2. Физические характеристики звуковых волн и характеристики слухового ощущения
Физические характеристики акустических и, в частности, звуковых волн имеют объективный характер и могут быть измерены соответствующими приборами в стандартных единицах. Возникающее под действием звуковых волн слуховое ощущение субъективно, однако, его особенности во многом определяются параметрами физического воздействия.
2.1. Интенсивность звука
Интенсивность звукаI, как уже отмечалось ранее, представляет собой энергию звуковой волны, попадающей на поверхность единичной площади за единицу времени, и измеряется в Вт/м2. Эта физическая характеристика определяет уровень слухового ощущения, который называется громкостью, являющейся субъективным физиологическим параметром. Связь между интенсивностью и громкостью не является прямо пропорциональной. Пока отметим только, что с увеличением интенсивности возрастает и ощущение громкости. Количественную оценку громкости можно выполнить, сравнивая слуховые ощущения, обусловленные звуковыми волнами от источников с различной интенсивностью.
При распространении звука в среде возникает некоторое добавочное давление, перемещающееся от источника звука к приемнику. Величина этого звукового давленияP также представляет физическую характеристику звука и среды его распространения. Она связана с интенсивностью соотношением
, (2)
где - плотность среды, аv- скорость распространения звука в среде. ВеличинуZ = vназываютудельным акустическим сопротивлением или удельным акустическим импедансом.
2.2. Частота звуковых колебаний
Частота звуковых гармонических колебаний определяет ту сторону звукового ощущения, которую называютвысотой звука. Если звуковые колебания периодичны, но не подчиняются гармоническому закону, то высота звука оценивается ухом по частоте основного тона(первая гармоническая составляющая в ряду Фурье), период которого совпадает с периодом сложного звукового воздействия.
Отметим, что возможность оценки высоты тона слуховым аппаратом человека связана с продолжительностью звучания. Если время звукового воздействия меньше 1/20 секунды, то ухо не способно оценить высоту тона.
Близкие по частоте звуковые колебания при одновременном звучании воспринимаются как звуки различной высоты в том случае, если относительная разница частот превышает 2-3%. При меньшей разности частот возникает ощущение слитного звука средней высоты.
2.3. Спектральный состав звуковых колебаний
Спектральный состав звуковых колебаний (см. рис.1), то есть, число гармонических составляющих и соотношение их амплитуд, определяеттембр звука. Тембр, как физиологическая характеристика слухового ощущения, в некоторой степени зависит также от скорости нарастания и изменчивости звука.
3. Порог слышимости и порог болевого ощущения. Область слышимости
Слуховые ощущения формируются лишь в том случае, когда интенсивность звуковых волн превышает некоторое минимальное значение, называемое порогом слышимости. Для различных частот звукового диапазона этот порог имеет различные значения, т.е. слуховой аппарат обладает неодинаковой чувствительностьюк звуковым воздействиям на разных частотах.
Зависимость порога слышимости от частоты звука может быть определена с помощью несложного эксперимента. Представим, что имеется некоторый звуковой генератор - устройство, в котором создаются электрические колебания, превращаемые с помощью динамика в звуковые волны различных частот. Интенсивность и частоту звука можно плавно изменять и измерять. Установив определенное значение частоты звука, будем, начиная с нулевого значения, плавно увеличивать его интенсивность. То минимальное значение интенсивности, которое вызывает у испытуемого ощущение звука, представляет порог слышимости для данной частоты. Результаты этого эксперимента представим графически, откладывая по оси абсцисс частоту, а по оси ординат - пороговое значение интенсивности звука (см. нижнюю кривую на рис.3). Подобные эксперименты, проведенные на большом числе испытуемых, показывают, что ухо обладает максимальной чувствительностью в области частот 1000-3000 Гц. Здесь пороговое значение интенсивности звука минимально и составляет10-12 Вт/м2. Отметим, что при интенсивности 10-12Вт/м2амплитуда колебаний частиц воздуха в сотни раз меньше диаметра молекул, - нормальный слуховой аппарат формирует слуховое ощущение при крайне слабых энергетических воздействиях.
С увеличением интенсивности звука, естественно, возрастает и ощущение громкости. Однако, звуковые волны с интенсивностью порядка 1-10 Вт/м2 уже вызывают ощущение боли. Максимальное значение интенсивности, при превышении которого возникает боль, называетсяпорогомболевогоощущения. Он также зависит от частоты звука (см. верхнюю кривую на рис.3), хотя и в меньшей степени, чем порог слышимости. Область частот и интенсивностей звука, ограниченная верхней и нижней кривыми рис.3, называетсяобластью слышимости.
Рис.3