Меню

В чем измеряется уровень звука и уровень звукового давления

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.

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:  Закладывает уши какое давление головокружение

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:

Читайте также:  Как определить артериальное давление у детей

Источник

Уровни звукового давления и интенсивности.

Поскольку человеческий слух различает огромный диапазон изменения звукового давления (разница между самым тихим звуком 2∙10 -5 Па и самым громким звуком 20 Па составляет 10 6 ), 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 измерения звукового давления.

Для этого используется уровень звукового давления, который определяется как:

Уровень звукового давления измеряется в децибелах (дБ).

Например, если звуковое давление равно 2 Па, то уровень звукового давления равен:

Lp = 20 lg p/p = 20 lg (2 Па / (2∙10 -5 ) Па) = 20 lg (1 ∙ 10 +5 ) = 20∙5 = 100 дБ.

Обратный пример: если задан уровень звукового давления Lp = 80 дБ, то звуковое давление определяется следующим образом:

Lp = 20 lg p/p, отсюда 80 дБ = 20 lg p / (2∙10 -5 ), значит, lg p/(2∙10 -5 ) = 4. Следовательно, 10 4 = p/(2∙10 -5 ), отсюда значение звукового давления будет равно p = 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. Для определения суммарного уровня необходимо рассчитать значения звукового давления, соответствующего каждому уровню: p1 и p2. Затем определить суммарное звуковое давление . После этого по формуле (13.6) определить суммарный уровень звукового давления Lp.

Например, если играют скрипка с уровнем 80 дБ и рояль с уровнем 86 дБ, то их суммарный уровень звукового давления определяется следующим образом. Уровню 80 дБ соответствует звуковое давление 0,2 дБ, уровню 86 дБ – звуковое давление 0,4 Па. Суммарное давление равно: p = 0,447 Па, отсюда скрипка и рояль вместе создают уровень звукового давления 86,98 дБ.

При оценке слухового восприятия звуковых колебаний, кроме звукового давления, часто используют и другую величину — интенсивность или силузвука. Громкость звука зависит от его интенсивности, которая, в свою очередь, зависит от звукового давления, создаваемого источником звука в точке прослушивания.

Интенсивность I и звуковое давление р связаны соотношением:

, (13.7)

где ρ – плотность воздуха, равная 1,2 кГ/м 3 ;

с – скорость распространения звуковых колебаний в воздухе, равная при температуре 20°С 343 м/с.

Из практики хорошо известно, что чем больший уровень звукового давления создаёт источник звука, тем громче он звучит. Однако одного только уровня звукового давления для характеристики громкости звучания недостаточно, поскольку чувствительность человеческого слуха различна для различных частот. По этой причине для его определения пользуются графиком, который наглядно показывает, как изменяется минимальное значение звукового давления, воспринимаемого человеческими органами слуха как звук, в зависимости от частоты акустических колебаний. Такой график называется кривой абсолютного порога слышимости (рис. 13.2). Определяется он в полосе частот от 20 до 20000 Гц – именно в этом диапазоне человеческий слух способен воспринимать акустические колебания как звук. Однако следует иметь в виду, что такая широкая полоса слышимых частот скорее физиологический предел возможностей человеческого слуха – в действительности подавляющее большинство людей даже в молодом возрасте (18-25 лет), когда острота слуха наивысшая, способно слышать звуки только в диапазоне 30-35…16000-18000 Гц. Тем не менее, есть данные, что отдельные люди способны слышать звуки даже с частотой 22000 Гц.

Читайте также:  Как помогает боярышник при высоком давлении

Порог слышимости – это минимальное значение звукового давления, при котором еще наблюдается слуховое ощущение. Он характеризует чувствительность слуха к интенсивности звуковой энергии.

31,5 Гц
63 Гц
125 Гц
250 Гц
500 Гц
1 кГц
2 кГц
4 кГц
8 кГц
16 кГц
f
-20
Lp, дБ
Рис. 13.2. Кривая абсолютного порога слышимости, построенная по результатам измерений в условиях свободного поля

Абсолютный порог слышимости принято выражать в децибелах по отношению к некоторой стандартной величине звукового давления р1 = 2×10 -5 Па (10 -12 Вт/м 2 ), которая условно принята за точку отсчета (0 дБ) при таких оценках. Как видно из рис. 13.2, наибольшей чувствительностью человеческий слух обладает на средних частотах — в диапазоне от 2000 до 5000 Гц. Здесь абсолютный порог слышимости даже меньше 2×10 -5 Па (

Если создать три тональных звуковых сигнала с одним и тем же уровнем звукового давления p = 40 дБ – один с частотой 50 Гц, другой с частотой 100 Гц, третий с частотой 4 кГц и попытаться сравнить их громкости, то окажется, что сигнал с частотой 4 кГц будет звучать достаточно громко, сигнал с частотой 100 Гц – едва слышно, а вот сигнала с частотой 50 Гц не удастся услышать вовсе. Если обратиться к рис. 13.2, то причина будет ясна – сигнал с частотой 50 Гц при уровне звукового давления 40 дБ будет находиться ниже кривой абсолютного порога слышимости, сигнал с частотой 100 Гц лишь немного выше нее, и только сигнал с частотой 4 кГц будет более чем на 40 дБ превышать абсолютный порог слышимости. Этот эксперимент доказывает, что громкость зависит не только от интенсивности звука, но и от его частоты. На краях диапазона слышимых частот можно сформировать звуковые сигналы очень высокой интенсивности, но никакого ощущения громкости при этом не возникнет, хотя слуховая система при этом может быть даже повреждена.

Построение шкалы звуков по громкости и исследование влияния на нее основных параметров звукового сигнала было выполнено, прежде всего, на тональных сигналах различной интенсивности, частоты и длительности. Для того чтобы устранить зависимость субъективно воспринимаемой громкости звука от частоты и обеспечить возможность количественной ее оценки, используют метод сравнения громкости исследуемого звука с громкостью некоторого эталонного звука. Для того чтобы такие оценки можно было сравнивать между собой, на международном уровне договорились использовать в качестве эталона громкость звукового сигнала с частотой 1000 Гц.

Определяется громкость следующим образом. На эталонной частоте 1000 Гц устанавливается некоторый вполне определенный уровень звукового давления, например 40 дБ. После этого эксперту предлагается прослушать сигнал на какой-то другой частоте, например 63 Гц, и отрегулировать его уровень таким образом, чтобы он казался равногромким эталонному. Значение уровня звукового давления эталонного сигнала в децибелах при этом квалифицируется как уровень громкости исследуемого сигнала и оценивается в специальных единицах, которые называются фонами.

Источник

Adblock
detector