Физические характеристики звука. Тоны и шумы

Звуковая волна описывается уравнием механической волны

p=p₀cos ω(t-x/v)

где р и р₀ - звуковое давление в конкретной точке пространства и максимальное звуковое давление соответственно; w - круговая частота, t – время, x - координата точки среды (одномерный случай), v – скорость звуковой волны.

Физическими характеристиками звука являются: звуковое давление, интенсивность, частота, период, скорость звуковой волны и другие Эти характеристики могут быть измерены физическими приборами.

Интенсивностью, или силой звука, называют плотность потока энергии звуковой волны; единицы измерения: Вт/м².

где W-энергия, t-время,

S-площадь, Ф-поток энергии.

Звуковая волна оказывает на тело, помещенное на пути ее распространения давление.

Звуковым, или акустическим, давлением p называют добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды), образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне. Оно измеряется в Н/м².

Для плоской гармонической волны звуковое давление Dp связано с интенсивностью звука (I) соотношением

или

, (2)

где Dp₀ - амплитудное, а Dp_эф — эффективное (среднеквадратичное, которое обычно используется на практике) значения акустического давления.

Произведение скорости звука c в данной среде на плотность среды r называется удельным акустическим сопротивлением среды (волновым сопротивлением среды).

Удельный акустический импеданс Z: ,

где p - звуковое давление, V — колебательная скорость частицы среды.

Удельный акустический импедансаналогичен электрическому импедансу ,

где U - напряжение, i -сила тока.

Интенсивность звука: , (3)

интенсивность плоской волны:

, (4)

где V - средняя скорость смещения частиц в волне.

Сравнение формул 3 и 4 дает нам зависимость скорости смещения частиц в среде от давления .

(5)

Величину Z называют акустическим импедансом.

Акустический импеданс является основной характеристикой акустических свойств среды, определяющей условия отражения и преломления звука на границе сред. Для воздуха (при нормальных условиях) Z = 430 кг/м²×сек, для воды примерно 145×10⁴ кг/м²×сек, для железа 4 × 10⁷ кг/м²×сек.

Звуки разделяют на тоны и шумы.

Тоном называется звук, который представляет колебание с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой. В зависимости от формы колебания частиц среды тоны разделяются на простые (гармонические) и сложные. Сложный тон может быть разложен на простые, получающийся набор частот с амплитудами называется акустическим спектром (рис. 1.). Спектр сложного тона линейчатый.

		Рис. 1. Спектр сложного тона. n0 – основной тон, 2n0, 3n0 и т.д. – обертоны.

Простой тон может быть получен с помощью камертона или звукового

генератора. К сложным относятся звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека и др.

Звуковой тон характеризуется частотой (или периодом), амплитудой и формой колебания или его гармоническим спектром, а также величинами, относящимися к звуковой волне: интенсивностью, или силой звука, и звуковым давлением.

Шумом называют звук, отличающийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью (рис. 2.).

К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т.п. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. Спектр шума - сплошной.

Шумом называют самые различные звуки, представляющие сочетание множества различных тонов, частота, форма, интенсивность и продолжительность которых беспорядочно меняются.

Шум является вредным явлением. Длительное действие шума на орган слуха вызывает ослабление чувствительности уха, может привести к частичной или полной потере слуха. Действуя на нервную систему, шум вызывает повышенную утомляемость, снижение работоспособности, различные нервные заболевания.

Вредность шума зависит от его громкости и спектрального состава. Нормально допустимым уровнем шума считается 40 - 50 дБ.

Для объективного измерения громкости шума применяются приборы, называемые шумомерами. Шумомер содержит микрофон, который преобразует звуковые колебания в электрические. Эти колебания затем усиливаются и средняя мощность их измеряется при помощи микроамперметра со шкалой, градуированной в децибелах громкости.