6.1. ЗвукДля большинства из нас звук является привычным явлением, мы постоянно его слышим. Однако, если попытаться дать точное определение звуку, то быстро выясниться, что сделать это можно с двух различных точек зрения. Интуитивное определение: звук, это ощущения, воспринимаемые нашим ухом и интерпретируемые мозгом определенным образом. Научное определение: звук это колебание среды. Он распространяется в среде с помощью волн давления посредством колебания атомов и молекул. Обычно, мы слышим звук, который распространяется в воздухе и колеблет наши барабанные перепонки. Однако звук может распространятся и во многих других средах. Морские животные способны издавать звуки в воде и откликаться на них. Бели ударить молотком по концу металлического рельса, то в нем возникнут звуковые колебания, которые можно обнаружить на другом конце. Хорошие звуковыми изоляторами разрежены, а наилучшим изолятором служит вакуум, в котором отсутствуют частицы, способные колебаться и передавать возмущения. Одновременно звук можно считать волной, даже если ее частота может все время меняться. Эта волна является продольной; в ней направление возмущения совпадает с направлением распространения волны. Наоборот, электромагнитные волны и волны в океане являются поперечными. Их колебания направлены перпендикулярно движению волны. Как и любая волна, звук имеет три важных атрибута, а именно, скорость, амплитуду и период. Частота волны не является независимым атрибутом, она равна числу периодов волны за единицу времени (одну секунду). Единицей частоты служит герц (Гц). Скорость звука зависит от свойств среды, в которой он распространяется, а также от температуры. В воздухе на уровне моря (при давлении в одну атмосферу) и при температуре 20° по Цельсию скорость звука равна 343.8 метров в секунду. Человеческое ухо способно воспринимать звук в широком диапазоне частот, обычно, от 20 Гц до 22000 Гц, что зависит от возраста и состояния здоровья человека. Это, так называемый, диапазон слышимых частот. Некоторые животные, например, собаки и летучие мыши, могут слышать звук более высокой частоты (ультразвук). Простое вычисление дает периоды слышимых звуков. При частоте 22000 Гц период равен около 1.56 см., а при 20 Гц он равен 17.19 м. Амплитуда звука также важна. Мы воспринимаем ее как громкость. Мы слышим звук, когда молекулы начинают ударять по барабанным перепонкам в ушах и оказывают на них определенное давление. Молекулы перемещаются вперед-назад на крошечное расстояние, которое соотносится с амплитудой, но не с периодом звука. Период звука может быть равен нескольким метрам, а молекулы при этом смещаются на миллионные доли сантиметра в своих колебаниях. Таким образом, устройство регистрации звуков должно иметь весьма чувствительную диафрагму, чтобы улавливать давление звуковой волны и переводить их в электромагнитные колебания, которые затем будут преобразовываться в цифровую форму. Сложности с измерением интенсивности звука связаны с тем, что наше ухо чувствительно к весьма широкому диапазону уровней громкости (амплитуде) звука. Уровень грохота пушки и уровень комариного писка может различаться на 11-12 порядков. Если мы обозначим уровень наименьшего слышимого звука (порог слышимости) за 1, то уровень грохота пушки будет равен Единица измерения в 1 децибел (дБ) определяется как десятичный логарифм частного между двумя физическими величинами, для которых единицей измерения служит мощность (энергия в единицу времени). Этот логарифм следует умножить на 10 (Если не делать этого, то получится единица, называемая «бел», которая, впрочем, была давно отброшена в пользу единицы «децибел»). Итак, получаем
где Децибел - это логарифм частного двух величин. В числителе стоит мощность (это где-то в районе порога болевого ощущения; см. рис. 6.1), а наушники, вырабатывающие
Рис. 6.1. Шкала уровней звука в единицах дБ PSL. В теории электричества существует простое соотношение между (электрической) мощностью На практике не всегда имеется доступ к источнику звука для измерения электрической мощности на выходе. Держа в руках измеритель децибелов звука, можно оказаться в сложном положении при измерении уровня шума вокруг себя. Измеритель децибелов определяет давление
Нулевой уровень, измеренный в единицах, дБ PSL соответствует величине
Табл. 6.2. Уровни различных звуков в единицах мощности и давления. Чувствительность уха человека к уровню звука зависит от его частоты. Из опытов известно, что люди более чувствительны к звукам высокой частоты (поэтому сирена воет высокими тонами). Можно слегка модифицировать систему дБ SPL, чтобы она сильнее зависела от высоких частот и слабее от низких. Такая система называется стандартом dBA. Существуют также стандарты дБВ и дБС для измерения уровня шума. (В электротехнике применяются также стандарты dBm, dBraO и dBrn; см., например, [Shenio 95]). Из-за применения функции логарифм величины, измеренные в децибелах, нельзя складывать. Если трубач заиграет после концерта на своей трубе, извлекая звуки, скажем в 70 дБ, а затем к нему присоединится второй музыкант, играя на тромбоне с таким же уровнем звука, то (бедный) слушатель получит удвоение интенсивности звука, но этому будет соответствовать уровень лишь в 73 дБ, а не в 140 дБ. В самом деле, если
то
Удвоение интенсивности шума приводит к увеличению уровня на 3 единицы (при использовании единиц SPL это число следует удвоить). Более подробные сведения о звуке, его свойствах и измерении можно почерпнуть из [Shenoui 95].
|