Свойства звука

Глава 2. ФИЗИОЛОГИЯ СЛУХОВОГО АНАЛИЗАТОРА

Краткие сведения из физической и физиологической акустики

Звук и его виды

Адекватным раздражителем слухового анализатора является звук, который представляет собой колебательные движения среды (воздуха, воды, почвы и пр.). В звуке, как и во всяком колебательном движении, различают амплитуду — размах колебаний, период — время, в течение которого совершается полное колебательное движение, и частоту — число полных колебаний в 1 с.

Источником звука является колеблющееся тело. В силу упругости, присущей любому веществу, любой среде, колебания, возникающие в одном месте, передаются на соседние участки, причем возникают уплотнения и разрежения среды. Эти уплотнения и разрежения распространяются во все стороны с определенной скоростью, зависящей от величины упругости и плотности среды. Так возникают звуковые волны, состоящие из чередующихся друг с другом уплотнений и разрежений среды (рис. 15).

Рис. 15. Распространение звуковой волны

Одинаковые состояния колеблющейся среды, т. е. сгущения, разрежения и все промежуточные состояния, называют фазами звуковой волны. Расстояние между одинаковыми фазами называют длиной волны. Скорость распространения звуковой волны неодинакова в различных средах. Так, например, в воздухе при 0°С она равна 332 м/с, а в воде – 1450 м/с. С повышением температуры скорость звука в воздухе увеличивается и, например, при 16° С равна уже 340 м/с.

По характеру колебательных движений звуки делятся на две группы – тоны и шумы. Если колебание совершается ритмично, т. е. через определенные промежутки времени повторяются одинаковые фазы звуковой волны, то образующийся при этом звук воспринимается как музыкальный тон.

Простейший вид тона — гармоническое колебание, так называемый чистый тон. Закон, по которому происходит это колебание, т. е. изменение амплитуды данного колебания во времени, графически изображается синусоидой, поэтому такие колебания называются иначе синусоидальными (рис. 16). Примером чистого тона может служить звук камертона. Другую группу звуков составляют шумы. К шумам относят такие звуки, как скрип, стук, крик, гул, вой, шорох и т. п. Шумы представляют собой совокупность беспорядочных (хаотических) колебаний, не связанных между собой какой-либо правильной числовой зависимостью, которая характерна для гармонических колебаний, входящих в состав музыкальных звуков.

Рис. 16. Графическое изображение гармонического колебания

(синусоида)

Свойства звука

В звуке различают три основных свойства: силу, высоту и тембр.

Сила звука зависит от величины амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда, т. е. чем шире размах колебаний, тем звук сильнее, и, наоборот, чем меньше размах, тем меньше сила звука. Амплитуда колебаний ветвей звучащего камертона постепенно уменьшается, уменьшается размах колебаний частиц окружающей среды (воздуха) и соответственно — сила звука камертона. Сила звука определяется величиной давления, которое производит звуковая волна на единицу поверхности. Звуковое давление (как и атмосферное) измеряется в паскалях (Па), показывающих, какая сила в ньютонах (Н) действует на площадь в квадратных метрах (м²). Давление в 1 Па=1Н/1м². Давление в 1 атмосферу (атм.) приблизительно составляет 105 паскалей (Па), т. е. 100 000 Па.

На практике оказывается более удобным измерять силу звука не в абсолютных, а в относительных единицах. При этом определяют величину отношения данной силы звука к силе звука, условно принятой за нулевую, т. е. за уровень отсчета. Это отношение часто выражается огромными цифрами, поэтому пользуются его логарифмом, величина которого обозначается в белах. Обычно применяется единица в десять раз меньшая — децибел (дБ). Если, например, говорят, что сила звука равна 30 дБ, то это значит, что отношение данной силы к силе, условно принятой за нулевую, равно 10³, т. е. 1000, или, другими словами, данная сила звука в 1000 раз больше нулевой. Соответственно при 10 дБ это отношение будет равно 10¹ т. е. данная сила звука в 10 раз больше нулевой, а при 50 дБ величина отношения равна 10⁵, или 100 000.

Вообще, для того чтобы, зная число децибел, определить величину отношения данной силы звука к нулевому уровню, нужно число децибел разделить на 10 и возвести в 10-ю степень, равную полученному частному. Таблица 1 дает конкретное представление об уровне интенсивности некоторых звуков в децибелах.

Высота звука зависит от частоты колебаний звучащего тела и измеряется числом полных колебаний в секунду. Звуки с малым числом колебаний в секунду (до 200-300) называют низкими, с большим числом колебаний (выше 2000) – высокими. Число колебаний в секунду обозначается сокращенно Гц (герц — по имени физика Герца).

Тембр звука. Тембром, или окраской, звука называют то его свойство, благодаря которому можно отличить друг от друга одинаковые по интенсивности и по высоте звуки, издаваемые разными источниками.

Таблица 1. Уровень интенсивности разных звуков

Звук	Уровень его интенсивности (дБ)
Едва слышимый звук (порог слышимости)
Шелест листьев при ветре
Обычный шепот (около уха)	25-30
Шумовой фон в городе ночью
Шум спокойной улицы днем	50-60
Речь средней громкости	60-70
Оркестр, громкая музыка по радио
Шум в поезде метро
Очень громкая речь (крик)
Удары молотка по стальной плите
Шум авиационного мотора

Если взять одну и ту же ноту с одной и той же силой на скрипке, на рояле, на трубе, в каждом случае получается свой характерный звук. Ни по высоте, ни по силе эти звуки не отличаются друг от друга, но они разнятся своим оттенком, своей окраской, или, как говорят, своим тембром.

В природе чистые тоны почти не встречаются. Все звуки, в том числе музыкальные, состоят из ряда простых звуков. В музыкальных звуках различают основной тон, высота которого зависит от основной частоты колебаний источника звука (струны, голосовых складок), и ряд добавочных тонов, или обертонов, число колебаний которых относится к частоте основного тона как 2:1, 3:1, 4:1 и т. д. Обертоны и придают звукам тембровую окраску.

Количество и относительная сила входящих в состав того или иного звука обертонов зависят в основном от величины и формы резонаторов, участвующих в образовании данного звука. Именно поэтому мы различаем по тембру звуки, издаваемые различными музыкальными инструментами, и голоса людей.

Громкость звука. В то время как сила звука является его физическим свойством, громкостью звука обозначают интенсивность слухового ощущения. Будучи, как и всякое ощущение, отражением внешней реальности, в данном случае отражением объективной силы звука, громкость нарастает с увеличением силы звука и, наоборот, убывает с ее уменьшением. Однако здесь нужно учесть некоторые важные особенности, характеризующие соотношение силы и громкости звуков. Во-первых, громкость, как и всякое другое ощущение, нарастает и падает значительно слабее, чем интенсивность раздражителя, т. е. в данном случае слабее, чем интенсивность звука. Так, например, установлено, что увеличение интенсивности звука на 10 дБ, т. е. в 10 раз, сопровождается увеличением громкости лишь в 2 раза. Во-вторых, чувствительность нашего слуха к звукам разной высоты неодинакова, вследствие чего звуки одинаковой интенсивности, но разной высоты ощущаются нами с разной громкостью. Наконец, в-третьих, необходимо отметить, что ощущение громкости зависит от состояния слухового анализатора и от общего состояния нервной системы. Звуки, которые в нормальных условиях воспринимаются как средние по громкости, при повышенной возбудимости нервной системы могут стать чрезвычайно громкими.

Человек обладает способностью непосредственно оценивать громкость звуков. Примером практического измерения громкости являются известные музыкальные обозначения (латинскими буквами): пиано-пианиссимо (ррр), пианиссимо (рр), пиано (р), меццо-пиано (mр), меццо-форте (mf), форте (f), фортиссимо (ff) и форте-фортиссимо (fff).

Каждая последующая ступень оценивается приблизительно в два раза громче, чем предыдущая. Большинство людей могут довольно точно определять удвоение громкости звука и уменьшение громкости в два раза. Исследование этой способности используется для характеристики состояния функции коркового отдела слухового анализатора.

Дата добавления: 2015-07-12