3.5. Звуковые волны. Характеристика звукового поля.

Колебания, лежащие в интервале от 20 до 20000 герц и способные вызывать ощущения звука выделяют по этому признаку в особую группу акустических или звуковых колебаний или просто звуком. Указанное выделение связано с физиологическими особенностями человеческого органа слуха, воспринимать колебания именно этих частот.

Волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуковыми и с частотой больше 20000 Гц - ультразвуковыми. Уже ранее отмечалось, что в газообразной и жидкой среде могут распространяться только продольные волны, то в твердых телах могут быть как продольными, так и поперечными.

В жизнедеятельности человека большую роль играет распространение звуковых колебаний в воздухе. Скорость звука в среде определяется выражением:

(3.5.1)

где - модуль Юнга, - плотность среды. Для столба воздуха p - это добавочное давление , вызывающее сжатие газа. Относительную линейную деформацию необходимо заменить объемной деформацией :


Если перейти к бесконечно малым dp и dV и учесть, что если увеличение давления ведет к уменьшению объема , то

(3.5.2)


Считая, что звуковые колебания происходят быстро, то сжатие и растяжение можно считать адиабатическими, согласно уравнению Пуассона:


Подставляя полученное значение в (3.5.2), получим


Подставим в (3.5.1),


Поставив в полученное уравнение значение плотности из уравнения состояния идеального газа , получим:

Видим, что скорость пропорциональна , и не зависит от давления газа p. Так, при , а для водорода , что обусловлено малой молярной массой. Скорость звука зависит также от неоднородности атмосферы, степени влажности воздуха, ветра и т.д.

Звуковая волна способна оказать давление, которое находится по формуле , где - средняя плотность энергии в стоячей волне.

Интенсивностью звука или силой звука называется величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой волной в единицу времени через единицу площади перпендикулярно направлению распространения:

Для того, чтобы вызвать звуковые ощущения, интенсивность волны должна превышать некоторое минимальное значение, называемую порогом слышимости. Она различна для разных частот. Человеческое ухо наиболее чувствительно для колебаний с частотами в пределах (1000 - 5000) Гц. Максимальная величина интенсивности звука, при превышении которой возникают болевые ощущения, называется болевым порогом. Между этими кривыми располагается область слышимости.

Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Она не поддается точному количественному измерению, но, однако можно провести оценку интенсивности ощущения, основываясь на физиологическом законе Вебера - Фехнера, согласно которому с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На основании этого устанавливается шкала уровня силы звука.


где - интенсивность на пороге слышимости и принимаемая для всех звуков , L называют уровнем интенсивности звука. Если положить k=1, то уровень звука измеряется в белах (в честь изобретателя телефона Бела). белов.

Чаще пользуются единицами измерения в 10 раз меньшей - децибелами (дБ). децибелов.
Например:

звук
Тихий шепот 40 10-8
Шум оживленной улицы 100 10-2
Крик 110 10-1


Любой реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим набором частот, то есть звук обладает акустическим спектром. Этот спектр может быть сплошным (в определенном интервале присутствуют колебания всех частот) или линейчатым (присутствуют отделенные друг от друга определенные частоты). Шумам соответствует наличие сплошного акустического спектра, а музыкальным звукам - чаще всего линейчатый спектр.

Высота звука - количество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты. Чем больше частота, тем выше звук.

Тембр звука определяется характером акустического спектра и распределением энергии между частотами в спектре.

Например: певцы, берущие одну и ту же ноту, создают различный акустический спектр, то есть имеют различный тембр.

Last modified: Sunday, 3 January 2016, 8:26 AM