ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Звуковым полем называют пространство, в котором происходит распространение звуковых колебаний. Звуковые колебания в жидкой и газообразной средах представляют собой продольные колебания, так как частицы среды колеблются вдоль линии распространения звука. Вследствие этого образуются сгущения и разрежения среды, двигающиеся от источника колебаний с определенной скоростью, называемой скоростью звука.

Волнообразное изменение плотности среды, вызванное звуковыми колебаниями, называют звуковой волной. Направление распространения звуковых волн— звуковым лучом, а поверхность, соединяющую смежные точки поля с одинаковой фазой колебания (например, точки максимального сгущения или разрежения_ фронтом волны. Звуковые лучи пересекают фронт волны под прямым углом. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но в большинстве практических случаев можно ограничиться соотношениями, полученными для плоской и сферической форм фронта, а иногда еще и цилиндрической.

Если период колебаний Т, то частота колебаний f = 1/Г, а длина звуковой волны, равная расстоянию между соседними фронтами, находящимися в одинако­вой фазе X = cT=c/f, где £ —скорость звука.

В системах связи и вещания частоты колебаний ле­жат в пределах от 20—30 до 15 000—20 000 Гц, соот­ветственно длины звуковых волн — от 17—11,3 м до 2,27—1,7 см.

Частоты колебаний подразделяют на низкие, средние и высокие звуковые частоты. К низким относят частоты, лежащие в пределах от 20 до 200—500 Гц, к высоким звуковым частотам от 2000—5000 до 20 000 Гц, к средним — промежуточные между высокими и низкими. Обычно для краткости прилагательное «звуковые» опускают, особенно в тех случаях, когда речь идет только об акустических процессах и трактах (и не рассматриваются вопросы, относящиеся к радиоча­стотам). Частоты, лежащие ниже 20 Гц, называют инфразвуковыми, а выше 20 кГц — ультразвуковыми.

Разность между мгновенным давлением и статическим в той же точке среды, т. е. переменная составляющая давления, называется звуковым давлением

Акустическое сопротивление. Разность давлений является причиной движения частиц среды, а разность потенциалов — причиной движения электрических зарядов. Скорость колебаний частиц среды аналогична скорости движения зарядов — силе тока. Аналогично электрическому сопротивлению введено понятие волнового акустического сопротивления. Удельным волновым акустическим сопротивлением называют отношение звукового давления к скорости колебаний. Удельным оно называется потому, что представляет собой сопротивление для единицы площади фронта волны. Для краткости его часто называют акустическим сопротивлением.

Акустическое сопротивление определяется прежде всего свойствами среды. В ряде случаев оно зависит от частоты колебаний и от формы фронта волны. В общем виде оно комплексное.

Наличие реактивной составляющей свидетельствует о том, что между звуковым давлением и скоростью колебаний есть сдвиг фаз

Интенсивность звука. Акустические колебания — частный случай механических колебаний, поэтому мгновенное значение акустической мощности, как и в механике, определяется произведением мгновенных значений силы F и скорости колебаний v, т. е. P=Fv.

^{ют одинаковый знак, то} -вектор Умова направлен в сто­рону распространения волны, т. е. энергия движется от источника звука; если они имеют разные знаки, то — против движения волны, т. е. энергия движется к ис­точнику звука. Последнее возможно только при нали­чии сдвига фаз между звуковым давлением и скоростью колебаний и означает наличие реактивной со­ставляющей мощности. Среднее значение удельной мощности колебаний распространяющейся в положительном направлении, т. е. среднее значение потока энергии через единицу площади, двигающегося от источника звука к возможному приемнику звука называют интенсивностью или силой звука.

Плотность энергии — среднее количество звуковой энергии, приходящееся на единицу объема. Единицей плотности энергии в системе СИ является Дж/м³

Плоская волна

Фронт плоской волны представляет собой плоскость. Согласно определению фронта волны звуковые лучи пересекают его под прямым углом, поэтому в плоской волне они параллельны между собой. Так как поток энергии при этом не расходится, интенсивность звука не должна была бы уменьшаться с удалением от источника звука. Тем не менее она уменьшается из-за молекулярного затухания, вязкости среды, запыленно­сти ее, рассеяния и т. п. потерь. Однако эти потери так малы, что с ними можно не считаться при распростра­нении волны на небольшие расстояния. Для нормального атмосферного давления и температу­ры 20°С акустическое сопротивление ,РС=412 кг/м²-С= 41,2 г/см²-с.

Сферическая волна

Фронт такой волны представляет собой сферическую поверхность, а звуковые лучи согласно определению фронта волны совпадают с радиусами сферы

Для цилиндрической волны интенсивность звука можно определить при условии, что поток энергии не расходится вдоль образующей цилиндра

Полосы пропускания резонаторов слухового анализатора, определенные на уровне 0,71 от максимального значения, составляют на частотах 250, 1000 и 4000 Гц около 35, 50 и 200 Гц соответственно. Эти полосы пропускания носят название критических полосок слуха^.

Высота звука— характеристика звука как волны: частота колебаний (воздуха). Звук, обладающий определённой высотой, в музыке часто называется тоном.

Порог слышимости

. При увеличении амплитуды колебаний волокна, как только оно коснется ближайшей клетки произойдет раздражение нервного окончания, которое сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга; звук будет услышан. Этот скачкообразный переход из слы­шимого состояния в неслышимое и обратно называется порогом слышимости.

Порогом слышимости также называют наименьшее значение раздражающей силы чистого тона которое вызывает ощущение звука. Под раздражающей силой подразумевают интенсивность звука или звуковое давление.

По мере увеличения интенсивности звука расширяется зона возбуждения основной мембраны — начинают колебаться и соседние волокна, также возбуждающие нервные клетки одну за другой. Каждая из них будет посылать свои импульсы в слуховой центр. Слуховое ощущение при этом будет нарастать скачками по мере увеличения числа возбужденных клеток. Такие скачки называют порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах не превышает 250, причем на низ­ких и высоких частотах это число резко уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150. Наконец, при дальнейшем увеличении интенсивности появляется ощущение боли — наступает болевой порог (порог осязания). Болевой порог соответствует очень большой интенсивности. Наибольшая величина болевого порога наблюдается на частоте 800 Гц (около 1 Вт/м²). В сторону низких и высоких частот он медленно снижается.

Таким образом, и по амплитуде имеет место дискретное восприятие звука. Учитывая дискретность по частоте и по амплитуде, насчитывают во всей области слухового восприятия около 22 000 элементарных градаций, что соответствует числу нервных окончаний.

Установлено, что для средних и высоких интенсив-ностей звука скачок получается при одинаковых относительных изменениях интенсивности. Вебер и Фехнер так сформулировали этот закон: одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые абсолютные изменения слухового ощущения, т. е. слуховое ощущение пропорционально логарифму раздражающей силыа