. рис.). Однако чувствительность уха максимальна лишь в диапазоне частот от 1 до 3 кГц, а для остальных частот она значительно меньше. Болевой порог тоже не одинаков для разных частот. В результате область слышимости ограничена как сверху, так и снизу причудливыми кривыми (рис.). Эти кривые получены на основании измерений, проведенных с людьми, обладающими наиболее чувствительными органами слуха. Для большинства людей область слышимости меньше; для многих частотная граница наступает при 18, 15 и даже при 10 кГц. Интенсивность в 10^–12 Вт/м² также ощущается далеко не всяким человеком. С возрастом область слышимости сужается. При повреждении уха она может стать совсем маленькой, а при глухоте сжимается в точку. При воздействии звуками большой интенсивности в определенной области частот могут быть повреждены волоски улитки, соответствующие этим частотам, человек становится частично глухим, а кривая слышимости деформируется.

Исследования последних лет показали, что области слышимости у крупного рогатого скота и у кур мало отличаются от области слышимости у человека. Однако у многих животных области слышимости значительно сдвинуты вправо, т.е. в сторону более высоких частот. Так, собаки воспринимают звуки с частотами до 30 кГц, комары и летучие мыши – до 60 кГц и более.

Интенсивность звука измеряют приборами, называемыми шумомералш (рис.). Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический, регистрируемый стрелочным электроизмерительным прибором, шкала которого проградуирована в децибелах. Шумомер снабжен переключателем, позволяющим регистрировать звуки, как слабые, так и сильные, в пределах от 20 до 130 дБ. Однако при пользовании этим прибором возникают определенные трудности. Допустим, мы измеряем звук с интенсивностью 10^–10 Вт/м² (20 дБ). Если частота звука в одном случае была 100, а в другом – 1000 Гц, то мы получаем точки соответственно М и К. В одном случае звук слышим, а в другом – неслышим. Если звук имеет сложный спектральный состав, то ощущение, вызываемое этим звуком, при одном и том же значении интенсивности зависит от того, какая часть спектра находится внутри области слышимости, а какая вне этой области. Например, чтобы звуки с частотами 60 и 1500 Гц мы ощущали одинаково громкими, уровень интенсивности первого из них должен быть на 40 дБ больше, чем у второго, а интенсивность больше в 10000 раз. В связи с этим шумомеры снабжают специальными корректирующими устройствами, которые позволяют приблизить их частотные характеристики к области слухового восприятия; эти устройства снижают чувствительность шумомера в области низких и высоких частот. Корректировка может быть выполнена по-разному, и в соответствии с этим шумомеры имеют коррекции, обозначаемые буквами А, В, С и D. Не вдаваясь в подробности, укажем лишь, что в настоящее время почти повсеместно для ориентировочной оценки пользуются суммарным уровнем интенсивности звука, измеренным с коррекцией А (на шумомерах имеются соответствующие переключатели). Результаты измерений выражают в децибелах-А (дБА). Увеличение уровня интенсивности звука на 10 дБА соответствует удвоению ощущаемой громкости, что находится в соответствии с законом Вебера – Фехнера. В таблице приведены приблизительные значения уровней интенсивности некоторых шумов независимо от их спектрального состава. Уровень интенсивности звука характеризует звук только с физической точки зрения. Для оценки субъективного восприятия звука ведены понятия громкости (G) и уровня громкости (L_G), которые учитывают зависимость порога слышимости от частоты. Человек может довольно точно установить равенство громкостей двух звуков любого частотного состава. На этом свойстве человеческого уха основано понятие уровня громкости, измеряемого в фонах. За эталон уровня громкости принимают уровень интенсивности чистого тона с частотой 1 кГц.

Таким образом, L_G (в фонах) = L (в децибелах) при n _o= 1 кГц. За уровень громкости любого другого звука L_G (n) принимают уровень интенсивности равногромкого с ним тона с частотой 1 кГц,

Чтобы определить уровень громкости произвольного звука, надо взять тон с частотой 1 кГц и изменять его интенсивность до тех пор, пока его громкость не станет одинаковой с громкостью определяемого звука. Уровень интенсивности этого тона в децибелах будет численно равен уровню громкости определяемого звука в фонах. Проводя опыты со многими людьми, обладающими нормальным слухом, и усредняя полученные результаты, удалось получить стандартные кривые равной громкости для различных частот (рис.). Каждая кривая соответствует определенной громкости в фонах, и при частоте 1 кГц она проходит через ординату с тем же числом децибел. Пользуются этими кривыми следующим образом. Предположим, мы слышим гудок фабричной трубы с частотой 80 Гц. Измеряя шумомером уровень интенсивности звука, мы получим 68 дБ. Находим на графике точку К с координатами 80 Гц и 68 дБ. Через эту точку проходит кривая громкости, соответствующая 50 фонам. Таким образом, слышимая громкость равна 50 фонам.

Причина наибольшей чувствительности уха в области 3 кГц. Звук поступает в систему через наружный слуховой канал, который является закрытой с одной стороны акустической трубой длиной L = 2,5 см. Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки. В результате интерференции падающей и отраженной волны образуется стоячая волна. Возникает акустический резонанс. Условия его появления: длина волны в 4 раза больше длины воздушного столба в слуховом проходе. При этом столб воздуха внутри канала будет резонировать на звук с длиной волны, равной четырем его длинам: l = 4 L = 4·0,025 = 0,1 м. Частота, на которой возникает акустический резонанс 3 кГц. Этот резонансный эффект объясняет тот факт, что человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне приблизительно 3 кГц (см. кривые равной громкости).