8417 0

Ne glede na to, katera raziskovalna metoda se uporablja pri avdiološki študiji slušne funkcije, so ideje o osnovnih fizičnih značilnostih zvočnih signalov bistvenega pomena. V nadaljevanju bomo predstavili le najosnovnejše pojme akustike in elektroakustike.

Vrednosti hitrosti širjenja zvočnega valovanja pri različnih temperaturah

Zvok se v naravi širi v obliki časovno spremenljive motnje prožnega medija. Nihajna gibanja delcev takega elastičnega medija, ki nastanejo pod vplivom zvoka, se imenujejo zvočne vibracije, prostor širjenja zvočnih vibracij pa ustvarja zvočno polje. Če je medij, v katerem se širijo zvočna nihanja, tekoč ali plinast, potem delci v teh medijih nihajo vzdolž črte širjenja zvoka in jih zato običajno obravnavamo kot vzdolžna nihanja.

Pri širjenju zvoka v trdnih snoveh poleg vzdolžnih nihanja opazimo tudi prečna zvočna nihanja. Seveda mora imeti širjenje vibracij v mediju določeno smer. Ta smer se imenuje zvočni žarek, površina, ki povezuje vse sosednje točke zvočnega vala z isto fazo nihanja, pa se imenuje fronta zvočnega vala. Poleg tega zvočni valovi v različnih medijih potujejo z različnimi hitrostmi. Upoštevati je treba, da je vrednost hitrosti določena z gostoto medija, v katerem se zvočni val širi.

Podatki o vrednostih gostote zvočnega medija so zelo pomembni, saj ta gostota ustvarja določeno akustično odpornost na širjenje zvočnega valovanja. Na hitrost širjenja zvočnega valovanja vpliva tudi temperatura medija: z naraščanjem temperature medija se povečuje hitrost širjenja zvočnega valovanja.

Glavni fizikalni lastnosti zvoka za avdiološki pregled sta njegova jakost in frekvenca. Zato jih bomo podrobneje obravnavali.

Da bi prešli na fizično značilnost jakosti zvoka, je treba najprej upoštevati številne druge parametre zvočnih signalov, povezanih z njihovo jakostjo.

Zvočni tlak - p(t) - označuje silo, ki deluje na območje, ki se nahaja pravokotno na gibanje delcev. V sistemu SI se zvočni tlak meri v Newtonih. Newton je sila, ki posreduje masi 1 kg v 1 s pospešek 1 m/s in deluje na 1 kvadratni meter, skrajšano N/m2.

V literaturi so navedene tudi druge merske enote zvočnega tlaka. Spodaj je razmerje uporabljenih glavnih enot:

1N/m2-10 dyne/cm2=10 µbar (mikrobar)

Energija zvočnih vibracij (E) označuje energijo delcev, ki se gibljejo pod vplivom zvočnega tlaka (merjeno v joulih - J).

Energija na enoto površine označuje akustično gostoto, merjeno v J/m2. Dejansko jakost zvočnih nihanj definiramo kot moč ali gostoto akustičnega toka na časovno enoto, tj. J/m2/s ali W/m2.

Ljudje in živali zaznavamo zelo širok razpon zvočnih tlakov (od 0,0002 do 200 μbar). Zato je za udobje merjenja običajno uporabljati relativne vrednosti, in sicer lestvice decimalnih ali naravnih logaritmov. Zvočni tlak se meri v decibelih in belih (1B = 10 dB), če se uporabljajo logaritmi z decimalno osnovo. Včasih (precej redko) se zvočni tlak meri v nenerjih (1Нн = 8,67 dB); v tem primeru se uporabljajo naravni logaritmi, tj. logaritmi niso z decimalnimi bazami (kot je to v primeru B in dB), temveč z binarnimi bazami.

Vendar je treba opozoriti, da je bila ocena v belih in decibelih vzeta kot logaritemsko merilo razmerja moči. Medtem sta moč in intenzivnost sorazmerni s kvadratom zvočnega tlaka. Zato se na dan prehoda na jakost zvoka vzpostavijo naslednja razmerja:

kjer je N intenzivnost ali zvočni tlak (P) v belih (B) ali decibelih (dB), sta I0 in P0 običajno sprejeti ravni odčitavanja jakosti in zvočnega tlaka. Običajno raven odčitka zvočnega tlaka (v literaturi se pogosto uporablja okrajšava "USD" iz začetnih črk besed "raven zvočnega tlaka" in v angleški jezik Uporabljena okrajšava je "SPL" (iz enakega izraza "Sound Pressure Level") in velja za 2x10-5 N/m2. Razmerje med ultrazvokom in drugimi enotami jakosti zvoka je naslednje:

2x10-5 N/m2=2x10-4din/cm2=2x10-4 µbar

Oglejmo si zdaj akustične značilnosti frekvence zvočnih signalov. V večini primerov se za pregled slušne funkcije uporabljajo harmonični zvočni signali.

Harmonični zvočni signal (sicer sinusni signal ali čisti ton), ki ima poleg zvočnega tlaka tudi začetno fazo vklopa tonskega signala, je značilna tako pomembna fizikalna lastnost, kot je valovna dolžina. Vsi harmonični zvočni signali (ali čisti toni) imajo periodičnost (tj. obdobje T). V tem primeru je zvočna valovna dolžina definirana kot razdalja med sosednjima valovnima frontama z enako fazo nihanja in se izračuna po formuli:

J = c x T

Kjer je c hitrost širjenja zvočnih nihanj (običajno m/s), I je njihova periodičnost. V tem primeru frekvenca zvočnih vibracij (f) ustreza formuli:

f = J/T

Frekvenca tona je ocenjena s številom zvočnih nihajev na sekundo in je izražena v Hertzih (okrajšano Hz). Glede na razpon frekvenc zvočnih vibracij, ki jih človek zazna, se frekvence v območju 20–20.000 Hz imenujejo zvočne frekvence, nižje frekvence (f< 20 Гц) называют инфразвуками, а более высокие (f >20000 Hz) - ultrazvok.

V zameno, čisto iz praktičnih razlogov, obseg zvočne frekvence včasih so konvencionalno razdeljeni na nizke - pod 500 Hz, srednje - 500-4000 Hz in visoke - 4000 Hz in več. Upoštevajte, da se za označevanje zvočnih vibracij od 1000 Hz in več pogosto uporablja oznaka kilohertz, skrajšano kHz.

Shematski prikaz oblike in spektra številnih zvočnih signalov, ki se uporabljajo v avdioloških raziskavah:

1 - ton; 2 - kratek zvočni impulz (klik); 3 - signal hrupa; 4 - kratek tonski izbruh; 5 - amplitudno moduliran signal (T - obdobje amplitudne modulacije); 6 - frekvenčno moduliran signal.

Če zvočni signal vsebuje veliko različnih frekvenc (v idealnem primeru vse frekvence zvočnega spektra), se pojavi tako imenovani šumni signal.

Ena od metod avdiološkega pregleda bolnikov je merjenje akustične impedance. Zato podrobneje razmislimo o drugi fizični značilnosti zvočnih signalov.

Znano je, da različne vrste energije pri širjenju v medijih naletijo na določen upor. Zgoraj je bilo navedeno, da se z enakim uporom sooča zvočna energija, ko se zvočni valovi širijo v zvočniški sistemi Oh. Iz naslednje predstavitve bo postalo očitno, da periferni deli slušnega sistema, tj. Zunanje in srednje uho sta s fizikalnega vidika tipična akustična sistema, namreč akustična sprejemnika zvoka. Zato je treba upoštevati bistvo in značilnosti akustičnega upora ob upoštevanju prehoda zvočnih signalov skozi periferne dele slušnega sistema.

Kompleksna akustična impedanca ali akustična impedanca je opredeljena kot skupni upor proti prehodu akustične energije v zvočniških sistemih. Akustična impedanca je razmerje med kompleksnimi amplitudami zvočnega tlaka in vibracijsko volumetrično hitrostjo in je opisana s formulo:

Za = ReZa + ilmZa

V tej enačbi ReZa predstavlja aktivno zvočno impedanco (sicer znano kot prava ali uporovna impedanca), ki je povezana z disipacijo energije v samem akustičnem sistemu. Disipacijo energije razumemo kot njeno razpršitev v prehod energije urejenih procesov (kot je kinetična energija zvočnih valov) v energijo neurejenih procesov (navsezadnje v toploto). Drugi del enačbe ilmZa (njen namišljeni del) se imenuje akustična reaktanca, ki jo povzročajo vztrajnostne sile ali sile elastičnosti, popustljivosti ali prožnosti.

V nadaljevanju bomo podrobno opisali postopek preučevanja akustične impedance srednjega ušesa s številnimi meritvami, ki so bistvene za avdiološki pregled (timpanometrija, merjenje impedance).

Ya.A. Altman, G. A. Tavartkiladze

V tem članku se bomo še bolj poglobili v zgradbo slušnega aparata in tako rekoč na »fizičnem« nivoju povezali tisto, o čemer sem pisal v prejšnjih treh člankih. Danes se bomo v naslednjih dveh člankih dotaknili teme "omejitev glasnosti". Zvočni signal katere koli narave je mogoče opisati z določenim naborom fizičnih značilnosti: frekvenca, intenzivnost, trajanje, časovna struktura, spekter itd. Ustrezajo določenim subjektivnim občutkom, ki se pojavijo, ko slušni sistem zaznava zvoke: glasnost, višina, tember , udarci, sozvočja-disonance , kamuflaža, lokalizacija-stereo-efekt itd. Kot vemo, slušni občutki zaznavanja niso linearni! Običajno je to vedno kompleks fizičnih parametrov. Na primer, glasnost je občutek, ki izhaja iz kombinacij frekvenc, o edinstvenosti spektra in jakosti samega zvoka.

Ustanovljen je bil v starih časihodnoso nelinearnem zaznavanju sluha. To se je spremenilo v zakonWeber - Fechner - empirično psihofiziološki zakon, ki je sestavljen iz dejstva, da intenzivnostObčutek sorazmernologaritem intenzivnost dražljaja.

IN 1834 E. Weber je izvedel vrsto poskusov in prišel do zaključka: da bi se novi dražljaj razlikoval v občutkih od prejšnjega, se mora od prvotnega razlikovati za količino, ki je sorazmerna s prvotnim dražljajem. Na podlagi teh opažanjG. Fechner V 1860 oblikoval »osnovni psihofizični zakon«, po katerem moč občutkasorazmerno z logaritmom intenzivnosti dražljaja. Kot primer: lestenec z 8 žarnicami se nam zdi toliko svetlejši od lestenca s 4 žarnicami, kolikor je lestenec s 4 žarnicami svetlejši od lestenca z 2 žarnicama. To pomeni, da bi se moralo število žarnic povečati za enako število krat, tako da se nam zdi, da je povečanje svetlosti konstantno. In obratno, če je absolutno povečanje svetlosti (razlika v svetlosti "po" in "pred") konstantno, potem se nam bo zdelo, da se absolutno povečanje zmanjšuje, ko se povečuje sama vrednost svetlosti. Na primer, če dodate eno žarnico lestencu dveh žarnic, bo navidezno povečanje svetlosti znatno. Če lestencu z 12 žarnicami dodamo eno žarnico, skoraj ne bomo opazili povečanja svetlosti.

Iz tega primera (čeprav ne opisuje popolnoma strukture »glasnega zaznavanja«) vidimo neposredno in očitno transformacijo »frekvenčnih skupin« (kritičnih pasov) slušnega aparata. Njihovo polnjenje, tako kot "žarnice", vodi do subjektivnega povečanja občutka volumna. Stopnja "polnjenja" se imenuje "intenzivnost" zvoka.

Toda preden podrobneje govorimo ne samo o zaznavanju glasnosti, ampak tudi o takšni možnosti slušnega aparata, kot je določanje višine, se moramo podrobneje potopiti v strukturo "ušesa" in jasno razumeti delo vseh teh "čips." O tem bom govoril v naslednjem članku.

Psihoakustika, področje znanosti, ki meji med fiziko in psihologijo, proučuje podatke o slušnem občutku osebe, ko se v uho uporabi fizični dražljaj - zvok. O človeških reakcijah na slušne dražljaje se je nabralo veliko podatkov. Brez teh podatkov je težko doseči pravilno razumevanje delovanja sistemov za prenos zvoka. Razmislimo o najpomembnejših značilnostih človeškega zaznavanja zvoka.
Človek čuti spremembe zvočnega tlaka, ki se pojavljajo pri frekvenci 20-20.000 Hz. Zvoki s frekvencami pod 40 Hz so v glasbi razmeroma redki in ne obstajajo v govorjenem jeziku. Pri zelo visokih frekvencah glasbeno zaznavanje izgine in pojavi se nejasen zvočni občutek, odvisen od individualnosti poslušalca in njegove starosti. S starostjo se človekova slušna občutljivost zmanjša, predvsem v zgornjih frekvencah zvočnega območja.
Vendar bi bilo napačno na tej podlagi sklepati, da je prenos širokega frekvenčnega pasu z zvočno reprodukcijo za starejše ljudi nepomemben. Poskusi so pokazali, da ljudje, tudi če komaj zaznavajo signale nad 12 kHz, zelo zlahka prepoznajo pomanjkanje visokih frekvenc v glasbenem prenosu.

Frekvenčne značilnosti slušnih občutkov

Razpon zvokov, ki jih človek sliši v območju 20-20.000 Hz, je intenzivnost omejena s pragovi: spodaj - slišnost in zgoraj - bolečina.
Prag sluha je ocenjen z minimalnim tlakom, natančneje minimalni prirastek tlaka glede na mejo je občutljiv na frekvence 1000-5000 Hz - tu je prag sluha najnižji (zvočni tlak okoli 2-10 Pa). Proti nižjim in višjim frekvencam zvoka slušna občutljivost močno upada.
Prag bolečine določa zgornjo mejo zaznave zvočne energije in približno ustreza jakosti zvoka 10 W/m ali 130 dB (za referenčni signal s frekvenco 1000 Hz).
Ko se zvočni tlak poveča, se poveča tudi intenzivnost zvoka in slušni občutek se skokovito poveča, kar imenujemo prag razlikovanja jakosti. Število teh preskokov pri srednjih frekvencah je približno 250, pri nizkih in visokih frekvencah pa upada in je v povprečju v frekvenčnem območju okoli 150.

Ker je obseg sprememb jakosti 130 dB, je osnovni skok v občutkih v povprečju v območju amplitude 0,8 dB, kar ustreza spremembi jakosti zvoka za 1,2-krat. Pri nizkih ravneh sluha ti skoki dosežejo 2-3 dB, pri visokih pa se zmanjšajo na 0,5 dB (1,1-krat). Povečanje moči ojačevalne poti za manj kot 1,44-krat človeško uho praktično ne zazna. Pri nižjem zvočnem tlaku, ki ga razvije zvočnik, tudi podvojitev moči izhodne stopnje morda ne bo dala opaznega rezultata.

Subjektivne značilnosti zvoka

Kakovost prenosa zvoka se ocenjuje na podlagi slušne zaznave. Zato je pravilno določiti tehnične zahteve na pot prenosa zvoka ali njene posamezne povezave je mogoče le s preučevanjem vzorcev, ki povezujejo subjektivno zaznano občutenje zvoka in objektivne značilnosti zvoka so višina, glasnost in tember.
Koncept višine implicira subjektivno oceno zaznavanja zvoka v frekvenčnem območju. Zvok običajno ni značilen po frekvenci, temveč po višini.
Ton je signal določene višine, ki ima diskreten spekter (glasbeni zvoki, samoglasniški zvoki govora). Signal s širokim zveznim spektrom, katerega vse frekvenčne komponente imajo enako povprečno moč, imenujemo beli šum.

Postopno povečevanje frekvence zvočnih nihanj od 20 do 20.000 Hz zaznavamo kot postopno spreminjanje tona od najnižjega (bas) do najvišjega.
Stopnja natančnosti, s katero človek na uho določi višino zvoka, je odvisna od ostrine, muzikalnosti in izurjenosti njegovega ušesa. Upoštevati je treba, da je višina zvoka do neke mere odvisna od intenzivnosti zvoka (pri visokih glasnostih so zvoki večje intenzivnosti videti nižji od šibkejših).
Človeško uho lahko jasno loči dva tona, ki sta si po višini blizu. Na primer, v frekvenčnem območju približno 2000 Hz lahko oseba razlikuje med dvema tonoma, ki se med seboj razlikujeta po frekvenci za 3-6 Hz.
Subjektivna lestvica zaznavanja zvoka po frekvenci je blizu logaritemskemu zakonu. Zato podvojitev frekvence vibracij (ne glede na začetno frekvenco) vedno zaznavamo kot enako spremembo višine. Višinski interval, ki ustreza 2-kratni spremembi frekvence, se imenuje oktava. Razpon frekvenc, ki jih človek zazna, je 20–20.000 Hz, kar zajema približno deset oktav.
Oktava je precej velik interval spremembe višine; človek razlikuje bistveno manjše intervale. Tako je v desetih oktavah, ki jih zaznava uho, mogoče razločiti več kot tisoč stopenj višine. Glasba uporablja manjše intervale, imenovane poltoni, ki ustrezajo spremembi frekvence približno 1,054-krat.
Oktava je razdeljena na pol oktave in tretjino oktave. Za slednje je standardiziran naslednji razpon frekvenc: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3:8; 10, ki so meje tretjinskih oktav. Če te frekvence postavimo na enaki razdalji vzdolž frekvenčne osi, dobimo logaritemsko lestvico. Na podlagi tega vse frekvenčne značilnosti Naprave za prenos zvoka so zgrajene na logaritemskem merilu.
Glasnost prenosa ni odvisna le od intenzivnosti zvoka, temveč tudi od spektralne sestave, pogojev zaznavanja in trajanja izpostavljenosti. Torej, dva zveneča tona, srednji in nizka frekvenca, ki imajo enako jakost (ali enak zvočni tlak), človek ne zaznava kot enako glasne. Zato je bil za označevanje zvokov enake glasnosti uveden koncept stopnje glasnosti v ozadju. Za glasnost zvoka v ozadju se šteje raven zvočnega tlaka v decibelih enake glasnosti čistega tona s frekvenco 1000 Hz, tj. za frekvenco 1000 Hz sta glasnost v ozadju in decibelih enaka. Pri drugih frekvencah so lahko zvoki videti glasnejši ali tišji pri enakem zvočnem tlaku.
Izkušnje zvočnih inženirjev pri snemanju in montaži glasbenih del kažejo, da je treba za boljše odkrivanje zvočnih napak, ki se lahko pojavijo med delom, vzdrževati visoko glasnost med kontrolnim poslušanjem, ki približno ustreza glasnosti v dvorani.
Ob dolgotrajni izpostavljenosti intenzivnemu zvoku se občutljivost sluha postopoma zmanjšuje, in bolj ko je glasnejši zvok. Zaznano zmanjšanje občutljivosti je povezano z reakcijo sluha na preobremenitev, tj. s svojo naravno prilagoditvijo Po nekaj prekinitvi poslušanja se slušna občutljivost povrne. K temu je treba dodati, da slušni aparat pri zaznavanju signalov visokega nivoja vnaša lastna, tako imenovana subjektivna popačenja (kar kaže na nelinearnost sluha). Tako pri nivoju signala 100 dB prvi in ​​drugi subjektivni harmonik dosežeta ravni 85 in 70 dB.
Znatna raven glasnosti in trajanje njene izpostavljenosti povzročata nepopravljive pojave v slušnem organu. Ugotovljeno je bilo, da mladi Zadnja leta slušni prag se močno poveča. Razlog za to je bila strast do pop glasbe, za katero je značilna visoka glasnost zvoka.
Nivo glasnosti se meri z elektroakustično napravo - zvočnim merilnikom. Zvok, ki se meri, mikrofon najprej pretvori v električne vibracije. Po ojačanju s posebnim napetostnim ojačevalnikom se ta nihanja izmerijo s kazalcem, nastavljenim v decibelih. Da bi odčitki naprave čim bolj natančno ustrezali subjektivni zaznavi glasnosti, je naprava opremljena s posebnimi filtri, ki spreminjajo njeno občutljivost na zaznavanje zvoka različnih frekvenc v skladu z značilnostmi občutljivosti sluha.
Pomembna lastnost zvok je tember. Sposobnost sluha, da ga razlikuje, vam omogoča zaznavanje signalov z najrazličnejšimi odtenki. Zvok vsakega od instrumentov in glasov zaradi značilnih odtenkov postane večbarven in dobro prepoznaven.
Timber, ki je subjektivni odraz kompleksnosti zaznanega zvoka, nima kvantitativne ocene in je označen s kvalitativnimi izrazi (lep, mehak, sočen itd.). Pri prenosu signala po elektroakustični poti nastala popačenja vplivajo predvsem na tember reproduciranega zvoka. Pogoj za pravilen prenos tembra glasbenih zvokov je nepopačen prenos spektra signala. Spekter signala je skupek sinusnih komponent kompleksnega zvoka.
Najenostavnejši spekter je tako imenovani čisti ton, ki vsebuje samo eno frekvenco. Zvok glasbila je bolj zanimiv: njegov spekter je sestavljen iz frekvence osnovnega tona in več "nečistih" frekvenc, ki jih imenujemo nadtoni (višji toni).Nadtoni so večkratnik frekvence osnovnega tona in so običajno manjše amplitude. .
Barva zvoka je odvisna od porazdelitve jakosti po prizvokih. Zvoki različnih glasbil se razlikujejo po tembru.
Bolj zapleten je spekter kombinacij glasbenih zvokov, imenovanih akord. V takem spektru je več osnovnih frekvenc skupaj z ustreznimi prizvoki
Razlike v tembru so predvsem posledica nizko-srednjefrekvenčnih komponent signala, zato je velika raznolikost tonov povezana s signali, ki ležijo v spodnjem delu frekvenčnega območja. Signali, ki pripadajo njegovemu zgornjemu delu, ko se povečujejo, vse bolj izgubljajo barvo tembra, kar je posledica postopnega odhoda njihovih harmoničnih komponent izven meja slišnih frekvenc. To je mogoče razložiti z dejstvom, da do 20 ali več harmonikov aktivno sodeluje pri oblikovanju tembra nizkih zvokov, srednjih 8 - 10, visokih 2 - 3, saj so ostali bodisi šibki ali padejo izven obsega slišnega. frekvence. Zato so visoki zvoki praviloma slabši v tembru.
Skoraj vsi naravni viri zvoka, vključno z viri glasbenih zvokov, imajo določeno odvisnost tembra od glasnosti. Tej odvisnosti je prilagojen tudi sluh - naravno je, da po barvi zvoka določa jakost vira. Glasnejši zvoki so običajno bolj ostri.

Glasbeni zvočni viri

Številni dejavniki, ki označujejo primarne vire zvoka, imajo velik vpliv na kakovost zvoka elektroakustičnih sistemov.
Akustični parametri glasbenih virov so odvisni od sestave izvajalcev (orkester, ansambel, skupina, solist in zvrst glasbe: simfonična, ljudska, pop itd.).

Nastanek in nastanek zvoka na vsakem glasbilu ima svoje posebnosti, povezane z akustičnimi značilnostmi zvočnega ustvarjanja posameznega glasbila.
Pomemben element glasbenega zvoka je napad. To je poseben prehodni proces, med katerim se vzpostavijo stabilne zvočne lastnosti: glasnost, tember, višina. Vsak glasbeni zvok gre skozi tri stopnje - začetek, sredino in konec, začetna in končna faza pa imata določeno trajanje. Začetna faza se imenuje napad. Traja različno: pri trbilah, tolkalih in nekaterih pihalih traja 0-20 ms, pri fagotu pa 20-60 ms. Napad ni samo povečanje glasnosti zvoka od nič do neke stalne vrednosti, lahko ga spremlja enaka sprememba višine zvoka in njegovega tembra. Poleg tega napadalne lastnosti instrumenta niso enake v različnih delih njegovega obsega z različnimi slogi igranja: violina je najpopolnejši instrument v smislu bogastva možnih izraznih načinov napada.
Ena od značilnosti vsakega glasbila je Frekvenčni razpon zvok. Za vsak inštrument so poleg osnovnih frekvenc značilne še dodatne visokokakovostne komponente - nadtoni (ali, kot je v elektroakustiki navada, višji harmoniki), ki določajo njegov specifičen tember.
Znano je, da je zvočna energija neenakomerno porazdeljena po celotnem spektru zvočnih frekvenc, ki jih vir oddaja.
Za večino inštrumentov je značilno ojačanje osnovnih frekvenc in tudi posameznih prizvokov v določenih (enem ali več) razmeroma ozkih frekvenčnih pasovih (formantih), ki so za vsak inštrument različni. Resonančne frekvence (v hercih) formantne regije so: za trobento 100-200, rog 200-400, pozavno 300-900, trobento 800-1750, saksofon 350-900, oboo 800-1500, fagot 300-900, klarinet 250 -600 .
Druga značilna lastnost glasbil je moč njihovega zvoka, ki je določena z večjo ali manjšo amplitudo (razponom) njihovega zvenečega telesa ali zračnega stebra (večja amplituda ustreza močnejšemu zvoku in obratno). Najvišje vrednosti akustične moči (v vatih) so: za veliki orkester 70, bas boben 25, timpane 20, mali boben 12, pozavno 6, klavir 0,4, trobento in saksofon 0,3, trobento 0,2, kontrabas 0. ( 6, mala flavta 0,08, klarinet, rog in trikotnik 0,05.
Razmerje med zvočno močjo, pridobljeno iz inštrumenta pri igranju »fortissimo«, in močjo zvoka pri igranju »pianissimo« se običajno imenuje dinamični razpon zvoka glasbil.
Dinamični razpon glasbenega zvočnega vira je odvisen od vrste nastopajoče skupine in narave izvedbe.
Upoštevajmo dinamični razpon posameznih zvočnih virov. Pod dinamičnim razponom posameznih glasbil in ansamblov (orkestrov in zborov različnih sestav), pa tudi glasov razumemo razmerje največjega zvočnega tlaka, ki ga ustvarja določen vir, do najmanjšega, izraženo v decibelih.
V praksi pri določanju dinamičnega razpona vira zvoka običajno delujemo samo na ravni zvočnega tlaka, pri čemer izračunamo ali izmerimo njihovo ustrezno razliko. Na primer, če je najvišja raven zvoka orkestra 90 in najmanjša 50 dB, potem naj bi bil dinamični razpon 90 - 50 = 40 dB. V tem primeru sta 90 in 50 dB ravni zvočnega tlaka glede na ničelno akustično raven.
Dinamični razpon za ta vir zvok je spremenljiva količina. Odvisno je od narave dela, ki se izvaja, in od akustičnih pogojev prostora, v katerem se izvaja. Odmev razširi dinamični razpon, ki običajno doseže svoj maksimum v prostorih z veliko glasnostjo in minimalno absorpcijo zvoka. Skoraj vsi instrumenti in človeški glasovi imajo neenakomeren dinamični razpon v zvočnih registrih. Na primer, glasnost najnižjega zvoka na forte za vokalista je enaka ravni najvišjega zvoka na klavirju.

Dinamični razpon posameznega glasbenega programa je izražen na enak način kot pri posameznih zvočnih virih, le da je največji zvočni tlak zabeležen z dinamičnim tonom ff (fortissimo), najmanjši pa s tonom pp (pianissimo).

Najvišja glasnost, navedena v notah fff (forte, fortissimo), ustreza ravni akustičnega zvočnega tlaka približno 110 dB, najnižja glasnost, navedena v notah ppr (piano-pianissimo), pa približno 40 dB.
Opozoriti je treba, da so dinamične nianse izvajanja v glasbi relativne in je njihov odnos z ustreznimi ravnmi zvočnega tlaka do neke mere pogojen. Dinamični razpon posameznega glasbenega programa je odvisen od narave kompozicije. Tako dinamični razpon klasičnih del Haydna, Mozarta, Vivaldija redko presega 30-35 dB. Dinamični razpon pop glasbe običajno ne presega 40 dB, medtem ko je dinamični razpon plesne in jazz glasbe le okoli 20 dB. Večina del za orkester ruskih ljudskih glasbil ima tudi majhen dinamični razpon (25-30 dB). To velja tudi za godbo na pihala. Vendar pa lahko najvišja raven zvoka godbe na pihala v prostoru doseže precej visoko raven (do 110 dB).

Učinek maskiranja

Subjektivna ocena glasnosti je odvisna od pogojev, v katerih poslušalec zazna zvok. V realnih razmerah zvočni signal ne obstaja v popolni tišini. Hkrati zunanji hrup vpliva na sluh, otežuje zaznavanje zvoka in do določene mere prikrije glavni signal. Učinek maskiranja čistega sinusnega valovanja s tujim šumom se meri z vrednostjo, ki kaže. za koliko decibelov se zviša prag slišnosti maskiranega signala nad pragom njegove zaznave v tišini.
Poskusi za ugotavljanje stopnje maskiranja enega zvočnega signala z drugim kažejo, da je ton katere koli frekvence veliko bolj učinkovito prikrit z nižjimi kot z višjimi. Na primer, če dve glasbeni vilici (1200 in 440 Hz) oddajata zvoka z enako jakostjo, potem prvega tona ne slišimo več, prikrije ga drugi (če ugasnemo tresenje druge glasbene vilice, bomo slišali prvega ponovno).
Če dva zapletena zvočne signale, sestavljen iz določenih spektrov zvočnih frekvenc, potem pride do učinka medsebojnega maskiranja. Poleg tega, če glavna energija obeh signalov leži v istem območju zvočnega frekvenčnega območja, bo učinek maskiranja najmočnejši.Tako lahko pri prenosu orkestralne skladbe zaradi maskiranja s spremljavo del solista postane slab razumljivo in neslišno.
Doseganje čistosti ali, kot pravijo, »prosojnosti« zvoka v prenosu zvoka orkestrov ali pop zasedb postane zelo težko, če instrument ali posamezne skupine orkestrskih instrumentov hkrati igrajo v enem ali podobnih registrih.
Režiser mora pri snemanju orkestra upoštevati značilnosti kamuflaže. Na vajah s pomočjo dirigenta vzpostavlja ravnovesje med jakostjo zvoka inštrumentov ene skupine, pa tudi med skupinami celotnega orkestra. Jasnost glavnih melodičnih linij in posameznih glasbenih delov je v teh primerih dosežena s postavitvijo mikrofonov blizu izvajalcev, namernim poudarjanjem najpomembnejših s strani tonskega inženirja. to mesto dela instrumentov in druge posebne tehnike zvočnega inženiringa.
Pojavu maskiranja se zoperstavlja psihofiziološka sposobnost slušnih organov, da iz splošne množice zvokov izločijo enega ali več tistih, ki nosijo največ. pomembna informacija. Na primer, ko igra orkester, dirigent opazi najmanjše netočnosti pri izvajanju dela na katerem koli instrumentu.
Maskiranje lahko bistveno vpliva na kakovost prenosa signala. Jasno zaznavanje prejetega zvoka je možno, če njegova intenzivnost znatno presega raven komponent motenj, ki se nahajajo v istem pasu kot prejeti zvok. Pri enakomernih motnjah mora biti presežek signala 10-15 dB. Ta značilnost slušnega zaznavanja je praktično uporabo, na primer pri ocenjevanju elektroakustičnih lastnosti medijev. Torej, če je razmerje med signalom in šumom analognega zapisa 60 dB, potem dinamični razpon posnetega programa ne sme biti večji od 45-48 dB.

Časovne značilnosti slušne zaznave

Slušni aparat je, tako kot vsak drug nihajni sistem, inercialen. Ko zvok izgine, slušni občutek ne izgine takoj, ampak postopoma in se zmanjša na nič. Čas, v katerem se raven hrupa zmanjša za 8-10 ozadij, se imenuje časovna konstanta sluha. Ta konstanta je odvisna od številnih okoliščin, pa tudi od parametrov zaznanega zvoka. Če do poslušalca prideta dva kratka zvočna impulza, enaka po frekvenčni sestavi in ​​ravni, vendar je eden od njih zakasnjen, bosta zaznana skupaj z zakasnitvijo, ki ne presega 50 ms. Pri velikih intervalih zakasnitve se oba impulza zaznata ločeno in pojavi se odmev.
Ta lastnost sluha se upošteva pri načrtovanju nekaterih naprav za obdelavo signalov, na primer elektronskih zakasnitvenih linij, odmevov itd.
Treba je opozoriti, da je zaradi posebne lastnosti sluha občutek glasnosti kratkotrajnega zvočnega impulza odvisen ne le od njegove ravni, temveč tudi od trajanja vpliva impulza na uho. Tako kratkotrajni zvok, ki traja le 10-12 ms, uho zazna tišje kot zvok enake jakosti, ki pa vpliva na sluh na primer za 150-400 ms. Zato je pri poslušanju oddaje glasnost rezultat povprečenja energije zvočnega valovanja v določenem intervalu. Poleg tega ima človeški sluh vztrajnost, zlasti pri zaznavanju nelinearnih popačenj jih ne čuti, če je trajanje zvočnega impulza krajše od 10-20 ms. Zato so v indikatorjih nivoja gospodinjske radioelektronske opreme za snemanje zvoka trenutne vrednosti signala povprečne v obdobju, izbranem v skladu s časovnimi značilnostmi slušnih organov.

Prostorska predstavitev zvoka

Ena izmed pomembnih človeških sposobnosti je sposobnost določanja smeri vira zvoka. Ta sposobnost se imenuje binauralni učinek in je razložena z dejstvom, da ima oseba dve ušesi. Eksperimentalni podatki kažejo, od kod prihaja zvok: eden za visokofrekvenčne tone, eden za nizkofrekvenčne tone.

Zvok prepotuje krajšo razdaljo do ušesa, ki je obrnjeno proti viru, kot do drugega ušesa. Zaradi tega se tlak zvočnih valov v ušesnih kanalih spreminja po fazi in amplitudi. Amplitudne razlike so pomembne le pri visokih frekvencah, ko valovna dolžina zvoka postane primerljiva z velikostjo glave. Ko razlika v amplitudi preseže mejno vrednost 1 dB, se zdi, da je vir zvoka na strani, kjer je amplituda večja. Kot odstopanja vira zvoka od središčne črte (simetrične črte) je približno sorazmeren z logaritmom razmerja amplitud.
Za določitev smeri vira zvoka s frekvencami pod 1500–2000 Hz so fazne razlike pomembne. Človeku se zdi, da zvok prihaja s strani, s katere val, ki je v fazi pred njim, doseže uho. Kot odstopanja zvoka od srednje črte je sorazmeren z razliko v času prihoda zvočnih valov do obeh ušes. Izurjena oseba lahko opazi fazno razliko s časovno razliko 100 ms.
Sposobnost določanja smeri zvoka v navpični ravnini je veliko manj razvita (približno 10-krat). Ta fiziološka značilnost je povezana z orientacijo slušnih organov v vodoravni ravnini.
Posebna značilnost prostorsko dojemanje zvok osebe se kaže v tem, da so slušni organi sposobni zaznati celotno, celovito lokalizacijo, ustvarjeno s pomočjo umetnih sredstev vpliva. Na primer, v sobi sta dva zvočnika nameščena vzdolž sprednje strani na razdalji 2-3 m drug od drugega. Poslušalec se nahaja na enaki razdalji od osi povezovalnega sistema, strogo v središču. V prostoru se skozi zvočnike oddajata dva zvoka enake faze, frekvence in jakosti. Zaradi istovetnosti zvokov, ki prehajajo v organ sluha, jih človek ne more ločiti, njegovi občutki dajejo ideje o enem samem, navideznem (virtualnem) viru zvoka, ki se nahaja strogo v središču na osi simetrije.
Če zdaj zmanjšamo glasnost enega zvočnika, se bo navidezni vir premaknil proti glasnejšemu zvočniku. Iluzijo premikanja zvočnega vira je mogoče dobiti ne samo s spreminjanjem ravni signala, temveč tudi z umetno zakasnitvijo enega zvoka glede na drugega; v tem primeru se bo navidezni vir premaknil proti zvočniku, ki vnaprej oddaja signal.
Za ponazoritev integralne lokalizacije podajamo primer. Razdalja med zvočniki je 2 m, razdalja od sprednje linije do poslušalca je 2 m; da se vir premakne za 40 cm v levo ali desno, je potrebno oddati dva signala z razliko v stopnji jakosti 5 dB ali s časovnim zamikom 0,3 ms. Pri razliki ravni 10 dB ali časovni zakasnitvi 0,6 ms se vir "premakne" 70 cm od središča.
Tako, če spremenite zvočni tlak, ki ga ustvari zvočnik, se pojavi iluzija premikanja vira zvoka. Ta pojav imenujemo sumarna lokalizacija. Za ustvarjanje sumarne lokalizacije se uporablja dvokanalni stereofonični sistem prenosa zvoka.
V primarni sobi sta nameščena dva mikrofona, ki delujeta vsak na svojem kanalu. Sekundar ima dva zvočnika. Mikrofona sta nameščena na določeni razdalji drug od drugega vzdolž črte, ki je vzporedna s postavitvijo oddajnika zvoka. Pri premikanju oddajnika zvoka bo na mikrofon deloval različen zvočni tlak in čas prihoda zvočnega vala bo različen zaradi neenake razdalje med oddajnikom zvoka in mikrofoni. Ta razlika ustvari popoln učinek lokalizacije v sekundarni sobi, zaradi česar je navidezni vir lokaliziran na določeni točki v prostoru, ki se nahaja med dvema zvočnikoma.
Povedati je treba o binauralnem sistemu prenosa zvoka. Pri tem sistemu, imenovanem sistem umetne glave, sta dva ločena mikrofona nameščena v primarno sobo, med seboj pa sta med seboj oddaljena enako razdalji med ušesi osebe. Vsak od mikrofonov ima neodvisen kanal za prenos zvoka, katerega izhod v sekundarni sobi vključuje telefon za levo in desno uho. Če so kanali za prenos zvoka enaki, tak sistem natančno prenaša binauralni učinek, ustvarjen v bližini ušes "umetne glave" v primarni sobi. Imeti slušalke in jih uporabljati dlje časa je pomanjkljivost.
Organ sluha določa razdaljo do vira zvoka s pomočjo številnih posrednih znakov in z nekaj napakami. Odvisno od tega, ali je razdalja do vira signala majhna ali velika, se njegova subjektivna ocena spreminja pod vplivom različnih dejavnikov. Ugotovljeno je bilo, da če so določene razdalje majhne (do 3 m), je njihova subjektivna ocena skoraj linearno povezana s spremembo glasnosti vira zvoka, ki se premika po globini. Dodaten dejavnik za kompleksen signal je njegov tember, ki postaja vse bolj "težji", ko se vir približuje poslušalcu. To je posledica naraščajočega ojačanja nizkih tonov v primerjavi z visokimi, ki jih povzroča posledično povečanje glasnosti.
Za povprečne razdalje 3-10 m bo odmik vira od poslušalca spremljalo sorazmerno zmanjšanje glasnosti in ta sprememba bo veljala enako za osnovno frekvenco in harmonične komponente. Posledično pride do relativne okrepitve visokofrekvenčnega dela spektra in tember postane svetlejši.
Z večanjem razdalje bodo izgube energije v zraku naraščale sorazmerno s kvadratom frekvence. Povečana izguba prizvokov visokega registra bo povzročila zmanjšano svetlost tembra. Tako je subjektivna ocena razdalj povezana s spremembami v glasnosti in tembru.
V zaprtem prostoru slušni organ zaznava signale prvih odbojev, ki so glede na neposredni odboj zakasnjeni za 20-40 ms, kot da prihajajo iz različnih smeri. Hkrati njihova naraščajoča zamuda ustvarja vtis pomembne oddaljenosti od točk, od katerih prihaja do teh odbojev. Tako lahko po času zakasnitve ocenimo relativno oddaljenost sekundarnih virov ali, kar je enako, velikost sobe.

Nekatere značilnosti subjektivnega zaznavanja stereofonskih oddaj.

Stereofonični sistem prenosa zvoka ima številne pomembne lastnosti v primerjavi s konvencionalnim monofonim.
Kakovost, ki odlikuje stereofonični zvok, glasnost, tj. naravno akustično perspektivo je mogoče oceniti z nekaterimi dodatnimi indikatorji, ki pri monofonični tehniki prenosa zvoka niso smiselni. Takšni dodatni indikatorji vključujejo: slušni kot, tj. kot, pod katerim poslušalec zaznava stereofonično zvočno sliko; stereo ločljivost, tj. subjektivno določena lokalizacija posameznih elementov zvočne slike na določenih točkah prostora znotraj kota slišnosti; akustično ozračje, tj. učinek, ki daje poslušalcu občutek prisotnosti v primarnem prostoru, kjer se oddani zvočni dogodek zgodi.

O vlogi prostorske akustike

Barvit zvok se ne doseže le s pomočjo opreme za reprodukcijo zvoka. Tudi pri dokaj dobri opremi je lahko kakovost zvoka slaba, če prostor za poslušanje nima določenih lastnosti. Znano je, da se v zaprtem prostoru pojavi nosni zvočni pojav, imenovan odmev. Z vplivom na organe sluha lahko odmev (odvisno od trajanja) izboljša ali poslabša kakovost zvoka.

Oseba v prostoru ne zaznava le neposrednih zvočnih valov, ki jih ustvarja neposredno vir zvoka, temveč tudi valove, ki jih odbijajo strop in stene prostora. Odbiti valovi se slišijo še nekaj časa po tem, ko se vir zvoka ustavi.
Včasih se verjame, da odbiti signali igrajo le negativno vlogo in motijo ​​zaznavanje glavnega signala. Vendar je ta ideja napačna. Določen del energije začetnih odbitih odmevnih signalov, ki s kratkimi zakasnitvami doseže človeška ušesa, ojača glavni signal in obogati njegov zvok. Nasprotno, kasneje odbiti odmevi. katerih zakasnitveni čas presega določeno kritično vrednost, tvorijo zvočno ozadje, ki otežuje zaznavanje glavnega signala.
Prostor za poslušanje ne sme imeti dolgega časa odmeva. Dnevne sobe imajo praviloma malo odmeva zaradi svoje omejene velikosti in prisotnosti zvočno absorbirajočih površin, oblazinjenega pohištva, preprog, zaves itd.
Za ovire različne narave in lastnosti je značilen koeficient absorpcije zvoka, ki je razmerje med absorbirano energijo in celotno energijo vpadnega zvočnega vala.

Za povečanje lastnosti absorpcije zvoka preproge (in zmanjšanje hrupa v dnevni sobi) je priporočljivo, da preprogo ne obesite blizu stene, ampak z razmikom 30-50 mm).

1. Zvok, vrste zvoka.

2. Fizikalne značilnosti zvoka.

3. Značilnosti slušnega občutka. Meritve zvoka.

4. Prehod zvoka čez vmesnik.

5. Zanesljive raziskovalne metode.

6. Dejavniki, ki določajo preprečevanje hrupa. Zaščita pred hrupom.

7. Osnovni pojmi in formule. Mize.

8. Naloge.

Akustika. V širšem smislu je to veja fizike, ki preučuje elastične valove od najnižjih do najvišjih frekvenc. V ožjem smislu je to preučevanje zvoka.

3.1. Zvok, vrste zvoka

Zvok v širšem smislu so prožna nihanja in valovi, ki se širijo v plinastih, tekočih in trdnih snoveh; v ožjem smislu pojav, ki ga subjektivno zaznavajo slušni organi ljudi in živali.

Običajno človeško uho sliši zvok v frekvenčnem območju od 16 Hz do 20 kHz. S starostjo pa se zgornja meja tega območja znižuje:

Imenuje se zvok s frekvenco pod 16-20 Hz infrazvok, nad 20 kHz - ultrazvok, in najvišje frekvence elastičnih valov v območju od 10 9 do 10 12 Hz - hiperzvok.

Zvoke, ki jih najdemo v naravi, delimo na več vrst.

ton - gre za zvok, ki je periodičen proces. Glavna značilnost tona je frekvenca. Preprost ton ki ga ustvari telo, ki vibrira po harmoničnem zakonu (na primer glasbene vilice). Kompleksen ton ustvarjajo periodična nihanja, ki niso harmonična (na primer zvok glasbila, zvok, ki ga ustvari človeški govorni aparat).

Hrup je zvok, ki ima kompleksno, neponavljajočo se časovno odvisnost in je kombinacija naključno spreminjajočih se kompleksnih tonov (šelestenje listov).

Zvočni boom- to je kratkotrajen zvočni udar (plosk, pok, udarec, grmenje).

Kompleksen ton, kot periodični proces, lahko predstavimo kot vsoto enostavnih tonov (razstavljenih na sestavne tone). Ta razgradnja se imenuje spekter.

Spekter akustičnega tona je celota vseh njegovih frekvenc z navedbo njihovih relativnih intenzitet ali amplitud.

Najnižja frekvenca v spektru (ν) ustreza osnovnemu tonu, preostale frekvence pa imenujemo prizvoki ali harmoniki. Prizvoki imajo frekvence, ki so večkratniki osnovne frekvence: 2ν, 3ν, 4ν, ...

Običajno največja amplituda spektra ustreza osnovnemu tonu. To je tisto, kar uho zazna kot višino zvoka (glej spodaj). Prizvoki ustvarjajo "barvo" zvoka. Zvoki enake višine, ki jih ustvarijo različni inštrumenti, se z ušesom različno zaznavajo prav zaradi različnih razmerij med amplitudami prizvokov. Slika 3.1 prikazuje spektre iste note (ν = 100 Hz), zaigrane na klavirju in klarinetu.

riž. 3.1. Spektri not za klavir (a) in klarinet (b).

Akustični spekter hrupa je neprekinjeno.

3.2. Fizikalne lastnosti zvoka

1. Hitrost(v). Zvok potuje v katerem koli mediju razen v vakuumu. Hitrost njegovega širjenja je odvisna od elastičnosti, gostote in temperature medija, ni pa odvisna od frekvence nihanja. Hitrost zvoka v plinu je odvisna od njegove molske mase (M) in absolutne temperature (T):

Hitrost zvoka v vodi je 1500 m/s; Podobno pomembna je tudi hitrost zvoka v mehkih tkivih telesa.

2. Zvočni tlak.Širjenje zvoka spremlja sprememba tlaka v mediju (slika 3.2).

riž. 3.2. Sprememba tlaka v mediju med širjenjem zvoka.

Spremembe tlaka povzročajo vibracije bobniča, ki določajo začetek tako zapletenega procesa, kot je pojav slušnih občutkov.

Zvočni tlak (Δ Ρ) - to je amplituda tistih sprememb tlaka v mediju, ki nastanejo med prehodom zvočnega vala.

3. Intenzivnost zvoka(JAZ). Širjenje zvočnega valovanja spremlja prenos energije.

Intenzivnost zvoka je gostota pretoka energije, ki jo prenaša zvočni val(glej formulo 2.5).

V homogenem mediju se intenzivnost zvoka, ki se oddaja v dani smeri, zmanjšuje z oddaljenostjo od vira zvoka. Z uporabo valovodov je mogoče doseči povečanje intenzivnosti. Tipičen primer takega valovoda v živi naravi je ušesna školjka.

Razmerje med jakostjo (I) in zvočnim tlakom (ΔΡ) je izraženo z naslednjo formulo:

kjer je ρ gostota medija; v- hitrost zvoka v njem.

Imenujejo se minimalne vrednosti zvočnega tlaka in jakosti zvoka, pri katerih oseba doživlja slušne občutke prag sluha.

Za uho povprečnega človeka pri frekvenci 1 kHz prag sluha ustreza naslednjim vrednostim zvočnega tlaka (ΔΡ 0) in jakosti zvoka (I 0):

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

Vrednosti zvočnega tlaka in jakosti zvoka, pri katerih oseba doživi hudo bolečino, se imenujejo prag bolečine.

Za uho povprečne osebe pri frekvenci 1 kHz prag bolečine ustreza naslednjim vrednostim zvočnega tlaka (ΔΡ m) in jakosti zvoka (I m):

4. Stopnja intenzivnosti(L). Razmerje intenzivnosti, ki ustreza pragom slišnosti in bolečine, je tako visoko (I m / I 0 = 10 13), da v praksi uporabljajo logaritemsko lestvico, ki uvaja posebno brezdimenzijsko karakteristiko - stopnjo intenzivnosti.

Stopnja intenzivnosti je decimalni logaritem razmerja med jakostjo zvoka in pragom sluha:

Enota stopnje intenzivnosti je bela(B).

Običajno se uporablja manjša enota stopnje intenzivnosti - decibel(dB): 1 dB = 0,1 B. Raven jakosti v decibelih se izračuna po naslednjih formulah:

Logaritemska narava odvisnosti stopnjo intenzivnosti od nje same intenzivnost pomeni, da s povečevanjem intenzivnost 10-krat stopnjo intenzivnosti poveča za 10 dB.

Značilnosti pogosto pojavljajočih se zvokov so podane v tabeli. 3.1.

Če oseba sliši prihajajoče zvoke iz ene smeri iz več neskladen virov, potem se njihove intenzivnosti seštejejo:

Visoke stopnje jakosti zvoka povzročijo nepopravljive spremembe v slušnem aparatu. Tako lahko zvok 160 dB povzroči razpok bobniča in premik slušnih koščic v srednjem ušesu, kar povzroči nepopravljivo gluhost. Pri 140 dB človek čuti močno bolečino, dolgotrajna izpostavljenost hrupu 90-120 dB pa povzroči okvaro slušnega živca.

3.3. Značilnosti slušnega občutka. Meritve zvoka

Zvok je predmet slušnega zaznavanja. Oseba jo ocenjuje subjektivno. Vse subjektivne značilnosti slušnega občutka so povezane z objektivnimi značilnostmi zvočnega valovanja.

Visina, tember

Ko zazna zvoke, jih oseba razlikuje po višini in tembru.

Višina ton določa predvsem frekvenca osnovnega tona (višja kot je frekvenca, višji je zvok zaznan). V manjši meri je višina odvisna od jakosti zvoka (zvok večje intenzivnosti zaznamo kot nižji).

tember- to je značilnost zvočnega občutka, ki ga določa njegov harmonski spekter. Barva zvoka je odvisna od števila prizvokov in njihove relativne intenzivnosti.

Weber-Fechnerjev zakon. Glasnost zvoka

Uporaba logaritemske lestvice za ocenjevanje ravni jakosti zvoka se dobro ujema s psihofizičnim Weber-Fechnerjev zakon:

Če draženje povečate v geometrijski progresiji (tj. za enako število krat), potem se občutek tega draženja poveča v aritmetičnem progresiju (tj. za enako količino).

Logaritemska funkcija ima takšne lastnosti.

Glasnost zvoka imenujemo intenzivnost (moč) slušnih občutkov.

Človeško uho je različno občutljivo na zvoke različnih frekvenc. Če želite upoštevati to okoliščino, lahko izberete nekaj referenčna frekvenca, in z njim primerjajte zaznavanje drugih frekvenc. Po dogovoru referenčna frekvenca enaka 1 kHz (zaradi tega je za to frekvenco nastavljen prag sluha I 0).

Za čisti ton s frekvenco 1 kHz se glasnost (E) vzame kot enaka ravni intenzivnosti v decibelih:

Pri drugih frekvencah se glasnost določi s primerjavo intenzivnosti slušnih občutkov z glasnostjo zvoka pri referenčna frekvenca.

Glasnost zvoka enak ravni jakosti zvoka (dB) pri frekvenci 1 kHz, ki povzroči, da "povprečna" oseba občuti enako glasnost kot dani zvok.

Enota glasnosti zvoka se imenuje ozadje.

Spodaj je primer glasnosti glede na frekvenco pri stopnji intenzivnosti 60 dB.

Krivulje enake glasnosti

Podrobno razmerje med frekvenco, glasnostjo in nivojem intenzivnosti je grafično prikazano z uporabo enake volumske krivulje(slika 3.3). Te krivulje prikazujejo odvisnost stopnja intenzivnosti L dB od frekvence ν zvoka pri določeni jakosti zvoka.

Spodnja krivulja ustreza slušni prag. Omogoča vam, da najdete mejno vrednost ravni intenzivnosti (E = 0) pri dani frekvenci tona.

Z uporabo enakih krivulj glasnosti lahko najdete glasnost zvoka,če sta znani njegova frekvenca in intenzivnost.

Meritve zvoka

Enake krivulje glasnosti odražajo zaznavo zvoka Povprečna oseba. Za oceno sluha specifična pri človeku se uporablja metoda avdiometrije čistega tonskega praga.

Avdiometrija - metoda merjenja ostrine sluha. S posebno napravo (avdiometrom) se določi prag slušnega občutka oz prag zaznave, L P na različnih frekvencah. Da bi to naredili, z generatorjem zvoka ustvarijo zvok določene frekvence in z zvišanjem ravni

riž. 3.3. Krivulje enake glasnosti

stopnjo intenzivnosti L, določite mejno raven intenzivnosti L p, pri kateri subjekt začne doživljati slušne občutke. S spreminjanjem zvočne frekvence dobimo eksperimentalno odvisnost L p (v), ki se imenuje avdiogram (slika 3.4).

riž. 3.4. Avdiogrami

Okvarjeno delovanje aparata za sprejemanje zvoka lahko povzroči izguba sluha- vztrajno zmanjšanje občutljivosti na različne tone in šepetanje.

Mednarodna klasifikacija stopenj izgube sluha, ki temelji na povprečnih vrednostih pragov zaznavanja govornih frekvenc, je podana v tabeli. 3.2.

Za merjenje prostornine kompleksen ton oz hrup uporabite posebne naprave - merilniki ravni zvoka. Zvok, ki ga prejme mikrofon, se pretvori v električni signal, ki ga spusti skozi sistem filtrov. Parametri filtra so izbrani tako, da je občutljivost merilnika ravni zvoka pri različnih frekvencah blizu občutljivosti človeškega ušesa.

3.4. Prehod zvoka čez vmesnik

Ko zvočni val zadene vmesnik med dvema medijema, se zvok delno odbije in delno prodre v drugi medij. Intenzivnosti valov, ki se odbijajo in prenašajo skozi mejo, so določene z ustreznimi koeficienti.

Za normalno pojavljanje zvočnega valovanja na vmesniku veljajo naslednje formule:

Iz formule (3.9) je razvidno, da bolj ko se valovne impedance medijev razlikujejo, večji je delež energije, ki se odbije na vmesniku. Še posebej, če je vrednost X je blizu nič, potem je koeficient refleksije blizu enote. Na primer za vmesnik zrak-voda X= 3x10 -4 in r = 99,88 %. To pomeni, da je odsev skoraj popoln.

Tabela 3.3 prikazuje hitrosti in valovne impedance nekaterih medijev pri 20 °C.

Upoštevajte, da vrednosti koeficientov odboja in loma niso odvisne od vrstnega reda, v katerem zvok prehaja skozi te medije. Na primer, za prehod zvoka iz zraka v vodo so koeficienti enaki kot za prehod v nasprotni smeri.

3.5. Zvočne raziskovalne metode

Zvok je lahko vir informacij o stanju človeških organov.

1. Avskultacija- neposredno poslušanje zvokov, ki se pojavljajo v telesu. Po naravi takšnih zvokov je mogoče natančno določiti, kateri procesi se dogajajo na določenem področju telesa, in v nekaterih primerih postaviti diagnozo. Pripomočki za poslušanje: stetoskop, fonendoskop.

Telefonendoskop je sestavljen iz votle kapsule s prepustno membrano, ki je pritrjena na telo, iz katere gredo gumijaste cevi do zdravnikovega ušesa. V votli kapsuli se pojavi resonanca zračnega stebra, ki povzroči povečan zvok in s tem izboljšano poslušanje. Slišijo se dihalni zvoki, piskajoče dihanje, srčni toni in srčni šumi.

Klinika uporablja naprave, v katerih se poslušanje izvaja z mikrofonom in zvočnikom. Široko

zvoki se snemajo z magnetofonom na magnetni trak, kar omogoča njihovo reprodukcijo.

2. Fonokardiografija- grafična registracija srčnih tonov in šumov ter njihova diagnostična interpretacija. Snemanje poteka s fonokardiografom, ki ga sestavljajo mikrofon, ojačevalnik, frekvenčni filtri in snemalna naprava.

3. tolkala - pregled notranjih organov s tapkanjem po površini telesa in analiziranjem zvokov, ki pri tem nastanejo. Točkanje se izvaja s posebnimi kladivi ali s prsti.

Če v zaprti votlini nastanejo zvočne vibracije, bo pri določeni frekvenci zvoka zrak v votlini začel resonirati, kar bo okrepilo ton, ki ustreza velikosti votline in njenemu položaju. Shematično lahko človeško telo predstavimo kot vsoto različnih volumnov: napolnjenega s plinom (pljuča), tekočine (notranji organi), trdnega (kosti). Pri udarcu ob površino telesa se pojavijo tresljaji različnih frekvenc. Nekaj ​​jih bo šlo ven. Druge bodo sovpadale z lastnimi frekvencami praznin, zato bodo ojačane in bodo zaradi resonance slišne. Stanje in topografija organa določa ton tolkalnih zvokov.

3.6. Dejavniki, ki določajo preprečevanje hrupa.

Zaščita pred hrupom

Za preprečevanje hrupa je potrebno poznati glavne dejavnike, ki določajo njegov vpliv na človeško telo: bližino vira hrupa, jakost hrupa, trajanje izpostavljenosti, omejen prostor, v katerem hrup deluje.

Dolgotrajna izpostavljenost hrupu povzroča kompleksen simptomatski sklop funkcionalnih in organskih sprememb v telesu (in ne le v organu sluha).

Vpliv dolgotrajnega hrupa na centralni živčni sistem se kaže v upočasnitvi vseh živčnih reakcij, skrajšanju časa aktivne pozornosti in zmanjšanju zmogljivosti.

Po dolgotrajni izpostavljenosti hrupu se spremenita ritem dihanja in srčni utrip, poveča se tonus žilnega sistema, kar povzroči povečanje sistoličnega in diastoličnega

raven krvnega tlaka. Motorna in sekretorna aktivnost prebavnega trakta se spremeni, opazimo hipersekrecijo posameznih endokrinih žlez. Obstaja povečano potenje. Obstaja zatiranje duševnih funkcij, zlasti spomina.

Hrup ima poseben vpliv na delovanje slušnega organa. Uho se, tako kot vsi čutila, lahko prilagaja hrupu. Hkrati se pod vplivom hrupa prag sluha poveča za 10-15 dB. Po prenehanju izpostavljenosti hrupu se normalna vrednost praga sluha vzpostavi šele po 3-5 minutah. Pri visoki jakosti hrupa (80-90 dB) se njegov utrujajoči učinek močno poveča. Ena od oblik okvare sluha, ki je povezana z dolgotrajno izpostavljenostjo hrupu, je izguba sluha (Tabela 3.2).

Rock glasba močno vpliva tako na fizično kot psihično stanje človeka. Sodobna rock glasba proizvaja hrup v območju od 10 Hz do 80 kHz. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da če ima glavni ritem, ki ga določajo tolkala, frekvenco 1,5 Hz in močno glasbeno spremljavo pri frekvencah 15-30 Hz, potem oseba postane močno razburjena. Z ritmom s frekvenco 2 Hz in enako spremljavo oseba pade v stanje, ki je blizu zastrupitvi z drogami. Na rock koncertih lahko jakost zvoka preseže 120 dB, čeprav je človeško uho najbolj uglašeno na povprečno jakost 55 dB. V tem primeru lahko pride do zvočnih pretresov, zvočnih "opeklin", izgube sluha in spomina.

Hrup škodljivo vpliva tudi na organ vida. Tako dolgotrajna izpostavljenost industrijskemu hrupu pri človeku v zatemnjenem prostoru povzroči opazno zmanjšanje aktivnosti mrežnice, od katere je odvisno delovanje vidnega živca in s tem ostrina vida.

Zaščita pred hrupom je precej zapletena. To je posledica dejstva, da se zaradi relativno dolge valovne dolžine zvok upogiba okoli ovir (difrakcija) in zvočna senca ne nastane (slika 3.5).

Poleg tega številni materiali, ki se uporabljajo v gradbeništvu in tehnologiji, nimajo dovolj visokega koeficienta absorpcije zvoka.

riž. 3.5. Difrakcija zvočnih valov

Te značilnosti zahtevajo posebna sredstva za boj proti hrupu, ki vključujejo dušenje hrupa, ki nastaja pri samem viru, uporabo dušilcev zvoka, uporabo elastičnih obes, zvočno izolacijskih materialov, odpravo razpok itd.

Za boj proti hrupu, ki prodira v bivalne prostore, velik pomen imeti pravilno načrtovanje lokacije stavb, ob upoštevanju vrtnic vetrov, ustvarjanje zaščitnih območij, vključno z vegetacijo. Rastline so dober dušilec hrupa. Drevesa in grmi lahko zmanjšajo intenzivnost za 5-20 dB. Učinkovite so zelene črte med pločnikom in pločnikom. Hrup najbolje dušita lipa in smreka. Hiše za visoko borovo ograjo so lahko skoraj popolnoma brez uličnega hrupa.

Boj proti hrupu ne pomeni ustvarjanja popolne tišine, saj lahko ob dolgotrajni odsotnosti slušnih občutkov oseba doživi duševne motnje. Popolna tišina in dolgotrajen povečan hrup sta za človeka enako nenaravna.

3.7. Osnovni pojmi in formule. Mize

Nadaljevanje tabele

Konec mize

Tabela 3.1. Značilnosti zvokov, ki se pojavljajo

Tabela 3.2. Mednarodna klasifikacija izgube sluha

Tabela 3.3. Hitrost zvoka in specifična zvočna odpornost za nekatere snovi in ​​človeška tkiva pri t = 25 °C

3.8. Naloge

1. Zvok z jakostjo L 1 = 50 dB na ulici se v prostoru sliši kot zvok z jakostjo L 2 = 30 dB. Poiščite razmerje med intenzivnostjo zvoka na ulici in v sobi.

2. Glasnost zvoka s frekvenco 5000 Hz je enaka E = 50 von. Poiščite jakost tega zvoka z uporabo krivulj enake jakosti.

rešitev

Iz slike 3.2 ugotovimo, da pri frekvenci 5000 Hz glasnost E = 50 ozadja ustreza stopnji intenzivnosti L = 47 dB = 4,7 B. Iz formule 3.4 dobimo: I = 10 4,7 I 0 = 510 -8 W/ m 2.

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

3. Ventilator ustvarja zvok z jakostjo L = 60 dB. Poiščite raven jakosti zvoka, ko delujeta dva sosednja ventilatorja.

rešitev

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

4. Raven hrupa reaktivnega letala na razdalji 30 m od njega je 140 dB. Kakšna je glasnost na razdalji 300 m? Zanemarjajte odboj od tal.

rešitev

Intenzivnost se zmanjšuje sorazmerno s kvadratom razdalje – zmanjša se za 10 2-krat. L 1 - L 2 = 10xlg(I 1 /I 2) = 10x2 = 20 dB. odgovor: L 2 = 120 dB.

5. Razmerje jakosti obeh virov zvoka je enako: I 2 /I 1 = 2. Kolikšna je razlika v stopnjah jakosti teh zvokov?

rešitev

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

6. Kakšna je intenzivnost zvoka s frekvenco 100 Hz, ki ima enako glasnost kot zvok s frekvenco 3 kHz in jakostjo

rešitev

Z uporabo enakih krivulj glasnosti (slika 3.3) ugotovimo, da 25 dB pri frekvenci 3 kHz ustreza glasnosti 30 von. Pri frekvenci 100 Hz ta glasnost ustreza ravni intenzivnosti 65 dB.

odgovor: 65 dB.

7. Amplituda zvočnega valovanja se je povečala za trikrat. a) kolikokrat se je povečala njegova jakost? b) za koliko decibelov se je glasnost povečala?

rešitev

Intenzivnost je sorazmerna s kvadratom amplitude (glejte 3.6):

8. V laboratoriju, ki se nahaja v delavnici, je raven hrupa dosegla 80 dB. Da bi zmanjšali hrup, je bilo odločeno, da se stene laboratorija obložijo z zvočno absorbcijskim materialom, ki zmanjša intenzivnost zvoka za 1500-krat. Kakšna bo po tem intenzivnost hrupa v laboratoriju?

rešitev

Raven zvočne jakosti v decibelih: L = 10 x log(I/I 0). Ko se jakost zvoka spremeni, bo sprememba ravni jakosti zvoka enaka:

9. Impedanci obeh medijev se razlikujeta za faktor 2: R 2 = 2R 1 . Kolikšen del energije se odbije od meje in kolikšen del energije preide v drugi medij?

rešitev

Z uporabo formul (3.8 in 3.9) najdemo:

Odgovor: 1/9 del energije se odbije, 8/9 pa preide v drugi medij.

V vsakdanjem življenju zvok opisujemo med drugim z njegovo glasnostjo in višino. Toda z vidika fizike je zvočni val periodično nihanje molekul medija, ki se širijo v prostoru. Kot vsako valovanje je tudi za zvok značilna amplituda, frekvenca, valovna dolžina itd. Amplituda kaže, kako močno vibrirajoči medij odstopa od svojega »mirnega« stanja; Ona je odgovorna za glasnost zvoka. Frekvenca nam pove, kolikokrat na sekundo se pojavi vibriranje, in višja kot je frekvenca, višja je višina zvoka, ki ga slišimo.

Tipične vrednosti glasnosti in frekvence zvoka, ki jih najdemo na primer v tehničnih standardih in karakteristikah avdio naprav, so prilagojene človeškemu ušesu, so v območju glasnosti in frekvence, ki je za človeka ugodna. Tako zvok z glasnostjo nad 130 dB (decibelov) povzroči bolečino, zvočnega vala s frekvenco 30 kHz pa človek sploh ne bo slišal. Vendar pa poleg teh »človeških« omejitev obstajajo tudi čisto fizične omejitve glasnosti in frekvence zvočnega valovanja.

Naloga

Ocenite največjo glasnost in največjo frekvenco zvočnega valovanja, ki se lahko širi v zraku in vodi v normalnih pogojih. Na splošno opišite, kaj se bo zgodilo, če boste poskušali oddajati zvok nad temi mejami.

Namig

Spomnimo se, da je glasnost, merjena v decibelih, logaritemska lestvica, ki kaže, kolikokrat je tlak v zvočnem valu (P) močnejši od določenega mejnega tlaka P 0 . Formula za pretvorbo tlaka v prostornino je naslednja: prostornina v decibelih = 20 lg(P/P 0), kjer je lg decimalni logaritem. Kot mejni tlak v akustiki je običajno vzeti P0 = 20 μPa (v vodi je sprejeta drugačna mejna vrednost: P0 = 1 μPa). Na primer, zvok s tlakom P = 0,2 Pa presega P 0 desettisočkrat, kar ustreza glasnosti 20 lg(10000) = 80 dB. Tako meja glasnosti izhaja iz največjega možnega pritiska, ki ga lahko ustvari zvočni val.

Da bi rešili težavo, si morate poskusiti predstavljati zvočno valovanje z zelo visokim tlakom ali zelo visoko frekvenco in poskušati razumeti, kakšne fizične omejitve nastanejo.

rešitev

Najprej poiščimo omejitev glasnosti. V mirnem zraku (brez zvoka) molekule kaotično letijo, vendar gostota zraka v povprečju ostaja konstantna. Pri širjenju zvoka se molekule poleg hitrega kaotičnega gibanja tudi gladko premikajo naprej in nazaj z določeno periodo. Zaradi tega se izmenjujejo območja kondenzacije in redčenja zraka, to je območja visokega in nizkega tlaka. To odstopanje tlaka od norme je akustični tlak (tlak v zvočnem valu).

V območju vakuuma tlak pade na P atm - P. Jasno je, da mora v plinu ostati pozitiven: ničelni tlak pomeni, da v tem območju v ta trenutek Delcev časa sploh ni in manj kot to ne more biti več. Zato je največji zvočni tlak P, ki ga lahko ustvari zvočni val ob preostalem zvoku, popolnoma enak atmosferskemu tlaku. P = P atm = 100 kPa. Ustreza teoretični mejni prostornini, ki je enaka 20 lg (5 10 9), kar daje približno 195 dB.

Situacija se nekoliko spremeni, če govorimo o širjenju zvoka ne v plinu, ampak v tekočini. Tam lahko tlak postane negativen - to preprosto pomeni, da skušajo neprekinjeni medij raztegniti in raztrgati, vendar ta zaradi medmolekularnih sil takšno raztezanje prenese. Vendar pa je glede na velikostni red ta podtlak majhen, reda velikosti ene atmosfere. Ob upoštevanju drugačne vrednosti za P 0 to daje teoretično mejo za glasnost v vodi približno 225 dB.

Zdaj dobimo meja zvočne frekvence. (Pravzaprav je to le ena od možnih omejitev pogostosti; druge bomo omenili v pogovoru.)

Ena od ključnih lastnosti zvoka (za razliko od mnogih drugih, bolj zapletenih valov) je, da je njegova hitrost praktično neodvisna od frekvence. Toda hitrost valovanja je povezana s frekvenco ν (to je čas pri th periodicity) z valovno dolžino λ (prostorska periodičnost): c = ν·λ. Zato je višja kot je frekvenca, krajša je zvočna valovna dolžina.

Frekvenca valovanja je omejena z diskretnostjo snovi. Dolžina zvočnega vala ne more biti manjša od tipične razdalje med molekulami: navsezadnje je zvočni val kondenzacija-razelektritev delcev in brez njih ne more obstajati. Poleg tega mora biti valovna dolžina vsaj dveh ali treh od teh razdalj: navsezadnje mora vključevati tako območja kondenzacije kot območje redčenja. Za zrak v normalnih pogojih je povprečna razdalja med molekulami približno 100 nm, hitrost zvoka 300 m/s, torej je največja frekvenca približno 2 GHz. V vodi je skala diskretnosti manjša, približno 0,3 nm, hitrost zvoka pa je 1500 m/s. To daje mejo frekvence približno tisočkrat višje, reda velikosti nekaj terahercev.

Pogovorimo se zdaj, kaj se zgodi, če poskušamo oddajati zvok, ki presega ugotovljene meje. Kot oddajnik zvočnega valovanja je primerna trdna plošča, potopljena v medij, ki jo motor premika naprej in nazaj. Tehnično je mogoče ustvariti oddajnik s tako veliko amplitudo, da pri maksimumu ustvari tlak, ki je veliko višji od atmosferskega tlaka - za to je dovolj, da ploščo premaknete hitro in z veliko amplitudo. Vendar bo potem v vakuumski fazi (ko se plošča premakne nazaj) enostavno nastal vakuum. Tako bo namesto zelo glasnega zvoka takšna plošča »rezana A"vdihnite zrak" v tanke in goste plasti in jih vrzite naprej. Ne bodo se mogli širiti skozi medij - ko bodo trčili v mirni zrak, ga bodo močno segreli, ustvarili udarne valove in se zrušili.

Lahko si predstavljamo še eno situacijo, ko akustični oddajnik niha s frekvenco, ki presega ugotovljeno mejo zvočne frekvence. Tak oddajnik bo potiskal molekule medija, vendar tako pogosto, da jim ne bo dal možnosti za tvorjenje sinhrone vibracije. Kot rezultat, bo plošča preprosto naključno prenašala energijo na bližajoče se molekule, to je, da bo preprosto segrevala medij.

Pogovor

Naše razmišljanje je bilo seveda zelo preprosto in ni upoštevalo številnih procesov, ki se dogajajo v materiji in omejujejo tudi širjenje zvoka. Na primer, viskoznost povzroči oslabitev zvočnega valovanja in stopnja tega oslabitve hitro narašča s frekvenco. Višja kot je frekvenca, hitreje se plin premika naprej in nazaj, kar pomeni, da se energija zaradi viskoznosti hitreje pretvori v toploto. Zato v preveč viskoznem mediju visokofrekvenčni ultrazvok preprosto ne bo imel časa preleteti nobene makroskopske razdalje.

Drug učinek ima tudi vlogo pri dušenju zvoka. Iz termodinamike sledi, da se s hitrim stiskanjem plin segreje in s hitro širjenje- ohladi. To se zgodi tudi v zvočnem valu. Če pa ima plin visoko toplotno prevodnost, bo z vsakim nihanjem toplota stekla iz vročega območja v hladno območje, s čimer bo oslabljen toplotni kontrast in na koncu amplituda zvočnega valovanja.

Prav tako velja poudariti, da vse ugotovljene omejitve veljajo za tekočine in pline v normalnih pogojih; spremenili se bodo, če se razmere bistveno spremenijo. Na primer, največja teoretična prostornina je očitno odvisna od tlaka. Zato je v atmosferi planetov velikanov, kjer je tlak bistveno višji od atmosferskega, možen še glasnejši zvok; nasprotno pa so v zelo redki atmosferi vsi zvoki neizogibno tihi.

Za konec naj omenimo še eno zanimivo lastnost zelo visokofrekvenčnega ultrazvoka pri širjenju v vodi. Izkazalo se je, da ko frekvenca zvoka znatno preseže 10 GHz, se njegova hitrost v vodi približno podvoji in je približno primerljiva s hitrostjo zvoka v ledu. To pomeni, da nekateri hitri procesi interakcije med molekulami vode začnejo igrati pomembno vlogo pri nihanju s periodo, manjšo od 100 pikosekund. Relativno gledano voda v takšnih časovnih intervalih pridobi nekaj dodatne elastičnosti, kar pospeši širjenje zvočnih valov. Mikroskopski razlogi za ta tako imenovani "hiter zvok" pa so bili razumljeni