Основні акустичні поняття і їх визначення

Звук – це коливальний рух, що існує як періодична зміна тиску і розповсюджується у будь-якому матеріальному середовищі, зокрема в повітрі. При цьому частинки середовища не переміщуються разом із звуковою хвилею, вони тільки коливаються.

Розрізняють такі види звукових хвиль: повздовжні (у повітрі, рідинах i твердих тілах), поперечні (у твердих тілах) i згинальні (в будівельних конструкціях: балках, плитах).

Фізичний стан звукового поля характеризується звуковим тиском та коливальною швидкістю. Звуковий тиск Р – це різниця між миттєвим значенням повного тиску i середнім тиском середовища при відсутності в ньому звукових хвиль.

Одиниця виміру тиску Паскаль – Па = Н/м²=кгс/м².

Вухо людини та прилади є чутливими до змін саме звукового тиску.

Як будь-який коливальний процес, звук характеризується: частотою коливань або частотою звуку, i швидкістю поширення - швидкістю звуку.

Частота f – число повних коливань протягом 1 сек (Гц).

Обернена величина частоти Т = 1/ f – період коливань. Вухо людини сприймає звуки, що мають частоту від 16 до 20000 Гц.

Звуки частотою нижче 20 Гц називаються інфразвуками, а частотою більш 20000 Гц – ультразвуками.

Слух людини здатний реагувати на відносну зміну частоти.

Рівне співвідношення частот дає відчуття рівних змін висоти тону.

Так, збільшення будь-якої частоти звуку у 2 рази призводить до відчуття підвищення тону на величину, що називається октавою.

Необхідно визначити, що людина дуже рідко зустрічає звуки однієї частоти, так звані тональні звуки. Частіше всього вона сприймає набір звуків на різних частотах.

Кількість частот звуків велика (понад 20000), i не існує можливості давати оцінку сприйманню звуків людиною на кожній з частот. Тому для зручності частотний діапазон поділений на інтервали – октави.

Октава – це діапазон частот, розміщений між двома граничними частотами, iз яких верхня вдвічі більше від нижньої.

Середньогеометрична частота октави, що визначає частотну смугу

f_ср = Ö f₂ × f₁,

де f₁ – нижня гранична частота Гц;

f₂ – верхня гранична частота Гц.

Загальноприйняті октавні смуги мають середньогеометричні частоти 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 Гц.

Крім того, при необхідності більш детального аналізу звуків можна користуватися третьоктавними смугами частот, що мають співвідношення границь f₂/f₁ = 1,26.

Середні частоти 1/3 октавного діапазону мають значення 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200 i т.д.

Граничні: частоти наведені в додатку, таблиця Д-1.

Швидкість звуку в повітрі – = 340 м/с;

- " - у воді – = 1450 м/с;

- " - у бетоні – = 4000 м/с;

- " - у сталі – = 5100 м/с.

Відстань, що проходить звукова хвиля за час одного коливання, є довжиною звукової хвилі l.

де l – довжина хвилі [м];

С – швидкість звуку [м/с];

f – частота [Гц = 1/с];

Т – період коливання [с].

Важливою акустичною характеристикою звукового середовища є питомий акустичний опір, або акустичний імпеданс

W = r×C,

де r – щільність середовища;

C – швидкість звуку.

Сила або інтенсивність звуку – I [Вт/м²]: – одна з основних фізичних характеристик звуку.

Це кількість енергії, що проходить за одиницю часу крізь одиницю поверхні, перпендикулярну напряму розповсюдження хвилі.

Сила звуку пов'язана з звуковим тиском співвідношенням

Ще не створено приладів для виміру сили звуку, за при допомогою мікрофона можна вимірювати звуковий тиск.

Вухо людини може відчувати звуки певної сили, коли сила не менше від величини, що називається порогом чутності I_о.

I_о = 10^-12 Вт/м²

Верхня границя сили звуку, яку сприймаємо як болісне відчуття, називається больовим порогом.

I_б.п. = 10² Вт /м²

Сила звуку больового порога i порога чутності відрізняються в – 10¹⁴.

Людське вухо спроможне сприймати силу звуку таких значень у зв'язку з тим, що відчуття зростає пропорційно логарифму сили звуку. Наприклад, зміна сили звуку вiд 10 одиниць до 1000 сприймається нами як збільшення не в 100 разів, а тільки в 3 – (lg 1000 = 3).

На практиці уявлення про міру сили звуку визначається рівнем сили звуку

[Бeл],

де I – сила звука;

I_о = 10^-12 вт/м² – сила звука на порозі чутності.

Людина здатна відчувати зміну рівня сили, що дорівнює 0,1 Бела, тому за одиницю виміру рівня прийнятий децибел - одна десята Бела.

[дБ].

Враховуючи, що

; ,

де Р – звуковий тиск, Р_о = 2×10^-5 Н/м² – звуковий тиск на порозі чутності.

Рівень сили звуку i рівень звукового тиску – це величини, що характеризують інтенсивність звукового поля.

Між звуковим тиском i рівнем звукового тиску існує такий зв'язок:

Тиск Н /м² ¦0,00002¦ 0,0002 ¦ 0,002 ¦ 0,02 ¦ 0,2 ¦ 2 ¦ 20

-----------------------------------------------------------------------------

Рівень тиску, дБ ¦ 0 ¦ 20 ¦ 40 ¦ 60 ¦ 80 ¦100 ¦ 120

-----------------------------------------------------------------------------

Тиск мг/см² ¦ 0,0002 ¦ 0,002 ¦ 0,02 ¦ 0,2 ¦ 2 ¦ 20 ¦ 200

Орієнтовний рівень звукового тиску різноманітних звуків: шепіт – 20 дБ, шум вулиці – 60 ¸ 70 дБ, машбюро – 80 дБ, відчуття болю 120 ¸ 140 дБ.