М.М. ЭФРУССИ. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ, М., «ЭНЕРГИЯ», 1971
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/м2). 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/см2), которая равна 0,1 н/м2; отсюда 1 н/м2 = 10 дин/смг = 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/м2), в прежней, еще действующей системе единиц СГС единица интенсивности— 1 эрг/сек·см2. Последняя единица равна 0,001 вт/м2; наоборот, 1 вт/м2—103 эрг/сек·см2.
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/м3 (в системе СГС — 1 эрг/см3).
Звуковая мощность — поток звуковой энергии, проходящий за 1 сек через данную поверхность перпендикулярно ей. Единица измерения — ватт (107 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 (106) 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 fmax/fmin=2n где п — количество октав. Таким образом, количество октав равно логарифму (при основании 2) отношения крайних частот.
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. 2n=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 1012. 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;
I0 — интенсивность (сила) звука частотой 1000 гц на пороге слышимости — 10-12 вт/м2= 10-9 эрг/см2·сек.
Поскольку интенсивность звука пропорциональна второй степени звукового давления (I=kp2), то соответствующий уровень звукового давления будет:
где р — данное эффективное значение звукового давления, а р0 = 2 • 10-5 н/м2 = 2 • 10-4 дин/см2.
Подобно акустическим уровням введено понятие электрического уровня. Электрические уровни выражают через отношение мощностей или напряжений
причем P0=1 мвт (0,001 вт), U0 = 0,775 в, а R0=600 ом. Величина U0 получается из соотношения, связывающего мощность, напряжение и сопротивление: U0 = (P0R0)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 Р0, равны (R = R0).
Если уровни вычислены по мощности, причем Р0=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 (р2/р1 = 2), что означает изменение уровня звукового давления на 6 дб (20 lg 2); интенсивность звука при этом изменилась в 4 раза (I2/I1 = 4), но уровень интенсивности звука изменился также на б дб (10 lg 4).
Рис. 1. Шкала для перевода отношения двух величин в децибелы
и обратно.
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/р0), затем логарифм этого отношения, последний умножают на 20 (или 10). Можно также воспользоваться графиком, приведенным на рис. 1.
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).
