Физические характеристики звука

Энергетической характеристикой звука как механической волны является интенсивность I.

Интенсивностью волны называется средняя энергия W, переносимая волной в единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны:

. (1)

Единицей измерения интенсивности в системе СИ является .

Нормальное человеческое ухо воспринимает довольно широкий диапазон интенсивностей звука: так, например, на частоте 1 кГц от I₀ = 10^-12 Вт/м² (порог слышимости) до I_max = 10 Вт/м² (порог болевого ощущения). Отношение этих интенсивностей равно 10¹³, поэтому удобнее использовать логарифмические единицы и логарифмическую шкалу - шкалу уровня интенсивности. Шкала уровней интенсивности звука создается следующим образом: значение I₀ = 10^-12 Вт/м² принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятичный логарифм ее отношения к I₀.

Уровень интенсивности L выражают в белах (Б) или децибелах (дБ):

, (2)

, (3)

где I - интенсивность звука, I₀ - интенсивность звука на пороге слышимости

Интенсивность и уровень интенсивности – объективные характеристики звука, т.к. их можно зарегистрировать измерительными приборами, независимо от восприятия человека.

Физиологические характеристики звука

Звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

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

Тембр звука почти исключительно определяется его акустическим спектром (спектральным составом).

Субъективной характеристикой звука также является громкость Е, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Громкость можно оценить количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.

В основе измерения громкости лежит психофизический закон Вебера – Фехнера: при увеличении раздражения в геометрической прогрессии (в одинаковое число раз) ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (на одинаковую величину).

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

, (4)

где k - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности звука.

Если бы коэффициент k был постоянным, то из (2) и (4) следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале громкостей. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы (4).

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и уровня интен­сивности совпадают. В этом случае k = 1 и

, (5)

. (6)

Для отличия от шкалы интенсивности звуки по шкале громкости называют фонами (фон).

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. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.