Как связаны громкость и сила звука

Как связаны громкость и сила звука

Силой звука называется величина, измеряемая количеством энергии, ежесекундно протекающей через площадку в 1 см 2 , перпендикулярную к направлению звуковой волны.

Силу звука измеряют в эрг / см 2 · сек или в дж / м 2 сек.

Силе звука соответствует ощущение громкости, подобно тому, как частоте колебаний – высота тона.

Сила звука и громкость – понятия неравнозначные. Сила звука характеризует физический процесс независимо от того, воспринимается ли он слушателем или нет, громкость же – субъективное качество звука.

Рассмотрим теперь, от чего зависит сила звука, а следовательно, и его громкость. Запишем для этого колебания камертона последовательно несколько раз с некоторыми промежутками во времени. Звук камертона постепенно затихает, и это сейчас же отражается на графике его колебаний.

Как видно из графиков 1, 2, 3, период колебаний камертона не менялся: гребни и впадины на всех трёх графиках одинаково часты. Но по мере ослабления звука уменьшалась амплитуда колебаний. У самого сильного звука амплитуда была наибольшей (график 1); когда звук стал почти неслышимым, амплитуда колебаний оказалась маленькой (график 3). Когда камертон перестанет колебаться, график обратится в прямую линию.

Таким образом, мы видим, что сила звука связана с амплитудой колебаний.

Чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее звук, чем меньше амплитуда, тем звук слабее.

Когда какое-нибудь тело звучит, то оно приводит в колебание окружающие частицы среды (например, частицы воздуха) и отдаёт им при этом часть своей энергии. Запас энергии в звучащем теле уменьшается, уменьшается амплитуда его колебаний, ослабевает звук.

При распространении в среде звук ослабевает по мере удаления от источника. Вся энергия, которая сначала была сосредоточена около одного центра – источника звука, по мере удаления от него будет распределяться на всё большее и большее число частиц среды; на долю каждой частицы будет приходиться всё меньше и меньше энергии. При распространении звуковых волн в изотропной среде поверхность распространяющейся волны будет сферой с центром О, практически совпадающим с источником звука. Поверхность сферы будет возрастать пропорционально квадрату расстояния от источника. Энергия, приходящаяся на каждую единицу площади поверхности сферы, будет изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Отсюда сила звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Меняется при этом и связанное с этой величиной ощущение громкости, что каждому известно из опыта.

Если направить звук вдоль трубы с одним и тем же поперечным сечением, то в этом случае распространяющийся звук почти не теряет своей силы. Малое ослабление звука с расстоянием можно наблюдать и в длинных узких коридорах.

Часто для переговоров на расстоянии применяются конусообразные трубы – рупоры. Рупор не даёт звуковым волнам рассеиваться во все стороны и заставляет их идти в одном направлении. Рупором можно воспользоваться также для того, чтобы собрать рассеянные звуковые волны. Приложим рупор к уху его узкой стороной, и звуки усилятся. На ухо действует вся энергия, пришедшая к внешней, широкой стороне рупора. Во сколько раз внешнее отверстие рупора по площади больше отверстия уха, во столько раз усилится и звук.

Наше ухо снабжено собственным рупором – ушной раковиной. Иногда, чтобы улавливать слабые звуки, мы увеличиваем этот рупор, прикладывая руку к ушной раковине.

Человеческое ухо обладает исключительной чувствительностью: оно улавливает звуки, которые в миллион раз слабее человеческого голоса обычной громкости. С другой стороны, человек привыкает переносить и такие сильные звуки, как артиллерийская канонада.

Однако наше ухо оказывается неодинаково чувствительным к звукам разной частоты: наиболее чувствительно оно к тонам, лежащим в пределах 1000–3000 гц. Чтобы звук был услышан в условиях наибольшей чувствительности (около 2000 гц), звуковые волны, как показывают современные измерения, должны приносить к уху за каждую секунду энергию не менее 5 триллионных долей эрга. Амплитуда колебаний частиц воздуха при этом оказывается меньше одной десятимиллиардной миллиметра. Интересно, что чувствительность глаза к энергии света такого же порядка, как и чувствительность уха к энергии звука.

Читайте также:  Как вытащить штекер из гнезда ноутбука

Звуки как явление физическое являются результатом колебательных движений воздушной среды. Звуки речи представляют собой частный случай звуков вообще: это звуки, производимые произносительным аппаратом человека и воспринимаемые его слуховыми органами. Источники звуков речи разделяются на голосовые и шумовые. Голосовой источник возникает при колебании голосовых связок; он порождает гласные и звонкие согласные. Колебания голосовых связок являются периодическими (точнее — приблизительно периодическими). Шумовые источники представлены двумя типами. Турбулентный источник возникает при сужении в каком-либо месте речевого тракта, когда по нему проходит воздушная струя. Таким способом образуются щелевые согласные. Импульсный источник возникает при резком раскрытии смычки произносительных органов, что порождает короткий, резкий щелчок, характеризующий образование взрывных согласных.

Акустические характеристики звуков речи

При описании звуков речи рассматривают как объективные свойства колебательных движений — их частоту, силу, спектральный состав, так и те звуковые ощущения, которые так или иначе соответствуют этим свойствам, — высоту, громкость, тембр. Таким образом, у звуков речи имеются объективные характеристики, не зависящие от восприятия, и субъективные характеристики, обусловленные тем, что звуки воспринимаются человеком.

Частота и высота звука

Частота звука определяется числом колебаний голосовых связок. Чем чаще происходят колебания, тем больше частота звука. Частота колебаний голосовых связок зависит от их массивности — длины и толщины. Чем длиннее и толще связки, тем меньше колебаний они совершают. У мужчин связки длиннее и толще, поэтому и голоса у них, как правило, ниже, чем у женщин. Единицей измерения частоты колебаний служит герц (Гц). Так, звук частотой 200 Гц образуется при 200 колебаниях в секунду. Ухо человека способно воспринимать звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. В то же время частотные характеристики звуков человеческой речи располагаются примерно в пределах от 50 до 10 000 Гц.

Среди звуков речи различаются тоны и шумы. Звуки, возбуждаемые периодическими колебаниями, являются тонами; возбуждаемые непериодическими колебаниями — шумами. Гласные звуки — это в основном тоны, согласные — шумы. Периодическими являются колебания, периоды которых равны. Периодом колебания называется отрезок времени, за который совершается одно полное колебание.

Высота звука есть ощущение его частоты. Звуки, характеризующиеся большей частотой, воспринимаются как более высокие. Единицей измерения высоты звука является мел. В целом ощущение высоты звука растет с увеличением его частоты. До частоты 500 Гц высота строго пропорциональна числу колебаний. Так, звук в 200 Гц по сравнению со звуком в 100 Гц воспринимается как более высокий в два раза. После частоты 500 Гц и особенно 1000 Гц ощущение высоты отстает от объективной частоты, т.е. звук частотой, например, 10 000 Гц по сравнению со звуком 1000 Гц оценивается как более высокий, но не в десять раз, а только в три раза.

Сила (интенсивность) и громкость звука

Сила звука определяется амплитудой (размахом) колебательных движений источника звука — голосовых связок. Чем больше амплитуда, т.е. отклонение колеблющегося тела от исходной точки (точки покоя), тем интенсивнее звук. В зависимости от амплитуды изменяется звуковое давление, добавочное к атмосферному, на барабанные перепонки. Оно измеряется силой, действующей на единицу площади. Минимальная сила звука, воспринимаемая слухом при данной частоте, называется порогом слышимости, максимальная сила — порогом болевого ощущения. Этими порогами снизу и сверху ограничена область слухового восприятия человека. Силу звука в акустике принято измерять в условных единицах — децибелах (дБ). Для частоты 1000 Гц уровень силы звука, соответствующего порогу слышимости, равен 0 дБ, а соответствующего порогу болевого ощущения — 130 дБ. Звуковое давление на втором пороге при той же частоте в три миллиона раз превышает давление на первом пороге.

Читайте также:  Как узнать интернет провайдера в доме

Сила звука (объективная характеристика) оценивается слухом как его громкость (субъективная характеристика). Увеличение звукового давления (силы) приводит к увеличению громкости, уменьшение силы — к уменьшению громкости. Между силой звука и громкостью существует довольно сложная зависимость, определяемая частотой. Звуки, одинаковые или близкие по силе, но различные по частоте, могут восприниматься как звуки различной громкости. Так, звуки с частотой от 1000 до 3000 Гц воспринимаются как более громкие, чем звуки с частотой 100—200 Гц. Наоборот, как равногромкие воспринимаются, например, звуки силой 40 и 80 дБ при частоте соответственно 1000 и 2000 Гц. В пределах частотного диапазона (от 100 до 8000 Гц), в котором располагаются звуки человеческой речи, уровни громкости и силы различаются незначительно. Поэтому громкость часто характеризуют лишь через уровень силы. Вот примерные характеристики некоторых звучаний: порог слышимости — 0 дБ, тиканье ручных часов — 20 дБ, шепот — 40 дБ, речь вполголоса — 60 дБ, громкая речь — 80 дБ, симфонический оркестр — 100—110 дБ, порог болевого ощущения —130 дБ.

Спектр и тембр звука

Объективной характеристикой звука является спектр. Но мы подойдем к этому понятию, идя от более традиционного и более ясного понятия "тембр". Оно основывается на понятиях сложного звука и резонанса.

Голосовые связки человека можно сравнить со струнами. При колебании струны как единого целого возникает тон, называемый основным тоном. Он характеризуется наибольшей силой и самой низкой частотой, которую может издавать струна. Но одновременно с колебанием целой струны колеблются и ее части: половина, треть, четверть и т.д. При этом возникают тоны, которые в два, три, четыре и т.д. раза выше основного тона; они называются обертонами. У звука с частотой основного тона 100 Гц обертоны будут в 200, 300, 400 Гц и т.д. Из сочетания основного тона и обертонов создаются сложные звуки. Именно сложные звуки порождаются голосовыми связками.

Другая причина возникновения сложных звуков заключается в явлении резонанса, т.е. в способности полых (пустых внутри) тел, называемых резонаторами, в силу того, что они имеют собственную частоту колебаний, реагировать на частоты, порождаемые источником звука — голосовыми связками. Резонаторы в основном усиливают обертоны, составляющие сложный звук, но могут и избирательно ослаблять их. Таким образом, у звука с частотой основного тона в 100 Гц могут оказаться усиленными и одновременно ослабленными разные обертоны. В итоге возникают такие сложные звуки, которые характеризуются различным тембром. Соотношение относительной силы основного тона и накладывающихся на него обертонов создает гармоническую структуру звука, которая определяет его тембр. Тембр звука надо отличать от тембра голоса, который индивидуален для каждого человека.

Сложный звук, возникший в гортани в процессе артикулирования вследствие постоянного изменения конфигурации надгортанных резонаторных полостей (глотки и рта) определенным образом видоизменяется: одни его составляющие усиливаются, другие ослабляются. Полость носа также является резонатором, но она свою конфигурацию не меняет. В силу особенностей устройства речевых резонаторов они реагируют не на конкретные частоты, а на области, полосы частот, например полосы от 1000 до 2000 Гц. Области усиления частот, или иначе — области концентрации звуковой энергии, называются формантами. Формантная структура звука определяет его спектр. Ею характеризуются главным образом гласные, причем наиболее непосредственно их лингвистические характеристики связаны с частотным положением нижних формант — 1-й и 2-й. Спектр звука в определенной степени влияет на субъективное восприятие тембра. Понятие спектра было введено в акустику по аналогии со спектром света в оптике. Разработка спектрального анализа звуков началась в 1920—1930-х гг. в связи с развитием электроакустической, а позднее электронной и компьютерной техники.

Читайте также:  Графический планшет genius mousepen i608x отзывы

Амплитуда колебаний в нашем восприятии соответствует громкости звука:

Существуют различные способы физического (а не математического) выражения амплитуды звуковых колебаний, использующиеся в разных областях:

  • Интенсивность звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность (точнее, это мощность на единицу площади), переносимую звуковой волной в направлении её распространения. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ).
  • Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).
  • Громкость звука (Уровень звукового давления, SPL или sound pressure level) — воспринимаемая относительная сила звука. Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. На громкость звука также влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Интенсивность звука и Звуковое давление находятся в квадратичной зависимости, точнее:

где I — интенсивность звука, Вт/м 2 ;
p — звуковое давление, Па;
Zs — удельное акустическое сопротивление среды;
<>t — усреднение по времени.

Измерение громкости

Громкость звука является относительной величиной и определяется как измеренное по относительной шкале значение звукового давления, соотнесённое с опорным давлением PSPL = 20 мкПа, соответствующим порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ, dB) — относительная единица, подобная кратности или, например, процентам.

Величина, выраженная в децибелах, равна десятичному логарифму отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за точку отсчета, умноженному на десять (умножение на 10 переводит белы в децибелы):

где AdB — величина в децибелах, A — измеренная физическая величина, A — величина, принятая за точку отсчета.

В приведенной формуле дБ используется для оценки отношения интенсивности звука, однако, чаще для этого используется звуковое давление.

Таким образом, когда мы говорим о громкости звука в децибелах, мы имеем в виду отношение значения его звукового давления к «нулевой» или «опорной» величине (условный 0 дБ), которая составляет 20 мкПа и соответствует стандартному порогу слышимости (порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц). В этом случае используется формула:

В основном формула аналогична приведенной выше, только в качества точки отсчета указано 20 мкПа, а вместо 10 логарифм умножен на 20 (т.е. на 10 и на 2). Это отражает уже упомянутую выше квадратичную зависимость силы звука и звукового давления и используется формула lg x n = n · lg x. (Важнейшая особенность белов состоит в том, что они применяются только к отношению двух мощностей или двух энергий. Если же есть необходимость описания отношения двух амплитудных сигналов, например, напряжений, то возможно лишь опираться на отношение мощностей, ассоциированных с этими напряжениями. Мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока, а, например, сила звука — звукового давления. Порой неочевидно, что считать амплитудной величиной, а что энергетической. Напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов считаются амплитудными величинами. Когда происходит измерение в децибелах, то вычисляется логарифм отношения квадратов этих величин. Энергия, мощность и интенсивность являются энергетическими величинами, и в отношении логарифма они используются непосредственно.)

Приведем некоторые соответствия значений в децибелах увеличению звукового давления относительно порога слышимости:

6 дБ → в 2 раза (lg(2) = 0,30102999566),
9,5 дБ → в 3 раза (lg(3)= 0,47712125472),
12 дБ → в 4 раза (lg(4)= 0,60205999132),
20 дБ → в 10 раз (lg(10)= 1).

Таким образом, любое удвоение величины звукового давления выражается в увеличении его уровня на 6 дБ, как видно из следующей таблицы:

Отношение силы звука или электрической мощности ("энергетические" величины)

Отношение звукового давления, напряжения или тока ("амплитудные" величины)

Ссылка на основную публикацию
Как самостоятельно оцифровать видеокассету
На сегодняшний день эра видеокассет безоговорочно подошла к концу, а на ее место пришли цифровые носители. Что делать в том...
Как продать свои услуги в интернете
Как продавать свои услуги в Интернете запись закреплена Ваши первые клиенты уже через 30 дней – и больше пользы людям!...
Как продлить срок службы аккумулятора телефона
Сегодня литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы являются самыми распространенными в мобильных устройствах.Они обладают целым рядом преимуществ по сравнению с...
Как сбросить биос джампером
Настройки базового оборудования и времени вашего компьютера хранятся в БИОС и, если по какой-то причине у вас возникли проблемы после...
Adblock detector