5.2. Физические (объективные) характеристики звука.

Объективными называются характеристики, которые могут быть количественно оценены каким-либо прибором независимо от восприятия человеком. Главными объективными характеристиками звука являются частота звука, звуковое давление p и интенсивность I.

Под звуковым давлением понимают происходящие в звуковой волне периодические изменения давления (сжатия и разрежения). Мгновенное значение звукового давления в определенной точке упругой среды определяется по формуле:

p=p_maxcost, p_max=∙с∙V_max, (5.11)

где p_max – максимальное звуковое давление (амплитуда давления); V_max – максимальная скорость колебания частиц (амплитуда скорости). Эффективное (действующее) значение звукового давления определяется по формуле:

(5.12)

Таким образом, звуковое давление, возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде, зависит от плотности среды , скорости колеблющихся частиц среды V и скорости волны в среде c.

ИнтенсивностьзвукаI (сила звука, плотность потока звуковой энергии) определяется потоком звуковой энергии через единицу площади поверхности или энергией звуковой волны, переносимой в единицу времени через единицу площади в перпендикулярном направлении. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлением зависимостью:

(5.13)

Человеческое ухо способно воспринимать звуки в весьма широком диапазоне интенсивностей. Для частоты 1 кГц этот диапазон простирается от I₀=10^-12 Вт/м² (10пВт/м²), или p₀=2∙10^-5 Па (т.н. порог слышимости) до I_max=10 Вт/м², или p₀=60 Па (порог болевого ощущения). Эти величины различаются в 10¹³ раз, поэтому для их графического представления и расчетов удобнее использовать логарифмическую шкалу. В связи с этим вводится величина уровня интенсивности звука, равная десятичному логарифму отношения интенсивности исследуемого звука I к интенсивности на пороге слышимости:

(5.14)

либо, через звуковое давление, (5.15)

Уровень интенсивности звука измеряют в системе СИ в белах (Б). 1 Бел – это единица шкалы уровней интенсивности звука, соответствующая изменению интенсивности в 10 раз; 2 Б – в 10²раз; 3 Б – в 10³раз и т.д. Обычно применяют меньшие единицы – децибелы (дБ), 1дБ=0,1Б. При их использовании:

, или (5.16)

Относительным уровнем интенсивности называют разность двух абсолютных уровней:

L=L₁ - L₂=lg(I₁/I₂) (5.17)

5.3. Характеристики слухового ощущения (субъективные характеристики звука).

Субъективными называют характеристики, зависящие от человеческого восприятия. К субъективным характеристикам звука относятся высота звука, тембр и громкость. Высота звука зависит в основном от частоты основного тона, тембр же определяется спектральным составом звука. Громкость звука характеризует уровень слухового ощущения. Она связана с интенсивностью т.н. психофизическим законом Вебера – Фехнера.

Согласно этому закону, при увеличении интенсивности звука в геометрической прогрессии (в одинаковое число раз) его громкость возрастает лишь в арифметической прогрессии (на одинаковую величину), то есть громкость звука пропорциональна логарифму его интенсивности.

Уровень громкости звука определяется по формуле:

, где - порог слышимости (5.18)

Единицами измерения уровня громкости являются бел (система СИ) и фон (внесистемная единица, соответствующая децибелу уровня интенсивности звука).

Значение коэффициента k существенно зависит от частоты и интенсивности звука. Условно считают, что при частоте 1 кГц k=1. В этом случае уровень силы звука в децибелах численно совпадает с уровнем громкости в фонах.

, (5.19)

При других частотах звука громкость можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц, который можно создать с помощью звукового генератора. Интенсивность этого звука подбирают такой, чтобы возникло слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Используя данную методику при обследовании людей с нормальным слухом, были получены стандартные кривые равной громкости для различных частот, по которым можно найти соответствие между уровнем интенсивности звука определенной частоты и его громкостью.