Акустические величины

Акустика (греч. akustikos — слуховой) — часть физики, охватываю­щая учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жид­ких и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом, частота ко­торых составляет 16—20 ООО Гц.

При распространении акустических волн в среде возникают меха­нические деформации сжатия и сдвига, которые переносятся из од­ной точки среды в другую. При этом в отсутствие потока вещества происходит перенос энергии упругой деформации. Если деформация является периодической, то в среде распространяются волны, длина которых X связана с частотой колебаний / соотношением

X = WJJ

где Щ — скорость звука в среде.

Область упругой среды, в которой имеют место звуковые волны, принято называть звуковым полем.

Основные акустические величины приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1. Основные акустические величины

Наибольшее значение имеет звуковое давление.

Между звуковым давлением и интенсивностью звука существует соотношение

г р¹ (8.1)

рИ/, ’

где р — плотность среды.

В медицинской акустике применяют следующие понятия: тон — звук определенной высоты (частоты гармонических коле­баний);

обертон — составляющая сложного колебания, выделенная при его анализе и имеющая более высокую частоту, чем основная состав­ляющая (основной тон);

шум — звук, характеризующийся сложной неповторяющейся временной зависимостью;

спектр звука — характеристика звука, получаемая в результате разложения звуковых колебаний на простые гармонические колеба­ния;

порог слышимости — звук интенсивностью /₀ = 1(Г¹² Вт/м² и зву­ковым давлением Р₀ = 2- 1(Г⁵ Па при частоте 1 кГц;

порог болевого ощущения — звук интенсивностью /_м = 10 Вт/м² или звуковым давлением Р_и — 60 Па при частоте 1 кГц.

Такие акустические величины, как интенсивность звука и звуко­вое давление, которыми определяется восприятие звука человеком, подчиняются законам, имеющим экспоненциальный характер. Их изменения могут отличаться по значению на несколько порядков, поэтому для их представления удобно использовать логарифмиче­ские величины, так называемые уровни (или относительные уровни).

Уровень интенсивности звука принято определять как логарифм отношения интенсивности звука /к интенсивности /о, соответствую­щий порогу слышимости:

(Lj)_Б = lg ///о, (8.2)

где (L,)_B — уровень интенсивности, Б.

Единицей логарифмической величины является Бел (Б), опреде­ляемый отношением: 1Б = lg П₂/ГБ при П₂ = 10П, (где П] и П₂ — од­ноименные энергетические величины, например интенсивности зву­ка). Чаще используются дольная единица — децибел.

Выражение (8.2) в этом случае примет вид:

(і_у)_дБ= 10 lg ///о.

Записывая выражение (8.2) для интенсивностей звука /и 1₀ с уче­том (8.1), для уровня звукового давления можно получить

(L_p)_aB = 20lgP/P₀.

При использовании логарифмических величин необходимо в каждом конкретном случае оговаривать значение исходной величи­ны, использованной для определения уровня. Форма записи для зву­кового давления при пороге слышимости Р₀ = 2 ■ 1(Г⁵ Па: L_p(re 2 ■ 1(Г⁵ 11а) (ге — начальные буквы слова refrence, т. е. исходный).

Кроме рассмотренных объективных характеристик звука исполь­зуют некоторые субъективные его характеристики, определяющие слуховые ощущения человека. Наиболее важной из этих характери- с гик является громкость — величина, характеризующая размер слухо­вого ощущения для данного звука.

При неизменной частоте и форме звуковых колебаний громкость звука возрастает с увеличением его интенсивности. Уровень громко­сти Е может быть описан выражением

Е — k \g 7//₀, (8.3)

где А: — коэффициент пропорциональности.

Чрезвычайно важным является тот факт, что коэффициент к очень сильно зависит от частоты и интенсивности звука. Физически зл о определяется тем, что громкость звука связана сложной зависи­мостью с его интенсивностью и частотой звуковых колебаний. Эта за­висимость определяется экспериментальным путем и представляется обычно в научно-технической литературе в виде графиков для слу­шания двумя ушами или одним ухом — кривые равной громкости. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в интер­вале частот 1—5 кГц.

Условно принято считать, что на частоте 1 кГц шкалы уровней громкости и интенсивностей звука совпадают, т. е. коэффициент к в выражении (8.3) равен единице, и уровень Е, выраженный в Белах, определяется выражением

Е_ь = lg ///„ ■

Для уровней громкости Еф принята специальная единица — фон, под которой понимают величину, численно равную уровню звуково­го давления (интенсивности) в децибелах чистого тона частотой 1 Гц стольже громкого, как и измеряемый звук, т. е. Еф = 10 lg///o (фон).

8.2.