Вопрос 1. Основные физические характеристики звука и соответствующие им сенсорные качества.

Основными физическими характеристиками звуковых волн являются частота, амплитуда, или интенсивность, и сложность. Ниже мы рассмотрим каждую из этих характеристик отдельно и одновременно расскажем об их психологических эффек­тах (о высоте, громкости и тембре соответственно).

Частота

Одной из характеристик звуковых волн, свидетельствующей о том, насколько бы­стро протекает цикл изменений давления, является число циклов изменения давле­ния (т. е. переходов от сжатия к разрежению и обратно), происходящих в течение 1 с. Она называется частотой (f) и измеряется в герцах (Гц); единица измерения часто­ты, названная в честь немецкого физика Генриха Герца (1857-1894), равна числу изменений звукового давления, или циклов, в секунду. Так, если частота звука равна 1000 Гц, значит за секунду происходит 1000 циклов, или изменений, звукового дав­ления (рис. 12.2). Считается, что молодые люди способны воспринимать звуки с частотой от 20 до 20000 Гц; звуки, частота которых ниже 20 или выше 20000 Гц, находятся ниже и выше порога слухового восприятия человека.

Частота и длина волны. Для описания звуковых волн используется также и такая характеристика, как длина одиночной волны. Как будет ясно из материала, изложенного в главе 14, это свойство весьма полезно для понимания многих аспек­тов такого феномена, как локализация звука. Длина звуковой волны — это линей­ное расстояние между двумя последовательными компрессиями (этот параметр обозначается греческой буквой — λ) (рис. 12.3).

Длина волны обратно пропорциональна частоте (т. е. λ=v/f ). Так, в воздушной среде длины волн звуков, распространяющихся с постоянной скоростью 335 м/с и имеющих частоту 1100, 550 и 2200 Гц, равны 30,48; 60,96 и 15,24 см соответствен­но. Чем больше частота звука, тем чаще в течение определенного промежутка вре­мени изменяется давление, тем ближе пики и подошвы звуковой волны примыка­ют друг к другу и тем короче сама волна. Так, низкочастотный звук имеет длинную волну, а высокочастотный — короткую (рис. 12.4). Из графика следует, что длина волны звука с частотой 1100 Гц равна 30,48 см.

Высота звука. Частота характеризует физическое свойство звука — число из­менений звукового давления в секунду. Психологическим параметром аудиального стимула, непосредственно связанным с его частотой, является абсолютная вы­сота тона, и звуки разной высоты вызывают у слушателей разные ощущения: они могут казаться высокими или низкими. Высота звука изменяется в очень широких пределах, и известны как очень низкие, басовые, звуки, так и исключительно высокие, дискантовые.

Амплитуда

Звуки отличаются друг от друга не только по высоте, но и по амплитуде — коли­честву изменения звукового давления, т. е. степени смещения (компрессии или декомпрессии) относительно положения покоя (рис. 12.2). При низком давлении амплитуда звука мала и звук слабый, при высоком давлении воздуха амплитуда звука велика и слышен интенсивный звук. (Характеризующие звук термины амп­литуда и интенсивность — взаимозаменяемые.)

Будучи физическим параметром, амплитуда, или интенсивность, звука зависит от давления или силы, воздействующих на его источник. Основной единицей изме­рения давления является сила на единицу площади. Несмотря на то что давление звука может быть выражено во многих других единицах, для удобства в акустике (разделе физики, занимающемся изучением упругих волн) давление измеряется в динах на квадратный сантиметр (дин/см²). Иногда давление звука оценивается в эквивалентной единице — в микробарах, сокращенно мбар. Сравнительно недав­но изменение давления стали выражать в ньютонах на квадратный метр, Н/м², и микропаскалях, мкПа.

Децибел (дБ). Интервал амплитуд, к которым чувствительно ухо, чрезвычай­но широк. Сила самого громкого звука в миллиарды раз превышает интенсивность самого слабого звука, улавливаемого человеческим ухом. Поскольку этот интер­вал огромен, удобно пользоваться логарифмической шкалой давлений, названной в честь Александра Грэма Белла децибельной (дБ) шкалой. Преимущество лога­рифмической шкалы децибелов для оценки интенсивности звука заключается В том, что она сокращает огромный интервал возможных значений амплитуд и пре­вращает все их значения, доступные человеку, в значительно более узкую и удоб­ную для практического использования шкалу, изменяющуюся от 0 до приблизи­тельно 160.

Децибелы — не такие абсолютные, фиксированные единицы, как граммы, мет­ры или ватты. Выражая интенсивность звука в децибелах, мы показываем, во сколь­ко раз он более интенсивен или менее интенсивен, чем звук, соответствующий эта­лонному звуковому давлению Р^г. Децибельная шкала, построенная относительно эталонного давления, равного 0,0002 дин/см² и принятого в качестве порогового значения, обычно называется уровнем звукового давления (УЗД). Это название вве­дено в обиход в связи с тем, что для практических целей при определении децибел нередко используются и другие эталонные давления.

В табл. 12.1 представлены децибелы, рассчитанные по фор­муле для интервала давлений (Р^е), создаваемых некоторыми знакомыми нам ис­точниками звуков. Для наглядности отобраны такие значения давлений, которые отличаются друг от друга на порядки (например, давление, равное 200 дин/см², в десять раз больше давления, равного 20 дин/см², которое, в свою очередь, в 10 раз больше давления, равного 2 дин/см² и т. д.).

Приведенные в таблице данные свидетельствуют о том, что изменения звуко­вого давления и децибелы связаны между собой не линейной, а скорее логариф­мической зависимостью. Сравнение данных, приведенных в первых двух графах, показывает, что при десятикратном увеличении звукового давления (Р^е) число децибел увеличивается на 20. Например, если интенсивность одного звука равна 80 дБ, а интенсивность второго — 60 дБ, то в первом случае звуковое давление в 10 раз выше, чем во втором (разница в силе звуков равна 20 дБ). Обратите внима­ние на то, что интенсивность шепота на 20 дБ превышает интенсивность звука, соответствующего слуховому порогу и имеющего интенсивность (в дБ), равную нулю. В данном случае тоже имеет место десятикратное увеличение звукового дав­ления. Для сравнения: амплитуда звуковой волны, соответствующей обычному разговору, на 60 дБ больше, чем эталонный уровень, что соответствует тысячекрат­ному увеличению звукового давления.

Связь между звуковым давлением и децибелами (УЗД) для некоторых хорошо известных источников звуков

Давление, Ре, дин/см3	дБ	Источник звука
2000	140	Реактивный самолет в момент взлета Может вызвать боль и стать причиной травмы
200	120	Раскат грома, сопровождаемый ударом молнии, рок-музыка передаваемая через усилитель
20	100	Интенсивный транспортный поток, шум метро, пневматическая дрель
2,0	80	Заводской шум, фен для сушки волос, пылесос
0,2	60	Обычный разговор
0,02	40	Офис, в котором занимаются канцеляр­ской работой, или жилое помещение
0,002	20	Шепот, шелест листьев
0,0002	0	Слуховой порог

Нелинейный характер зависимости между изменениями звукового давления и выражениями этих изменений в децибелах требует осторожности при интерпре­тации численных значений последних. Выше уже отмечалось, что увеличение зву­кового давления на порядок одновременно означает и его увеличение на 20 дБ. Кроме того, двукратное увеличение звукового давления приводит к его увеличе­нию на б дБ. (Аналогично и уменьшение звукового давления вдвое уменьшает ко­личество децибел на б единиц.) Это значит, что если амплитуда давления звука равна 20 дБ УЗД, то после двукратного увеличения давления повышения децибельного уровня вдвое не произойдет. Скорее всего, амплитуда изменится от 20 до 26 дБ. Аналогичным образом, при уменьшении вдвое звукового давления, соответ­ствующего 40 дБ УЗД, мы получим звук, интенсивность которого равна 34 дБ УЗД.

Громкость — слуховое ощущение, или психологический параметр, определя­емый величиной амплитуды. Звуковые волны с большими амплитудами, соответ­ствующими большим изменениям звукового давления, воспринимаются как гром­кие звуки, а волны с небольшими амплитудами, соответствующие незначительным изменениям звукового давления, воспринимаются как звуки малой интенсивности. Амплитуда звуковой волны важнейший, но не единственный фактор, определяю­щий громкость звука. Ощущение громкости звука может зависеть также и от его частоты. Кроме того, между амплитудой и громкостью нет линейной зависимости. Как уже отмечалось выше, амплитуда звука, создающего звуковое давление, рав­ное 26 дБ, в два раза больше амплитуды звука, создающего давление, равное 20 дБ; однако сказать, что первый звук в два раза громче второго, нельзя. В следующей главе этот вопрос будет рассмотрен более подробно.