8417 0

Uansett hvilken forskningsmetode som brukes i den audiologiske studien av auditiv funksjon, er ideer om de grunnleggende fysiske egenskapene til lydsignaler avgjørende. Nedenfor vil vi kun presentere de mest grunnleggende konseptene for akustikk og elektroakustikk.

Verdier for forplantningshastigheten til en lydbølge ved forskjellige temperaturer

Lyd i naturen forplanter seg i form av en tidsvarierende forstyrrelse av et elastisk medium. De oscillerende bevegelsene til partikler av et slikt elastisk medium, som oppstår under påvirkning av lyd, kalles lydvibrasjoner, og rommet for forplantning av lydvibrasjoner skaper et lydfelt. Hvis mediet som lydvibrasjoner forplanter seg i er flytende eller gassformig, så vibrerer partiklene i disse mediene langs lydutbredelseslinjen, og derfor betraktes de vanligvis som langsgående vibrasjoner.

Når lyd forplanter seg i faste stoffer, sammen med langsgående vibrasjoner, observeres også tverrgående lydvibrasjoner. Naturligvis må forplantningen av vibrasjoner i et medium ha en viss retning. Denne retningen kalles en lydstråle, og overflaten som forbinder alle tilstøtende punkter av en lydbølge med samme vibrasjonsfase kalles fronten av en lydbølge. I tillegg beveger lydbølger seg med forskjellige hastigheter i forskjellige medier. Det er nødvendig å ta hensyn til at hastighetsverdien bestemmes av tettheten til mediet der lydbølgen forplanter seg.

Informasjon om tetthetsverdiene til lydmediet er svært viktig, siden denne tettheten skaper en viss akustisk motstand mot forplantningen av lydbølgen. Forplantningshastigheten til en lydbølge påvirkes også av mediets temperatur: når temperaturen på mediet øker, øker lydbølgens forplantningshastighet.

De viktigste fysiske egenskapene til lyd for en audiologisk undersøkelse er dens intensitet og frekvens. Derfor vil de bli vurdert mer detaljert.

For å gå videre til den fysiske egenskapen til lydintensitet, er det først nødvendig å vurdere en rekke andre parametere for lydsignaler relatert til deres intensitet.

Lydtrykk - p(t) - karakteriserer kraften som virker på et område som ligger vinkelrett på bevegelsen til partikler. I SI-systemet måles lydtrykk i Newton. Newton er kraften som gir en akselerasjon på 1 m/s til en masse på 1 kg på 1 s og virker per 1 kvadratmeter, forkortet N/m2.

Andre måleenheter for lydtrykk er også gitt i litteraturen. Nedenfor er forholdet mellom hovedenhetene som brukes:

1N/m2-10 dyn/cm2=10 µbar (mikrobar)

Energien til akustiske vibrasjoner (E) karakteriserer energien til partikler som beveger seg under påvirkning av lydtrykk (målt i joule - J).

Energien per arealenhet karakteriserer den akustiske tettheten, målt i J/m2. Den faktiske intensiteten av lydvibrasjoner er definert som kraften eller tettheten til den akustiske fluksen per tidsenhet, dvs. J/m2/s eller W/m2.

Mennesker og dyr oppfatter et veldig bredt spekter av lydtrykk (fra 0,0002 til 200 μbar). Derfor, for å gjøre målingen lettere, er det vanlig å bruke relative verdier, nemlig desimal eller naturlig logaritmeskala. Lydtrykk måles i desibel og bel (1B = 10 dB) når logaritmer med desimalbasis brukes. Noen ganger (ganske sjelden) måles lydtrykk i nener (1Нн = 8,67 dB); i dette tilfellet brukes naturlige logaritmer, dvs. logaritmer er ikke med desimalbaser (som tilfellet er med B og dB), men med binære baser.

Imidlertid bør det bemerkes at rangeringen i bel og desibel ble tatt som et logaritmisk mål på effektforholdet. I mellomtiden er kraft og intensitet proporsjonale med kvadratet av lydtrykket. Derfor, på dagen for overgang til lydintensitet, etableres følgende forhold:

hvor N er intensitet eller lydtrykk (P) i bel (B) eller desibel (dB), er I0 og P0 konvensjonelt aksepterte lesenivåer for intensitet og lydtrykk. Vanligvis er lydtrykkavlesningsnivået (forkortelsen "USD" brukes ofte i litteraturen, fra startbokstavene i ordene "lydtrykknivå", og i engelske språk Forkortelsen som brukes er "SPL" (fra det identiske uttrykket "Sound Pressure Level") og anses å være 2x10-5 N/m2. Forholdet mellom ultralyd og andre enheter av lydintensitet er som følger:

2x10-5 N/m2=2x10-4din/cm2=2x10-4 µbar

La oss nå vurdere de akustiske egenskapene til frekvensen til lydsignaler. I de fleste tilfeller brukes harmoniske lydsignaler for å undersøke auditiv funksjon.

Et harmonisk lydsignal (ellers et sinusformet signal eller en ren tone), som også har en innledende fase med å slå på et tonesignal, i tillegg til lydtrykk, er preget av en så viktig fysisk egenskap som bølgelengde. Alle harmoniske lydsignaler (eller rene toner) har periodisitet (dvs. periode T). I dette tilfellet er lydbølgelengden definert som avstanden mellom tilstøtende bølgefronter med samme oscillasjonsfase og beregnes med formelen:

J = c x T

Hvor c er forplantningshastigheten til lydvibrasjoner (vanligvis m/s), er I deres periodisitet. I dette tilfellet tilsvarer frekvensen av lydvibrasjoner (f) formelen:

f = J/T

Frekvensen til en tone estimeres ved antall lydvibrasjoner per sekund og uttrykkes i hertz (forkortet Hz). Basert på frekvensområdet for lydvibrasjoner oppfattet av mennesker, kalles frekvenser i området 20 - 20 000 Hz lydfrekvenser, lavere frekvenser (f.< 20 Гц) называют инфразвуками, а более высокие (f >20000 Hz) - ultralyd.

I sin tur, rent av praktiske årsaker, rekkevidden lydfrekvenser noen ganger er de konvensjonelt delt inn i lav - under 500 Hz, medium - 500-4000 Hz og høy - 4000 Hz og over. Merk at for å betegne lydvibrasjoner fra 1000 Hz og over, brukes ofte betegnelsen kilohertz, forkortet kHz.

Skjematisk representasjon av formen og spekteret til en rekke lydsignaler brukt i audiologisk forskning:

1 - tone; 2 - kort lydpuls (klikk); 3 - støysignal; 4 - kort toneutbrudd; 5 - amplitudemodulert signal (T - amplitudemodulasjonsperiode); 6 - frekvensmodulert signal.

Hvis et lydsignal inneholder mange forskjellige frekvenser (ideelt sett alle frekvenser i lydspekteret), så vises et såkalt støysignal.

En av metodene for audiologisk undersøkelse av pasienter er akustisk impedansmåling. La oss derfor vurdere mer detaljert en annen fysisk karakteristikk av lydsignaler.

Det er velkjent at ved forplantning i medier møter ulike typer energi en viss motstand. Det ble indikert ovenfor at den samme motstanden møtes av akustisk energi når lydbølger forplanter seg inn høyttalersystemerÅh. Av den følgende fremstillingen vil det fremgå at de perifere delene av det auditive systemet, d.v.s. Det ytre øret og mellomøret er fra et fysisk synspunkt typiske akustiske systemer, nemlig akustiske lydmottakere. Derfor er det nødvendig å vurdere essensen og egenskapene til akustisk motstand, under hensyntagen til passasjen av lydsignaler gjennom de perifere delene av det auditive systemet.

Kompleks akustisk impedans eller akustisk impedans er definert som den totale motstanden mot passering av akustisk energi i høyttalersystemer. Akustisk impedans er forholdet mellom komplekse lydtrykkamplituder og vibrasjonsvolumetrisk hastighet og beskrives med formelen:

Za = ReZa + ilmZa

I denne ligningen representerer ReZa den aktive akustiske impedansen (ellers kjent som sann eller resistiv impedans), som er relatert til spredningen av energi i selve det akustiske systemet. Energispredning forstås som dets spredning til overgangen av energien til ordnede prosesser (som den kinetiske energien til lydbølger) til energien til uordnede prosesser (til slutt til varme). Den andre delen av ilmZa-ligningen (den imaginære delen) kalles akustisk reaktans, som er forårsaket av treghetskrefter eller krefter av elastisitet, ettergivenhet eller fleksibilitet.

Nedenfor vil vi i detalj beskrive prosedyren for å studere den akustiske impedansen til mellomøret med en rekke målinger som er avgjørende for en audiologisk undersøkelse (tympanometri, impedansmåling).

Ja.A. Altman, G. A. Tavartkiladze

I denne artikkelen vil vi dykke enda dypere inn i strukturen til høreapparatet, og så å si koble på det "fysiske" nivået jeg skrev om i de tre foregående artiklene. I dag vil vi berøre temaet "lydstyrkegrense" i de neste to artiklene. Et lydsignal av enhver art kan beskrives av et visst sett med fysiske egenskaper: frekvens, intensitet, varighet, tidsstruktur, spektrum, etc. De tilsvarer visse subjektive sansninger som oppstår når det auditive systemet oppfatter lyder: volum, tonehøyde, klangfarge. , beats, konsonans-dissonanser , kamuflasje, lokalisering-stereoeffekt, etc. Som vi vet, er hørselssansene ikke lineære i oppfatningen! Vanligvis er dette alltid et kompleks av fysiske parametere. For eksempel er lydstyrke en følelse som oppstår fra kombinasjoner av frekvenser, på det unike ved spekteret og selve lydens intensitet.

Det ble etablert i antikkenforholdom ikke-lineær oppfatning av hørsel. Dette ble til lovWeber - Fechner - empirisk psykofysiologisk lov, som består i at intensitetenFøle proporsjonallogaritme stimulans intensitet.

I 1834 E. Weber gjennomførte en rekke eksperimenter og kom til konklusjonen: for at en ny stimulus skal skille seg i sensasjoner fra den forrige, må den avvike fra den opprinnelige med en mengde proporsjonal med den opprinnelige stimulansen. Basert på disse observasjoneneG. Fechner V 1860 formulerte den "grunnleggende psykofysiske loven", ifølge hvilken styrken av sansningproporsjonal med logaritmen til stimulusintensiteten. Som et eksempel: en lysekrone med 8 pærer virker for oss like mye lysere enn en lysekrone med 4 pærer som en lysekrone med 4 pærer er lysere enn en lysekrone med 2 pærer. Det vil si at antall lyspærer skal øke like mange ganger, slik at det ser ut for oss at økningen i lysstyrke er konstant. Og omvendt, hvis den absolutte økningen i lysstyrke (forskjellen i lysstyrke "etter" og "før") er konstant, vil det se ut for oss at den absolutte økningen avtar når selve lysstyrkeverdien øker. Hvis du for eksempel legger en lyspære til en lysekrone med to lyspærer, vil den tilsynelatende økningen i lysstyrke være betydelig. Hvis vi legger en lyspære til en lysekrone med 12 lyspærer, vil vi knapt merke en økning i lysstyrken.

Fra dette eksemplet (selv om det ikke fullstendig beskriver strukturen til "høyt oppfatning"), ser vi en direkte og åpenbar transformasjon av "frekvensgruppene" (kritiske bånd) til høreapparatet. Fyllingen deres, som "lyspærer", fører til en subjektiv økning i følelsen av volum. Graden av "fylling" kalles "intensiteten" til lyden.

Men før vi snakker mer detaljert, ikke bare om lydstyrkeoppfatning, men også om en slik mulighet for høreapparatet som å etablere tonehøyde, må vi dykke inn i strukturen til "øret" mer detaljert og tydelig forstå arbeidet til alle disse "sjetonger". Jeg vil snakke om dette i neste artikkel.

Psykoakustikk, et vitenskapsfelt som grenser mellom fysikk og psykologi, studerer data om en persons auditive sansning når en fysisk stimulus – lyd – påføres øret. En stor mengde data har blitt samlet om menneskelige reaksjoner på auditive stimuli. Uten disse dataene er det vanskelig å få en korrekt forståelse av driften av lydoverføringssystemer. La oss vurdere de viktigste egenskapene til menneskelig oppfatning av lyd.
En person føler endringer i lydtrykket som skjer ved en frekvens på 20-20 000 Hz. Lyder med frekvenser under 40 Hz er relativt sjeldne i musikk og finnes ikke i talespråk. Ved svært høye frekvenser forsvinner den musikalske oppfatningen og en viss vag lydfølelse dukker opp, avhengig av lytterens individualitet og alder. Med alderen avtar en persons hørselsfølsomhet, først og fremst i de øvre frekvensene i lydområdet.
Men det vil være feil å konkludere på dette grunnlaget at overføring av et bredt frekvensbånd med en lydgjengivende installasjon er uviktig for eldre mennesker. Eksperimenter har vist at folk, selv om de knapt kan oppfatte signaler over 12 kHz, veldig lett gjenkjenner mangelen på høye frekvenser i en musikalsk overføring.

Frekvenskarakteristikker for auditive sensasjoner

Omfanget av lyder som kan høres for mennesker i området 20-20 000 Hz er begrenset i intensitet av terskler: under - hørbarhet og over - smerte.
Hørselsterskelen er estimert ved minimumstrykket, eller mer presist, minimumstrykkøkningen i forhold til grensen er følsom for frekvenser på 1000-5000 Hz - her er hørselsterskelen lavest (lydtrykk ca. 2-10 Pa). Mot lavere og høyere lydfrekvenser synker hørselsfølsomheten kraftig.
Smerteterskelen bestemmer den øvre grensen for oppfatningen av lydenergi og tilsvarer omtrent en lydintensitet på 10 W/m eller 130 dB (for et referansesignal med en frekvens på 1000 Hz).
Når lydtrykket øker, øker også lydens intensitet, og den auditive følelsen øker i sprang, kalt terskel for intensitetsdiskriminering. Antallet av disse hoppene ved middels frekvenser er omtrent 250, ved lave og høye frekvenser avtar det og i gjennomsnitt over frekvensområdet er det omtrent 150.

Siden området for intensitetsendringer er 130 dB, er det elementære hoppet i sensasjoner i gjennomsnitt over amplitudeområdet 0,8 dB, som tilsvarer en endring i lydintensiteten med 1,2 ganger. Ved lave hørselsnivåer når disse hoppene 2-3 dB, ved høye nivåer reduseres de til 0,5 dB (1,1 ganger). En økning i kraften til forsterkningsbanen med mindre enn 1,44 ganger blir praktisk talt ikke oppdaget av det menneskelige øret. Med et lavere lydtrykk utviklet av høyttaleren, vil selv dobling av effekten til utgangstrinnet kanskje ikke gi et merkbart resultat.

Subjektive egenskaper ved lyd

Kvaliteten på lydoverføring vurderes ut fra auditiv persepsjon. Derfor er det riktig å bestemme tekniske krav til lydoverføringsveien eller dens individuelle koblinger er bare mulig ved å studere mønstrene som forbinder den subjektivt oppfattede følelsen av lyd og de objektive egenskapene til lyd er høyde, volum og klang.
Begrepet tonehøyde innebærer en subjektiv vurdering av oppfatningen av lyd på tvers av frekvensområdet. Lyd er vanligvis ikke preget av frekvens, men av tonehøyde.
En tone er et signal om en bestemt tonehøyde som har et diskret spektrum (musikalske lyder, vokallyder av tale). Et signal som har et bredt kontinuerlig spektrum, hvor alle frekvenskomponenter har samme gjennomsnittlige effekt, kalles hvit støy.

En gradvis økning i frekvensen av lydvibrasjoner fra 20 til 20 000 Hz oppfattes som en gradvis endring i tonen fra den laveste (bass) til den høyeste.
Graden av nøyaktighet som en person bestemmer tonehøyden til en lyd med, avhenger av skarpheten, musikaliteten og treningen til øret. Det skal bemerkes at tonehøyden til en lyd avhenger til en viss grad av intensiteten til lyden (ved høye nivåer vises lyder med større intensitet lavere enn svakere.
Det menneskelige øret kan tydelig skille to toner som er tett i tonehøyde. For eksempel, i frekvensområdet på omtrent 2000 Hz, kan en person skille mellom to toner som avviker fra hverandre i frekvens med 3-6 Hz.
Den subjektive skalaen for lydoppfatning i frekvens er nær den logaritmiske loven. Derfor oppfattes en dobling av vibrasjonsfrekvensen (uavhengig av startfrekvensen) alltid som den samme endringen i tonehøyde. Høydeintervallet som tilsvarer en 2-dobbel endring i frekvens kalles en oktav. Frekvensområdet som oppfattes av mennesker er 20-20 000 Hz, som dekker omtrent ti oktaver.
Oktav er et ganske stort intervall for endring i tonehøyde; en person skiller betydelig mindre intervaller. Således, i ti oktaver oppfattet av øret, kan mer enn tusen graderinger av tonehøyde skilles. Musikk bruker mindre intervaller kalt halvtoner, som tilsvarer en endring i frekvens på omtrent 1.054 ganger.
En oktav er delt inn i halve oktaver og en tredjedel av en oktav. For sistnevnte er følgende frekvensområde standardisert: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3:8; 10, som er grensene for en tredjedels oktaver. Hvis disse frekvensene er plassert i like avstander langs frekvensaksen, får du en logaritmisk skala. Basert på alt dette frekvensegenskaper Lydoverføringsenheter er bygget på en logaritmisk skala.
Lydstyrken til overføringen avhenger ikke bare av lydens intensitet, men også av den spektrale sammensetningen, forholdene for persepsjon og eksponeringens varighet. Så, to klingende toner, mellom og lav frekvens, som har samme intensitet (eller samme lydtrykk), oppfattes ikke av en person som like høyt. Derfor ble konseptet med lydstyrkenivå i bakgrunner introdusert for å betegne lyder med samme lydstyrke. Lydvolumnivået i bakgrunnene antas å være lydtrykknivået i desibel av samme volum av en ren tone med en frekvens på 1000 Hz, dvs. for en frekvens på 1000 Hz er volumnivåene i bakgrunner og desibel de samme. Ved andre frekvenser kan lyder virke høyere eller roligere ved samme lydtrykk.
Erfaringen til lydteknikere med innspilling og redigering av musikkverk viser at for bedre å kunne oppdage lydfeil som kan oppstå under arbeid, bør volumnivået under kontrolllytting holdes høyt, omtrent tilsvarende volumnivået i salen.
Ved langvarig eksponering for intens lyd reduseres hørselsfølsomheten gradvis, og jo mer, jo høyere lydvolumet. Den påviste reduksjonen i følsomhet er assosiert med hørselsreaksjonen på overbelastning, dvs. med sin naturlige tilpasning Etter en pause i lyttingen er hørselsfølsomheten gjenopprettet. Til dette skal det legges til at høreapparatet, når det oppfatter høynivåsignaler, introduserer sine egne, såkalte subjektive, forvrengninger (som indikerer hørsels ikke-linearitet). Således, ved et signalnivå på 100 dB, når den første og andre subjektive harmoniske nivåer på 85 og 70 dB.
Et betydelig volumnivå og varigheten av eksponeringen forårsaker irreversible fenomener i hørselsorganet. Det ble bemerket at unge mennesker i fjor hørselsterskler økte kraftig. Grunnen til dette var en lidenskap for popmusikk, preget av høyt lydvolum.
Volumnivået måles ved hjelp av en elektroakustisk enhet - en lydnivåmåler. Lyden som måles blir først konvertert til elektriske vibrasjoner av mikrofonen. Etter forsterkning med en spesiell spenningsforsterker, måles disse svingningene med et pekerinstrument justert i desibel. For at enhetens avlesninger skal svare så nøyaktig som mulig til den subjektive oppfatningen av lydstyrke, er enheten utstyrt med spesielle filtre som endrer følsomheten til oppfatningen av lyd av forskjellige frekvenser i samsvar med egenskapene til hørselsfølsomhet.
Viktig egenskap lyden er klang. Hørsels evne til å skille den lar deg oppfatte signaler med et bredt utvalg av nyanser. Lyden til hvert av instrumentene og stemmene, takket være deres karakteristiske nyanser, blir flerfarget og godt gjenkjennelig.
Timbre, som er en subjektiv refleksjon av kompleksiteten til den oppfattede lyden, har ingen kvantitativ vurdering og er preget av kvalitative termer (vakker, myk, saftig, etc.). Når du sender et signal langs en elektroakustisk bane, påvirker de resulterende forvrengningene først og fremst klangen til den reproduserte lyden. Betingelsen for riktig overføring av klangen til musikalske lyder er uforvrengt overføring av signalspekteret. Signalspekteret er samlingen av sinusformede komponenter i en kompleks lyd.
Det enkleste spekteret er den såkalte rene tonen den inneholder bare én frekvens. Lyden til et musikkinstrument er mer interessant: dets spektrum består av frekvensen til grunntonen og flere "urenheter" frekvenser kalt overtoner (høyere toner er et multiplum av frekvensen til grunntonen og er vanligvis mindre i amplitude). .
Klangen til lyden avhenger av fordelingen av intensitet over overtoner. Lydene til forskjellige musikkinstrumenter varierer i klang.
Mer komplekst er spekteret av kombinasjoner av musikalske lyder kalt en akkord. I et slikt spektrum er det flere grunnleggende frekvenser sammen med tilsvarende overtoner
Forskjeller i klang skyldes hovedsakelig lav-midtfrekvenskomponentene til signalet, derfor er et stort utvalg av klangfarger assosiert med signaler som ligger i den nedre delen av frekvensområdet. Signaler som tilhører dens øvre del, når de øker, mister i økende grad sin klangfarge, noe som skyldes den gradvise avgangen til deres harmoniske komponenter utover grensene for hørbare frekvenser. Dette kan forklares med det faktum at opptil 20 eller flere harmoniske er aktivt involvert i dannelsen av klangen til lave lyder, medium 8 - 10, høy 2 - 3, siden resten enten er svake eller faller utenfor hørbar område. frekvenser. Derfor er høye lyder som regel dårligere i klang.
Nesten alle naturlige lydkilder, inkludert kilder til musikalske lyder, har en spesifikk avhengighet av klang på volumnivået. Hørselen er også tilpasset denne avhengigheten – det er naturlig for den å bestemme intensiteten til en kilde ut fra fargen på lyden. Høyere lyder er vanligvis mer tøffe.

Musikalske lydkilder

En rekke faktorer som karakteriserer de primære lydkildene har stor innflytelse på lydkvaliteten til elektroakustiske systemer.
De akustiske parametrene til musikalske kilder avhenger av sammensetningen av utøverne (orkester, ensemble, gruppe, solist og type musikk: symfonisk, folkemusikk, pop, etc.).

Opprinnelsen og dannelsen av lyd på hvert musikkinstrument har sine egne spesifikasjoner knyttet til de akustiske egenskapene til lydproduksjon i et bestemt musikkinstrument.
Et viktig element i musikalsk lyd er angrep. Dette er en spesifikk overgangsprosess der stabile lydkarakteristikker etableres: volum, klang, tonehøyde. Enhver musikalsk lyd går gjennom tre stadier – begynnelse, midt og slutt, og både de innledende og siste stadiene har en viss varighet. Den innledende fasen kalles et angrep. Det varer annerledes: For plukkede instrumenter, perkusjon og noen blåseinstrumenter varer det 0-20 ms, for fagotten varer det 20-60 ms. Et angrep er ikke bare en økning i volumet til en lyd fra null til en jevn verdi, det kan ledsages av den samme endringen i tonehøyden til lyden og klangen. Dessuten er ikke angrepsegenskapene til instrumentet de samme i forskjellige deler av spekteret med forskjellige spillestiler: fiolinen er det mest perfekte instrumentet når det gjelder rikdommen av mulige uttrykksfulle angrepsmetoder.
En av kjennetegnene til ethvert musikkinstrument er frekvensområde lyd.
I tillegg til de grunnleggende frekvensene, er hvert instrument preget av ekstra høykvalitetskomponenter - overtoner (eller, som vanlig i elektroakustikk, høyere harmoniske), som bestemmer dens spesifikke klang.
Det er kjent at lydenergi er ujevnt fordelt over hele spekteret av lydfrekvenser som sendes ut av en kilde.
En annen karakteristisk egenskap ved musikkinstrumenter er styrken til lyden deres, som bestemmes av den større eller mindre amplituden (spennvidden) til deres klingende kropp eller luftsøyle (en større amplitude tilsvarer en sterkere lyd og omvendt). De maksimale akustiske kraftverdiene (i watt) er: for stort orkester 70, basstromme 25, pauker 20, skarptromme 12, trombone 6, piano 0,4, trompet og saksofon 0,3, trompet 0,2, kontrabass 0,( 6, liten fløyte 0,08, klarinett, horn og trekant 0,05.
Forholdet mellom lydkraften som trekkes ut fra et instrument når det spilles «fortissimo» og kraften til lyd når det spilles «pianissimo» kalles vanligvis det dynamiske området til lyden til musikkinstrumenter.
Det dynamiske området til en musikalsk lydkilde avhenger av typen utøvende gruppe og arten av fremføringen.
La oss vurdere det dynamiske området til individuelle lydkilder. Det dynamiske spekteret av individuelle musikkinstrumenter og ensembler (orkestre og kor med ulike komposisjoner), samt stemmer, forstås som forholdet mellom det maksimale lydtrykket som skapes av en gitt kilde og minimum, uttrykt i desibel.
I praksis, når man bestemmer det dynamiske området til en lydkilde, opererer man vanligvis bare på lydtrykknivåer, beregner eller måler deres tilsvarende forskjell. For eksempel, hvis det maksimale lydnivået til et orkester er 90 og minimum er 50 dB, så sies det dynamiske området å være 90 - 50 = 40 dB. I dette tilfellet er 90 og 50 dB lydtrykknivåer i forhold til null akustisk nivå.
Dynamisk rekkevidde for denne kilden lyd er en variabel mengde. Det avhenger av arten av arbeidet som utføres og av de akustiske forholdene i rommet der forestillingen foregår. Etterklang utvider det dynamiske området, som typisk når sitt maksimum i rom med store volumer og minimal lydabsorpsjon. Nesten alle instrumenter og menneskestemmer har et ujevnt dynamisk område på tvers av lydregistre. For eksempel er volumnivået til den laveste lyden på en forte for en vokalist lik nivået til den høyeste lyden på et piano.

Det dynamiske området til et bestemt musikalsk program uttrykkes på samme måte som for individuelle lydkilder, men det maksimale lydtrykket noteres med en dynamisk ff (fortissimo) tone, og minimum med en pp (pianissimo).

Det høyeste volumet, angitt i notene fff (forte, fortissimo), tilsvarer et akustisk lydtrykknivå på ca. 110 dB, og det laveste volumet, angitt i notene ppr (piano-pianissimo), ca. 40 dB.
Det skal bemerkes at de dynamiske nyansene til fremføring i musikk er relative og deres forhold til de tilsvarende lydtrykknivåene er til en viss grad betinget. Det dynamiske området til et bestemt musikalsk program avhenger av komposisjonens natur. Dermed overstiger det dynamiske spekteret av klassiske verk av Haydn, Mozart, Vivaldi sjelden 30-35 dB. Det dynamiske spekteret til popmusikk overstiger vanligvis ikke 40 dB, mens det for danse- og jazzmusikk bare er rundt 20 dB. De fleste verk for orkester av russiske folkeinstrumenter har også et lite dynamisk område (25-30 dB). Dette gjelder også for et brassband. Imidlertid kan det maksimale lydnivået til et brassband i et rom nå et ganske høyt nivå (opptil 110 dB).

Maskeringseffekt

Den subjektive vurderingen av lydstyrke avhenger av forholdene der lyden oppfattes av lytteren. Under reelle forhold eksisterer ikke et akustisk signal i absolutt stillhet. Samtidig påvirker fremmed støy hørselen, kompliserer lydoppfatningen, maskerer til en viss grad hovedsignalet. Effekten av å maskere en ren sinusbølge av fremmed støy måles av verdien som indikerer. med hvor mange desibel terskelen for hørbarhet for det maskerte signalet øker over terskelen for dets oppfatning i stillhet.
Eksperimenter for å bestemme graden av maskering av ett lydsignal av et annet viser at en tone av en hvilken som helst frekvens maskeres av lavere toner mye mer effektivt enn av høyere. For eksempel, hvis to stemmegafler (1200 og 440 Hz) sender ut lyder med samme intensitet, slutter vi å høre den første tonen, den maskeres av den andre (ved å slukke vibrasjonen til den andre stemmegaffelen, vil vi høre den første en gang til).
Hvis to komplekse lydsignaler, som består av visse spektra av lydfrekvenser, så oppstår effekten av gjensidig maskering. Dessuten, hvis hovedenergien til begge signalene ligger i samme område av lydfrekvensområdet, vil maskeringseffekten være den sterkeste. Ved overføring av et orkesterstykke, på grunn av maskering av akkompagnementet, kan solistens del bli dårlig. forståelig og utydelig.
Å oppnå klarhet eller, som de sier, «transparens» av lyd i lydoverføringen til orkestre eller popensembler blir svært vanskelig dersom et instrument eller individuelle grupper av orkesterinstrumenter spiller i ett eller lignende registre samtidig.
Regissøren, når han spiller inn et orkester, må ta hensyn til funksjonene til kamuflasje. Ved øvelser, ved hjelp av dirigenten, etablerer han en balanse mellom lydstyrken til instrumentene til en gruppe, samt mellom gruppene i hele orkesteret. Klarheten til de viktigste melodilinjene og individuelle musikalske deler oppnås i disse tilfellene ved at mikrofonene er nært plassert for utøverne, bevisst fremheving av lydteknikeren av de viktigste dette stedet verk av instrumenter og andre spesielle lydtekniske teknikker.
Fenomenet maskering motvirkes av den psykofysiologiske evnen til høreorganene til å skille ut fra den generelle massen av lyder en eller flere som bærer mest viktig informasjon. For eksempel, når et orkester spiller, merker dirigenten den minste unøyaktighet i fremføringen av en del på et hvilket som helst instrument.
Maskering kan påvirke kvaliteten på signaloverføringen betydelig. En klar oppfatning av den mottatte lyden er mulig hvis intensiteten betydelig overstiger nivået av interferenskomponenter plassert i samme bånd som den mottatte lyden. Ved jevn interferens bør signaloverskuddet være 10-15 dB. Denne funksjonen ved auditiv persepsjon er praktisk bruk, for eksempel ved vurdering av de elektroakustiske egenskapene til medier. Så hvis signal-til-støy-forholdet til en analog plate er 60 dB, kan det dynamiske området til det innspilte programmet ikke være mer enn 45-48 dB.

Temporale kjennetegn ved auditiv persepsjon

Høreapparatet, som ethvert annet oscillerende system, er treghet. Når lyden forsvinner, forsvinner ikke den auditive følelsen umiddelbart, men gradvis, avtagende til null. Tiden støynivået synker med 8-10 bakgrunner kalles hørselstidskonstanten. Denne konstanten avhenger av en rekke omstendigheter, så vel som av parametrene til den oppfattede lyden. Hvis det kommer to korte lydpulser til lytteren, identiske i frekvenssammensetning og nivå, men en av dem er forsinket, vil de bli oppfattet sammen med en forsinkelse som ikke overstiger 50 ms. Ved store forsinkelsesintervaller oppfattes begge impulsene hver for seg, og det oppstår et ekko.
Denne funksjonen ved hørsel tas i betraktning når du designer noen signalbehandlingsenheter, for eksempel elektroniske forsinkelseslinjer, gjenklang, etc.
Det skal bemerkes at på grunn av den spesielle egenskapen til hørsel, avhenger følelsen av volumet til en kortvarig lydpuls ikke bare av nivået, men også av varigheten av pulsens innvirkning på øret. En kortvarig lyd, som bare varer i 10-12 ms, oppfattes dermed av øret roligere enn en lyd på samme nivå, men påvirker hørselen i for eksempel 150-400 ms. Derfor, når du lytter til en sending, er lydstyrken et resultat av gjennomsnittlig energi av lydbølgen over et visst intervall. I tillegg har menneskelig hørsel treghet, spesielt når den oppfatter ikke-lineære forvrengninger, føler den dem ikke hvis varigheten av lydpulsen er mindre enn 10-20 ms. Det er grunnen til at i nivåindikatorer for lydopptak i husholdningsradio-elektronisk utstyr, gjennomsnittlignes de øyeblikkelige signalverdiene over en periode valgt i samsvar med de tidsmessige egenskapene til høreorganene.

Romlig representasjon av lyd

En av de viktige menneskelige evnene er evnen til å bestemme retningen til en lydkilde. Denne evnen kalles den binaurale effekten og forklares av det faktum at en person har to ører. Eksperimentelle data viser hvor lyden kommer fra: en for høyfrekvente toner, en for lavfrekvente toner.

Lyden går en kortere avstand til øret som vender mot kilden enn til det andre øret. Som et resultat varierer trykket av lydbølger i øregangene i fase og amplitude. Amplitudeforskjellene er signifikante bare ved høye frekvenser, når lydbølgelengden blir sammenlignbar med størrelsen på hodet. Når forskjellen i amplitude overstiger en terskelverdi på 1 dB, ser lydkilden ut til å være på den siden der amplituden er større. Avviksvinkelen til lydkilden fra senterlinjen (symmetrilinjen) er omtrent proporsjonal med logaritmen til amplitudeforholdet.
For å bestemme retningen til en lydkilde med frekvenser under 1500-2000 Hz, er faseforskjeller betydelige. Det virker for en person som om lyden kommer fra siden hvorfra bølgen, som er foran i fase, når øret. Vinkelen på lydens avvik fra midtlinjen er proporsjonal med forskjellen i ankomsttidspunktet for lydbølger til begge ørene. En trent person kan merke en faseforskjell med en tidsforskjell på 100 ms.
Evnen til å bestemme lydretningen i vertikalplanet er mye mindre utviklet (omtrent 10 ganger). Denne fysiologiske egenskapen er assosiert med orienteringen til hørselsorganene i horisontalplanet.
Spesifikk funksjon romoppfatning lyd av en person manifesteres i det faktum at hørselsorganene er i stand til å fornemme den totale, integrerte lokaliseringen skapt ved hjelp av kunstige påvirkningsmidler. For eksempel, i et rom, er to høyttalere installert langs fronten i en avstand på 2-3 m fra hverandre. Lytteren er plassert i samme avstand fra aksen til tilkoblingssystemet, strengt tatt i sentrum. I et rom sendes to lyder med lik fase, frekvens og intensitet ut gjennom høyttalerne. Som et resultat av identiteten til lydene som går inn i hørselsorganet, kan en person ikke skille dem fra følelsene hans gi ideer om en enkelt, tilsynelatende (virtuell) lydkilde, som ligger strengt i midten på symmetriaksen.
Hvis vi nå reduserer volumet til én høyttaler, vil den tilsynelatende kilden bevege seg mot den høyere høyttaleren. Illusjonen av en lydkilde som beveger seg kan oppnås ikke bare ved å endre signalnivået, men også ved å kunstig forsinke en lyd i forhold til en annen; i dette tilfellet vil den tilsynelatende kilden skifte mot høyttaleren som sender ut signalet på forhånd.
For å illustrere integral lokalisering gir vi et eksempel. Avstanden mellom høyttalerne er 2 m, avstanden fra frontlinjen til lytteren er 2 m; for at kilden skal bevege seg 40 cm til venstre eller høyre, er det nødvendig å sende inn to signaler med en forskjell i intensitetsnivå på 5 dB eller med en tidsforsinkelse på 0,3 ms. Med en nivåforskjell på 10 dB eller en tidsforsinkelse på 0,6 ms, vil kilden "bevege seg" 70 cm fra midten.
Hvis du endrer lydtrykket som skapes av høyttaleren, oppstår illusjonen av å flytte lydkilden. Dette fenomenet kalles summarisk lokalisering. For å lage oppsummerende lokalisering brukes et to-kanals stereofonisk lydoverføringssystem.
To mikrofoner er installert i primærrommet, som hver fungerer på hver sin kanal. Sekundæren har to høyttalere. Mikrofonene er plassert i en viss avstand fra hverandre langs en linje parallelt med plasseringen av lydgiveren. Ved flytting av lydgiveren vil forskjellig lydtrykk virke på mikrofonen og tidspunktet for lydbølgens ankomst vil være forskjellig på grunn av ulik avstand mellom lydgiveren og mikrofonene. Denne forskjellen skaper en total lokaliseringseffekt i det sekundære rommet, som et resultat av at den tilsynelatende kilden er lokalisert på et bestemt punkt i rommet mellom to høyttalere.
Det skal sies om det binaurale lydoverføringssystemet. Med dette systemet, kalt et kunstig hodesystem, plasseres to separate mikrofoner i det primære rommet, med en avstand fra hverandre lik avstanden mellom en persons ører. Hver av mikrofonene har en uavhengig lydoverføringskanal, hvis utgang i sekundærrommet inkluderer telefoner for venstre og høyre øre. Hvis lydoverføringskanalene er identiske, formidler et slikt system nøyaktig den binaurale effekten som skapes nær ørene til det "kunstige hodet" i primærrommet. Å ha hodetelefoner og måtte bruke dem lenge er en ulempe.
Hørselsorganet bestemmer avstanden til lydkilden ved hjelp av en rekke indirekte tegn og med noen feil. Avhengig av om avstanden til signalkilden er liten eller stor, endres dens subjektive vurdering under påvirkning av ulike faktorer. Det ble funnet at hvis de bestemte avstandene er små (opptil 3 m), er deres subjektive vurdering nesten lineært relatert til endringen i volumet til lydkilden som beveger seg langs dybden. En tilleggsfaktor for et komplekst signal er klangen, som blir stadig mer "tung" når kilden nærmer seg lytteren. Dette skyldes den økende forsterkningen av lave overtoner sammenlignet med høye overtoner, forårsaket av den resulterende økningen i volumnivå.
For gjennomsnittlige avstander på 3-10 m vil flytting av kilden fra lytteren være ledsaget av en proporsjonal reduksjon i volum, og denne endringen vil gjelde like mye for grunnfrekvensen og harmoniske komponentene. Som et resultat er det en relativ forsterkning av den høyfrekvente delen av spekteret og klangen blir lysere.
Når avstanden øker, vil energitapene i luften øke proporsjonalt med kvadratet på frekvensen. Økt tap av høye registerovertoner vil resultere i redusert klanglysstyrke. Dermed er den subjektive vurderingen av avstander forbundet med endringer i volum og klangfarge.
I et lukket rom blir signalene fra de første refleksjonene, forsinket i forhold til den direkte refleksjonen med 20-40 ms, oppfattet av høreorganet som å komme fra forskjellige retninger. Samtidig skaper deres økende forsinkelse inntrykk av en betydelig avstand fra punktene hvorfra disse refleksjonene oppstår. Dermed kan man ved forsinkelsestiden bedømme den relative avstanden til sekundære kilder eller, hva som er det samme, størrelsen på rommet.

Noen trekk ved den subjektive oppfatningen av stereofoniske sendinger.

Et stereofonisk lydoverføringssystem har en rekke viktige funksjoner sammenlignet med et konvensjonelt monofonisk.
Kvaliteten som skiller stereofonisk lyd, volum, dvs. naturlig akustisk perspektiv kan vurderes ved å bruke noen ekstra indikatorer som ikke gir mening med en monofonisk lydoverføringsteknikk. Slike tilleggsindikatorer inkluderer: hørselsvinkel, dvs. vinkelen der lytteren oppfatter det stereofoniske lydbildet; stereooppløsning, dvs. subjektivt bestemt lokalisering av individuelle elementer i lydbildet på visse punkter i rommet innenfor hørbarhetsvinkelen; akustisk atmosfære, dvs. effekten av å gi lytteren en følelse av tilstedeværelse i primærrommet der den overførte lydhendelsen oppstår.

Om romakustikkens rolle

Fargerik lyd oppnås ikke bare ved hjelp av lydgjengivelsesutstyr. Selv med ganske godt utstyr kan lydkvaliteten bli dårlig dersom lytterommet ikke har visse egenskaper. Det er kjent at i et lukket rom oppstår et nasalt lydfenomen kalt etterklang. Ved å påvirke hørselsorganene kan etterklang (avhengig av varigheten) forbedre eller forverre lydkvaliteten.

En person i et rom oppfatter ikke bare direkte lydbølger skapt direkte av lydkilden, men også bølger som reflekteres av taket og veggene i rommet. Reflekterte bølger høres en stund etter at lydkilden har stoppet.
Noen ganger antas det at reflekterte signaler bare spiller en negativ rolle, og forstyrrer oppfatningen av hovedsignalet. Imidlertid er denne ideen feil. En viss del av energien til de innledende reflekterte ekkosignalene, når de menneskelige ørene med korte forsinkelser, forsterker hovedsignalet og beriker lyden. I kontrast, senere reflekterte ekkoer. hvis forsinkelsestid overstiger en viss kritisk verdi, danner en lydbakgrunn som gjør det vanskelig å oppfatte hovedsignalet.
Lytterommet skal ikke ha lang etterklangstid. Stuer har som regel lite etterklang på grunn av sin begrensede størrelse og tilstedeværelsen av lydabsorberende overflater, polstrede møbler, tepper, gardiner, etc.
Hindringer av ulik art og egenskaper karakteriseres av en lydabsorpsjonskoeffisient, som er forholdet mellom den absorberte energien og den totale energien til den innfallende lydbølgen.

For å øke teppets lydabsorberende egenskaper (og redusere støy i stuen), er det lurt å henge teppet ikke tett inntil veggen, men med et gap på 30-50 mm.

1. Lyd, typer lyd.

2. Fysiske egenskaper ved lyd.

3. Kjennetegn på auditiv sansning. Lydmålinger.

4. Passering av lyd over grensesnittet.

5. Gode forskningsmetoder.

6. Faktorer som bestemmer støyforebygging. Støybeskyttelse.

7. Grunnleggende begreper og formler. Tabeller.

8. Oppgaver.

Akustikk. I vid forstand er det en gren av fysikken som studerer elastiske bølger fra de laveste frekvensene til de høyeste. I snever forstand er det studiet av lyd.

3.1. Lyd, typer lyd

Lyd i vid forstand er elastiske vibrasjoner og bølger som forplanter seg i gassformige, flytende og faste stoffer; i snever forstand, et fenomen subjektivt oppfattet av hørselsorganene til mennesker og dyr.

Normalt hører det menneskelige øret lyd i frekvensområdet fra 16 Hz til 20 kHz. Men med alderen synker den øvre grensen for dette området:

Lyd med en frekvens under 16-20 Hz kalles infralyd, over 20 kHz -ultralyd, og de høyeste frekvens elastiske bølgene i området fra 10 9 til 10 12 Hz - hyperlyd.

Lyder som finnes i naturen er delt inn i flere typer.

Tone - det er en lyd som er en periodisk prosess. Hovedkarakteristikken til tone er frekvens. Enkel tone skapt av en kropp som vibrerer i henhold til en harmonisk lov (for eksempel en stemmegaffel). Kompleks tone skapes av periodiske svingninger som ikke er harmoniske (for eksempel lyden av et musikkinstrument, lyden som skapes av det menneskelige taleapparatet).

Bråk er en lyd som har en kompleks, ikke-repeterende tidsavhengighet og er en kombinasjon av tilfeldig skiftende komplekse toner (raslingen av blader).

Sonisk bom- dette er en kortvarig lydpåvirkning (klapp, eksplosjon, blås, torden).

En kompleks tone, som en periodisk prosess, kan representeres som en sum av enkle toner (dekomponert til komponenttoner). Denne dekomponeringen kalles spekter.

Akustisk tonespekter er totaliteten av alle dens frekvenser med en indikasjon på deres relative intensiteter eller amplituder.

Den laveste frekvensen i spekteret (ν) tilsvarer grunntonen, og de resterende frekvensene kalles overtoner eller harmoniske. Overtoner har frekvenser som er multipler av grunnfrekvensen: 2ν, 3ν, 4ν, ...

Vanligvis tilsvarer den største amplituden av spekteret grunntonen. Det er dette som oppfattes av øret som tonehøyden til lyden (se nedenfor). Overtoner skaper "fargen" på lyden. Lyder av samme tonehøyde skapt av forskjellige instrumenter oppfattes forskjellig av øret nettopp på grunn av de forskjellige forholdene mellom amplitudene til overtonene. Figur 3.1 viser spektrene til samme tone (ν = 100 Hz) spilt på et piano og en klarinett.

Ris. 3.1. Spektra av piano (a) og klarinett (b) noter

Det akustiske spekteret av støy er kontinuerlige.

3.2. Fysiske egenskaper ved lyd

1. Hastighet(v). Lyd beveger seg i et hvilket som helst medium unntatt vakuum. Hastigheten på forplantningen avhenger av elastisiteten, tettheten og temperaturen til mediet, men avhenger ikke av svingningsfrekvensen. Lydhastigheten i en gass avhenger av dens molare masse (M) og absolutt temperatur (T):

Lydhastigheten i vann er 1500 m/s; Lydens hastighet i kroppens myke vev er av tilsvarende betydning.

2. Lydtrykk. Forplantningen av lyd er ledsaget av en endring i trykket i mediet (fig. 3.2).

Ris. 3.2. Endring i trykk i et medium under lydforplantning.

Det er endringer i trykk som forårsaker vibrasjoner i trommehinnen, som bestemmer begynnelsen på en så kompleks prosess som forekomsten av auditive sensasjoner.

Lydtrykk (Δ Ρ) - dette er amplituden til de endringene i trykk i mediet som oppstår under passering av en lydbølge.

3. Lydintensitet(JEG). Utbredelsen av en lydbølge er ledsaget av en overføring av energi.

Lydintensitet er flukstettheten til energi som overføres av en lydbølge(se formel 2.5).

I et homogent medium avtar intensiteten av lyd som sendes ut i en gitt retning med avstanden fra lydkilden. Ved bruk av bølgeledere er det mulig å oppnå en økning i intensitet. Et typisk eksempel på en slik bølgeleder i levende natur er aurikkelen.

Forholdet mellom intensitet (I) og lydtrykk (ΔΡ) uttrykkes med følgende formel:

hvor ρ er tettheten til mediet; v- lydens hastighet i den.

Minimumsverdiene for lydtrykk og lydintensitet som en person opplever auditive sensasjoner kalles terskel for hørsel.

For øret til en gjennomsnittlig person ved en frekvens på 1 kHz, tilsvarer hørselterskelen følgende verdier for lydtrykk (ΔΡ 0) og lydintensitet (I 0):

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

Verdiene for lydtrykk og lydintensitet som en person opplever alvorlig smerte med kalles smerteterskel.

For øret til en gjennomsnittlig person med en frekvens på 1 kHz, tilsvarer smerteterskelen følgende verdier for lydtrykk (ΔΡ m) og lydintensitet (I m):

4. Intensitetsnivå(L). Forholdet mellom intensiteter som tilsvarer terskelene for hørbarhet og smerte er så høyt (I m / I 0 = 10 13) at de i praksis bruker en logaritmisk skala, og introduserer en spesiell dimensjonsløs karakteristikk - intensitetsnivå.

Intensitetsnivået er desimallogaritmen for forholdet mellom lydintensitet og hørselsterskel:

Enheten for intensitetsnivå er hvit(B).

Vanligvis brukes en mindre enhet for intensitetsnivå - desibel(dB): 1 dB = 0,1 B. Intensitetsnivået i desibel beregnes ved hjelp av følgende formler:

Logaritmisk karakter av avhengigheten intensitetsnivå fra henne selv intensitet betyr at med økende intensitet 10 ganger intensitetsnivåøker med 10 dB.

Karakteristikker for hyppig forekommende lyder er gitt i tabell. 3.1.

Hvis en person hører lyder som kommer fra én retning fra flere usammenhengende kilder, så summerer intensiteten deres:

Høye nivåer av lydintensitet fører til irreversible endringer i høreapparatet. Dermed kan en lyd på 160 dB forårsake brudd på trommehinnen og forskyvning av hørselsbenene i mellomøret, noe som fører til irreversibel døvhet. Ved 140 dB føler en person sterke smerter, og langvarig eksponering for støy på 90-120 dB fører til skade på hørselsnerven.

3.3. Kjennetegn på auditiv følelse. Lydmålinger

Lyd er gjenstand for auditiv sansning. Det vurderes av en person subjektivt. Alle subjektive kjennetegn ved den auditive sensasjonen er relatert til lydbølgens objektive kjennetegn.

Tonehøyde, klang

Når en person oppfatter lyder, skiller de dem ved tonehøyde og klang.

Høyde tone bestemmes først og fremst av frekvensen til grunntonen (jo høyere frekvens, jo høyere oppfattes lyden). Høyde avhenger i mindre grad av lydintensitet (lyd med større intensitet oppleves som lavere).

Timbre- dette er en karakteristikk av lydfølelse, som bestemmes av dets harmoniske spektrum. Klangen til en lyd avhenger av antall overtoner og deres relative intensitet.

Weber-Fechner lov. Lydvolum

Bruken av en logaritmisk skala for å vurdere lydintensitetsnivåer stemmer godt overens med det psykofysiske Weber-Fechner lov:

Hvis du øker irritasjonen i en geometrisk progresjon (dvs. med samme antall ganger), øker følelsen av denne irritasjonen i en aritmetisk progresjon (dvs. med samme mengde).

Det er den logaritmiske funksjonen som har slike egenskaper.

Lydvolum kalt intensiteten (styrken) av auditive sensasjoner.

Det menneskelige øret har ulik følsomhet for lyder med forskjellige frekvenser. For å ta hensyn til denne omstendigheten kan du velge noen referansefrekvens, og sammenligne oppfatningen av andre frekvenser med den. Etter avtale referansefrekvens tatt lik 1 kHz (av denne grunn er hørselsgrensen I 0 satt for denne frekvensen).

Til ren tone med en frekvens på 1 kHz, blir volumet (E) tatt lik intensitetsnivået i desibel:

For andre frekvenser bestemmes lydstyrken ved å sammenligne intensiteten av auditive sensasjoner med lydvolumet ved referansefrekvens.

Lydvolum lik nivået av lydintensitet (dB) ved en frekvens på 1 kHz som får den "gjennomsnittlige" personen til å oppleve samme lydstyrke som den gitte lyden.

Enheten for lydvolum kalles bakgrunn.

Nedenfor er et eksempel på volum kontra frekvens ved et intensitetsnivå på 60 dB.

Like lydstyrkekurver

Det detaljerte forholdet mellom frekvens, lydstyrke og intensitetsnivå er avbildet grafisk ved hjelp av like volumkurver(Fig. 3.3). Disse kurvene viser avhengigheten intensitetsnivå L dB fra frekvensen ν til lyd ved et gitt lydvolum.

Den nedre kurven tilsvarer hørselsterskel. Den lar deg finne terskelverdien for intensitetsnivået (E = 0) ved en gitt tonefrekvens.

Ved å bruke like lydstyrkekurver kan du finne lydvolum, hvis frekvensen og intensitetsnivået er kjent.

Lydmålinger

Like lydstyrkekurver reflekterer oppfatningen av lyd gjennomsnittsperson. For hørselsvurdering spesifikk menneske, brukes metoden for rentoneterskelaudiometri.

Audiometri - metode for å måle hørselsskarphet. Ved hjelp av en spesiell enhet (audiometer) bestemmes terskelen for hørselsfølelse, eller terskel for persepsjon, L P ved forskjellige frekvenser. For å gjøre dette, ved hjelp av en lydgenerator, lager de en lyd med en gitt frekvens og øker nivået,

Ris. 3.3. Like lydstyrkekurver

intensitetsnivå L, fikser terskelnivået for intensitet L p, hvor emnet begynner å oppleve auditive sensasjoner. Ved å endre lydfrekvensen får man en eksperimentell avhengighet L p (v), som kalles et audiogram (fig. 3.4).

Ris. 3.4. Audiogrammer

Nedsatt funksjon av lydmottaksapparatet kan føre til hørselstap- vedvarende reduksjon i følsomhet for ulike toner og hvisket tale.

Den internasjonale klassifiseringen av grader av hørselstap, basert på gjennomsnittlige verdier for persepsjonsterskler ved talefrekvenser, er gitt i tabell. 3.2.

For å måle volum kompleks tone eller bråk bruke spesielle enheter - lydnivåmålere. Lyden som mottas av mikrofonen konverteres til et elektrisk signal, som sendes gjennom et system av filtre. Filterparametrene er valgt slik at følsomheten til lydnivåmåleren ved ulike frekvenser er nær følsomheten til det menneskelige øret.

3.4. Passering av lyd over grensesnittet

Når en lydbølge treffer et grensesnitt mellom to medier, reflekteres lyden delvis og trenger delvis inn i det andre mediet. Intensiteten til bølgene som reflekteres og sendes gjennom grensen bestemmes av de tilsvarende koeffisientene.

For normal forekomst av en lydbølge ved grensesnittet, er følgende formler gyldige:

Fra formel (3.9) er det klart at jo mer bølgeimpedansene til mediene er forskjellige, desto større andel energi som reflekteres ved grensesnittet. Spesielt hvis verdien X er nær null, så er refleksjonskoeffisienten nær enhet. For eksempel for luft-vann-grensesnittet X= 3x10-4, og r = 99,88%. Det vil si at refleksjonen er nesten fullstendig.

Tabell 3.3 viser hastighetene og bølgeimpedansene til enkelte medier ved 20 °C.

Merk at verdiene til refleksjons- og brytningskoeffisienten ikke avhenger av rekkefølgen lyden passerer gjennom disse mediene. For eksempel, for overgangen av lyd fra luft til vann, er koeffisientene de samme som for overgangen i motsatt retning.

3.5. Gode ​​forskningsmetoder

Lyd kan være en kilde til informasjon om tilstanden til menneskelige organer.

1. Auskultasjon- direkte lytting til lyder som oppstår inne i kroppen. Av arten av slike lyder er det mulig å bestemme nøyaktig hvilke prosesser som skjer i et gitt område av kroppen, og i noen tilfeller etablere en diagnose. Instrumenter som brukes til å lytte: stetoskop, telefonndoskop.

Telefonendoskopet består av en hul kapsel med en overføringsmembran, som påføres kroppen, hvorfra gummislanger går til legens øre. En resonans av luftsøylen oppstår i den hule kapselen, noe som forårsaker økt lyd og derfor forbedret lytting. Pustelyder, hvesing, hjertelyder og bilyd høres.

Klinikken bruker installasjoner hvor lytting utføres ved hjelp av mikrofon og høyttaler. Bred

lyder tas opp ved hjelp av en båndopptaker på magnetbånd, som gjør det mulig å gjengi dem.

2. Fonokardiografi- grafisk registrering av hjertelyder og bilyd og deres diagnostiske tolkning. Opptak utføres ved hjelp av en fonokardiograf, som består av en mikrofon, forsterker, frekvensfiltre og opptaksenhet.

3. Perkusjon - undersøkelse av indre organer ved å banke på overflaten av kroppen og analysere lydene som oppstår. Tapping utføres enten ved hjelp av spesielle hammere eller ved hjelp av fingre.

Hvis lydvibrasjoner forårsakes i et lukket hulrom, vil luften i hulrommet ved en viss lydfrekvens begynne å resonere, noe som forsterker tonen som tilsvarer størrelsen på hulrommet og dens posisjon. Skjematisk kan menneskekroppen representeres som summen av forskjellige volumer: gassfylt (lunger), væske (indre organer), faststoff (bein). Når man treffer overflaten av en kropp, oppstår vibrasjoner med forskjellige frekvenser. Noen av dem vil gå ut. Andre vil falle sammen med de naturlige frekvensene til tomrommene, derfor vil de bli forsterket og, på grunn av resonans, være hørbare. Orgelets tilstand og topografi bestemmes av tonen til perkusjonslyder.

3.6. Faktorer som bestemmer støyforebygging.

Støybeskyttelse

For å forhindre støy er det nødvendig å kjenne til hovedfaktorene som bestemmer dens innvirkning på menneskekroppen: støykildens nærhet, støyintensiteten, eksponeringens varighet, det begrensede rommet støyen opererer i.

Langvarig eksponering for støy forårsaker et komplekst symptomatisk sett av funksjonelle og organiske endringer i kroppen (og ikke bare hørselsorganet).

Virkningen av langvarig støy på sentralnervesystemet manifesterer seg i en nedgang i alle nervøse reaksjoner, en reduksjon i tiden for aktiv oppmerksomhet og en reduksjon i ytelse.

Etter langvarig eksponering for støy endres pusterytmen og hjertefrekvensen, og det oppstår en økning i tonen i det vaskulære systemet, noe som fører til en økning i systolisk og diastolisk

isk blodtrykksnivå. Den motoriske og sekretoriske aktiviteten til mage-tarmkanalen endres, og hypersekresjon av individuelle endokrine kjertler observeres. Det er en økning i svetting. Det er undertrykkelse av mentale funksjoner, spesielt hukommelse.

Støy har en spesifikk effekt på funksjonene til høreorganet. Øret, som alle sanseorganer, kan tilpasse seg støy. Samtidig, under påvirkning av støy, øker hørselsgrensen med 10-15 dB. Etter opphør av støyeksponering gjenopprettes normalverdien av hørselsgrensen først etter 3-5 minutter. Ved et høyt nivå av støyintensitet (80-90 dB) øker den slitsomme effekten kraftig. En av formene for hørselshemming knyttet til langvarig eksponering for støy er hørselstap (tabell 3.2).

Rockemusikk har en sterk innvirkning på både den fysiske og psykiske tilstanden til en person. Moderne rockemusikk produserer støy i området fra 10 Hz til 80 kHz. Det er eksperimentelt fastslått at hvis hovedrytmen satt av perkusjonsinstrumenter har en frekvens på 1,5 Hz og har kraftig musikalsk akkompagnement ved frekvenser på 15-30 Hz, så blir en person svært begeistret. Med en rytme med en frekvens på 2 Hz og samme akkompagnement, faller en person inn i en tilstand nær narkotikaforgiftning. På rockekonserter kan lydintensiteten overstige 120 dB, selv om det menneskelige øret er mest fordelaktig innstilt til en gjennomsnittlig intensitet på 55 dB. I dette tilfellet kan lyd hjernerystelse, lyd "forbrenning", hørsel og hukommelsestap oppstå.

Støy har også en skadelig effekt på synsorganet. Dermed fører langvarig eksponering for industriell støy på en person i et mørklagt rom til en merkbar reduksjon i aktiviteten til netthinnen, som funksjonen til synsnerven, og derfor synsskarphet, avhenger av.

Støybeskyttelse er ganske komplisert. Dette skyldes at lyden på grunn av den relativt lange bølgelengden bøyer seg rundt hindringer (diffraksjon) og det dannes ikke en lydskygge (fig. 3.5).

I tillegg har mange materialer som brukes i konstruksjon og teknologi ikke høy nok lydabsorpsjonskoeffisient.

Ris. 3.5. Diffraksjon av lydbølger

Disse funksjonene krever spesielle midler for å bekjempe støy, som inkluderer undertrykkelse av støy som oppstår ved selve kilden, bruk av lyddempere, bruk av elastiske suspensjoner, lydisolerende materialer, eliminering av sprekker, etc.

For å bekjempe støy som trenger inn i oppholdsrom, veldig viktig ha riktig planlegging av plasseringen av bygninger, ta hensyn til vindroser, skape beskyttende soner, inkludert vegetasjon. Planter er en god støydemper. Trær og busker kan redusere intensitetsnivået med 5-20 dB. Grønne striper mellom fortau og fortau er effektivt. Lind og grantrær demper best støy. Hus som ligger bak et høyt furugjerde kan være nesten helt fri for gatestøy.

Kampen mot støy innebærer ikke opprettelsen av absolutt stillhet, siden en person i langvarig fravær av hørselsfornemmelser kan oppleve psykiske lidelser. Absolutt stillhet og langvarig økt støy er like unaturlig for mennesker.

3.7. Grunnleggende begreper og formler. Tabeller

Tabellfortsettelse

Slutt på tabellen

Tabell 3.1. Kjennetegn på lyder som påtreffes

Tabell 3.2. Internasjonal klassifisering av hørselstap

Tabell 3.3. Lydhastighet og spesifikk akustisk motstand for enkelte stoffer og menneskelig vev ved t = 25 °C

3.8. Oppgaver

1. En lyd med et intensitetsnivå på L 1 = 50 dB på gaten høres i rommet som en lyd med et intensitetsnivå på L 2 = 30 dB. Finn forholdet mellom lydintensiteter på gaten og i rommet.

2. Volumnivået til en lyd med en frekvens på 5000 Hz er lik E = 50 von. Finn intensiteten til denne lyden ved å bruke kurver med samme lydstyrke.

Løsning

Fra figur 3.2 finner vi at ved en frekvens på 5000 Hz tilsvarer volumet E = 50 bakgrunn et intensitetsnivå L = 47 dB = 4,7 B. Fra formel 3.4 finner vi: I = 10 4,7 I 0 = 510 -8 W/ m 2.

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

3. Viften lager lyd med et intensitetsnivå på L = 60 dB. Finn lydintensitetsnivået når to tilstøtende vifter fungerer.

Løsning

L 2 = log(2x10 L) = log2 + L = 0,3 + 6B = 63 dB (se 3.6). Svar: L2 = 63 dB.

4. Lydnivået til et jetfly i en avstand på 30 m fra det er 140 dB. Hva er volumnivået i en avstand på 300 m? Forsømmelse av refleksjon fra bakken.

Løsning

Intensiteten avtar proporsjonalt med kvadratet på avstanden - den reduseres med 10 2 ganger. L1 - L2 = 10xlg(I1/I2) = 10x2 = 20 dB. Svar: L 2 = 120 dB.

5. Forholdet mellom intensitetene til de to lydkildene er lik: I 2 /I 1 = 2. Hva er forskjellen i intensitetsnivåene til disse lydene?

Løsning

ΔL = 10xlg(I2/I0) - 10xlg(I1/I0) = 10xlg(I2/I1) = 10xlg2 = 3 dB. Svar: 3 dB.

6. Hva er intensitetsnivået til en lyd med en frekvens på 100 Hz som har samme volum som en lyd med en frekvens på 3 kHz og intensitet

Løsning

Ved å bruke like lydstyrkekurver (fig. 3.3) finner vi at 25 dB ved en frekvens på 3 kHz tilsvarer en lydstyrke på 30 von. Ved en frekvens på 100 Hz tilsvarer dette volumet et intensitetsnivå på 65 dB.

Svar: 65 dB.

7. Amplituden til lydbølgen tredobles. a) hvor mange ganger økte intensiteten? b) hvor mange desibel økte volumet?

Løsning

Intensiteten er proporsjonal med kvadratet på amplituden (se 3.6):

8. I laboratorierommet plassert i verkstedet nådde støyintensitetsnivået 80 dB. For å redusere støy ble det besluttet å kle veggene i laboratoriet med lydabsorberende materiale, noe som reduserer lydintensiteten med 1500 ganger. Hvilket nivå av støyintensitet vil det være i laboratoriet etter dette?

Løsning

Lydintensitetsnivå i desibel: L = 10 x log(I/I 0). Når lydintensiteten endres, vil endringen i lydintensitetsnivået være lik:

9. Impedansene til de to mediene skiller seg med en faktor på 2: R 2 = 2R 1 . Hvilken del av energien reflekteres fra grensesnittet og hvilken del av energien går over i det andre mediet?

Løsning

Ved å bruke formler (3.8 og 3.9) finner vi:

Svar: 1/9 en del av energien reflekteres, og 8/9 går over i det andre mediet.

I hverdagen beskriver vi lyd ved blant annet volum og tonehøyde. Men fra et fysikksynspunkt er en lydbølge en periodisk vibrasjon av mediets molekyler som forplanter seg i rommet. Som enhver bølge er lyd preget av sin amplitude, frekvens, bølgelengde osv. Amplitude viser hvor sterkt et vibrerende medium avviker fra sin "stille" tilstand; Det er hun som er ansvarlig for lydvolumet. Frekvens forteller oss hvor mange ganger per sekund vibrasjonen oppstår, og jo høyere frekvensen er, desto høyere er tonehøyden på lyden vi hører.

Typiske verdier for volum og frekvens av lyd, som for eksempel finnes i tekniske standarder og egenskaper for lydenheter, er tilpasset det menneskelige øret, de er i området for volum og frekvens som er behagelig for mennesker. Dermed forårsaker en lyd med et volum over 130 dB (desibel) smerte, og en person vil ikke høre en lydbølge med en frekvens på 30 kHz i det hele tatt. Men i tillegg til disse "menneskelige" begrensningene, er det også rent fysiske begrensninger på lydbølgens volum og frekvens.

Oppgave

Estimer maksimalt volum og maksimal frekvens for en lydbølge som kan forplante seg i luft og vann under normale forhold. Beskriv generelt hva som vil skje hvis du prøver å gi ut lyd over disse grensene.

Clue

Husk at lydstyrke, målt i desibel, er en logaritmisk skala som viser hvor mange ganger trykket i en lydbølge (P) er sterkere enn et fast terskeltrykk P 0 . Formelen for å konvertere trykk til volum er som følger: volum i desibel = 20 lg(P/P 0), der lg er desimallogaritmen. Det er vanlig å ta P0 = 20 μPa som terskeltrykk i akustikk (i vann aksepteres en annen terskelverdi: P0 = 1 μPa). For eksempel overstiger en lyd med et trykk P = 0,2 Pa P 0 ti tusen ganger, noe som tilsvarer et volum på 20 lg(10000) = 80 dB. Dermed oppstår lydstyrkegrensen fra det maksimalt mulige trykket som en lydbølge kan skape.

For å løse problemet må du prøve å forestille deg en lydbølge med et veldig høyt trykk eller en veldig høy frekvens og prøve å forstå hvilke fysiske begrensninger som oppstår.

Løsning

La oss finne først volumgrense. I rolig luft (uten lyd) flyr molekyler kaotisk, men i gjennomsnitt holder luftens tetthet konstant. Når lyd forplanter seg, i tillegg til rask kaotisk bevegelse, opplever molekyler også en jevn forskyvning frem og tilbake med en viss periode. På grunn av dette oppstår alternerende områder med kondensering og sjeldne luft, det vil si områder med høyt og lavt trykk. Det er dette trykkavviket fra normen som er akustisk trykk (trykk i en lydbølge).

I området med vakuum faller trykket til P atm - P. Det er klart at i gassen må det forbli positivt: null trykk betyr at i denne regionen i dette øyeblikket Det er ingen partikler av tid i det hele tatt, og det kan ikke lenger være mindre enn dette. Derfor er det maksimale akustiske trykket P som en lydbølge kan skape mens gjenværende lyd nøyaktig lik atmosfærisk trykk. P = P atm = 100 kPa. Det tilsvarer en teoretisk volumgrense lik 20 lg (5 10 9), som gir ca. 195 dB.

Situasjonen endres litt hvis vi snakker om forplantning av lyd ikke i en gass, men i en væske. Der kan trykket bli negativt – dette betyr ganske enkelt at de prøver å strekke og rive det kontinuerlige mediet, men på grunn av intermolekylære krefter tåler det slik strekking. Men når det gjelder størrelsesorden, er dette negative trykket lite, i størrelsesorden én atmosfære. Tar man hensyn til en annen verdi for P 0 gir dette en teoretisk grense for lydstyrke i vann på ca 225 dB.

Nå får vi grense for lydfrekvens. (Faktisk er dette bare en av de mulige grensene for frekvens; vi vil nevne andre i etterordet.)

En av nøkkelegenskapene til lyd (i motsetning til mange andre, mer komplekse bølger) er at hastigheten er praktisk talt uavhengig av frekvens. Men bølgehastigheten relaterer frekvensen ν (det vil si tiden på th periodisitet) med bølgelengde λ (romlig periodisitet): c = ν·λ. Derfor, jo høyere frekvens, desto kortere er lydbølgelengden.

Frekvensen til bølgen er begrenset av stoffets diskrethet. Lengden på en lydbølge kan ikke være mindre enn den typiske avstanden mellom molekyler: en lydbølge er tross alt en kondensasjonsutladning av partikler og kan ikke eksistere uten dem. Dessuten må bølgelengden være minst to eller tre av disse avstandene: den må tross alt inkludere både kondensasjonsområder og et område med sjeldenhet. For luft under normale forhold er den gjennomsnittlige avstanden mellom molekylene omtrent 100 nm, lydhastigheten er 300 m/s, så den maksimale frekvensen er ca 2 GHz. I vann er diskrethetsskalaen mindre, omtrent 0,3 nm, og lydhastigheten er 1500 m/s. Dette gir en frekvensgrense på rundt tusen ganger høyere, i størrelsesorden flere terahertz.

La oss nå diskutere hva som skjer hvis vi prøver å sende ut lyd som overskrider de funnet grensene. En solid plate nedsenket i et medium, som en motor beveger frem og tilbake, er egnet som lydbølgesender. Det er teknisk mulig å lage en emitter med så stor amplitude at den maksimalt skaper et trykk som er mye høyere enn atmosfærisk trykk - for dette er det nok å flytte platen raskt og med stor amplitude. Men da i vakuumfasen (når platen beveger seg tilbake) vil det ganske enkelt være et vakuum. Derfor, i stedet for en veldig høy lyd, vil en slik plate bli "kuttet EN"pust luft" i tynne og tette lag og kast dem fremover. De vil ikke være i stand til å forplante seg gjennom mediet - når de kolliderer med stillestående luft, vil de varme den kraftig opp, generere sjokkbølger og kollapse seg selv.

Man kan forestille seg en annen situasjon, når en akustisk emitter oscillerer med en frekvens som overskrider den funnet grensen for lydfrekvens. En slik emitter vil presse molekylene i mediet, men så ofte at det ikke vil gi dem en sjanse til å danne en synkron vibrasjon. Som et resultat vil platen ganske enkelt tilfeldig overføre energi til molekylene som nærmer seg, det vil si at den ganske enkelt oppvarmer mediet.

Etterord

Vår vurdering var selvfølgelig veldig enkel og tok ikke hensyn til de mange prosessene som skjer i materien som også begrenser forplantningen av lyd. For eksempel fører viskositeten til at en lydbølge dempes, og hastigheten på denne dempingen øker raskt med frekvensen. Jo høyere frekvens, jo raskere beveger gassen seg frem og tilbake, noe som betyr at jo raskere blir energien omdannet til varme på grunn av viskositet. Derfor, i et for viskøst medium, vil høyfrekvent ultralyd ganske enkelt ikke ha tid til å fly noen makroskopisk avstand.

En annen effekt spiller også en rolle i demping av lyd. Fra termodynamikk følger det at ved rask kompresjon varmes gassen opp, og med rask ekspansjon- kjøler seg ned. Dette skjer også i en lydbølge. Men hvis gassen har høy varmeledningsevne, vil varme med hver svingning strømme fra den varme sonen til den kalde sonen, og dermed svekke den termiske kontrasten, og til slutt amplituden til lydbølgen.

Det er også verdt å understreke at alle restriksjonene som er funnet gjelder væsker og gasser under normale forhold; de vil endres hvis forholdene endres vesentlig. For eksempel avhenger det maksimale teoretiske volumet åpenbart av trykk. Derfor, i atmosfæren til gigantiske planeter, hvor trykket er betydelig høyere enn atmosfærisk trykk, er en enda høyere lyd mulig; omvendt, i en svært sjelden atmosfære er alle lyder uunngåelig stille.

Til slutt, la oss nevne en annen interessant egenskap ved svært høyfrekvent ultralyd når den forplanter seg i vann. Det viser seg at når frekvensen til lyd overstiger 10 GHz, dobles hastigheten i vann omtrentlig og er omtrent sammenlignbar med lydhastigheten i is. Dette betyr at noen raske prosesser for interaksjon mellom vannmolekyler begynner å spille en betydelig rolle når de svinger med en periode på mindre enn 100 pikosekunder. Relativt sett får vann litt ekstra elastisitet ved slike tidsintervaller, noe som akselererer forplantningen av lydbølger. De mikroskopiske årsakene til denne såkalte "raske lyden" ble imidlertid forstått