Природа звука. Физические характеристики звука

Содержание:

Природа звука.

Звук - это распространяющиеся в упругих средах - газах, жидкостях и твёрдых телах - механические колебания, воспринимаемые органами слуха.

Мы живем в мире звуков, которые позволяют нам получать информацию о том, что происходит вокруг.

Звуковые волны переносят энергию, которая, как и другие виды энергии, может использоваться человеком. Но главное - это огромный диапазон выразительных средств, которыми обладают речь и музыка.

Механические волны, которые вызывают ощущение звука, называют звуковыми волнами. Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на препятствия, называется акустикой.

Звуковые волны являются в основном продольными, т.е. это чередование сгущений и разрежений. Скорость распространения звуковой волны зависит от свойств среды. Например, в воздухе звуковая волна распространяется со скоростью 330-340 м/с.

С помощью звукового генератора можно увидеть, что звуковые частоты, находящихся в интервале 16 Гц-20 000 Гц, воспринимает человеческое ухо. Они называются слышимым звуком. Звуковые волны частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а частотой от 2 • 10⁴ Гц до 10¹³ Гц - ультразвуком. Ультразвук частотой 10⁹ Гц и выше называется гиперзвуком.

Звуковая волна создает ощущение звука, при силе звука превышающей некоторую минимальную величину, называемую порогом слышимости. 

Итак, чтобы услышать звук, необходимы;

• источник звука;

• упругая среда между ним и ухом (опытами доказано, что в вакууме звук не распространяется);

• определенный диапазон частот колебаний источника звука - между 16 Гц и 2 • 10⁴ Гц;

• достаточная для восприятия ухом мощность звуковых волн.

Громкость.

Громкость звука - это субъективная характеристика, которая зависит от частоты колебаний и чувствительности человеческого уха. Объективной характеристикой звука является интенсивность. Интенсивность звука - это энергия, которую переносит звуковая волна за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Выражается она в системе СИ в единицах Вт/м".

За единицу громкости звука принят бел. На практике громкость измеряют в децибелах (дБ): 1 дБ = 0,1 Б].

Порогом болевого ощущения называется интенсивность звука, вызывающего болевые ощущения. Он практически не зависит от частоты и составляет примерно 1 Вт/м. Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Звуковое давление (ΔΡ) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

Высота звука.

Звук, издаваемый телом, которое колеблется с одной, строго определенной частотой, называется тоном. 

Высота тона определяется частотой колебаний. Звуки человеческого голоса делят на несколько диапазонов:

 - бас - 80-350 Гц (Ф.И.Шаляпина), а английский певец Норман Аллин даже брал частоту 44 Гц;

(Норман Аллин)

 - баритон - 110-149 Гц (В.С.Высоцкого);

 - тенор - 130-520 Гц (И.С.Козловского);

 - дискант - 260-1000 Гц (Р.Лоретти);

 - сопрано - 260-1050 Гц (ГЛТ Вишневской);

 - колоратурное сопрано - до 1400 Гц, а француженка Мадо Робен брала ре четвертой октавы - 2300 Гц.

(Мадо Робен)

Еще одна очень важная характеристика звука - тембр. Это качество звука. которое придает индивидуальную окраску звучанию источника. Он зависит от состава звука. Тон, соответствующий наименьшей частоте в наборе частот данного звука, называется основным. Тоны более высоких кратных частот называются обертонами.

Физическая характеристика звука .

Звук - это упругие колебания в твердой, жидкой или газообразной среде, возникающие вследствие воздействия на эти среды возмущающей силы и воспринимаемые органами слуха живого организма.

Шум- это бессистемное сочетание большого количества звуков, то есть слияние всех этих звуков в один нестройный голос. Считается, что шум — это категория звуков, которая мешает человеку или раздражает.

Слуховой орган человека (приемник звуковых раздражений) состоит из трех частей: внешнее ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.

Звуковые колебания, поступая в наружный слуховой проход и достигая барабанной перепонки, вызывают синхронные ее колебания, которые воспринимаются окончанием слухового нерва. Возникающие в клетках возбуждения затем распространяются по нервам и поступают в центральную нервную систему. Интенсивность ощущений (Ln_o)при приеме звука или шума (чувствительность) зависит от интенсивности раздражителя (Ln._р).

Ln_o = 10 Ln._р

Например, в условиях полной тишины чувствительность слуха максимальна, но она снижается при наличии дополнительного шумового воздействия. Умеренное понижение слуховой чувствительности позволяет организму приспосабливаться к условиям внешней среды и играет защитную роль против сильных и продолжительно действующих шумов.

К физическим характеристикам звука относятся: частота, интенсивность (сила звука) и звуковое давление.

• Частота колебаний (f=1/T =w/2п) где Т период колебания, w — круговая частота. Единица измерения (Гц).
• Интенсивность звука (I) – это количество энергии, переносимое звуковой волной за 1 секунду через площадку в 1 см2, направленную перпендикулярно движению волны. Единица измерения интенсивности (Вт\м2).
• Звуковое давление – это разность между мгновенными значениями давления в данной точке среды при прохождении через эту точку звуковой волны и средним давлением, которое наблюдается в этой же точке при отсутствии звука. Звуковое давление обозначается (Р) и измеряется в (Па).

В свободном звуковом поле (где нет отражения) интенсивность звука (I) и звуковое давление (Р) связаны соотношением: I = P*V

Для свободного звукового поля можно записать:

V = P\p*C

где р - плотность среды,кг\м3; С - скорость звука в среде, м\с; V - скорость звуковой волны.

Зависимость уровней звукового давления от частоты колебаний называется частотным спектром шума.

Весь слышимый диапазон частот разбит на 8 октавных полос. Для каждой октавной полосы устанавливается значение среднегеометрической частоты:

Ряд среднегеометрических частот в октавных полосах имеет вид:

63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Различают:

- низкочастотный спектр –до 300Гц;

- среднечастотным – 300-800Гц;

- высокочастотным свыше 800Гц.

По характеру спектра шумы подразделяются на:

- широкополосные, с непрерывным спектром шириной более одной октавы;

- тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона.

По временным характеристикам шумы подразделяются на:

- постоянные, уровни которых во времени изменяются не более чем на 5дБА (насосные, вентиляционные установки, производственное оборудование);

- непостоянные, уровни которых за восьмичасовой рабочий день изменяются во времени более чем на 5 дБА.

Непостоянные шумы подразделяются на:

- колеблющие во времени, шумы, уровни которых непрерывно меняются во времени;

- прерывистые, шумы, уровни которых резко падают до уровня фонового шума, причем длительность интервалов. в течение которых уровень остается постоянным и превышающим фоновый уровень, составляет 1сек и более;

- импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 сек. (сигнал искусственного спутника).