Fizyczne własności dźwięku

Podstawowe własności źródeł dźwięku Źródłem wszelkiego dźwięku są układy materialne wykonujące ruchy drgające. By dźwięk był słyszalny częstotliwość drgań musi być w zakresie percepcji narządu słuchu, czyli 20 – 16000 (20000) Hz.

Punktowe źródło dźwięku Charakterystyka kierunkowa

Istota ruchu falowego Cząsteczki ośrodka w którym rozchodzi się fala przekazują energię sąsiadującym ze sobą cząsteczkom, bez zmiany położenia. Poprzez stosunkowo małe ruchy wykonywane wokół położenia równowagi drgające cząsteczki przekazują energię na duże odległości

Model sprężysty ośrodka

Parametry fali akustycznej Lokalne maksymalne wzrosty ciśnienia-czoła fali długość fali (l) l = cT c – prędkość rozchodzenia się fali T – okres drgań l= c/f f – częstotliwość drgań Założenie: ruch cząsteczek wokół położenia równowagi jest harmoniczny f=1/T

Kierunek promieniowania energii fali akustycznej Tak jest w przypadku fali podłużnej.

Fala bieżąca – fala stojąca

Ciśnienie akustyczne Mierząc ciśnienie w określonym punkcie pola akustycznego otrzymamy przebieg jego zmian w czasie: zagęszczenie cząsteczek rozrzedzenie cząsteczek Fala akustyczna

Amplituda fali akustycznej duża amplituda – dźwięk głośny mała amplituda – dźwięk cichy

Jednostki fizyczne fali akustycznej Podobnie jak ciśnienie atmosferyczne ciśnienie akustyczne jest wyrażane w Pascalach. Moc w Watach (podobnie jak w urządzeniach elektrycznych). W przypadku fali akustycznej moc jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia akustycznego. Intensywność fali akustycznej jest to moc przypadająca na jednostkę powierzchni (1 m2).

Energia niesiona przez dźwięk W polu idealnie rozproszonym intensywność dźwięku maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła (1/r2). Amplituda jest bezpośrednio związana z intensywnością, która określa ilość energii akustycznej przepływającej przez powierzchnię 1 m2. Mnożąc intensywność przez powierzchnię kuli można otrzymać wielkość mocy źródła (jest ona stała). Intensywność jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia skutecznego. Im większa jest intensywność dźwięku, tym jest odbierany jako głośniejszy.

Zmniejszanie się poziomu dźwięku wraz ze wzrostem odległości od źródła Ciśnienie akustyczne maleje odwrotnie proporcjonalnie do odległości, to jest dwukrotne zwiększenie odległości od źródła powoduje dwukrotne zmniejszenie ciśnienia akustycznego. W skali decybelowej – jest to równoważne zmniejszeniu o 6 dB.

Ile energii niesie sygnał mowy? " . . . 500 osób mówiących bez przerwy przez 12 miesięcy wytworzy energię wystarczającą do zaparzenia zaledwie 1 filiżanki herbaty." Speech and Hearing in Communication - H. Fletcher,1953,1995 Sygnał mowy generowany przez mężczyznę niesie energię 34 W, przez kobietę – 18 W (pomiar w odległości 1 m)

Zakres intensywności dźwięków wywołujących wrażenie słuchowe Zakres dźwięków odbieranych od najcichszego do najgłośniejszego (tzw. próg bólu) jest jak 1 do 1 000 000 000 000 (12 zer!!!). Wrażenie głośności jednak nie wzrasta liniowo ze wzrostem intensywności nie

Prawo Webera-Fechnera Z badań psycho-akustycznych prowadzonych nad postrzeganiem różnic w głośności dźwięków wynika, że zgodnie z prawem Webera-Fechnera głośność dźwięku jest proporcjonalna liniowo do logarytmu z wartości bodźca.

Poziom dźwięku uwzględniający charakterystykę częstotliwościową słuchu dB(A)

Dźwięk w pomieszczeniach Dźwięk w przestrzeni ograniczonej ścianami, ulega odbiciom docierając do słuchacza z różnymi opóźnieniami bezpośrednia Pierwsze jednokrotne odbicia nazywane są wczesnymi odbiciami

Pogłos w pomieszczeniach Niektóre drogi fali dźwiękowej docierającej do słuchającego są wyznaczone przez jej wielokrotne odbicia bezpośrednia

Odbicia i pogłos Do słuchacza po bezpośredniej fali dźwiękowej docierają fale odbite od ścian pomieszczenia Nakładające się na nią fale odbite dają wrażenie pogłosu Stosunek energii niesionej przez falę bezpośrednią do energii fal odbitych ratio stanowi wskazanie co do rozmiarów pomieszczenia, wykładziny na powierzchniach ograniczających i odległości od źródła.

Charakterystyka pomieszczenia Czas pogłosu – czas potrzebny do stłumienia dźwięku o 60 dB. Zależy od: wymiarów i kształtu pomieszczenia materiałów pokrywających ściany obiektów znajdujących się w pomieszczeniu Celem stosowania efektu pogłosu jest zwykle zasymulowanie akustyki pomieszczenia, np. sali koncertowej, czy klasy, hallu, pokoju mieszkalnego Parametry pogłosu – metody pomiarowe.

Odpowiedź impulsowa pomieszczenia dźwięk bezpośredni pierwsze odbicia wtórne odbicia (pogłos właściwy)

Pogłos Prędkość dźwięku wynosi 344 m/s, stąd 1 msec opóźnienia odpowiada dodatkowej drodze równej 34,4 cm wczesne odbicia bezpośrednia Amplituda Czas dojścia Intensywność odbić zależy od rodzaju wykładziny. Twarde powierzchnie (drzewo, beton) odbijają niemal w pełni padającą energię; miękkie, porowate wykładziny (pianki) w mniejszym lub większym stopniu ją pochłaniają.

Pogłos W przypadku wielokrotnych odbić powstaje wrażenie intensywnego pogłosu, po którym następują dyskretne echa wczesnych odbić. Wczesne odbicia pogłos bezpośrednia Amplituda Czas dojścia Wstępne opóźnienie Dłuższe wstępne opóźnienie ( >60 ms) daje brzmienie dużego pomieszczenia. Dobre sale koncertowe 35 ms, przyjemne pomieszczenia ok. 20 ms

Odległość krytyczna Dc Jest to odległość w której intensywność fali bezpośredniej i fal odbitych jest jednakowa Słuchacz znajdujący się w odległości Dc lub dalej od osoby mówiącej będzie miał mocno zniekształcony sygnał mowy “powtarzający się”, “nakładający się”, “z dna beczki” , „rozmazany”, itp.

Wpływ pogłosu na sygnał mowy

Wpływ pogłosu na sygnał mowy Bez pogłosu 800 ms

Pogłos Najważniejsze parametry pogłosu: Reverb time Level and pattern of early reflections Pre-delay time Wet/dry mix

Dźwięk w pomieszczeniach

Symulacja pogłosu Aby uzyskać dobry pogłos: echo density (echoes per second) – musi rosnąć z czasem Odpowiedź częstotliwościowa powinna byc quasi-losowa (bez podbarwień widma) Wysokie częstotliwości powinny zanikać wcześniej niż niskie

Docelowe czasy pogłosu http://www.ada-noisesolutions.com/ansi.htm

Akustyka pomieszczeń Podstawowe zasady akustyki obowiązują w polu swobodnym W polu swobodnym SPL lub SIL spada o 6 dB z podwojeniem odległości od źródła dźwięku Wpływ pomieszczenia: Wielokrotne odbicia wywołują pogłos (>200 Hz) Odbicia o zamkniętej drodze prowadzą do tworzenia się fal stojących rezonansowych — mody pomieszczeń (<200 Hz)

Parametry pomieszczeń Wymiary — wysokość, szerokość, długość i kształt pomieszczenia (objętość pomieszczenia) Odbicia dźwięku od powierzchni zależą od jej rodzaju, opisywanego współczynnikiem absorpcji, a. Właściwości całego pomieszczenia są opisywane przez ważoną sumę współczynników absorpcji: absorpcyjność, A.

Duże i małe pomieszczenia W dużych pomieszczeniach: Pogłos: uśrednione w czasie ciśnienie dźwięku jest stałe w całym pomieszczeniu. Przepływ energii odbywa się z jednakowym prawdopodobieństwem we wszystkich kierunkach. W małych pomieszczeniach tworzą się fale stojące – mody pomieszczeń dominują w odpowiedzi częstotliwościowej.

Mody pomieszczeń Mody pomieszczeń: rezonanse fal stojących w zamkniętych pomieszczeniach. Struna: fala stojąca zawiera węzły i strzałki; częstotliwości rezonansowe są harmoniczne. W 2 i 3 wymiarach, częstotliwości rezonansowe fal stojących nie są harmoniczne.

Fale stojące w prostopadłościanie Mody: n1, n2, n3 Wymiary pomieszczenia: L (length), W (width), H (height).

Przykłady Duże pomieszczenie 12mx4mx8m Frequency of mode resonance

Przykład Małe pomieszczenie: 4m x 5m x 3m Frequency of mode resonance

Dźwięk bezpośredni i odbity

Odległość krytyczna Odległość krytyczna Dc: odległość, przy której poziom dźwięku bezpośredniego i odbitego jest równy. Równy, gdy Zatem,

Znaczenie odległości krytycznej Zrozumiałość mowy Dla odległości od źródła znacznie większych od odległości krytycznej, mowa staje znaczniej mniej zrozumiała, gdyż większość energii pochodzi z dźwięku odbitego %ALCONS mierzy utratę zrozumiałości spółgłosek. Rozmieszczenie mikrofonów Zasada ogólna: mikrofon omni powinien być umieszczany nie dalej niż 0.3Dc, kierunkowy - 0.5Dc

%Articulation Loss of Consonants %ALCONS R Distance from speaker to listener Tr Reverb time Q directivity factor V room volume n number of reinforcing loudspeakers

%Articulation Loss of Consonants Znaczenie %ALCONS Wskazane niskie wartości, co oznacza niską (procentowo) niezrozumiałość spółgłosek. 10% - dobra wartość 15% - powyżej tej wartości zrozumiałość spada Ze względu na redundantność języka, dla zrozumiałości mowy nie jest konieczne zrozumienie wszystkich spółgłosek

Wczesne odbicia Czas wczesnych odbić jest istotnym parametrem estetycznym (bez uzasadnienia fizycznego) Wiadomo, że jeśli wczesne odbicia są opóźnione o więcej niż ok. 65 ms, słyszymy echo — efekt niepożądany. Najlepsze wartości dla “dobrych” sal koncertowych są poniżej 35 ms, a 20 ms dla małych pomieszczeń.

Akustyka małych pomieszczeń Wczesne odbicia pojawiają się bardzo szybko, ze względu na bliskość ścian, podłogi i sufitu. Pogłos może być krótki. Mody (fale stojące) są mocno odseparowane na niskich częstotliwościach, co prowadzi do bardzo nierównej odpowiedzi częstotliwościowej response.