Меню

Акустическая величина звуковое давление применяется для целей

Звуковое давление, громкость и динамика звука

Определение. Динамический диапазон. Соотношение паскалей и децибел, примеры динамических уровней акустических сигналов. Ощущение громкости в зависимости от частоты, понятие фон. Электрические аналоги понятия звукового давления.

Звуковое давление. Поскольку звуковая волна распространяется в среде в виде зон сжатия и разрежения плотности (рис. 2.2.2), а в газах плотность и давление связаны соотношением р = RTp, где T— температура среды, R — газовая постоянная среды, р — плотность, то в областях сжатия среды давление будет выше статического атмосферного, а в зонах разрежения — ниже. Если поставить в какой-то точке среды измерительный прибор, например микрофон, то он покажет изменение давления при прохождении через эту точку среды звуковой волны (зон сжатия — разрежения) (рис. 2.2.4).

Разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением называется звуковым давлением: Pзв= Рмгн-Ратм

Звуковое давление — величина знакопеременная: в зонах сгущения она положительна, в зонах разрежения отрицательна. Звуковое давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м2. Слуховая система в состоянии определить огромный диапазон разностей между мгновенным значением звукового давления и атмосферным, которое равно в среднем 100 000 Па. Звуковое давление может оцениваться в пределах от 2 х 10 -5 Па до 20 Па. Таким образом, слуховая система ощущает изменения в атмосферном давлении от 2 х 10 -8 % до 0,02 %, что подтверждает ее необычайную чувствительность.

Звуковое давление, создаваемое различными звуковыми источниками, приведено в таблице 2.2.2.

Скорость частиц в среде, где распространяется звуковая волна, зависит от частоты и амплитуды звукового давления (т. е. приложенной силы); если под действием данного звукового давления частицы среды приобретают малую скорость, например в твердых телах, то можно сказать, что данное тело оказывает большое сопротивление приложенному звуковому давлению. Для оценки этого свойства вводится понятие: удельное акустическое сопротивление.

Удельное акустическое сопротивление среды (импеданс) есть отношение звукового давления к скорости колебаний частиц среды: Z — p\v.

Удельное акустическое сопротивление измеряется в единицах: (Па • с)/м или кг/(с • м2). Значения Z зависят от свойств среды и условий распространения звуковых волн в ней. В общем случае удельное акустическое сопротивление (импеданс) является величиной комплексной, т. е. у него есть активная и реактивная часть. Активная составляющая R определяет величину полезной акустической энергии, излучаемой источником звука в окружающую среду; реактивная составляющая X характеризует потери звуковой энергии.

Поскольку удельное акустическое сопротивление для воздуха достаточно мало (при температуре 20 о C оно составляет 413 кг/(с*м 2 ), для сравнения: в металле оно равно 47,7 х 10 6 кг/(с*м 2 )), то полезная излучаемая энергия в воздушной среде также мала.

Следовательно, и коэффициент полезного действия у всех излучателей, работающих на воздух, очень мал. Например, музыкальные инструменты, голосовой аппарат, громкоговорители и др. имеют КПД в пределах 0,2-1%.

Поскольку звуковая волна переносит энергию механических колебаний, то, следовательно, она может характеризоваться энергетическими параметрами.

Уровни звукового давления и интенсивности: поскольку человеческий слух различает огромный диапазон изменения звукового давления, то использовать при измерениях такую большую шкалу чрезвычайно неудобно, поэтому во всех измерительных приборах (шумомерах, измерительных компьютерных станциях и др.) используется логарифмическая шкала, которая позволяет сжать масштаб изменения давления.

Для этого используется уровень звукового давления, который определяется как:

где р = 2х 10- 5 Па.

Уровень звукового давления измеряется в децибелах (дБ). Например, если звуковое давление равно р = 2 Па, то уровень звукового давления равен:

Читайте также:  Цилиндр высокого давления паровых турбин

L = 20 Ig р/р= 20 Ig (2 Па/(2 х 10 -5 )Па) = 20 Ig (1 х 1O+ 5 ) = 20 х 5 = 100 дБ.

Обратный пример: если задан уровень звукового давления L = 80 дБ, то звуковое давление определяется следующим образом: L = 20 Ig р/р, отсюда 80 дБ = 20 Ig р/(2 х 10 -5 ), значит, lg p/(2 x l0 -5 ) = 4. Следовательно 10 4 = р / (2 х 10 -5 ), отсюда значение звукового давления будет равно р = 0,2 Па.

Увеличение звукового давления в два раза соответствует изменению уровня звукового давления на 6 дБ, например звуковое давление 2 Па соответствует уровню звукового давления 100 дБ, а звуковое давление 1 Па соответствует уровню 94 дБ, звуковое давление 4 Па — уровню 106 дБ, и т. д.

Кроме того, следует обратить внимание на то, что уровни звукового давления нескольких одновременно работающих различных источников никогда не складываются.

Например, если играют две скрипки с уровнем 80 дБ и 86 дБ, то их суммарный уровень звукового давления определяется следующим образом: уровню 80 дБ соответствует звуковое давление 0,2 Па, уровню 86 дБ звуковое давление 0,4 Па. В поле сферической волны звуковое давление уменьшается с увеличением расстояния по следующему закону: р

Суммарное давление равно: р = 0,447 Па, отсюда скрипка и рояль вместе создают уровень звукового давления 86,98 дБ.

Уровни звукового давления, создаваемые различными источниками, также приведены в таблице 2.2.2.

В децибелах могут выражаться и другие величины.

Электрические характеристики (мощность, напряжение, ток) также часто приводятся в децибелах, которые имеют специальные обозначения, например:

LdBm означает уровень мощности отнесенный к 1 мВт: LdBm=10 lg WВт/1мВт;

LdBv — уровень напряжения, отнесенный к 1 В (Америка): LdBv = 20 Ig UB/1B;

LdBu — уровень напряжения, отнесенный к 0,775 В (Европа): LdBu = 20 Ig UB/0,775B.

Динамический диапазон любого акустического сигнала определяется как отношение максимального значения звукового давления рмах (Па) к минимальному рмин (Па) за время существования сигнала.

Дифференциальный порог в оценке времени поступления двух следующих друг за другом сигналов составляет 2 мс. Эта величина не сильно зависит от частоты тонального звука, а также от его интенсивности. Однако для определения, какой из сигналов поступает первым, необходимо время в 20 мс.

Интересно отметить, что для распознавания звуков речи (фонем) необходимо время 35 мс, для определения высоты тона требуется также определенное время: для низких частот

Субъективное ощущение, позволяющее слуховой системе располагать звуки по определенной шкале — от звуков низкой интенсивности («тихих») к звукам большой интенсивности («громким»), — называется громкостью.

Громкость связана прежде всего с таким физическим параметром звукового сигнала как его интенсивность. Интенсивность I и звуковое давление р связаны простым (для плоской волны) соотношением /= р2/рС, где р — плотность воздуха, С — скорость звука.

громкость зависит не только от интенсивности звука, но и от его частоты, спектрального состава, длительности и др.

Под уровнем громкости данного звука понимается уровень звукового давления эталонного звука на частоте 1000 Гц, равногромкого данному Уровень громкости измеряется в специальных единицах — фонах.

Для количественной оценки абсолютной громкости была принята специальная единица сон, которая определяется следующим образом: громкость в 1 сон — это громкость синусоидального звука с частотой 1000 Гц и уровнем 40 дБ.

Источник

Звуковое давление или что такое громкость

Звук – разновидность кинетической энергии, которая называется «акустической» и представляет собой пульсацию давления, возникающую в физической среде при прохождении звуковой волны.

Читайте также:  Регулятор давления бензина ситроен берлинго

Интенсивность звука – сила звука, средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени.

Громкость звука – субъективная величина слухового ощущения, которая зависит от интенсивности звука и его частоты. При неизменной частоте громкость звука растет с увеличением интенсивности. При одинаковой интенсивности наибольшей громкостью обладают звуки в диапазоне частот 700-6000 Гц. Ну- левой уровень громкости звука соответствует звуковому давлению 20 мкПа и силе звука 10-12 Вт/м2 при частоте 1 кГц.

Звуковое давление – звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние (как правило, на 1 м). Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).

Децибел – логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений, безразмерная носительная характеристика, позволяющая сравнивать между собой нужные величины:

Полный период колебания волны (звукового давления) состоит из полупериода сжатия (повышения давления) и последующего полупериода разряжения молекул воздуха (понижения давления). Звуки с большей амплитудой (громкие) вызывают более сильное сжатие и разряжение молекул воздуха, чем звуки с меньшей амплитудой (тихие).

В зависимости от контекста существует множество различных определений звука:

Звук – это упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. Чтобы понять, как распространяются данные волны, дополним это определение:
Звук – это процесс последовательной передачи колебательного состояния в упругой среде.

В современной физике утвердился взгляд, при котором многие процессы отождествляют с энергией.

Звук – это разновидность кинетической энергии, которая называется «акустической» и представляет собой пульсацию давления, возникающую в физической среде при прохождении звуковой волны. Звук распространяется по волновым законам, следовательно, к нему применимы такие общие физические понятия, как интерференция и дифракция. Результатом интерференции может быть как усиление, так и уменьшение уровня звука, например, при сложении одного и того же сигнала, но с различной фазировкой. При расчете параметров звукового поля на открытых пространствах следует учитывать множество различных факторов, например, влажность, ветер, температуру, например, при высокой температуре звук распространяется вверх, а при низкой температуре – вниз.

В акустике присутствует множество различных факторов, которые необходимо учитывать при выборе и расстановке звукового оборудования и микшерного пульта. Одним из таких факторов является реверберация. Звук в закрытых или открытых пространствах распространяется по разному. Стены комнаты отражают звуковые волны, тогда как на открытой площадке волны проходят практически без столкновений с какими-либо препятствиями. В закрытом пространстве за счет отражений уровень звука выше. В открытом пространстве звук распространяется практически по прямой. Прямой звук идентичен оригиналу по качеству и форме. Отраженный звук, наоборот, сильно зависит от отражающей способности места (после неопределенного числа отражений, достигает слушателя со всех сторон, и слушатель не может точно установить точку его происхождения). Распространение звука в этом случае происходит через первичные и вторичные отражения исходного звука от горизонтальных и вертикальных поверхностей помещения. Уровень отражения в большой степени зависит от характера стен, типа материала, из которого они сделаны, их гладкости, поглощающих свойств и изменения поглощения на раз-личных частотах. Мебель также может играть решающую роль в распространении звука – в зависимости от ее расстановки и поглощающей способности. Слушателю приходится воспринимать как прямой, так и отраженный звук. Время, с момента, в который звуковой источник прекращает излучать до момента, в который звук больше не воспринимается, определяется как время реверберации. Замечено, что любая среда характеризуется собственной «музыкальной окраской», связанной с распространением отраженных звуков и временем реверберации, которое и характеризует эту среду. Единственной переменной в уже существующей структуре остается мебель. Наилучшие результаты могут быть получены, когда принимается во внимание конструкция мебели, материал, из которого она сделана и ее расстановка в помещении.

Читайте также:  Когда человек ест у него повышается давление

Реверберация – это явление, которое возникает, когда слышен не прямой звук от источника, а отраженный от встречающихся на пути звуковой волны препятствий или помех различного характера. Для предотвращения нежелательного воздействия отраженного звука на прямой необходимо, чтобы последний, при задержке более чем на 50 мс, достигал слушателя уменьшенным не более чем на 10 дБ. Время реверберации пропорционально объему окружающего пространства и обратно пропорционально суммарному поглощению поверхностей, составляющих ее. Отраженный звук, который достигает уха слушателя через 40-50 мс после прямого, расценивается как усиление, окраска первоначального звука. Отраженные звуки, которые доходят с задержкой 50-80 мс, наоборот, искажают первоначальный сигнал и могут стать причиной потери разборчивости.

Звуковое давление – звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние (как правило, на 1 м). Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).

Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level) – значение звукового давления, измеренное по относительной шкале, отнесённое к опорному давлению Рspl = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц. SPL измеряется в децибелах (дБ). Децибелы, в отличие от паскалей, чаще применяются на практике из-за большего удобства. Считается, что человек слышит в диапазоне 0-120 дБ (20 — 20000000 мкПа). В таблице 2.2 приведена зависимость между звуковым давлением в мкПа и уров-нем звука в дБ.

Звуковое давление (мкПа) Уровень звука (дБ)
20
60 10
200 20
600 30
2.000 40
6.000 50
20.000 60
60.000 70
200.000 80
600.000 90
2.000.000 100
6.000.000 110
20.000.000 120

Зависимость уровня звукового давления от подводимой мощности

Слух, как и другие человеческие ощущения, воспринимает воздействие по логарифмическому закону (см. рис. 2.6). Для того чтобы удвоить звуковое давление, не достаточно удваивать число источников звука или электрическую мощность громкоговорителей, а необходимо удесятерять. Увеличение акустического давления может быть получено установкой нескольких громкоговорителей, расположенных близко друг к другу и ориентированных в одном направлении или при каждом удвоении мощности громкоговорителей, в любом случае, увеличение (или уменьшение) акустического давления будет ±3 дБ (в дальнейшем мы сформируем более точное правило). Для построения зависимости уровня звукового давления от подводимой мощности обратимся к теории. Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, называемое интенсивностью звука.

Интенсивность – это поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, прошедший через единицу поверхности (1 м2), являющейся нормалью к направлению распространения звуковой волны (измеряется в Вт/м2). Интенсивность иначе называют силой звука. Интенсивность определяет громкость звука, которую мы слышим. Мы не можем померить ее непосредственно (особенно в закрытых помещениях), поэтому на практике данную величину связывают с мощностью источника логарифмическим соотношением:

Источник

Adblock
detector