Тема 3. Акустика

Вопрос 9. Виды звуков. Физические характеристики звука

Звуковыми волнами в широком смысле называются всякие волны, распространяющиеся в упругой среде. В узком смысле звуком называют звуковые волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемые человеческим ухом. Ниже этого диапазона лежит область инфразвука, выше — область ультразвука.

Принято различать следующие звуки: 1) тоны, или музыкальные звуки; 2) шумы; 3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым, а соответствующая плоская звуковая волна описывается гармоническим уравнением. Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Ангармоническому колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, например, камертон, сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т. п.

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота v₀ такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2v₀, 3v₀ и т. д. Набор частот с указанием их относительной интенсивности (или амплитуды А) называется акустическим спектром. Спектр сложного тона линейчатый; на рис показаны акустические спектры одной и той же ноты (v₀ = 100 Гц), взятой на рояле (а) и кларнете (б). Таким образом, акустический спектр — важная физическая характеристика сложного тона.

Ш умом называют звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью. К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т. п.

Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет сплошным, на­пример спектр, полученный от шума горения газовой горелки (см рис.).

Звуковой удар — это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т. п.

Энергетической характеристикой звука как механической волны является интенсивность I. Интенсивность волны равна потоку энергии волны через единицу площади, ориентированной перпендикулярно направлению распространения волн.

На практике для оценки звука удобнее использовать не интенсивность, а звуковое давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлением р зависимостью

где ρ — плотность среды, с — скорость звука.

Нормальное человеческое ухо воспринимает довольно широ­кий диапазон интенсивностей звука: так, например, на частоте 1 кГц от 1₀ = 10^-12 Вт/м² илир₀ = 2 • 10^-5 Па (порог слышимости) до I_max = 10 Вт/м² или р_тах = 60 Па (порог болевого ощущения).

Отношение этих интенсивностей равно 10¹³, поэтому удобнее ис­пользовать логарифмические единицы и логарифмическую шкалу. Шкала уровней интенсивностей звука создается следующим образом: значение I₀ принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятичный логарифм ее отношения к I₀:

а для звукового давления .

При использовании децибел соответственно имеем