Общие понятия о звуке и его свойствах

Звук – это механические колебания воздуха, возникающие при колебаниях какого-либо тела (источника звука). Колебания распространяются в воздухе по всем направлениям в виде звуковых волн, представляющих собой чередующиеся области уплотнения и разрежения. Скорость распространения звуковой волны и есть скорость звука с. Скорость звука различна в различных средах. Скорость звука в воздухе принимают равной 340 м/с, в воде 1450 м/с, в стали 5100 м/с.

К основным физическим характеристикам звука относятся следующие.

Длина звуковой волны l – расстояние, на которое распространяется звуковая волна за время одного полного колебания, м, определяется, как отношение скорости звука к частоте колебаний:

(41)

Частота колебаний f – число полных колебаний в течении единицы времени. Единица измерения частоты – герц (Гц), равный одному колебанию в секунду.

Человек воспринимает звуки в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Чем больше частота колебаний, тем короче длина волны. Интервал частот, ограниченный двумя частотами, из которых – верхняя вдвое больше предыдущей нижней, называют октавой (см. рисунок 24).

Рисунок 24 – Октавная полоса

Период колебания Т – время в течении которого происходит одно полное колебание.

Сила (интенсивность) звука I – количество энергии, переносимое звуковой волной за 1 секунду через площадку в 1 см² (или м²), перпендикулярную направлению движения звуковой волны. Единица измерения – Вт/см² или Вт/м².

Минимальная сила звука (1´ 10^-16 Вт/см²), воспринимаемая человеческим ухом, называется порогом слышимости. Верхний предел силы звука (1´ 10^-2 Вт/см²), воспринимаемый как болевое ощущение, называется болевым порогом. Звуки одинаковой силы, но разной частоты, воспринимаются как различные по громкости. Эталон звука по частоте, равный 1000 Гц, служит количественной оценкой восприятия звука.

Звуковое давление Р – переменное давление, возникающее при распространении звука вследствие колебательных движений частиц среды (рисунок 25). Единица измерения – Н/м² или Па.

(42)

где р_n – мгновенное значение полного давления в звуковой волне; р_ср – среднее давление в данной точке при отсутствии звука.

Рисунок 25 – Название

Интенсивность звукового давления I – это мощность звукового излучения на единицу площади (рисунок 26). Единица измерения – Вт/м².

Рисунок 26 – Название

Уровень силы звука L. По закону Вебера – Фехнера слуховое восприятие пропорционально не абсолютному изменению силы звука, а ее логарифму. В акустике для измерения силы звука пользуются логарифмическим масштабом:

(43)

где I – сила данного звука; I₀ – сила звука на пороге слышимости.

Уровень звукового давления L_p –характеризует восприятие звука человеком. Единица измерения – бел (Б).

(44)

где Р – звуковое давление звука данной частоты; Р₀ - давление звука частотой 1000 Гц на пороге слышимости.

Единица измерения – Бел (Б), крупная единица, поэтому принята величина децибел (дБ); 1 дБ = 10 Б.

Чем больше уровень силы звук, тем громче звук.

Уровни интенсивности звука не учитывают чувствительности слуха к звукам различной частоты и не дают правильного представления о громкости звука. Ухо человека обладает наибольшей чувствительностью на средних и высоких частотах (3200 – 4500 Гц) и наименьшей – на низких (500...100 Гц). Поэтому в акустике вводится понятие уровня громкости, который выражается в фонах.