Основные акустические понятия и определения
Процесс передачи колебаний в среде называется волновым.
Рис. 1. Волновое движение
Основная характеристика волнового движения – длина волны, т.н. расстояние между двумя точками волны, пребывающими в одной фазе. Другая характеристика – амплитуда волны – расстояние, на которое колеблющаяся частица отклоняется от положения равновесия.
Волновое движение характеризуется также частотой f этого движения и скоростью распространения.
Частота – количество колебаний в единицу времени (обычно в секунду, с), измеряется в герцах, Гц.
Частота звуковых волн, воспринимаемых нормальным ухом человека, лежит в пределах от 16 до 16000 Гц. Колебания с частотой меньше 16 Гц называются инфразвуком, больше 16000 Гц – ультразвуком.
Рис. 2. Частота в октавных интервалах
Звук как физическое явление представляет собой волновое движение упругой среды; как физическое явление он представляется ощущением, воспринимаемым органом слуха при воздействии звуковых волн в диапазоне частот 16-16000 Гц. Другими словами звуком называют механические колебания упругого тела в частотном диапазоне слышимости человека.
Процесс распределения колебательного движения в среде называется звуковой волной. Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем.
Звуковые волны подобно всякому волновому движению характеризуются длиной волны λ в м, частотой f в герцах, Гц, и периодом колебания Т в секундах, с, а также скоростью их распространения С в м/с.
Зависимость между этими величинами может быть представлена следующим образом: λ = С / f = С · Т (1)
Если смещение частиц среды происходит в направлении распространении звуковой волны, то такие волны называют продольными. В воздухе и на жидкостях звук распространяется только в виде продольных волн. В твердых телах наряду с продольными происходит образование поперечных и изгибных волн.
С целью анализа звукового поля звуковой диапазон (16-16000 Гц) разбивают на полосы (интервалы, шаги).
Октавная полоса – диапазон частот, в котором верхняя граничная частота f2 в два раза больше нижней f1.
Третьоктавная полоса частот – диапазон частот, в котором это соотношение равно 1,26 (f2= 1,26 f1). Октавная и третьоктавные полосы характеризуются среднегеометрической часто-той полосы
(2)
Граничные и среднегеометрические частоты октавных и третьоктавных полос приведены в табл. П1.
Таблица П.1 Граничные и среднегеометрические частоты октавных и третьоктавных полос, Гц
Граничные частоты для полос | Среднегеометрические частоты для полос | ||
октавных | третьоктавных | октавных | третьоктавных |
28-35,5 | 31,5 | ||
35,5-45 | |||
45-90 | 45-56 | ||
56-71 | |||
71-90 | |||
90-180 | 90-112 | ||
112-140 | |||
140-180 | |||
180-355 | 180-224 | ||
224-280 | |||
280-355 | |||
355-710 | 355-450 | ||
450-560 | |||
560-710 | |||
710-1400 | 710-900 | ||
900-1120 | |||
1120-1400 | |||
1400-2800 | 1400-1800 | ||
1800-2240 | |||
2240-2800 | |||
2800-5600 | 2800-3540 | ||
3540-4500 | |||
4500-5600 | |||
5600-11200 | 5600-7100 | ||
7100-9000 | |||
9000-11200 |
Для воздуха зависимость скорости от температуры выглядит: С = 331,4 + 0,6t, м/с (3) где 331,4 – скорость звука в воздухе при 0ºС; t – температура окружающей среды, ºС.
Таблица 1. Скорость звука в различных материалах
Материал | Модуль упругости Единам., МН/м2 | Плотность ρ, кг/м3 | Скорость звука С, м/с |
Бетон | 48 · 103 | ||
Легкий бетон | 4 · 103 | ||
Стеновой кирпич | 1 · 103… 5 · 103 | 600…2000 | 1290…1580 |
Силикатный камень | 3 · 103… 8 · 103 | 600…1200 | 2236…2580 |
Гипсокартонные плиты | 3 · 103 | ||
Сталь | 208 · 103 | ||
Стекло | 52 · 103 | ||
Дерево | 7 · 103…15 · 103 | 3416…5000 | |
Песок | 0,02 · 103…0,2 · 103 | 100…317 |
Если принять среднюю скорость звука в воздухе 340 м/с, то можно получить зависимую от частоты длину волны.
fВ, Гц λВ, м | ||||||||||||||||||||
31,5 10,8 | 5,4 | 2,72 | 1,36 | 0,68 | 0,34 | 0,17 | 0,085 | 0,0425 | 0,0212 | |||||||||||
Изменение состояния среды в звуковом поле характеризуется звуковым давлением р и колебательной скоростью частиц среды V.
Звуковое давление р – разность между мгновенным значением полного давления и средним (атмосферным) давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля. Единица измерения звукового давления р – Н/м2, 1 Н/м2 = 1 Па (Паскаль).
Колебательной скоростью частиц среды V называется мгновенное значение скорости колебательного движения частиц среды при распространении в ней звуковой волны. Колебательная скорость частиц среды является векторной величиной, единица измерения – м/с.
Связь между этими физическими величинами в плоской бегущей волне определяется соотношением р = V ρс, (4) где ρ – плотность среды. Величина ρс – постоянная для данной среды – называется акустическим (волновым) сопротивлением и для воздуха при нормальных атмосферных условиях (р = 105 Па, t = 20°С) ρс = 408 Па·с/м.
Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии. Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности, нормальной к распространению звуковой волны, называется интенсивностью звука I, которая измеряется в Вт/м2. Связь между звуковым давлением и интенсивностью звука в бегущей волне устанавливается соотношением:
, (5) где черта означает осреднение во времени.
Другой энергетической характеристикой звукового поля является плотность звуковой энергии ω в Дж/м3, равная количеству звуковой энергии, содержащейся в единице объема.
Для плоских звуковых волн определяется соотношением ω = І/с, (6)
Интенсивность звука является векторной, а плотность звуковой энергии скалярной величинами.
Человек воспринимает звук лишь в определенных интервалах. Минимальное значение звукового давления, которое человек воспринимает как звук, называется порогом слышимости (р0 = 2·10-5 Па). Максимальное значение звукового давления, которое воспринимает человек без риска повреждения слуха, называется болевым порогом (р = 2·102 Па). Порогу слышимости соответствуют звуки интенсивностью I0 = 10-12 Вт/м2, а болевому порогу – I = 102 Вт/м2.
Вводится понятие так называемого уровня, в котором абсолютные величины берутся в отношении к определенным величинам (на пороге слышимости), и это отношение логарифмируется. Единицей измерения является децибел (дБ). Таким образом, децибел – это число, выражающее в логарифмическом масштабе отношение двух величин.
Уровень интенсивности звука, дБ,
Уровень звукового давления, дБ,
Рис. 3 Область слухового восприятия звука человеком
Так как децибел – логарифмическая величина, то арифметические действия с ним имеют свои особенности, например: L1 + L2 = 70 дБ + 70 дБ = 10lg (100,1·70 + 100,1·70) =
= 10lg (107 + 107) = 10lg (2·107) = 10 · 7,3 = 73 дБ
Формула сложения децибел имеет вид: L1 + L2 = 10lg (100,1·L1 + 100,1·L2)
В общем виде при наличии нескольких источников звука суммарные уровни звукового давления определяются по формуле
, (9) где Li – слагаемые уровни звукового давления, дБ; n – общее число слагаемых.
L1 – L2, | дБ | |||||||||||||
ΔL(L1 > L2), | дБ | 2,5 | 1,8 | 1,5 | 1,2 | 0,8 | 0,5 | 0,5 | 0,4 | 0,2 |
L = L1 + ΔL (L1 > L2) (10)
Пример. Требуется найти суммарный для трех слагаемых уровней:L1 = 86 дБ; L2= 80 дБ; L3= 88 дБ. Разность ΔL3,1=2 дБ; поправка ΔL1=2 дБ; L3,1 = 90 дБ; L3,1 – L2= 10 дБ, поправка ΔL2 = 0,4 дБ; L3,1,2 = 90,4 дБ.
Приборы для измерения шума называются шумомерами. Эти приборы состоят из микрофона, усилителя и измерительного прибора со шкалами А, В, С и D. Полную характеристику шума может дать измерение уровня звукового давления по шкале С и его частотная характеристика (распределение компонентов шума по частоте и уровню звукового давления). Для того, чтобы приблизить результаты измерений к субъективному восприятию человека введено понятие корректированного уровня звукового давления. Наиболее употребительная коррекция шумомера А.
Рис. 4 Стандартная частотная характеристика А шумомера
Стандартное значение коррекции ΔLА приведено ниже
Частота, | Гц | 31,5 | |||||||||
Коррекция ΔLА, | дБ | 26,2 | 16,1 | 8,6 | 3,2 | -1,2 | -1 | -1,1 |
Коррективный уровень звукового давления LА = L – ΔLА (11) называется уровнем звука в дБА.
Таким образом, определение уровней звука в дБА следующее – это энергетическая сумма октавных уровней звукового давления в нормируемом диапазоне частот, откорректированных по частотной характеристике А шумомера.
Пример определения уровня звука в дБА
Характеристики | Уровни звукового давления, дБ, и поправки в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц | |||||||
31,5 | ||||||||
Измеренная характеристика источника звука, L | ||||||||
Стандартная частотная характеристика А шумомера ΔLА | -40 | -26 | -16 | -9 | -3 | +1 | +1 | |
Спектр прибора с поправкой на фильтр А | ||||||||
Результаты сложения | ||||||||
Уровень звука, LА, дБА |
Дата добавления: 2016-04-11; просмотров: 7479;