Общие понятия о звуке и его свойствах

Акустика изучает распространение звука в помещениях. Она подразделяется на архитектурную, задачи которой заключаются в создании благоприятных условий наиболее полноценного восприятия звуков в театральных и иных помещениях, и строительную, которая решает вопросы ограничения распространения нежелательных звуков, называемых шумами. Шум вызывает у людей раздражение, затрудняет восприятие речи и музыки, а в некоторых случаях является причиной глухоты.

Таким образом, перед проектировщиками стоят две противоположные задачи: первая - создание условий для наилучшего восприятия речи и музыки и вторая - всемерное подавление шума. Для успешного решения этих задач необходимо иметь представление о физических и физиологических характеристиках звука и шума, закономерностях их распространения на территориях и в помещениях, характеристиках источников шума, архитектурно-планировочных и конструктивных способах усиления и подавления звука и шума, а также об имеющихся по этим вопросах нормативных документах.

Звук как физическое явление представляет собой волнообразное колебательное движение, которое распространяется в материальной упругой (газообразной, жидкой или твердой) среде.

Источником звука является какое-либо вибрирующее тело типа струны, камертона и т.п. Колебания источника звука вызывают в упругой среде колебания ее частиц, которые распространяются волнообразно с определенной скоростью в виде звуковых волн. При этом сами частицы среды не перемещаются вместе со звуковой волной, а только колеблются, попеременно смещаясь и возвращаясь в первоначальное равновесное положение, как это показано на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Колебания частиц упругой среды

При распространении звуковой волны различают два совершенно разных явления:

движение частиц среды в волне и перемещение самой волны в среде. При этом колебательные скорости частиц среды в несколько тысяч раз меньше скорости звука.

Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

В процессе распространения звуковых волн в воздухе и в жидкостях смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, такие волны называются продольными.

При распространении колебаний в твердых телах возникают поперечные волны, когда частицы среды смещаются перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. В твердых телах возможны колебания продольных и поперечных волн. В тонких конструкциях при толщине менее 1/6 длины волны, возникают изгибные волны.

Звуковые волны подобно всякому волновому движению характеризуются длиной волны, частотой колебаний и скоростью их распространения.

Расстояние, на которое распространяется звуковая волна за время одного полного колебания или одного периода колебания, называется длиной волны. Длина звуковой волны l зависит от частоты и скорости звука и может быть определена по формуле

= , (4.1.)

где - скорость распространения звука, м/с;

- частота звука, Гц.

Зависимость длин волн от частоты представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Зависимость длины звуковых волн и частоты звука

при распространении их в воздухе

Под частотой подразумевается число колебаний частиц среды в секунду. Единицей измерения частоты является герц (Гц), которой выражает одно колебание в секунду.

Органы слуха человека способны воспринимать звук в пределах от 16 до 20000 Гц и оценивать не абсолютное значение изменения частоты, а относительное. Так, увеличение частоты вдвое вызывает ощущения повышения тона на величину, называемой октавой. Октавная полоса частот это зона, в которой верхняя граница частот в два раза больше нижней.

В практике спектр воспринимаемых человеком звуков охватывает 8 октав. В связи с тем, что человеческий слух улавливает увеличение частоты не менее чем в 1.26 раза, поэтому каждая октава разделена на три 1/3-октавные полосы, где соотношения частот равно этой величине.

Различают три вида спектров частот: низкочастотный - в границах частот до 300 Гц, среднечастотный - в области частот от 300 до 800Гц и высокочастотный - выше 800Гц.

Звуковые волны распространяются с определенной скоростью, которая зависит от упругой среды. Быстрее всего звук распространяется в твердых телах, несколько медленнее - в жидкостях и медленнее всех- в воздухе. Так, скорость звука в воздухе составляет 340 м/с, в воде - 1450 м/с, в бетоне - 4000 м/с и в стали - 5100 м/с.

Источники звука характеризуются звуковой мощностью и интенсивностью звука.

Звуковой мощностью Р называют общее количество звуковой энергии, излучаемой источником звука в единицу времени. Единицей измерения звуковой мощности является ватт (Вт). Звуковая мощность является звуковым параметром, характеризующим источник звука или шума.

Под интенсивностью звука , Вт/ м , понимают звуковую мощность распространяющуюся в единицу времени через единицу площади звукового поля S, м²:

= , (4.2.)

При колебании источника звука в воздушной среде появляется давление, которое называют звуковым давлением. Звуковое давление представляет собой разность между мгновенным полным давлением в момент прохождения звука в среде и средним значением звукового давления в среде при отсутствии звукового поля от источника звука. За единицу измерения звукового давления принят ньютон на квадратный метр (Н/ м ).

Между интенсивностью звука и звуковым давлением существует связь, определяемая по формуле

= , (4.3.)

где - плотность среды, кг/м ;

- скорость звука в среде, м/с.

Ухо человека может ощущать звук только в том случае, когда его сила не меньше определенной величины, называемой порогом слышимости. Верхний предел, который воспринимается как болевое ощущение, носит название болевого порога. Характеристики звука в пороговых пределах приведены в табл. 4.1.

Пользоваться абсолютными значениями таких сильно отличающихся друг от друга звуковыми величинами крайне неудобно, поэтому в технической акустике принято оценивать интенсивность звука, звукового давления и звуковую мощность не в абсолютных, а в относительных логарифмических единицах - децибелах (дБ), и называть их уровнями интенсивности звука, звукового давления и звуковой мощности.

Для получения уровня характеристики звука необходимо прологарифмировать отношение абсолютного значения интенсивности звука, звукового давления или звуковой мощности к их значениям на пороге слышимости, условно принятые за единицу сравнения.

Таблица 4.1

Значения характеристик звука на пороге слышимости и на болевом пороге

Наименование характеристики	Единица измерения	Значение характеристик звука
порог слышимости	болевой порог
Частота	Гц
Звуковое давление	Н/ м	2 ·	2 ·
Звуковая интенсивность	Вт/м
Звуковая мощность	Вт

Таким образом, уровень интенсивности звука , уровень звукового давления и уровень звуковой мощности можно определить из следующих выражений:

= 10lg(); (4.4)

= 10lg() = 20lg(); (4.5)

= 10lg(). (4.6)

где , , – соответственно интенсивность звука, звукового давления и звуковой мощности в рассматриваемый момент времени;

, , - соответственно интенсивность звука, звукового давления и звуковой мощности на пороге слышимости.

При акустических расчетах частот встречается необходимость сложить уровни звукового давления двух или более источников звука или найти средние уровни звукового давления. Такое сложение уровней может быть осуществлено с помощью номограммы, представленной на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Номограмма для логарифмического суммирования уровней

( – добавка к более высокому уровню)

Уровни шума различных источников суммируются последовательно. По разности

уровней шума и двух источников с помощью номограммы определяется величина в децибелах, которая добавляется к большему уровню , в результате чего получается суммарный уровень шума двух источников. Полагая, что полученный уровень шума является уровнем шума некоторого эквивалентного источника, его суммируют с уровнем шума третьего источника. Вычисляют уровень шума эквивалентного источника, эквивалентного первым трем, и так далее до тех пор, пока не будет установлен общий уровень шума всех источников.

Уровни звука, выраженные в децибелах (дБ), отражают объективную характеристику звука. Однако при одном и том же уровне звукового давления, но разной частоты, звуки вызывают у человека ощущение разной громкости. С учетом этого свойства человеческого слуха введено понятия уровня громкости звука, за единицу измерения которого принят фон, представляющий собой уровень громкости стандартного тона с частотой 1000 Гц и уровня звукового давления 1 дБ.

Между уровнем громкости и уровнем звукового давления существует определенная зависимость изображаемая в виде кривых равной громкости (рис. 4.4), которые показывают сравнительную громкость звука любой частоты с равногромким звуком частотой 1000 Гц.

Рис. 4.4. Кривые равной громкости для чистых тонов:

1-порог слышимости

На рис. 4.4 видно, что для частоты 1000 Гц уровень громкости и уровень звукового давления совпадают. Чем ниже частота, тем выше различие между величиной уровня громкости и уровня звукового давления. Отсюда следует, что энергия низкой частоты воспринимается лучше, чем высокой и наоборот. Чем выше уровень звукового давления, тем меньше чувствительность слуха зависит от частоты звука.

Следует отметить, что шкала уровней громкости не является натуральной шкалой, так как изменение уровня громкости в 2 раза не означает, что субъективное восприятие громкости звука изменяется во столько же раз. В большей части слышимого диапазона в этом случае наблюдается повышение уровня звукового давления примерно на 10 дБ.

Для оценки субъективного восприятия громкости звука введена шкала сонов, численные значения которых определяются по формуле

= (4.7)

где - уровень громкости фона.

Громкостью, равной в 1 сону, обладает звук с уровнем громкости, равным 40 фонам. Формула (4.7) показывает, что при увеличении уровня громкости на 10 фонов громкость в сонах изменяется в 2 раза.

Между уровнями громкости (в фонах) и значениями громкости (в сонах) существует зависимость, показанная на рис. 4.5, которая принята в качестве международного стандарта.

Рис.4.5. Зависимость значений громкости (в сонах) и уровнями громкости (в фонах)

С физиологической точки зрения звуковые волны делят на полезные звуки и шумы, вызывающие раздражающее действие на организм. Предельный уровень шума, длительное воздействие которого не приводит к преждевременному повреждению органов слуха, равен 80-90 дБ. Если же уровень звукового давления превышает 90 дБ, то такое звуковое воздействие постепенно приводит к частичной или даже полной глухоте. Воздействуя на центральную нервную систему, шумы ослабляют внимание рабочих и способствуют увеличению травматизма. Уровень звукового давления величиной 134 дБ относится к болевому порогу.