8417 0

Neatkarīgi no tā, kāda pētījuma metode tiek izmantota dzirdes funkciju audioloģiskajā izpētē, idejas par skaņas signālu pamata fiziskajām īpašībām ir būtiskas. Zemāk mēs iepazīstināsim tikai ar visvienkāršākajiem akustikas un elektroakustikas jēdzieniem.

Skaņas viļņa izplatīšanās ātruma vērtības dažādās temperatūrās

Skaņa dabā izplatās elastīgas vides laikā mainīga traucējuma veidā. Šādas elastīgas vides daļiņu oscilējošās kustības, kas rodas skaņas ietekmē, sauc par skaņas vibrācijām, un skaņas vibrāciju izplatīšanās telpa rada skaņas lauku. Ja vide, kurā izplatās skaņas vibrācijas, ir šķidra vai gāzveida, tad daļiņas šajās vidēs svārstās pa skaņas izplatīšanās līniju un tāpēc tās parasti uzskata par garenvirziena vibrācijām.

Skaņai izplatoties cietās vielās, kopā ar garenvirziena vibrācijām tiek novērotas arī šķērsvirziena skaņas vibrācijas. Protams, vibrāciju izplatībai vidē ir jābūt noteiktam virzienam. Šo virzienu sauc par skaņas staru kūli, un virsmu, kas savieno visus blakus esošos skaņas viļņa punktus ar vienādu vibrācijas fāzi, sauc par skaņas viļņa priekšpusi. Turklāt skaņas viļņi dažādos medijos pārvietojas ar dažādu ātrumu. Jāņem vērā, ka ātruma vērtību nosaka vides blīvums, kurā skaņas vilnis izplatās.

Informācija par skaņas vides blīvuma vērtībām ir ļoti nozīmīga, jo šis blīvums rada noteiktu akustisko pretestību skaņas viļņa izplatībai. Skaņas viļņa izplatīšanās ātrumu ietekmē arī vides temperatūra: paaugstinoties vides temperatūrai, palielinās skaņas viļņa izplatīšanās ātrums.

Galvenās skaņas fizikālās īpašības audioloģiskai izmeklēšanai ir tās intensitāte un frekvence. Tāpēc tie tiks aplūkoti sīkāk.

Lai pārietu uz skaņas intensitātes fizisko raksturlielumu, vispirms ir jāņem vērā vairāki citi skaņas signālu parametri, kas saistīti ar to intensitāti.

Skaņas spiediens - p(t) - raksturo spēku, kas iedarbojas uz apgabalu, kas atrodas perpendikulāri daļiņu kustībai. SI sistēmā skaņas spiedienu mēra ņūtonos. Ņūtons ir spēks, kas 1 s laikā 1 kg masai piešķir paātrinājumu 1 m/s un iedarbojas uz 1 kvadrātmetru, saīsināti N/m2.

Literatūrā ir dotas arī citas skaņas spiediena mērvienības. Tālāk ir norādīta galveno izmantoto vienību attiecība:

1N/m2-10 dyne/cm2 = 10 µbāri (mikrobāri)

Akustisko vibrāciju enerģija (E) raksturo daļiņu enerģiju, kas pārvietojas skaņas spiediena ietekmē (mēra džoulos - J).

Enerģija uz laukuma vienību raksturo akustisko blīvumu, ko mēra J/m2. Skaņas vibrāciju faktiskā intensitāte tiek definēta kā akustiskās plūsmas jauda vai blīvums laika vienībā, t.i. J/m2/s vai W/m2.

Cilvēki un dzīvnieki uztver ļoti plašu skaņas spiedienu diapazonu (no 0,0002 līdz 200 μbar). Tāpēc mērījumu ērtībai ir ierasts izmantot relatīvās vērtības, proti, decimāldaļas vai naturālo logaritmu skalas. Skaņas spiedienu mēra decibelos un belos (1B = 10 dB), ja izmanto logaritmus ar decimāldaļu. Dažkārt (diezgan reti) skaņas spiedienu mēra neneros (1Нн = 8,67 dB); šajā gadījumā tiek izmantoti naturālie logaritmi, t.i. logaritmi nav ar decimāldaļām (kā tas ir ar B un dB), bet ar binārajām bāzēm.

Tomēr jāatzīmē, ka reitings belos un decibelos tika ņemts par jaudas attiecības logaritmisko mēru. Tikmēr jauda un intensitāte ir proporcionāla skaņas spiediena kvadrātam. Tāpēc dienā, kad pāriet uz skaņas intensitāti, tiek izveidotas šādas attiecības:

kur N ir intensitāte vai skaņas spiediens (P) bellos (B) vai decibelos (dB), I0 un P0 ir parasti pieņemti intensitātes un skaņas spiediena nolasīšanas līmeņi. Parasti skaņas spiediena nolasīšanas līmenis (literatūrā bieži tiek lietots saīsinājums “USD”, sākot no vārdu “skaņas spiediena līmenis” sākuma burtiem un angļu valoda Izmantotais saīsinājums ir “SPL” (no identiskā izteiciena “Skaņas spiediena līmenis”) un tiek uzskatīts par 2x10-5 N/m2. Attiecība starp ultraskaņu un citām skaņas intensitātes vienībām ir šāda:

2x10-5 N/m2=2x10-4din/cm2=2x10-4 µbāri

Tagad apskatīsim skaņas signālu frekvences akustiskās īpašības. Vairumā gadījumu dzirdes funkcijas pārbaudei tiek izmantoti harmoniskie skaņas signāli.

Harmoniskajam skaņas signālam (citādi sinusoidālam vai tīram signālam), kuram papildus skaņas spiedienam ir arī toņa signāla ieslēgšanas sākuma fāze, ir raksturīgs tik svarīgs fizikāls raksturlielums kā viļņa garums. Visiem harmoniskajiem audio signāliem (vai tīrajiem toņiem) ir periodiskums (ti, periods T). Šajā gadījumā skaņas viļņa garums tiek definēts kā attālums starp blakus esošajām viļņu frontēm ar vienādu svārstību fāzi, un to aprēķina pēc formulas:

J = c x T

Kur c ir skaņas vibrāciju izplatīšanās ātrums (parasti m/s), I ir to periodiskums. Šajā gadījumā skaņas vibrāciju frekvence (f) atbilst formulai:

f = J/T

Toņa frekvenci nosaka pēc skaņas vibrāciju skaita sekundē un izsaka hercos (saīsināti kā Hz). Pamatojoties uz cilvēka uztverto skaņas vibrāciju frekvenču diapazonu, frekvences diapazonā no 20 līdz 20 000 Hz sauc par skaņas frekvencēm, par zemākām frekvencēm (f< 20 Гц) называют инфразвуками, а более высокие (f >20000 Hz) - ultraskaņas.

Savukārt tīri praktisku apsvērumu dēļ klāsts audio frekvences dažreiz tos nosacīti iedala zemos - zem 500 Hz, vidējos - 500-4000 Hz un augstajos - 4000 Hz un augstāk. Ņemiet vērā, ka, lai apzīmētu skaņas vibrācijas no 1000 Hz un vairāk, bieži tiek lietots apzīmējums kiloherts, saīsināts kHz.

Vairāku audioloģiskajos pētījumos izmantoto skaņas signālu formas un spektra shematisks attēlojums:

1 - tonis; 2 - īss skaņas impulss (klikšķis); 3 - trokšņa signāls; 4 - īsa toņa sprādziens; 5 - amplitūdas modulēts signāls (T - amplitūdas modulācijas periods); 6 - frekvences modulēts signāls.

Ja skaņas signāls satur daudz dažādu frekvenču (ideālā gadījumā visas skaņas spektra frekvences), tad parādās tā sauktais trokšņa signāls.

Viena no pacientu audioloģiskās izmeklēšanas metodēm ir akustiskās pretestības mērīšana. Tāpēc ļaujiet mums sīkāk apsvērt citu skaņas signālu fizisko īpašību.

Ir labi zināms, ka, izplatoties vidē, dažādi enerģijas veidi saskaras ar noteiktu pretestību. Iepriekš tika norādīts, ka ar tādu pašu pretestību saskaras akustiskā enerģija, kad skaņas viļņi izplatās iekšā skaļruņu sistēmas Ak. No turpmākās prezentācijas kļūs acīmredzams, ka dzirdes sistēmas perifērās daļas, t.i. Ārējā un vidusauss no fiziskā viedokļa ir tipiskas akustiskās sistēmas, proti, akustiskās skaņas uztvērēji. Tāpēc ir jāņem vērā akustiskās pretestības būtība un īpašības, ņemot vērā skaņas signālu pāreju caur dzirdes sistēmas perifērajām daļām.

Kompleksā akustiskā pretestība jeb akustiskā pretestība ir definēta kā kopējā pretestība akustiskās enerģijas pārejai skaļruņu sistēmās. Akustiskā pretestība ir sarežģīto skaņas spiediena amplitūdu attiecība pret vibrācijas tilpuma ātrumu, un to apraksta ar formulu:

Za = ReZa + ilmZa

Šajā vienādojumā ReZa apzīmē aktīvo akustisko pretestību (citādi sauktu par patieso vai pretestības pretestību), kas ir saistīta ar enerģijas izkliedi pašā akustiskajā sistēmā. Enerģijas izkliede tiek saprasta kā tās izkliede sakārtotu procesu enerģijas (piemēram, skaņas viļņu kinētiskās enerģijas) pārejā nesakārtotu procesu enerģijā (galu galā siltumā). IlmZa vienādojuma otro daļu (tā iedomāto daļu) sauc par akustisko pretestību, ko izraisa inerces spēki vai elastības, atbilstības vai elastības spēki.

Zemāk mēs detalizēti aprakstīsim vidusauss akustiskās pretestības izpētes procedūru ar vairākiem mērījumiem, kas nepieciešami audioloģiskai izmeklēšanai (timpanometrija, pretestības mērījumi).

Ya.A. Altmanis, G. A. Tavartkiladze

Šajā rakstā mēs vēl dziļāk iedziļināsimies dzirdes aparāta struktūrā un it kā “fiziskā” līmenī savienosim to, par ko rakstīju iepriekšējos trīs rakstos. Šodien mēs pieskarsimies tēmai “skaļuma ierobežojums” nākamajos divos rakstos. Jebkura rakstura skaņas signālu var raksturot ar noteiktu fizisko īpašību kopumu: frekvence, intensitāte, ilgums, laika struktūra, spektrs utt. Tie atbilst noteiktām subjektīvām sajūtām, kas rodas, dzirdes sistēmai uztverot skaņas: skaļumu, augstumu, tembru. , sitieni, saskaņas-disonanses , maskēšanās, lokalizācija-stereoefekts utt. Kā zināms, dzirdes sajūtas uztverē nav lineāras! Parasti tas vienmēr ir fizisko parametru komplekss. Piemēram, skaļums ir sajūta, kas rodas no frekvenču kombinācijām, par spektra unikalitāti un pašas skaņas intensitāti.

Tas tika izveidots senos laikosattiecībaspar nelineāro dzirdes uztveri. Tas pārvērtās par likumuVēbers - Fehners - empīrisks psihofizioloģiskais likums, kas sastāv no tā, ka intensitāteJūties proporcionālslogaritms stimula intensitāte.

IN 1834. gads E. Vēbers veica virkni eksperimentu un nonāca pie secinājuma: lai jauns stimuls sajūtās atšķirtos no iepriekšējā, tam ir jāatšķiras no sākotnējā par summu, kas ir proporcionāla sākotnējam stimulam. Pamatojoties uz šiem novērojumiemG. Fehners V 1860. gads formulēja "pamata psihofizisko likumu", saskaņā ar kuru sajūtas spēksproporcionāls stimula intensitātes logaritmam. Piemēram: lustra ar 8 spuldzēm mums šķiet tikpat spilgtāka par lustru ar 4 spuldzēm, kā lustra ar 4 spuldzēm ir spilgtāka par lustru ar 2 spuldzēm. Tas ir, spuldžu skaitam vajadzētu palielināties tikpat reižu, lai mums šķiet, ka spilgtuma pieaugums ir nemainīgs. Un otrādi, ja absolūtais spilgtuma pieaugums (spilgtuma atšķirība "pēc" un "pirms") ir nemainīgs, tad mums šķitīs, ka absolūtais pieaugums samazinās, palielinoties pašai spilgtuma vērtībai. Piemēram, ja pievienosiet vienu spuldzi divu spuldžu lustrai, redzamais spilgtuma pieaugums būs ievērojams. Ja 12 spuldžu lustrai pievienosim vienu spuldzīti, diez vai pamanīsim spilgtuma pieaugumu.

No šī piemēra (lai gan tas pilnībā neapraksta “skaļas uztveres” struktūru) mēs redzam tiešu un acīmredzamu dzirdes aparāta “frekvenču grupu” (kritisko joslu) transformāciju. To pildījums, tāpat kā “spuldzes”, rada subjektīvu apjoma sajūtu. "Piepildījuma" pakāpi sauc par skaņas "intensitāti".

Bet, pirms mēs runājam sīkāk ne tikai par skaļuma uztveri, bet arī par tādu dzirdes aparāta iespēju kā skaņas augstuma noteikšana, mums ir sīkāk jāiedziļinās “auss” struktūrā un skaidri jāsaprot visu šo funkciju darbība. "čipsi." Par to es runāšu nākamajā rakstā.

Psihoakustika, zinātnes nozare, kas robežojas starp fiziku un psiholoģiju, pēta datus par cilvēka dzirdes sajūtu, kad uz auss tiek pielietots fizisks stimuls - skaņa. Ir uzkrāts liels datu apjoms par cilvēka reakciju uz dzirdes stimuliem. Bez šiem datiem ir grūti iegūt pareizu izpratni par audio pārraides sistēmu darbību. Apskatīsim svarīgākās cilvēka skaņas uztveres iezīmes.
Cilvēks jūt skaņas spiediena izmaiņas, kas notiek ar frekvenci 20-20 000 Hz. Skaņas, kuru frekvence ir zemāka par 40 Hz, mūzikā ir salīdzinoši reti sastopama, un runātajā valodā tās neeksistē. Ļoti augstās frekvencēs pazūd muzikālā uztvere un parādās zināma neskaidra skaņas sajūta atkarībā no klausītāja individualitātes un vecuma. Ar vecumu cilvēka dzirdes jutība samazinās, galvenokārt skaņas diapazona augšējās frekvencēs.
Taču būtu nepareizi, pamatojoties uz to, secināt, ka plašas frekvenču joslas pārraide ar skaņas reproducēšanas instalāciju vecākiem cilvēkiem nav svarīga. Eksperimenti ir parādījuši, ka cilvēki, pat ja viņi tik tikko uztver signālus virs 12 kHz, ļoti viegli atpazīst augstu frekvenču trūkumu mūzikas pārraidē.

Dzirdes sajūtu biežuma raksturlielumi

Cilvēkam dzirdamo skaņu diapazonu 20-20 000 Hz diapazonā ierobežo intensitāte ar sliekšņiem: zem - dzirdamība un augstāk - sāpes.
Dzirdes slieksnis tiek novērtēts pēc minimālā spiediena, precīzāk, minimālais spiediena pieaugums attiecībā pret robežu ir jutīgs pret frekvencēm 1000-5000 Hz - šeit dzirdes slieksnis ir viszemākais (skaņas spiediens aptuveni 2-10 Pa). Uz zemākām un augstākām skaņas frekvencēm dzirdes jutība strauji samazinās.
Sāpju slieksnis nosaka skaņas enerģijas uztveres augšējo robežu un aptuveni atbilst skaņas intensitātei 10 W/m vai 130 dB (atsauces signālam ar frekvenci 1000 Hz).
Palielinoties skaņas spiedienam, palielinās arī skaņas intensitāte, un dzirdes sajūta palielinās lēcieniem, ko sauc par intensitātes diskriminācijas slieksni. Šo lēcienu skaits vidējās frekvencēs ir aptuveni 250, zemās un augstās frekvencēs tas samazinās un vidēji frekvenču diapazonā ir aptuveni 150.

Tā kā intensitātes izmaiņu diapazons ir 130 dB, tad elementārais sajūtu lēciens vidēji amplitūdas diapazonā ir 0,8 dB, kas atbilst skaņas intensitātes izmaiņām 1,2 reizes. Zemā dzirdes līmenī šie lēcieni sasniedz 2-3 dB, augstā līmenī tie samazinās līdz 0,5 dB (1,1 reizi). Pastiprināšanas ceļa jaudas palielināšanos par mazāk nekā 1,44 reizēm cilvēka auss praktiski nekonstatē. Ar zemāku skaļruņa radīto skaņas spiedienu pat izejas stadijas jaudas dubultošana var nesniegt ievērojamu rezultātu.

Subjektīvās skaņas īpašības

Skaņas pārraides kvalitāti novērtē, pamatojoties uz dzirdes uztveri. Tāpēc ir pareizi noteikt tehniskajām prasībām skaņas pārraides ceļam vai tā individuālajām saitēm iespējams tikai pētot subjektīvi uztverto skaņas sajūtu savienojošos modeļus un skaņas objektīvās īpašības ir augstums, skaļums un tembrs.
Skaņas jēdziens ietver subjektīvu skaņas uztveres novērtējumu frekvenču diapazonā. Skaņu parasti raksturo nevis frekvence, bet gan skaņas augstums.
Tonis ir noteikta augstuma signāls, kam ir diskrēts spektrs (mūzikas skaņas, runas patskaņu skaņas). Signālu ar plašu nepārtrauktu spektru, kura visiem frekvenču komponentiem ir vienāda vidējā jauda, ​​sauc par balto troksni.

Pakāpeniska skaņas vibrāciju frekvences palielināšana no 20 līdz 20 000 Hz tiek uztverta kā pakāpeniska toņa maiņa no zemākā (basa) uz augstāko.
Precizitātes pakāpe, ar kādu cilvēks pēc auss nosaka skaņas augstumu, ir atkarīga no viņa auss asuma, muzikalitātes un trenētības. Jāņem vērā, ka skaņas augstums zināmā mērā ir atkarīgs no skaņas intensitātes (augstos līmeņos lielākas intensitātes skaņas šķiet zemākas nekā vājākas.
Cilvēka auss var skaidri atšķirt divus toņus, kas ir tuvu toni. Piemēram, aptuveni 2000 Hz frekvenču diapazonā cilvēks var atšķirt divus toņus, kas viens no otra atšķiras pēc frekvences par 3-6 Hz.
Subjektīvā skaņas uztveres skala frekvencē ir tuva logaritma likumam. Tāpēc vibrācijas frekvences dubultošanās (neatkarīgi no sākotnējās frekvences) vienmēr tiek uztverta kā vienāda augstuma maiņa. Augstuma intervālu, kas atbilst 2-kārtīgām frekvences izmaiņām, sauc par oktāvu. Cilvēka uztverto frekvenču diapazons ir 20-20 000 Hz, kas aptver aptuveni desmit oktāvas.
Oktāva ir diezgan liels toņa izmaiņu intervāls; cilvēks izšķir ievērojami mazākus intervālus. Tādējādi desmit oktāvās, kuras uztver auss, var atšķirt vairāk nekā tūkstoš toņa gradāciju. Mūzikā tiek izmantoti mazāki intervāli, ko sauc par pustoņiem, kas atbilst frekvences izmaiņām aptuveni 1,054 reizes.
Oktāva ir sadalīta pusoktāvās un trešdaļā oktāvas. Pēdējam ir standartizēts šāds frekvenču diapazons: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3:8; 10, kas ir vienas trešdaļas oktāvu robežas. Ja šīs frekvences ir novietotas vienādos attālumos gar frekvences asi, jūs iegūstat logaritmisko skalu. Pamatojoties uz šo visu frekvences raksturlielumi Skaņas pārraides ierīces ir veidotas pēc logaritmiskās skalas.
Raidīšanas skaļums ir atkarīgs ne tikai no skaņas intensitātes, bet arī no spektrālā sastāva, uztveres apstākļiem un ekspozīcijas ilguma. Tātad, divi skanīgi toņi, vidējais un zema frekvence, kam ir vienāda intensitāte (vai vienāds skaņas spiediens), cilvēks neuztver kā vienlīdz skaļus. Tāpēc tika ieviests jēdziens skaļuma līmenis fonos, lai apzīmētu tāda paša skaļuma skaņas. Skaņas skaļuma līmenis fonos tiek uzskatīts par skaņas spiediena līmeni decibelos tāda paša skaļuma tīram signālam ar frekvenci 1000 Hz, t.i., frekvencei 1000 Hz skaļuma līmeņi fonos un decibelos ir vienādi. Citās frekvencēs skaņas var šķist skaļākas vai klusākas ar tādu pašu skaņas spiedienu.
Skaņu inženieru pieredze mūzikas darbu ierakstīšanā un montāžā liecina, ka, lai labāk atklātu skaņas defektus, kas var rasties darba laikā, kontroles klausīšanās laikā jāuztur augsts skaļuma līmenis, aptuveni atbilstošs skaļuma līmenim zālē.
Ilgstoši pakļaujoties intensīvai skaņai, dzirdes jutība pakāpeniski samazinās, un jo vairāk, jo lielāks ir skaņas skaļums. Konstatētais jutības samazinājums ir saistīts ar dzirdes reakciju uz pārslodzi, t.i. ar savu dabisko adaptāciju.Pēc neliela klausīšanās pārtraukuma dzirdes jutība tiek atjaunota. Jāpiebilst, ka dzirdes aparāts, uztverot augsta līmeņa signālus, ievieš savus, tā sauktos subjektīvos, kropļojumus (kas norāda uz dzirdes nelinearitāti). Tādējādi pie 100 dB signāla līmeņa pirmā un otrā subjektīvā harmonika sasniedz 85 un 70 dB līmeni.
Ievērojams tilpuma līmenis un tā iedarbības ilgums izraisa neatgriezeniskas parādības dzirdes orgānā. Tika atzīmēts, ka jaunieši pēdējie gadi dzirdes slieksnis strauji palielinājās. Iemesls tam bija aizraušanās ar popmūziku, ko raksturo augsts skaņas skaļuma līmenis.
Skaļuma līmeni mēra, izmantojot elektroakustisko ierīci - skaņas līmeņa mērītāju. Mērītā skaņa vispirms ar mikrofonu tiek pārveidota elektriskās vibrācijās. Pēc pastiprināšanas ar īpašu sprieguma pastiprinātāju šīs svārstības mēra ar rādītāja instrumentu, kas noregulēts decibelos. Lai ierīces rādījumi pēc iespējas precīzāk atbilstu subjektīvajai skaļuma uztverei, iekārta ir aprīkota ar speciāliem filtriem, kas maina tās jutību pret dažādu frekvenču skaņas uztveri atbilstoši dzirdes jutības raksturlielumiem.
Svarīga īpašība skaņa ir tembrs. Dzirdes spēja to atšķirt ļauj uztvert signālus ar visdažādākajām nokrāsām. Katra instrumenta un balss skanējums, pateicoties tiem raksturīgajiem toņiem, kļūst daudzkrāsains un labi atpazīstams.
Tembrim, kas ir uztveramās skaņas sarežģītības subjektīvs atspoguļojums, nav kvantitatīvā novērtējuma un to raksturo kvalitatīvi termini (skaisti, maigi, sulīgi utt.). Pārraidot signālu pa elektroakustisko ceļu, radītie kropļojumi galvenokārt ietekmē reproducētās skaņas tembru. Nosacījums pareizai mūzikas skaņu tembra pārraidei ir signāla spektra netraucēta pārraide. Signāla spektrs ir sarežģītas skaņas sinusoidālo komponentu kopums.
Vienkāršākais spektrs ir tā sauktais tīrais tonis; tajā ir tikai viena frekvence. Mūzikas instrumenta skaņa ir interesantāka: tā spektrs sastāv no pamata toņa frekvences un vairākām “piemaisījumu” frekvencēm, ko sauc par virstoņiem (augstākiem toņiem). Virstoni ir pamata toņa frekvences daudzkārtņi un parasti ir mazāki amplitūdā. .
Skaņas tembrs ir atkarīgs no intensitātes sadalījuma virs toņiem. Dažādu mūzikas instrumentu skaņas atšķiras tembrā.
Sarežģītāks ir mūzikas skaņu kombināciju spektrs, ko sauc par akordu. Šādā spektrā ir vairākas pamatfrekvences kopā ar atbilstošiem virstoņiem
Tembru atšķirības galvenokārt ir saistītas ar signāla zemās un vidējās frekvences komponentiem, tāpēc ar signāliem, kas atrodas frekvenču diapazona apakšējā daļā, ir saistīta liela tembru dažādība. Signāli, kas pieder tā augšējai daļai, pieaugot, arvien vairāk zaudē savu tembrālo krāsojumu, kas ir saistīts ar to harmonisko komponentu pakāpenisku aiziešanu ārpus dzirdamo frekvenču robežām. Tas izskaidrojams ar to, ka zemo skaņu tembra veidošanā aktīvi piedalās līdz 20 vai vairāk harmonikas, vidēji 8 - 10, augsti 2 - 3, jo pārējās ir vai nu vājas, vai arī atrodas ārpus dzirdamā diapazona. frekvences. Tāpēc augstās skaņas, kā likums, ir sliktākas tembrā.
Gandrīz visiem dabiskajiem skaņas avotiem, tostarp mūzikas skaņu avotiem, ir īpaša tembra atkarība no skaļuma līmeņa. Arī dzirde ir pielāgota šai atkarībai - ir dabiski, ka tā nosaka avota intensitāti pēc skaņas krāsas. Skaļākas skaņas parasti ir skarbākas.

Mūzikas skaņas avoti

Vairāki faktori, kas raksturo primāros skaņas avotus, lielā mērā ietekmē elektroakustisko sistēmu skaņas kvalitāti.
Mūzikas avotu akustiskie parametri ir atkarīgi no izpildītāju sastāva (orķestra, ansambļa, grupas, solista un mūzikas veida: simfoniskā, folkmūzika, popmūzika utt.).

Katra mūzikas instrumenta skaņas izcelsmei un veidošanai ir sava specifika, kas saistīta ar skaņas radīšanas akustiskajām īpašībām konkrētajā mūzikas instrumentā.
Svarīgs mūzikas skaņas elements ir uzbrukums. Šis ir īpašs pārejas process, kura laikā tiek noteiktas stabilas skaņas īpašības: skaļums, tembrs, augstums. Jebkura mūzikas skaņa iziet cauri trim posmiem – sākumam, vidusdaļai un beigām, un gan sākuma, gan beigu posmiem ir noteikts ilgums. Sākotnējo posmu sauc par uzbrukumu. Tas ilgst dažādi: pluktiem instrumentiem, sitaminstrumentiem un dažiem pūšamajiem instrumentiem tas ilgst 0-20 ms, fagotam - 20-60 ms. Uzbrukums nav tikai skaņas skaļuma palielināšana no nulles līdz noteiktai vienmērīgai vērtībai; to var pavadīt tādas pašas skaņas augstuma un tās tembra izmaiņas. Turklāt instrumenta uzbrukuma īpašības dažādās tā diapazona daļās ar dažādiem spēles stiliem nav vienādas: vijole ir vispilnīgākais instruments iespējamo izteiksmīgo uzbrukuma metožu bagātības ziņā.
Viena no jebkura mūzikas instrumenta īpašībām ir frekvenču diapazons skaņu. Papildus pamatfrekvencēm katram instrumentam ir raksturīgi papildu augstas kvalitātes komponenti - virstoņi (vai, kā tas ir pieņemts elektroakustikā, augstākas harmonikas), kas nosaka tā specifisko tembru.
Ir zināms, ka skaņas enerģija ir nevienmērīgi sadalīta visā avota izstarotajā skaņas frekvenču spektrā.
Lielākajai daļai instrumentu ir raksturīgs pamatfrekvenču pastiprinājums, kā arī atsevišķi virstoņi noteiktās (vienā vai vairākās) salīdzinoši šaurās frekvenču joslās (formantos), kas katram instrumentam ir atšķirīgas. Formanta apgabala rezonanses frekvences (hercos) ir: trompete 100-200, mežrags 200-400, trombons 300-900, trompete 800-1750, saksofons 350-900, oboja 800-1500, fagots 0 200-1500, fagots 0 200 -600.
Vēl viena mūzikas instrumentu raksturīga īpašība ir to skaņas stiprums, ko nosaka to skanošā ķermeņa vai gaisa kolonnas lielāka vai mazāka amplitūda (laidums) (lielāka amplitūda atbilst spēcīgākai skaņai un otrādi). Maksimālās akustiskās jaudas vērtības (vatos) ir: lielajam orķestrim 70, basa bungas 25, timpāni 20, timpāni 12, trombons 6, klavieres 0,4, trompete un saksofons 0,3, trompete 0,2, kontrabass 0.( 6, mazā flauta 0,08, klarnete, mežrags un trīsstūris 0,05.
Skaņas jaudas attiecību, kas iegūta no instrumenta, spēlējot “fortissimo”, un skaņas spēku, spēlējot “pianissimo”, parasti sauc par mūzikas instrumentu skaņas dinamisko diapazonu.
Mūzikas skaņas avota dinamiskais diapazons ir atkarīgs no izpildītājgrupas veida un izpildījuma rakstura.
Apskatīsim atsevišķu skaņas avotu dinamisko diapazonu. Atsevišķu mūzikas instrumentu un ansambļu (dažādu sastāvu orķestru un koru), kā arī balsu dinamiskais diapazons tiek saprasts kā dotā avota radītā maksimālā skaņas spiediena attiecība pret minimālo, kas izteikta decibelos.
Praksē, nosakot skaņas avota dinamisko diapazonu, parasti darbojas tikai skaņas spiediena līmeņi, aprēķinot vai mērot to atbilstošo starpību. Piemēram, ja orķestra maksimālais skaņas līmenis ir 90 un minimālais ir 50 dB, tad dinamiskais diapazons tiek uzskatīts par 90 - 50 = 40 dB. Šajā gadījumā 90 un 50 dB ir skaņas spiediena līmeņi attiecībā pret nulles akustisko līmeni.
Dinamiskais diapazons priekš šis avots skaņa ir mainīgs daudzums. Tas ir atkarīgs no veicamā darba rakstura un telpas, kurā notiek izpildījums, akustiskajiem apstākļiem. Reverberācija paplašina dinamisko diapazonu, kas parasti sasniedz maksimumu telpās ar lielu skaļumu un minimālu skaņas absorbciju. Gandrīz visiem instrumentiem un cilvēku balsīm ir nevienmērīgs dinamiskais diapazons skaņu reģistros. Piemēram, vokālista forte zemākās skaņas skaļuma līmenis ir vienāds ar klavieru augstākās skaņas līmeni.

Konkrētas mūzikas programmas dinamiskais diapazons tiek izteikts tāpat kā atsevišķiem skaņas avotiem, taču maksimālais skaņas spiediens tiek atzīmēts ar dinamisku ff (fortissimo) toni, bet minimālais ar pp (pianissimo).

Lielākais skaļums, kas norādīts notīs fff (forte, fortissimo), atbilst akustiskā skaņas spiediena līmenim aptuveni 110 dB, bet zemākajam skaļumam, kas norādīts notīs ppr (piano-pianissimo), aptuveni 40 dB.
Jāpiebilst, ka izpildījuma dinamiskās nianses mūzikā ir relatīvas un to saistība ar atbilstošajiem skaņas spiediena līmeņiem zināmā mērā ir nosacīta. Konkrētas muzikālās programmas dinamiskais diapazons ir atkarīgs no skaņdarba rakstura. Tādējādi Haidna, Mocarta, Vivaldi klasisko darbu dinamiskais diapazons reti pārsniedz 30-35 dB. Popmūzikas dinamiskais diapazons parasti nepārsniedz 40 dB, savukārt deju un džeza mūzikas diapazons ir tikai aptuveni 20 dB. Lielākajai daļai darbu krievu tautas instrumentu orķestrim ir arī neliels dinamiskais diapazons (25-30 dB). Tas attiecas arī uz pūtēju orķestri. Tomēr pūtēju orķestra maksimālais skaņas līmenis telpā var sasniegt diezgan augstu līmeni (līdz 110 dB).

Maskēšanas efekts

Skaļuma subjektīvais novērtējums ir atkarīgs no apstākļiem, kādos klausītājs uztver skaņu. Reālos apstākļos akustiskais signāls nepastāv absolūtā klusumā. Tajā pašā laikā svešs troksnis ietekmē dzirdi, apgrūtinot skaņas uztveri, zināmā mērā maskējot galveno signālu. Tīra sinusoidāla viļņa maskēšanas efektu ar svešu troksni mēra pēc vērtības, kas norāda. par cik decibeliem maskētā signāla dzirdamības slieksnis palielinās virs tā uztveres sliekšņa klusumā.
Eksperimenti, lai noteiktu viena skaņas signāla maskēšanas pakāpi ar citu, liecina, ka jebkuras frekvences tonis tiek maskēts ar zemākiem toņiem daudz efektīvāk nekā ar augstākiem. Piemēram, ja divas kamertonis (1200 un 440 Hz) izstaro vienādas intensitātes skaņas, tad pirmo signālu mēs pārstājam dzirdēt, to maskē otrais (dzēšot otrās kamertones vibrāciju, mēs dzirdēsim pirmo vēlreiz).
Ja divi kompleksi skaņas signālus, kas sastāv no noteiktiem skaņas frekvenču spektriem, tad rodas savstarpējās maskēšanas efekts. Turklāt, ja abu signālu galvenā enerģija atrodas vienā un tajā pašā audio frekvenču diapazona apgabalā, tad maskēšanas efekts būs visspēcīgākais, līdz ar to, pārraidot orķestra skaņdarbu, maskējot ar pavadījumu, solista partija var kļūt vāja. saprotams un nedzirdams.
Panākt skaidrību jeb, kā mēdz teikt, skaņas „caurspīdīgumu” orķestru vai popansambļu skaņas pārraidē kļūst ļoti grūti, ja instruments vai atsevišķas orķestra instrumentu grupas vienlaikus spēlē vienā vai līdzīgos reģistros.
Režisoram, ierakstot orķestri, jāņem vērā maskēšanās iezīmes. Mēģinājumos ar diriģenta palīdzību viņš nodibina līdzsvaru starp vienas grupas instrumentu skanējuma stiprumu, kā arī starp visa orķestra grupām. Galveno melodisko līniju un atsevišķu mūzikas daļu skaidrība šajos gadījumos tiek panākta ar mikrofonu tuvu izvietošanu izpildītājiem, skaņu inženiera apzināti izceļot svarīgāko. šī vieta instrumentu darbi un citas īpašas skaņu inženierijas tehnikas.
Maskēšanas fenomenam pretojas dzirdes orgānu psihofizioloģiskā spēja no kopējās skaņu masas izdalīt vienu vai vairākas, kas nes visvairāk. svarīga informācija. Piemēram, orķestrim spēlējot, diriģents pamana mazākās neprecizitātes partijas izpildījumā uz jebkura instrumenta.
Maskēšana var būtiski ietekmēt signāla pārraides kvalitāti. Skaidra uztvertās skaņas uztvere ir iespējama, ja tās intensitāte ievērojami pārsniedz to traucējumu komponentu līmeni, kas atrodas tajā pašā joslā ar uztverto skaņu. Ar vienmērīgiem traucējumiem signāla pārsniegumam jābūt 10-15 dB. Šī dzirdes uztveres iezīme ir praktiska izmantošana, piemēram, novērtējot mediju elektroakustiskās īpašības. Tātad, ja analogā ieraksta signāla un trokšņa attiecība ir 60 dB, tad ierakstītās programmas dinamiskais diapazons nedrīkst būt lielāks par 45–48 dB.

Dzirdes uztveres temporālās īpašības

Dzirdes aparāts, tāpat kā jebkura cita oscilācijas sistēma, ir inerciāla. Kad skaņa pazūd, dzirdes sajūta nepazūd uzreiz, bet pakāpeniski, samazinoties līdz nullei. Laiku, kurā trokšņa līmenis samazinās par 8-10 foniem, sauc par dzirdes laika konstanti. Šī konstante ir atkarīga no vairākiem apstākļiem, kā arī no uztveramās skaņas parametriem. Ja pie klausītāja nonāk divi īsi skaņas impulsi, identiski pēc frekvenču sastāva un līmeņa, bet viens no tiem aizkavējas, tad tie tiks uztverti kopā ar aizturi, kas nepārsniedz 50 ms. Pie lieliem aiztures intervāliem abi impulsi tiek uztverti atsevišķi, un rodas atbalss.
Šī dzirdes īpašība tiek ņemta vērā, projektējot dažas signālu apstrādes ierīces, piemēram, elektroniskās aizkaves līnijas, reverberācijas utt.
Jāņem vērā, ka dzirdes īpašās īpašības dēļ īslaicīga skaņas impulsa skaļuma sajūta ir atkarīga ne tikai no tā līmeņa, bet arī no pulsa ietekmes uz ausi ilguma. Tādējādi īslaicīgu skaņu, kas ilgst tikai 10-12 ms, auss uztver klusāk nekā tāda paša līmeņa skaņu, bet ietekmē dzirdi, piemēram, 150-400 ms. Tāpēc, klausoties raidījumu, skaļums ir skaņas viļņa enerģijas vidējās noteikšanas rezultāts noteiktā intervālā. Turklāt cilvēka dzirdei ir inerce, jo īpaši, uztverot nelineārus kropļojumus, tas tos nejūt, ja skaņas impulsa ilgums ir mazāks par 10-20 ms. Tāpēc mājsaimniecības radioelektronisko iekārtu skaņas ierakstīšanas līmeņa indikatoros momentānās signāla vērtības tiek aprēķinātas vidēji laika posmā, kas izvēlēts atbilstoši dzirdes orgānu laika īpašībām.

Skaņas telpiskais attēlojums

Viena no svarīgām cilvēka spējām ir spēja noteikt skaņas avota virzienu. Šo spēju sauc par binaurālo efektu un izskaidro ar to, ka cilvēkam ir divas ausis. Eksperimentālie dati parāda, no kurienes nāk skaņa: viens augstfrekvences toņiem, otrs zemas frekvences toņiem.

Skaņa virzās mazākā attālumā līdz ausij, kas vērsta pret avotu, nekā līdz otrai ausij. Tā rezultātā skaņas viļņu spiediens auss kanālos atšķiras pēc fāzes un amplitūdas. Amplitūdas atšķirības ir būtiskas tikai augstās frekvencēs, kad skaņas viļņa garums kļūst salīdzināms ar galvas izmēru. Ja amplitūdas atšķirība pārsniedz sliekšņa vērtību 1 dB, skaņas avots, šķiet, atrodas tajā pusē, kur amplitūda ir lielāka. Skaņas avota novirzes leņķis no centra līnijas (simetrijas līnijas) ir aptuveni proporcionāls amplitūdas attiecības logaritmam.
Lai noteiktu skaņas avota virzienu ar frekvencēm zem 1500-2000 Hz, fāzu atšķirības ir būtiskas. Cilvēkam šķiet, ka skaņa nāk no tās puses, no kuras vilnis, kas fāzē ir priekšā, sasniedz ausi. Skaņas novirzes leņķis no viduslīnijas ir proporcionāls starpībai laikā, kad skaņas viļņi nonāk abās ausīs. Apmācīta persona var pamanīt fāzes atšķirību ar laika starpību 100 ms.
Spēja noteikt skaņas virzienu vertikālajā plaknē ir daudz mazāk attīstīta (apmēram 10 reizes). Šī fizioloģiskā iezīme ir saistīta ar dzirdes orgānu orientāciju horizontālā plaknē.
Specifiska iezīme telpiskā uztvere cilvēka skaņa izpaužas tajā, ka dzirdes orgāni spēj sajust totālo, integrālo lokalizāciju, kas izveidota ar mākslīgu ietekmes līdzekļu palīdzību. Piemēram, telpā priekšpusē ir uzstādīti divi skaļruņi 2-3 m attālumā viens no otra. Klausītājs atrodas vienādā attālumā no savienojošās sistēmas ass, stingri centrā. Telpā caur skaļruņiem tiek izvadītas divas vienādas fāzes, frekvences un intensitātes skaņas. Dzirdes orgānā nonākošo skaņu identitātes rezultātā cilvēks nevar tās atdalīt, viņa sajūtas rada priekšstatus par vienu, šķietamu (virtuālu) skaņas avotu, kas atrodas stingri centrā uz simetrijas ass.
Ja tagad samazināsim viena skaļruņa skaļumu, šķietamais avots virzīsies uz skaļāko skaļruni. Ilūziju par skaņas avota kustību var iegūt ne tikai mainot signāla līmeni, bet arī mākslīgi aizkavējot vienu skaņu attiecībā pret otru; šajā gadījumā šķietamais avots pārvietosies uz skaļruni, kas izstaro signālu iepriekš.
Lai ilustrētu integrālo lokalizāciju, mēs sniedzam piemēru. Attālums starp skaļruņiem ir 2 m, attālums no priekšējās līnijas līdz klausītājam ir 2 m; lai avots pārvietotos 40 cm pa kreisi vai pa labi, ir jāiesniedz divi signāli ar intensitātes līmeņa starpību 5 dB vai ar laika aizkavi 0,3 ms. Ar 10 dB līmeņa starpību vai 0,6 ms laika aizkavi avots “pārvietosies” 70 cm no centra.
Tādējādi, mainot skaļruņa radīto skaņas spiedienu, rodas ilūzija par skaņas avota pārvietošanu. Šo parādību sauc par summāro lokalizāciju. Lai izveidotu kopsavilkuma lokalizāciju, tiek izmantota divu kanālu stereofoniskā skaņas pārraides sistēma.
Primārajā telpā ir uzstādīti divi mikrofoni, no kuriem katrs darbojas savā kanālā. Sekundārajam ir divi skaļruņi. Mikrofoni atrodas noteiktā attālumā viens no otra pa līniju, kas ir paralēla skaņas izstarotāja novietojumam. Pārvietojot skaņas emitētāju, uz mikrofonu iedarbosies atšķirīgs skaņas spiediens un skaņas viļņa pienākšanas laiks būs atšķirīgs nevienāda attāluma dēļ starp skaņas emitētāju un mikrofoniem. Šī atšķirība rada kopējo lokalizācijas efektu sekundārajā telpā, kā rezultātā šķietamais avots tiek lokalizēts noteiktā telpas punktā, kas atrodas starp diviem skaļruņiem.
Jāsaka par binaurālo skaņas pārraides sistēmu. Izmantojot šo sistēmu, ko sauc par mākslīgo galvas sistēmu, primārajā telpā tiek novietoti divi atsevišķi mikrofoni, kas atrodas attālumā viens no otra, kas vienāds ar attālumu starp cilvēka ausīm. Katram no mikrofoniem ir neatkarīgs skaņas pārraides kanāls, kura izvadē sekundārajā telpā ir tālruņi kreisajai un labajai ausij. Ja skaņas pārraides kanāli ir identiski, šāda sistēma precīzi pārraida binaurālo efektu, kas izveidots pie “mākslīgās galvas” ausīm primārajā telpā. Austiņu izmantošana un ilgstoša lietošana ir trūkums.
Dzirdes orgāns nosaka attālumu līdz skaņas avotam, izmantojot vairākas netiešas pazīmes un ar dažām kļūdām. Atkarībā no tā, vai attālums līdz signāla avotam ir mazs vai liels, tā subjektīvais vērtējums dažādu faktoru ietekmē mainās. Tika konstatēts, ka, ja noteiktie attālumi ir nelieli (līdz 3 m), tad to subjektīvais vērtējums ir gandrīz lineāri saistīts ar skaņas avota skaļuma izmaiņām, kas pārvietojas pa dziļumu. Papildu faktors sarežģītam signālam ir tā tembrs, kas kļūst arvien “smagāks”, avotam tuvojoties klausītājam, kas ir saistīts ar pieaugošo zemo virstoņu pastiprinājumu salīdzinājumā ar augstajiem virstoņiem, ko izraisa skaļuma līmeņa paaugstināšanās.
Vidējiem 3-10 m attālumiem avota pārvietošana prom no klausītāja tiks pavadīta ar proporcionālu skaļuma samazināšanos, un šīs izmaiņas vienādi attieksies uz pamata frekvences un harmonikas komponentiem. Rezultātā nosacīti nostiprinās spektra augstfrekvences daļa un tembrs kļūst gaišāks.
Palielinoties attālumam, enerģijas zudumi gaisā palielināsies proporcionāli frekvences kvadrātam. Palielināts augsta reģistra virstoņu zudums izraisīs samazinātu tembra spilgtumu. Tādējādi attālumu subjektīvais novērtējums ir saistīts ar tā apjoma un tembra izmaiņām.
Slēgtā telpā pirmo atspulgu signālus, kas aizkavēti attiecībā pret tiešo atspulgu par 20-40 ms, dzirdes orgāns uztver kā no dažādiem virzieniem nākošus signālus. Tajā pašā laikā to pieaugošā aizkave rada iespaidu par ievērojamu attālumu no punktiem, no kuriem rodas šie atspīdumi. Tādējādi pēc aizkaves laika var spriest par sekundāro avotu relatīvo attālumu vai, kas ir tas pats, telpas lielumu.

Dažas stereofonisko raidījumu subjektīvās uztveres iezīmes.

Stereofoniskajai skaņas pārraides sistēmai ir vairākas nozīmīgas iezīmes salīdzinājumā ar parasto monofonisko sistēmu.
Kvalitāte, kas atšķir stereofonisko skaņu, skaļumu, t.i. dabisko akustisko perspektīvu var novērtēt, izmantojot dažus papildu rādītājus, kuriem nav jēgas monofoniskās skaņas pārraides tehnikai. Šādi papildu rādītāji ietver: dzirdes leņķi, t.i. leņķis, kādā klausītājs uztver stereofonisko skaņas attēlu; stereo izšķirtspēja, t.i. subjektīvi noteikta atsevišķu skaņas attēla elementu lokalizācija noteiktos telpas punktos dzirdamības leņķa ietvaros; akustiskā atmosfēra, t.i. efekts, kas rada klausītājam klātbūtnes sajūtu primārajā telpā, kur notiek pārraidītais skaņas notikums.

Par telpu akustikas lomu

Krāsaina skaņa tiek panākta ne tikai ar skaņas reproducēšanas iekārtu palīdzību. Pat ar diezgan labu aprīkojumu skaņas kvalitāte var būt slikta, ja klausīšanās telpai nav noteiktu īpašību. Ir zināms, ka slēgtā telpā rodas deguna skaņas parādība, ko sauc par reverberāciju. Ietekmējot dzirdes orgānus, reverberācija (atkarībā no tās ilguma) var uzlabot vai pasliktināt skaņas kvalitāti.

Cilvēks telpā uztver ne tikai tiešos skaņas viļņus, ko rada tieši skaņas avots, bet arī viļņus, ko atstaro telpas griesti un sienas. Atspoguļoti viļņi ir dzirdami kādu laiku pēc skaņas avota apstāšanās.
Dažreiz tiek uzskatīts, ka atstarotajiem signāliem ir tikai negatīva loma, traucējot galvenā signāla uztveri. Tomēr šī ideja ir nepareiza. Noteikta sākotnējo atstaroto atbalss signālu enerģijas daļa, ar nelieliem kavējumiem sasniedzot cilvēka ausis, pastiprina galveno signālu un bagātina tā skaņu. Turpretim vēlāk atspoguļotas atbalsis. kuru aizkaves laiks pārsniedz noteiktu kritisko vērtību, veido skaņas fonu, kas apgrūtina galvenā signāla uztveršanu.
Klausīšanās telpai nevajadzētu būt ilgam reverberācijas laikam. Dzīvojamām istabām, kā likums, ir maz reverberācijas to ierobežotā izmēra un skaņu absorbējošu virsmu, mīksto mēbeļu, paklāju, aizkaru u.c. dēļ.
Dažāda rakstura un īpašību šķēršļus raksturo skaņas absorbcijas koeficients, kas ir absorbētās enerģijas attiecība pret kopējo krītošā skaņas viļņa enerģiju.

Lai palielinātu paklāja skaņu absorbējošās īpašības (un samazinātu troksni viesistabā), paklāju vēlams piekārt ne tuvu pie sienas, bet ar 30-50 mm atstarpi.

1. Skaņa, skaņas veidi.

2. Skaņas fizikālās īpašības.

3. Dzirdes sajūtas raksturojums. Skaņas mērījumi.

4. Skaņas pāreja pa saskarni.

5. Skaņas izpētes metodes.

6. Trokšņa novēršanu noteicošie faktori. Aizsardzība pret troksni.

7. Pamatjēdzieni un formulas. Tabulas.

8. Uzdevumi.

Akustika. Plašā nozīmē tā ir fizikas nozare, kas pēta elastīgos viļņus no zemākajām frekvencēm līdz augstākajām. Šaurā nozīmē tā ir skaņas izpēte.

3.1. Skaņa, skaņas veidi

Skaņa plašā nozīmē ir elastīgas vibrācijas un viļņi, kas izplatās gāzveida, šķidrās un cietās vielās; šaurā nozīmē fenomens, ko subjektīvi uztver cilvēku un dzīvnieku dzirdes orgāni.

Parasti cilvēka auss dzird skaņu frekvenču diapazonā no 16 Hz līdz 20 kHz. Tomēr ar vecumu šī diapazona augšējā robeža samazinās:

Tiek saukta skaņa ar frekvenci zem 16-20 Hz infraskaņa, virs 20 kHz - ultraskaņa, un augstākās frekvences elastīgie viļņi diapazonā no 10 9 līdz 10 12 Hz - hiperskaņa.

Dabā sastopamās skaņas iedala vairākos veidos.

Tonis - tā ir skaņa, kas ir periodisks process. Galvenā toņa īpašība ir frekvence. Vienkāršs tonis ko rada ķermenis, kas vibrē pēc harmonikas likuma (piemēram, kamertonis). Sarežģīts tonis rada periodiskas svārstības, kas nav harmoniskas (piemēram, mūzikas instrumenta skaņa, cilvēka runas aparāta radītā skaņa).

Troksnis ir skaņa, kurai ir sarežģīta, neatkārtojama laika atkarība un kas ir nejauši mainīgu sarežģītu toņu kombinācija (lapu šalkoņa).

skaņas trieciens- tas ir īslaicīgs skaņas trieciens (aplaudē, sprādziens, sitiens, pērkons).

Sarežģītu toni kā periodisku procesu var attēlot kā vienkāršu toņu (sadalītu komponentu toņos) summu. Šo sadalīšanos sauc spektrs.

Akustiskā toņa spektrs ir visu tā frekvenču kopums, norādot to relatīvo intensitāti vai amplitūdu.

Zemākā frekvence spektrā (ν) atbilst pamata tonim, un pārējās frekvences sauc par virstoņiem vai harmonikām. Virstoniem ir frekvences, kas ir daudzkārtējas ar pamatfrekvenci: 2ν, 3ν, 4ν, ...

Parasti lielākā spektra amplitūda atbilst pamata signālam. Tas ir tas, ko auss uztver kā skaņas augstumu (skatīt zemāk). Virstoni rada skaņas “krāsu”. Viena un tā paša augstuma skaņas, ko rada dažādi instrumenti, auss uztver atšķirīgi tieši tāpēc, ka ir atšķirīgas virstoņu amplitūdu attiecības. 3.1. attēlā parādīti vienas un tās pašas nots (ν = 100 Hz) spektri, kas atskaņoti uz klavierēm un klarnete.

Rīsi. 3.1. Klavieru (a) un klarnetes (b) nošu spektri

Trokšņa akustiskais spektrs ir nepārtraukts.

3.2. Skaņas fizikālās īpašības

1. Ātrums(v). Skaņa pārvietojas jebkurā vidē, izņemot vakuumu. Tā izplatīšanās ātrums ir atkarīgs no vides elastības, blīvuma un temperatūras, bet nav atkarīgs no svārstību biežuma. Skaņas ātrums gāzē ir atkarīgs no tās molmasas (M) un absolūtās temperatūras (T):

Skaņas ātrums ūdenī ir 1500 m/s; Līdzīga nozīme ir skaņas ātrumam ķermeņa mīkstajos audos.

2. Skaņas spiediens. Skaņas izplatību pavada spiediena izmaiņas vidē (3.2. att.).

Rīsi. 3.2. Spiediena izmaiņas vidē skaņas izplatīšanās laikā.

Tieši spiediena izmaiņas izraisa bungādiņa vibrācijas, kas nosaka sākumu tik sarežģītam procesam kā dzirdes sajūtu rašanās.

Skaņas spiediens (Δ Ρ) - tā ir to spiediena izmaiņu amplitūda vidē, kas rodas skaņas viļņa pārejas laikā.

3. Skaņas intensitāte(I). Skaņas viļņa izplatīšanos pavada enerģijas pārnešana.

Skaņas intensitāte ir skaņas viļņa pārnestās enerģijas plūsmas blīvums(skat. 2.5. formulu).

Viendabīgā vidē noteiktā virzienā izstarotās skaņas intensitāte samazinās līdz ar attālumu no skaņas avota. Izmantojot viļņvadus, ir iespējams panākt intensitātes pieaugumu. Tipisks šāda viļņvada piemērs dzīvajā dabā ir auss.

Sakarību starp intensitāti (I) un skaņas spiedienu (ΔΡ) izsaka ar šādu formulu:

kur ρ ir vides blīvums; v- skaņas ātrums tajā.

Tiek sauktas minimālās skaņas spiediena un skaņas intensitātes vērtības, pie kurām cilvēks izjūt dzirdes sajūtas dzirdes slieksnis.

Vidēja cilvēka ausij ar frekvenci 1 kHz dzirdes slieksnis atbilst šādām skaņas spiediena (ΔΡ 0) un skaņas intensitātes (I 0) vērtībām:

ΔΡ 0 = 3x10 -5 Pa (≈ 2x10 -7 mm Hg); I 0 = 10 -12 W/m2.

Tiek sauktas skaņas spiediena un skaņas intensitātes vērtības, pie kurām cilvēks izjūt stipras sāpes sāpju slieksnis.

Vidēja cilvēka ausij ar frekvenci 1 kHz sāpju slieksnis atbilst šādām skaņas spiediena (ΔΡ m) un skaņas intensitātes (I m) vērtībām:

4. Intensitātes līmenis(L). Intensitātes attiecība, kas atbilst dzirdamības un sāpju sliekšņiem, ir tik augsta (I m / I 0 = 10 13), ka praksē tiek izmantota logaritmiska skala, ieviešot īpašu bezdimensiju raksturlielumu - intensitātes līmenis.

Intensitātes līmenis ir decimālais logaritms skaņas intensitātes attiecībai pret dzirdes slieksni:

Intensitātes līmeņa mērvienība ir balts(B).

Parasti tiek izmantota mazāka intensitātes līmeņa vienība - decibels(dB): 1 dB = 0,1 B. Intensitātes līmeni decibelos aprēķina, izmantojot šādas formulas:

Atkarības logaritmiskais raksturs intensitātes līmenis no sevis intensitāte nozīmē, ka pieaugot intensitāte 10 reizes intensitātes līmenis palielinās par 10 dB.

Bieži sastopamo skaņu raksturojums ir norādīts tabulā. 3.1.

Ja cilvēks dzird nākam skaņas no viena virziena no vairākiem nesakarīgi avoti, tad to intensitāte summējas:

Augsts skaņas intensitātes līmenis izraisa neatgriezeniskas izmaiņas dzirdes aparātā. Tādējādi 160 dB skaņa var izraisīt bungādiņas plīsumu un dzirdes kauliņu pārvietošanos vidusausī, kas izraisa neatgriezenisku kurlumu. Pie 140 dB cilvēks izjūt stipras sāpes, un ilgstoša 90-120 dB trokšņa iedarbība izraisa dzirdes nerva bojājumus.

3.3. Dzirdes sajūtas raksturojums. Skaņas mērījumi

Skaņa ir dzirdes sajūtas objekts. To cilvēks vērtē subjektīvi. Visas dzirdes sajūtas subjektīvās īpašības ir saistītas ar skaņas viļņa objektīvajām īpašībām.

Augstums, tembrs

Uztverot skaņas, cilvēks tās atšķir pēc toņa un tembra.

Augstums toni galvenokārt nosaka pamata toņa frekvence (jo augstāka frekvence, jo augstāka skaņa tiek uztverta). Mazākā mērā augstums ir atkarīgs no skaņas intensitātes (lielākas intensitātes skaņa tiek uztverta kā zemāka).

Tembris- tā ir skaņas sajūtas īpašība, ko nosaka tās harmoniskais spektrs. Skaņas tembrs ir atkarīgs no virstoņu skaita un to relatīvās intensitātes.

Vēbera-Fehnera likums. Skaņas skaļums

Logaritmiskās skalas izmantošana skaņas intensitātes līmeņu novērtēšanai labi saskan ar psihofizisko Vēbera-Fehnera likums:

Ja jūs palielināt kairinājumu ģeometriskā progresijā (t.i., par vienādu reižu skaitu), tad šī kairinājuma sajūta palielinās aritmētiskā progresijā (t.i., par tādu pašu daudzumu).

Tādas īpašības piemīt logaritmiskajai funkcijai.

Skaņas skaļums ko sauc par dzirdes sajūtu intensitāti (spēku).

Cilvēka ausij ir atšķirīga jutība pret dažādu frekvenču skaņām. Lai ņemtu vērā šo apstākli, varat izvēlēties dažus atsauces frekvence, un salīdzināt ar to citu frekvenču uztveri. Pēc vienošanās atsauces frekvence pieņemts vienāds ar 1 kHz (šī iemesla dēļ šai frekvencei ir iestatīts dzirdes slieksnis I 0).

Priekš tīrs tonis ar frekvenci 1 kHz, skaļumu (E) ņem vienādu ar intensitātes līmeni decibelos:

Citām frekvencēm skaļumu nosaka, salīdzinot dzirdes sajūtu intensitāti ar skaņas skaļumu plkst. atsauces frekvence.

Skaņas skaļums vienāds ar skaņas intensitātes līmeni (dB) 1 kHz frekvencē, kas liek “vidējam” cilvēkam izjust tādu pašu skaļumu kā dotā skaņa.

Skaņas skaļuma mērvienību sauc fons.

Tālāk ir sniegts piemērs skaļumam pret frekvenci 60 dB intensitātes līmenī.

Vienādas skaļuma līknes

Detalizēta attiecība starp frekvenci, skaļumu un intensitātes līmeni ir attēlota grafiski, izmantojot vienādas tilpuma līknes(3.3. att.). Šīs līknes parāda atkarību L intensitātes līmenis dB no skaņas frekvences ν noteiktā skaņas skaļumā.

Apakšējā līkne atbilst dzirdes slieksnis. Tas ļauj atrast intensitātes līmeņa sliekšņa vērtību (E = 0) noteiktā toņa frekvencē.

Izmantojot vienādas skaļuma līknes, varat atrast skaņas skaļums, ja ir zināms tā biežums un intensitātes līmenis.

Skaņas mērījumi

Vienādas skaļuma līknes atspoguļo skaņas uztveri vidusmēra cilvēks. Dzirdes novērtēšanai specifisks cilvēks, tiek izmantota tīra toņa sliekšņa audiometrijas metode.

Audiometrija - dzirdes asuma mērīšanas metode. Izmantojot īpašu ierīci (audiometru), tiek noteikts dzirdes sajūtas slieksnis vai uztveres slieksnis, L P dažādās frekvencēs. Lai to izdarītu, izmantojot skaņas ģeneratoru, tie rada noteiktas frekvences skaņu un, palielinot līmeni,

Rīsi. 3.3. Vienādas skaļuma līknes

intensitātes līmeni L, fiksējiet intensitātes sliekšņa līmeni L p, pie kura subjekts sāk izjust dzirdes sajūtas. Mainot skaņas frekvenci, tiek iegūta eksperimentāla atkarība L p (v), ko sauc par audiogrammu (3.4. att.).

Rīsi. 3.4. Audiogrammas

Skaņas uztveršanas aparāta darbības traucējumi var izraisīt dzirdes zaudēšana- pastāvīga jutības samazināšanās pret dažādiem toņiem un čukstu runu.

Dzirdes zuduma pakāpju starptautiskā klasifikācija, pamatojoties uz uztveres sliekšņu vidējām vērtībām runas frekvencēs, ir sniegta tabulā. 3.2.

Lai izmērītu skaļumu sarežģīts tonis vai troksnis izmantojiet īpašas ierīces - skaņas līmeņa mērītāji. Mikrofona uztvertā skaņa tiek pārveidota par elektrisko signālu, kas tiek izvadīts caur filtru sistēmu. Filtra parametri ir izvēlēti tā, lai skaņas līmeņa mērītāja jutība dažādās frekvencēs būtu tuvu cilvēka auss jutīgumam.

3.4. Skaņas pāreja interfeisā

Kad skaņas vilnis saskaras ar divu datu nesēju saskarni, skaņa tiek daļēji atspoguļota un daļēji iekļūst otrajā vidē. Caur robežu atspoguļoto un pārraidīto viļņu intensitāti nosaka atbilstošie koeficienti.

Normālai skaņas viļņa sastopamībai saskarnē ir derīgas šādas formulas:

No formulas (3.9) ir skaidrs, ka jo vairāk atšķiras vides viļņu pretestības, jo lielāka ir saskarnē atstarotās enerģijas īpatsvars. Jo īpaši, ja vērtība X ir tuvu nullei, tad atstarošanas koeficients ir tuvu vienībai. Piemēram, gaisa-ūdens saskarnei X= 3x10 -4 un r = 99,88%. Tas ir, pārdomas ir gandrīz pabeigtas.

3.3. tabulā ir parādīti dažu nesēju ātrumi un viļņu pretestības 20 °C temperatūrā.

Ņemiet vērā, ka atstarošanas un refrakcijas koeficientu vērtības nav atkarīgas no secības, kādā skaņa iziet caur šiem līdzekļiem. Piemēram, skaņas pārejai no gaisa uz ūdeni koeficienti ir tādi paši kā pārejai pretējā virzienā.

3.5. Labas izpētes metodes

Skaņa var būt informācijas avots par cilvēka orgānu stāvokli.

1. Auskultācija- tieša klausīšanās skaņās, kas rodas ķermeņa iekšienē. Pēc šādu skaņu rakstura ir iespējams precīzi noteikt, kādi procesi notiek noteiktā ķermeņa zonā, un dažos gadījumos noteikt diagnozi. Klausīšanai izmantotie instrumenti: stetoskops, fonendoskops.

Fonendoskops sastāv no dobas kapsulas ar caurlaidīgu membrānu, kas tiek uzklāta uz ķermeņa, no kuras gumijas caurules nonāk ārsta ausī. Dobajā kapsulā notiek gaisa kolonnas rezonanse, izraisot pastiprinātu skaņu un līdz ar to uzlabojot klausīšanos. Ir dzirdamas elpas skaņas, sēkšana, sirds skaņas un sirds trokšņi.

Klīnikā tiek izmantotas instalācijas, kurās klausīšanās notiek, izmantojot mikrofonu un skaļruni. Plašs

skaņas tiek ierakstītas, izmantojot magnetofonu uz magnētiskās lentes, kas ļauj tās reproducēt.

2. Fonokardiogrāfija- sirds skaņu un trokšņu grafiskā reģistrācija un to diagnostiskā interpretācija. Ieraksts tiek veikts, izmantojot fonokardiogrāfu, kas sastāv no mikrofona, pastiprinātāja, frekvenču filtriem un ierakstīšanas ierīces.

3. Sitamie instrumenti - iekšējo orgānu pārbaude, uzsitot pa ķermeņa virsmu un analizējot skaņas, kas rodas. Piesitienu veic, izmantojot īpašus āmurus vai pirkstus.

Ja skaņas vibrācijas tiek radītas slēgtā dobumā, tad pie noteiktas skaņas frekvences dobumā esošais gaiss sāks rezonēt, pastiprinot toni, kas atbilst dobuma izmēram un tā novietojumam. Shematiski cilvēka ķermeni var attēlot kā dažādu tilpumu summu: ar gāzi pildīts (plaušas), šķidrums (iekšējie orgāni), ciets (kauli). Saskaroties ar ķermeņa virsmu, rodas dažādas frekvences vibrācijas. Daži no viņiem izies. Citas sakritīs ar tukšumu dabiskajām frekvencēm, tāpēc tās tiks pastiprinātas un rezonanses dēļ būs dzirdamas. Ērģeļu stāvokli un topogrāfiju nosaka sitaminstrumentu skaņu tonis.

3.6. Trokšņa novēršanu noteicošie faktori.

Aizsardzība pret troksni

Lai novērstu troksni, ir jāzina galvenie faktori, kas nosaka tā ietekmi uz cilvēka ķermeni: trokšņa avota tuvums, trokšņa intensitāte, iedarbības ilgums, ierobežotā telpa, kurā troksnis darbojas.

Ilgstoša trokšņa iedarbība izraisa sarežģītu simptomātisku funkcionālu un organisku izmaiņu kopumu organismā (un ne tikai dzirdes orgānā).

Ilgstoša trokšņa ietekme uz centrālo nervu sistēmu izpaužas kā visu nervu reakciju palēnināšanās, aktīvās uzmanības laika samazināšanās un veiktspējas samazināšanās.

Pēc ilgstošas ​​trokšņa iedarbības mainās elpošanas ritms un sirdsdarbība, palielinās asinsvadu sistēmas tonuss, kā rezultātā palielinās sistoliskais un diastoliskais

Ikiskais asinsspiediena līmenis. Mainās kuņģa-zarnu trakta motora un sekrēcijas aktivitāte, tiek novērota atsevišķu endokrīno dziedzeru hipersekrēcija. Ir pastiprināta svīšana. Notiek garīgo funkciju, īpaši atmiņas, nomākums.

Troksnis īpaši ietekmē dzirdes orgāna funkcijas. Auss, tāpat kā visi maņu orgāni, spēj pielāgoties trokšņiem. Tajā pašā laikā trokšņa ietekmē dzirdes slieksnis palielinās par 10-15 dB. Pēc trokšņa iedarbības pārtraukšanas dzirdes sliekšņa normālā vērtība tiek atjaunota tikai pēc 3-5 minūtēm. Pie augsta trokšņa intensitātes līmeņa (80-90 dB) tā nogurdinošais efekts strauji palielinās. Viens no dzirdes traucējumu veidiem, kas saistīti ar ilgstošu trokšņa iedarbību, ir dzirdes zudums (3.2. tabula).

Rokmūzikai ir spēcīga ietekme gan uz cilvēka fizisko, gan psiholoģisko stāvokli. Mūsdienu rokmūzika rada troksni diapazonā no 10 Hz līdz 80 kHz. Eksperimentāli noskaidrots, ka, ja sitaminstrumentu noteiktajam galvenajam ritmam ir 1,5 Hz frekvence un spēcīgs mūzikas pavadījums 15-30 Hz frekvencēs, tad cilvēks kļūst ļoti satraukts. Ar ritmu ar frekvenci 2 Hz un tādu pašu pavadījumu cilvēks nonāk stāvoklī, kas ir tuvu narkotiku intoksikācijai. Rokkoncertos skaņas intensitāte var pārsniegt 120 dB, lai gan cilvēka auss ir vislabvēlīgāk noregulēta uz vidējo intensitāti 55 dB. Šajā gadījumā var rasties skaņas satricinājumi, skaņas "apdegumi", dzirdes un atmiņas zudums.

Troksnis kaitīgi ietekmē arī redzes orgānu. Tādējādi ilgstoša rūpnieciskā trokšņa iedarbība uz cilvēku aptumšotā telpā izraisa ievērojamu tīklenes aktivitātes samazināšanos, no kuras ir atkarīga redzes nerva darbība un līdz ar to arī redzes asums.

Aizsardzība pret troksni ir diezgan sarežģīta. Tas ir saistīts ar to, ka salīdzinoši garā viļņa garuma dēļ skaņa izliecas ap šķēršļiem (difrakcija) un neveidojas skaņas ēna (3.5. att.).

Turklāt daudziem būvniecībā un tehnoloģijās izmantotajiem materiāliem nav pietiekami augsts skaņas absorbcijas koeficients.

Rīsi. 3.5. Skaņas viļņu difrakcija

Šīm funkcijām ir nepieciešami īpaši trokšņa apkarošanas līdzekļi, kas ietver trokšņa slāpēšanu, kas rodas pašā avotā, trokšņa slāpētāju izmantošanu, elastīgo balstiekārtu, skaņas izolācijas materiālu izmantošanu, plaisu novēršanu utt.

Lai cīnītos pret trokšņa iekļūšanu dzīvojamās telpās, liela nozīme pareizi plānot ēku izvietojumu, ņemot vērā vēja rozes, veidojot aizsargjoslas, tai skaitā veģetāciju. Augi ir labs trokšņu slāpētājs. Koki un krūmi var samazināt intensitātes līmeni par 5-20 dB. Zaļās svītras starp ietvi un ietvi ir efektīvas. Liepas un egles vislabāk slāpē troksni. Mājas, kas atrodas aiz augsta priežu žoga, var būt gandrīz pilnībā brīvas no ielas trokšņiem.

Cīņa pret troksni nenozīmē absolūta klusuma radīšanu, jo ilgstošas ​​dzirdes sajūtu trūkuma gadījumā cilvēkam var rasties garīgi traucējumi. Absolūts klusums un ilgstoši paaugstināts troksnis ir vienlīdz nedabisks cilvēkiem.

3.7. Pamatjēdzieni un formulas. Tabulas

Tabulas turpinājums

Tabulas beigas

3.1. tabula. Sastapto skaņu raksturojums

3.2. tabula. Starptautiskā dzirdes zuduma klasifikācija

3.3. tabula. Skaņas ātrums un īpatnējā akustiskā pretestība dažām vielām un cilvēka audiem pie t = 25 °C

3.8. Uzdevumi

1. Skaņa ar intensitātes līmeni L 1 = 50 dB uz ielas telpā tiek dzirdama kā skaņa ar intensitātes līmeni L 2 = 30 dB. Atrodiet skaņas intensitātes attiecību uz ielas un telpā.

2. Skaņas skaļuma līmenis ar frekvenci 5000 Hz ir vienāds ar E = 50 von. Atrodiet šīs skaņas intensitāti, izmantojot vienāda skaļuma līknes.

Risinājums

No 3.2. attēlā redzams, ka pie frekvences 5000 Hz skaļums E = 50 fons atbilst intensitātes līmenim L = 47 dB = 4,7 B. No formulas 3.4 mēs atrodam: I = 10 4,7 I 0 = 510 -8 W/ m 2.

Atbilde: I = 5?10 -8 W/m2.

3. Ventilators rada skaņu ar intensitātes līmeni L = 60 dB. Atrodiet skaņas intensitātes līmeni, kad darbojas divi blakus esošie ventilatori.

Risinājums

L 2 = log(2x10 L) = log2 + L = 0,3 + 6B = 63 dB (sk. 3.6.). Atbilde: L 2 = 63 dB.

4. Reaktīvās lidmašīnas skaņas līmenis 30 m attālumā no tā ir 140 dB. Kāds ir skaļuma līmenis 300 m attālumā? Nepalaidiet uzmanību atspulgam no zemes.

Risinājums

Intensitāte samazinās proporcionāli distances kvadrātam – samazinās par 10 2 reizes. L 1 - L 2 = 10xlg(I 1 /I 2) = 10x2 = 20 dB. Atbilde: L 2 = 120 dB.

5. Abu skaņas avotu intensitātes attiecība ir vienāda ar: I 2 /I 1 = 2. Kāda ir šo skaņu intensitātes līmeņu atšķirība?

Risinājums

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

6. Kāds ir skaņas intensitātes līmenis ar frekvenci 100 Hz, kuras skaļums ir tāds pats kā skaņai ar frekvenci 3 kHz un intensitāti

Risinājums

Izmantojot vienādas skaļuma līknes (3.3. att.), konstatējam, ka 25 dB pie frekvences 3 kHz atbilst skaļumam 30 von. 100 Hz frekvencē šis skaļums atbilst 65 dB intensitātes līmenim.

Atbilde: 65 dB.

7. Skaņas viļņa amplitūda palielinājās trīs reizes. a) cik reizes tā intensitāte palielinājās? b) par cik decibeliem palielinājās skaļums?

Risinājums

Intensitāte ir proporcionāla amplitūdas kvadrātam (sk. 3.6.):

8. Laboratorijas telpā, kas atrodas darbnīcā, trokšņa intensitātes līmenis sasniedza 80 dB. Lai samazinātu troksni, tika nolemts laboratorijas sienas apšūt ar skaņu absorbējošu materiālu, samazinot skaņas intensitāti 1500 reizes. Kāds trokšņa intensitātes līmenis būs laboratorijā pēc tam?

Risinājums

Skaņas intensitātes līmenis decibelos: L = 10 x log(I/I 0). Kad skaņas intensitāte mainās, skaņas intensitātes līmeņa izmaiņas būs vienādas ar:

9. Abu mediju pretestības atšķiras ar koeficientu 2: R 2 = 2R 1 . Kāda enerģijas daļa tiek atspoguļota no saskarnes un kāda enerģijas daļa pāriet otrajā vidē?

Risinājums

Izmantojot formulas (3.8 un 3.9), mēs atrodam:

Atbilde: 1/9 daļa enerģijas tiek atspoguļota, un 8/9 pāriet otrajā vidē.

Ikdienā mēs raksturojam skaņu, cita starpā, pēc tās skaļuma un augstuma. Bet no fizikas viedokļa skaņas vilnis ir vides molekulu periodiska vibrācija, kas izplatās telpā. Tāpat kā jebkuru vilni, skaņu raksturo tās amplitūda, frekvence, viļņa garums utt. Amplitūda parāda, cik spēcīgi vibrējoša vide novirzās no sava “klusā” stāvokļa; Tā ir viņa, kas ir atbildīga par skaņas skaļumu. Frekvence norāda, cik reižu sekundē notiek vibrācija, un jo augstāka ir frekvence, jo augstāks ir dzirdamās skaņas augstums.

Tipiskās skaņas skaļuma un frekvences vērtības, kas atrodamas, piemēram, audio ierīču tehniskajos standartos un raksturlielumos, ir pielāgotas cilvēka ausij, tās ir cilvēkam ērtā skaļuma un frekvences diapazonā. Tādējādi skaņa ar skaļumu virs 130 dB (decibeliem) izraisa sāpes, un cilvēks vispār nedzirdēs skaņas vilni ar frekvenci 30 kHz. Tomēr papildus šiem “cilvēciskajiem” ierobežojumiem skaņas viļņa skaļumam un frekvencei ir arī tīri fiziski ierobežojumi.

Uzdevums

Novērtējiet skaņas viļņa maksimālo skaļumu un maksimālo frekvenci, kas normālos apstākļos var izplatīties gaisā un ūdenī. Aprakstiet vispārīgi, kas notiks, ja mēģināsiet izstarot skaņu, kas pārsniedz šīs robežas.

Padoms

Atgādiniet, ka skaļums, ko mēra decibelos, ir logaritmiska skala, kas parāda, cik reižu spiediens skaņas vilnī (P) ir spēcīgāks par kādu fiksētu sliekšņa spiedienu P 0 . Formula spiediena pārvēršanai tilpumā ir šāda: tilpums decibelos = 20 lg(P/P 0), kur lg ir decimāllogaritms. Par sliekšņa spiedienu akustikā ir pieņemts pieņemt P0 = 20 μPa (ūdenī tiek pieņemta cita sliekšņa vērtība: P0 = 1 μPa). Piemēram, skaņa ar spiedienu P = 0,2 Pa desmit tūkstošus reižu pārsniedz P 0, kas atbilst skaļumam 20 lg(10000) = 80 dB. Tādējādi skaļuma ierobežojums rodas no maksimālā iespējamā spiediena, ko var radīt skaņas vilnis.

Lai atrisinātu problēmu, jums jāmēģina iedomāties skaņas vilni ar ļoti augstu spiedienu vai ļoti augstu frekvenci un mēģināt saprast, kādi fiziski ierobežojumi rodas.

Risinājums

Vispirms atradīsim skaļuma ierobežojums. Mierīgā gaisā (bez skaņas) molekulas lido haotiski, bet vidēji gaisa blīvums paliek nemainīgs. Skaņai izplatoties, papildus ātrai haotiskai kustībai molekulas piedzīvo arī vienmērīgu pārvietošanos uz priekšu un atpakaļ noteiktā laika posmā. Sakarā ar to rodas mainīgas kondensācijas un gaisa retināšanas zonas, tas ir, augsta un zema spiediena zonas. Tieši šī spiediena novirze no normas ir akustiskais spiediens (spiediens skaņas vilnī).

Vakuuma reģionā spiediens pazeminās līdz P atm - P. Ir skaidrs, ka gāzē tam jāpaliek pozitīvam: nulles spiediens nozīmē, ka šajā reģionā Šis brīdis Laika daļiņu vispār nav, un to vairs nevar būt mazāk par šo. Tāpēc maksimālais akustiskais spiediens P, ko skaņas vilnis var radīt atlikušajā skaņā, ir tieši vienāds ar atmosfēras spiedienu. P = P atm = 100 kPa. Tas atbilst teorētiskajam tilpuma ierobežojumam, kas vienāds ar 20 lg (5 10 9), kas dod aptuveni 195 dB.

Situācija nedaudz mainās, ja runājam par skaņas izplatīšanos nevis gāzē, bet šķidrumā. Tur spiediens var kļūt negatīvs - tas vienkārši nozīmē, ka viņi mēģina stiept un saplēst nepārtraukto vidi, bet starpmolekulāro spēku dēļ tā var izturēt šādu stiepšanos. Tomēr lieluma ziņā šis negatīvais spiediens ir mazs, apmēram vienu atmosfēru. Ņemot vērā atšķirīgu P 0 vērtību, tas dod teorētisko ierobežojumu skaļumam ūdenī aptuveni 225 dB.

Tagad mēs saņemam skaņas frekvences ierobežojums. (Patiesībā tas ir tikai viens no iespējamiem biežuma ierobežojumiem; citus minēsim pēcvārdā.)

Viena no galvenajām skaņas īpašībām (atšķirībā no daudziem citiem, sarežģītākiem viļņiem) ir tā, ka tās ātrums praktiski nav atkarīgs no frekvences. Bet viļņu ātrums ir saistīts ar frekvenci ν (tas ir, laiku plkst th periodiskums) ar viļņa garumu λ (telpiskā periodiskums): c = ν·λ. Tāpēc, jo augstāka ir frekvence, jo īsāks skaņas viļņa garums.

Viļņa frekvenci ierobežo vielas diskrētums. Skaņas viļņa garums nevar būt mazāks par tipisko attālumu starp molekulām: galu galā skaņas vilnis ir daļiņu kondensācija-izlāde un bez tām nevar pastāvēt. Turklāt viļņa garumam jābūt vismaz diviem vai trim no šiem attālumiem: galu galā tajā jāietver gan kondensācijas zonas, gan retināšanas reģions. Gaisam normālos apstākļos vidējais attālums starp molekulām ir aptuveni 100 nm, skaņas ātrums ir 300 m/s, tātad maksimālā frekvence ir apmēram 2 GHz. Ūdenī diskrētuma skala ir mazāka, aptuveni 0,3 nm, un skaņas ātrums ir 1500 m/s. Tas nodrošina aptuveni tūkstoš reižu augstāku frekvences ierobežojumu aptuveni vairāki teraherci.

Tagad apspriedīsim, kas notiek, ja mēģināsim izstarot skaņu, kas pārsniedz atrastās robežas. Kā skaņas viļņu emitētājs ir piemērota cieta plāksne, kas iegremdēta vidē, kuru motors kustina uz priekšu un atpakaļ. Tehniski ir iespējams izveidot emitētāju ar tik lielu amplitūdu, ka maksimāli tas rada spiedienu, kas ir daudz lielāks par atmosfēras spiedienu - šim nolūkam pietiek ar plāksni ātri un ar lielu amplitūdu. Tomēr tad vakuuma fāzē (kad plāksne pārvietojas atpakaļ) vienkārši būs vakuums. Tādējādi ļoti skaļas skaņas vietā šāda plāksne tiks “nogriezta A"ieelpojiet gaisu" plānos un blīvos slāņos un metiet tos uz priekšu. Tie nespēs izplatīties pa vidi - saduroties ar klusu gaisu, tie to strauji uzsildīs, radīs triecienviļņus un paši sabruks.

Var iedomāties citu situāciju, kad akustiskais emitents svārstās ar frekvenci, kas pārsniedz atrasto skaņas frekvences robežu. Šāds izstarotājs spiedīs barotnes molekulas, bet tik bieži, ka tas nedos tām iespēju veidot sinhronu vibrāciju. Rezultātā plāksne vienkārši nejauši nodos enerģiju tuvojošajām molekulām, tas ir, tā vienkārši uzsildīs barotni.

Pēcvārds

Mūsu apsvērumi, protams, bija ļoti vienkārši un neņēma vērā daudzos matērijā notiekošos procesus, kas arī ierobežo skaņas izplatīšanos. Piemēram, viskozitāte izraisa skaņas viļņa vājināšanos, un šīs vājināšanās ātrums strauji palielinās līdz ar frekvenci. Jo augstāka ir frekvence, jo ātrāk gāze pārvietojas uz priekšu un atpakaļ, kas nozīmē, jo ātrāk viskozitātes dēļ enerģija tiek pārvērsta siltumā. Tāpēc pārāk viskozā vidē augstfrekvences ultraskaņai vienkārši nebūs laika lidot makroskopiskā attālumā.

Skaņas vājināšanā nozīme ir arī citam efektam. No termodinamikas izriet, ka ar strauju kompresiju gāze uzsilst, un ar strauja paplašināšanās- atdziest. Tas notiek arī skaņas vilnī. Bet, ja gāzei ir augsta siltumvadītspēja, tad ar katru svārstību siltums plūdīs no karstās zonas uz auksto zonu, tādējādi vājinot termisko kontrastu un galu galā arī skaņas viļņa amplitūdu.

Ir arī vērts uzsvērt, ka visi konstatētie ierobežojumi attiecas uz šķidrumiem un gāzēm normālos apstākļos; tie mainīsies, ja apstākļi būtiski mainīsies. Piemēram, maksimālais teorētiskais tilpums acīmredzami ir atkarīgs no spiediena. Tāpēc milzu planētu atmosfērā, kur spiediens ir ievērojami augstāks par atmosfēras spiedienu, iespējama vēl skaļāka skaņa; otrādi, ļoti reti sastopamā atmosfērā visas skaņas neizbēgami ir klusas.

Visbeidzot, pieminēsim vēl vienu interesantu ļoti augstas frekvences ultraskaņas īpašību, kad tā izplatās ūdenī. Izrādās, ka skaņas frekvencei ievērojami pārsniedzot 10 GHz, tās ātrums ūdenī aptuveni dubultojas un ir aptuveni salīdzināms ar skaņas ātrumu ledū. Tas nozīmē, ka daži ātri mijiedarbības procesi starp ūdens molekulām sāk spēlēt nozīmīgu lomu, kad svārstās ar periodu, kas mazāks par 100 pikosekundēm. Relatīvi runājot, ūdens šādos laika intervālos iegūst papildu elastību, kas paātrina skaņas viļņu izplatīšanos. Tomēr tika saprasti šīs tā sauktās "ātrās skaņas" mikroskopiskie iemesli