Ogólne informacje o dźwięku

Dźwięk jako ruch falowy

W powietrzu dźwięk może być postrzegany jako zmiany ciśnienia w przestrzeni powietrznej. Ma on swoją długość fali, częstotliwość i intensywność. Dźwięk przechodzi ze źródła do punktu odbioru, przenoszony przez odpowiednie nośniki. Kiedy energia uderza w cząsteczki nośnika, to powoduje, że cząsteczki wibrują, tworząc falę, która przekazuje energię dźwięku. Prędkość dźwięku zależy od nośnika, przez który przechodzą fale i jest podstawową właściwością materiału. Ciało stałe to doskonały nośnik dźwięku, ciecze nie przenoszą dźwięku zbyt dobrze a gazy są najsłabszymi nośnikami dźwięku. Na przykład, dźwięk przechodzi przez powietrze z prędkością prawie 340 metrów na sekundę, a przez stal prędkość ta może wynosić około 5.200 metrów na sekundę.

Ponieważ fala dźwiękowa składa się z powtarzających się obszarów zmian wysokiego i niskiego ciśnienia przechodzących przez nośnik, czasami jest określana mianem falą ciśnienia. Fale dźwiękowe są często przedstawiane w postaci wykresów, takie jak te poniżej, gdzie oś x jest osią czasu, a oś Y jest osią ciśnienia lub gęstości nośnika, przez który dźwięk podróżuje. 

Fala dźwiękowa 

 wielkość fizyczna

symbol

miano

wzór 

częstotliwość

 f=1/T

Hz=1/s 

 f=c/λ

długość fali

 λ

λ=c/f

okres lub czas trwania cyklu 

T=1/f 

 T=λ/c

prędkość fali

 c

m/s

 c=λxf

 

Ucho ludzkie jest niezwykle wrażliwe i słyszenie jest możliwe przy bardzo niskiej mocy dźwięku. Zakres ludzkiego słuchu obejmuje obszar pomiędzy 0 dB (próg słyszenia) a 120 dB (próg bólu) o częstotliwościach od 20 do 20000Hz. Częstotliwości, które znajdują się poniżej obszaru słyszalności znane są jako infradźwięki a częstotliwości powyżej 20000Hz nazywane są ultradźwiękami.

Najważniejszym zakresem częstotliwości dla rozróżniania mowy jest 300-3000Hz. Hałasy nie są zazwyczaj tonami czystymi, ale zawierają w sobie dźwięki o różnej energii rozłożone w szerokim paśmie częstotliwości. Środkowe częstotliwości są określane międzynarodowymi normami i poniższa tabela przedstawia niektóre standardowe pasma częstotliwości.

Pasma oktaw

Sound chart

 

Ucho ludzkie reaguje na ciśnienie dźwięku, które jest mierzone w jednostkach Pa (N/m2). Najniższy poziom ciśnienia akustycznego, które przeciętne ucho może wykryć, wynosi około 0.00002Pa, a granica bólu wynosi około 200Pa. Z powodu tak szerokiego zakresu ciśnień, niepraktyczne jest używanie skali liniowej, więc poziom ciśnienia akustycznego wyraża się zazwyczaj za pomocą skali logarytmicznej (oznaczonej jako dB). Termin dB i bel (= 10 dB) są w rzeczywistości terminami czysto matematycznymi i nie są przeznaczone specjalnie do akustyki.

Bel to logarytm związku pomiędzy dwoma wielkościami.

Odbiór dźwięku zależy od osoby. Dźwięk ledwo rozpoznawany przez jedną osobę może być bardzo irytujący dla kogoś innego. Osoby mogą również różnie reagować na ten sam dźwięk, w zależności od nastroju. Generalnie wzrost o 10 dB postrzegany jest jako podwojenie głośności dźwięku a wartość 1-2 dB jest najmniejszą zmianą, rozpoznawalną przez ucho ludzkie.

 

Odbiór dźwięku zależy od:
  • Poziomu dźwięku 
  • Częstotliwości 
  • Rodzaju dźwięku, czy jest ciągły, czy przerywany
  • Czy jest to hałas, czy miła muzyka 
     
Ciśnienie akustyczne 

Arytmetyka decybeli

Jak stwierdzono wcześniej, decybel to wartość logarytmiczna, która nie może być dodawana lub odejmowana w taki sam sposób jak wartości liniowe. Konieczne jest zatem, aby powrócić do jednostek liniowych, Pa, w celu wykonania działań arytmetycznych, a następnie wrócić do wartości logarytmicznych.

Jako przykład, dodaj dwie wartości poziomu dźwięku:

Lp1= 40 dB and Lp2=45 dB

Najpierw należy zmienić jednostki na Bele poprzez podzielenie przez 10, a następnie powrócić do wartości liniowych w celu wykonania dodawania

104.0 + 104.5 =10 000 + 31 622 = 41 622

Następnie powrót do wartości logarytmicznej daje nam: log (41 622) = 4.62 bel

Zatem:
Lp.tot = 46.2 dB

Alternatywnie można skorzystać z wykresu po prawej stronie uzyskując ten sam rezultat. 

Arytmetyka decybeli 

 

Matematycznie, dodanie dwóch identycznych źródeł zwiększy poziom o 3 dB a 10 źródeł identycznych o 10 dB. Pokazuje to też poniższa ilustracja.

Decibel arithmetic


Podczas gdy poziom dźwięku jest możliwy do zmierzenia, to wrażliwość ucha jest określana za pomocą różnych filtrów. Filtry te są oznaczone jako dB (A), dB (B) i dB (C). Najczęściej używany filtr to filtr dźwięku A, który imituje sposób w jaki ucho filtruje dźwięki. Patrz rysunek poniżej (krzywa tłumienia dla filtra A).

 

Filtrowanie dźwięku

 Ilustracja: krzywa tłumienia dla filtru typu A 


Odbicie, pochłanianie dźwięku i izolacja akustyczna

Dźwięk może być pochłaniany, przekazywany lub odbity. Gdy granica pomieszczenia, np. dach, podłoga lub ściana, zostaje uderzona falą dźwiękową, pewna cześć energii dźwięku zostanie odbita, pewna pochłonięta przez materiał, a pewna przeniesiona przez tą granice, tak jak pokazano na ilustracji.

Odbicia dźwięków


Część odbitego, pochłoniętego lub przekazanego dźwięku zależy od kształtu materiału lub struktury uderzonej falą dźwięku oraz od częstotliwości dźwięku. Na tej podstawie, określić można trzy parametry akustyczne.

Współczynnik pochłaniania,  α = (pochłaniany dźwięk+ dźwięk przenoszony) / (dźwięk padający)

Współczynnik odbicia, ζ = (dźwięk odbity) / (dźwięk padający)

Współczynnik przepuszczania, τ = (przenoszony dźwięk) / (dźwięk padający)