акустика лекция 1

лекция 1.

Физические основы акустики

Природа звуковых колебаний и волн

Звук – разновидность колебательных движений (волн) в воздухе, воде и твердых телах. Колеблющееся тело (струна музыкального инструмента, голосовые связки и т.п.) непрерывно излучают упругие волны в воздушной среде.

Звуковые волны продольны – это когда колебания частиц происходят вдоль распространения волны.

Основные характеристики

На практике звуковые волны характеризуются

1) длиной волны,

2) частотой колебаний

3) скоростью их распространения.

1) Т – период колебания волны, с

2) а - амплитуда волны – расстояние , на которое колеблющаяся частица отклоняется от положения равновесия, м;

3) λ - длина волны – это расстояние распространяя за время Т, м;

Частоты звука

Человеческое ухо воспринимает колебания с частотой в пределах f = 20 ÷20 000 Гц, что соответствует λ = 17 м ÷ 1,7 см.

Звуковые колебания с частотой:

f < 20 Гц - инфразвук; f > 20 000 Гц - ультразвук.

Скорость звука через атмосферное давление

с= √1,41 · (р / ρ), где

1,41- отношение теплоемкостей воздуха при постоянном давлении с_р и постоянном объеме с_υ;

р - атмосферное давление, Па ;

ρ - плотность воздуха. кг / м³.

Отношение р / ρ зависит от температуры воздуха, тогда скорость звука в воздухе можно выразить через температуру:

с = 20 √Т^о.

где:

Т^о - температура по Кельвину (разница 273^ос температура по Цельсию).

При возрастании температуры скорость увеличиается.

( При 0 ^оС с = 331,5 м/с; при 18 ^оС с = 342 м/с ).

Скорость звука через длину волны

с =λ / Т

где

λ - длина волны, м;

с - скорость звука, м/с;

Т - период колебаний, с.

Частота и длина волны

Физическое состояние среды в звуковом поле (зона распространения звука) характеризуется звуковым давлением (р) и колебательной скоростью частиц ( υ ).

В изотропных средах скорость звука с связана с частотой колебаний частиц f уравнением :

f = с / λ, где λ – длина волны.

Связь частоты с длиной волны можно изобразить графически (рисунок 4).

Рис. 4 Графическая зависимость частоты звуковых волн и длины волны.

Источники звука (шума)

Источники звука (шума) в открытом пространстве (свободное звуковое поле) подразделяются на точечные и линейные.

Точечный, если его размеры малы по сравнению с расстоянием до приемника звука. От таких источников звуковая энергия расходится во всех направлениях (рисунок 5 слева),

Рис. 5 Типы звуковых волн

Линейный источник это протяженный в одном направлении источник шума, который имеет непрерывное излучение звука, например, трубопровод, поток движущихся, железнодорожный состав такие источники обычно излучают цилиндрические звуковые волны (рисунок 5 справа).

Общая оценка звука

Звук характеризуется такими величинами:

-величина звукового давления р,

-сила (интенсивность) звука I ,

-звуковая мощность источника звука Р

Они изменяются в больших пределах, трудно использовать их абсолютные значения, поэтому в технической акустике пользуются оценкой этих значений в относительных логарифмических единицах - децибелах дБа.

Введение уровня звукового давления позволило преобразовать огромный диапазон звукового давления в практически удобный от 0 до 120 дБа.

Идеальное распределение звука

Диффузное звуковое поле – звуковые волны, многократно отражаясь, образуют сложное звуковое поле. В таком помещении в любой точке усредненный уровень звукового давления и поток звуковой энергии, приходящий к слушателю по любому направлению постоянен – идеальное состояние.

Звукопоглащение материалом

При встрече с поверхность звуковые волны могут от поверхности отражаться или поглощаться поверхностью. При поглощении звуковые волны теряют часть энергии. Сколько – зависит от материала и характеризуется коэффициентом звукопоглощения α.

Физиологические характеристики звука.

Чувствительность этого органа превосходит во многих отношениях свойства лучшей электроакустической аппаратуры. Порог слышимости, например, лежит так низко, что дальнейшее незначительное его снижение привело бы к восприятию шумов. сопровождающихся пищеварением (рисунок 6).

Рис. 6

По интенсивности и восприятию их человеком звуки делятся на группы:

1. от слухового порога до уровня звукового давления в 40 дБа – ухо человека мало чувствительно к их восприятию;

2. уровни звукового давлении от 40 до 80-90 дБа –основная масса звуков и шумов (передачи радио, телевидения, разговор, бытовой шум и т.п.) – ухо человека обладает повышенной способностью дифференцировать и анализировать эти звуки;

3. звуки большой интенсивности – более 80-90 дБа до порога болевого ощущения 120-130 дБа – раздражающе действуют на человека, вызывают быстрое утомление и нервозность.

Громкость звука

Субъективное качество слухового ощущения называется громкостью. Громкость зависит от:

1) звукового давления р;

2) частоты звуковой волны f;

3) формы звуковой волны;

4) длительности звука.

Для количественной оценки уровня громкости применяется метод субъективного сравнения измеряемого звука с эталонным звуком определенной частоты; ед.изм фон.

Уровень громкости Sг = 20 lg Р эт / 2 · 10^-4 . где

Рэт - звуковое давление создаваемое эталоном при достижении одинаковой громкости.

Величиной, которая позволяет судить о соотношении громкостей разных звуков, по Международному отношению, выбрана громкость, определяемая по формуле

Sг = 2 ^(L-40)/10 .

Единица громкости – сон. Громкостью, равной 1 сону, обладает звук с уровнем громкости Sг, равным 40 фонам. По формуле можно определить, что при увеличении уровня громкости на 10 фонов громкость изменяется в 2 раза.