Природа звука и его физические характеристики

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 музыкаль­нее звуки; 2) шумы; 3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим про­цессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым шли чистым, а соответствующая плоская звуковая вол­на описывается уравнением (5.48). Основной физической харак­теристикой чистого тона является частота. Ангармоническому 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 v₀ такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2v₀, 3v₀ 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 (v₀ = 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.

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).

S 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 вол|ны 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. Шля плоской волны интенсивность связана со звуковым давлени|ем р зависимостью

где р — плотность среды, с — скорость звука.

Отношение этих интенсивностей равно 10¹³, поэтому удобнее ис­пользовать логарифмические единицы (см. § 1.1) и логарифмиче­скую шкалу. Шкала уровней интенсивностей звука создается сле­дующим образом: значение /₀ принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятич­ный логарифм ее отношения к I₀ (в белах, см. § 1.1):

Строго говоря, в этой формуле под р следует понимать амплитуду : звукового давления.

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).