Основные положения акустики

Акустика определяет область знаний, относящихся к возникновению, распространению и слуховому восприятию звука.

Звук – это колебательное движение, которое проявляется в форме периодического изменения давления, распространяющегося в любой материальной среде, в частности в воздухе. При этом частицы среды не перемещаются вместе со звуковой волной, они только колеблются.

Различают следующие виды звуковых волн:

- продольные (в воздухе, жидкостях и твердых телах);

- поперечные (в твердых телах);

- изгибные (в строительных конструкциях: балках, плитах).

Физическое состояние среды в звуковом поле характеризуется звуковым давлением и колебательной скоростью.

Звуковое давление Р – это разность между мгновенным значением полного давления и средним (атмосферным) давлением среды при отсутствии в ней звуковых волн.

Единица измерения звукового давления – Паскаль – Па = Н/м²

1 Н/м² 10 мг/см²

Ухо человека и приборы чувствительны к изменениям именно звукового давления.

Как всякий колебательный процесс, звук характеризуется частотой колебаний или частотой звука и скоростью распространения.

Частота f – число полных колебаний в течение 1 сек [Гц].

Обратная величина частоты – – период колебаний, т.е. время одного колебания в секундах.

От частоты зависит тональность звука. Ухо человека воспринимает звуки, имеющие частоту от 16 до 20000 Гц.

Звуки частотой ниже 20 Гц называются инфразвуками, а частотой более 20000 Гц ультразвуками.

Слух человека обладает способностью реагировать не на абсолютный прирост частоты звука, а на её относительное изменение.

Равное отношение частот дает ощущение равных изменений высоты тона.

Так, увеличение любой частоты в 2 раза приводит к ощущению повышения тона на определенную величину, которая называется октавой.

Октава – интервал частот, границы которого отличаются в два раза.

Необходимо отметить, что человек очень редко встречается со звуками одной частоты (так называемыми тональными звуками). Чаще всего он воспринимает набор звуков на различных частотах, т.е. спектр.

Так как количество частот звуков велико (~ 20000), то не представляется возможным давать оценку восприятию звуков человеком на каждой из частот. Поэтому для удобства частотный диапазон разбит на интервалы – октавы.

Октава – это интервал частот, заключенный между двумя граничными частотами, из которых верхняя вдвое больше нижней.

Ширина октавы

f₂ – верхняя частота;

f₁ – нижняя частота;

Средняя частота октавы, определяющая частотный диапазон

Общепринятые октавные полосы имеют среднегеометрические частоты
63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 Гц.

Кроме того, при необходимости более детального анализа звукового спектра можно пользоваться третьоктавными полосами частот, имеющими соотношение границ

Средние частоты 1/3 октавного диапазона имеют значения 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200 и т.д.

Музыкальный диапазон состоит из семи октав. Исходная частота тона ноты "до" 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096. Нота "ля" первой музыкальной октавы имеет частоту 440 Гц.

Скорость распространения звуковой волны в среде – это скорость звука в среде.

Скорость звука в воздухе - с = 340 м/сек;

-"- в воде - с = 1450 м/сек;

-"- в бетоне - с = 4000 м/сек;

-"- в стали - с = 5100 м/сек.

Расстояние, на которое распространяется звуковая волна за время одного колебания, называется – длиной волны λ.

где λ – длина волны, м;

с – скорость звука, м/с;

f – частота, Гц = 1/с;

Т – период, сек.

Важной акустической характеристикой среды является удельное акустическое сопротивление, или акустический импеданс

,

где ρ – плотность среды;

с – скорость звука.

Сила звука или интенсивность – I, Вт/м² – одна из основных физических характеристик звука.

Сила звука или интенсивность – количество энергии проходящей в 1 сек. через площадку в 1м², перпендикулярную направлению распространения звуковых волн.

Сила звука пропорциональна квадрату звукового давления Р

,

где ρ – плотность среды;

с – скорость звука в этой среде.

Пока не создано приборов для измерения силы звука, зато при помощи микрофона можно легко измерять давление.

Ухо человека может ощущать звуки определенной силы, когда сила не меньше величины, называемой порогом слышимости и обозначаемой I₀

I₀ = 10^-12 Вт/м² (10^-16 Вт/см²)

Верхний предел силы звука, воспринимаемый как болевое ощущение, называется болевым порогом.

I_{бол.п .} = 10² Вт/м² (10^-2 Вт/см²)

Сила звука болевого порога и порога слышимости отличаются в 10¹⁴ раз.

Человеческое ухо способно воспринимать силу звука таких величин в связи с тем, что ощущение возрастает пропорционально логарифму силы звука. Например, изменение силы звука от 10 единиц до 1000 воспринимается нами как увеличение не в 100 раз, а только в 3 (lg1000 = 3).

На практике для получения представления о степени силы звука введено понятие – уровня силы звука L.

Уровень силы звука, L, дБ – одна десятая логарифма отношения силы звука к силе звука на пороге слышимости

(Бел),

где I – сила звука;

I₀ = 10^-12 Вт/м² – сила звука на пороге слышимости.

Так как человек способен ощущать изменение уровня силы, равное 0,1 Бела, то за единицу измерения уровня принят децибел – одна десятая Бела

(дБ)

Учитывая, что I = Р²/ρ∙с и I₀ = Р₀²/ρ∙с, то

(дБ),

где Р – звуковое давление

Р₀ = 2∙10^-5 Н/м² – звуковое давление на пороге слышимости.

Уровень силы звука и уровень звукового давления – это величины, характеризующие интенсивность звукового поля.

Между звуковым давлением и уровнем звукового давления существует следующая связь:

Ориентировочный уровень звукового давления различных звуков:

шепот – 20 дБ

шум улицы – 60-70 дБ

машбюро – 80 дБ

болевой порог – 140 дБ

В связи с тем, что звуки, имеющие одну и ту же силу, но разную частоту, вызывают у человека ощущение разной громкости, введено понятие уровня громкости звука.

Единица уровня громкости – [фон].

Фон – это уровень громкости стандартного тона частотой 1000 Гц и уровнем силы звука 1 дБ, т.е. уровень громкости в фонах для частоты 1000 Гц равен уровню силы звука в дБ.

Зависимость между значением уровня громкости и уровня силы изображается в графиках кривых равной громкости, составленных Робинсом и Дадсоном.

На низких частотах уровни громкости отличаются от уровня силы звука на
40-20 единиц.