Властивості та характеристики звуку

Інтенсивність звуку (сила звуку) - скалярна фізична величина, що характеризує потужність, що переноситься звуковою хвилею у напрямі поширення.

Коливальна швидкість вимірюється м/с або см/с. В енергетичному відношенні реальні коливальні системи характеризуються зміною енергії внаслідок її часткової витрати на роботу проти сил тертя і випромінювання в навколишній простір. У пружному середовищі коливання поступово згасають. Для характеристики загасаючих коливань використовуються коефіцієнт загасання (S), логарифмічний декремент (D) та добротність (Q).

Коефіцієнт згасання відбиває швидкість зменшення амплітуди з часом. Якщо позначити час, протягом якого амплітуда зменшується в е = 2,718 разів, через то:

.

Зменшення амплітуди за цикл характеризується логарифмічним декрементом. Логарифмічний декремент дорівнює відношенню періоду коливань до часу загасання

Якщо коливальну систему з втратами діяти періодичною силою, виникають вимушені коливання , характер яких у тому мірою повторює зміни зовнішньої сили. Частота вимушених коливань залежить від параметрів коливальної системи. Навпаки, амплітуда залежить від маси, механічного опору та гнучкості системи. Таке явище, коли амплітуда коливальної швидкості досягає максимального значення, називається механічним резонансом. При цьому частота вимушених коливань збігається з частотою власних коливань гасіння механічної системи.

При частотах впливу, значно менших від резонансної, зовнішня гармонічна сила врівноважується практично тільки силою пружності. При частотах збудження, близьких до резонансної, головну роль відіграють сили тертя. За умови, коли частота зовнішнього впливу значно більша резонансної, поведінка коливальної системи залежить від сили інерції чи маси.

Властивість середовища проводити акустичну енергію, у тому числі ультразвукову, характеризується акустичним опором. Акустичний опір середовища виражається ставленням звукової густини до об'ємної швидкості ультразвукових хвиль. Питома акустичний опір середовища встановлюється співвідношенням амплітуди звукового тиску в середовищі до амплітуди коливальної швидкості її частинок. Чим більший акустичний опір, тим вище ступінь стиснення та розрідження середовища при даній амплітуді коливання частинок середовища. Чисельно, питомий акустичне опір середовища (Z) перебуває як добуток щільності середовища на швидкість (с) поширення у ній звукових хвиль.

Питома акустичне опір вимірюється в паскаль - секундах на метр (Па·с/м) або дин·с/см³ (СГС); 1 Па·с/м = 10 −1 дин • с/см³.

Значення питомого акустичного опору середовища часто виявляється у г/с·см², причому 1 г/с·см² = 1 дин•с/см³. Акустичне опір середовища визначається поглинанням, заломленням та відображенням ультразвукових хвиль.

Звуковий, або акустичне, тиск у середовищі є різницею між миттєвим значенням тиску в даній точці середовища за наявності звукових коливань і статичним тиском у тій же точці за їх відсутності. Іншими словами, звуковий тиск є змінним тиском у середовищі, обумовлений акустичними коливаннями. Максимальне значення змінного акустичного тиску (амплітуда тиску) може бути розраховане через амплітуду коливання частинок:

де Р - максимальний акустичний тиск (амплітуда тиску);

f - Частота;

с - швидкість поширення ультразвуку;

- Щільність середовища;

А - амплітуда коливання частинок середовища.

На відстані половину довжини хвилі (λ/2) значення звукового тиску з позитивного стає негативним. Різниця тисків у двох точках з максимальним та мінімальним його значенням (віддалених один від одного на λ/2 вздовж напрямку поширення хвилі) дорівнює 2Р.

Для вираження звукового тиску в одиницях СІ використовується паскаль (Па), рівний тиску один ньютон на квадратний метр (Н/м²). Звуковий тиск у системі СГС вимірюється в дин/см²; 1 дін/см² = 10 −1 Па = 10 −1 Н/м². Поряд із зазначеними одиницями часто користуються позасистемними одиницями тиску — атмосфера (атм) та технічна атмосфера (ат), при цьому 1 ат = 0,98⋅10 6 дин/см² = 0,98⋅10 5 Н/м². Іноді застосовується одиниця, яка називається баром або мікробаром (акустичним баром); 1 бар = 10 6 дін/см².

Тиск, який чиниться на частинки середовища при поширенні хвилі, є результатом дії пружних та інерційних сил. Останні викликаються прискореннями , величина яких також зростає протягом періоду від нуля до максимуму (амплітудне прискорення). З іншого боку, протягом періоду прискорення змінює свій знак.

Максимальні значення величин прискорення та тиску, що виникають у середовищі при проходженні в ній ультразвукових хвиль, для цієї частки не збігаються в часі. У момент, коли перепад прискорення досягає свого максимуму, перепад тиску стає рівним нулю. Амплітудне значення прискорення (а) визначається виразом:

Якщо ультразвукові хвилі, що біжать, наштовхуються на перешкоду, воно відчуває не тільки змінний тиск, але і постійне. Виникаючі при проходженні ультразвукових хвиль ділянки згущення і розрідження середовища створюють додаткові зміни тиску в середовищі по відношенню до навколишнього зовнішнього тиску. Такий додатковий зовнішній тиск має назву тиску випромінювання (радіаційного тиску). Воно спричиняє те, що при переході ультразвукових хвиль через кордон рідини з повітрям утворюються фонтанчики рідини і відбувається відрив окремих крапельок від поверхні. Цей механізм знайшов застосування у освіті аерозолів лікарських речовин. Радіаційний тиск часто використовується при вимірі потужності ультразвукових коливань у спеціальних вимірювачах - ультразвукових вагах.

Швидкість звуку — швидкість поширення звукових хвиль серед.

Як правило, в газах швидкість звуку менша, ніж у рідинах .

Швидкість звуку в повітрі залежить від температури та в нормальних умовах становить приблизно 340 м/с.

Швидкість звуку в будь-якому середовищі обчислюється за такою формулою:

де - Адіабатична стисливість середовища;

- щільність.

Гучність звуку - суб'єктивне сприйняття сили звуку (абсолютна величина слухового відчуття). Гучність головним чином залежить від звукового тиску , амплітуди та частоти звукових коливань. Також на гучність звуку впливають його спектральний склад, локалізація у просторі, тембр, тривалість впливу звукових коливань, індивідуальна чутливість слухового аналізатора людини та інші фактори.

Теоретичні відомості

Презентація
Статичтичні відомості

Звукові хвилі

Це розрідження та згущення звуку в пружному, або звукопровідному середовищі. Коли відбулося механічне коливання тіла, хвиля розходиться по звукопровідному середовищу: повітрю, воді, газу, різним рідинам. Поширення відбувається з різною швидкістю, яка залежить від конкретного середовища та його пружності. У повітрі цей показник звукової хвилі становить 330-340 м/с, у воді – 1450 м/с.

Звукова хвиля невидима, але чуємо людиною, оскільки впливає на його барабанні перетинки. Для її поширення необхідне середовище. Вченими доведено: у вакуумі, тобто у просторі без повітря, звукова хвиля може утворюватися, але не поширюватися.

Приймачі звуку

Так називаються пристрої, що сприймають звукову енергію, що вимірюють характеристики звукової хвилі (тиск, інтенсивність, швидкість тощо) і перетворюють її на іншу енергію. Для прийому звуку у різному середовищі застосовуються:

• мікрофони - для повітряного простору;
• геофони - для сприйняття звуків земної кори;
• гідрофони – щоб приймати звук у воді.

Існують природні приймачі звуку – слухові апарати людей та тварин – та технічні. Коли відбулося коливання пружного тіла, що виникли внаслідок цього хвилі через деякий час досягають органів слуху. Барабанна перетинка коливається із частотою, яка відповідає такій у джерела звуку. Ці тремтіння передаються на слуховий нерв, і він подає імпульси головному мозку для подальшої обробки. Так у людини та тварини з'являються певні звукові відчуття.

Звук

Організм людини не однаково реагує на шум різного рівня. Шуми рівня 70-90 дБ при тривалому впливі приводять до захворювань нервової та інших систем організму (неспецифічний вплив), а більш 100дБ – до зниження слуху, аж до глухоти (специфічний вплив).

Неспецифічний вплив шуму позначається на функціях центральної нервової системи – аж до епілептиформних нападів; травної системи – аж до виразкової хвороби; серця – до інфарктів міокарду; судин – до гострого порушення кровообігу у міокарді, мозку, підшлункової залози та інших органів. Шум здатний збільшувати вміст в крові таких гормонів стресу, як кортизол, адреналін, норадреналін – навіть під час сну. Чим довше ці гормони присутні у кровоносній системі, тим вище ймовірність, що вони приведуть до небезпечних для життя фізіологічних проблем. Серцево-судинні захворювання можуть виникати, якщо людина постійно ночами піддається впливу шуму гучністю 50дБ або вище – такий шум видає вулиця з інтенсивним рухом. Міський шум можна віднести до факторів ризику виникнення гіпертонічної та ішемічної хвороби. Для того, щоб заробити безсоння, досить шуму в 42 дБ, щоб стати дратівливим – 35 дБ (звук шепоту). Дія шуму позначається на функціях ендокринної та імунної систем організму, що може проявлятися у вигляді трьох головних біологічних ефектів: зниження імунітету до інфекційних хвороб; зниження імунітету проти розвитку пухлинних процесів; поява сприятливих умов для виникнення та розвитку алергічних та аутоімунних захворювань. При впливі шуму від 85-90 дБ довгий час людина скаржиться на нездужання. Симптоми – головна біль, запаморочення, нудота, надмірна дратівливість.

Під впливом сильного шуму, особливо високочастотного, у органі слуху відбуваються незворотні зміни (специфічний вплив шуму). При високих рівнях шуму слухова чутливість падає вже через 1-2 роки, при середніх – виявляється набагато пізніше, через 5-10 років, тобто зниження слуху відбувається повільніше, туговухість розвивається поступово.

Ефективним шляхом рішення проблеми шуму є зниження його у самому джерелі за рахунок змінення технологій та конструкцій. Для захисту від міського шуму здійснюють звукопоглинальні та звукоізолюючі заходи (застосування звукопоглинальних та звукоізолюючих матеріалів, конструкцій в будівлях). Озеленення міст є також шляхом зменшення впливу шуму. Хвойні породи дерев у порівнянні з листяними краще регулюють шумовий режим. У міру віддалення від магістралі дерева листяних порід (тополя, акація) знижують рівень звуку на 4,2 дБ, листяні чагарникові – на 6дБ, ялина та сосна – на 9 дБ. Найкращим чином знижує рівень шуму багаторядна посадка або зелений масив шириною 100 метрів – на 12-15дБ, парки, бульвари и сквери.