Вимірювання звуку

У цій статті наведено відповіді на деякі основні питання, які ставить новачок у програмі вимірювання шуму. У ній подано коротке пояснення таких питань, як: що таке звук і чому ми його вимірюємо?

Звук настільки поширений у повсякденному житті, що ми рідко оцінюємо весь його функціонал. Він забезпечує приємні враження, такі як прослуховування музики або спів птахів. Звук дозволяє розмовляти з родиною та друзями. Він може попередити нас — наприклад, дзвінком телефону або виттям сирени.

ЩО ТАКЕ ЗВУК?

Звук можна визначити як будь-яку зміну тиску (в повітрі, воді або іншому середовищі), яку може сприйняти людське вухо. Найвідоміший інструмент для вимірювання коливань тиску в повітрі — барометр.

Однак зміни тиску, що виникають при зміні погодних умов, є надто повільними для людського вуха і, відповідно, не відповідають нашому визначенню звуку. Але якщо зміни атмосферного тиску відбуваються швидше — не менше 20 разів на секунду — їх можна почути, і тому такі коливання називаються звуком.

Кількість коливань тиску за секунду називається частотою звуку і вимірюється в герцах (Гц). Частота звуку визначає характерний тон. Таким чином, гуркіт далекого грому має низьку частоту, а свист — високу частоту. Нормальний діапазон слуху для здорової молодої людини становить приблизно від 20 Гц до 20 000 Гц (або 20 кГц), тоді як діапазон від найнижчої до найвищої ноти фортепіано становить від 27,5 Гц до 4186 Гц.

ШКАЛА ДБ (ДЕЦИБЕЛ)

Найслабший звук, який може сприйняти здорове людське вухо, має амплітуду 20 мільйонних часток Паскаля (20 мкПа), що приблизно у 5 000 000 000 разів менше нормального атмосферного тиску. Вражає те, що вухо може витримувати звуковий тиск, який більш ніж у мільйон разів вищий. Таким чином, якби ми вимірювали звук у Па, ми отримали б досить великі та важкі для сприйняття числа. Щоб цього уникнути, використовується інша шкала — шкала децибел або дБ.

Децибел не є абсолютною одиницею вимірювання. Це відношення між виміряною величиною і погодженим опорним рівнем.

Шкала дБ є логарифмічною і використовує поріг чутності 20 мкПа як опорний рівень, який визначено як 0 дБ.

Коли ми множимо звуковий тиск у Па на 10, ми додаємо 20 дБ до рівня в дБ. Таким чином, 200 мкПа відповідають 20 дБ (відносно 20 мкПа), 2000 мкПа — 40 дБ і так далі. Рівні звукового тиску (SPL) у дБ і Па для різних знайомих звуків показані на рисунку.

ЩО МИ ЧУЄМО?

Ми вже визначили звук як будь-яку зміну тиску, яку може чути людське вухо. Це означає діапазон частот від 20 Гц до 20 кГц для молодого, здорового вуха. Що стосується рівня звукового тиску, чутні звуки варіюються від порогу чутності на рівні 0 дБ до порогу болю, який може перевищувати 130 дБ.

Хоча збільшення на 6 дБ означає подвоєння звукового тиску, приблизно збільшення на 10 дБ необхідне для того, щоб звук суб’єктивно сприймався вдвічі гучнішим. (Найменша зміна, яку ми здатні почути, становить близько 3 дБ).

Суб’єктивна або сприймана гучність звуку визначається кількома складними факторами. Одним із них є те, що людське вухо не однаково чутливе на всіх частотах. Воно найбільш чутливе до звуків у діапазоні від 2 кГц до 5 кГц і менш чутливе до вищих і нижчих частот.

ЯК МИ ЧУЄМО?

Людське вухо складається з трьох основних частин: зовнішнього вуха, середнього вуха та внутрішнього вуха. Зовнішнє вухо, що складається з вушної раковини та слухового проходу, збирає звукові хвилі, що передаються повітрям, які потім викликають вібрацію барабанної перетинки — інтерфейсу із середнім вухом.

Середнє вухо діє як пристрій узгодження імпедансу і має три маленькі кісточки, що працюють як система важелів. Ці кісточки передають вібрації у внутрішнє вухо, яке складається з двох окремих систем: півколових каналів для контролю рівноваги та завитки. Завитка являє собою заповнену рідиною трубку у формі спіралі, яка поділена вздовж базилярною мембраною на дві частини.

Тривалий вплив гучних звуків спричиняє пошкодження волоскових клітин, у результаті чого слух поступово погіршується. Спочатку пошкодження кількох волоскових клітин є непомітним, але зі збільшенням їх кількості мозок уже не може компенсувати втрату інформації. Втрата слуху, спричинена впливом шуму, зазвичай є найбільшою на тих частотах (близько 4 кГц), де вухо найбільш чутливе.