Акустика. Природа звука. Физические характеристики звука. Тоны и шумы.

Акустика - раздел физики, изучающий звуковые явления. Акустика подразделяется на общую, физиологическую, архитектурную, музыкальную и другие.

Общая акустика изучает преимущественно явления, касающиеся генерации, распространения (отражение, преломление, поглощение и т.д.) и использования звуковых волн для тех или иных целей. Физиологическая акустика изучает физические основы устройства органов речи и слуха, систему звуковых измерений (связь между характеристиками слухового ощущения и звуковой волны) и т.д. Прочие разделы акустики касаются использования звука в различных прикладных областях.

Звуком называют волны, распространяющиеся в упругих средах, образованные колебаниями с частотой от 16 до 20 000 Гц.частицами среды и воспринимаемые человеческим ухом.

В акустике рассматриваются и пограничные со звуком области: ниже 16 Гц — инфразвук и выше 20 000 Гц — ультразвук.

Источником звука является тело любой природы, находящееся в колебательном движении обычно в результате каких-либо механических воздействий, т.е. для возбуждения звука всегда требуется энергия. При колебаниях тело образует в окружающей среде (например, в воздухе) упругую продольную волну, которая достигая уха, вызывает слуховое ощущение.

Звук распространяется в любых упругих средах. Скорость распространения звука не зависит от частоты колебаний, а зависит от температуры, плотности и упругих свойств среды. Скорость звука в воздухе (0⁰ С) составляет 331,5 м/сек. При повышении температуры на 1⁰ С она увеличивается примерно на 0,5 м/сек.

V=V₀+0,5t⁰

В твердых и жидких средах скорость звука значительно выше, в воде, например, около 1500 м/сек. Эта скорость звука принята как средняя для мягких тканей тела человека.

Физические характеристики звука. Тоны и шумы.

Звуковая волна описывается уравнием механической волны

p=p₀cos ω(t-x/v)

где р и р₀- звуковое давление в конкретной точке пространства и максимальное звуковое давление соответственно;  - круговая частота, t – время, x- координата точки среды (одномерный случай), v– скорость звуковой волны.

Физическими характеристиками звука являются: звуковое давление, интенсивность, частота, период, скорость звуковой волны и другие Эти характеристики могут быть измерены физическими приборами.

Интенсивностью, или силой звука, называют плотность потока энергии звуковой волны; единицы измерения: Вт/м².

где W-энергия, t-время,

S-площадь, Ф-поток энергии.

Звуковая волна оказывает на тело, помещенное на пути ее распространения давление.

Звуковым, или акустическим, давлением p называют добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды), образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне. Оно измеряется в Н/м².

Для плоской гармонической волны звуковое давление p связано с интенсивностью звука (I ) соотношением

или

, (2)

где p₀ - амплитудное, а p_эф — эффективное (среднеквадратичное, которое обычно используется на практике) значения акустического давления.

Произведение скорости звука c в данной среде на плотность среды  называется удельным акустическим сопротивлением среды (волновым сопротивлением среды).

Удельный акустический импеданс Z: ,

где p - звуковое давление, V — колебательная скорость частицы среды.

Удельный акустический импеданс аналогичен электрическому импедансу ,

где U- напряжение, i -сила тока.

Интенсивность звука: , (3)

интенсивность плоской волны:

, (4)

где V - средняя скорость смещения частиц в волне.

Сравнение формул 3 и 4 дает нам зависимость скорости смещения частиц в среде от давления .

(5)

Величину Z называют акустическим импедансом.

Акустический импеданс является основной характеристикой акустических свойств среды, определяющей условия отражения и преломления звука на границе сред. Для воздуха (при нормальных условиях) Z = 430 кг/м²сек, для воды примерно 14510⁴ кг/м²сек, для железа 4  10⁷ кг/м²сек .

Звуки разделяют на тоны и шумы.

Тоном называется звук, который представляет колебание с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой. В зависимости от формы колебания частиц среды тоны разделяются на простые (гармонические) и сложные. Сложный тон может быть разложен на простые, получающийся набор частот с амплитудами называется акустическим спектром (рис. 1.). Спектр сложного тона линейчатый.

Рис. 1.

Спектр сложного тона.

₀ – основной тон,

2₀, 3₀ и т.д. – обертоны.

Простой тон может быть получен с помощью камертона или звукового

генератора. К сложным относятся звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека и др.

Звуковой тон характеризуется частотой (или периодом), амплитудой и формой колебания или его гармоническим спектром, а также величинами, относящимися к звуковой волне: интенсивностью, или силой звука, и звуковым давлением.

Шумом называют звук, отличающийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью (рис. 2.).

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 меняющихся сложных тонов. Спектр шума - сплошной.

Шумом называют самые различные звуки, представляющие сочетание множества различных тонов, частота, форма, интенсивность и продолжительность которых беспорядочно меняются.

А

Рис. 2.

Спектр шума.

100 2000 4000 10000 , Гц

Шум является вредным явлением. Длительное действие шума на орган слуха вызывает ослабление чувствительности уха, может привести к частичной или полной потере слуха. Действуя на нервную систему, шум вызывает повышенную утомляемость, снижение работоспособности, различные нервные заболевания.

Вредность шума зависит от его громкости и спектрального состава. Нормально допустимым уровнем шума считается 40 - 50 дБ.

Для объективного измерения громкости шума применяются приборы, называемые шумомерами. Шумомер содержит микрофон, который преобразует звуковые колебания в электрические. Эти колебания затем усиливаются и средняя мощность их измеряется при помощи микроамперметра со шкалой, градуированной в децибелах громкости.