27. Звуковые колебания и волны.

Звуковые колебания и волны – частный случай механических колебаний и волн.

Принято различать следующие звуки: тоны, или музыкальные звуки; шумы; звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым, а соответствующая плоская звуковая волна описывается уравнением . Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Ангармоническому (негармоническому) колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, например, камертон, сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т.п.

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота v0 такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2v0, 3v0 и т.д. Набор частот с указанием их относительной интенсивности называется акустическим спектром. Акустический спектр – важная физическая характеристика сложного тона.

Шумом называют звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью (звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т.п.)

Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов.

Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.п.

Энергетической характеристикой звука как механической волны является интенсивность (поток энергии волн, отнесенный к площади, ориентированной перпендикулярно направлению распространения волн, или интенсивностью волн: ).

На практике для оценки звука удобнее использовать не интенсивность, а звуковое давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлением p зависимостью

Нормальное человеческое ухо воспринимает довольно широкий диапазон интенсивностей звук: так, например, на частоте

Измерение звукового давления в газах производится измерительным микрофоном, который состоит из датчика, преобразующего акустическую величину в электрический сигнал, электронного усилителя и электрического измерительного прибора (рис.)

28. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука.

Тон, шум, звуковой удар являются объективными характеристиками звука, которые могли быть оценены соответствующими приборами независимо от человека. Однако звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком так же и субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота тона – субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.

В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона.

Тембр звука - почти исключительно определяется спектральным составом. Разные акустические спектры соответствуют разному тембру, хотя основной то и, следовательно, высота тона одинаковы.

Громкость – еще одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера-Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину). Применительно к звуку это означает, что если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например

и т.д., то соответствующие им ощущения громкости звука

Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I 0 , причем I 0 – порог слышимости, то на основании закона Вебера-Фехнера громкость относительно I0 связана с интенсивностью следующим образом:

Условно считают, что на частоте 1кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. или

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами (фон), поэтому введено обозначение Еф

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового генератора создают звук частотой 1 кГц (звуковым генератором называют электронный прибор, генерирующий электрические колебания с частотами звукового диапазона). Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука фонах.

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией. При аудиометрии на специальном приборе (аудиометре) определяют порог слухового ощущения на разных частотах; полученная кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощущения помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Для объективного измерения уровня громкости шума используется шумомер. Свойства шумомера приближаются к свойствам человеческого уха, для этого для разных диапазонов уровней громкости используются корректирующие электрические фильтры.