Элементы акустики

В упругих средах могут распространяться продольные и поперечные волны. Продольными называют такие волны, в которых смещения частиц среды происходят в направлении движения волны, а поперечными - если смещения частиц перпендикулярны направлению распространения волны. Продольные волны связаны с деформациями сжатия и растяжения, а поперечные - с деформациями сдвига. Поскольку в газах и жидкостях деформации сдвига отсутствуют, то в этих средах не могут существовать и поперечные волны. В твёрдых же телах могут распространяться и продольные, и поперечные волны.

В воздухе, как и в любом другом газе, существуют только продольные волны. Достигнув нашего органа слуха - уха, колебания частиц среды, частоты которых лежат в пределах от 20 Гц до 20 кГц, вызывают специфическое ощущение звука. Колебания, частоты которых лежат в указанном интервале, называются звуковыми. Следует сразу же отметить, что звуковые колебания определяют как поток энергии в виде распространения звуковых волн, так и колебания частиц среды, вызывающие ощущение звука через слуховой аппарат. Первое понятие звуковых колебаний, звуковых волн является объективным (и потому правильным), а второе - субъективным, зависящим не от самого процесса распространения звуковой волны, а от наличия приёмника звуковых колебаний. Иначе говоря, в среде, обладающей упругостью и массой, любое механическое возмущение создаёт звук, не­зависимо от того, слышим мы его или нет. Звук - это распространяющиеся в газах, жидкостях и в твёрдых телах механические колебания, которые могут восприниматься органами слуха.

Основными физическими характеристиками любого колебательного процесса являются период и амплитуда колебаний, а применительно к звуковым колебаниям - частота и интенсивность звука. Частота колебаний определяет высоту воспринимаемого звукового тона, чем больше частота, тем выше тон звука.

Звуковые колебания могут кроме основного тона содержать и дополнительные, так называемые обертоны. В зависимости от наличия обертонов и соотношения между ними "окраска" звука (его тембр) может быть различной.

Другой важной характеристикой является амплитуда колебаний. Амплитуда колебаний определяет интенсивность (силу) звука, связанную с ней громкость звука. Понятия интенсивности и громкости звука не равнозначны. Интенсивность определяется параметрами самой звуковой волны, а громкость звука - это мера слухового ощущения, вызываемого звуком.

Таким образом, объективными характеристиками звуковой волны являются частота, амплитуда колебаний и интенсивность звука. В субъективном восприятии звуковых волн различают три его основные характеристики: высоту, тембр и громкость.

Человек воспринимает звук с помощью своего слухового аппарата - уха. Основной частью слухового аппарата являются волокна, к которым подходят окончания слухового нерва. Волокна имеют различную длину и натяжения, т.е. различные резонансные частоты. При действии звуковых колебаний определённой частоты в определенных волокнах возбуждаются резонансные колебания, которые, в свою очередь, возбуждают соответствующие нервные окончания. Сигналы от них, поступающие в мозг, воспринимаются человеком как звук.

Интенсивность (сила) звука определяется количеством энергии, переносимой волной в единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны:

Как видно из приведенного выражения, сила звука заданной высоты пропорциональна квадрату амплитуды. Однако такой объективной оценке силы звука не соответствует субъективная оценка громкости, основанная на восприятии звуковых колебаний. Это объясняется тем, что наш орган слуха не одинаково чувствителен к звукам различной высоты и интенсивности.

Для того, чтобы распространяющаяся в воздухе звуковая волна создала ощущение звука, необходимо, чтобы интенсивность звука превышала некоторую минимальную величину, называемую порогом слышимости. В то же время, если интенсивность звука достаточно велика, человек перестает его слышать и воспринимает как ощущение давления или боли. Такую интенсивность звука называют порогом болевого ощущения. Обычно человек воспринимает звуковые волны с интенсивностью от.

Субъективная оценка громкости звука не поддаётся точному количественному измерению. Тем не менее, относительные измерения громкости возможны. По закону Вебера-Фехнера отношение интенсивностей ощущений звуковых колебаний (громкостей звука) пропорционально логарифму отношения интенсивностей звуковых волн, вызывающих эти ощущения. На основании этого логарифмического закона устанавливается шкала уровней звука. Естественно принять уровень интенсивности на пороге слышимости за нулевой. Условно за нулевой уровень принимают такой, для которого.

Тогда, по закону Вебера-Фехнера, громкость звука L пропорциональна логарифму отношения его интенсивности I к интенсивности звуковой волны на пороге слышимости:

Выбор коэффициента пропорциональности k определяет выбор единиц измерения громкости звука. Например, если k = 1, единица измерения громкости звука называется белом. Наряду с бедами применяются единицы, в 10 раз меньшие, децибелы. В соответствии с этим определением единиц измерения громкость звука можно представить в следующем виде:

Таким образом, если интенсивность звуковой волны изменяется в 10 раз, громкость звука изменяется на 1 бел.

Ещё раз отметим, что интенсивность звуковой волны является абсолютной объективной характеристикой самой звуковой волны. Громкость же звука, определяемая по закону Вебера-Фехнера, представляет собой относительную (относительно выбранного уровня) и субъективную, (определяемую интенсивностью ощущений) характеристику,

Как уже отмечалось выше, звуковые волны могут распространяться в газах, жидкостях и в твёрдых телах. В безвоздушном пространстве звуковые волны нераспространяются, поскольку для их распространения необходима упругая среда. Скорость волн зависит от соотношения между упругими и инерционными свойствами среды. В более упругой среде и волновая скорость выше. Например, в воздухе скорость звука равна 350 м/с, а в стали - 5000 м/с.

На скорость распространения волны оказывает влияние состояние среды. Если мы говорим, что скорость звука в воде равна 1450 м/с, это вовсе не означает, что такая скорость будет в любой воде и при любых условиях. С повышением температуры, с увеличением глубины (повышением гидростатического давления) скорость звука увеличивается. Будет она изменяться и в зависимости от наличия примесей в воде.

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает рефракция, т.е. искривление направления распространения звуковых колебаний. Чем разнороднее среда, тем больше это искривление, и поэтому меньше дальность распространения звука.

В море в зависимости от мощности источника звука колебания могут распространяться на десятки и даже сотни километров. Но встречаются такие случаи, когда звук распространяется на расстояния до нескольких тысяч километров, что отмечалось в океанах. Связано это с тем, что скорость звуковой волны в воде не постоянна, а зависит от ряда параметров, в результате чего в океанах возникают так называемые подводные звуковые каналы. С увеличением глубины скорость волны сначала уменьшается, но только до тех пор, пока уменьшается температура воды. С дальнейшим увеличением глубины скорость звуковых волн снова начинает возрастать с ростом гидростатического давления. Таким образом, на определённой глубине возникает слой, которому соответствует минимальная скорость. Верхние и нижние границы такого звукового канала имеют одинаковые скорости звука, а за ось канала принимают направление на глубине с минимальной скоростью звука. Прохождение звуковых волн в канале на большие расстояния объясняется тем, что волны, отражаясь от границ канала, концентрируются вдоль его оси и не выходят за его пределы, т.е. потери энергии звуковых колебаний уменьшаются.

В заключение рассмотрим особый тип акустической волны, возбуждаемой телом, движущимся в упругой среде со сверхзвуковой скоростью. При таком движении тела в среде возникает ударная, или баллистическая волна. Деформации среды, скорость распространения которых меньше скорости тела относительно среды, не могут опережать тело, поэтому фронт волны располагается позади движущегося тела (рис. 137). Каждая точка среды, в которую приходит тело и в которой оно порождает деформации, может рассматриваться как источник сферических звуковых волн, распространяющихся со скоростью звука для данной среды.

Огибающая этих волн имеет форму конической поверхности. Очевидно, что синус угла полраствора этого конуса равен отно­шению скорости звука для данной среды к скорости самого тела:

В отличие от рассмотренных ранее типов волн, ударная волна не имеет периодического характера, а представляет собой область сжатия, распространяющуюся со скоростью звука. Такие волны возникают, например, при прохождении реактивным самолётом звукового барьера и воспринимаются в виде резкого удара. Упругие волны за пределами звукового диапазона по своей физической природе не отличаются от уже рассмотренных, но производимые ими эффекты, их особенности заставляют относить их к другим типам волн. Так, звуковые колебания с частотой ниже 20 Гц называются инфразвуком, а колебания с частотами выше 20 кГц - ультразвуком. Иногда выделяют гиперзвуковые колебания, для которых частота превышает значение Гц. Из указанных областей наиболее изученной является область ультразвука, что касается инфразвука и гиперзвука, то они ещё недостаточно изучены и не нашли серьёзного практического применения.