Меню

Амплитуда звука единица измерения



Амплитуда звука единица измерения

1. ОСНОВНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ

Звук — волновой колебательный процесс, происходящий в упру­гой среде (воздухе, воде и др.) и вызывающий слуховое ощущение.

Звуковое поле — область пространства (объем), в которой рас­пространяются звуковые волны.

Звуковое давление — разность между статическим (атмосфер­ным) давлением и давлением в данной точке звукового поля. Мгно­венное звуковое давление — звуковое давление в рассматриваемый момент времени.

Различают максимальное (пиковое) и минимальное звуковое дав­ления, представляющие максимальное и минимальное значения мгно­венного звукового давления, а также эффективное (среднеквадратич­ное) значение звукового давления за полный период. Согласно новой системе единиц СИ-1 за единицу звукового давления принят ньютон на квадратный метр (1 н/м 2 ). Наряду с этой единицей в литературе можно еще встретить прежнюю единицу звукового давления систе­мы единиц СГС— бар или иначе дину на квадратный сантиметр (1 дин/см 2 ), которая равна 0,1 н/м 2 ; отсюда 1 н/м 2 = 10 дин/см г = 10 бар.

Интенсивность звука (прежнее название — сила звука) — сред­нее значение мгновенной плотности звуковой энергии. Представляет собой поток свободно распространяющейся звуковой энергии, про­ходящий в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны. Единица интенсивности звука в системе единиц СИ-1— ватт на квадратный метр (1 вт/м 2 ), в прежней, еще действующей системе единиц СГС единица интенсивности— 1 эрг/сек · см 2 . Последняя единица равна 0,001 вт/м 2 ; наоборот, 1 вт/м 2 —10 3 эрг/сек · см 2 .

В тех случаях, когда направление распространения звуковой волны определить трудно или невозможно, используют другую энергетическую характеристику поля — плотность звуковой энергии.

Плотность звуковой энергии — звуковая энергия, содержащаяся в единице объема. Единица измерения — 1 дж/м 3 (в системе СГС — 1 эрг/см 3 ).

Звуковая мощность — поток звуковой энергии, проходящий за 1 сек через данную поверхность перпендикулярно ей. Единица изме­рения — ватт (10 7 эрг/сек). Определяется по величинам звукового давления или интенсивности звука.

Скорость звука (точнее, скорость распространения звуковой вол­ны) — путь, проходимый звуковой волной в однородной среде в еди­ницу времени, выражается в метрах в секунду.

Скорость звука зависит от плотности и упругости среды, напри­мер: в воздухе 344 м/сек, в морской воде 1504 м/сек, в стали 4 990 м/сек, в сосне 3 320 м/сек.

Колебательная скорость — скорость колебательного смещения частиц, среды от положения покоя.

Длина волны — расстояние между ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебаний; расстояние, проходимое распространяющейся волной за один период колебания.

Период — время, в течение которого происходит одно полное ко­лебание.

Частота — количество колебаний в секунду.

Фаза — стадия движения колеблющейся частицы или тела отно­сительно какого-либо их положения, принятого за начальное. Выра­жается в радианах или градусах.

Синфазность — равнофазность, одинаковая фаза переменных гармонических величин. Синфазное включение громкоговорителей — такое электрическое соединение громкоговорителей, при котором создаваемые ими звуковые давления находятся в одинаковой фазе.

Чистый тон — звук, создаваемый синусоидальным акустическим колебанием.

Шум — неприятный или нежелательный звук случайного характе­ра, не содержащий ясно выраженных частотных составляющих.

Белый шум — сложный звук, спектр которого, измеренный анали­затором с постоянной шириной полосы, является непрерывной и глад­кой функцией частоты в достаточно широком диапазоне частот.

Спектр акустический — характеристика звука, выражающая его частотный (спектральный) состав и получаемая в результате анализа звука.

Биения — периодическое изменение интенсивности звука в данной точке, вызываемое взаимодействием (интерференцией) двух звуковых волн близких частот.

Интерференция — взаимодействие двух или более звуковых волн, одновременно приходящих в данную точку, приводящее к ослабле­нию или усилению интенсивности звука в зависимости от разницы в фазах волн (от сдвига фаз).

Дифракция — изменение направления распространения звуковой волны, вызванное прохождением ее около края какого-либо препят­ствия.

Реверберация — затухающее звучание в закрытом помещении после прекращения действия источника звука, обусловленное многократными отражениями звука от оканчивающих поверхностей. Стандартное время реверберации — время, в течение которого интенсивность затухающего звука уменьшится в миллион раз (10 6 ) от ее начального значения, а уровень интенсивности звука спадет на 60 дб.

Громкость — субъективное ощущение интенсивности звука. Она изменяется приблизительно пропорционально логарифму изменения интенсивности звука.

Стоячая волна — результат наложения двух бегущих синусои­дальных волн, распространяющихся в противоположных направлениях: падающей и отраженной; характеризуется различными амплитудами в различных точках пространства.

Явление (эффект) Допплера — изменение высоты звука (частоты колебаний) вследствие движения источника звука.

Тембр звука — характерная особенность (окраска) сложного звука, определяемая количеством и интенсивностью обертонов.

Обертоны — все дополнительные тоны, кратные по частоте основ­ному, которые создаются колеблющимся телом.

Унтертоны — тоны, частоты которых составляют целую часть от частоты основного тона.

Октава — представляет интервал частот (полосу), в котором от­ношение большей крайней частоты к меньшей равно 2.

В общем виде отношение крайних частот полосы между собой выражается в октавах формулой f max / f min =2 n где п — количество октав. Таким образом, количество октав равно логарифму (при осно­вании 2) отношения крайних частот.

Читайте также:  Электромагнитный метод измерения скорости кровотока основан

В качестве примера определим отношение двух частот, равное 1/3 октавы:

Обратной задачей будет найти, например, скольким октавам соответствует отношение частот, равное 1,41, т.е. 2 n = 1,41 или, пере­ходя к десятичному логарифму, n = 3,33 lg 1,41. С помощью таблиц или логарифмической линейки находим, что n = 0,5 октавы.

Динамический диапазон какой-либо переменной величины опре­деляется отношением максимального ее значения к минимальному, т.е.

Однако чаще динамический диапазон выражают в единицах уровня (децибелах), т. е. определяют 10 lg D для энергетических величин (см. ниже). Понятие динамического диапазона имеет важное значение в технике радиовещания, звукозаписи и звуковоспроизведения. Ввиду того что минимальное значение сигнала (электрического или акустического) практически определяется уровнем шума, сохранение натурального динамического диапазона некоторых инструментов или ансамблей потребовало бы чрезмерно высоких уровней сигнала и мощностей. Это трудно осуществимо и экономически нецелесообразно; поэтому в процессе радиовещания или звукозаписи натуральный динамический диапазон уменьшают (сжимают).

Сопротивление излучения — комплексное акустическое сопротив­ление, которым колеблющаяся (вибрирующая) поверхность, напри­мер конус громкоговорителя, нагружена со стороны воздушной сре­ды. Сопротивление излучения характеризует величину связи вибри­рующей поверхности с окружающей средой. Сопротивление излуче­ния имеет активную составляющую, определяющую излучаемую мощность, и реактивную, определяющую связанную с излучателем присоединенную массу среды, которая прибавляется к собственной массе излучателя.

Уровень — выражение величины акустического или электрическо­го сигнала в децибелах.

Децибел — логарифмическая относительная единица измерения уровня.

Применение понятия «уровень» в практике расчета и измерений избавляет от необходимости иметь дело с очень малыми или дробными числами. Кроме того, пользование этим понятием исключает необходимость в перемножении или делении величин, заменяя эти действия более простыми; сложением пли вычитанием, что непосред­ственно вытекает из правил логарифмов (логарифм произведения ра­вен сумме логарифмов сомножителей). Одним из оснований широ­кого использования в акустике и электроакустике единиц уровня — децибелов — явилось, то, что субъективное ощущение громкости в зависимости от интенсивности звука подчиняется психофизиологи­ческому закону: с изменением интенсивности звука ощущение гром­кости изменяется приблизительно пропорционально логарифму изме­нения интенсивности звука. Вот почему наше ухо может восприни­мать громадный динамический диапазон интенсивностей звука, до­стигающий на средних частотах 10 12 . Использование шкалы уровней позволяет выразить этот огромный диапазон интенсивностей вели­чиной всего в 120 дб. Переход к уровню от абсолютной величины производится путем логарифмирования отношения этой величины к условно выбранной начальной.

Уровень интенсивности звука в децибелах выражается формулой

где I — интенсивность (сила) звука, переводимая в единицы уровня;

I — интенсивность (сила) звука частотой 1000 гц на пороге слышимости — 10 -12 вт/м 2 = 10 -9 эрг/см 2 · сек.

Поскольку интенсивность звука пропорциональна второй степени звукового давления ( I = kp 2 ), то соответствующий уровень звукового давления будет:

где р — данное эффективное значение звукового давления, а р = 2 10 -5 н/м 2 = 2 • 10 -4 дин/см 2 .

Подобно акустическим уровням введено понятие электрического уровня. Электрические уровни выражают через отношение мощностей или напряжений

причем P =1 мвт (0,001 вт), U = 0,775 в, а R =600 ом. Величина U получается из соотношения, связывающего мощность, напряжение и сопротивление: U = ( P R ) 1/2

Уровни, вычисленные из отношения напряжений, совпадают с уровнями, вычисленными из отношения мощностей, только в том слу­чае, если сопротивления нагрузок, на которых выделяются мощности Р и Р, равны ( R = R ).

Если уровни вычислены по мощности, причем Р=1 мвт, то к единице измерения уровня иногда добавляют букву м и обознача­ют ее дбм ( dbm ).

То обстоятельство, что энергетические величины (интенсивность, мощность и т. п.) переводятся в величины уровня с множителем 10, тогда как перевод исходных линейных величин (звуковое давление, напряжение, ток) в величины уровня совершается с множителем 20, обеспечивает одинаковое изменение уровня физической величины, не­зависимо от того, по каким величинам она оценивается. Это очень важно, так как устраняет возможную путаницу. Например, звуковое давление, создаваемое громкоговорителем, изменилось в 2 раза 21 = 2), что означает изменение уровня звукового давления на 6 дб (20 lg 2); интенсивность звука при этом изменилась в 4 раза ( I 2 / I 1 = 4), но уровень интенсивности звука изменился также на б дб (10 lg 4).

Рис. 1. Шкала для перевода отношения двух величин в децибелы

Верхняя шкала, дб, для звукового давления, напряжения, тока и т. д. Нижняя

шкала, дб, для интенсивности звука и мощности. Средняя шкала — отношение

переводимых в уровни величин.

Перевод абсолютных величин сигнала в единицы уровня удоб­но производить с помощью логарифмической линейки; сперва находят значение отношения двух величин (переводимой и соответствующей нулевому уровню, например, р/р), затем логарифм этого отноше­ния, последний умножают на 20 (или 10). Можно также воспользо­ваться графиком, приведенным на рис. 1.

Читайте также:  Презентация амперметр измерение силы тока лабораторная работа

Если переводимая в значения уровня физическая величина (зву­ковое давление, мощность, напряжение) меньше величины, соответ­ствующей нулевой, то уровень станет отрицательным (так как лога­рифм правильной дроби отрицателен).

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:

I=kP 2 ,

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.

Основной единицей измерения давления является сила на единицу площади и выражается в ньютонах на квадратный метр – Н/м 2 . В акустике для удобства давление измеряется в динах на квадратный сантиметр – дин/см 2 или микробарах. Соотносятся эти единицы следующим образом: 1Н/м 2 =10 дин/см 2 =10мкбар.

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:

Где: NдБ – число децибел, P e – звуковое давление которое нужно выразить в децибелах, P r – эталонное давление, равное 0,0002 дин/см 2 .

Выражая интенсивность звука в децибелах, мы показываем, во сколько раз он более интенсивен или менее интенсивен, чем звук, соответствующий эталонному звуковому давлению P r . Децибельная шкала, построенная относительно эталонного давления и принятого в качестве порогового значения, обычно называется уровнем звукового давления.

За точку отсчета Р(0дБ) принимается уровень условного абсолютного порога, соответствующего 2*10 -5 Н/м 2 , что соответствует 0,0002 дин/см 2 .

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.

Давление P e , дин/см 2 дБ Источник звука
Реактивный самолет в момент взлета. Может вызвать боль и стать причиной травмы
Раскат грома, сопровождаемый ударом молнии, рок-музыка передаваемая через усилитель.
Интенсивный транспортный поток, шум метро, пневматическая дрель.
Заводской шум, пылесос, фен.
0,2 Обычный разговор.
0,02 Офис, в котором занимаются канцелярской работой, или жилое помещение
0,002 Шепот, шелест листьев
0,0002 Слуховой порог.

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

Звуковые волны

Бой часов, пение птиц, речь человека и музыка — все эти явления можно обобщить одним словом «звук». Физика трактует звук как порождаемые некоторым источником колебания воздуха, на которые реагируют наши слуховые органы чувств.

О звуке подробнее

Итак, любой звук — это колебание воздуха. Если ввести в качестве дополнительного параметра одну из координат окружающего пространства, то совокупность колебаний каждой частицы на выбранном направлении образует звуковую волну. Если источник звука представить в виде точки, то звуковые волны можно уподобить лучам, которые от него распространяются во все стороны. Звук приводит в движение молекулы воздуха, которые начинают циклически перемещаться, изменяя механическое давление. Причем молекулы практически не перемещаются относительно своей первоначального местоположения.

Как человеческое ухо реагирует на звук?

Если на пути звуковой волны встречаются механические препятствия, то наблюдаются ее неоднократные переотражения. Колебания частиц воздуха, находящихся поблизости барабанной перепонки, изменяют воздушное давление. На барабанной перепонке имеется множество нервных окончаний, которые изменения давления трансформируют в понятный нашему мозгу сигнал.

Главные характеристики звуковых волн

Если графически отобразить звуковую волну, то получится простейшая гармоническая функция — синусоида. Хотя реальный сигнал, соответствующий этой функции, очень сложно встретить в реальном мире, для начального ознакомления с физической природой звуковых волн он вполне пригоден. Каким бы не был сложным звук, его всегда можно представить в виде математической суммы таких вот простых функций. Однако все слагаемые будут отличаться своими параметрами — частотой, фазой и амплитудой.

Читайте также:  Методы измерения скорости ультразвука

Что такое частота звука?

Физическая величина, численное значение которой соответствует числу колебаний за некоторый временной интервал. В привычной нам системе СИ этот интервал равен 1 секунде. А единицей измерения частоты является 1 Герц (одно колебание в секунду). Диапазон восприятия человеческого уха составляет от 20 Гц до 20кГц. А какие звуки лежат за границами нашего восприятия? Это так называемые инфразвук (частота меньше 20 Гц) и ультразвук (с частотой выше 20 кГц).

Амплитуда отвечает за громкость звука, причем здесь наблюдается прямая зависимость: растет амплитуда, увеличивается громкость и наоборот. Громкость тоже имеет свой диапазон, причем довольно широкий — от еле слышного поскребывания мыши под полом до оглушающих раскатов грома. Единицей измерения громкости является децибел, причем его значение может отображать как амплитуду, так и мощность звукового сигнала. Подробнее об этом речь пойдет далее.

Фаза — относительная характеристика, поэтому ее нужно замерять относительно другой звуковой волны. Когда речь идет о фазе, то всегда подразумевается наличие как минимум двух волн. Рассмотрим пример: есть 2 волны с одинаковой частотой. Если они находятся в фазе, то на графике это сразу видно — у них совпадают координаты максимумов, минимумов и нулей. Фаза измеряется в градусах и может принимать значения от нуля до 360. Крайние значения имеют свои собственные названия — 0 говорит о том, что волны находятся в фазе, а 360 — наоборот, в противофазе. Иногда говорят, что волны синхронны (в первом случае), и асинхронны (при фазе, равной 360-ти градусов). Как фаза связана с амплитудой? Ответ на этот вопрос несложен: усиление звука происходит только тогда, когда волны в фазе. Противофазные сигналы взаимно подавляют друг друга, обращая (в теории) амплитуду каждого в абсолютный нуль. На практике это явление может приводить к нежелательным последствиям. Например, отраженная от стен помещения звуковая волна начинает подавлять звучание источника. Нередко пропадание звука наблюдается при совмещении двух звуковых каналов в микшере для стереоскопического воспроизведения.

Что такое децибел?

Децибелы — это единицы, в которых измеряются сразу 2 физических величины: давление и напряжение. В первом случае речь идет о звуке, а во втором — об электричестве. Математически децибел описывается как логарифм от результата деления двух величин. А теперь запомните важный нюанс — для получения децибела следует взять логарифм по основанию «10» или десятичный (сокращенно десятичный логарифм обозначают 2-мя буквами латинского алфавита — «lg»). Децибелы введены для удобства пользования, так как шкала звукового давления расходится в очень больших пределах. Разница между тихим и громким звуком огромна и может достигать миллионов единиц. А введение логарифмов сокращает этот диапазон до привычных десятков и сотен. Поэтому в любой инструкции к современной звуковой аппаратуре все данные, имеющие отношения к усилению или ослаблению звука, приводятся в децибелах (дБ или dB).

Децибел децибелу рознь

Существуют несколько модификаций относительных единиц измерения уровня звука. Самых распространенных 4 и о них стоит поговорить подробнее.

1. дБм(dBm) — последняя буква обозначает милливатты, а значит речь идет о мощности. Правда, мощности электрического сигнала, в который был преобразован звуковой. Децибелы по мощности широко используются при описании характеристик электронной аппаратуры профессионального класса, а также в телефонии.

2. dBu (русск. дБн или дБu) — применяется для измерения амплитуды электрического сигнала (напряжения). Измеренное напряжение делится на эталонное значение (0.75 В), а затем логарифмируется. Сегодня этот подход не актуален, встретить значение dBu в паспорте современной электронной звуковой техники практически невозможно — повсеместно используется dBm как более удобный.

3. dBV(дБВ) — отличие дБВ от единицы измерения, описанной выше, заключается в эталонном напряжении — оно равно 1 Вольту. В отличие от dBu, единица dBV часто используется для описания технических возможностей как бытовых, так и полупрофессиональных звуковых устройств.

4. дБFS — кардинально отличается от всех децибелов, описанных выше. Две последние буквы FS являются сокращением английского слова fullscale, которое переводится как «полная шкала». Причиной ввода дБFS стало активное внедрение цифровых технологий в сферу звуковоспроизведения и звукозаписи. Ведь цифровой сигнал не имеет критерия оптимального напряжения, и для него можно выбрать любое из цифровых значений в заданном диапазоне. Максимальное значение звукового сигнала, преобразованного в «цифру» и не порождающего никаких искажений, соответствует 0.0 дБFS.

Важное отличие рассмотренных выше стандартов для измерения аналоговых сигналов по напряжению (dBu, dBV) от дБFS, заключается в том, что у них динамический диапазон не имеет запаса после нулевого значения.

Источник