Характеристики звука

Акустика
Природа звука
Звук это продольная волна с частотой колебания от 16 до 20000 Гц.
Источником звука может служить любое колеблющееся тело с частотой от 16 до
20000 Гц. Колеблющееся тело, вызывает колебание частиц окружающей его
упругой среды, возникает продольная волна, которая достигая уха человека
вызывает в нем ощущение звука. С возрастом у человека ухудшается способность
воспринимать высокочастотные звуковые колебания. Некоторые животные
(летучие мыши, дельфины) могут воспринимать звуки с частотой выше 100000
Гц.
Инфразвук < 16 Гц.
Ультразвук > 20000 Гц.
Звук
характеризуется
силой,
которая
пропорциональна
амплитуде
колебания звуковой волны и высотой звука, которая пропорциональна частоте
колебания.
𝜐~Т
𝜐=√
𝑗=
𝐶𝑝
𝐶𝑉
𝑗𝑅𝑇
𝜇
– тембр звука.
– отношение молярных теплоемкостей при p = const.
Характеристики звука
Звук описывается уравнением плоской волны
𝑥
𝑦 = 𝐴𝑐𝑜𝑠𝜔 (𝑡 − ) = 𝐴𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥).
𝜐
Интенсивность волны I называют величину, численно равную средней
энергии Е, переносимой волной в единицу времени через единицу площади
поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения
волны.
𝐼=
𝑊
𝑆𝑡
,
где S – площадь поверхности, t – время.
Единицы измерения интенсивности волны 𝐼 = [
Дж
м2 ∙с
=
Вт
м2
].
Органы слуха человека и животных могут воспринимать акустические
колебания не только в определенном диапазоне частот, но и в ограниченном
диапазоне интенсивностей. Так, человеческое ухо воспринимает звуки с
интенсивностью не менее 10-12 Вт/м2. Эта чувствительность соответствует
биологическому пределу. Если бы люди ощущали звуки на 1-2 порядка меньше
по интенсивности, то у нас в ушах стоял бы постоянный шум. Передача
информации была бы невозможна. Максимальная интенсивность колебаний,
воспринимаемая как звук, равна примерно 10 Вт/м2 и называется болевым
порогом, поскольку вызывает болевые ощущения. Еще большие интенсивности
звука приводят к повреждению органов слуха.
Вт/м2
болевой порог
10
10
10
10
-1
-5
область
слышимости
порог
слышимости
-9
10
10
2
10
3
10
4
10
5
-12
Гц, 10
Интенсивность звука I (сила звука) может быть определена через
акустическое давление Р.
𝐼=
𝑃2
2𝜌𝜐
,
где Р – акустическое давление, ρ – плотность среды, υ – скорость
распространения звука в данной среде, ρυ – акустическое сопротивление данной
среды.
Акустическим или звуковым давлением Р называется максимальное
добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды),
образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне.
𝐹
Измеряется давление 𝑃 = ;
дн
𝑆 см2
= дин на см2 – акустический бар.
Звуковые волны оказывают давление на все предметы, встречающиеся на
их пути.
Уровень интенсивности L (громкость) – связан с интенсивностью I
формулой L = Iφ, где φ – величина, характеризующая слуховые органы каждого
индивидуума (чувствительность уха).
Согласно
закону
Вебера-Фехнера,
уровень
ощущения
(L)
прямо
пропорционален логарифму отношения силы раздражения к ее пороговому
значению.
По отношению к звуку, математически это запишется:
𝐼
𝐿 = 𝑙𝑔 ,
𝐼0
где L – уровень интенсивности ощущений (громкость), I – интенсивность
(сила звука), lg – десятичный логарифм (основанием для которого является 10), I0
= 10-12 Вт/м2 – порог слышимости (биологический предел слышимости).
Уровень
интенсивности
звука
прямо
пропорционален
отношения интенсивности (сила звука) к ее пороговому значению.
логарифму