Гл а в а 5 ШУМ (ЗВУК) И ВИБРАЦИИ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

5.1. Основные понятия

Понятие «звук», как правило, ассоциируется со слуховыми ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые ощущения вызываются колебаниями упругой среды, которые представляют механические колебания, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде и воздействующие на органы слука человека. При этом колебания среды воспринимаются как звук только в определенной области частот (16 Гц...20 кГц) и при звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.

Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и ультразвуковыми, не имеют отношения к слуховым ощущениям человека и воспринимаются как физические воздействия среды. Своеобразие их действия на организм человека в данном пособии не рассматривается..

Звуковые колебания частиц упругой среды (рис. 5.1,а) имеют сложный характер и могут быть представлены в виде функции времени а = a(t). Простейший процесс описывается синусоидой [1]:

где a_max — амплитуда колебаний; со = 2 πf — угловая частота; f — частота колебаний.

Гармонические колебания (рис. 5.1,б) с амплитудой a_max и час-тотой f называются тоном. Сложные колебания характеризуются эффективным значением на временном периоде Т:

Для синусоидального процесса справедливо соотношение

В зависимости от формы кривой, описывающей процесс, отношение эффективного значения к максимальному составляет от 0 до 1.

Если в сплошной среде возбудить колебания, то они расходятся во все стороны. Наглядным примером являются колебания волн на воде. При этом следует различать скорость распространения меха-

Рис. 5.1. Виды колебания частиц упругой среды

нических колебаний н (в нашем случае видимые поперечные колебания воды) и скорость распространения возмущающего действия с (продольные акустические колебания).

С физической точки зрения распространение колебаний состоит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой. Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует определенной затраты времени, в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом, колебания распространяются с определенной скоростью. Скорость распространения звуковой волны — это физическое свойство среды.

В зависимости от способа возбуждения колебаний различают несколько видов волн:

• плоскую, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью (рис. 5.2,а);

• цилиндрическую, создаваемую радиально-колеблющейся боковой поверхностью цилиндра;

• сферическую, создаваемую точечным источником колебаний типа пульсирующего шара (рис. 5.2,б).

Основными параметрами, характеризующими звуковую волну, являются: длина звуковой волны л, м; скорость распространения волны с, м/с; частота колебаний /, Гц; звуковое давление р, Па; интенсивность звука /, Вт/м².

Длина волны л равна длине пути, проходимого звуковой волной за один период Т:

где

Рис. 5.2. Виды звуковой волны а - плоская; б — сферическая

В табл. 5.1 приведены скорости распространения звуковой волны в различных средах.

Таблица 5.1

Газ •	Скорость	Жидкость	Скорость	Твердый	Скорость
	звука с, м/с		звука с, м/с	материал	звука с, м/с
Водород	1310	Ацетон	1190	Алюминий	5200
Гелий	1005	Этиловый спирт	1150	Сталь	5100
Кислород	326	Метиловый спирт	1120	Никель	4800
Азот	337	Бензин	1190	Медь	3700
Углекислый газ	268	Глицерин	1959	Дерево	2000-3000
Воздух	344	Вода дистил-	1495	Пробка	500
Водяной пар 130°С	450	лированная		Резина	70

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в областях разрежения понижается. Разность между давлением р_ср суше-

Рис. 5.3. Звуковое давление

ствующим в среде в данный момент, и атмосферным давлением р_атм, называется звуковым давлением с (рис. 5.3):

(5.1)

Среда, в которой распространяется звук, обладает акустическим сопротивлением z_a (табл. '5.2), которое определяется отношением звукового давления р к колебательной скорости частиц среды и:

(5.2)

Звуковая волна является носителем энергии в направлении свое-го движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за 1 с через пространство с площадью сечения 1 м², перпендикулярное направлению движения, называется интенсивностью звука I, Вт/м²:

(5.3)

Таблица 5.2

Вещество	t, °С	Акустическое	Плотность вещества р,
		сопротивление za, кг/(м2 • с)	кг/м3
Водород	0	114	0,09
Воздух	20	414	1,20
Кислород	0	455	1,43
Резина	20	600	950
Пробка	20	12• 104	250
Спирт	12,5	100• 104	810
Вода	13	144 • 104	1000
Ель	20	240• 104	510
Дуб	20	290• 104	720
Алюминий	20	1400• 104	2700
Медь	20	3100• 104	8900

Для сферической волны от источника звука с мощностью W ин-тенсивность звука на поверхности сферы радиусом r

(5.4)

Из (5.4) следует, что интенсивность сферической волны убывает с увеличением расстояния от точечного источника звука. В случае плоской волны интенсивность звука не зависит от расстояния.