§ 1.6. Звуковые волны

Звуковые волны (или просто звук) — это распространяющийся в упругой среде волновой процесс, воспринимаемый человеческим ухом в диапазоне частот от ~20 Гц до 20 кГц. Упругие волны с частотами, меньшими 20 Гц, называют инфразвуком, а волны с частотами, превышающими 20 кГц, — ультразвуком. Инфра- и ультразвуки человеческое ухо не слышит.

Звук различают по высоте, тембру и громкости.

Высота звука определяется его частотой: чем больше частота, тем выше звук.

Тембр звука определяется характером колебаний. Лишь в редких случаях звук представляет собой гармонические колебания, обычно он является наложением гармонических колебаний с определенным набором амплитуд и частот — акустический спектр. Этот спектр может состоять из непрерывного набора частот (сплошной спектр) или из набора колебаний дискретных частот n1, n2, ... (линейчатый спектр). Состав этого спектра и определяет тембр звука.

Громкость звука — это величина слухового ощущения, позволяющая располагать все звуки по шкале от тихих до громких. При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растет с увеличением его интенсивности I, Вт/м2. Чтобы вызвать ощущение звука, его интенсивность должна превышать некоторую минимальную величину — порог слышимости. Этот порог различен для разных частот (рис. 1.11). Наиболее чувствительно человеческое ухо к колебаниям с частотами 0,5,5,0 кГц. В этом диапазоне порог слышимости соответствует интенсивности звука Iпор ~ 10–12 Вт/м2.

При интенсивности порядка 1,10 Вт/м2 колебания перестают восприниматься как звук, вызывая в ушах ощущение давления и боли. Значение интенсивонсти, при котором это происходит, называют порогом болевого ощущения. Этот порог также зависит от частоты колебаний (см. рис. 1.11).

В связи с тем, что субъективно оцениваемая громкость звука возрастает гораздо медленнее роста интенсивности I звука, в качестве исходной используют шкалу L интенсивности звука, которую определяют как логарифм отношения интенсив-

30 Глава 1

Рис. 1.11

ности I звука к интенсивности I0, принимаемой за нулевой уровень L:

где LБ — выраженный в белах (Б) уровень интенсивности I звука относительно I0. Условно считают, что I0 находится вблизи порога слышимости при частоте 1 кГц и имеет значение I0 10–12 Вт/м2. Так что при I I0 согласно (1.58) LБ 0.

Обычно пользуются не белами, а в 10 раз меньшей единицей — децибелом (дБ). В этих единицах уровень интенсивности звука

Отношение двух интенсивностей (I1/I2) также может быть выражено в децибелах:

Пример 1. Интенсивность звука с частотой n 150 Гц уменьшается от значения 10–4 до 10–9 Вт/м2. Определим, на сколько фон уменьшилась при этом громкость звука.

С помощью рис. 1.11 находим:

80 – 20 60 фон.

Пример 2. Имеются три одинаковых источника звука частоты 1 кГц, расположенных в одном месте. Если действует только один из них, то в некоторой точке громкость звука Г1 50 фон. Найдем громкость звука в этой точке, если одновременно действуют все три источника.

Имея в виду, что при частоте 1 кГц громкость Г звука совпадает с уровнем интенсивности L в децибелах, находим

согласно (1.59), что для одного источника

I .

I0

Если же одновременно действуют три данных источника, то

Г3 10 lg 3I .

Из этих формул следует, что

I0

Энергия, соответствующая обычным звукам (~60 дБ), весьма мала. Так, чтобы нагреть таким звуком стакан воды до кипения, потребовались бы тысячи лет.

Ультразвуковые волны (с частотой >20 кГц), в отличие от обычного звука, могут быть получены в виде направленных пучков. Такие пучки нашли широкое применение для сигнализации и локации (определения объектов и расстояний до них) в воде, в дефектоскопии, ульразвуковых исследованиях (УЗИ) и др.

Интенсивность и давление звука. Интенсивность I звука для плоской гармонической бегущей волны связана с амплитудой звукового давления pm следующим соотношением:

где — плотность среды, v — скорость звука в ней.