Физические характеристики звуковой волны

По физической сущности звуки представляют собой волнообразно распространяющиеся механические колебательные движения частиц упругой среды (газовой, жидкой или твердой), имеющие, как правило, беспорядочный, случайный характер. Источником звуковых волн может быть любое колеблющееся материальное тело, выведенное из устойчивого состояния покоя внешней силой. Для волны существенно, что она распространяется в пространстве и во времени. Непосредственно примыкающие к источнику колебания частицы упругой среды вовлекаются в колебательный процесс и смещаются, приходя в состояние ритмичного сгущения и разрежения. Этот процесс в силу упругости сплошной среды распространяется последовательно на смежные частицы в виде волны, параметром которой является звуковое давление р(t). Последнее представляет собой переменное давление, возникающее дополнительно к атмосферному, в той среде, через которую проходят звуковые волны и выражается в Па (Н/м²).

Звуковая волна характеризуется периодом колебания Т (с). Период колебания связан обратным отношением с частотой f, т.е. Т = 1/f (Гц).

Расстояние, на которое в течение одной секунды может распространяться волновой процесс, называется скоростью звука с ( м/с ). В воздухе при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении она равна
334 м/с, при повышении температуры – увеличивается примерно на 0, 71 м/с на каждый градус.

Расстояние между двумя соседними сгущениями или разрежениями в звуковом поле характеризует длину волны l (м). Длина волны связана с частотой f и скоростью с звука соотношением

l = c/f.

Распространение звуковых волн сопровождается переносом колебательной энергии в пространстве. Ее количество, проходящее через площадь 1 м², расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, является энергетической характеристикой звуковой волны, называемой интенсивностью звука I (Вт/м²), вычисляемой по формуле

,

где ρ – плотность среды; с – скорость звука.

Частотный состав шума характеризует его спектр, т. е. распределение параметров звуковых волн (амплитудных значений звукового давления или интенсивности звука) по частоте, т. е спектр характеризует распределение звуковой энергии составляющих данного шума по частоте. Если в составе шума присутствуют более интенсивны звуки с частотами колебаний до 400 Гц, то спектр относят к низкочастотному, при более интенсивных звуках с частотами в диапазоне 400…1000 Гц – к среднечастотному, свыше 1000 Гц – к высокочастотному.

По величине интервалов между составляющими звуками шума различают дискретный (линейчатый) и сплошной спектры. В первом случае отдельные составляющие звуки, входящие в спектр шума, разделены значительными частотными интервалами, во втором – следуют друг за другом непрерывно с бесконечно малыми интервалами. Смешанный спектр характеризуется отдельными пиковыми дискретными составляющими на фоне сплошного спектра.

По официальной классификации шумов, принятой в Российской Федерации в соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 «Шум. Общие требования безопасности», шумы следует подразделять по характеру спектра на широкополосные, с непрерывным спектром шириной более одной октавы, и тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона.

По временным характеристикам шумы следует подразделять на постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени незначительно, и непостоянные. Последние, в свою очередь, следует подразделять на колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени; прерывистые, уровень звука которых резко падает до уровня фонового шума, причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным и превышающим уровень фонового шума, составляет 1 с и более; импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый из них длительностью менее 1 с.

Распространение звуковых волн сопровождается появлением ряда акустических феноменов, имеющих важное значение для характеристики шумового фактора, его гигиенической оценки и выбора мер защиты.

При одновременном распространении в воздушной среде нескольких звуковых волн одинаковой частоты они могут приходить в точку пространства одновременно в одной фазе, повышая результирующую амплитуду колебаний, т. е. громкость звука. При совпадении противоположных фаз громкость звука снижается. Явление наложения волн называется интерференцией.

Звуковая волна, отраженная от препятствия на пути ее распространения, в случае, когда размеры препятствия меньше длины волны, огибает его, а при наличии щелей в преграде проникает через них. Процесс огибания звуковой волной препятствий конечных размеров называется дифракцией. Возникшие внутри замкнутых помещений звуковые волны, распространяясь от источника, многократно отражаются от перекрытий, создавая условия для появления гулкости помещения. Этот процесс называется реверберацией.

Если внешняя сила, вызвав колебания системы, прекращает на нее действовать, эта система начинает колебаться со строго определенной собственной частотой колебания, зависящей от упругих и инерционных сил. В том случае, когда частота колебаний внешней среды совпадает с собственными колебаниями системы, амплитуда резко возрастает. Это явление называется резонансом.

Звукопроводящая механическая система рецепторного отдела слухового анализатора способна реагировать и передавать звуковоспринимающей частью рецептора механические колебания среды, которые совершаются с частотой от 20 до 20 000 колебаний в секунду (рис. 6.1) с величиной звуковой энергии от 10^–12 до 10² Вт/м² или от 2× 10^–5 до 2× 10² Н/м² (паскалей).

Минимальная величина звуковой энергии, способная трансформироваться в нервный процесс, т. е. воспринимаемая ухом человека как звук, называется слуховым порогом (порогом слышимости) и составляет 10^–12 Вт/м². Звуковое давление, соответствующее этой величине, равно 2× 10^–5 Н/м² (Па). Высший предел, при котором воспринимаемый звук вызывает уже болевое ощущение, соответствует силе звука 10² Вт/м² (звуковое давление 20 Н/м²).

Способность слухового анализатора регистрировать огромный диапазон величин звуковых давлений объясняется тем, что различается не разность, а кратность изменения абсолютных величин (ступенчатость восприятия).

Рис. 6.1. Пороги слышимости звуков различной частоты и интенсивности

Установлено, что каждая последующая ступень восприятия отличается от предыдущей на 12, 4 %. Поэтому для характеристики акустического феномена принята специальная измерительная система интенсивности и энергии шума, учитывающая приближенную логарифмическую зависимость между раздражением и слуховым восприятием (закон Вебера-Фехнера), а именно, шкала логарифмических единиц, как наиболее объективная и соответствующая физиологической сущности восприятия. По этой шкале каждая последующая ступень звуковой энергии больше предыдущей в 10 раз. Например, если интенсивность звука больше другого в 10, 100, 1000 раз, то по логарифмической шкале она соответствует увеличению на 1, 2, 3 единицы (lg10 = 1, lg100 = 2 и т. д.). Логарифмическая единица, отражающая десятикратную степень увеличения интенсивности звука над уровнем другого, называется в акустике белом (Б). Использование логарифмической шкалы измерений удобно, так как в практике измерения шума огромного диапазона звуковой энергии в абсолютных величинах громоздко и неудобно. Логарифмические единицы позволяют оценить интенсивность звука не абсолютной величиной звукового давления, а ее уровнем, т. е. отношением фактически создаваемого давления к давлению, принятому за единицу сравнения.

Такой единицей принято считать минимальное давление, которое человек воспринимает как звук на частоте 1000 Гц, а именно 2× 10^–5 Н/м². Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук, укладывается при этих условиях в 13…14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей, в 10 раз меньшей, – децибелом (дБ), которая соответствует примерно минимальному приросту силы звука, различаемого ухом. Таким образом, бел и децибел – это условные единицы, которые показывают, насколько данный звук I в логарифмическом масштабе больше условного порога слышимости I₀. Измеряемые таким образом величины называются логарифмическими уровнями L интенсивности шума или уровнями звукового давления.

Десятичный логарифм отношения двух интенсивностей звука I и I₀ называется уровнем интенсивности:

L_I = lg I/I₀ , Б или L_I = 10× lg I/I₀, дБ.

В настоящее время общепринято характеризовать интенсивность звука (шума) в уровнях звукового давления, определяемых по формуле

,

где Р – определяемая величина звукового давления, Па; Р₀ – пороговая величина звукового давления (2× 10^–5, Па).

Между уровнем интенсивности шума L_I и уровнем звукового давления L существует соотношение

L_I = L + 10× lg(r₀с₀/rс),

где r₀, с₀ – плотность среды и скорость звука при нормальных атмосферных условиях; r, с – измеренные плотность среды и скорость звука.

При нормальных атмосферных условиях L_I = L.

Оценка шума по уровню его звукового давления в дБ над пороговым уровнем справедлива лишь для принятого стандартного тона с частотой 1000 Гц. Для тонов других частот ощущение степени громкости шума и порог слышимости не совпадают при одинаковом приросте звуковой энергии со стандартным тоном, смещаясь либо в сторону повышения (пороги низких частот), либо некоторого снижения (пороги высоких частот). Это зависит от различной чувствительности слухового аппарата к различным акустическим частотам.

Ощущение громкости не совпадает также с раздражающим действием шума. На высоких частотах ощущение неприятности звука на 20…30 ед. превышает ощущение громкости.