Природа звука и его физические характеристики

Акустика

Акустика — область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких (~10¹³ Гц). Современная акустика охватывает широкий круг вопросов, в ней выделяют ряд разделов: физическая акустика, которая изу­чает особенности распространения упругих волн в различ­ных средах, - физиологическая акустика, изучающая устройство и работу звуковоспринимающих и звукообразующих органов у человека и животных, и др. В узком смысле слова под акус­тикой понимают учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц).

Звуковые колебания и волны — частный случай механических колебаний и волн. Однако в связи с важностью акустических по­нятий для оценки слуховых ощущений, а также и в связи с меди­цинскими приложениями, целесообразно некоторые вопросы разобрать специально.

Принято различать следующие звуки: 1) тоны, или музыкальные звуки; 2) шумы; 3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим про­цессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым, а соответствующая плоская звуковая вол­на описывается уравнением (5.48). Основной физической харак­теристикой чистого тона является частота. Ангармоническому (негармоническому) колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, на­пример, камертон, сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т. п.

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота n₀ такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2n₀, 3n₀ и т. д. Набор частот с указанием их относительной интенсивнос­ти (или амплитуды А) называется акустическим спектром (см. § 5.4). Спектр сложного тона линейчатый; на рис. 6.1 показа­ны акустические спектры одной и той же ноты (n₀ = 100 Гц), взя­той на рояле (а) и кларнете (б). Таким образом, акустический спектр — важная физическая характеристика сложного тона.

Шумом называют звук, отличающийся сложной неповто­ряющейся временной зависимостью.

К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т. п.

Рис. 6.1

Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно из­меняющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет сплошным, на­пример спектр, полученный от шума горения бунзеновской га­зовой горелки (рис. 6.2).

Звуковой удар — это кратковременное звуковое воздейст­вие: хлопок, взрыв и т. п. Не следует путать звуковой удар с ударной волной (см. § 5.9).

Энергетической характеристикой звука как механической вол­ны является интенсивность (см. § 5.8).

На практике для оценки звука удобнее использовать не интен­сивность, а звуковое давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлени­ем р зависимостью

где r — плотность среды, с — скорость звука.

Нормальное человеческое ухо воспринимает довольно широ­кий диапазон интенсивностей звука: так, например, на частоте 1 кГц от I ₀ = 10^-12 Вт/м² или р ₀ = 2 • 10^-5 Па (порог слышимости) до I _mах = 10 Вт/м² или р _mах = 60 Па (порог болевого ощущения). Отношение этих интенсивностей равно 10¹³, поэтому удобнее ис­пользовать логарифмические единицы (см. § 1.1) и логарифмиче­скую шкалу. Шкала уровней интенсивностей звука создается сле­дующим образом: значение I ₀ принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятич­ный логарифм ее отношения к I ₀ (в белах, см. § 1.1):

L _B = lg (I/I₀), (6.1)

а для звукового давления

L _B = 21g (р / р ₀).

При использовании децибел соответственно имеем

L _дБ = 101g(I / I ₀) и L _дБ = 201g(p / p ₀). (6.2)

Измерение звукового давления в газах производится измери­тельным микрофоном, который состоит из датчика, преобразую­щего акустическую величину в электрический сигнал, электрон­ного усилителя и электрического измерительного прибора (рис. 6.3). Эта схема является частным случаем общей структурной схе­мы (см. § 17.1).