Физические характеристики звука

Акустика - раздел физики, исследующий законы излучения, распространения и приема упругих волн.

Звук - это упругие волны, воспринимаемые органом слуха человека. Человек слышит звук приблизительно в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Не воспринимаемые ухом человека упругие волны частотой ниже 20 Гц называются инфразвуком, а выше 20000 Гц - ультразвуком. На практике в качестве источников звука часто используют колеблющиеся твердые тела, например, мембраны телефонов, струны музыкальных инструментов.

К приемникам звуковых волн можно отнести, например, микрофоны, слуховой аппарат человека и животных.

Различают следующие виды звука:

а) тоны;                   б) шум;                  в) звуковой удар.

Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, тон называется простым или чистым. Основной физической характеристикой простого тона является его частота. Сложный тон представляет собой результат наложения нескольких простых тонов. Звуку основного тона, образующего сложный тон, соответствует наименьшая частота , остальные тоны (обертоны) будут иметь частоты, равные ,  и т.д. Набор частот звуковой волны с указанием их относительной амплитуды или интенсивности называется акустическим спектром. Спектр сложного тона является линейчатым (рис. 7.1).

Шумом называют звук, представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Спектр шума является сплошным (рис. 7.2).

Рис. 7.1		Рис. 7.2
Рис. 7.3

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв и т.п.).

Физическими характеристиками звука являются частота, амплитуда, форма колебания, скорость, звуковое давление, интенсивность (сила звука).

В твердом теле могут распространяться как продольные, так и поперечные звуковые волны. В газе или жидкости звуковая волна представляет собой распространяющиеся продольные волны сжатия и разряжения среды. В участках сжатия давление выше по сравнению со средним давлением  окружающей среды, в участках разряжения давление ниже. Пусть  - добавочное давление, возникающее вследствие прохождения звуковой волны в среде. Тогда мгновенное значение давления в некоторой точке среды можно представить как  (рис. 7.3). Если колебания добавочного давления совершаются по гармоническому закону, то , где  - амплитуда добавочного давления.

Звуковым давлением называется эффективное (среднее квадратичное) значение добавочного давления, образующегося в участках сгущения среды в процессе распространения звуковой волны:

 

,

 

где . 

Принимая и , для среднего квадратичного значения добавочного давления получаем

 

.

 

Откуда приходим к следующему выражению для звукового давления:

 

.

 

Рис. 7.4

 

Рассмотрим очень малый слой среды объемом , находящийся на пути распространения звуковой волны (рис. 7.4). Вследствие прохождения звуковой волны давление на данный слой изменится на величину

.

 

Действующая на слой добавочная сила  может быть определена из второго закона Ньютона

 

,

 

где  - масса слоя,  - средняя плотность среды,  - ускорение, сообщаемое данной силой,  - очень малое изменение скорости частиц слоя. Тогда

 

 или .

 

Если  - расстояние, на которое проходит фронт волн за время , то  - это фазовая скорость звуковой волны (скорость перемещения волнового фронта) и . Отсюда для малого изменения давления можно записать

 

.

 

Проинтегрируем последнее равенство

 

,

.

 

Постоянную интегрирования C найдем, воспользовавшись начальными условиями:  при . Следовательно, .

Таким образом, приходим к следующей формуле связи между добавочным давлением  и колебательной скоростью  частиц среды

 

.

 

Интенсивность  звуковой волны связана со средней объемной плотностью энергии  волны по формуле

 

.

 

Так как , то

 

 

или, учитывая определение звукового давления, получаем

 

.

 

Величину  называют удельным акустическим сопротивлением среды. Оно является важной характеристикой ее акустических свойств.

В качестве характеристики интенсивности звука удобно использовать величину, называемую уровнем интенсивности:

 

,

 

где I - интенсивность данного звука,  - эталонное значение интенсивности звука, с которым сравнивают ее другие значения. Минимальная интенсивность звука, вызывающего слуховое ощущение, соответствует порогу слышимости. Для различных частот порог слышимости неодинаков. Слуховой аппарат человека наиболее чувствителен к звукам в диапазоне 2-5 кГц. Порог слышимости на частоте 1 кГц соответствует интенсивности , что отвечает звуковому давлению . Единицей уровня интенсивности служит децибел (дБ). В медицинской практике пользуются децибельной шкалой измерения уровня интенсивности (рис. 7.5). Из сравнения значений шкал интенсивности и уровня интенсивности следует, что увеличение интенсивности звука в 10 раз соответствует повышению уровня интенсивности на 10 дБ.

Рис. 7.5

 

Например, если интенсивность шума равна , то его уровень интенсивности  - это порог болевого ощущения человека, возникающего под действием сильного звука. Шепот человека оценивается в 20-30 дБ, обычный разговор - в 40-70 дБ, крик - в 80 дБ; тоны сердца, выслушиваемые стетоскопом - 10 дБ; клубная музыка - 120 дБ.