Звуковое поле и его характеристики

Звук — психофизиологическое ощущение, вызы­ваемое механическими колебаниями частиц упругой среды. Звуковым колебаниям соответствует область частот в интервале 20...20 000 Гц. Колебания с часто­той меньше 20 Гц называют инфразвуковыми, а боль­ше 20 000 Гц — ультразвуковыми. Воздействие на человека инфразвуковых колебаний вызывает непри­ятные ощущения. В природе инфразвуковые колеба­ния могут возникать при волнениях моря, колебани­ях земной поверхности. Ультразвуковые колебания используются для лечебных целей в медици­не и в радиоэлектронных устройств, например в фильтрах. Возбуждение звука вызывает колебательный про­цесс, изменяющий давление в упругой среде, в кото­рой образуются чередующиеся слои сжатия и разре­жения, распространяющиеся от источника звука в виде звуковых волн. В жидкой и газообразной средах час­тицы среды колеблются относительно положения рав­новесия в направлении распространения волны, т.е. волны являются продольными. В твердых телах распространяются поперечные волны, так как частицы среды колеблются в направлении, перпендикулярном линии распространения волны. Пространство, в котором происходит распростра­нение звуковых волн, называют звуковым полем. Раз­личают свободное звуковое поле, когда влияние ог­раждающих поверхностей, отражающих звуковые вол­ны, мало, и диффузное звуковое поле, где в каждой точке звуковая мощность на единицу площа­ди одинакова во всех направлениях. Распространение волн в звуковом поле происходит с определенной скоростью, которая называется скоро­стью звука. Формула (1.1)

с = 33l√Т/273, где Т — температура по шкале Кельвина.

В расчетах принимается с = 340 м/с, что приблизительно соответствует температуре 17°С при нормальном атмосферном давлении. Поверхность, соединяющую смежные точки поля с одинаковой фазой колебания (например, точки сгу­щения или разрежения), называют фронтом волны. Наиболее часто встречаются звуковые волны со сфе­рическим и плоским фронтами волны. Фронт сфери­ческой волны имеет форму шара и образу­ется на небольшом расстоянии от источника звука, если его размеры малы по сравнению с длиной излу­чаемой волны. Фронт плоской волны имеет форму плоскости, перпендикулярной направлению распрос­транения звуковой волны (звуковому лучу). Волны с плоским фронтом образуются на больших по сравне­нию с длиной волны расстояниях от источника звука. Звуковое поле характеризуется звуковым давлени­ем, колебательной скоростью, интенсивностью звука и плотностью звуковой энергии.

Звуковое давление — это разность между мгновен­ным значением давления р_ам в точке среды при про­хождении через нее звуковой волны и атмосферным давлением р_ас в той же точке, т.е. р = р_ас - р_ам. Единица измерения звукового давления в системе СИ — ньютон на квадратный метр: 1 Н/м² = 1 Па (паскаль). Реальные источники звука создают даже при самых громких звуках звуковые давления в десятки тысяч раз меньше нормального атмосферного давле­ния.

Колебательная скорость представляет собой ско­рость колебаний частиц среды около своего положе­ния покоя. Колебательная скорость измеряется в мет­рах в секунду. Эту скорость не следует путать со ско­ростью звука. Скорость звука — величина постоянная для данной среды, колебательная скорость — пере­менная. Если частицы среды перемещаются по направлению распространения волны, то колеба­тельную скорость считают положительной, при обрат­ном перемещении частиц — отрицательной. Реальные источники звука даже при самых громких звуках вызывают колебательные скорости в несколько тысяч раз меньше скорости звука. Для плоской звуковой волны формула колебательной скорости имеет вид (1.2)

V = p/ρ·с, где ρ — плотность воздуха, кг/м³; с — скорость звука, м/с.

Произведение ρ·с для данных атмосферных усло­вий есть величина постоянная, ее называют акусти­ческим сопротивлением.

Интенсивность звука — количество энергии, про­ходящей в секунду через единицу площади, перпен­дикулярной к направлению распространения звуко­вой волны. Интенсивность звука измеряется в ваттах на метр квадратный (Вт/м²).

Плотность звуковой энергии есть количество зву­ковой энергии, находящейся в единице объема звуко­вого поля: ε = J/c.

4. Контрольные вопросы

Глоссарий

Литература

Лекция 2