Звуковые колебания
Форма звуковых колебаний зависит от свойств источника звука. Наиболее простыми колебаниями являются равномерные или гармонические колебания, которые можно представить в виде синусоиды, колебания характеризуются частотой f, периодом Т и амплитудой А.
Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.
Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот.
|
Рис. 1.3. График звуковых колебаний при произношении звуков а, о и у. |
Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого, что видно на рис. 1.3, на котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.
Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости и высоте.
Громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Высота тона определяется частотой колебания. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, низкой частоты - как звуки низкого тона.
Интенсивность звука
Тело, являющееся источником звуковых колебаний, излучает энергию, переносимую звуковыми колебаниями в пространство (среду), окружающее источник звука. Количество звуковой энергии, проходящей в одну секунду через площадь в 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковых колебаний, называют интенсивностью (силой) звука.
Величину ее можно определить по формуле: I=P2/Cp0 [Вт/м2] где: Р - звуковое давление, н/м2; С – скорость звука, м/с; р0 – плотность среды.
Из приведенной формулы видно, что при увеличении звукового давления интенсивность звука возрастает и, следовательно, увеличивается его громкость. Когда мы ведем обычный разговор с кем-нибудь из друзей, поток энергии в 1 сек равен ~10 мкВт. Звуковой поток от оратора, выступающего перед публикой, лежит в пределах от 200 до 2000 мкВт. Мощность самых громких звуков скрипки может составлять приблизительно 60 мкВт, а мощности звуков органных труб составляют от 140 до 3200 мкВт. Интенсивность самого слабого звука, который еще можно услышать, составляет приблизительно одну миллионную микроватта на 1м2, самого громкого – около одного миллиона микроватт. Интенсивность звукового колебания и громкость восприятия находятся в определенной зависимости. Прирост ощущения (громкости) пропорционален логарифму отношения раздражений (интенсивностей), т.е. при восприятии двух звуков с интенсивностями I1 и I2 ощущается разница в их громкости, равная логарифму отношения интенсивностей этих звуков. Эта зависимость определяется формулой:
где: S – приращение громкости, Б; К – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, I1 и I2 – начальное и конечное значения интенсивности звука. Бел – единица приращения громкости, соответствующая изменению силы звука в 10 раз.
Если коэффициент К принять равным 1, а отношение I1/I2 =10, то
(1.3)
Слух человека различает приращение громкости на 0,1 Б. Поэтому в практике используют более мелкую единицу измерения – децибел (дБ), равный 0,1 Б. В этом случае формула запишется так:
(1.4)
Таблица 1.1. Интенсивности и уровни различных звуков.
Звук |
Интенсивность, мкВт/м2 |
Уровень звука, Б |
Уровень звука, дБ |
Порог слышимости |
0,000001 |
0 |
0 |
Спокойное дыхание |
0,00001 |
1 |
10 |
Шум спокойного сада |
0,0001 |
2 |
20 |
Перелистывание страниц газеты |
0,001 |
3 |
30 |
Обычный шум в доме |
0,01 |
4 |
40 |
Пылесос |
0,1 |
5 |
50 |
Обычный разговор |
1,0 |
6 |
60 |
Радио |
10 |
7 |
70 |
Оживленное уличное движение |
100,0 |
8 |
80 |
Поезд на эстакаде |
1000,0 |
9 |
90 |
Шум в вагоне метро |
10000,0 |
10 |
100 |
Гром |
100000,0 |
11 |
110 |
Порог ощущений |
1000000,0 |
12 |
120 |
Если ухо человека воспринимает одновременно два или несколько звуков различной громкости, то более громкий звук заглушает (поглощает) слабые звуки. Происходит так называемая маскировка звуков, и ухо воспринимает только один, более громкий звук. Сразу после воздействия на ухо громкого звука снижается восприимчивость слуха к слабым звукам. Эта способность называется адаптацией (приспособлением) слуха.