Лекція 2. Фізична природа звуку і властивості людського слуху

2.1. Звукове поле і його характеристики

Звук – це психофізіологічне відчуття, викликане коливаннями частинок пружного середовища. Збудження звуку може викликати будь-який коливальний процес, що змінює тиск в пружному середовищі: це можуть бути механічні коливання, що виникають в голосовому апараті людини, коливання деків музичних інструментів тощо.

Простір, в якому відбувається розповсюдження звукових хвиль, називають звуковим полем.

Більшість звукових джерел в природі випромінює звукові коливання з частотою 20...20000 Гц, що відповідає довжинам хвиль 17 м ... 1,7 см.

Розрізняють:

– вільне звукове поле, коли вплив огороджуючих поверхонь, що відбивають звукові хвилі, дуже малий;

– дифузне звукове поле, тобто поле, в кожній точці якого звукова потужність на одиницю площі однакова по всіх напрямках.

Найчастіше зустрічаються звукові хвилі з сферичним і плоским фронтами хвилі (фронт хвилі – це поверхня, що з'єднує суміжні точки поля з однаковою фазою коливання). Хвилі з плоским фронтом утворюються на великих, порівняно з довжиною хвилі, відстанях від джерела звуку. Фронт сферичної хвилі має форму кулі і утворюється на невеликій відстані від джерела звуку, якщо його розміри малі в порівнянні з довжиною випромінюваної хвилі. .

Хвилі в звуковому полі розповсюджуються з певною швидкістю – швидкістю звуку. Швидкість звуку

с = 331 , (2.1)

де Т – температура повітря по шкалі Кельвіна; с = 340 м/с, що приблизно відповідає температурі 17°С при нормальному атмосферному тиску.

Звукове поле характеризують звуковим тиском, коливальною швидкістю, інтенсивністю звуку.

Звуковий тиск – різниця між миттєвим значенням тиску р_а.м в точці середовища при проходженні через неї звукової хвилі і статичним (атмосферним) тиском р _а.с в тій же самій точці, тобто

р = р_а.м – р_а.с.

Звуковий тиск – величина скалярна, знакозмінювана: в моменти згущення часток середовища він позитивний, а в моменти їх розрідження – негативний. Одиниця звукового тиску в системі СІ: 1Н/м² = 1Па. Реальні джерела звуку створюють навіть при найгучніших звуках звуковий тиск в десятки тисяч раз менший за нормальний атмосферний тиск.

Коливальна швидкість – швидкість коливань частинок середовища навколо свого положення спокою. Коливальна швидкість вимірюється в м/сек. Не слід плутати цю швидкість із швидкістю звуку. Швидкість звуку – величина постійна для даного середовища, коливальна швидкість – змінна, причому, якщо частинки середовища переміщуються по напряму розповсюдження хвилі, то коливальну швидкість вважають позитивною, при зворотному переміщенні частинок – негативною.

Для плоскої звукової хвилі коливальна швидкість

v = p/ρc (2.2)

де ρ – густина повітря, кг/м³; с – швидкість звуку, м/с. Добуток ρc для даних атмосферних умов є величина постійна, її називають акустичним опором.

Інтенсивність звуку – кількість енергії, що проходить в секунду через одиницю площі, перпендикулярної до напряму розповсюдження звукової хвилі. Інтенсивність звуку вимірюється у ватах на кв.метр (Вт/м²), є векторною величиною.

Інтенсивність звуку в сферичній хвилі прямо пропорційна звуковій потужності р_ак джерела сферичної хвилі і обернено пропорційна квадрату відстані r² від випромінювача звуку:

. (2.3)

В плоскій хвилі поверхня, по якій відбувається розподіл звукової потужності, постійна. Без урахування втрат енергії в середовищі інтенсивність звуку в плоскій хвилі не залежить від відстані до випромінювача.

В реальних умовах на великих відстанях від джерела звуку через молекулярне загасання, в'язкість і запорошеність середовища відбувається деяке зменшення інтенсивності звуку, а, отже, і звукового тиску в плоскій хвилі.