 |
1.8. Восприятие звука. Децибелы.
|
|
|
|
Слуховой аппарат человека - весьма совершенный и сложный орган, состоящий из трех частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо включает ушную раковину - концентратор звука и наружный слуховой канал сечением 0, 5 см2, отделяемый от среднего уха барабанной перепонкой, толщина которой 0, 1 мм.
Колебания перепонки, соизмеримые с размерами атома, уже воспринимаются как звуковые. Колебания перепонки через систему косточек (молоточек, наковальня и стремечко) передаются во внутреннее ухо. В слуховой улитке внутреннего уха колебания воздействуют на нервные окончания, регулирующие на определенную частоту.
Все колебания в частотном диапазоне можно разделить на три группы. Человеческий слуховой аппарат воспринимает звуки в диапазоне частот от 16-20Гц до 16-20кГц. Нужно отметить, что эти цифры среднестатистические. Индивидуальные способности слышать звуки различны и зависят от состояния слухового аппарата и возраста человека.
Отсюда диапазон частот от 16-20 Гц до 16-20 кГц называют областью слышимых звуков.
Колебания с частотами ниже 16-20 Гц называются инфразвуковыми и человеческим ухом не воспринимаются. Колебания с частотами выше 16-20 кГц также не воспринимаются на слух и называются ультразвуковыми.
Область восприятия звука человеком ограничена не только частотным диапазоном, но и значениями звукового давления или интенсивностью звука.
| Р, Па |
| 2*10-5 |
| 2*10-1 |
| f, Гц |
| DР =106 D I =1012 |
Рис. 3. 3. Область восприятия звука: 1 - порог болевого ощущения, 2 - порог слышимости
Кривая 2 представляет собой порог слышимости или слуховой порог. Величина порогового звукового давления зависит от частоты звука и в диапазоне частот f = 1000-5000 Гц для людей с хорошим слухом пороговое значение р0 = 2× 10-5 Па.
|
|
|
Кривая 1 - порог болевого ощущения. Звуки, создающие давление, превышающее порог болевого ощущения, могут вызвать повреждение или разрушение слухового аппарата.
На частоте 1000 Гц, принятой в качестве стандартной частоты сравнения в акустике, отношение звуковых давлений порога болевого ощущения и порога слышимости равно примерно 106, а отношение интенсивностей 1012.
Столь большой диапазон восприятия звуков объясняется тем, что для слухового аппарата человека важны не звуковые давления или интенсивность, а их логарифмы
L = A lg I , (3. 4)
где А - коэффициент пропорциональности.
На рис. 3. 4 изображена логарифмическая функция, соответствующая характеристике человеческого слуха. Ухо увеличивает чувствительность для восприятия слабых колебаний и автоматически " загрубляется", т. е. хуже слышит мощные звуки. Это позволяет уху воспринимать без перегрузок и искажений громадные диапазоны звуковых давлений или интенсивностей.
Пусть имеются два звука интенсивностью I1 и I2. Уровни интенсивностей этих звуков
L1= A lg I1 L2= A lg I2
Разность уровней интенсивности
L = L1 - L2 = A(lg I1 - lg I2) = A lg (I1 / I2) (3. 5)
| I |
| Lg I |
Рис. 3. 4 Логарифмическая функция, соответствующая характеристике человеческого слуха
Полагая в (3. 5) А=1 получим разность уровней интенсивности в белах. Обычно принято выражать А=10 и тогда DL в децибелах. Децибел, таким образом, в 10 раз меньше бела:
(3. 6)
С учетом (2. 22) получим:
(3. 7)
|
|
|
Из (3. 7) видно, что разность уровней интенсивности звука равна разности уровней звукового давления, т. е. уровни интенсивности и звукового давления - синонимы.
За нуль децибелов условно принято звуковое давление р = 2 
10-5 Па, что соответствует порогу слышимости на частоте 1000 Гц и пороговой интенсивности звука I0 = 10-12‚ Вт/м2.
Уровень звукового давления над порогом:
Также, существуют пороговые значения:
а0= 3*10-4 м/с2 - колебательного ускорения
v0 = 5* 10-8 м/с - колебательной скорости
у0 = 8*10-12 м - колебательного смещения
Со скоростью v0 колеблется поверхность, излучающая на частоте f=1000 Гц звуковую энергию на пороге слышимости р = 2× 10-5 Па.
В качестве примера рассмотрим, на какую величину вырастет суммарный уровень шума, если к работающему источнику звука в помещении включить еще один источник с одинаковым уровнем шума I1 = I2.
Суммарная интенсивность
IS = I1 + I2 = 2I1
Повышение уровней шума в помещении
Таким образом, второй источник с одинаковым уровнем шума приводит к повышению суммарного уровня шума на 3дБ.
Если в помещении работают два турбогенератора с уровнями шума L1=L2=80дБ, то суммарный уровень шума в помещении составит
LS = L1 + L2 = 80 + 3 = 83 дБ
Общий уровень в дБ может быть может быть рассчитан посредством сложения уровней шума от нескольких источников. Это нельзя делать непосредственно складывая значения в дБ, так как децибелы являются величинами логарифмическими.
(3. 8)
Однако, это можно сделать и более простым способом. На рисунке 3. 5 показано как можно найти сумму двух уровней звукового давления 
и 
, приведенных в децибелах, непосредственно с помощью кривой, не преобразовывая их.
Рис. 3. 5 Кривая расчета результирующего уровня звука от двух источников шума с уровнями и
Логарифмический масштаб при восприятии звука человеком справедлив не только для интенсивности I, но и для частоты f. Слух человека воспринимает во сколько раз возросла частота звука, а не на сколько Герц. Ощущение высоты тона при изменении частоты со 100 Гц до 200 Гц такое же, как при увеличении частоты с 1000 Гц до 2000 Гц.
В практике санитарных измерений единицей отсчета повышения частоты звуков принята октава, т. е. увеличение частоты в 2 раза. При этом измеряются не только октавные уровни шума, но и общие уровни. Общие уровни шума измеряются по шкале А - с наиболее близкой характеристикой к характеристике человеческого уха. Уровни шума, измеренные по этой характеристике, имеют обозначение дБА. В таблице 1. 1. приведены общие уровни шума различных источников, измеренных по шкале А.
|
|
|
Звуковые колебания воспринимаются не только ухом, но и непосредственно через кости черепа (костная проводимость). Уровень воспринимаемого человеком шума при этом на 20-30 дБ меньше, чем воспринимаемый ухом.
Костная проводимость более существенную роль играет при восприятии звуковой вибрации.
Таблица 3. 1
| дБА | Интенсивность различных источников |
| Выстрел из ружья в близи уха | |
| Взлет реактивного самолета, 25м | |
| Машинное отделение судна | |
| Шумный цех | |
| Звон будильника, 1 м | |
| Машинописное бюро | |
| Комната в тихой квартире | |
| Сельская местность вдали от дорог |
Оценка звука по уровню его силы над порогом справедлива лишь для частоты 1000 Гц, которой соответствует принятый стандартный порог давления или силы звука. На других частотах меняются величина нулевого порога (рис. 3. 3) и чувствительность уха к изменению силы звука.
В приложении на рис. 6. 1 показано семейство кривых равной громкости. Каждая из кривых характеризует звуки различной частоты и интенсивности, но производящие впечатление одинаковой громкости. Нижняя кривая, как и аналогичная кривая на рис. 3. 3, соответствует порогу слухового ощущения, верхняя – порогу болевого ощущения.
Уровни, определяемые кривыми на рис. 6. 1 приложения, называются кривыми равной громкости. На частоте 1000 Гц эти уровни приняты равными соответствующим уровням звукового давления, на других частотах они отличаются от уровней звукового давления. Уровень громкости звука той или иной частоты представляет собой уровень силы звука частоты 1000 Гц, равногромкого с данным звуком.
Уровни громкости обозначаются в фонах. В области частот ниже 500 Гц и значений уровня интенсивности менее 60 дБ крутизна и густота кривых равной громкости наибольшие. Последнее означает, что в этой области ухо наиболее чувствительно к изменениям частоты и силы звука. При этом, величина абсолютной чувствительности слуха в этой области невелика (порог слышимости расположен на 20 – 60 дБ выше, чем на частоте 1000 Гц).
|
|
|
При значениях звукового давления более 80 дБ кривые равной громкости почти параллельны горизонтальной оси, т. е. значения уровней громкости на любой частоте приближенно могут считаться равными соответствующим значениям уровня давления (силы) звука.
Приборы, предназначенные для измерения характеристик громкости звуков (или шумов) – шумомеры, не могут воспроизвести всех кривых равной громкости. Приблтиженная величина уровня громкости, получаемая при измерениях приборами, называется уровнем звука, или звуковым уровнем, в дБ. При уровнях силы более 80 дБ уровень звука как и уровень грпомкости звука, совпадает с уровнем звукового давления. На рис. 6. 2 приложения приведены значения уровней звука при действии некоторых часто встречающихся источников звука и шума.
Введением перечисленных звуковых уровней не исчерпываются попытки представить физиологические характеристики звука. Эти попытки имели целью также установление характеристик звука, которые непосредственно указывали бы, во сколько раз один звук громче другого. В результате ряда исследований, была создана шкала чисел громкости, т. е. величин, прямо пропорциональных ощущению громкости звука какой – либо частоты.
Для выражения чисел громкости предложена специальная единица -0 сон. Зависимость громкости звука в сонах от уровней его громкости в фонах (или уровней звука в дБ) приведена в виде номограммы на рис 6. 3 приложения. Величина громкости в 1 сон соответствует уровню громкости в 40 фонов. При уровнях громкости более 40 фонов изменение уровня громкости звука на 9-10 фонов соответствует двукратному изменению числа громкости, т. е. изменению в 2 раза ощущения громкости звука.
При изменении уровня громкости от 30 до 130 фонов значения громкости изменяются более чем в 500 раз. Однако, на слух удается количественно оценить изменение громкости в 2 – 4 раза, другие отношения громкости не поддаются точной оценке. Поэтому при сравнении громкости двух звуков пользуются лишь ограниченными участками номограммы, соответствующими изменению уровня громкости не более чем на 20 – 25 дБ. Расположение участков на номограмме определяется уровнем громкости сравниваемых звуков.
Шкала громкостей используется также для подсчета уровней громкости сложных звуков. Использование её для этих целей основано на том, что числа громкости прямо пропорциональны ощущению громкости, поэтому громкость сложного звука равна сумме громкостей его отдельных частотных составляющих.
|
|
|
Также, помимо суммирования громкостей отдельных тональных составляющих для подсчета громкости сложного звука, получил распространение метод расчета громкости шума широкого спектра по данным измерений уровня шума в отдельных частотных полосах – от трети октавы до октавы – метод Стивенса. Полученное семейство ломаных линий приведено на рис. 94. приложения. Они называются линиями равных индексов (чисел, показателей) громкости. На этом же рисунке справа дана необходимая для расчетов и уже приводившаяся на рис. 6. 3 номограмма, связывающая значения чисел громкости и уровнем громкости. Для расчета общей громкости в методе Стивенса служит формула:
(3. 9)
где: 
– максимальный показатель громкости для всех частотных полос (соответстует полосе, в которой звуковой уровень имеет наибольшее значение);
– сумма показателей громкости всех частотных полос;
– коэффициент, зависящий от ширины полосы, табл. 3. 2
| Ширина полосы | 1/3 октавы | ½ октавы | октава |
|
| 0, 15 | 0, 20 | 0, 30 |
Сказанное выше, относится к громкости непрерывных звуков и шумов. На судах также приходится сталкиваться и с импульсными звуками. На основании опытных данных, можно считать, что громкость импульсных звуков длительностью более 100 мс не отличается от громкости непрерывных звуков той же частоты. При длительности звукового импульса 10 мс его громкость в среднем вдвое (на 10 фонов) меньше громкости соответствующего непрерывного звука.
Кроме громкости, звуки и шумы характеризуются раздражающим действием, или неприятностью. Были построены частотные кривые равной неприятности звуков, отображающие степень их воздействия на нервную систему человека. Эти кривые монотонно спадают с частотой, т. е. чем выше частота звука, тем меньше звуковой уровень требуется для создания того же раздражающего действия звука на человека. Таким образом, были предложены кривые для оценки уровней шумов, принятые в качестве стандартных международной организацией ИСО. Номер каждой кривой соответствует уровню звукового давления на частоте 1000 Гц (рис. 3. 6).
Рис. 3. 6 Кривые для оценки воздействия шума на человека
Значительное раздражающее действие на человека, находящегося в покое, оказывают громкая речь посторонних лиц, крики детей, громкие радио, телепередачи. Даже в том случае, когда смысл речи не улавливается, но улавливается интонация речи, психо-физиологическое воздействие на отдыхающего или занимающегося мственным трудом человека в достаточной мере сильно.
Сказанное в настоящей главе об уровнях, физических и физиологических характеристиках звука суммировано в таблице 3. 3.
Таблица 3. 3
|
|
|
