Физические характеристики звука
ЛЕКЦИЯ № 3
АКУСТИКА. ЗВУК
1. Звук, виды звука.
2. Физические характеристики звука.
3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения.
4. Прохождение звука через границу раздела сред.
5. Звуковые методы исследования.
6. Факторы, определяющие профилактику шума. Защита от шума.
7. Основные понятия и формулы. Таблицы.
8. Задачи.
Акустика. В широком смысле - раздел физики, изучающий упругие волны от самых низких частот до самых высоких. В узком смысле - учение о звуке.
Звук, виды звука
Звук в широком смысле - упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.
В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается:
Звук с частотой ниже 16-20 Гц называется инфразвуком, выше 20 кГц-ультразвуком, а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 109 до 1012 Гц - гиперзвуком.
Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.
Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).
Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).
Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).
Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.
Акустический спектр тона - это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.
Наименьшая частота в спектре (ν) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2ν, 3ν, 4ν, ...
Обычно наибольшая амплитуда спектра соответствует основному тону. Именно он воспринимается ухом как высота звука (см. ниже). Обертоны создают «окраску» звука. Звуки одной и той же высоты, созданные разными инструментами, воспринимаются ухом по-разному именно из-за различного соотношения между амплитудами обертонов. На рисунке 3.1 показаны спектры одной и той же ноты (ν = 100 Гц), взятой на рояле и кларнете.
Рис. 3.1.Спектры ноты рояля (а) и кларнета (б)
Акустический спектр шума является сплошным.
Физические характеристики звука
1. Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):
Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.
2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде (рис. 3.2).
Рис. 3.2.Изменение давления в среде при распространении звука.
Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.
Звуковое давление (ΔΡ) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.
3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.
Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной(см. формулу 2.5).
В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.
Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ΔΡ) выражается следующей формулой:
где ρ - плотность среды; v - скорость звука в ней.
Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называютсяпорогом слышимости.
Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу слышимости соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ0) и интенсивности звука (I0):
ΔΡ0 = 3х10-5 Па (≈ 2х10-7 мм рт.ст.); I0 = 10-12 Вт/м2.
Значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения, называютсяпорогом болевого ощущения.
Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу болевого ощущения соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡm) и интенсивности звука (Im):
4. Уровень интенсивности (L). Отношение интенсивностей, соответствующих порогам слышимости и болевого ощущения, столь велико (Im /I0 = 1013), что на практике используют логарифмическую шкалу, вводя специальную безразмерную характеристику - уровень интенсивности.
Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости:
Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б).
Обычно используют более мелкую единицу уровня интенсивности - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах вычисляется по следующим формулам:
Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 10 дБ.
Характеристики часто встречающихся звуков приведены в табл. 3.1.
Если человек слышит звуки, приходящие с одного направления от нескольких некогерентных источников, то их интенсивности складываются:
Высокий уровень интенсивности звука приводит к необратимым изменениям в слуховом аппарате. Так, звук в 160 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки и смещение слуховых косточек в среднем ухе, что приводит к необратимой глухоте. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное действие шума в 90-120 дБ приводит к поражению слухового нерва.