Что такое звук? Как устроено ухо? Что значит герц и децибел? Как устроен микрофон?

Звук. Он окружает нас с самого рождения. После зрения он, пожалуй, самое главное, с помощью чего мы воспринимаем наш мир. Но что это? Какова его природа? По каким законам он живёт? Давайте разбираться!

1. Откуда берется звук и почему мы его слышим?

2. Почему все звуки разные и что такое частоты и герцы, амплитуда и децибелы, а также громкость?

3. Как устроена звукозапись?

2. Мы разобрались с тем, что такое звук и каким образом мы его воспринимаем. Но что его характеризует? И почему все звуки разные?

У любой звуковой волны (то есть у колебания молекул в пространстве) есть несколько свойств: частота (высота), амплитуда (громкость), длина (продолжительность), а также спектр (тембр). В статье рассматриваются только первые два, самые ключевые свойства.

Так, низкие по частоте звуковые волны более продолжительны.

Теперь разберемся с амплитудой, частично задающей то, что мы называем громкостью. Амплитуда это величина, показывающая на сколько сильны колебания воздуха, то есть на сколько сильное давление создает звуковая волна.

У последнего амплитуда колебаний выше, соответственно каждое колебание создаёт большее давление.

Амплитуда, измеряется в децибелах. Децибел это не линейная величина, она показывает не силу давления звука, а то, во сколько раз это давление больше минимального уровня давления, которое может уловить наше ухо. Таким образом прибавление 12 децибел хоть к двум, хоть к ста децибелам увеличивает громкость в 4 раза! То есть прибавить 12 децибел к звуку тихого шепота совсем не все равно, что прибавить 12 децибел к громкости на концерте Rammstein. И в том, и в другом случае амплитуда, а значит и громкость увеличится в 4 раза.

Одолжил у Википедии шкалу сравнения громкости в децибелах:

0 — порог слышимости

5 — почти ничего не слышно — тишина среди ночи.

10 — почти не слышно — шёпот, тиканье часов.

15 — едва слышно — шелест листьев.

20 — едва слышно — уровень фона на открытой местности;

25 — мурлыканье кота на расстоянии 0,5 м.

30 — тихо — настенные часы, максимально разрешённый шум для источников постоянного шума, расположенных в жилых помещениях, ночью с 21:00 до 7:00.

35 — хорошо слышно — приглушённый разговор, тихая библиотека, шум в лифте.

40 — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис), шум кондиционера, шум телевизора в соседней комнате.

50 — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина.

60 — умеренно шумно — громкий разговор, норма для контор.

65 — весьма шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м.

70 — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м.

75 — шумно — крик, смех с расстояния 1 м, шум в старом железнодорожном вагоне.

80 — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м, крик, мотоцикл с глушителем, шум работающего двигателя

грузового автомобиля, длительный звук вызывает ухудшение слуха.

85 — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;

пневматический отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7 м.

95 — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м, громкая игра на фортепиано на расстоянии 1 м;

100 — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;

110 — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;

115 — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, м, пневмосигнал для велосипеда;

120 — почти невыносимо — болевой порог, гром, отбойный молоток, кислородная горелка;

130 — боль — сирена, рекорд по самому громкому крику, мотоцикл (без глушителя);

140 — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;

150 — контузия, травмы — реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам, ухудшается зрение;

160 — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья

близко от уха, ударная волна от сверхзвукового самолёта или от взрыва давлением 0,002 МПа;

165—185 — светошумовая граната[4];

194 — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;

200 — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна быстрая смерть;

250 — максимальное давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола — 60 МПа[5];

282 — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве — 2500 МПа[6];

300 — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ — 20 000 МПа;

374 — максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва — 100 000 000 МПа;

Поговорим подробнее о громкости. Выше я уже рассказал, что громкость это распознавание нашим мозгом того, насколько уж простите за тавтологию громким является звук. При этом громкость зависит не только от амплитуды, но во многом и от частоты. Взгляните на таблицу (представлена в конце статьи, извиняюсь за неудобство).

Это так называемая кривая громкости, она показывает зависимость уровня громкости, который измеряется здесь в условных единицах фонах, от амплитуды и частоты.

Если вы вдруг не поняли, как ей пользоваться, приведу справку: по вертикали уроверь громкости в децибелах, по горизонтали частота в герцах. Выбираете определенную громкость и частоту, и проводите от них воображаемые линии. Точка пересечения линий будет уровнем громкости в фонах.

3. В завершение статьи хотелось бы упомянуть о том, как устроен микрофон, и каким образом он преобразует звуковые волны, то есть колебания молекул воздуха, в электрический сигнал. Существует большое количество различных типов микрофонов, отличающихся по своей конструкции и способу работы. Хотелось бы рассмотреть конденсаторный микрофон, ведь сейчас это один из самых распространённых типов микрофонов, кроме того, звукозапись музыки или какого либо другого аудиоматериала в студиях всегда осуществляется именно на него. Сразу представлю схему микрофона (тоже внизу).

Две синии пластинки это конденсатор. Они не соединены между собой, крайняя представляет из себя тонкую пленку, покрытую никелем с внутренней стороны, которая активно колеблется под действием звуковых волн. Она называется диафрагмой. Вторая пластинка неподвижна. Обе пластинки подключены в электрическую цепь, в них есть ток. При колебании диафрагмы ее расстояние до второй пластинки изменяется, а ее электрические токи действуют на нее. Таким образом, напряжение во второй пластинке меняется в зависимости от приближения, или отдаления диафрагмы.

На wavefrom (дорожка, показывающая входящие звуковые волны при звукозаписи в различных аудиоредакторах) показывается ни что иное, как сила тока, идущая от микрофона, и меняющаяся при изменении напряжения, вызванного колебанием диафрагмы.

Источник

Что такое звук? Как устроено ухо? Что значит герц и децибел? Как устроен микрофон?

Звук… Он окружает нас с самого рождения. После зрения он, пожалуй, самое главное, с помощью чего мы воспринимаем наш мир. Но что это? Какова его природа? По каким законам он живёт? Давайте разбираться!

Откуда берется звук и почему мы его слышим?

Почему все звуки разные и что такое частоты и герцы, амплитуда и децибелы, а также громкость?

Как устроена звукозапись?

Мембрана делит улитку на два коридора — лестницу преддверия и барабанную лестницу. Жидкость, а именно перилимфа заполняет барабанную лестницу, а эндолимфа — лестницу преддверия. Через эти жидкости колебание передалось Кортиеву органу, расположенному на базилярной мембране. Он представляет из себя скопление волосковых клеток, улавливающих колебания, и преобразующих их уже в нервный импульс, несущий информацию о характере звука в нервные окончания, идущие в слуховой центр мозга. Сложнейший процесс, который происходит за доли секунды.

2.Мы разобрались с тем, что такое звук и каким образом мы его воспринимаем. Но что его характеризует? И почему все звуки разные?

У любой звуковой волны (то есть у колебания молекул в пространстве) есть несколько свойств: частота (высота), амплитуда (громкость), длина (продолжительность), а также спектр (тембр). В статье рассматриваются только первые два, самые ключевые свойства.

Частота — количество волнообразных колебаний, произошедших за секунду. Определяет то, что мы называем высотой звука. Чем больше частота, тем выше звук. Частота измеряется в герцах. 1 герц — одно колебание в секунду. Человек способен воспринимать звуки от 20 до 20 000 герц. Все что ниже — инфразвук, выше — супер и гиперзвук.

Здесь существует зависимость — чем больше значение герц, то есть чем чаще происходят колебания, тем они короче:

Так, низкие по частоте звуковые волны более продолжительны.

Теперь разберемся с амплитудой, частично задающей то, что мы называем громкостью. Амплитуда это величина, показывающая на сколько сильны колебания воздуха, то есть на сколько сильное давление создает звуковая волна. Вот как выглядят больший и меньший по амплитуде звуки:

У последнего амплитуда колебаний выше, соответственно каждое колебание создаёт большее давление. Сразу уточню — амплитуда и громкость это не одно и тоже! Как я уже упомянул — амплитуда показывает силу давления, создаваемого звуковой волной, а громкость это восприятие нашим ухом этого самого давления. Однако не одна амплитуда определяет, будем ли мы считать звук громким, или тихим. На громкость также влияют главным образом частота, а также остальные свойства звука. Амплитуда, измеряется в децибелах. Децибел это не линейная величина, она показывает не силу давления звука, а то, во сколько раз это давление больше минимального уровня давления, которое может уловить наше ухо. Таким образом прибавление 12 децибел хоть к двум, хоть к ста децибелам увеличивает громкость в 4 раза! То есть прибавить 12 децибел к звуку тихого шепота совсем не все равно, что прибавить 12 децибел к громкости на концерте Rammstein. И в том, и в другом случае амплитуда, а значит и громкость увеличится в 4 раза. Одолжил у Википедии шкалу сравнения громкости в децибелах:

0 — порог слышимости

5 — почти ничего не слышно — тишина среди ночи.

10 — почти не слышно — шёпот, тиканье часов.

15 — едва слышно — шелест листьев.

20 — едва слышно — уровень фона на открытой местности;

25 — мурлыканье кота на расстоянии 0,5 м.

30 — тихо — настенные часы, максимально разрешённый шум для источников постоянного шума, расположенных в жилых помещениях, ночью с 21:00 до 7:00.

35 — хорошо слышно — приглушённый разговор, тихая библиотека, шум в лифте.

40 — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис), шум кондиционера, шум телевизора в соседней комнате.

50 — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина.

60 — умеренно шумно — громкий разговор, норма для контор.

65 — весьма шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м.

70 — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м.

75 — шумно — крик, смех с расстояния 1 м, шум в старом железнодорожном вагоне.

80 — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м, крик, мотоцикл с глушителем, шум работающего двигателя грузового автомобиля, длительный звук вызывает ухудшение слуха.

85 — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;

90 — очень шумно пневматический отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7 м.

95 — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м, громкая игра на фортепиано на расстоянии 1 м;

100 — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;

110 — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;

115 — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, м, пневмосигнал для велосипеда;

120 — почти невыносимо — болевой порог, гром, отбойный молоток, кислородная горелка;

130 — боль — сирена, рекорд по самому громкому крику, мотоцикл (без глушителя);

140 — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;

150 — контузия, травмы — реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам, ухудшается зрение;

160 — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья близко от уха, ударная волна от сверхзвукового самолёта или от взрыва давлением 0,002 МПа;

165—185 — светошумовая граната[4];

194 — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;

200 — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна быстрая смерть;

250 — максимальное давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола — 60 МПа[5];

282 — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве — 2500 МПа[6];

300 — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ — 20 000 МПа;

374 — максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва — 100 000 000 МПа;

Поговорим подробнее о громкости. Выше я уже рассказал, что громкость это распознавание нашим мозгом того, насколько уж простите за тавтологию громким является звук. При этом громкость зависит не только от амплитуды, но во многом и от частоты. Взгляните на таблицу:

Это так называемая кривая громкости, она показывает зависимость уровня громкости, который измеряется здесь в условных единицах фонах, от амплитуды и частоты. Если вы вдруг не поняли, как ей пользоваться, приведу справку: по вертикали уроверь громкости в децибелах, по горизонтали частота в герцах. Выбираете определенную громкость и частоту, и проводите от них воображаемые линии. Точка пересечения линий будет уровнем громкости в фонах. Картинка:

Так, кривые громкости показывают нам, что звук в 40 дб и частотой 200 гц воспринимается нами в 40 фонов, но при этом звук в те же 40 дб, но частотой 500 гц, воспринимается примерно в 45 фонов. Дальше больше: 1000 герц — уровень фонов вернулся к 40, 2500 герц — снова 45 фонов, а на 7500 герц упал до 35. Естественно, все эти значения взяли не из воздуха — кривая громкости составлена по ощущениям большого количества людей в возрасте 18-25 лет, которым включали звуки разной амплитуды и частоты.

3.В завершение статьи хотелось бы упомянуть о том, как устроен микрофон, и каким образом он преобразует звуковые волны, то есть колебания молекул воздуха, в электрический сигнал. Существует большое количество различных типов микрофонов, отличающихся по своей конструкции и способу работы. Хотелось бы рассмотреть конденсаторный микрофон, ведь сейчас это один из самых распространённых типов микрофонов, кроме того, звукозапись музыки или какого либо другого аудиоматериала в студиях всегда осуществляется именно на него. Сразу представлю схему микрофона:

Две синии пластинки это конденсатор. Они не соединены между собой, крайняя представляет из себя тонкую пленку, покрытую никелем с внутренней стороны, которая активно колеблется под действием звуковых волн. Она называется диафрагмой. Вторая пластинка неподвижна. Обе пластинки подключены в электрическую цепь, в них есть ток. При колебании диафрагмы ее расстояние до второй пластинки изменяется, а ее электрические токи действуют на нее. Таким образом, напряжение во второй пластинке меняется в зависимости от приближения, или отдаления диафрагмы. На wavefrom (дорожка, показывающая входящие звуковые волны при звукозаписи в различных аудиоредакторах) показывается ни что иное, как сила тока, идущая от микрофона, и меняющаяся при изменении напряжения, вызванного колебанием диафрагмы.

Источник

Амплитуда, период, частота колебаний.

Амплитуда колебаний (лат. amplitude — величина) — это наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.

Для маятника это максимальное расстояние, на которое удаляется ша­рик от своего положения равновесия (рисунок ниже). Для колебаний с малыми амплитудами за такое расстояние можно принимать как длину дуги 01 или 02, так и длины этих отрезков.

Амплитуда колебаний измеряется в единицах длины — метрах, санти­метрах и т. д. На графике колебаний амплитуда определяется как макси­мальная (по модулю) ордината синусоидальной кривой, (см. рис. ниже).

Период колебаний.

Период колебаний — это наименьший промежуток времени, через который система, соверша­ющая колебания, снова возвращается в то же состояние, в котором она находилась в начальный момент времени, выбранный произвольно.

Другими словами, период колебаний (Т) — это время, за которое совершается одно полное ко­лебание. Например, на рисунке ниже это время, за которое грузик маятника перемещается из крайней правой точки через точку равновесия О в крайнюю левую точку и обратно через точку О снова в крайнюю правую.

За полный период колебаний, таким образом, тело проходит путь, равный четы­рем амплитудам. Период колебаний измеряется в единицах времени — секундах, минутах и т. д. Период колебаний может быть определен по известному графику колебаний, (см. рис. ниже).

Понятие «период колебаний», строго говоря, справедливо, лишь когда значения колеблющей­ся величины точно повторяются через определенный промежуток времени, т. е. для гармоничес­ких колебаний. Однако это понятие применяется также и для случаев приблизительно повторяю­щихся величин, например, для затухающих колебаний.

Частота колебаний.

Частота колебаний — это число колебаний, совершаемых за единицу времени, например, за 1 с.

Единица частоты в СИ названа герцем (Гц) в честь немецкого физика Г. Герца (1857-1894). Если частота колебаний (v) равна 1 Гц, то это значит, что за каждую секунду совершается одно колебание. Частота и период колебаний связаны соотношениями:

.

В теории колебаний пользуются также понятием циклической, или круговой частоты ω. Она связана с обычной частотой v и периодом колебаний Т соотношениями:

.

Циклическая частота — это число колебаний, совершаемых за 2π секунд.

Источник

Характеристики звука

Звуковой сигнал можно представить, как совокупность различных синусоидальных составляющих. Каждая составляющая характеризуется рядом параметров.

Высота звука измеряется в герцах ( Гц, Hz ) или килогерцах (КГц, KHz). 1 Гц = 1/С. То есть колебание в 1 Гц соответствует волне с периодом в 1 секунду.

Громкость звука измеряется децибеллах и обозначается дБ. Единица измерения, названная в честь Александра Грэма Белла. Приставка деци применяется для обозначения единиц в долях, равных 1/10. Соответственно, децибел — это 1/10 Бела. Белл определяется, как логарифм отношения электрических, акустических или других мощностей:

Бел = log(P1/P0)
дБ = 10 х log(P1/P0)

Покажем чему равно в децибелах отношение мощностей 2 Вт и 1 Вт :

дБ = 10 х log(P1/P0) = 10 х log(2/1) = 10 х log 2 = 3.01 = 3

Покажем чему равно в децибелах отношение мощностей 100 Вт и 10 Вт:

дБ = 10 x log(P1/P0) = 10 x log(100/10) = 10 x log 10 = 10 x 1 = 10

Увеличение или уменьшение мощности в 10 раз соответствует 10 дБ.

Для характеристики уровней звукового давления используется уравнение

дБ SPL = 20 x log(P1/P0)

Следует отметить, что громкость — субъективная характеристика, которая зависит от частоты. Лучше всего ухо воспринимает звук в диапазоне от 1 до 4 кГц. За 0 дБ принят уровень звукового давления, соответствующий порогу слышимости здорового молодого человека в этом диапазоне частот.

Уровни звукового давления, характерные для различных источников

Отметим, что ухо человека воспринимает одинаковую громкость на разных частотах, как звуки разной громкости.

Звуки одинаковой мощности, на разных частот:

Для компенсации этого явления используют зазличные фильтры (т онкомпенсация ), которые уменшают амплитуду средних частот и повышают амплитуду крайних частот.

Источник

Амплитудные характеристики звука

Прежде чем подробно говорить об амплитудных характеристиках звука, давайте договоримся, что термины амплитуда и интенсивность являются взаимозаменяемыми.

Итак, звуки отличаются друг от друга по амплитуде, или интенсивности – то есть по количеству изменения звукового давления. При низком давлении амплитуда звука мала и звук слабый, при высоком давлении воздуха амплитуда звука велика и слышен интенсивный звук. Таким образом чем выше интенсивность, тем сильнее звук.

Будучи физическим параметром, амплитуда, или интенсивность, звука зависит от давления или силы, воздействующих на его источник.

Интенсивность звуковых колебаний соответствует квадрату звукового давления:

где I- интенсивность, Р – давление, k – табличный коэффициент, который зависит от среды, в которой распространяется звук.

В свою очередь, звуковое давление – это давление, оказываемое частицами колеблющейся среды на единицу площади поверхности, при условии, что эта поверхность перпендикулярна направлению движения частиц.

Интервал амплитуд, к которым чувствительно ухо, чрезвычайно широк. И поскольку этот интервал огромен, удобно пользоваться логарифмической шкалой давлений, названной в честь Александра Грэма Белла, децибельной шкалой. Преимущество данной шкалы в том, что она сокращает огромный интервал возможных значений амплитуд и превращает все из значения, доступные для восприятия человеком, в значительно более узкую и удобную для практического использования шкалу, изменяющуюся от 0 до 160 дБ.

Сила звука в децибелах равна:

Изменения звукового давления и децибелы связаны между собой логарифмической зависимостью. При десятикратном увеличении звукового давления P e число децибел увеличивается на 20.

Обратите внимание на таблицу, в которой содержится описание данной зависимости.

Связь между звуковым давлением и децибелами(УЗД)для некоторых источников звука.

Согласно данным таблицы, если интенсивность одного звука равна 80дБ, а интенсивность второго 60 дБ, то в первом случае звуковое в 10 раз выше, чем во втором. Обратите внимание на то, что интенсивность шепота на 20 дБ превышает интенсивность звука, соответствующую слуховому порогу и имеющему интенсивность равную 0. 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.

Источник