В каких единицах измеряется интенсивность звука. Звук и акустические единицы измерения. Звучание музыкальных инструментов

Интенсивность звука – это… Определение понятия, классификация, допустимые нормы

В каких единицах измеряется интенсивность звука. Звук и акустические единицы измерения. Звучание музыкальных инструментов

Интенсивность звука — это количество энергии, которое переносит звуковая волна за 1 секунду через единицу площади среды. Интенсивность зависит от частоты волны, от акустического давления.

Как видите, с интенсивностью связано много других понятий: звуковая волна, ее частота, акустическое давление, поток звуковой энергии.

Чтобы понять, что такое интенсивность, мы подробно разберем каждый связанный с ней термин.

Как появляется звук

Звук может возникнуть от колеблющегося тела. Оно должно вибрировать достаточно быстро, чтобы создать возмущение в среде и породить акустическую волну.

Однако для ее возникновения необходимо еще одно условие: среда должна быть упругой. Упругость — это способность противостоять сжатию или любому другому виду деформации (если говорить о твердых телах).

Да, упругостью обладают и твердые тела, и жидкости, и газы, и воздух (как смесь разных газов), но в разной степени.

Ну что, девчонки и мальчишки, сочиним загадки про шишки?

Величина упругости определяется плотностью. Известно, что твердые среды (дерево, металлы, земная кора) проводят звук намного лучше, нежели жидкие. А если сравнивать воду и воздух, то во второй среде звуковая волна расходится хуже всего.
Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА Жизнь программиста и интересные обзоры всего. , чтобы не пропустить новые видео.

Упругость воздуха и более плотных сред обусловлены разными причинами. В жидкостях и твердых телах есть силы межмолекулярного взаимодействия. Они удерживают частицы вместе в виде кристаллической решетки, и звуковой волне очень легко распространяться по ее узлам.

Молекулы воздуха не связаны между собой, их разделяют большие расстояния. Частицы не рассеиваются благодаря непрерывному и беспорядочному движению, а также силе тяжести. Давно замечено: чем более разрежен воздух (например, в верхних слоях атмосферы), тем меньше интенсивность, громкость звука. На Луне полная тишина, но не потому, что там нечему звучать, а из-за отсутствия воздуха.

Как звуковая волна бежит по воздуху

Наибольший интерес для нас представляет распространение звуковой (акустической) волны в воздухе. Когда тело отклоняется от начального положения, оно сжимает близлежащий воздух с одной стороны от себя.

С противоположной — среда разреживается. Возвратившись в исходное положение, источник звука отклоняется в другую сторону и сжимает воздух там. Так продолжается до тех пор, пока тело не прекратит движение.

Как же ведут себя частицы? К их хаотичному движению добавляется колебательное. В отличие от постоянного теплового движения молекул, колебательное имеет одно направление. В слое воздуха, который перпендикулярен направлению отклонения тела, частицы начинают подталкивать друг друга.

Они движутся с источником звука в одном направлении. Таким образом, чередующиеся сжатия-разрежения воздуха передаются от одного слоя воздуха к другому. Это и есть акустическая волна. Интенсивность звука — это величина, зависящая от основных характеристик волны — частоты и длины.

Частота звука

Проштудировать — это хорошенько изучить

Частота волны зависит от того, как быстро вибрирует источник звука. Все тела колеблются с разными частотами, но не каждая частота доступна нашему восприятию. Те волны, которые мы слышим, называются звуком. Частота акустической волны измеряется в герцах (1 Гц равен 1 колебанию в секунду).

Слои сжатого и разреженного воздуха чередуются. Длина волны равна расстоянию между соседними слоями, в которых одинаковое давление. Звук не распространяется бесконечно далеко, потому что с увеличением дистанции волна ослабевает.

То, как далеко он разойдется, зависит от длины и частоты акустической волны. Эти величины прямо пропорциональны: высокочастотные волны короче, чем низкочастотные.

О звуках высокой частоты мы говорим как о высоких, волны низкой частоты порождают низкие звуки.

Уровень интенсивности звука имеет прямую зависимость от частоты акустических колебаний и длины волны. Так, комариный писк звучит с частотой 10 тыс. Гц и имеет длину волны всего 3,3 см. Мычание коровы — это интенсивный звук, который слышно минимум с 10 метров. Его частота — 30 Гц.

Акустическое давление

В каждом слое воздуха, которого достигла звуковая волна, давление изменяется то в большую, то в меньшую сторону. Величина, на которую оно, по сравнению с атмосферным, увеличивается, называется акустическим (звуковым) давлением.

Наше ухо поразительно чувствительно. Трудно поверить, но оно различает изменение давления в 0,01 миллионной доли грамма на единицу площади. Шорох создает очень малое давление, оно равно 3*10-5 Н/м2. Эта величина в 3*1010 раз меньше атмосферного давления.

Оказывается, человеческий слух точнее химических весов. Физиологи изучили упругость барабанной перепонки и давление, которое оказывает самый тихий звук.

Сопоставив данные, они пришли к выводу, что барабанная перепонка выгибается на расстояние, которое меньше, чем размеры атома.

Интенсивность звука и звуковое давление имеют прямую зависимость. Когда тело колеблется с низкой частотой, оно значительно повышает давление — звук выходит сильным. Интенсивность (сила) звука пропорциональна квадрату акустического давления.

Поток звуковой энергии

Порядок и правила приема в школу

Звуки различной частоты и интенсивности определяются потоком звуковой энергии. Звуковая волна распространяется во все стороны в виде шара. Чем дальше расходится волна, тем она становится слабее. Энергия, которую она несет, распределяется на увеличивающуюся площадь — звук затихает. Квадрат звуковой энергии обратно пропорционален квадрату расстояния до вибрирующего тела.

Поток звуковой энергии — это количество кинетической энергии, которое проносит волна через площадь поверхности за секунду. Имеется в виду поверхность среды, например, слой воздуха, расположенный под прямым углом к направлению упругой волны. Поток энергии измеряется в ваттах (Вт).

Сила звука

Сила (интенсивность) звука — это величина, для нахождения которой нужно знать, каков поток энергии. Его значение следует разделить на площадь поверхности, перпендикулярной распространению волны (в м2).

Интенсивность звука обозначается буквой I. Минимальное значение (I0) составляет 10-12 Вт/м2. Чем выше интенсивность, тем более громким кажется звук. Зависимость силы звука и громкости установили опытным путем. Было замечено, что когда интенсивность поднимается в 10 раз, громкость увеличивается на 10 децибел (дб), когда в 100 раз — на 20 дб.

Слышимые и неслышимые звуки

Физиология позволяет человеку слышать звуки только в определенных пределах. Если тело колеблется с частотой больше 16-20 килогерц (кГц) и меньше 16-20 Гц, наше ухо не сможет этого воспринять.

Частота и интенсивность звука связаны между собой. Звуковые волны высокой частоты передают очень незначительное количество энергии. Ее не хватает на то, чтобы изменить акустическое давление настолько, чтобы наша барабанная перепонка завибрировала. О таких звуках говорят: они находятся за порогом слышимости.

Волна с частотой меньше 16 тыс. Гц называется ультразвуком. Самые известные существа, которые «разговаривают» ультразвуком, — это дельфины и летучие мыши. Инфразвук, хотя мы его и не слышим, при определенной интенсивности (190-200 дб) может привести к смерти, т. к. слишком сильно повышает давление в легочных альвеолах.

Интересно, что на различных частотах зависимость громкости и интенсивности звука разная. На средних частотах (около 1000 Гц) человек чувствует изменения интенсивности всего на 0,6 дб. Граничные уровни частоты — совсем другое дело. На них мы едва различаем изменение интенсивности звука на 3 единицы.

Классификация звуков

Интенсивность звука измеряют в Вт/м2, однако для сравнения звуков между собой и с минимальным уровнем интенсивности используют децибелы.

Звуки делятся на:

  • очень слабые (0-20 дб);
  • слабые (21-40 дб);
  • умеренные (41-60 дб);
  • громкие (61-80 дб);
  • очень громкие (81-100 дб);
  • оглушительные (больше 100 дб).

На рисунке приведены примеры самых распространенных звуков разной интенсивности.

Допустимые нормы

Постоянный шум или тот, что сохраняется на протяжении длительного времени, называется фоновым. Для квартиры 20-30 дб — это нормальный уровень фонового шума. Он воспринимается человеком как тишина.

Звуки в 40 дб тоже допустимы, а вот громкость в 60 дб приемлема для офисов, учреждений. Длительное воздействие звуков громкостью 70 дб приводит к нарушениям центральной нервной системы.

Именно с такой громкостью “звучит” улица, а на оживленных проспектах шум достигает 85-90 дб. Звуки в 100 дб снижают слух и могут привести к его полной потере.

Интенсивность звука — это величина, допустимые значения которой прописаны в санитарных правилах и нормах (СанПиН). Период времени, в который допускается включать шумные бытовые приборы, громко разговаривать, делать ремонт и т. п. определяется Законом «Об обеспечении тишины и покоя».

Его принимают отдельно для каждой области. Время в каждом регионе может отличаться: где-то дневные часы начинаются в 7:00 утра, а где-то — в 9:00. К примеру, в Московской области, ночным тихим временем считается промежуток с 21:00 по 8:00 в будние дни и с 22:00 до 10:00 в выходные.

Кроме того, существует тихий час с 13:00 до 15:00.

Источник

Источник: https://1Ku.ru/obrazovanie/56191-intensivnost-zvuka-jeto-opredelenie-ponjatija-klassifikacija-dopustimye-normy/

Громкость

В каких единицах измеряется интенсивность звука. Звук и акустические единицы измерения. Звучание музыкальных инструментов

Амплитуда колебаний в нашем восприятии соответствует громкости звука:

Единицы измерения громкости

Существуют различные способы количественного описания звуковых колебаний, использующиеся в разных областях.

Обычно используются следующие основные единицы измерения:

  • Интенсивность звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую звуковой волной в направлении распространения. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м2).
  • Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).
  • Громкость звука (Уровень звукового давления, SPL или sound pressure level) — субъективное восприятие силы звука. Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Интенсивность звука и Звуковое давление находятся в квадратичной зависимости, точнее:

где I — интенсивность звука, Вт/м2; p — звуковое давление, Па; Zs — удельное акустическое сопротивление среды; t — усреднение по времени.

Громкость звука является относительной величиной и определяется как измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению PSPL = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ, dB) — относительная единица, подобная кратности («трёхкратное отличие») или, например, процентам.

Величина, выраженная в децибелах, равна десятичному логарифму отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять (умножение на 10 переводит белы в децибелы):

где AdB — величина в децибелах, A — измеренная физическая величина, A0 — величина, принятая за точку отсчета.

В приведенной формуле дБ используется для оценки отношения интенсивности звука, однако, чаще для этого используется звуковое давление.

Таким образом, когда мы говорим о громкости звука в децибелах, мы имеем в виду отношение значения его звукового давления к “нулевой” или “опорной” величине (условный 0 дБ), которая составляет 20 мкПа и соответствует стандартному порогу слышимости (порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц).
В этом случае используется формула:

В основном формула аналогична приведенной выше, только в качества точки отсчета указано 20 мкПа, а вместо 10 логарифм умножен на 20 (т.е. на 10 и на 2). Это отражает уже упомянутую выше квадратичную зависимость силы звука и звукового давления1.

Приведем некоторые соответствия значений в децибелах увеличению звукового давления относительно порога слышимости:

6 дБ → в 2 раза (lg(2) = 0,30102999566), 9,5 дБ → в 3 раза (lg(3)= 0,47712125472), 12 дБ → в 4 раза (lg(4)= 0,60205999132),

20 дБ → в 10 раз (lg(10)= 1).

Любое удвоение величины звукового давления выражается в увеличении его уровня на 6 дБ, как видно из следующей таблицы:

Отношение силы звука или электрической мощности (“энергетические” величины)ДецибелыОтношение звукового давления, напряжения или тока (“амплитудные” величины)Децибелы
1010
2326
34,839,5
46412,0
57514,0
67,8615,6
78,5716,9
89,0818,1
99,5919,1
1010,01020,0
10020,010040,0
100030,0100060,0
1000040,01000080,0
10000050,0100000100,0
100000060,01000000120,0

См. также: Сравнительные шкалы для расчёта уровня цифрового звука2

Следует иметь в виду, что в децибелах может выражаться не только SPL, но и, например, напряжение, а также, что могут использоваться различные опорные уровни или “точки отсчета”, на что указывает соответствующая аббревиатура после dB: dBSPL, dBFS и т.д. Так например, часто используются:

  •  dBFS (от англ. Full Scale — «полная шкала») — опорное напряжение соответствует полной шкале прибора; например, «уровень записи составляет −6 dBFS». При этом максимально возможный уровень записи равен 0 dBFS.
  • dBSPL (от англ. Sound Pressure Level — «уровень звукового давления») — опорное звуковое давление 20 мкПа, соответствующее порогу слышимости; например, «громкость 100 dBSPL».
  • dBPa — опорное звуковое давление 1 Па, или 94 дБ звуковой шкалы громкости dBSPL; например, «для громкости 6 dBPa микшером установили +4 dBu, а регулятором записи −3 dBFS, искажения при этом составили −70 dBc» и т.д.

Зачем такие сложности?

Для применения децибелов и есть ряд причин:

  • Характер отображения в органах чувств человека и животных изменений течения многих физических и биологических процессов пропорционален не амплитуде входного воздействия, а логарифму входного воздействия (“живая природа живёт по логарифму”, см. Закон Вебера-Фехнера3). Поэтому вполне естественно шкалы приборов и вообще шкалы единиц устанавливать именно в логарифмические, в том числе, используя децибелы.
  • Удобство отображения и анализа величин, изменяющейся в очень широких пределах (например, графическое отображение уровней сигнала звукозаписывающих и звуковоспроизводящих устройств)
  • Удобство согласования электрических и акустических величин (т.е. напряжений и SPL) и шкал их значений в звукозаписывающих и звуковоспроизводящих устройствах:

На звуковом оборудовании за точку отсчета обычно берется максимальный уровень громкости.

Значения отображаются по отношению к максимальному уровню громкости, на который способно оборудование и это должны быть отрицательные величины, любое положительное значение означает “перегрузку” и искажения при воспроизведении или записи. В цифровой и аналоговой технике используются шкалы dBFS и dBu соответственно.4

Представьте, что вы находитесь в очень тихом помещении и определили, что уровень звукового давления, создаваемого жужжанием мухи, составляет 40 дБ SPL. Из табл.

1 мы видим, что 40 дБ соответствует отношению звукового давления 100, то есть жужжание мухи создает звуковое давление в 100 раз большее, нежели 0 дБ SPL, соответствующих порогу слышимости.

Величина порога слышимости, представленная относительным уровнем 0 дБ SPL, соответствует давлению 0,0002 дин на квадратный сантиметр (дин/см2) или 20 мкПа (1 дин/см2 = 0,1 Па). Дин есть единица измерения силы.

Буквенное обозначение “SPL” после выражения в децибелах говорит о том, что уровень 0,0002 дин/см2 является референсным уровнем. Зная это, мы можем вычислить давление, создаваемое звуком жужжания мухи: оно составляет 0,02 дин/см2 (100×0,0002).

Две жужжащие мухи создают звуковое давление 46 дБ, то есть давление удваивается и уровень повышается на 6 дБ по сравнению с уровнем в 40 дБ, создаваемым одной мухой.

Поскольку 40 дБ соответствуют давлению 0,02 дин/см2, то для 46 дБ уровень давления составит 0,04 дин/см2. В настоящем примере мы предполагаем, что мухи производят одинаковое звуковое давление и создаваемые ими звуки абсолютно синфазны.

Фактически фазовый сдвиг между двумя звуками является произвольным, что приводит к увеличению уровня мощности звука на 3 децибела.

Теперь давайте рассмотрим другой пример. Предположим, что взлетающий реактивный самолет создает звуковое давление (SPL) 120 дБ. Обратившись к таблице 1, мы увидим, что 120 децибел соответствуют отношению давления, равному 1000000.

Иными словами, самолет создает такое давление звука на наши барабанные перепонки, которое в миллион раз превышает порог слышимости.

Умножив 1000000 на референсное давление (0,0002 дин/см2), мы узнаем, что уровень давления составляет 200 дин/см2 (0,002 х 1000000).

Если же добавить еще один взлетающий самолет, то, как мы уже знаем, количество децибел SPL увеличится со 120 дБ до 126 дБ, а давление — с 200 дин/см2 до 400 дин/см2 (при том условии, что оба самолета создают синфазные звуки равной громкости).

Разумеется, звук второго взлетающего самолета намного сильнее жужжания второй мухи. И тем не менее, в обоих случаях возрастание уровня звукового давления выражается одним и тем же значением — 6 дБ.

Сравнительная таблица громкости в дБ

Уровни звукового давления от различных источников5

См. также: http://audiophilesoft.ru/publ/my/digital_loudness/11-1-0-86 http://soundex.ru/index.php?showtopic=25838

Источник: http://www.moozon.ru/node/3985

Интенсивность звука, необходимость её измерения

В каких единицах измеряется интенсивность звука. Звук и акустические единицы измерения. Звучание музыкальных инструментов

Теория акустики предусматривает три фундаментальных величины звука: звуковое давление, звуковая мощность и интенсивность звука.

Мощность звука – это величина, излучаемая источником звука.
Звуковое давление – величина, характеризующая звуковое поле и воспринимаемая человеческим ухом или звуковыми приборами. Слишком высокое звуковое давление может повредить слух человека.

Основные параметры, оказывающие влияние на величину звукового давления, это расстояние от источника звука до воспринимающего его прибора или человека и акустические условия звукового поля.

Ввиду этого для определения количества шума, испускаемого каким-либо источником, необходимо определить его звуковую мощность.

С точки зрения математики звуковая мощность это отнесенная к единице времени энергия звука.

Интенсивность звука, в свою очередь, отображает скорость потока звуковой энергии через единицу площади, и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).

Отображая направление потока звуковой энергии в определенной точке, интенсивность звука является векторной величиной и измеряется обычно в направлении нормали к определенной единичной площади.

Основная цель методов акустической интенсометрии – измерение интенсивности звука с целью определения интенсивности и локализации шума и разработке мер по снижению уровня шума на рабочем месте до безопасных для здоровья человека значений. Основным преимуществом измерения интенсивности звука по сравнению с измерением звукового давления является независимость величины этого параметра от параметров звукового поля.

Эта независимость позволяет с большой точностью выявить, идентифицировать и локализовать наиболее шумные узлы станков и механизмов даже на фоне общего звукового поля.

Звуковое поле – это пространство распространения звуковых волн. Описано несколько видов звуковых полей:

  • Свободное звуковое поле – такое поле, где звуковые волны распространяются в идеальном пространстве без каких-либо отражений. Примером таких полей могут считаться безэховые камеры и воздушное пространство на значительном удалении от земной поверхности.
  • Диффузное звуковое поле – поле, в котором существуют множественные отражения звуковых волн, распространяющихся в результате во всех направлениях с идентичными амплитудой и вероятностью. Благодаря определенному соотношению между звуковым давлением и односторонней интенсивностью звука можно определить звуковую мощность источника в таком поле (ISO 3741).
  • Активное и реактивное поля – звуковые поля, для которых соответственно характерно и нехарактерно наличие звукового потока. Любое звуковое поле имеет активную и реактивную составляющие, поэтому суммарная интенсивность звука равна нулю. Практическими примерами реактивных звуковых полей являются поле стоячих волн (в каналах, трубах) и ближнее поле источника звука.

Существуют несколько методов определения интенсивности звука:

  • Уравнение Эйлера – в этом случае измеряют звуковое давление и градиент звукового давления, т.е. темп его изменения в зависимости от расстояния. Результат измерения градиента подставляют в уравнение Эйлера. Его решение дает колебательную скорость частиц, усредненное произведение которой с величиной звукового давления определяет интенсивность звука.
  • Конечно-разностная аппроксимация – в этом случае градиент звукового давления измеряют с помощью зонда с двумя микрофонами, разнесенными на близкое расстояние, в результате чего можно получить кусочно-линейную аппроксимацию функции, соответствующей градиенту давления. Для этого определяют два значения давления, затем разность их разность делят на расстояние между микрофонами зонда. Затем полученный градиент интегрируют, что дает колебательную скорость частиц. Мгновенные значения колебательной скорости умножают на мгновенные значения звукового давления, после чего полученное произведение усредняют по времени и получают значение интенсивности звука.

Уровни интенсивности звука, его давления, мощности и колебательной скорости частиц измеряют в децибелах. Эта величина соответствует отношению соответствующей величины к ее опорному значению, приблизительно соответствующему порогу слышимости.

Чтобы определить звуковую мощность источника шума, его условно окружают опорной поверхностью и умножают среднее значение интенсивности звука на этой поверхности на ее площадь.

Используют три основных типа опорных поверхностей: коробку, полушарие и конформную поверхность. Коробка может иметь любую форму и размеры, ее площадь легко определить, а плоские стенки позволяют достаточно просто усреднить величину интенсивности звука на каждой из них. В результате сложения отдельных значений определяется общая мощность источника звука внутри машины.

Полушарие позволяет ограничить количество измерительных точек, а в случае всенаправленного источника звука в любой из них значение интенсивности будет одинаковым. ISO 3745 рекомендует применять 10 точек на поверхности полушария: одну в вершине и по три на трех окружностях.

Конформная поверхность соответствует форме источника звука и находится на чрезвычайно малом расстоянии от него. Точки замера находятся в ближнем поле источника и обеспечивается большое отношение сигнала к шуму. Результаты позволяют локализовать отдельные источники шума.

Интенсиметрия широко применяется в строительстве. Ее используют для разработки эффективных методов звукоизоляции и шумоподавления. В строительной и архитектурной акустике применяются два метода интенсиметрии: основанный на звуковом давлении и основанный на интенсивности звука.

Первый метод описан в стандарте ISO 140 и предполагает использование двух реверберационных помещений с исследуемой перегородкой между ними. В каждом из помещений измеряется средний уровень звукового давления. Отношение интенсивности звука в передаточном помещении к интенсивности в приемном дает коэффициент ослабления звука, присущее исследуемой перегородке.

Второй метод предполагает использование только одного реверберационного помещения. В нем измеряется среднее звуковое давление, а в приемном помещении с помощью аппаратуры измеряют интенсивность звука, пропущенную исследуемым объектом.

Также достаточно часто исследуют шумы, возникающие при вращательной или возвратно-поступательной работе различных механизмов. Нашли применение интенсиметрические методы также для определения эффективности излучения, то есть сообщения воздуху звуковых колебаний.

Применяется метод и для интенсиметрии колебаний, распространяющихся в твердых телах. Интенсиметрия широко применяется для исследования вентиляционных каналов, воздуховодов, труб.

При этом применение метода для исследования высокоскоростных воздушных потоков не допускается.

Комплект оборудования для проведения интенсиметрии в общем случае включает в себя интенсиметрический зонд, анализатор и калибратор.

Интенсиметрический зонд представляет из себя два микрофона, закрепленных на жестокой распорной раме лицевыми сторонами друг против друга. В зависимости от исследуемого диапазона частот микрофоны располагаются на расстоянии 6, 12 или 50 мм друг от друга.

Анализаторы спектра ZET 017 а так же ZET 032, ZET 034 или ZET 038 позволяют в реальном масштабе времени обрабатывать полученные измеренные значения, а программное обеспечение ZETLAB ANALIZ анализировать обработанные сигналы при помощи узкополосного спектрального анализа, долеоктавного спектрального анализа, модального анализа, взаимного корреляционного анализа и пр.

Калибратор представляет собой малую акустическую камеру, в которой создается звуковое поле с точно определенными опорными уровнями давления, колебательной скорости частиц и интенсивности звука. Относительно этого поля калибруются микрофонные комплекты и проверяется точность измерений.

Пример настройки оборудования на базе программно-аппаратного комплекта ZETLAB.

Для получения необходимого результата требуется предварительная настройка программной части комплекта. Для этого понадобятся ряд программ: Формула, Фильтрация и Взаимный узкополосный спектральный анализ.

    1. Запускаем программу Формула из меню Автоматизация панели ZETLAB.Необходимо установить количество каналов 3 и произвести ряд действий, требуемых для вычисления интенсивности звука.

      Как уже было сказано, интенсивность — это усреднённое по времени произведение звукового давления и колебательной скорости частиц. Общая формула для определения интенсивности звука:

      I =(-2ρΔr)-1(p1+p2)∫(p2-p1)dt,

      где ρ — плотность среды,
      Δr — расстояние между микрофонной парой,
      p1 — звуковое давление, измеренное 1м микрофоном,
      p2 — звуковое давление, измеренное 2м микрофоном.
      Следовательно, нам необходимо через программу Формула вычислить три величины: разность звукового давления, среднее звуковое давление и градиент звукового давления:

2. Следующий шаг — определение колебательной скорости частиц. Для этого необходимо проинтегрировать полученное значение градиента звукового давления.
Запускаем программу Фильтрация сигналов из меню Автоматизация панели ZETLAB. Выбираем виртуальный канал (созданный с помощью программы Формула), определяющий градиент звукового давления и устанавливаем тип фильтрации Инт.1.

3. Заключительный шаг — получение спектра, соответствующего интенсивности звука. Запускаем программу Взаимный узкополосный спектральный анализ из меню Анализ панели ZETLAB. Производим настройку программы и смотрим усредненный взаимный спектр колебательной скорости частиц и звукового давления.

Источник: https://zetlab.com/podderzhka/vibrometriya-i-akustika/gotovyie-resheniya-na-baze-analizatorov-spetra/intensivnost-zvuka/

Звук в цифрах

В каких единицах измеряется интенсивность звука. Звук и акустические единицы измерения. Звучание музыкальных инструментов

При покупке звукового оборудования, будь то наушники, микрофон, звуковая карта и т.д., вы выбираете его по тем или иным характеристикам, а кто-то просто по отзывам и совету продавца, потому что не особо разбирается в тех цифрах, что представлены в описании товара.

Давайте же станем покупателями, которые делают свой выбор осознанно, покупая товар за его характеристики, а не репутацию.

Поэтому данная статья будет посвящена звуку и тем его характеристикам, которые можно измерить и выразить в цифрах, на примерах устройств звукоусиления (наушников и акустических систем).

Вспомним школьный курс физики, который учил нас, что звук – это механическая волна, т.е. колебания, распространяющиеся в среде, и курс биологии, рассказывающий, что эти колебания воспринимаются нашим ухом и преобразуются в нервные импульсы, посылаемые в мозг и воспринимаемые как конкретные звуки.

Звуковые волны – это волны сжатия и разряжения воздушной среды, в которой звук распространяется. Основными характеристиками звука являются его высота, определяемая частотой, и громкость, определяемая амплитудой.

Если говорить о музыкальном звуке, то стоит добавить две характеристики: длительность и тембр.

Высота

Высота звука, как было сказано выше, определяется частотой колебаний. Причем зависимость эта не линейная, а представляет собой геометрическую прогрессию. Если говорить об инструменте, то частота зависит от толщины, длины и упругости струны, например.

Человеческое ухо способно воспринимать звуки в частотном диапазоне 16 – 20000 Гц, хотя верхняя граница незначительно изменяется с возрастом. Низкие звуки хорошо воспринимаются в любом возрасте. В музыке используется диапазон наиболее четкого восприятия звука: 16 – 4500 Гц.

Если говорить о наушниках, то чаще всего в их характеристиках можно встретить следующие цифры: 20 – 20000 Гц, которые и означают диапазон воспроизводимых частот. Эти цифры не несут практически никакой информации о звуке наушников и не позволяет сравнивать разные модели.

Строго говоря, нет никаких стандартов по поводу измерения и указания частотного диапазона наушников, поэтому производитель может и не указывать этот параметр.

Но некоторые покупатели являются жертвами маркетинга, и, когда видят, что указан расширенный диапазон, например, 15-21000 Гц, бегут приобретать модель с уникальными характеристиками.

Хотя нижние и верхние границы они просто не услышат… Хотя границы частотного диапазона говорят о том, что окончательные спады АЧХ начинаются только у этих дальних границ, а не раньше. Поэтому заниженная нижняя граница позволяет надеяться, что нижний бас в данной модели хотя бы присутствует.

Громкость

Громкость звука – это отражение в восприятии силы звука. Громкость определяет уровень мощности, которая зависит от амплитуды звукового сигнала. Ухо воспринимает не мощность, а звуковое давление на барабанную перепонку, то есть звуковую энергию, приходящуюся на единицу площади, получаемую от источника, находящегося на расстоянии 1 метр.

Громкость выражается в децибелах (дБ). Минимальная громкость, которую слышит человек, называется порог слышимости. Громкость, при которой человек испытывает боль, называется болевым порогом. Интервал между порогом слышимости и болевым порогом Александр Бел поделили на 13 ступеней, создав, таким образом, шкалу звуковой мощности.

Что же такое 0 дБ? Это давление, оказываемое на ухо полностью неподвижной средой, что практически не достижимо. А вот 10 дБ соответствует средней громкости дыхания человека, 20 дБ – тиканью часов.

Человеческое ухо вообще вещь довольно интересная, и воспринимает различные звуки по-разному. Например, звуки голоса и взлетающего самолета различаются в миллион раз по силе создаваемого давления.

Таким образом, небольшое отличие по громкости в дБ (например рок-концерт 120 дБ и смертельные 160дБ) отличается по силе звукового давления в тысячи раз.

Т.е. увеличение на сколько-то дБ приводит к увеличению восприятия громкости в несколько раз. Попробуем объяснить на конкретных цифрах:      

  • Добавить 10 дБ = увеличить громкость в 2 раза.
  • Добавить 20 дБ = увеличить громкость в 4 раза.
  • Добавить 40 дБ = увеличить громкость в 16 раз.
  • Добавить 60 дБ = увеличить громкость в 1 000 000 раз и так далее

Еще немного цифр.

  • Увеличиваем расстояние до источника звука в 2 раза = минус 6 дБ.
  • Увеличиваем расстояние до источника звука в 10 раз = минус 20 дБ.

Вы можете подумать, что это какая-то странная и непонятная зависимость. И будете правы, ибо она не линейная, а логарифмическая, то есть добавление единицы в несколько раз увеличивает результат.

Следует также отметить, что громкость — это характеристика субъективная, зависящая от частоты. Что интересно, человек воспринимает одинаковую громкость на разных частотах как звуки разной громкости.

Чувствительность

Чувствительность – параметр, который часто указывается производителями акустических систем.

Для АС чувствительность – это интенсивность звукового давления, измеренная на расстоянии 1 м от источника звука частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт.

Чувствительность – величина относительная и измеряется в децибелах относительно порога слышимости. Можно встретить такое обозначение – уровень характеристической чувствительности или SPL, указываемый в дБ/Вт*м.

Для характеристики наушников чувствительность указывается по отношению к мощности (дБ/мВт), что не совсем удобно. Гораздо удобнее выражать чувствительность относительно напряжения (дБ/В), тогда её можно брать прямо из АЧХ на частоте 1 кГц.

Если представлять чувствительность относительно напряжения, то можно оценить зависимость громкости звука от подаваемого напряжения (а изменение громкости источника – это и есть изменение напряжения).

Сочетание высокой чувствительности и низкого сопротивления обеспечивают более высокую громкость, но, при этом вероятно появление лишних шумов в наушниках, которые будут слышны только тогда, когда не играет музыка, а некоторых это раздражает.

Мощность

Если снова обратиться к курсу физики, то мощность – это энергия, выделяемая в единицу времени. Поэтому более мощный звук не означает более громкий. Мощность – это скорее про механическую надежность акустической системы, а не про ее громкость.

Поясним: мощность, указываемая производителем в паспорте динамика или системы, гарантирует, что при подаче сигнала данной мощности динамическая головка не выйдет из строя.

То есть мощность – это не параметр звука, а технический параметр, который влияет на громкость.

Мощность акустической системы можно измерит разными способами и в разных условиях. Но наиболее важной характеристикой, указываемой производителем в описании акустических систем является значение мощности, указанной в Вт (RMS). Но стоит помнить о том, что громкость звука характеризуется всё же уровнем звукового давления, поэтому судить о громкости системы по показателю мощности не стоит.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ )

Что такое АЧХ? Это график, который показывает зависимость разницы амплитуд колебаний выходного и входного сигналов (вертикальная ось) от частоты (ось горизонтальная).

За 0 дБ принимают амплитуду колебаний на частоте 1 кГц. Идеальная АЧХ – это прямая линия, которую встретить нереально, к сожалению.

Поэтому чем более неравномерна кривая, тем больше искажений частот стоит ожидать от звука.

Что же означают цифры в описании неравномерности АЧХ устройства? Давайте разберем на примере. Если указано, например, 50 Гц – 16 кГц (±3 дБ), то это следует читать так: акустическая система на данном диапазоне имеет достоверное звучание, а на частотах, не попадающих в указанный диапазон, неравномерность резко увеличивается и АЧХ имеет «завал» (резкий спад характеристики).

Неравномерность АЧХ может выражаться в подъемах и спадах кривой. Так вот уменьшение уровня низких частот ведет к потере насыщенного звучания басов, а подъем вызывает гул. Если говорить о высоких частотах, при их завалах звук получается невнятным, а на подъемах будет раздражать свистом и шипящими звуками.

По отношению к наушникам, АЧХ показывает их тональный баланс. Именно по АЧХ и стоит выбирать наушники для определенных целей (басы, вокал, классика и т.д.). Вид АЧХ наушников зависит от их импеданса и полного сопротивления усилителя.

Нелинейные искажения

Так как акустические системы представляют собой сложное устройство, в котором происходят усиления сигнала, то на выходе звук обязательно имеет нелинейные искажения, одними из которых являются искажения гармонические, придающие звучанию новый тембр и ведущие к звуковым потерям.

Измеряют гармонические искажения с помощью коэффициента гармоник (КГ), который измеряется в процентах или в децибелах. Соответственно чем выше коэффициент гармоник, тем хуже звучание. Числовое значение КГ акустической системы зависит от мощности входящего сигнала.

Итак, рассмотрев основные характеристики звука, можно сказать, что правило «Чем больше цифры – тем лучше», работает далеко не всегда.

Поэтому либо осваивайте теорию и вперед со знанием дела выбирать нужное вам устройство, либо не вникайте и продолжайте доверять советам опытных продавцов-консультантов.

Что же касается основных звуковых характеристик микрофона, то этот вопрос следует разобрать более подробно и посвятить отдельную статью, что и будет сделано в скором времени.

Удачных покупок и творческих успехов!

Источник: https://pop-music.ru/articles/zvuk-v-tsifrakh/

Звук и акустические единицы измерения

В каких единицах измеряется интенсивность звука. Звук и акустические единицы измерения. Звучание музыкальных инструментов

Звуком называют механические колебания частиц упругой среды (воздух, вода, металл и т. п.), субъективно воспринимаемые органом слуха. Звуковые ощущения вызываются колебаниями среды, происходящими в диапазоне частот от 16 до 20 000 гц. Звуки с частотами, лежащими ниже этого диапазона, называются инфразвуком, а выше — ультразвуком.

Звуковое давление — переменное давление в среде, обусловленное распространением в ней звуковых волн. Величина звукового давления оценивается силой действия звуковой волны на единицу площади и выражается в ньютонах на квадратный метр (1 н/метр квадартный=10 бар). Уровень звукового давления — отношение величины звукового давления  к нулевому уровню, за который принято звуковое давление н/квадратный метр:

Скорость звука зависит от физических свойств среды, в которой распространяются механические колебания. Так, скорость звука в воздухе равна 344 м/сек при T=20°С, в воде 1 481 м/сек (при T=21,5°С), в дереве 3 320 м/сек и в стали 5 000 м/сек.

Сила звука (или интенсивность) — количество звуковой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади; измеряется в ваттах на квадратный метр (вт/м2).

Следует отметить, что звуковое давление и сила звука связаны между собой квадратичной зависимостью, т. е. при увеличении звукового давления в 2 раза сила звука возрастает в 4 раза.

Уровень силы звука — отношение силы данного звука к нулевому (стандартному) уровню, за который принята сила звука вт/м2, выраженное в децибелах:

Уровни звукового давления и силы звука, выраженные в децибелах, совпадают по величине.

Порог слышимости — наиболее тихий звук, который еще способен слышать человек на частоте 1000 гц, что соответствует звуковому давлению н/м2.

Громкость звука — интенсивность звукового ощущения, вызванная данным звуком у человека с нормальным слухом Громкость зависит от силы звука и его частоты, изменяется пропорционально логарифму силы звука и выражается количеством децибел, на которое данный звук превышает по интенсивности звук, принятый за порог слышимости. Единица измерения громкости — фон.

Порог болевого ощущения — звуковое давление или сила звука, воспринимаемые как болевое ощущение. Порог болевого ощущения мало зависит от частоты и наступает при звуковом давлении порядка 50 н/м2.

Динамический диапазон — диапазон громкостей звука, или разность уровней звукового давления самого громкого и самого тихого звуков, выраженная в децибелах.

Дифракция — отклонение от прямолинейного распространения звуковых волн.

Рефракция — изменение направления распространения звуковых волн, вызванное различиями в скорости на разных участках пути.

Интерференция — сложение волн одинаковой длины, приходящих в данную точку пространства по нескольким различным путям, вследствие чего амплитуда результирующей волны в разных точках оказывается различной, причем максимумы и минимумы этой амплитуды чередуются между собой.

Биения — интерференция двух звуковых колебаний, мало отличающихся по частоте. Амплитуда возникающих при этом колебаний периодически увеличивается или уменьшается во времени с частотой, равной разности интерферирующих колебаний.

Реверберация — остаточное «после-звучание» в закрытых помещениях. Образуется вследствие многократного отражения от поверхностей и одновременного поглощения звуковых волн. Реверберация характеризуется промежутком времени (в секундах), в течение которого сила звука уменьшается на 60 дб.

Тон — синусоидальное звуковое колебание. Высота тона определяется частотой звуковых колебаний и растет с увеличением частоты.

Основной тон — наиболее низкий тон, создаваемый источником звука.

Обертоны — все тоны, кроме основного, создаваемые источником звука. Если частоты обертонов в целое число раз больше частоты основного тона, то их называют гармоническими обертонами (гармониками).

Тембр — «окраска» звука, которая определяется количеством, частотой и интенсивностью обертонов.

Комбинационные тоны — дополнительные тоны, возникающие вследствие нелинейности амплитудной характеристики усилителей и источников звука. Комбинационные тоны появляются при воздействии на систему двух или большего числа колебаний с различными частотами. Частота комбинационных тонов равна сумме и разности частот основных тонов и их гармоник.

Интервал — отношение частот двух сравниваемых звуков. Наименьший различимый интервал между двумя соседними по частоте музыкальными звуками (каждый музыкальный звук имеет строго определенную частоту) называется полутоном, а интервал частот с отношением 2:1 — октавой (музыкальная октава состоит из 12 полутонов); интервал с отношением 10: 1 называют декадой.

Источник: https://abakbot.ru/online-10/212-zvuk-akusticheskie-edinitsy-izmereniya

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.