Совокупность звуков различной частоты и интенсивности

Совокупность звуков различной частоты и интенсивности

ПРИРОДА ЗВУКА

Звуковые или акустические волны представляют собой механические волны, частотой от 16 до 20 000 Гц. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают слуховые ощущения. Колебания частотой менее 16 Гц (инфразвуковые) и частотами больше 20 000 Гц (ультразвуковые) ухом человека не воспринимаются. Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, т.к. эти среды обладают упругостью только по отношению к деформациям сжатия (растяжения). Распространение волн в таких средах происходит в виде колебаний давления (волны давления). В твердых телах акустические волны могут быть как продольными, так и поперечными.

Звук несёт около 15% информации об окружающем нас мире, а также может быть источником информации о состоянии внутренних органов человека. По этой причине акустика, как раздел механики, представляет большой интерес для медицины.

В акустике принята следующая классификация звуковых волн по видам: тоны (или музыкальные звуки), шумы и звуковые удары (или взрывы).

Тон – периодическое колебание с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой. Если звук представляет собой гармоническую волну, то тон называется простым или чистым. Он характеризуется единственным значением частоты. Ангармоническое периодическое колебание (созвучие или сложный тон) – это результат одновременного звучания нескольких музыкальных тонов. Тон самой низкой частоты называется основным. Он определяет общую высоту звука. Остальные гармоники (обертона) создают «окраску» (тембр) звука. Совокупность частот с указанием их относительных интенсивностей (амплитуд) образует акустический спектр сложного тона.

Шум – сочетание многочисленных звуков различных частот, интенсивностей и продолжительности, беспорядочно меняющихся во времени (шорох, скрип, аплодисменты, звуки от вибрации машин).

Звуковой удар (взрыв) – кратковременное, сильное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, выстрел).

Энергия, излучаемая источниками звука, переносится звуковыми волнами, образуя звуковое поле. Для характеристики этого поля используются как общепринятые величины (энергия, поток энергии, интенсивность), так и величины специфические (звуковое давление, уровень интенсивности, уровень давления), отличающиеся от параметров волновых полей общего типа.

Интенсивностью звука (силой звука) называется среднее по времени значение энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через единицу площади поверхности перпендикулярной направлению распространения волны.

Под звуковым (акустическим) давлением понимают избыточное над средним, периодически изменяющееся давление Δр, которое возникает в участках сгущения и разрежения среды, при прохождении

звуковых волн. Звуковое давление измеряется в Па = Н/м2 (паскалях).

Для плоской гармонической волны давление связано с интенсивностью звука соотношением:

, (21) где Δр0 – амплитудное, а Δрэф – эффективное значение акустического давления, которое регистрируют приборы; ρ·u – произведение плотности вещества среды ρ на скорость волны u – называется волновым сопротивлением среды. [ρ·u] = кг/(м2·с)

Механические колебания звуковых частот способны вызвать слуховое ощущение только при условии, что интенсивность волны больше некоторой минимальной, но не превышает некоторого максимального значения. Диапазон интенсивностей (звукового давления), способных вызвать слуховое ощущение, будет разным для разных частот.

Минимальная величина интенсивности –I0(звукового давления – Δр0), при превышении которой на данной частоте возникает слуховое ощущение называют порогом слышимости на данной частоте.

С другой стороны, если интенсивность (звуковое давление) превышает некоторый определенный для данной частоты предел, то волна не воспринимается как звук, а вызывает ощущение боли в ухе.

Значение интенсивности (звукового давления), при превышении которого, на смену слуховому приходит ощущение боли, называется порогом болевого ощущения – Imax (Δрmax). Например, на частоте 1кГц I0 = 10-12 Вт/м2 (Δр0 = 2.10-5 Па.), а Imax = 10 Вт/м2 (Δрmax = 60 Па). Для других частот пороги слышимости и болевого ощущения будут другими.

Поскольку диапазон интенсивностей или давлений, воспринимаемых звуков довольно велик (для частоты 1 кГц отношение Imax/I0 ≈ 1013), то для их сравнения удобно использовать величины, которые называют уровнем интенсивности и уровнем звукового давления:

, (22)

. (23)

Здесь I0 и Δр0 значения так называемого стандартного порога слышимости. Это порог слышимости на частоте 1000 Гц: I0 = 10-12 Вт/м2 или

Δр0 = 2.10-5 Па.

Уровни интенсивности и уровни давления выражаются в СИ в белах (Б). Бел – единица, получившая своё название в честь изобретателя телефона Александра Грейама Белла (1847-1922 г.г.). Если уровень интенсивности некоторой звуковой волны L = 1Б, то отношение его интенсивности к I0 (или Δр/Δр0) будет равно 10 (lg10 = 1). Если же L = 2Б, то I / I0 = 102 (lg102 = 2) и т. д. Т. о. весь диапазон энергий в акустике можно разбить на 13 уровней интенсивности (lg1013 = 13).

Бел – это довольно большая единица, поэтому на практике уровни интенсивности обычно выражают в децибелах: 1Б = 10 дБ. Тогда

или . (24)

Порог слышимости на частоте 1000 Гц соответствует уровню интенсивности (или давления) L0 = 0 дБ, а болевой порог Lmax ~130 дБ.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:



Источник: studopedia.ru


Добавить комментарий