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.

Звуковыми колебаниями или просто звуком называют колебания частиц в упругих средах, распространяющиеся в форме продольных волн, частота которых лежит в пределах, воспринимаемых человеческим ухом, т.е. в среднем от 16 до 20 000 Гц.

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 его распространения не зависит от частоты колебаний, она зависит от упругих свойств и плотности среды, а также от температуры. 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. В твердых и жидких средах скорость звука значительно выше, в воде, например, около 1500 м/сек. Эта скорость звука может быть принята как средняя и для мягких тканей тела человека.

Физические характеристики звука. Тоны и шумы.

Звуковая волна описывается уравнением механической волны

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.

Таким образом, физическими характеристиками звука являются: звуковое давление, интенсивность, частота, период, скорость звуковой волны и т. п. Эти характеристики могут быть измерены физическими приборами.

Дадим определения некоторым физическим характеристикам звука.

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

Звуковая волна оказывает на тело, помещенное на пути ее распространения, некоторое давление, называемое давлением звука.

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,

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: , (1.13)

интенсивность плоской волны: , (1.14)

где V - средняя скорость смещения частиц в волне.

Сравнение формул 1.13 и 1.14 дает нам зависимость скорости смещения частиц в среде от давления .

Величинуназывают 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. 1.1.). Спектр сложного тона линейчатый.

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. 1.2.). 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.

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.