Акустические свойства

Свойства материалов и изделий излучать, проводить и поглощать звук называются акустическими. Звук представляет собой упругие механические колебания, которые распространяются в виде волн в твердых, жидких и газообразных средах. При распространении звука возможны явления отражения, преломления, поглощения, рефракции звука, а также дисперсии, дифракции и интерференции.

При попадании звуковой волны на границу двух сред с разным волновым сопротивлением происходит ее отражение, которое характеризуется коэффициентом отражения. Изменение направления распространения звуковой волны при переходе ее из одной среды в другую вызывает преломление. Явление преобразования энергии звуковой волны во внутреннюю энергию среды, в которой распространяется волна, называется поглощением звука. Оно обусловлено теплопроводностью, внутренним трением (вязкостью) и некоторыми релаксационными процессами, возникающими в среде при изменении ее давления и температуры в звуковой волне. Явление поглощения звука используется для исследования внутренней структуры различных веществ, а также для звукоизоляции. Высокими звукоизоляционными свойствами характеризуются волокнистые и пористые материалы (войлок, асбест, вата). Эти свойства зависят от природы и структуры материала.

Рефракция звука (изменение направления распространения волн в неоднородной среде) влияет на дальность и слышимость, а также на образование зон молчания (театр, мобильный телефон). В результате интерференции может происходить взаимное усиление или ослабление звука в зависимости от соотношения между фазами звуковых волн.

В зависимости от частоты колебаний звук условно подразделяют на слышимый (16 Гц...20 кГц), способный вызывать слуховые ощущения при воздействии на орган слуха человека, инфразвук (частота менее 16 Гц), ультразвук (20 кГц...1 ГГц) и гиперзвук (частота более 1 ГГц).

Важнейшими физическими характеристиками звука являются скорость, звуковое давление, интенсивность звука и его спектральный состав. В связи со слуховыми ощущениями, вызываемыми слышимыми звуками, пользуются такими характеристиками звука, как громкость, высота и тембр.

Скорость звука представляет собой скорость распространения в среде упругих волн небольшой интенсивности (в метрах в секунду). Она зависит от природы и строения материала, а также температуры. Скорость звука в воздухе при температуре окружающей среды 0°С равна 331 м/с, в воде — 1400, в стали — 5000 м/с. С повышением температуры и давления скорость звука возрастает. С повышением температуры воздуха на 1 °С скорость распространения звука в нем возрастает примерно на 0,6 м/с. В твердых телах скорость звука может отличаться в разных направлениях. Скорость звука в древесине вдоль волокон в 1,5 — 2 раза больше, чем в направлении поперек волокон.

Звуковое давление (Па) — возникает при прохождении звуковой волны в среде.

Интенсивность (сила) звука — это величина, определяемая энергией, переносимой звуковой волной сквозь поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны: I= W/S. Единица измерения интенсивности звука в СИ — ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. С ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят понятие уровня интенсивности звука L, который выражается в децибелах (дБ):

L = lg(I/I₀), (5.14)

где I₀ — интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10 ¹² Вт/м².

Звук интенсивностью10^-3 Вт/м² вызывает болевое ощущение. Интенсивность характеризует звук физически, а громкость — физиологически. Изменение уровня интенсивности звука на 10 дБ ощущается как двукратное изменение громкости.

Совокупность простых гармонических (синусоидальных) колебаний называется спектром звука. Спектр может быть сплошным и линейчатым.

Сплошной спектр содержит гармонические составляющие со всевозможными частотами и воспринимается ухом как шумы. Уровень шума от разных источников приведен в табл. 5.1.

Звук линейчатого спектра характеризуется совокупностью периодических колебаний с определенным соотношением частот, например музыкальные звуки, частоты составляющих колебаний которых являются целыми кратными числами частоты основного, наиболее медленного колебания.

Громкость звука является мерой силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Она зависит от эффективного звукового давления и частоты звука. Для сравнения слуховых ощущений используют уровень громкости звука (фон)

(5.15)

где р — эффективное звуковое давление для звука стандартной частоты v = 1 кГц, равного по громкости исследуемому звуку; р₀ = = 20 мкПа — стандартный порог слышимости для звука частотой v = 1 кГц.

Высота звука — условная характеристика музыкального, т.е. периодического или почти периодического звука, определяемая человеком на слух и связанная в основном с частотой звука. Звуки определенной высоты называются тонами. Гармоническое звуковое колебание называется простым тоном. Тон, который создает акустическая система, когда колеблется с самой низшей для нее частотой, называется основным тоном.

С ростом частоты высота звука повышается. Звуковые частоты делятся на интервалы. За единицу интервала частот принята октава — внесистемная безразмерная единица частотного интервала. Одна октава равна частотному интервалу, при котором логарифм с основанием 2 отношения двух частот равен единице: 1 октава = = lg₂ (f₂/fi) при f₂/f ⁼ 2, где f₂ и f — частоты. Интервал имеет особое значение для музыкальных инструментов.

Некоторые материалы, например древесина, обладают способностью усиливать звук без искажения тона (резонирующая способность). Наивысшей резонирующей способностью характеризуется древесина резонансной ели, кавказской пихты и сибирского кедра, это имеет значение при выборе древесины для изготовления дек музыкальных инструментов.

Уровни шума от различных источников Таблица 5.1