2.1. Основы акустики

Звуковые колебания характеризуются высотой, громкостью и тембром.

Высота звука (в музыке - тон) характеризуется частотой звуковых колебаний. Единица измерения частоты колебаний – герц (Гц) соответствует одному колебанию в секунду. Из огромного многообразия существующих в природе звуков человеческий слух воспринимает лишь те, частота которых составляет от 16 до 20000 Гц.

Самый низкий тон рояля имеет частоту 27,5 Гц, а самые большие трубы органа издают звуки с частотой примерно 16 Гц. Это самый низкий тон, который ещё способно воспринимать человеческое ухо. На нижней границе слухового восприятия трудно понять, слышим ли мы звук или воспринимаем колебания воздуха всем телом. Эта область звуковых частот сопровождает грозы и ураганы, извержения вулканов и землетрясения. Такие звуки издавна оказывали сильное эмоциональное воздействие на психику человека, на его подсознание.

Если акустическая система радиоаппаратуры не в состоянии воспроизводить низкочастотные колебания с достаточной громкостью, то воспроизведение будет лишено естественности и реальности. Следует иметь в виду, что воспроизведение самых низких звуковых частот представляет серьезную техническую проблему и доступно лишь для очень дорогой аппаратуры. Звуки с частотой колебаний ниже, чем 16 Гц называются инфразвуками.

Верхняя граница слухового восприятия лежит между частотами 16000-20000 Гц. Человек воспринимает такие звуки как свист или писк. Если акустическая система не будет воспроизводить высокие частоты, то исчезает окраска звука, без чего невозможно отличить звучание разных музыкальных инструментов друг от друга. Частоты выше предела слышимости относятся к области ультразвуков.

Частотная характеристика разговорной речи укладывается в полосу частот от 250 до 3500 Гц, а музыкального исполнения - 30 - 15000 Гц. Диапазон звуковых частот, воспроизводимых аппаратурой, может быть намного шире, и он является основным параметром для определения группы сложности аудиотехники.

Громкость звука – это субъективное ощущение органом слуха силы звука. Она определяется амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем сильнее звук. Сила звука, отнесенная к 1 м² площади, называется звуковым давлением. Звуковое давление измеряется в физических единицах - Паскалях (Па) и имеет размерность Н/м².

За стандартный порог чувствительности органа слуха человека принято звуковое давление, соответствующее 2х10^-5 Н/м² Такая "громкость" сравнима с шелестом падающей с деревьев листвы. Максимальное звуковое давление, воспринимаемое ухом, равно 10² Н/м². Это уровень шума, создаваемого двигателем взлетающего реактивного самолета. Отношение этих величин составляет 10000000 раз. Такие же астрономические цифры характеризуют отношения электрических напряжений, токов и мощностей, соответствующих силе этих звуков. На практике такими величинами трудно оперировать.

Учитывая, что ухо обладает логарифмической чувствительностью (закон Вебера-Фехнера), в электроакустике принято выражать звуковое давление не абсолютными, а относительными логарифмическими единицами - децибелами.

Громкость, выраженная в децибелах, определяется по формуле:

N _дБ = k log (A/A₀),

где N _дБ – громкость в децибелах (рус. - "дБ", англ. – "dB");

А  звуковое давление в Н/м², создаваемое источником звука;

А₀  стандартный порог чувствительности (2х10^-5 Н/м²);

k – численный коэффициент, зависящий от величин, которые измеряются. В акустических испытаниях его численная величина обычно равна 20.

В таблице 2.1 приведены величины громкости различных источников звука, а в таблице 2.2  соотношения между децибелами и "разами". Любое количество децибел с помощью последней таблицы можно выразить соотношением в разах и наоборот. Например, если одна величина отличается от другой на 68 дБ, равным (60 + 5 + 3) дБ отношение составит 1000х1,78х1,41 = 2509 раз. Это означает, что при 68 дБ одна величина больше другой в 2509 раз.

Таблица 2.1