Объективные характеристики звука.

К ним относятся физические величины, которые описывают любой механический волновой процесс:

– частота звука, измеряемая числом колебаний в секунду частиц среды, участвующих в волновом процессе;

– средняя плотность потока энергии (или интенсивность звука), измеряемая как средняя энергия, переносимая звуковой волной за одну секунду через площадку в один квадратный метр, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны.

Субъективые характеристики звука.

Высота – субъективная оценка частоты звукового сигнала: чем больше частота, тем выше тон воспринимаемого звука.

Громкость – субъективная оценка интенсивности звука. Звук большей интенсивности одной частоты может восприниматься как менее громкий, чем звук меньшей интенсивности другой частоты.

Тембр – это субъективная оценка спектрального состава звука. Наиболее простым звуком является чистый тон. Под этим понимают слуховое ощущение, получаемое от простого гармонического колебания.

Физические основы слуха человека.

Ухо человека воспринимает звуковые волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 000 Гц. Звуковые волны проходят внутри уха следующий путь: наружное ухо – барабанная перепонка – слуховые косточки среднего уха – овальное окно – жидкость в вестибулярном и базилярном каналах внутреннего уха – базилярная мембрана. Движение базилярной мембраны стимулируют рецепторные клетки, расположенные в кортиевом органе, в результате чего появляются потенциалы действия, передаваемые слуховыми нервами в кору головного мозга.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода, в котором находится столб воздуха длиной порядка 2,7 см. При резонансе на такой длине укладывается 1/4 длины волны, т.е. максимальная чувствительность уха приходится на звуковую волну с частотой в области 3 000 Гц.

Основное назначение среднего уха – создать условия для передачи звука от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего уха. Чтобы привести в движение более инерционную жидкость необходимо создать большее давление. Площадь барабанной перепонки – 0,7 см², площадь контакта перепонки с молоточком – 0,5 см², площадь овального окна внутреннего уха 0,032 см², т.е. контактные площади уменьшаются почти в 22 раза, что приводит к такому же увеличению давления.

Для слуха важна улитковая часть внутреннего уха. Улитка имеет форму спирали – 2,5 витка. Длина развернутой улитки – 35 мм, объем 100 мкл. Улитка имеет три параллельных, наполненных жидкостью, канала – вестибулярный, барабанный и улитковый. Между улитковым и барабанным каналами находится базилярная мембрана, на которой расположен кортиев орган, содержащий рецепторные клетки и нервные окончания. Кортиев орган преобразует механические колебания в нервные сигналы и звук регистрируется.

Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками.

Звуковые сигналы как раздражитель слухового анализатора могут быть разделены на два основных вида: тоны и шумы. Под тоном понимают звуковые колебания постоянной частоты. Обычно звуковые сигналы имеют сложный спектр, составленный из основного тона и обертонов, и характеризуются гармоническим спектром. Спектром звука определяется тембр голоса.

Высота звука связана с частотой. Чем больше частота, тем выше звук. Первую октаву образует звук в интервале частот от 16 Гц до 32 Гц. Звук с частотой от 32 Гц до 64 Гц образует вторую октаву и т.д.

Громкость звука определяется чувствительностью уха, которая зависит от частоты и интенсивности звука.

Интенсивность звука определяется количеством энергии, переносимой звуковой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению движения этой волны. Единицей измерения интенсивности звука является ватт на квадратный метр (Вт/м²). Интенсивность звука (I) связана со звуковым давлением (Р) соотношением:

,

где  – плотность среды, в которой распространяется звук, с – скорость звука.

Звуковое давление измеряется в ньютонах на квадратный метр (Н/м²) или Паскалях.

Минимальная интенсивность звука, вызывающая у человека слуховое ощущение, называется порогом слышимости. Пороговая интенсивность для звука с частотой 1 000 Гц составляет 10^–12 Вт/м², что соответствует звуковому давлению равному 210^–5 Н/м². Болевой порог составляет 10 Вт/м². Нормальный разговор имеет интенсивность порядка 10^–7 Вт/м². Шкала громкости строится для звука с частотой 1 000 Гц. Интервал от 10^–12 Вт/м² до 10 Вт/м² разбивают на 13 частей. Одно деление соответствует изменению интенсивности в 10 раз (на 1 Бел) и громкости на 1 Бел (10 фонов). Следовательно, 1 Бел (10 фонов) громкости будет создавать звук с частотой 1 000 Гц и интенсивностью 10^–11 Вт/м², 2 Бела (20 фонов) – 10^–10 Вт/м², и т.д.

На практике количественную характеристику интенсивности звука определяют по отношению к пороговому значению по формуле:

,

где L – уровень интенсивности в децибелах (Дб), I₀ – порог слышимости, I – интенсивность звука.

Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то уровень давления вычисляют по формуле:

,

где Р₀ – порог слышимости в единицах звукового давления, Р – звуковое давление.

Средний уровень звукового давления, создаваемый разговором людей достигает 60 дБ, шум движущегося автомобиля 80-100 дБ.

Для звука с частотой 1 000 Гц шкале децибел соответствует шкала фонов громкости. Для других частот громкость определяется путем сравнения с интенсивностью равногромкого тона звука с частотой 1 000 Гц. Кривые громкости (рис. 1) связывают три параметра – частоту, интенсивность и громкость. Если задаваться фиксированной частотой, то громкость звука можно оценить по кривым равной громкости.

Рис. 1. Кривые равной громкости

В области частот 1000-3000 Гц на кривых равной громкости наблюдается минимум, обусловленный большей чувствительностью уха к звукам с такими частотами.

На рис. 2 две кривые пунктиром экстраполированы до пересечения. Справа обозначены интенсивности, а слева – соответствующие уровни интенсивности. Область, ограниченная этими кривыми называется областью слышимости. Из приведенной диаграммы видно, что менее интенсивный звук, соответствующий точке А, будет восприниматься более громким, чем звук более интенсивный, соответствующий точке В, так как точка А более удалена от порога слышимости, чем точка В.

Рис. 2. Кривая порога слышимости (а) и кривая порога боли (б)