8417 0

Oavsett vilken forskningsmetod som används i den audiologiska studien av hörselfunktion, är idéer om de grundläggande fysiska egenskaperna hos ljudsignaler väsentliga. Nedan kommer vi endast att presentera de mest grundläggande begreppen akustik och elektroakustik.

Värden på utbredningshastigheten för en ljudvåg vid olika temperaturer

Ljud i naturen fortplantar sig i form av en tidsvarierande störning av ett elastiskt medium. De oscillerande rörelserna av partiklar av ett sådant elastiskt medium, som uppstår under inverkan av ljud, kallas ljudvibrationer, och utrymmet för utbredning av ljudvibrationer skapar ett ljudfält. Om mediet i vilket ljudvibrationer utbreder sig är flytande eller gasformigt, så svänger partiklarna i dessa medier längs ljudutbredningslinjen och därför betraktas de vanligtvis som longitudinella vibrationer.

När ljud fortplantar sig i fasta ämnen, tillsammans med longitudinella vibrationer, observeras också tvärgående ljudvibrationer. Naturligtvis måste utbredningen av vibrationer i ett medium ha någon riktning. Denna riktning kallas en ljudstråle, och ytan som förbinder alla intilliggande punkter på en ljudvåg med samma vibrationsfas kallas fronten på en ljudvåg. Dessutom färdas ljudvågor med olika hastigheter i olika medier. Det är nödvändigt att ta hänsyn till att hastighetsvärdet bestäms av densiteten hos mediet i vilket ljudvågen utbreder sig.

Information om ljudmediets densitetsvärden är mycket betydelsefull, eftersom denna densitet skapar ett visst akustiskt motstånd mot ljudvågens utbredning. En ljudvågs utbredningshastighet påverkas också av mediets temperatur: när mediets temperatur ökar, ökar ljudvågens utbredningshastighet.

De huvudsakliga fysiska egenskaperna hos ljud för en audiologisk undersökning är dess intensitet och frekvens. Det är därför de kommer att övervägas mer i detalj.

För att gå vidare till den fysiska egenskapen för ljudintensitet är det först nödvändigt att överväga ett antal andra parametrar för ljudsignaler relaterade till deras intensitet.

Ljudtryck - p(t) - kännetecknar kraften som verkar på ett område som är beläget vinkelrätt mot partiklars rörelse. I SI-systemet mäts ljudtrycket i Newton. Newton är kraften som ger en acceleration på 1 m/s till en massa på 1 kg på 1 s och verkar per 1 kvadratmeter, förkortat N/m2.

Andra måttenheter för ljudtryck anges också i litteraturen. Nedan är förhållandet mellan huvudenheterna som används:

1N/m2-10 dyn/cm2=10 µbar (mikrobar)

Energin från akustiska vibrationer (E) kännetecknar energin hos partiklar som rör sig under påverkan av ljudtryck (mätt i joule - J).

Energin per ytenhet kännetecknar den akustiska densiteten, mätt i J/m2. Den faktiska intensiteten av ljudvibrationer definieras som effekten eller tätheten av det akustiska flödet per tidsenhet, d.v.s. J/m2/s eller W/m2.

Människor och djur uppfattar ett mycket brett spektrum av ljudtryck (från 0,0002 till 200 μbar). Därför, för att underlätta mätningen, är det vanligt att använda relativa värden, nämligen decimala eller naturliga logaritmskalor. Ljudtrycket mäts i decibel och bel (1B = 10 dB) när logaritmer med decimalbas används. Ibland (ganska sällan) mäts ljudtrycket i nener (1Нн = 8,67 dB); i detta fall används naturliga logaritmer, dvs. logaritmer är inte med decimalbaser (som är fallet med B och dB), utan med binära baser.

Det bör dock noteras att betyget i bel och decibel togs som ett logaritmiskt mått på effektförhållandet. Samtidigt är kraft och intensitet proportionella mot kvadraten på ljudtrycket. Därför, på dagen för övergången till ljudintensitet, upprättas följande relationer:

där N är intensitet eller ljudtryck (P) i bel (B) eller decibel (dB), är I0 och P0 konventionellt accepterade avläsningsnivåer för intensitet och ljudtryck. Vanligtvis ljudtrycksavläsningsnivån (förkortningen "USD" används ofta i litteraturen, från de första bokstäverna i orden "ljudtrycksnivå" och i engelska språket Förkortningen som används är "SPL" (från det identiska uttrycket "Sound Pressure Level") och anses vara 2x10-5 N/m2. Förhållandet mellan ultraljud och andra enheter för ljudintensitet är som följer:

2x10-5 N/m2=2x10-4din/cm2=2x10-4 µbar

Låt oss nu överväga de akustiska egenskaperna hos frekvensen av ljudsignaler. I de flesta fall används harmoniska ljudsignaler för att undersöka hörselfunktionen.

En harmonisk ljudsignal (annars en sinusformad signal eller en ren ton), som också har en inledande fas av att slå på en tonsignal, förutom ljudtrycket, kännetecknas av en så viktig fysisk egenskap som våglängd. Alla harmoniska ljudsignaler (eller rena toner) har periodicitet (dvs. period T). I det här fallet definieras ljudvåglängden som avståndet mellan intilliggande vågfronter med samma oscillationsfas och beräknas med formeln:

J = c x T

Där c är utbredningshastigheten för ljudvibrationer (vanligtvis m/s), är I deras periodicitet. I det här fallet motsvarar frekvensen av ljudvibrationer (f) formeln:

f = J/T

Frekvensen av en ton uppskattas av antalet ljudvibrationer per sekund och uttrycks i Hertz (förkortat Hz). Baserat på frekvensområdet för ljudvibrationer som uppfattas av människor, kallas frekvenser i intervallet 20 - 20 000 Hz ljudfrekvenser, lägre frekvenser (f.< 20 Гц) называют инфразвуками, а более высокие (f >20 000 Hz) - ultraljud.

I sin tur, rent av praktiska skäl, utbudet ljudfrekvenser ibland är de konventionellt uppdelade i låg - under 500 Hz, medium - 500-4000 Hz och hög - 4000 Hz och över. Observera att för att beteckna ljudvibrationer från 1000 Hz och uppåt används ofta beteckningen kilohertz, förkortad kHz.

Schematisk representation av formen och spektrumet av ett antal ljudsignaler som används i audiologisk forskning:

1 - tona; 2 - kort ljudpuls (klick); 3 - brussignal; 4 - kort tonskur; 5 - amplitudmodulerad signal (T - amplitudmodulationsperiod); 6 - frekvensmodulerad signal.

Om en ljudsignal innehåller många olika frekvenser (helst alla frekvenser i ljudspektrumet), så uppstår en så kallad brussignal.

En av metoderna för audiologisk undersökning av patienter är mätning av akustisk impedans. Låt oss därför överväga mer i detalj en annan fysisk egenskap hos ljudsignaler.

Det är välkänt att vid förökning i media möter olika typer av energi ett visst motstånd. Det indikerades ovan att samma motstånd möts av akustisk energi när ljudvågor utbreder sig in högtalarsystemÅh. Av den följande framställningen blir det uppenbart att hörselsystemets perifera delar, dvs. Ytter- och mellanörat är ur fysisk synvinkel typiska akustiska system, nämligen akustiska ljudmottagare. Därför är det nödvändigt att överväga essensen och egenskaperna hos akustiskt motstånd, med hänsyn till passagen av ljudsignaler genom de perifera delarna av hörselsystemet.

Komplex akustisk impedans eller akustisk impedans definieras som det totala motståndet mot passage av akustisk energi i högtalarsystem. Akustisk impedans är förhållandet mellan komplexa ljudtrycksamplituder och vibrationsvolymetrisk hastighet och beskrivs med formeln:

Za = ReZa + ilmZa

I denna ekvation representerar ReZa den aktiva akustiska impedansen (annan känd som sann eller resistiv impedans), som är relaterad till energiförlusten i själva det akustiska systemet. Energiförlust förstås som dess försvinnande till övergången av energin från ordnade processer (såsom den kinetiska energin hos ljudvågor) till energin från oordnade processer (i slutändan till värme). Den andra delen av ilmZa-ekvationen (dess imaginära del) kallas akustisk reaktans, som orsakas av tröghetskrafter eller krafter av elasticitet, följsamhet eller flexibilitet.

Nedan kommer vi i detalj att beskriva proceduren för att studera mellanörats akustiska impedans med ett antal mätningar som är nödvändiga för en audiologisk undersökning (tympanometri, impedansmätning).

Ja.A. Altman, G. A. Tavartkiladze

I den här artikeln kommer vi att dyka ännu djupare in i hörapparatens struktur, och så att säga koppla ihop på den "fysiska" nivån det jag skrev om i de tre föregående artiklarna. Idag kommer vi att beröra ämnet "ljudstyrkagräns" i de kommande två artiklarna. En ljudsignal av vilken karaktär som helst kan beskrivas av en viss uppsättning fysiska egenskaper: frekvens, intensitet, varaktighet, tidsstruktur, spektrum, etc. De motsvarar vissa subjektiva förnimmelser som uppstår när hörselsystemet uppfattar ljud: volym, tonhöjd, klangfärg. , beats, konsonans-dissonanser , kamouflage, lokalisering-stereoeffekt, etc. Som vi vet är hörselförnimmelser inte linjära i uppfattningen! Vanligtvis är detta alltid ett komplex av fysiska parametrar. Till exempel är ljudstyrka en känsla som uppstår från kombinationer av frekvenser, på det unika i spektrumet och intensiteten i själva ljudet.

Det etablerades i antikenrelationom icke-linjär uppfattning om hörsel. Detta förvandlades till lagWeber - Fechner - empirisk psykofysiologisk lag, som består i att intensitetenKänna proportionelllogaritm stimulans intensitet.

I 1834 E. Weber genomförde en serie experiment och kom till slutsatsen: för att en ny stimulans ska skilja sig i förnimmelser från den tidigare måste den skilja sig från den ursprungliga med en mängd som är proportionell mot den ursprungliga stimulansen. Baserat på dessa observationerG. Fechner V 1860 formulerade den "grundläggande psykofysiska lagen", enligt vilken förnimmelsens styrkaproportionell mot logaritmen för stimulansintensiteten. Som ett exempel: en ljuskrona med 8 lökar förefaller oss lika mycket ljusare än en ljuskrona med 4 lökar som en ljuskrona med 4 lökar är ljusare än en ljuskrona med 2 lökar. Det vill säga att antalet glödlampor bör öka med samma antal gånger, så att det verkar för oss att ökningen av ljusstyrkan är konstant. Och vice versa, om den absoluta ökningen i ljusstyrka (skillnaden i ljusstyrka "efter" och "före") är konstant, kommer det att tyckas för oss att den absoluta ökningen minskar när ljusstyrkan i sig ökar. Till exempel, om du lägger till en glödlampa till en ljuskrona med två glödlampor, kommer den uppenbara ökningen av ljusstyrkan att vara betydande. Om vi ​​lägger till en glödlampa till en ljuskrona med 12 glödlampor kommer vi knappast att märka en ökning av ljusstyrkan.

Från det här exemplet (även om det inte helt beskriver strukturen för "högljud uppfattning"), ser vi en direkt och uppenbar transformation av hörapparatens "frekvensgrupper" (kritiska band). Deras fyllning, som "glödlampor", leder till en subjektiv ökning av känslan av volym. Graden av "fyllnad" kallas ljudets "intensitet".

Men innan vi pratar mer i detalj inte bara om ljuduppfattning, utan också om en sådan möjlighet för hörapparaten som att etablera tonhöjd, måste vi dyka in i strukturen av "örat" mer i detalj och tydligt förstå arbetet med alla dessa "pommes frites." Jag kommer att prata om detta i nästa artikel.

Psykoakustik, ett vetenskapsområde som gränsar mellan fysik och psykologi, studerar data om en persons hörselsensation när en fysisk stimulans – ljud – appliceras på örat. En stor mängd data har samlats på mänskliga reaktioner på hörselstimuli. Utan dessa data är det svårt att få en korrekt förståelse av hur ljudöverföringssystem fungerar. Låt oss överväga de viktigaste egenskaperna hos människans uppfattning av ljud.
En person känner förändringar i ljudtrycket som inträffar vid en frekvens på 20-20 000 Hz. Ljud med frekvenser under 40 Hz är relativt sällsynta i musik och finns inte i talat språk. Vid mycket höga frekvenser försvinner den musikaliska uppfattningen och en viss vag ljudkänsla uppstår, beroende på lyssnarens individualitet och hans ålder. Med åldern minskar en persons hörselkänslighet, främst i de övre frekvenserna av ljudområdet.
Men det skulle vara fel att på denna grund dra slutsatsen att överföringen av ett brett frekvensband genom en ljudåtergivande installation är oviktigt för äldre människor. Experiment har visat att människor, även om de knappt kan uppfatta signaler över 12 kHz, mycket lätt känner igen bristen på höga frekvenser i en musikalisk överföring.

Frekvensegenskaper hos hörselförnimmelser

Omfånget av ljud som är hörbart för människor i intervallet 20-20 000 Hz begränsas i intensitet av trösklar: under - hörbarhet och över - smärta.
Hörseltröskeln uppskattas av det lägsta trycket, eller mer exakt, det minsta tryckökningen i förhållande till gränsen är känslig för frekvenser på 1000-5000 Hz - här är hörtröskeln den lägsta (ljudtrycket ca 2-10 Pa). Mot lägre och högre ljudfrekvenser sjunker hörselkänsligheten kraftigt.
Smärttröskeln bestämmer den övre gränsen för uppfattningen av ljudenergi och motsvarar ungefär en ljudintensitet på 10 W/m eller 130 dB (för en referenssignal med en frekvens på 1000 Hz).
När ljudtrycket ökar ökar också ljudets intensitet, och hörselkänslan ökar i språng, vilket kallas intensitetsdiskrimineringströskeln. Antalet av dessa hopp vid medelhöga frekvenser är cirka 250, vid låga och höga frekvenser minskar det och i genomsnitt över frekvensområdet är det cirka 150.

Eftersom området för intensitetsförändringar är 130 dB, är det elementära hoppet i förnimmelser i genomsnitt över amplitudområdet 0,8 dB, vilket motsvarar en förändring i ljudintensiteten med 1,2 gånger. Vid låga hörselnivåer når dessa hopp 2-3 dB, vid höga nivåer minskar de till 0,5 dB (1,1 gånger). En ökning av kraften hos förstärkningsvägen med mindre än 1,44 gånger detekteras praktiskt taget inte av det mänskliga örat. Med ett lägre ljudtryck som utvecklats av högtalaren, kanske inte ens en fördubbling av effekten på slutsteget ger ett märkbart resultat.

Subjektiva ljudegenskaper

Kvaliteten på ljudöverföringen bedöms utifrån auditiv perception. Därför är det korrekt att avgöra tekniska krav till ljudöverföringsvägen eller dess individuella länkar är möjlig endast genom att studera mönstren som förbinder den subjektivt upplevda känslan av ljud och de objektiva egenskaperna hos ljud är höjd, volym och klang.
Begreppet tonhöjd innebär en subjektiv bedömning av uppfattningen av ljud över frekvensområdet. Ljud kännetecknas vanligtvis inte av frekvens, utan av tonhöjd.
En ton är en signal om en viss tonhöjd som har ett diskret spektrum (musikaliska ljud, vokalljud av tal). En signal som har ett brett kontinuerligt spektrum, vars alla frekvenskomponenter har samma medeleffekt, kallas vitt brus.

En gradvis ökning av frekvensen av ljudvibrationer från 20 till 20 000 Hz uppfattas som en gradvis förändring av tonen från den lägsta (basen) till den högsta.
Graden av noggrannhet med vilken en person bestämmer tonhöjden för ett ljud med gehör beror på hans öras skärpa, musikalitet och träning. Det bör noteras att ett ljuds tonhöjd i viss mån beror på ljudets intensitet (vid höga nivåer verkar ljud med högre intensitet lägre än svagare.
Det mänskliga örat kan tydligt urskilja två toner som är nära i tonhöjd. Till exempel, i frekvensområdet cirka 2000 Hz kan en person skilja mellan två toner som skiljer sig från varandra i frekvens med 3-6 Hz.
Den subjektiva skalan för ljuduppfattning i frekvens ligger nära den logaritmiska lagen. Därför uppfattas alltid en fördubbling av vibrationsfrekvensen (oavsett den initiala frekvensen) som samma förändring i tonhöjd. Det höjdintervall som motsvarar en 2-faldig frekvensändring kallas oktav. Frekvensintervallet som uppfattas av människor är 20-20 000 Hz, vilket täcker cirka tio oktaver.
En oktav är ett ganska stort intervall av förändringar i tonhöjd; en person urskiljer betydligt mindre intervall. I tio oktaver som uppfattas av örat kan alltså mer än tusen tonhöjdsgraderingar urskiljas. Musik använder mindre intervall som kallas halvtoner, vilket motsvarar en förändring i frekvens på cirka 1 054 gånger.
En oktav är uppdelad i halvoktaver och en tredjedels oktav. För de senare är följande frekvensintervall standardiserat: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3:8; 10, som är gränserna för en tredjedels oktaver. Om dessa frekvenser placeras på lika avstånd längs frekvensaxeln får man en logaritmisk skala. Baserat på allt detta frekvensegenskaper Ljudöverföringsenheter är byggda på en logaritmisk skala.
Sändningens ljudstyrka beror inte bara på ljudets intensitet, utan också på den spektrala sammansättningen, uppfattningsförhållandena och exponeringens varaktighet. Så, två klingande toner, mellan och låg frekvens, med samma intensitet (eller samma ljudtryck), uppfattas inte av en person som lika högljudda. Därför introducerades begreppet ljudstyrka i bakgrunder för att beteckna ljud med samma ljudstyrka. Ljudvolymnivån i bakgrunderna antas vara ljudtrycksnivån i decibel av samma volym av en ren ton med en frekvens på 1000 Hz, dvs för en frekvens på 1000 Hz är volymnivåerna i bakgrunder och decibel desamma. Vid andra frekvenser kan ljud verka högre eller tystare vid samma ljudtryck.
Ljudteknikers erfarenhet av att spela in och redigera musikaliska verk visar att för att bättre kunna upptäcka ljudfel som kan uppstå under arbetet bör volymnivån vid kontrolllyssning hållas hög, ungefär motsvarande volymnivån i hallen.
Vid långvarig exponering för intensivt ljud minskar hörselkänsligheten gradvis, och ju mer desto högre ljudvolym. Den detekterade minskningen av känslighet är förknippad med hörselns reaktion på överbelastning, d.v.s. med sin naturliga anpassning Efter ett uppehåll i lyssnandet återställs hörselkänsligheten. Till detta bör tilläggas att hörapparaten, när den uppfattar signaler på hög nivå, introducerar sina egna, så kallade subjektiva, förvrängningar (vilket indikerar hörselns olinjäritet). Sålunda, vid en signalnivå på 100 dB, når de första och andra subjektiva övertonerna nivåer på 85 och 70 dB.
En betydande volymnivå och varaktigheten av dess exponering orsakar irreversibla fenomen i hörselorganet. Det noterades att ungdomar senaste åren hörseltrösklarna ökade kraftigt. Anledningen till detta var en passion för popmusik, kännetecknad av höga ljudvolymer.
Volymnivån mäts med en elektroakustisk anordning - en ljudnivåmätare. Ljudet som mäts omvandlas först till elektriska vibrationer av mikrofonen. Efter förstärkning med en speciell spänningsförstärkare mäts dessa svängningar med ett pekinstrument justerat i decibel. För att enhetens avläsningar så exakt som möjligt ska motsvara den subjektiva uppfattningen av ljudstyrka, är enheten utrustad med speciella filter som ändrar dess känslighet för uppfattningen av ljud av olika frekvenser i enlighet med egenskaperna för hörselkänslighet.
Viktig egenskap ljud är klang. Hörselns förmåga att särskilja det gör att du kan uppfatta signaler med en mängd olika nyanser. Ljudet av vart och ett av instrumenten och rösterna, tack vare deras karakteristiska nyanser, blir mångfärgat och lätt att känna igen.
Timbre, som är en subjektiv återspegling av komplexiteten hos det upplevda ljudet, har ingen kvantitativ bedömning och kännetecknas av kvalitativa termer (vacker, mjuk, saftig, etc.). När en signal sänds längs en elektroakustisk väg påverkar de resulterande distorsionerna främst klangfärgen hos det återgivna ljudet. Villkoret för korrekt överföring av klangen av musikaliska ljud är den oförvrängda överföringen av signalspektrat. Signalspektrat är samlingen av sinusformade komponenter i ett komplext ljud.
Det enklaste spektrumet är den så kallade rena tonen, den innehåller bara en frekvens. Ljudet av ett musikinstrument är mer intressant: dess spektrum består av grundtonens frekvens och flera "orenhetsfrekvenser" som kallas övertoner (högre toner). Övertoner är en multipel av grundtonens frekvens och är vanligtvis mindre i amplitud .
Ljudets klang beror på fördelningen av intensitet över övertoner. Ljudet från olika musikinstrument varierar i klangfärg.
Mer komplext är spektrumet av kombinationer av musikaliska ljud som kallas ett ackord. I ett sådant spektrum finns flera grundläggande frekvenser tillsammans med motsvarande övertoner
Skillnader i klang beror huvudsakligen på signalens låg-mellanfrekvenskomponenter, därför är en stor variation av klangfärger associerade med signaler som ligger i den nedre delen av frekvensområdet. Signaler som hör till dess övre del, när de ökar, förlorar alltmer sin klangfärgning, vilket beror på den gradvisa avvikelsen av deras harmoniska komponenter utanför gränserna för hörbara frekvenser. Detta kan förklaras av det faktum att upp till 20 eller fler övertoner är aktivt involverade i bildandet av klangfärgen för låga ljud, medium 8 - 10, hög 2 - 3, eftersom resten är antingen svaga eller faller utanför det hörbara området. frekvenser. Därför är höga ljud som regel sämre i klangfärg.
Nästan alla naturliga ljudkällor, inklusive källor för musikaliska ljud, har ett specifikt beroende av klangfärg på volymnivån. Hörseln är också anpassad till detta beroende - det är naturligt för den att bestämma intensiteten hos en källa genom färgen på ljudet. Högre ljud är vanligtvis hårdare.

Musikaliska ljudkällor

Ett antal faktorer som kännetecknar de primära ljudkällorna har stor inverkan på ljudkvaliteten i elektroakustiska system.
De akustiska parametrarna för musikaliska källor beror på artisternas sammansättning (orkester, ensemble, grupp, solist och typ av musik: symfonisk, folkmusik, pop, etc.).

Ursprunget och bildandet av ljud på varje musikinstrument har sina egna särdrag förknippade med de akustiska egenskaperna hos ljudproduktion i ett visst musikinstrument.
En viktig del av musikaliskt ljud är attack. Detta är en specifik övergångsprocess under vilken stabila ljudegenskaper etableras: volym, klang, tonhöjd. Varje musikaliskt ljud går igenom tre stadier - början, mitten och slutet, och både de inledande och sista stegen har en viss varaktighet. Det inledande skedet kallas en attack. Det håller annorlunda: för plockade instrument, slagverk och vissa blåsinstrument varar det 0-20 ms, för fagotten varar det 20-60 ms. En attack är inte bara en ökning av ett ljuds volym från noll till något konstant värde, den kan åtföljas av samma förändring i tonhöjden på ljudet och dess klangfärg. Dessutom är instrumentets attackegenskaper inte desamma i olika delar av dess utbud med olika spelstilar: fiolen är det mest perfekta instrumentet när det gäller mängden av möjliga uttrycksfulla attackmetoder.
En av egenskaperna hos alla musikinstrument är frekvensomfång ljud. Utöver de grundläggande frekvenserna kännetecknas varje instrument av ytterligare högkvalitativa komponenter - övertoner (eller, som är vanligt inom elektroakustik, högre övertoner), som bestämmer dess specifika klang.
Det är känt att ljudenergin är ojämnt fördelad över hela spektrumet av ljudfrekvenser som sänds ut av en källa.
De flesta instrument kännetecknas av förstärkning av grundfrekvenser, såväl som individuella övertoner, i vissa (ett eller flera) relativt smala frekvensband (formanter), olika för varje instrument. Resonansfrekvenser (i hertz) för formantregionen är: för trumpet 100-200, horn 200-400, trombon 300-900, trumpet 800-1750, saxofon 350-900, oboe 800-1500-9003, 0300, clarinet 500 -600 .
En annan karakteristisk egenskap hos musikinstrument är styrkan hos deras ljud, som bestäms av den större eller mindre amplituden (spann) hos deras klingande kropp eller luftpelare (en större amplitud motsvarar ett starkare ljud och vice versa). De maximala akustiska effektvärdena (i watt) är: för stor orkester 70, bastrumma 25, timpani 20, virveltrumma 12, trombon 6, piano 0,4, trumpet och saxofon 0,3, trumpet 0,2, kontrabas 0,( 6, liten flöjt 0,08, klarinett, horn och triangel 0,05.
Förhållandet mellan ljudkraften som extraheras från ett instrument när det spelas "fortissimo" och kraften i ljudet när det spelas "pianissimo" kallas vanligtvis för det dynamiska omfånget för ljudet från musikinstrument.
Det dynamiska omfånget för en musikalisk ljudkälla beror på typen av uppträdande grupp och arten av framförandet.
Låt oss överväga det dynamiska omfånget för individuella ljudkällor. Det dynamiska omfånget för individuella musikinstrument och ensembler (orkestrar och körer av olika kompositioner), såväl som röster, förstås som förhållandet mellan det maximala ljudtrycket som skapas av en given källa och det minimum, uttryckt i decibel.
I praktiken, när man bestämmer det dynamiska området för en ljudkälla, arbetar man vanligtvis endast på ljudtrycksnivåer, beräknar eller mäter deras motsvarande skillnad. Till exempel, om den maximala ljudnivån för en orkester är 90 och minimum är 50 dB, så sägs det dynamiska omfånget vara 90 - 50 = 40 dB. I detta fall är 90 och 50 dB ljudtrycksnivåer i förhållande till noll akustisk nivå.
Dynamiskt omfång för denna källa ljud är en variabel storhet. Det beror på arten av det arbete som utförs och på de akustiska förhållandena i rummet där framförandet äger rum. Efterklang utökar det dynamiska omfånget, som vanligtvis når sitt maximum i rum med stora volymer och minimal ljudabsorption. Nästan alla instrument och mänskliga röster har ett ojämnt dynamiskt omfång över ljudregister. Till exempel är volymnivån för det lägsta ljudet på en forte för en sångare lika med nivån för det högsta ljudet på ett piano.

Det dynamiska omfånget för ett visst musikprogram uttrycks på samma sätt som för enskilda ljudkällor, men det maximala ljudtrycket noteras med en dynamisk ff (fortissimo) ton, och minimum med en pp (pianissimo).

Den högsta volymen, som anges i noterna fff (forte, fortissimo), motsvarar en akustisk ljudtrycksnivå på cirka 110 dB, och den lägsta volymen, som anges i tonerna ppr (piano-pianissimo), cirka 40 dB.
Det bör noteras att de dynamiska nyanserna av framförande i musik är relativa och deras relation till motsvarande ljudtrycksnivåer är i viss mån villkorad. Det dynamiska omfånget för ett visst musikprogram beror på kompositionens karaktär. Således överstiger det dynamiska omfånget av klassiska verk av Haydn, Mozart, Vivaldi sällan 30-35 dB. Det dynamiska omfånget för popmusik överstiger vanligtvis inte 40 dB, medan det för dans- och jazzmusik endast är cirka 20 dB. De flesta verk för orkester av ryska folkinstrument har också ett litet dynamiskt omfång (25-30 dB). Detta gäller även för ett blåsband. Den maximala ljudnivån för ett blåsband i ett rum kan dock nå en ganska hög nivå (upp till 110 dB).

Maskerande effekt

Den subjektiva bedömningen av ljudstyrka beror på de förhållanden under vilka ljudet uppfattas av lyssnaren. Under verkliga förhållanden existerar inte en akustisk signal i absolut tystnad. Samtidigt påverkar främmande brus hörseln, komplicerar ljuduppfattningen, döljer i viss utsträckning huvudsignalen. Effekten av att maskera en ren sinusvåg av främmande brus mäts av värdet som indikerar. med hur många decibel stiger tröskeln för hörbarhet för den maskerade signalen över tröskeln för dess uppfattning i tystnad.
Experiment för att bestämma graden av maskering av en ljudsignal av en annan visar att en ton av vilken frekvens som helst maskeras av lägre toner mycket mer effektivt än av högre. Till exempel, om två stämgafflar (1200 och 440 Hz) avger ljud med samma intensitet, slutar vi att höra den första tonen, den maskeras av den andra (genom att släcka vibrationen från den andra stämgaffeln hör vi den första igen).
Om två komplexa ljudsignaler, bestående av vissa spektra av ljudfrekvenser, uppstår effekten av ömsesidig maskering. Dessutom, om huvudenergin för båda signalerna ligger i samma område av ljudfrekvensområdet, kommer maskeringseffekten att vara den starkaste. Sålunda, vid sändning av ett orkesterstycke, på grund av maskering av ackompanjemanget, kan solistens del bli dålig. förståeligt och ohörbart.
Att uppnå klarhet eller, som man säger, ”transparens” av ljud i ljudöverföringen av orkestrar eller popensembler blir mycket svårt om ett instrument eller enskilda grupper av orkesterinstrument samtidigt spelar i ett eller liknande register.
Regissören, när han spelar in en orkester, måste ta hänsyn till funktionerna i kamouflage. Vid repetitioner skapar han med hjälp av dirigenten en balans mellan klangstyrkan hos en grupps instrument, såväl som mellan grupperna i hela orkestern. Tydligheten i de huvudsakliga melodilinjerna och enskilda musikaliska delar uppnås i dessa fall genom att mikrofonerna placeras nära artisterna, genom att ljudteknikern medvetet lyfter fram de viktigaste denna plats verk av instrument och andra speciella ljudtekniska tekniker.
Fenomenet maskering motarbetas av hörselorganens psykofysiologiska förmåga att från den allmänna massan av ljud skilja ut ett eller flera som bär mest viktig information. Till exempel, när en orkester spelar, märker dirigenten de minsta felaktigheter i framförandet av en del på något instrument.
Maskering kan avsevärt påverka kvaliteten på signalöverföringen. En tydlig uppfattning av det mottagna ljudet är möjligt om dess intensitet avsevärt överstiger nivån för störningskomponenter som finns i samma band som det mottagna ljudet. Vid enhetlig störning bör signalöverskottet vara 10-15 dB. Denna funktion av auditiv perception är praktisk användning t.ex. vid bedömning av medias elektroakustiska egenskaper. Så om signal-brusförhållandet för en analog skiva är 60 dB, kan det inspelade programmets dynamiska omfång inte vara mer än 45-48 dB.

Temporala egenskaper hos auditiv perception

Hörapparaten, som alla andra oscillerande system, är tröga. När ljudet försvinner försvinner inte hörselkänslan omedelbart, utan gradvis, minskande till noll. Den tid under vilken ljudnivån minskar med 8-10 bakgrunder kallas för hörseltidskonstanten. Denna konstant beror på ett antal omständigheter, såväl som på parametrarna för det upplevda ljudet. Om två korta ljudpulser kommer till lyssnaren, identiska i frekvenssammansättning och nivå, men en av dem är fördröjd, kommer de att uppfattas tillsammans med en fördröjning som inte överstiger 50 ms. Vid stora fördröjningsintervall uppfattas båda impulserna separat och ett eko uppstår.
Denna hörselfunktion tas med i beräkningen när man designar vissa signalbehandlingsenheter, till exempel elektroniska fördröjningslinjer, eko, etc.
Det bör noteras att, på grund av hörselns speciella egenskap, beror känslan av volymen av en kortvarig ljudpuls inte bara på dess nivå, utan också på varaktigheten av pulsens påverkan på örat. Ett kortvarigt ljud, som bara varar i 10-12 ms, uppfattas alltså av örat tystare än ett ljud på samma nivå, men påverkar hörseln i till exempel 150-400 ms. Därför, när du lyssnar på en sändning, är ljudstyrkan resultatet av ett medelvärde av ljudvågens energi över ett visst intervall. Dessutom har den mänskliga hörseln tröghet, i synnerhet när den uppfattar icke-linjära förvrängningar, känner den inte av dem om varaktigheten av ljudpulsen är mindre än 10-20 ms. Det är därför i nivåindikatorer för ljudinspelning av radio-elektronisk hushållsutrustning, medelvärdesbilden av de momentana signalvärdena över en period som väljs i enlighet med de tidsmässiga egenskaperna hos hörorganen.

Rumslig representation av ljud

En av de viktiga mänskliga förmågorna är förmågan att bestämma riktningen för en ljudkälla. Denna förmåga kallas den binaurala effekten och förklaras av det faktum att en person har två öron. Experimentella data visar var ljudet kommer ifrån: en för högfrekventa toner, en för lågfrekventa toner.

Ljudet färdas ett kortare avstånd till örat som är vänt mot källan än till det andra örat. Som ett resultat varierar trycket från ljudvågorna i hörselgångarna i fas och amplitud. Amplitudskillnaderna är signifikanta endast vid höga frekvenser, när ljudvåglängden blir jämförbar med huvudets storlek. När skillnaden i amplitud överstiger ett tröskelvärde på 1 dB, verkar ljudkällan vara på den sida där amplituden är större. Ljudkällans avvikelsevinkel från mittlinjen (symmetrilinjen) är ungefär proportionell mot logaritmen för amplitudförhållandet.
För att bestämma riktningen för en ljudkälla med frekvenser under 1500-2000 Hz är fasskillnaderna betydande. Det verkar för en person som att ljudet kommer från den sida från vilken vågen, som är framåt i fas, når örat. Vinkeln för ljudets avvikelse från mittlinjen är proportionell mot skillnaden i tiden för ljudvågornas ankomst till båda öronen. En tränad person kan märka en fasskillnad med en tidsskillnad på 100 ms.
Förmågan att bestämma ljudets riktning i vertikalplanet är mycket mindre utvecklad (cirka 10 gånger). Denna fysiologiska egenskap är förknippad med orienteringen av hörselorganen i horisontalplanet.
Specifik funktion rumslig uppfattning ljud från en person manifesteras i det faktum att hörselorganen kan känna av den totala, integrerade lokaliseringen som skapas med hjälp av konstgjorda påverkan. Till exempel, i ett rum, installeras två högtalare längs fronten på ett avstånd av 2-3 m från varandra. Lyssnaren är placerad på samma avstånd från anslutningssystemets axel, strikt i mitten. I ett rum avges två ljud av samma fas, frekvens och intensitet genom högtalarna. Som ett resultat av identiteten hos ljuden som passerar in i hörselorganet kan en person inte separera dem; hans förnimmelser ger idéer om en enda, uppenbar (virtuell) ljudkälla, som ligger strikt i centrum på symmetriaxeln.
Om vi ​​nu sänker volymen på en högtalare kommer den skenbara källan att röra sig mot den högre högtalaren. Illusionen av att en ljudkälla rör sig kan erhållas inte bara genom att ändra signalnivån, utan också genom att artificiellt fördröja ett ljud i förhållande till ett annat; i detta fall kommer den skenbara källan att skifta mot högtalaren som avger signalen i förväg.
För att illustrera integrallokalisering ger vi ett exempel. Avståndet mellan högtalarna är 2 m, avståndet från frontlinjen till lyssnaren är 2 m; för att källan ska röra sig 40 cm åt vänster eller höger är det nödvändigt att skicka två signaler med en skillnad i intensitetsnivå på 5 dB eller med en tidsfördröjning på 0,3 ms. Med en nivåskillnad på 10 dB eller en tidsfördröjning på 0,6 ms kommer källan att "flytta sig" 70 cm från mitten.
Således, om du ändrar ljudtrycket som skapas av högtalaren, uppstår illusionen av att flytta ljudkällan. Detta fenomen kallas summarisk lokalisering. För att skapa sammanfattande lokalisering används ett tvåkanaligt stereofoniskt ljudöverföringssystem.
Två mikrofoner är installerade i primärrummet, som var och en fungerar på sin egen kanal. Den sekundära har två högtalare. Mikrofonerna är placerade på ett visst avstånd från varandra längs en linje parallell med placeringen av ljudsändaren. När ljudsändaren flyttas kommer olika ljudtryck att verka på mikrofonen och tiden för ljudvågens ankomst blir annorlunda på grund av det ojämna avståndet mellan ljudsändaren och mikrofonerna. Denna skillnad skapar en total lokaliseringseffekt i det sekundära rummet, vilket resulterar i att den skenbara källan lokaliseras till en viss punkt i utrymmet mellan två högtalare.
Det bör sägas om det binaurala ljudöverföringssystemet. Med detta system, som kallas ett konstgjort huvudsystem, placeras två separata mikrofoner i det primära rummet, placerade på ett avstånd från varandra som är lika med avståndet mellan en persons öron. Var och en av mikrofonerna har en oberoende ljudöverföringskanal, vars utgång i det sekundära rummet inkluderar telefoner för vänster och höger öra. Om ljudöverföringskanalerna är identiska, förmedlar ett sådant system exakt den binaurala effekten som skapas nära öronen på det "konstgjorda huvudet" i det primära rummet. Att ha hörlurar och behöva använda dem länge är en nackdel.
Hörselorganet bestämmer avståndet till ljudkällan med hjälp av ett antal indirekta tecken och med vissa fel. Beroende på om avståndet till signalkällan är litet eller stort ändras dess subjektiva bedömning under påverkan av olika faktorer. Det visade sig att om de bestämda avstånden är små (upp till 3 m), så är deras subjektiva bedömning nästan linjärt relaterad till förändringen i volymen hos ljudkällan som rör sig längs djupet. En ytterligare faktor för en komplex signal är dess klangfärg, som blir allt tyngre när källan närmar sig lyssnaren, vilket beror på den ökande förstärkningen av låga övertoner jämfört med höga övertoner, orsakad av den resulterande ökningen av volymnivån.
För medelavstånd på 3-10 m kommer att flytta källan bort från lyssnaren att åtföljas av en proportionell minskning av volymen, och denna förändring kommer att gälla lika för grundfrekvens- och övertonskomponenterna. Som ett resultat sker en relativ förstärkning av den högfrekventa delen av spektrumet och klangen blir ljusare.
När avståndet ökar kommer energiförlusterna i luften att öka i proportion till kvadraten på frekvensen. Ökad förlust av höga registerövertoner kommer att resultera i minskad timbral ljusstyrka. Således är den subjektiva bedömningen av avstånd förknippad med förändringar i dess volym och klang.
I ett slutet rum uppfattas signalerna från de första reflektionerna, fördröjda i förhållande till den direkta reflektionen med 20-40 ms, av hörorganet som att de kommer från olika håll. Samtidigt skapar deras ökande fördröjning intrycket av ett betydande avstånd från de punkter från vilka dessa reflektioner uppstår. Således kan man genom fördröjningstiden bedöma det relativa avståndet mellan sekundära källor eller, vad som är detsamma, storleken på rummet.

Några drag i den subjektiva uppfattningen av stereofoniska sändningar.

Ett stereofoniskt ljudöverföringssystem har ett antal betydande egenskaper jämfört med ett konventionellt monofoniskt.
Kvaliteten som utmärker stereofoniskt ljud, volym, d.v.s. naturligt akustiskt perspektiv kan bedömas med hjälp av några ytterligare indikatorer som inte är meningsfulla med en monofonisk ljudöverföringsteknik. Sådana ytterligare indikatorer inkluderar: hörselvinkel, dvs. vinkeln med vilken lyssnaren uppfattar den stereofoniska ljudbilden; stereoupplösning, dvs. subjektivt bestämd lokalisering av individuella element i ljudbilden vid vissa punkter i rymden inom hörbarhetsvinkeln; akustisk atmosfär, dvs. effekten av att ge lyssnaren en känsla av närvaro i det primära rummet där den överförda ljudhändelsen inträffar.

Om rumsakustikens roll

Färgstarkt ljud uppnås inte bara med hjälp av ljudåtergivningsutrustning. Även med ganska bra utrustning kan ljudkvaliteten bli dålig om lyssningsrummet inte har vissa egenskaper. Det är känt att i ett slutet rum uppstår ett nasalt ljudfenomen som kallas efterklang. Genom att påverka hörselorganen kan efterklang (beroende på dess varaktighet) förbättra eller försämra ljudkvaliteten.

En person i ett rum uppfattar inte bara direkta ljudvågor som skapas direkt av ljudkällan, utan också vågor som reflekteras av rummets tak och väggar. Reflekterade vågor hörs en tid efter att ljudkällan har stannat.
Man tror ibland att reflekterade signaler bara spelar en negativ roll, vilket stör uppfattningen av huvudsignalen. Denna idé är dock felaktig. En viss del av energin hos de initiala reflekterade ekosignalerna, som når de mänskliga öronen med korta fördröjningar, förstärker huvudsignalen och berikar dess ljud. Däremot senare reflekterade ekon. vars fördröjningstid överstiger ett visst kritiskt värde, bildar en ljudbakgrund som gör det svårt att uppfatta huvudsignalen.
Lyssningsrummet ska inte ha lång efterklangstid. Vardagsrum har som regel lite efterklang på grund av sin begränsade storlek och närvaron av ljudabsorberande ytor, stoppade möbler, mattor, gardiner etc.
Hinder av olika karaktär och egenskaper kännetecknas av en ljudabsorptionskoefficient, som är förhållandet mellan den absorberade energin och den totala energin för den infallande ljudvågen.

För att öka mattans ljudabsorberande egenskaper (och minska buller i vardagsrummet) är det lämpligt att hänga mattan inte nära väggen, men med ett mellanrum på 30-50 mm.

1. Ljud, ljudtyper.

2. Fysiska egenskaper hos ljud.

3. Egenskaper för hörselsensation. Ljudmätningar.

4. Passage av ljud över gränssnittet.

5. Sunda forskningsmetoder.

6. Faktorer som bestämmer bullerskydd. Bullerskydd.

7. Grundläggande begrepp och formler. Tabeller.

8. Uppgifter.

Akustik. I vid mening är det en gren av fysiken som studerar elastiska vågor från de lägsta frekvenserna till de högsta. I en snäv mening är det studiet av ljud.

3.1. Ljud, ljudtyper

Ljud i vid mening är elastiska vibrationer och vågor som utbreder sig i gasformiga, flytande och fasta ämnen; i snäv bemärkelse, ett fenomen som subjektivt uppfattas av människors och djurs hörselorgan.

Normalt hör det mänskliga örat ljud i frekvensområdet från 16 Hz till 20 kHz. Men med åldern minskar den övre gränsen för detta intervall:

Ljud med en frekvens under 16-20 Hz kallas infraljud,över 20 kHz -ultraljud, och de högsta frekvens elastiska vågorna i intervallet från 10 9 till 10 12 Hz - hyperljud.

Ljud som finns i naturen är indelade i flera typer.

Ton - det är ett ljud som är en periodisk process. Det huvudsakliga kännetecknet för tonen är frekvens. Enkel ton skapad av en kropp som vibrerar enligt en harmonisk lag (till exempel en stämgaffel). Komplex ton skapas av periodiska svängningar som inte är harmoniska (till exempel ljudet från ett musikinstrument, ljudet som skapas av den mänskliga talapparaten).

Ljudär ett ljud som har ett komplext, icke-repeterande tidsberoende och är en kombination av slumpmässigt föränderliga komplexa toner (prassel av löv).

Sonic boom- detta är en kortvarig ljudpåverkan (klapp, explosion, blås, åska).

En komplex ton, som en periodisk process, kan representeras som en summa av enkla toner (dekomponerade till komponenttoner). Denna nedbrytning kallas spektrum.

Akustiskt tonspektrumär helheten av alla dess frekvenser med en indikation på deras relativa intensiteter eller amplituder.

Den lägsta frekvensen i spektrumet (ν) motsvarar grundtonen, och de återstående frekvenserna kallas övertoner eller övertoner. Övertoner har frekvenser som är multiplar av grundfrekvensen: 2ν, 3ν, 4ν, ...

Typiskt motsvarar den största amplituden av spektrumet grundtonen. Det är detta som uppfattas av örat som tonhöjden på ljudet (se nedan). Övertoner skapar "färgen" på ljudet. Ljud av samma tonhöjd skapade av olika instrument uppfattas olika av örat just på grund av de olika förhållandena mellan övertonernas amplituder. Figur 3.1 visar spektra för samma ton (ν = 100 Hz) som spelas på ett piano och en klarinett.

Ris. 3.1. Spektra av piano (a) och klarinett (b) toner

Det akustiska spektrumet av buller är kontinuerlig.

3.2. Fysiska egenskaper hos ljud

1. Fart(v). Ljud färdas i vilket medium som helst utom vakuum. Hastigheten för dess utbredning beror på mediets elasticitet, densitet och temperatur, men beror inte på frekvensen av svängningar. Ljudhastigheten i en gas beror på dess molära massa (M) och absoluta temperatur (T):

Ljudhastigheten i vatten är 1500 m/s; Ljudhastigheten i kroppens mjuka vävnader är av liknande betydelse.

2. Ljudtryck. Utbredningen av ljud åtföljs av en förändring av trycket i mediet (fig. 3.2).

Ris. 3.2. Förändring i tryck i ett medium under ljudutbredning.

Det är förändringar i trycket som orsakar vibrationer i trumhinnan, som bestämmer början av en så komplex process som förekomsten av hörselförnimmelser.

Ljudtryck (Δ Ρ) - detta är amplituden för de förändringar i trycket i mediet som uppstår under passagen av en ljudvåg.

3. Ljudintensitet(I). Utbredningen av en ljudvåg åtföljs av en överföring av energi.

Ljudintensitetär flödestätheten av energi som överförs av en ljudvåg(se formel 2.5).

I ett homogent medium minskar intensiteten av ljud som sänds ut i en given riktning med avståndet från ljudkällan. Vid användning av vågledare är det möjligt att uppnå en ökning av intensiteten. Ett typiskt exempel på en sådan vågledare i levande natur är öronen.

Förhållandet mellan intensitet (I) och ljudtryck (ΔΡ) uttrycks med följande formel:

där ρ är mediets densitet; v- ljudets hastighet i den.

Minimivärdena för ljudtryck och ljudintensitet vid vilka en person upplever hörselförnimmelser kallas hörseltröskeln.

För örat hos en genomsnittlig person vid en frekvens på 1 kHz motsvarar hörseltröskeln följande värden för ljudtryck (ΔΡ 0) och ljudintensitet (I 0):

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

Värdena för ljudtryck och ljudintensitet vid vilka en person upplever svår smärta kallas smärttröskel.

För örat hos en genomsnittlig person vid en frekvens på 1 kHz motsvarar smärttröskeln följande värden för ljudtryck (ΔΡ m) och ljudintensitet (I m):

4. Intensitetsnivå(L). Förhållandet mellan intensiteter som motsvarar trösklarna för hörbarhet och smärta är så högt (I m / I 0 = 10 13) att de i praktiken använder en logaritmisk skala, vilket introducerar en speciell dimensionslös egenskap - intensitetsnivå.

Intensitetsnivån är decimallogaritmen för förhållandet mellan ljudintensitet och hörtröskel:

Enheten för intensitetsnivå är vit(B).

Vanligtvis används en mindre enhet för intensitetsnivå - decibel(dB): 1 dB = 0,1 B. Intensitetsnivån i decibel beräknas med följande formler:

Beroendets logaritmiska karaktär intensitetsnivå från henne själv intensitet betyder att med ökande intensitet 10 gånger intensitetsnivåökar med 10 dB.

Egenskaper för ofta förekommande ljud ges i tabell. 3.1.

Om en person hör ljud komma från ett håll från flera osammanhängande källor, så summerar deras intensiteter:

Höga nivåer av ljudintensitet leder till irreversibla förändringar i hörapparaten. Således kan ett ljud på 160 dB orsaka en bristning av trumhinnan och förskjutning av hörselbenen i mellanörat, vilket leder till irreversibel dövhet. Vid 140 dB känner en person svår smärta, och långvarig exponering för buller på 90-120 dB leder till skada på hörselnerven.

3.3. Egenskaper för hörselsensation. Ljudmätningar

Ljud är föremål för hörselsensation. Det bedöms av en person subjektivt. Alla subjektiva egenskaper hos hörselsensationen är relaterade till ljudvågens objektiva egenskaper.

Tonhöjd, klang

När en person uppfattar ljud, skiljer de dem genom tonhöjd och klang.

Höjd ton bestäms i första hand av grundtonens frekvens (ju högre frekvens, desto högre uppfattas ljudet). I mindre utsträckning beror höjden på ljudintensiteten (ljud med högre intensitet upplevs som lägre).

Klangfärg- detta är en egenskap hos ljudsensation, som bestäms av dess harmoniska spektrum. Klangen på ett ljud beror på antalet övertoner och deras relativa intensitet.

Weber-Fechners lag. Ljudvolym

Användningen av en logaritmisk skala för att bedöma ljudintensitetsnivåer stämmer väl överens med den psykofysiska Weber-Fechners lag:

Om du ökar irritationen i en geometrisk progression (dvs. med samma antal gånger), ökar känslan av denna irritation i en aritmetisk progression (dvs. med samma mängd).

Det är den logaritmiska funktionen som har sådana egenskaper.

Ljudvolym kallas intensiteten (styrkan) av hörselförnimmelser.

Det mänskliga örat har olika känslighet för ljud med olika frekvenser. För att ta hänsyn till denna omständighet kan du välja några referensfrekvens, och jämför uppfattningen av andra frekvenser med den. Enligt överenskommelse referensfrekvens lika med 1 kHz (av denna anledning är hörtröskeln I 0 satt för denna frekvens).

För ren ton med en frekvens på 1 kHz tas volymen (E) lika med intensitetsnivån i decibel:

För andra frekvenser bestäms ljudstyrkan genom att jämföra intensiteten av hörselförnimmelser med ljudvolymen vid referensfrekvens.

Ljudvolym lika med nivån av ljudintensitet (dB) vid en frekvens på 1 kHz som gör att den "genomsnittliga" personen upplever samma ljudstyrka som det givna ljudet.

Enheten för ljudvolym kallas bakgrund.

Nedan är ett exempel på volym kontra frekvens vid en intensitetsnivå på 60 dB.

Lika ljudstyrka kurvor

Det detaljerade förhållandet mellan frekvens, ljudstyrka och intensitetsnivå visas grafiskt med hjälp av lika volymkurvor(Fig. 3.3). Dessa kurvor visar beroendet intensitetsnivå L dB från ljudets frekvens ν vid en given ljudvolym.

Den nedre kurvan motsvarar hörseltröskel. Den låter dig hitta tröskelvärdet för intensitetsnivån (E = 0) vid en given tonfrekvens.

Genom att använda lika ljudstyrkakurvor kan du hitta ljudvolym, om dess frekvens och intensitetsnivå är känd.

Ljudmätningar

Lika ljudstyrkakurvor speglar uppfattningen av ljud genomsnittlig person. För hörselbedömning specifik människa används metoden för rentonströskelaudiometri.

Audiometri - metod för att mäta hörselskärpa. Med hjälp av en speciell enhet (audiometer) bestäms tröskeln för hörselsensation, eller tröskeln för uppfattning, L P vid olika frekvenser. För att göra detta, med hjälp av en ljudgenerator, skapar de ett ljud med en given frekvens och ökar nivån,

Ris. 3.3. Lika ljudstyrka kurvor

intensitetsnivå L, fixera tröskelnivån för intensitet L p, vid vilken försökspersonen börjar uppleva hörselförnimmelser. Genom att ändra ljudfrekvensen erhålls ett experimentellt beroende L p (v), som kallas ett audiogram (fig. 3.4).

Ris. 3.4. Audiogram

Försämrad funktion hos den ljudmottagande apparaten kan leda till hörselnedsättning- ihållande minskning av känsligheten för olika toner och viskande tal.

Den internationella klassificeringen av grader av hörselnedsättning, baserad på de genomsnittliga värdena för perceptionströsklar vid talfrekvenser, ges i tabell. 3.2.

För att mäta volym komplex ton eller ljud använda speciella enheter - ljudnivåmätare. Ljudet som tas emot av mikrofonen omvandlas till en elektrisk signal, som passerar genom ett system av filter. Filterparametrarna väljs så att ljudnivåmätarens känslighet vid olika frekvenser är nära känsligheten för det mänskliga örat.

3.4. Passage av ljud över gränssnittet

När en ljudvåg träffar ett gränssnitt mellan två medier reflekteras ljudet delvis och tränger delvis in i det andra mediet. Intensiteten hos de vågor som reflekteras och sänds genom gränsen bestäms av motsvarande koefficienter.

För normal förekomst av en ljudvåg vid gränssnittet är följande formler giltiga:

Från formel (3.9) är det tydligt att ju mer medias vågimpedanser skiljer sig åt, desto större andel energi som reflekteras vid gränsytan. I synnerhet om värdet Xär nära noll, då är reflektionskoefficienten nära enhet. Till exempel för luft-vatten-gränssnittet X= 3x10-4 och r = 99,88%. Det vill säga att reflektionen är nästan komplett.

Tabell 3.3 visar hastigheter och vågimpedanser för vissa medier vid 20 °C.

Observera att värdena för reflektion och brytningskoefficienter inte beror på i vilken ordning ljud passerar genom dessa medier. Till exempel, för övergången av ljud från luft till vatten, är koefficienterna desamma som för övergången i motsatt riktning.

3.5. Sunda forskningsmetoder

Ljud kan vara en källa till information om tillståndet hos mänskliga organ.

1. Auskultation- direkt lyssna på ljud som uppstår inuti kroppen. Genom arten av sådana ljud är det möjligt att bestämma exakt vilka processer som sker i ett givet område av kroppen, och i vissa fall fastställa en diagnos. Instrument som används för att lyssna: stetoskop, telefonndoskop.

Telefonendoskopet består av en ihålig kapsel med ett sändande membran, som appliceras på kroppen, varifrån gummislangar går till läkarens öra. En resonans av luftpelaren uppstår i den ihåliga kapseln, vilket orsakar ökat ljud och därför förbättrat lyssning. Andningsljud, väsande andning, hjärtljud och blåsljud hörs.

Kliniken använder sig av installationer där lyssnande sker med mikrofon och högtalare. Bred

ljud spelas in med hjälp av en bandspelare på magnetband, vilket gör det möjligt att återge dem.

2. Fonokardiografi- grafisk registrering av hjärtljud och blåsljud och deras diagnostiska tolkning. Inspelning sker med hjälp av en fonokardiograf, som består av en mikrofon, förstärkare, frekvensfilter och inspelningsenhet.

3. Slagverk - undersökning av inre organ genom att knacka på kroppens yta och analysera de ljud som uppstår. Tappning utförs antingen med speciella hammare eller med fingrar.

Om ljudvibrationer orsakas i en stängd hålighet, kommer luften i håligheten att börja resonera vid en viss ljudfrekvens, vilket förstärker tonen som motsvarar storleken på håligheten och dess position. Schematiskt kan människokroppen representeras som summan av olika volymer: gasfyllda (lungor), flytande (inre organ), fasta (ben). När man träffar en kropps yta uppstår vibrationer med olika frekvenser. Några av dem kommer att gå ut. Andra kommer att sammanfalla med tomrummens naturliga frekvenser, därför kommer de att förstärkas och, på grund av resonans, kommer att vara hörbara. Orgelns tillstånd och topografi bestäms av tonen i slagverksljuden.

3.6. Faktorer som bestämmer bullerskydd.

Bullerskydd

För att förhindra buller är det nödvändigt att känna till de viktigaste faktorerna som bestämmer dess inverkan på människokroppen: närheten till bullerkällan, bullrets intensitet, exponeringens varaktighet, det begränsade utrymmet där bullret verkar.

Långvarig exponering för buller orsakar en komplex symptomatisk uppsättning funktionella och organiska förändringar i kroppen (och inte bara hörselorganet).

Effekten av långvarigt buller på det centrala nervsystemet visar sig i en avmattning av alla nervreaktioner, en minskning av tiden för aktiv uppmärksamhet och en minskning av prestationsförmågan.

Efter långvarig exponering för buller förändras andningsrytmen och hjärtfrekvensen, och en ökning av kärlsystemets tonus inträffar, vilket leder till en ökning av systolisk och diastolisk

isk blodtrycksnivå. Den motoriska och sekretoriska aktiviteten i mag-tarmkanalen förändras, och hypersekretion av individuella endokrina körtlar observeras. Det finns en ökning av svettning. Det finns undertryckande av mentala funktioner, särskilt minnet.

Buller har en specifik effekt på hörselorganets funktioner. Örat, som alla sinnesorgan, kan anpassa sig till buller. Samtidigt, under påverkan av buller, ökar hörtröskeln med 10-15 dB. Efter att bullerexponeringen upphört återställs det normala värdet för hörtröskeln först efter 3-5 minuter. Vid en hög nivå av ljudintensitet (80-90 dB) ökar dess tröttande effekt kraftigt. En av de former av hörselnedsättning som är förknippad med långvarig exponering för buller är hörselnedsättning (tabell 3.2).

Rockmusik har en stark inverkan på både det fysiska och psykiska tillståndet hos en person. Modern rockmusik producerar brus i intervallet från 10 Hz till 80 kHz. Det har experimentellt fastställts att om huvudrytmen som sätts av slagverksinstrument har en frekvens på 1,5 Hz och har kraftfullt musikackompanjemang vid frekvenser på 15-30 Hz, så blir en person mycket upphetsad. Med en rytm med en frekvens på 2 Hz och samma ackompanjemang hamnar en person i ett tillstånd nära drogberusning. Vid rockkonserter kan ljudintensiteten överstiga 120 dB, även om det mänskliga örat är mest fördelaktigt inställt till en genomsnittlig intensitet på 55 dB. I det här fallet kan hjärnskakning, ljud "brännskador", hörsel och minnesförlust uppstå.

Buller har också en skadlig effekt på synorganet. Sålunda leder långvarig exponering för industriellt buller på en person i ett mörkt rum till en märkbar minskning av näthinnans aktivitet, på vilken synnervens funktion, och därför synskärpan, beror på.

Bullerskydd är ganska komplicerat. Detta beror på att ljudet på grund av den relativt långa våglängden böjer sig runt hinder (diffraktion) och en ljudskugga bildas inte (fig. 3.5).

Dessutom har många material som används i konstruktion och teknik inte en tillräckligt hög ljudabsorptionskoefficient.

Ris. 3.5. Diffraktion av ljudvågor

Dessa funktioner kräver speciella medel för att bekämpa buller, som inkluderar dämpning av buller som uppstår vid själva källan, användning av ljuddämpare, användning av elastiska upphängningar, ljudisoleringsmaterial, eliminering av sprickor, etc.

För att bekämpa buller som tränger in i bostadsutrymmen, stor betydelse ha korrekt planering av byggnadernas placering, med hänsyn till vindrosor, skapa skyddszoner, inklusive vegetation. Växter är en bra ljuddämpare. Träd och buskar kan minska intensitetsnivån med 5-20 dB. Gröna ränder mellan trottoaren och trottoaren är effektiva. Lind och gran dämpar bäst buller. Hus som ligger bakom ett högt tallstaket kan vara nästan helt fria från gatuljud.

Kampen mot buller innebär inte skapandet av absolut tystnad, eftersom en person i långvarig frånvaro av hörselförnimmelser kan uppleva psykiska störningar. Absolut tystnad och långvarigt ökat buller är lika onaturligt för människor.

3.7. Grundläggande begrepp och formler. Tabeller

Tabellfortsättning

Slutet av bordet

Tabell 3.1. Egenskaper för ljud som påträffas

Tabell 3.2. Internationell klassificering av hörselnedsättning

Tabell 3.3. Ljudhastighet och specifikt akustiskt motstånd för vissa ämnen och mänskliga vävnader vid t = 25 °C

3.8. Uppgifter

1. Ett ljud med en intensitetsnivå på L 1 = 50 dB på gatan hörs i rummet som ett ljud med en intensitetsnivå på L 2 = 30 dB. Hitta förhållandet mellan ljudintensiteter på gatan och i rummet.

2. Volymnivån för ett ljud med en frekvens på 5000 Hz är lika med E = 50 von. Hitta intensiteten på detta ljud med hjälp av kurvor med samma ljudstyrka.

Lösning

Från figur 3.2 finner vi att vid en frekvens på 5000 Hz motsvarar volymen E = 50 bakgrund en intensitetsnivå L = 47 dB = 4,7 B. Från formel 3.4 finner vi: I = 10 4,7 I 0 = 510 -8 W/ m 2.

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

3. Fläkten skapar ljud med en intensitetsnivå på L = 60 dB. Hitta ljudintensitetsnivån när två intilliggande fläktar fungerar.

Lösning

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

4. Ljudnivån för ett jetflygplan på ett avstånd av 30 m från det är 140 dB. Vilken är volymnivån på ett avstånd av 300 m? Försumma reflektion från marken.

Lösning

Intensiteten minskar i proportion till kvadraten på avståndet - den minskar med 10 2 gånger. L1 - L2 = 10xlg(Ii/I2) = 10x2 = 20 dB. Svar: L2 = 120 dB.

5. Förhållandet mellan intensiteterna för de två ljudkällorna är lika med: I 2 /I 1 = 2. Vad är skillnaden i intensitetsnivåerna för dessa ljud?

Lösning

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

6. Vad är intensitetsnivån för ett ljud med en frekvens på 100 Hz som har samma volym som ett ljud med en frekvens på 3 kHz och intensitet

Lösning

Med lika ljudstyrkakurvor (fig. 3.3) finner vi att 25 dB vid en frekvens på 3 kHz motsvarar en ljudstyrka på 30 von. Vid en frekvens på 100 Hz motsvarar denna volym en intensitetsnivå på 65 dB.

Svar: 65 dB.

7. Ljudvågens amplitud tredubblades. a) hur många gånger ökade dess intensitet? b) med hur många decibel ökade volymen?

Lösning

Intensiteten är proportionell mot kvadraten på amplituden (se 3.6):

8. I laboratorierummet som ligger i verkstaden nådde ljudintensitetsnivån 80 dB. För att minska buller beslöt man att fodra laboratoriets väggar med ljudabsorberande material, vilket minskade ljudintensiteten med 1500 gånger. Vilken nivå av ljudintensitet kommer det att finnas i laboratoriet efter detta?

Lösning

Ljudintensitetsnivå i decibel: L = 10 x log(I/I 0). När ljudintensiteten ändras kommer förändringen i ljudintensitetsnivån att vara lika med:

9. Impedanserna för de två medierna skiljer sig med en faktor 2: R 2 = 2R 1 . Vilken del av energin reflekteras från gränsytan och vilken del av energin passerar in i det andra mediet?

Lösning

Med formlerna (3.8 och 3.9) finner vi:

Svar: 1/9 en del av energin reflekteras och 8/9 passerar in i det andra mediet.

I vardagen beskriver vi ljud med bland annat dess volym och tonhöjd. Men ur fysikens synvinkel är en ljudvåg en periodisk vibration av mediets molekyler som fortplantar sig i rymden. Liksom alla vågor kännetecknas ljud av dess amplitud, frekvens, våglängd etc. Amplituden visar hur starkt ett vibrerande medium avviker från sitt "tysta" tillstånd; Det är hon som är ansvarig för ljudvolymen. Frekvensen talar om för oss hur många gånger per sekund vibrationen uppstår, och ju högre frekvens, desto högre tonhöjd på ljudet vi hör.

Typiska värden för ljudvolym och ljudfrekvens, som till exempel finns i tekniska standarder och egenskaper hos ljudenheter, är anpassade till det mänskliga örat, de ligger inom det volym- och frekvensområde som är bekvämt för människor. Således orsakar ett ljud med en volym över 130 dB (decibel) smärta, och en person kommer inte att höra en ljudvåg med en frekvens på 30 kHz alls. Men förutom dessa "mänskliga" begränsningar finns det också rent fysiska begränsningar för ljudvågens volym och frekvens.

Uppgift

Uppskatta maximal volym och maximal frekvens för en ljudvåg som kan fortplanta sig i luft och vatten under normala förhållanden. Beskriv i allmänna termer vad som kommer att hända om du försöker avge ljud över dessa gränser.

Ledtråd

Kom ihåg att ljudstyrkan, mätt i decibel, är en logaritmisk skala som visar hur många gånger trycket i en ljudvåg (P) är starkare än något fast tröskeltryck P 0 . Formeln för att omvandla tryck till volym är följande: volym i decibel = 20 lg(P/P 0), där lg är decimallogaritmen. Det är vanligt att ta P0 = 20 μPa som tröskeltryck i akustik (i vatten accepteras ett annat tröskelvärde: P0 = 1 μPa). Till exempel överstiger ett ljud med ett tryck P = 0,2 Pa P 0 tiotusen gånger, vilket motsvarar en volym på 20 lg(10000) = 80 dB. Således uppstår ljudstyrkan från det maximalt möjliga tryck som en ljudvåg kan skapa.

För att lösa problemet måste du försöka föreställa dig en ljudvåg med mycket högt tryck eller mycket hög frekvens och försöka förstå vilka fysiska begränsningar som uppstår.

Lösning

Låt oss hitta först volymgräns. I lugn luft (utan ljud) flyger molekyler kaotiskt, men i genomsnitt förblir luftens densitet konstant. När ljud fortplantar sig, utöver snabb kaotisk rörelse, upplever molekyler också en jämn fram- och tillbakaförskjutning med en viss period. På grund av detta uppstår alternerande områden av kondensation och sällsynthet av luft, det vill säga områden med högt och lågt tryck. Det är denna tryckavvikelse från normen som är akustiskt tryck (tryck i en ljudvåg).

I området för vakuum sjunker trycket till P atm - P. Det är tydligt att i gasen måste det förbli positivt: nolltryck betyder att i denna region i det här ögonblicket Det finns inga partiklar av tid alls, och det kan inte längre vara mindre än så här. Därför är det maximala akustiska trycket P som en ljudvåg kan skapa medan kvarvarande ljud är exakt lika med atmosfärstrycket. P = P atm = 100 kPa. Det motsvarar en teoretisk volymgräns lika med 20 lg (5 10 9), vilket ger ca. 195 dB.

Situationen förändras något om vi talar om spridningen av ljud inte i en gas, utan i en vätska. Där kan trycket bli negativt – det betyder helt enkelt att de försöker sträcka och riva det kontinuerliga mediet, men på grund av intermolekylära krafter kan det stå emot sådan sträckning. Men i termer av storleksordningen är detta undertryck litet, i storleksordningen en atmosfär. Om man tar hänsyn till ett annat värde för P 0 ger detta en teoretisk gräns för ljudstyrkan i vatten på ca 225 dB.

Nu får vi ljudfrekvensgräns. (Detta är faktiskt bara en av de möjliga gränserna för frekvens; vi kommer att nämna andra i efterordet.)

En av ljudets nyckelegenskaper (till skillnad från många andra, mer komplexa vågor) är att dess hastighet är praktiskt taget oberoende av frekvens. Men våghastigheten relaterar frekvensen ν (det vill säga tiden på th periodicitet) med våglängden λ (spatial periodicitet): c = ν·λ. Därför, ju högre frekvens, desto kortare ljudvåglängd.

Vågens frekvens begränsas av ämnets diskrethet. Längden på en ljudvåg kan inte vara mindre än det typiska avståndet mellan molekyler: trots allt är en ljudvåg en kondensationsurladdning av partiklar och kan inte existera utan dem. Dessutom måste våglängden vara minst två eller tre av dessa avstånd: trots allt måste den inkludera både kondensationsområden och ett område med sällsynthet. För luft under normala förhållanden är medelavståndet mellan molekylerna cirka 100 nm, ljudhastigheten är 300 m/s, så den maximala frekvensen är cirka 2 GHz. I vatten är diskrethetsskalan mindre, cirka 0,3 nm, och ljudhastigheten är 1500 m/s. Detta ger en frekvensgräns på cirka tusen gånger högre, i storleksordningen flera terahertz.

Låt oss nu diskutera vad som händer om vi försöker avge ljud som överskrider de hittade gränserna. En solid platta nedsänkt i ett medium, som en motor rör sig fram och tillbaka, är lämplig som ljudvågssändare. Det är tekniskt möjligt att skapa en emitter med så stor amplitud att den maximalt skapar ett tryck som är mycket högre än atmosfärstrycket - för detta räcker det att flytta plattan snabbt och med stor amplitud. Men sedan i vakuumfasen (när plattan rör sig tillbaka) blir det helt enkelt ett vakuum. Således, istället för ett mycket högt ljud, kommer en sådan platta att "klippas A"andas luft" i tunna och täta lager och kasta dem framåt. De kommer inte att kunna fortplanta sig genom mediet - när de kolliderar med stillastående luft kommer de att värma upp den kraftigt, generera stötvågor och kollapsa sig själva.

Man kan föreställa sig en annan situation, när en akustisk sändare oscillerar med en frekvens som överstiger den hittade gränsen för ljudfrekvens. En sådan emitter kommer att trycka på molekylerna i mediet, men så ofta att det inte ger dem en chans att bilda en synkron vibration. Som ett resultat kommer plattan helt enkelt slumpmässigt att överföra energi till de närmande molekylerna, det vill säga den kommer helt enkelt att värma mediet.

Efterord

Vår övervägande var naturligtvis mycket enkel och tog inte hänsyn till de många processer som förekommer i materien som också begränsar ljudets utbredning. Till exempel orsakar viskositet att en ljudvåg dämpas, och hastigheten för denna dämpning ökar snabbt med frekvensen. Ju högre frekvens, desto snabbare rör sig gasen fram och tillbaka, vilket innebär att desto snabbare omvandlas energin till värme på grund av viskositeten. Därför, i ett alltför trögflytande medium, kommer högfrekvent ultraljud helt enkelt inte att ha tid att flyga något makroskopiskt avstånd.

En annan effekt spelar också en roll i dämpningen av ljud. Av termodynamiken följer att med snabb kompression värms gasen upp, och med snabb expansion- kyls ner. Detta händer också i en ljudvåg. Men om gasen har hög värmeledningsförmåga, kommer värme att strömma från den varma zonen till den kalla zonen med varje svängning, vilket försvagar den termiska kontrasten och i slutändan ljudvågens amplitud.

Det är också värt att betona att alla restriktioner som hittats gäller vätskor och gaser under normala förhållanden; de kommer att förändras om förhållandena förändras avsevärt. Till exempel beror den maximala teoretiska volymen uppenbarligen på trycket. Därför, i atmosfären på jätteplaneter, där trycket är betydligt högre än atmosfärstrycket, är ett ännu starkare ljud möjligt; omvänt, i en mycket sällsynt atmosfär är alla ljud oundvikligen tysta.

Låt oss slutligen nämna ytterligare en intressant egenskap hos mycket högfrekvent ultraljud när det fortplantar sig i vatten. Det visar sig att när ljudets frekvens avsevärt överstiger 10 GHz, fördubblas dess hastighet i vatten ungefär och är ungefär jämförbar med ljudets hastighet i is. Detta innebär att vissa snabba processer av interaktion mellan vattenmolekyler börjar spela en betydande roll när de oscillerar med en period på mindre än 100 pikosekunder. Relativt sett får vatten ytterligare elasticitet vid sådana tidsintervall, vilket påskyndar utbredningen av ljudvågor. De mikroskopiska orsakerna till detta så kallade "snabba ljud" förstods dock