Возникновение звука обусловлено вибрацией частиц окружающей среды. В частности, вибрация браншей камертона вызывает переднезадние движения частиц воздуха, которые окружают камертональную вилку. Частицы приводятся в движение вибрацией камертона, затем они оказывают воздействие на смежные воздушные частицы, передавая колебания следующему слою частиц, вызывая в нем возвратно-поступательные движения. Таким образом, именно физическое изменение звукового давления и звуковой волны, а не сами частицы распространяются в окружающей среде, заставляя слои воздуха создавать вибрацию.
Частота возникающего звука является числом циклов в секунду между началом и концом звуковой волны. Единицей измерения частоты является Герц (Гц, 1 Гц= 1 циклу в секунду). Амплитуда распространяющихся физических изменений может быть выражена количественно либо в виде звукового давления, воздействующего на частицы, либо амплитудой колебания частиц. На практике легче измерить изменения давления, чем измерить движения частиц, следовательно, звуковое давление является основной мерой звука.
Звуковое давление представляет собой переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Международной единицей давления является Паскаль (Па); 1 Па равен давлению в один Ньютон на квадратный метр площади (н/м2). Самые тихие звуки, слышимые человеческим ухом, имеют очень низкое давление; изменение давления, связанное со звуком на пороге слышимости на частоте 1000 Гц, составляет около 20 μПа (или две десятых миллиардной атмосфер). Существует множество способов для измерения звукового давления, наиболее распространенный из которых определяется как квадратный корень среднеквадратичного отклонения давления.
Вибрация камертональной вилки приводит в движение частицы воздуха с частотой, эквивалентной частоте камертона.
Частицы воздуха приводят в движение соседние частицы и так далее, в результате распространяющиеся физические изменения воспринимаются как звук.
Черная точка со стрелкой является гипотетической частицей воздуха,
которая совершает возвратно-поступательные движения из-за волн (изогнутых линий) распространяющихся от камертональной вилки.
Для синусоиды чистого тона, представленной на рисунке ниже, звуковое давление может быть определено такими терминами как пиковая амплитуда, удвоенная амплитуда или среднеквадратичная амплитуда. Для синусоид существует фиксированная взаимосвязь между этими тремя различными показателями, для тона на рисунке 3-2-А эти различные показатели дают значения 1, 2 или 0,71 Па, соответственно. Интенсивность или энергия сложных звуковых колебаний, как иллюстрирует рисунок ниже, достаточно сложно выражается пиковыми показателями, однако хорошо описывается среднеквадратичной амплитудой звукового давления.
В действительности среднеквадратичная амплитуда этого сложного звука составляет 0,71 Па, и является идентичной для тонального звукового давления, показанного на рисунке ниже. В итоге, измерение звукового давления обычно выражается в показателях среднеквадратичного давления.
Человеческий орган слуха чувствителен к широкому диапазону звуковых давлений. Разговорная речь в 100-500 раз превышает пороговый уровень, музыка часто характеризуется звуковым давлением, которое в 10000 раз выше порогового, в то же время, реактивные двигатели, оружие и фейерверки могут производить давление, которое более чем в миллион раз превосходит пороговое. Учитывая то, что ухо чувствительно к изменению давления, которое может в миллион раз превышать пороговое, и то, что ухо человека может различать незначительные изменения в давлении, широко распространено использование логарифмической шкалы для градации звукового давления. Децибел (дБ, одна десятая Белла) является логарифмической единицей отношения энергии, где 10 дБ (1 Белл) демонстрирует увеличение энергетического уровня на один порядок (то есть 1 десятичный логарифм, или логарифм по основанию 10).
Номинальный уровень звукового давления (УЗД) равен 20 мкПа, или 0,00002 Па, и с этого момента энергия является пропорциональной по отношению квадрату давления:
где X — среднеквадратичное значение звукового давления, измеряемое в паскалях, а 0,00002 Па является нулевым порогом слышимости. Различные децибельные шкалы звукового давления используют разные пороговые уровни. В частности, шкала, применяющаяся для аудиометрического исследования, в качестве порогового уровня звукового давления на заданных частотах использует усредненный нормальный пороговый уровень звукового давления в популяции. Уровень звукового давления обеих звуковых волн, представленных на рисунке 3-2, составляет 91 дБ УЗД, где 91 = 20log10 (0,71/0,00002). Громкость звука является функцией звукового давления; для звуков средней громкости увеличение звукового давления на 20 дБ приводит к шестикратному увеличению громкости.
Звуковые давления различных широко известных звуков приведены в таблице ниже и охарактеризованы в значениях (Па) и дБ УЗД.
Звук есть изменение давления во времени. Чистый тон, такой как на рисунке ниже, является звуком, в котором отношение между звуковым давлением и временем может быть описано синусоидальной функцией, в частности, p(t)=Acos(2πft+φ), где мы используем функцию косинуса, общепринятого стандарта при проектировании, p(t) описывает изменение звукового давления во времени, А описывает пиковую амплитуду или величину давления, f является частотой синусоиды и (р является фазой. Фаза определяет время, когда давление является максимальным по отношению к некоторому начальному моменту времени. Взаимосвязь фаз звукового давления в наружном слуховом проходе, а также механических и невральных реакций внутри уха является полезной в определении физических и биологических процессов, связанных со слухом.
Кроме того, относительная синхронизация информации в фазе является крайне важной, когда форма сигнала комбинируется; две волны одинаковой частоты могут суммироваться структурно, имея схожие фазы, их сумма стремится к нулю, если волны с одинаковой амплитудой находятся в противофазе или имеет промежуточные значения для промежуточных фаз. Сложные звуки могут быть описаны добавлением чистых тонов разной частоты и разных фаз. Сложный звук можно разбить на отдельные компоненты (отдельные синусоиды со своей магнитудой и фазой) при помощи использования анализа Фурье. Когда ухо нечувствительно к абсолютной фазе чистого тона, комплексный акустический сигнал с определенными частотными компонентами фиксированной магнитуды может звучать по-разному на различных фазах.
В то время как человеческое ухо может слышать звук с частотой от 20 до 20000 Гц, чувствительность к звукам различной частоты избирательна, и порог слышимости варьирует в зависимости от заданного звукового раздражителя. Пороги звукового давления (самое низкое звуковое давление, которое можно услышать) измеренного у здоровых молодых людей, посредством использования чистых тонов различной частоты в двух различных условиях представлены на рисунке 3-3. Нижняя кривая обозначает пороги, определяемые объектом исследования на открытом пространстве или открытом поле, где измерение звукового давления производилось во время отсутствия субъекта. Верхняя кривая является стандартом измерения пороговых уровней Американского национального института стандартов (ANSI), с измерением звукового давления в наушниках с регулятором.
Две модели изменений времени и давления воздуха, создаваемых звуком.
Схема А — чистый тон с частотой 512 Гц, схема Б — сложный звук. Абсолютные значения давления отмечены на обоих графиках,
и создаваемые звуком отклонения возникают в области статического значения в 100000 Па, равному 1 атмосфере.
Уровень звукового давления соответствует амплитуде отклонений от постоянного значения.
На обоих графиках А и В, в то время как постоянное давление составляет 100000 Па, амплитуда звукового давления составляет порядка 1 Па.
А — отклонения звукового давления чистого тона, частотой 512 Гц. Давление изменяется синусоидально с периодом 1/512=0,00195 секунд.
Амплитуда изменения давления относительно постоянного значения может быть количественно определена термином пик-пик амплитуда со значением 2 Па, пиковой амплитудой, которая составляет 1 Па,
или среднеквадратической амплитудой, составляющей 0,71 Па. (Среднеквадратическое значение равно квадратному корню из среднего арифметического квадратов отклонения звукового давления за определенный период времени.
В случае синусоиды удобное усредненное время—это целое число периодов синусной волны. При синусоидальной кривой звукового давления,с реднеквадратическое значение равно пиковой амплитуде/√2).
Б — отклонения давления в сложном звуке с множеством нерегулярных пиков и падений звукового давления. При таком характере звука пиковая амплитуда и пик-пик амплитуда являются плохими показателями среднего уровня звука.
Однако среднеквадратическое отклонение является превосходной мерой до тех пор, пока оно использует усредненное время. В представленном случае среднеквадратичное звуковое давление было вычислено за временное окно в 0,01 секунду.
Обратите внимание, что звуковое давление на графике Б, имеет такой же показатель среднеквадратического отклонения как и звуковое давление на графике А.
Различия между этими двумя кривыми можно объяснить эффектом нахождения человека в открытом звуковом поле, улавливанием звука наружным ухом, эффектом экранирования ушного канала наушниками и различиями в калибровке между условиями измерения. Обе кривые ясно показывают, что нормальные взрослые люди более чувствительны к частотным звукам от 500 до 8000 Гц. Наилучшая частота отличается в зависимости от условий измерения, составляя 1500 Гц в наушниках и 4000 Гц в свободном поле. При более высоких и более низких частотах для различения звуков требуется более высокое звуковое давление, и пороги чувствительности резко увеличиваются ниже 500 Гц и выше 8000 Гц.
Клиницисты больше всего заинтересованы в том, насколько порог слышимости обследуемого отличается от нормы; на практике, норма, определяемая при помощи стандартных ушных телефонов АНИС, представлена на рисунке 3-3. Достоверным графическим средством сравнения двух функций является сравнение их разности. Клиническая аудиограмма использует эту технику сравнения, отмеряя пороги слышимости обследуемого относительно стандартов нормальной слышимости АНИС. В частности, человек, пороговый уровень слышимости которого на частоте 1000 Гц на 10 дБ больше, чем стандартный, имеет уровень слышимости 10 дБ на этой частоте.
В клинических аудиограммах пороговые уровни звукового давления, количественно выражены в децибелах относительно к стандартному уровню слуха на октавных частотах или полуоктавных интервалах. Важно помнить, что нормальная кривая основывается на средних порогах чувствительности здоровых людей и существуют нормальные отклонения (плюс или минус 20 дБ) относительно среднего значения.
Чувствительность уха к звукам разной частоты. На рисунке изображены пороги слышимости, измеренные при помощи наушников (ANSI) а также в свободном поле (Sivian и White).
Усредненные нормальные уровни на частоте 1000 Гц, измеренные двумя разными способами, принимаются за уровень звукового давления, равный ноль дБ.
Скорость или скорость распространения звука в среде определяет длину волны для данной частоты, то есть расстояние, являющееся дистанцией, которую занимает волна, распространяясь и повторяясь. В частности, длина волны λ равна скорости распространения звука, деленной на частоту. Длина волны характеризует изменения тона в пространстве и относительную длину волны и параметры объекта, определяющие взаимодействие со звуком. При длине волны хотя бы пятикратно превышающей максимальный размер объекта влияние на звук будет незначительным, т.е. при распространении звука вокруг объекта звуковое давление на передней и задней поверхности объекта будет почти такое же, как при измерении в отсутствие объекта. С другой стороны, при длине волны близкой или меньшей, чем размеры объекта, изменение звукового давления будет обусловлено объектом.
В общем, по мере того как коротковолновый звук взаимодействует с объектом, звуковое давление вдоль передней поверхности объекта будет увеличиваться из-за отражения звука и уменьшаться вдоль задней поверхности по причине того, что объект экранирует эту область от звука. Общим для света и звука является то, что при малой длине волны объект отбрасывает тень.
Размеры тела и структур уха относительно длины звуковой волны играют значительную роль в определении взаимодействия уха и звуков различных частот. На звуковую волну частотой 20 Гц (волна длиной 17 м) тело и голова оказывают крайне малое влияние. Звук с частотой 200 Гц (длина волны 1,7 м) может быть значительно рассеян головой и туловищем, таким образом, звуковое давление на ухо будет малым. Звук с частотой 2000 Гц (длина волны 17 см) дифрагируется головой так, что звуковое давление удваивается на стороне, обращенной к звуку, а также на противоположной стороне. Звук с частотой 4000 Гц (длина волны 8,5 м) рассеивается ушной раковиной с усилением звукового давления для звука, направленного непосредственно в слуховой проход и снижением для других направлений.
Другой вид взаимодействия длины волны возникает в наружном слуховом проходе; резонансы возникают в ухе на частотах при отсутствии кратности длины ушного канала и глубины ушной раковины относительно λ/4. В таблице ниже приведено несколько критических частот, выше которых длина звуковой волны оказывает влияние на различные части тела и уха. В целом, взаимодействие структур наружного уха и звука снижается после частоты в 1000 Гц и выше.
Клиническая аудиограмма, в которой индивидуальные пороги слуха сопоставлены со стандартами ANSI для нормального уровня слуха в зависимости от частоты.
Ось ординат расположена так, что наибольшие пороги отображены в нижней части графика.
Длина волны звука и структур тела, играющих роль при взаимодействии с волнами.
