1. Звук. Виды звука.

Звук - механические колебания и волны, распространяющиеся в упругих средах в виде продольных волн с частотой от 16 Гц до 20000 Гц и воспринимаемые человеческим ухом.

Существующие в природе звуки разделяются на несколько видов.

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым (чистым), характеризующимся гармоническим колебанием одной частотой (камертон, звуковой генератор), и сложным (ангармоническим), издаваемым аппаратами речи и звуковыми инструментами.

Сложный тон можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тона в акустический спектр). Наименьшая частота такого разложения соответствует основному тону, а остальные – обертонам, или гармоникам. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте.

Шум – это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную зависимость, и представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума – сплошной (шорох, скрип).

2. Физические характеристики звука.

Звук распространяется в любых средах, кроме вакуума. Звук характеризуется следующими физическими характеристиками:

А. Скорость (v)звука - зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний.

Скорость звука в воздухе v = 330 м/с; в воде v =1500 м/с; близкое к этому значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма; в твердых средах (кость) v = 4000 м/с.

Б. Частота звука (ν) – это число колебаний частиц среды, участвующих в волновом процессе, в секунду,.

В. Интенсивность (I) – это энергетическая характеристика звука. По определению – это плотность потока энергии звуковой волны или энергия, переносимая волной в единицу времени через единицу поверхности. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):

Порог слышимости - минимальная интенсивность восприятия звука человеческим ухом. Для «нормального» уха I₀ =10^-12 Вт/м².

Порог болевого ощущения - интенсивность звука, вызывающая ощущение боли или очень сильного давления. Для «нормального» уха

I_мах= 10 Вт/м²

Г. Звуковое давление (Р) – это давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде; оно является избыточным над средним давлением среды.

Физиологически звуковое давление проявляется как давление на барабанную перепонку.

Звуковое давление на пороге слышимости - Р₀ = 2^.10^-5 Па;

Звуковое давление на пороге болевого ощущения – Р_max = 60 Па.

Между интенсивностью (I) и звуковым давлением (Р) существует связь:

I= Р²/2ρv, где ρ - плотность среды, v - скорость звука в среде.

Д. Волновое сопротивление среды (Rа) - произведение плотности среды (ρ) на скорость распространения звука (v). (R_а = ρ v). Волновое сопротивление среды - характеристика среды, определяющая условия распространения звуковых волн и поведения их при отражении и преломлении на границе двух слов.

При падении звуковой волны на границу раздела между двух сред возникают явления отражения и преломления звука. Интенсивности отраженной и преломленной волн зависят от соотношения волновых сопротивлений сред.

Интенсивность отраженной волны зависит от коэффициента отражения.

Коэффициент отражения (r) - величина, равная отношению интенсивности отраженной и падающей волн: r = I _отр/ I_пад

При нормальном падении коэффициент (r) рассчитывается по формуле:

r = [(R _a2 –R_a1)/(R_a2+R_a1)]²

Интенсивность преломления волны зависит от коэффициента пропускания.

Коэффициент пропускания (β) – величина, равная отношению интенсивности прошедшей (преломленной) и падающей волн: β = I_прош /I_пад

При нормальном падении коэффициент β рассчитывается по формуле:

β = 4(R_a1/R _a2 )/(R_a1/R _a2 + 1)²

Чем меньше отличаются волновые сопротивления сред, тем меньшая доля энергии отражается на границе раздела этих сред.

Сумма коэффициентов отражения и преломления равна единице, а их значения не зависят от того порядка, в котором звук проходит данные среды. Например, для перехода звука из воздуха в воду значения коэффициентов такие же, как для перехода в обратном направлении.

Е. Уровень интенсивности (L). При сравнении интенсивности звука удобно пользоваться логарифмической шкалой, т.е. сравнивать не сами величины, а их логарифмы. Для этого используется специальная величина – уровень интенсивности: L = lg (I/I₀) = 2 lg (P/P₀)

Единицей интенсивности является - бел, [Б].

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 1 Б. Один бел большая величина, поэтому на практике используют более мелкую единицу уровня интенсивности – децибел [дБ:] 1 дБ = 0,1 Б.

Уровень интенсивности в децибелах определяется по следующим формулам: L_дБ = 10 lg (I/I₀); L_дБ = 20 lg (P/P₀).