3. Энергетические характеристики волны:

а. Энергия колебания одной частицы:

W=(m²A²)/2

б. Энергия колебания всех частиц, содержащихся в единице объема волнового пространства, называется объемной плотностью энергии:

=W₀/V, где W₀₌V есть полная энергия всех колеблющихся частиц в любом объеме.

Если n_о - концентрация частиц, то =n₀ W=n₀ m²A^2/2, но n₀ m=, тогда

=(²A²)/2

Энергия колебания постоянно передается другим частицам по направлению распространения волны.

Величина, численно равная среднему значению энергии, переносимой волной в единицу времени через некоторую поверхность, перпендикулярную направлению распространения волны, называется потоком энергии через эту поверхность.

P_s=W₀/t (Вт)

Поток энергии, приходящийся на единицу поверхности, называется плотностью потока энергии или интенсивностью волны.

J=P_s/S=W₀/(St) (Вт/м²)

Частным случаем механических волн являются звуковые волны:

Звуковыми волнами называются колебания частиц, распространяющихся в упругих средах в виде продольных волн с частотой от 16 до 20000 Гц.

Для звуковых волн справедливы те же характеристики, что и для любого волнового процесса, однако имеется и некоторая специфика.

1. Интенсивность звуковой волны называют силой звука.

J=P_s/S (Вт/м²)

Для этой величины приняты специальные единицы измерения - Белы (Б) и децибелы (дцБ). Шкала силы звука, выраженная в Б или дцБ, называется логарифмической.

Для перевода из системы СИ в логарифмическую шкалу используется следующая формула:

J(Б)=Lg (J/J₀) (Вт/м²)

где J₀=10^-12 Вт/м² - некоторая пороговая интенсивность.

Пример: Пусть J=10^{- 9} Вт/м², тогда J(Б)=Lg10^-9/10^-12=3Б=30 дцБ.

2. Для описания звуковых волн используется величина, которая называется звуковым давлением.

Звуковым или акустическим давлением называется добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды) в местах наибольшего сгущения частиц в звуковой волне.

В системе СИ оно измеряется в Па, а внесистемной единицей является 1акустический бар=10^-1Па.

3. Важное значение имеет так же форма колебаний частиц в звуковой волне, которая определяется гармоническим спектром звуковых колебаний ().

Все перечисленные физические характеристики звука называются объективными, т.е. не зависящими от нашего восприятия. Они определяются с помощью физических приборов.

Наш слуховой аппарат способен дифференцировать (различать) звуки по высоте тона, тембру и громкости. Эти характеристики слухового ощущения называются субъективными. Изменение в восприятии звука на слух всегда связано с изменением физических параметров звуковой волны.

Высота тона определяется главным образом частотой колебаний в звуковой волне и незначительно зависит от силы звука. Чем больше частота, тем выше тон звука. В этом отношении диапазон звуков, воспринимаемых слуховым аппаратом, делится на октавы: 1 - (16-32) Гц; 2 - (32-64) Гц; 3 - (64-128) Гц; и т.д., всего 10 октав.

Если колебания частиц в звуковой волне гармонические, то такой тон звука называется простым или чистым. Такие звуки дают камертон и звуковой генератор.

Если колебания не гармонические, но периодические, то такой тон звука называется сложным. (Пример: одна нота на рояле).

Если сложные звуковые колебания не периодически меняют свою интенсивность, частоту и фазу, то такой звук принято называть шумом.

Сложные тона одной и той же высоты, в которых форма колебаний различна, по разному воспринимаются человеком (например, одна и та же нота на различных музыкальных инструментах). Это различие в восприятии носит название тембра звука. Он определяется спектром частот гармонических колебаний, из которых состоит сложный звук.

Громкость восприятия звука зависит главным образом от силы звука, а так же от частоты. Эта зависимость определяется психофизическим законом Вебера-Фехнера:

При возрастании силы звука в геометрической прогрессии (J,J², J³,...) ощущение громкости на одной и той же частоте увеличивается в арифметической прогрессии (Е, 2Е, ЗЕ,...).

Е=k Lg (J/J₀)

где k - коэффициент, зависящий от частоты звука. Громкость измеряется также как и сила звука в Белах (Б) и децибелах (дцБ). ДцБ громкости называется фоном (Ф) в отличии от дцБ силы звука.

Условно считают, что для частоты 1000 Гц, шкалы громкости и силы звука полностью совпадают, т.е. k=1.

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук с громкостью звука на частоте 1000 Гц. Для этого пользуются кривыми равной громкости, построенными на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых этим методом.

Использование звуковых методов в диагностике.