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

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

Если принять среднюю скорость звука в воздухе 340 м/с, то можно получить зависимую от частоты длину волны.

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 (10^0,1·70 + 10^0,1·70) =

= 10lg (10⁷ + 10⁷) = 10lg (2·10⁷) = 10 · 7,3 = 73 дБ

Формула сложения децибел имеет вид: L₁ + L₂ = 10lg (10^0,1·L1 + 10^0,1·L2)

В общем виде при наличии нескольких источников звука суммарные уровни звукового давления определяются по формуле

, (9) где L_i – слагаемые уровни звукового давления, дБ; n – общее число слагаемых.

L = L₁ + ΔL (L₁ > L₂) (10)

Пример. Требуется найти суммарный для трех слагаемых уровней:L₁ = 86 дБ; L₂= 80 дБ; L₃= 88 дБ. Разность ΔL_3,1=2 дБ; поправка ΔL₁=2 дБ; L_3,1 = 90 дБ; L_3,1 – L₂= 10 дБ, поправка ΔL₂ = 0,4 дБ; L_3,1,2 = 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 ΔL_А приведено ниже

Коррективный уровень звукового давления L_А = L – ΔL_А (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