Диапазон частот акустических колебаний F, слышимых чело­веком, простирается примерно от 16 . 25 Гц до 18 . 20 кГц в зависимости от индивидуальных особенностей слушателя. С ниж­ней границей звукового диапазона граничит диапазон инфразвуковых частот, воздействие которых на человека считают вредным, так как они могут вызывать неприятные ощущения с серьезными последствиями. В природе инфразвуковые колебания могут воз­никать при волнениях в море, колебаниях земной среды и пр.

Выше звукового диапазона располагается диапазон ультра­звуковых механических колебаний. Ультразвук для человека не­слышим, но широко используется в радиоэлектронике для создания устройств, служащих для обработки радиотехнических сиг­налов, например фильтров, линий задержки, преобразователей формы сигналов (в миниатюрном исполнении с использованием принципа поверхностных акустических волн—ПАВ), для лечеб­ных целей в медицине, для совершенствования технологических процессов в промышленности. Механические колебания в упругих средах с диапазоном частот F=109 . 1013 Гц—гиперзвуковые частоты — используют в технике физического эксперимента и др.

Тон и тембр

Пространственная локализация звуковых колеба­ний различной частоты на разных участках основной мембраны внутреннего уха предполагает независимость воз­буждения одной ее точки от другой и возможность одновременно­го возбуждения акустическими сигналами различных частот. Гар­моническое звуковое колебание некоторой частоты в восприятии характеризуется понятием тон. Разрешающая способность разли­чения слухом соседних частот относительно друг друга в преде­лах слышимого диапазона частот (от 16 . 20 Гц до 20 кГц) неодинакова. В области низких частот, ниже 500 Гц, она едва пре­вышает 1%, в области высоких частот—около 0,5% и лишь на средних частотах составляет 0,2 . 0,3%.

В музыкальной акустике принято делить частотный диапазон на октавы и доли октавы. Этими же понятиями пользуются и в радиовещании. Понятие октава соответствует изменению частоты F в два раза; весь диапазон звуковых частот охватывается 10 октавами. Музыкальная шкала октавы подразделяется на 12 по­лутонов, что соответствует приращению частоты или тонам звуков двух смежных клавиш рояля. Выбирая частотные интервалы для измерения спектров сигналов, часто пользуются промежуточными значениями интервалов частот — третьоктавных и полуоктавных .

Если звуковое колебание сложнее гармонического, но также периодическое, то его следует рассматривать как сумму гармони­ческих колебаний, представляемых рядом Фурье:

,

где —амплитуда; —частота; k—номер спектральных со­ставляющих звучания; —их фаза. В этом случае звучание ха­рактеризуется основным, наиболее низкочастотным, колебанием, соотношение же между основным тоном и обертонами — высшими гармониками—определяет при восприятии тембр звучания, его то­нальную окраску. Исследования показывают, что тембральное различие голосов определяется формой спектрального распреде­ления энергии звука, обычно обладающего несколькими макси­мумами и минимумами в области средних и высоких частот в пре­делах значительной части звукового диапазона. Максимальные значения такого распределения называют формантами, мини­мальные—антиформантами. По тембру можно отличить один музыкальный инструмент от другого, узнать голос певца, харак­тер шума.

Порог различимости по частот.

Измерение этого порога обыч­но сводится к оценке минимально воспринимаемой девиации частоты тона F при его модуляции тоном. При этом порогу различимости по частоте соответствует минимальное значение , замечаемое слухом. Значение этого порога зависит от ча­стоты модуляции, частоты F и уровня Na сигнала испытательного тона. Заметим, что чувствительность слуха к изменениям F ма­ксимальна при частоте модуляции 4 Гц; для этого случая мини­мально ощущаемая девиация частоты при уровне звукового дав­ления 70 дБ лежит в пределах 1,5 . 50 Гц в зависимости от вы­бранного значения частоты испытательного тона.

Влияние уровня Na в децибелах и частоты F в герцах измери­тельного тона на значение показано на рис. 2,6 и в. Ча­стота модуляции тона 4 Гц. Заметим, что порог (рис. 2,6) зависит от уровня звукового давления тона лишь тогда, когда по­следний не слишком сильно отличается от абсолютного порога слышимости. В области частот ниже 500 Гц (рис. 2,в) порог девиации = 1,8 Гц, а на частотах F>500 Гц он возрастает пропорционально частоте и равен , где F—частота измерительного тона. На частотах ниже 500 Гц почти не зависит от частоты модулирующего тона.

Если в качестве испытательного сигнала используется шум, то порог при его модуляции тоном повышается и составляет не менее 15 . 20 Гц при частоте модуляции 4 Гц.

Список литературы

1. Сапожков М.А. Электроакустика. - М.: Связь, 1978.

2. Радиовещание и электроакустика: Учебник для вузов. Авторы: А.В. Выходец, М.В. Гитлиц, Ю.А. Ковалгин и др. - М.: Радио и связь, 1989.

3. Ю.А. Ковалгин. Радиовещание и электроакустика. - М.: Радио и связь, 1998.