3

Тема 10. Физическая природа звука

Любая телепрограмма состоит из двух компонентов - изображения и звука. Звук на ТВ имеет огромное значение, и об этом не надо забывать.

Как известно, звук — это колебательный процесс, возникающий в воздухе (или другой упругой среде) под действием каких-либо колеблющихся предметов. Источниками звука могут быть, например, голосовые связки человека, струны музыкальных инструментов или любой другой вибрирующий предмет, заставляющий колебаться окружающие его частицы воздуха. Плотность воздушной среды, при этом, то увеличивается, то уменьшается в соответствии с колебаниями источника звука.

Рассмотрим простейший, так называемый, "чистый" тон, который может издавать камертон. Его можно описать графиком изменения во времени давления воздуха в определенной точке поля под воздействием источника звука. Причём, ощущаемая на слух разность между полным давлением воздуха и тем средним, которое будет наблюдаться в среде при отсутствии звука (например, нормальным атмосферным давлением) называется звуковым давлением. При этом принято считать, что в фазе сжатия среды звуковое давление положительное, а в фазе разряжения — отрицательное.

В соответствии с международной системой единиц СИ единицей звукового давления служит "Паскаль" (Па).

График звукового давления представлен на рис. 1.

Распространяясь в воздушном пространстве во все стороны со скоростью, равной, примерно, 340 м/с, звуковые колебания образуют звуковую волну. Эта волна воздействует на барабанную перепонку уха, создавая слуховое ощущение.

Динамический диапазон слуха

По мере движения в каждой конкретной точке пространства звуковая волна создает изменяющееся давление. Оно попеременно то выше, то ниже атмосферного давления. Звуковое давление измеряется в Паскалях:

1 Па = 1 Н/м²

Самый слабый звук, который способен услышать человек со здоровым слухом, соответствует давлению 20 мкПа (микропаскалей). Это так называемый порог слышимости. В связи с этим любопытно отметить, что звуковое давление, возникающее вследствие флюктуации плотности воздуха, имеет при температуре 25°С величину порядка 5 мкПа. Если бы слух был чуть более восприимчив к звуковым раздражениям, человек слышал бы непрерывные молекулярные шумы воздуха и тока крови. Таким образом, чувствительность слуха находится на пределе биологической целесообразности. Еще интереснее оказываются результаты измерений верхнего предела громкости, начинающего вызывать болевые ощущения —он равен 20 Па. То есть динамический диапазон слуха от самого тихого до самого громкого простирается от 20 мкПа до 20 Па! Это означает, что самый громкий звук, который может слышать человек, в миллион раз громче самого тихого звука.

Повторим, что человек начинает слышать при силе звука, превышающей или равной некоторой величине, называемой порогом слышимости (или слуховым порогом), и этот порог равен 20 мкПа. В науке – акустике, которая изучает звук для удобства принято считать, что порог слышимости человеческого слуха равен 0 дБ.

Более слабые звуки слухового ощущения не вызывают, мы начинаем слышать звуки с 0 дБ. При увеличении силы звука достигается нормальная слышимость, а затем при еще больших амплитудах звуковых колебаний к воспринимаемому звуку добавляется осязаемое ощущение давления, и, наконец, при дальнейшем росте силы звука раздражение органа слуха становится болезненным – это так называемый болевой порог. ограничивает область слышимости при больших уровнях интенсивности. Звуковое давление, вызывающее у человека болевое ощущение, приблизительно равно 20 Па , что соответствует 120 дБ.

На средних частотах звуковое давление, соответствующее болевому порогу, превышает порог слышимости примерно в миллион раз. Это отношение и определяет динамический диапазон слуха. При оценке динамического диапазона применяются специальные единицы измерения, не зависящие от способа вычисления, принято измерять увеличение или уменьшение силы звука в специальных логарифмических единицах — "децибелах".

Таблица 1. Звуковые давления некоторых объектов

Порог слышимости	ОдБ
Спокойное дыхание	10дБ
Тишина в горах	10дБ
Тихий шепот на расстоянии 1 м	15дБ
Шелест страниц	20 дБ
Фоновый шум в квартире	35 дБ
Шепот на расстоянии 10 см	50 дБ
Аплодисменты	60 дБ
Виолончель	70 дБ
Фортепиано	80 дБ
Пение женское	80 дБ
Автомобиль легковой	80 дБ
Шумная улица	80 дБ
Пение мужское	85 дБ
Орган	85 дБ
Шум в метро во время движения	90 дБ
-Эстрадный оркестр	100 дБ
Громкий голос на расстоянии 15 см	100 дБ
Отбойный молоток	100 дБ
Мотоцикл без глушителя	100 дБ
Фортиссимо симфонического оркестра	100 дБ
Гром	100 дБ
Реактивный самолет на расстоянии 5 м	120 дБ
Болевой порог	120 дБ
Барабанный бой на расстоянии 3 см	140 дБ
Выстрел из орудия	220 дБ