Vispārīga informācija par skaņu

Skaņa kā viļņveida kustība

Gaisā radītu skaņu var uzskatīt par gaisa spiediena izmaiņām. Tai ir viļņa garums, frekvence un intensitāte. Skaņa pārvietojas no tās avota uz uztveršanas vietu vidē. Kad enerģija saskaras ar vides molekulām, tās sāk vibrēt turp un atpakaļ, radot vilni, kas vada skaņas enerģiju. Skaņas ātrums ir atkarīgs no vides, caur kuru virzās viļņi, un ir būtiska materiāla īpašība. Ciets materiāls ir teicams skaņas vadītājs, šķidrumi labi nepārvada skaņu, bet vissliktākie skaņas vadītāji ir gāzes. Piemēram, skaņas viļņa garums gaisā ir gandrīz 340 metri sekundē, bet caur tēraudu tā var virzīties ar ātrumu aptuveni 5200 metri sekundē.

Tā kā skaņas vilnis sastāv no augsta spiediena un zema spiediena apgabaliem, kas atkārtojas un virzās caur vidi, dažkārt to sauc par spiediena vilni. Skaņas viļņus bieži vien attēlo diagrammās, kā redzams apakšējā attēlā, kur x ass ir laiks, bet y ass ir spiediens jeb vides blīvums, caur kuru virzās skaņa.

Skaņa kā viļņveida kustība 

 fiziskā vērtība

symbols

vienība

formula 

frekvence

 f=1/T

Hz=1/s 

 f=c/λ

Viļņa garums

 λ

λ=c/f

Viena cikla laika periods 

T=1/f 

 T=λ/c

Viļņa ātrums

 c

m/s

 c=λxf


Cilvēka ausis ir ļoti jutīgas un, lai dzirdētu, ir nepieciešamas vien zemas intensitātes skaņas. Cilvēka dzirdes diapazons svārstās no 0 dB (dzirdamības slieksnis) līdz 120 dB (sāpju slieksnis) frekvencēs no 20 līdz 20000Hz. Frekvences, kas ir zemākas par dzirdamības zonas frekvencēm, tiek sauktas par infraskaņu, bet frekvences virs 20000Hz tiek sauktas par ultraskaņu.

Attiecībā uz runas skaidrību, visbūtiskākais skaņas diapazons ir 300–3000Hz. Trokšņi parasti nav tīri toņi, bet ietver vairāku skaņu enerģiju dažādās frekvenču joslās. Vidējās frekvences ir starptautiski standartizētas un apakšā redzamajā tabulā ir attēlotas dažas standarta frekvenču joslas.

oktāvas

Oktāvas un 1/3 oktāvas joslas vidējās frekvences

 

Cilvēka auss reaģē uz skaņas spiedienu, ko mēra Pa (N/m2). Zemākais skaņas spiediens, ko var saklausīt parasta auss, ir aptuveni 0,00002Pa, un sāpju robeža ir aptuveni 200Pa. Šī plašā spiediena diapazona dēļ nav lietderīgi izmantot lineāru skalu, tādēļ skaņas spiediena līmeņus parasti attēlo logaritmiskā skalā (ko apzīmē ar „dB”). Termini dB un bels (=10 dB) patiesībā ir tīri matemātiski jēdzieni, un nav speciāli attiecināti uz akustiku.

Bels ir logaritms attiecībai starp diviem daudzumiem.

Katra persona skaņu uztver savādāk. Skaņa, ko viens cilvēks var sadzirdēt tikai ar grūtībām, var būt ļoti kaitinoša citam. Atkarībā no noskaņojuma cilvēks var arī dažādi reaģēt uz vienu un to pašu skaņu,. Parasti skaņas pastiprināšanās par 10 dB tiek uztverta kā divkārt augstāks skaņas līmenis un 1–2 dB ir vismazākā skaņas izmaiņa, ko auss var saklausīt.

Skaņas sadzirdēšanu ietekmē

  • skaņas līmenis 
  • frekvence 
  • skaņas veids – vai tā ir pastāvīga vai ar pārtraukumiem 
  • vai tas ir troksnis, vai patīkama mūzika 
Skaņas spiediena 

Decibelu aprēķini

Kā norādīts iepriekš, decibeli ir logaritmiskas vērtības, ko nevar ne pievienot, ne atņemt kā lineāras vērtības. Tādēļ, lai veiktu aprēķinus, ir jāizmanto lineārās skaņas spiediena mērvienības Pa, un pēc tam jāatgriežas pie logaritmiskajām vērtībām.

Šajā piemērā tiek saskaitīti divi skaņas līmeņi:

Lp1= 40 dB un Lp2=45 dB

Vispirms jānomana mērvienības uz beliem, dalot tās ar 10 un pēc tam jāatgriežas pie lineārajām vērtībām, lai veiktu saskaitīšanu:

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

Pēc tam, atgriežoties pie logaritmiskajām vērtībām tiek iegūts
log (41 622) = 4,62 beli vai 46,2 decibeli (dB)

Tādējādi:
Lp.tot = 46.2 dB

Vēl viens variants ir izmantot iepriekš redzamo aprēķinu, lai iegūtu to pašu rezultātu.

Decibelu aprēķini 

 

Matemātiski saskaitot divus identiskus avotus, skaņas līmenis palielināsies par 3 dB=10*log(2) , saskaitot 10 identiskus avotus – par 10 dB=10*log(10). To var attēlot arī šādi.

Decibelu aprēķini


Mērot skaņas līmeni, tiek ņemts vērā auss jutīgums, un tādēļ tiek izmatoti dažādi filtri. Šos filtrus apzīmē ar dB(A), dB(B) un dB(C). Visbiežāk izmantotais filtrs ir A svērtais filtrs, kas imitē veidu, kā auss filtrē skaņu. Skatiet zemāk ievietoto attēlu (A filtra rimšanas līkne).

 

A filtra rimšanas līkne

Attēls: A filtra rimšanas līkne


Atstarošana, skaņas absorbcija un skaņas izolācija

Skaņu var absorbēt, vadīt vai atstarot. Kad pret telpas robežu, piemēram, jumtu, grīdu vai sienu atsitas skaņas vilnis, daļa skaņas enerģijas tiks atstarota, daļa slāpēta materiālā, bet daļa izvadīta tam cauri, kā redzams attēlā.

Atstarošana, skaņas absorbcija un skaņas izolācija


Daudzums, kas tiek atstarots, absorbēts vai pārvadīts, ir atkarīgs no materiāla vai konstrukcijas formas, pret ko atduras skaņas vilnis, kā arī skaņas frekvences. Pamatojoties uz to, var noteikt trīs akustiskos parametrus.

Absorbcijas koeficients, α = (absorbētā skaņa + pārvadītā skaņa)/(krītošā skaņa)
Atstarošanas koeficients, ζ = (atstarotā skaņa)/(krītošā skaņa)
Pārvades koeficients, τ = (pārvadītā skaņa)/(krītošā skaņa)