Общая информация о звуке

Звук как движение волн

Звук, распространяющийся в воздухе, можно рассматривать как колебания давления воздуха. Звук характеризуется длиной волны, частотой и интенсивностью. Распространение звука от источника до точки его приема происходит в определенной среде. Энергия, передаваемая молекулам среды, вызывает возвратно-поступательные колебания молекул с формированием волны, посредством которой осуществляется передача звуковой энергии. Скорость распространения звука, являющаяся одним из свойств материала, зависит от свойств среды, через которую проходят волны. Твердые вещества являются отличными проводниками звука, который также весьма хорошо распространяется в жидкостях, тогда как газы характеризуются самыми низкими звукопроводящими свойствами. Так, например, скорость распространения звука в воздухе составляет почти в 340 м/с, а в стали звук может распространяться со скоростью около 5200 м/с.

Поскольку звуковая волна состоит из чередующихся областей высокого и низкого давления, перемещающихся в среде, иногда эту волну рассматривают как волновой процесс распространения колебаний давления. Звуковые волны часто изображают в виде диаграмм, подобных представленным ниже, на которых по оси X откладываются значения времени время, а по оси Y – значения давления или плотности среды, в которой распространяется звук.


Звуковая волна 

 физическое значение

обозначение

единицы

формула

частота

 f=1/T

Гц=1/s 

 f=c/λ

длина волны

 λ

м 

λ=c/f

период времени или продолжи-тельность цикла 

T=1/f 

с 

 T=λ/c

скорость волны

 c

м/с

 c=λxf


Человеческое ухо очень чувствительно, и для достижения слышимости звука требуется небольшое количество энергии. Диапазон слышимости человеческого уха составляет от 0 дБ (порог слышимости) до 120 дБ (болевой порог) при диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Звук с частотой ниже диапазона слышимости, принято называть инфразвуком, звук с частотой выше 20000 Гц – ультразвуком.

Наиболее значимые с точки зрения отчетливости речи частоты составляют диапазон от 300 от 3000 Гц. Шумы, обычно не являются чистыми тонами, но включают определенный диапазон звуковой энергии, распределенной по широкой полосе частот. Некоторые стандартные поддиапазоны центральных частот этой полосы, стандартизированных международными организациями, представлены в таблице ниже.

Октавные полосы

Sound chart

 

Величина звукового давления, на которое реагирует человеческое ухо, измеряется в единицах «паскаль», Па (Н/м2). Минимальная величина звукового давления, воздействие которого способно определить среднее ухо, составляет 0,00002 Па, а болевой предел соответствует 200 Па. Ввиду столь широкого диапазона значений давления использование линейной шкалы нецелесообразно, в силу чего для измерения уровней звукового давления обычно используется логарифмическая шкала (в единицах «децибел», дВ). Термины «децибел» и «бел» (=10 дВ) фактически являются чисто математическими терминами, принятие которых не было связано именно с акустикой.

«Бел» – логарифмическая единица для сопоставления значений (отношения) двух физических величин.

Разными людьми звук воспринимается по-разному. Так, звук, едва различимый одним человеком, может очень сильно раздражать другого. Люди могут также по-разному реагировать на один и тот же звук в зависимости от настроения. В общем случае повышение звукового давления на 10 дБ воспринимается как двойное повышение уровня шума, а минимальное изменение, которое может определить человеческое ухо, составляет 1-2 дБ.

Восприятие звука зависит от следующих факторов:

  • Уровень шума
  • Частота
  • Тип звука, т.е. является ли он постоянным или прерывистым
  • Является ли данный звук шумом или приятной музыкой

 

Звуковое давление 

Расчет интенсивности звука

Как указывалось ранее, децибел – это логарифмическая величина, операции сложения или вычитания которой не могут производиться аналогично соответствующим операциям с линейными величинами. По этой причине для выполнения расчета необходимо использовать линейные единицы измерения, Па, после чего перевести их в логарифмические.

В качестве примера рассмотрим сложение двух значений уровня шума:

Lp1= 40 дБ и Lp2=45 дБ

Во-первых, нужно перевести единицы измерения в «белы», т.е. разделить значения на 10, после чего – перевести их в линейные единицы для выполнения операции сложения:

104.0 + 104.5 =10 000 + 31 622 = 41 622

Выполнив сложение, следует вернуться к логарифмическим единицам измерения: log (41 622) = 4.62 bel

Таким образом: Lp.tot = 46.2 dB

 

Как вариант, тот же самый результат может быть получен с помощью графика.

Decibel arithmetic 

 

Математическое сложение показателей двух одинаковых источников дает повышение уровня на 3 дБ, а 10 одинаковых источников – на 10 дБ. Это можно также проиллюстрировать с помощью  следующего рисунка.

Decibel arithmetic


При измерениях уровня шума для определения чувствительности уха используются различные звуковые фильтры. Эти фильтры обозначаются, соответственно, дБ (A), дБ (B) и дБ (C). Чаще всего используется так называемый «А-взвешенный фильтр», с помощью которого имитируется процесс фильтрации звука человеческим ухом.  См. рисунок ниже (кривая ослабления звука при использовании А-фильтра). 

Attenuation curve for the A filter

 Рис: кривая ослабления звука при использовании А-фильтра


Отражение звука, звукопоглощение и звукоизоляция

При контакте звуковой волны с объектом может происходить поглощение, передача или отражение звука. Как показано на рисунке, при попадании звуковой волны на разграничивающую поверхность, например, крыши, пола или стены здания, часть звуковой энергии отражается, часть поглощается материалом, и часть энергии проходит через материал.

Звукопоглащение, звукоотражение, звукоизоляция

Соотношение количеств отражаемой, поглощаемой или передаваемой звуковой энергии, зависит от формы материала или конструкции, подвергающейся воздействию звуковой волны, а также от частоты звука. На этой основе возможно определение трех акустических параметров.

Коэффициент поглощения, α = (поглощенный звук + переданный звук) / (падающий звук)

Коэффициент отражения, ζ = (отраженный звук) / (падающий звук)
Transmission coefficient, τ = (переданный звук) / (падающий звук)