Тэг: Что такое звук?

Мы наслаждаемся звуком. Мы извлекаем из него сигналы и полагаемся на них — и чтобы их уловить, в нашей голове есть даже два хрящевых приемника, которые входят в "стандартную комплектацию" ).
Но что такое звук? Из чего это сделано? Как может что-то вроде мягкого хлопка или слоя пенопласта обеспечивать звукопоглощение, в то время как оконо из твердого стекла плохо поглощает его? Короткий ответ: звук — это вибрация, распространяющаяся через окружающую нас материю. Эти вибрации могут передаваться через твердые тела, жидкости и газы, например, скрипящие половицы, воду и воздух.
Чтобы создать звук, слышимый человеческими ушами, звуковая энергия перемещает молекулы вещества, через которое она проходит, и создает звуковые волны , которые распространяются по кругу, как рябь в пруду. По мере удаления звуковых волн от источника их интенсивность, естественно, становится меньшей.
Звук во многом похож на воду. У него нет формы, поэтому он приспосабливается к окружающей среде и, как вода, может поглощаться одними материалами и удерживаться другими. Вот почему звукопоглощающие и звукоизоляционные материалы могут остановить передачу звука внутри помещения или из одного помещения в другое.
Мы рассмотрим, что такое звук и как на самом деле работает поглощение звука, включая некоторую полезную информацию о таких вещах, как коэффициент звукопоглощения, контур равной громкости и закон обратных квадратов, которому так послушно следует звук. Но прежде чем мы перейдем к эффективным средствам поглощения звуковых волн, давайте узнаем, откуда берется звук и как он распространяется.

Распространение звука

Чтобы начать это путешествие в мир звука, вам предстоит переосмыслить мир вокруг себя. Сначала представьте воздух, окружающий вас сейчас. Он состоит из триллионов и триллионов легко танцующих молекул, плавающих в пустом пространстве. Все твердое — столы, стены, столешницы — также состоит из атомов и молекул, но они более плотно "упакованы" и менее свободны в перемещении.
Все это является средой распространения звука. Это означает, что если что-то потревожит одну из этих молекул, перемещая ее достаточно быстро, эта молекула отскочит от следующей молекулы, которая отскочит от следующей молекулы, которая отскочит от следующей молекулы... вы поняли. Это похоже на микроскопический эффект домино.
Однако все, что издает звук, естественным образом приведет в движение более одной молекулы — переместит все окружающие его молекулы. Подобно ряби от камня, брошенного в пруд, она распространяется во всех направлениях от источника возмущения.
Для иллюстрации щелкните пальцами. В тот самый момент, когда ваша кожа ударяется о себя, рождается ударная волна. Поскольку вы живете в трехмерном пространстве, эффект домино распространяется наружу по сфере , а не по кругу, как в случае с рябью пруда, где каждая молекула воздействует на следующую, пока возмущение в конечном итоге не достигнет ваших ушей. В этот момент ударная волна проходит по слуховому проходу и воздействует на барабанную перепонку, которая вибрирует и передает информацию в мозг.
Здесь следует отметить несколько вещей:
Звук распространяется как продольная волна. Это означает, что молекулы будут двигаться наружу вместе с ударной волной, но потом они вернутся в исходное положение. Чистого движения молекул нет — вот почему звук не вызывает ветер.Скорость звука определяется не громкостью или высотой звука. Скорее, это определяется физическими свойствами воздуха. Такие вещи, как плотность воздуха, давление и температура, играют роль в скорости звука. Не весь звук движется в сферическом направлении. Звук также может быть направлен в одном направлении.

Длина волны и громкость

Высота звука определяется его длиной волны. Помните эти вибрирующие молекулы воздуха? Чем больше раз они вибрируют в секунду, тем выше будет тон. Если они вибрируют сильнее, говорят, что их длина волны короче. Если использовать аналогию с океанскими волнами, это расстояние от гребня одной волны до гребня следующей.

Звуковая волна, молекулы воздуха которой колеблются взад и вперед десять тысяч раз в секунду (или 10 000 герц (Гц), если использовать научную единицу измерения), будет звучать неприятно пронзительно, как собачий вой. С другой стороны, звуковая волна, вибрирующая всего лишь 30 раз в секунду, будет гулом, похожим на землетрясение, который вы не только слышите, но и чувствуете. Этот тип звука имеет гораздо большую длину волны и, следовательно, более высокую скорость вибрации.

Громкость не связана с длиной волны. Стук пальцев по столу может показаться громче, чем человек, напевающий с той же громкостью, но это не так — громкость вызвана исключительно силой звуковой волны, иначе известной как ее амплитуда. Представьте себе такой случай:
Вы сидите, и мимо вас проходит звуковая волна частотой 41 герц. Кстати, сорок один герц — это высота самой низкой басовой ноты в песне группы Queen «Another One Bites the Dust». В нашем примере вы можете увидеть, как крошечные молекулы воздуха колеблются взад и вперед — и, естественно, они колеблются взад и вперед 41 раз в секунду.Теперь громкость увеличена. Эти молекулы воздуха по-прежнему колеблются вперед и назад 41 раз в секунду — с той лишь разницей, что теперь они каждый раз движутся все дальше влево и вправо. Это и создает громкость.

Контуры одинаковой громкости

Чтобы разобраться в психоакустическом восприятии «громкости»,  ученые провели интересное исследование. Предлагая испытуемым звуки разной высоты, чтобы увидеть, какие из них они считают равными по громкости, ученые собрали данные и усреднили их в диаграмме, известной как «Контур равной громкости».

Напомним, что восприятие громкости людьми связано не только с децибелами, но и с другими факторами. Фактически, на восприятие громкости влияют такие вещи, как высота звука, характер звуковой волны, полоса пропускания и продолжительность воздействия звука .
Практический вывод из контуров одинаковой громкости заключается в том, что мы воспринимаем одни звуки громче других. Например, полуакустическая гитара может звучать громче, чем акустическая гитара при равных уровнях звукового давления из-за сложности звуковой волны.

Уровень звука. Восприятие громкости звука.

То, как мы воспринимаем звук, как и многие вещи, связанные с психологией человека — это странный и загадочный мир, до конца не изученный учеными. Мы часто клянемся, что некоторые звуки, громкость которых, как можно научно доказать, такая же, как и другие, громче. Звук играет на уникальном инструменте восприятия и психологии каждого человека. Это сбивает с толку.
Но вот что мы знаем. Звук действительно имеет объективно наблюдаемую амплитуду, и психоакустика в некоторой степени с ней коррелирует.
Уровень звука измеряется в децибелах, сокращенно дБ. Децибелы действуют в логарифмическом, а не линейном масштабе. На практике это означает, что увеличение громкости на 10 дБ будет звучать примерно в два раза громче — следовательно, блендер при громкости 80 дБ будет фактически звучать в два раза громче, чем пылесос при громкости 70 дБ. Наш слух легко повреждается при длительном воздействии звука более высокого уровня.

Закон обратных квадратов

Итак, если звук — это эффект домино, почему он не распространяется вечно? Ответ в том, что звуковая волна начинается с определенного количества энергии и не увеличивается по мере своего распространения. На самом деле, со временем он только теряет энергию. Когда звук распространяется наружу, представьте, что сферическая ударная волна растет и увеличивается в размерах. Поскольку то же количество энергии теперь распространяется по гораздо большей сферической поверхности, она, естественно, менее интенсивна — очень похоже на тепло костра, которое быстро исчезает по мере удаления.
Оказывается, интенсивность звука падает обратно пропорционально объему сферы. На простом языке это означает, что интенсивность звука резко падает — примерно на единицу на квадрате расстояния.
Для иллюстрации снова щелкните пальцами, на этот раз на расстоянии примерно 15 см от уха. Обратите внимание, что этот эксперимент лучше всего работает на открытом воздухе, где нет стен, отражающих звук обратно. Если вы теперь щелкнете на расстоянии 30 см от уха или в два раза дальше, звук станет на четверть тише. Если вы переместите его на 1 м или в 3 раза дальше, звук упадет до одной девятой от первоначальной громкости.

Звукопоглощение

Основная задача многих компаний заключается в области звукопоглощения . Это явление именно то, на что похож слысл этого термина — брать входящий звук и поглощать его, чтобы добиться тишины.
Сложная часть поглощения звука восходит к началу статьи, где мы говорили о звуковых волнах и вибрирующих молекулах. Когда звук проходит через одну среду и переходит в другую, например, из воздуха в твердую поверхность, часть звуковой волны неизбежно отражается обратно через воздух. Вот почему вы намного лучше слышите себя в помещении: стены отражают ваш собственный голос прямо в ваши уши.

Правильное звукопоглощение минимизирует это отражение. Такие материалы, как пенопласт, хлопок, стекловолокно и некоторые виды резины, поглощают гораздо больше звука, чем отражают. Материалы также чрезвычайно устойчивы к передаче звука, поэтому, попав внутрь материала, звуковая волна быстро и эффективно гасится.

Разборчивость речи

Наши уши — более мощный инструмент, чем мы думаем. Они способны воспринимать огромное количество информации — каждую звуковую частоту примерно от 20 до 20 000 Гц — и обрабатывать ее, переводить в сигналы мозга и отправлять в наши извилины, чтобы они делали с ними то, что необходимо, и все это за доли секунды.
Будучи социальными существами, мы очень чувствительны к нюансам речи. Человеческий голос представляет собой смесь различных частот, столь же уникальных, как отпечаток пальца.
Когда мы не можем слышать определенные частоты, мы начинаем терять способность понимать то, что нам говорят. Как мы увидим, фоновый шум может играть большую роль в этой проблеме.

Отношение сигнал/шум

Когда есть звук, который мы хотим услышать или записать, мы боремся с окружающим шумом, который угрожает его затмить. В идеале нам нужно высокое соотношение сигнал/шум, то есть хорошее количество сигнала при низком уровне шума.
В комнате с фоновым шумом 50 дБ человека, говорящего с уровнем шума 60 дБ, может быть трудно понять. Это потому, что уровень шума в 50 дБ, который мы называем «минимальным уровнем шума», поскольку он является базовым уровнем тишины в комнате, конкурирует за частоты с голосом в 60 дБ.

Минимальный уровень шума присутствует не только в окружающей нас среде, но и в каждом электронном аудиоустройстве, которым мы владеем. Подобно трению в физике, шум в электронике невозможно полностью устранить — каждый провод, усилитель и другая часть схемы добавляет немного шума. Кроме того, уровень шума невозможно устранить простым увеличением громкости, поскольку это повысит уровень шума на такую же величину.

Уровень окружающего звука и фонового шума

Звуки, которые постоянно присутствуют на заднем плане нашей жизни, создают низкий гул, который наш мозг довольно хорошо нейтрализует. Вот почему тикающие часы на стене не сводят вас с ума — извините, что упомянул об этом и заставил вас осознать это сейчас.
Уровень звука окружающего фонового шума меняется в зависимости от местоположения. В городских районах окружающий фоновый шум может варьироваться от 60 дБ до более 80 дБ, что примерно соответствует уровню звука в офисе до рева самолета на высоте 5 км над головой. Однако в пригородных районах уровень окружающего шума обычно колеблется в пределах 45-50 дБ.
Однако есть одно интересное замечание. Если вы думаете, что вам может понравиться отсутствие фонового шума, подумайте еще раз. Комната, в которой абсолютно нет фонового шума, может заставить даже самые медитативные умы вернуться в хаос реального мира. В одной комнате, спроектированной с научной точки зрения так, чтобы блокировать 99% всех фоновых звуков, ни разу посетитель не оставался там дольше 45 минут. Они склонны сходить с ума, когда все, что они могут слышать — это собственное сердцебиение, урчание в желудке и даже кровь, текущую по венам.

Все в меру. Уменьшение окружающего фонового шума в повседневной жизни — отличный способ освободить свое личное пространство и освободить место для любимых звуков, таких как музыка, развлечения и даже тишина.

Влияние утечки звука на звукоизоляцию перегородок

Представьте, что вы звукоизолировали всю стену своего дома, чтобы не допустить шума с улицы. Все готово к работе, за исключением одной щели под дверью — но она не может пропустить столько шума, не так ли?

Оказывается, небольшая утечка может существенно снизить эффективность звуковой перегородки. Вот почему важно завершить работу с дверными уплотнителями, которые могут сэкономить время на звукоизоляции и сохранить тишину и порядок.

Добавление децибел

Помните, что при добавлении децибел, небольшие приращения, такие как +3 дБ или -3 дБ, могут создать заметные различия в громкости. Те, кто занимается профессиональным микшированием музыки, знают это лучше всего: если нужно что-то немного больше, они обычно повышают громкость всего на пару децибел.
Мощность звука значительно увеличивается по мере увеличения шкалы децибел. Например, представьте, что воспроизводится звук. Если другой звук воспроизводится точно с такой же мощностью, разница между ними составляет 0 дБ. Однако, допустим, звук воспроизводился в миллион раз большей мощности. Это всего лишь на 60 дБ выше.

Коэффициенты шумоподавления

Давайте представим, что мы хлопаем в ладоши перед тонкой деревянной стеной. Звуковая волна пройдет по воздуху и ударится о стену. Часть волны отскочит к нам, а другая часть передастся через стену на другую сторону. Поскольку древесина жесткая и склонна к вибрации, через нее будет передаваться много звука, а не поглощаться.
Чтобы быть хорошим поглотителем, материал должен иметь высокий коэффициент поглощения. Это число находится в диапазоне от 0 до 1 , где 0 — идеальный передатчик, а 1 — идеальный поглотитель. Такие материалы, как дерево, стекло и бумага, имеют низкие коэффициенты поглощения, а пенопласт и звукоизоляция имеют коэффициенты, близкие к 1.

Скорость звука

Как мы заявляли ранее, скорость звука не зависит от длины волны или амплитуды звука — она полностью зависит от свойств среды, через которую проходит звук.

Скорость звука в воздухе составляет около 343 метров в секунду. Это зависит от температуры, ветра и влажности, но это надежное правило. Звук передается при столкновении одной молекулы воздуха с другой, поэтому вполне логично, что скорость звука в жидкостях и твердых телах выше, чем в газах . Молекулы расположены рядом друг с другом, поэтому им приходится преодолевать меньшее расстояние для передачи звука, чем в газах.