6.2.Основные понятия и определения о звуке, звуковых волнах.

Колебательный процесс, к которому относится звук, характеризуется длиной волны λ, скоростью ее распространения с, частотой f и периодом колебаний Т. Между собой они связаны простой зависимостью λ =c/f = сТ.

Пространство, в котором распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

Непрерывная поверхность, все точки которой одновременно находятся в одинаковой фазе колебательной скорости, называется фронтом волны.

В зависимости от фронта волны различают шаровые, плоские, цилиндрические и другие типы волн. Это различие зависит от формы источника и соотношения размеров источника и длины излучаемой им волны.

Плоские волны образуются в тех случаях, когда размеры плоской колеблющейся поверхности в несколько раз больше, чем длина излучаемой ею звуковойволны. Плоские звуковые волны образуются также и на значительных расстояниях от источника иных видов волн.

Сферические волны создают точечные источники звука, у которых геометрические размеры значительно меньше длины излучаемой ими звуковой волны. Цилиндрические волны образуются, например, за большим экраном с щелью при падении на него плоских звуковых волн, если щель имеет ширину намного меньше и длину намного больше длины этих волн.

В газообразных и жидких средах, характеризующихся лишь одной упругой постоянной (модулем упругости или обратной ему величиной—коэффициентом сжимаемости), звук распространяется в виде продольных волн. В твердых телах, характеризующихся двумя упругими постоянными: коэффициентом сжимаемости — деформацией сжатия (растяжения) и упругостью формы (деформацией сдвига или изгиба), могут возникать, кроме продольных волн, еще и поперечные волны сдвига, изгиба и т. п. При этом у продольных волн направление колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения звуковых волн, а у поперечных волн — перпендикулярно этому направлению.

Скорость распространения звуковых волн в звуковом поле зависит от свойств среды (упругости и плотности). В воздухе при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении скорость звука равна 344 м/с, в воде — примерно 1500 м/с, стали —5000 м/с, стекле — 5200 м/с, дереве — 3500 м/с вдоль волокон и 1200 м/с поперек волокон, пробке — 500 м/с, резине — от 40 до 150 м/с и в тканях человека— 1500—1600 м/с.

Произведение скорости звука на плотность среды (ρс), в которой распространяется этот звук, называют акустическим или волновым сопротивлением среды. Оно характеризует сопротивление среды при распространении в ней звуковых волн. Для воздуха (при t = 20° С и ρ₀ = 10330 кг/м³) ρс = 42 кг*с/м³ ≈ 420 Нс/м³.

Акустическое сопротивление имеет важную роль при рассмотрении явлений распространения, отражения и поглощения звука.

Распространение, отражение и поглощение звука. 

В свободном пространстве звуковые волны распространяются от источника звука с одинаковой скоростью во все стороны. При этом фронт волны увеличивается, а звуковая энергия рассеивается за счет распределения ее на все увеличивающейся поверхности. Этим объясняется одна из причин ослабления шума в воздухе с удалением от источника его образования. Сила звука в таком случае убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Вместе с тем, в процессе распространения звуковых волн их энергия рассеивается и теряется на преодоление внутреннего трения в среде (молекулярное поглощение и т. п.). Потери звуковой энергии возрастают с увеличением частоты.

При одновременном распространении нескольких звуковых волн одинаковой частоты происходит их наложение (интерференция). При этом происходит либо усиление звука (при совпадении фаз результирующая амплитуда равна сумме амплитуд колебаний), либо его ослабление (если фазы противоположны). Явление интерференции может быть использовано для местного ослабления звука в звукозащитной технике.

Рис. 26. Распространение звуковой энергии при встрече с препятствием:

J — падающий звук;

J _отр— отраженный звук;

J_погл— поглощенный звук;

J _пр — прошедший звук

При падении звуковой волны на какую-либо преграду часть звуковой энергии отражается (рис. 26), часть поглощается преградой, превращаясь в тепло, а остаток излучается по другую сторону преграды. В замкнутом пространстве звуковые волны, многократно отражаясь от предметов и ограждающих поверхностей, увеличивают громкость звуков в помещении и создают в них гулкость, эхо и области концентрации звуковой энергии.

Интенсивность (сила) звука. К числу важных характеристик колебательных процессов относится интенсивность илисила звука. Под этой величиной подразумевается количество звуковой энергии, проходящей в одну секунду через поверхность в 1 см² или 1 м² перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. Интенсивность звука (шума) измеряется либо в кгм/с*м² или кг/с*м, либо в Вт/м². Она зависит от места расположения точки измерения, направленности излучения и условий распространения звуковых волн.

Звуковая (акустическая) мощность. Для характеристики источника звука (шума) часто служит акустическая мощность, т. е. общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени. Звуковая мощность измеряется в ваттах или килограммометрах в секунду.

Средства индивидуальной защиты от производственного шума и вибраций

Проведение мероприятий по снижению уровня громкости шума не исключает необходимости в ряде случаев применения индивидуальных приспособлений для защиты органов слуха. К этим средствам относятся вкладыши, наушники и шлемы (рис. 42).

Эффективность противошумных средств зависит от их конструкции, использованных материалов, силы прижима, правильности ношения. Одно из наиболее простых средств индивидуальной защиты от шума — вкладыши.

Они представляют собой: кусочки ваты, пропитанные воском, глицерином, вазелином; кусочки ультратонкого стекловолокна; пробочки из губчатой резины; эластичные резиновые капсулы, заполненные воском, и т. д. При плотном прилегании к уху вкладыши снижают шум до 15—30 дБ.

Наружные противошумные средства (наушники) закрывают всю ушную раковину; они более гигиеничны и эффективны, чем вкладыши. При весьма интенсивном шуме (120 дБ и выше) используются специальные шлемы с вмонтированными в них наушниками.

В качестве индивидуальных средств защиты от вибраций и сотрясений рекомендуется применять обувь на войлочной или толстой пористой резиновой подошве.

Рис. 42. Индивидуальные средства защиты:

1 — шлем; 2 - наушники; 3 — вкладыши; 4 — ультратонкое стекловолокно для вкладышей