1 Звук и звуковые волны.

Понятие «звук», как правило, ассоциируется со слуховыми ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые ощущения вызываются колебаниями упругой среды, которые представляют механические колебания, распространяющиеся в газовой, жидкой или твёрдой среде и воздействующие на органы слуха человека. При этом колебания среды воспринимаются как звук только в определённой области частот (16 Гц … 20кГц) и при звуковом давлении, превышающем порог слышимости человека.

Звуковые колебания частиц упругой среды имеют сложный характер и могут быть представлены в виде функции времени a=a(t). Простейший процесс описывается синусоидой (1).

(1)

Где а_мах – амплитуда колебаний; ω=2πf – угловая частота; f- частота колебаний.

Гармонические колебания с амплитудой а_мах и частотой f называются тоном. Сложные колебания характеризую эффективным значением на временном периоде Т.

(2)

Для синусоидального процесса справедливо соотношение

(3)

Если в сплошной среде возбудить колебания, то они распространяются во все стороны. Наглядным примером этого являются колебания волн на воде. Следует различать скорость распространения механических колебаний υ (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 определённой 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 определённой скоростью. Скорость распространения звуковой волны – это физическое свойство среды.

В зависимости от способа возбуждения колебаний различают несколько видов волн:

-плоскую, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;

-цилиндрическую, создаваемую радиально-колеблющейся боковой поверхности цилиндра;

-сферическую, создаваемую точечным источником колебаний типа пульсирующего шара.

Основными параметрами, характеризующими звуковую волну, являются: длина звуковой волны λ,м; скорость распространения волны с м/с; частота колебания f , Гц; звуковое давление p , Па; интенсивность звука I, Вт/м²

λ =сT (4)

T=1/f (5)

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и расширению. В области сжатия давление воздуха возрастает, а в области разряжения понижается. Разница между давление р_ср существующем в среде в данный момент, и атмосферного давления p_атм называется звуковым давлением р.

(6)

Среда, в которой распространяется звук, обладает акустическим сопротивлением z_a,которое определяется отношением звукового давления к колебательной скорости частиц среды u

(7)

Звуковая волна является носителем энергии в направлении своего движения. Количество энергии , переносимой звуковой волной за 1 секунду через пространство с площадью сечения 1м² ,перпендикулярное направление движения, называется интенсивностью звука I

(8)

Для оценки и сравнения звукового давления р, Па, интенсивности I , Вт/м² , и звуковой мощности W , Вт , различных источников , учитывающих психофизическое восприятие звука человеком ,приняты их уровни L (соответствующим индексом) , выраженные в децибелах (дБ).

, (9)

, (10 )

. (11)