Мы сталкиваемся со звуком каждый день. По сути, наши уши ни когда не слышали тишины, потому как в естественных условиях её практически не существует (примеры тишины и источников громких звуков). Однако, что такое звук?
Звук – это колебательный процесс, возникающий в воздухе (или другой упругой среде) под действием каких либо колеблющихся предметов.
Источниками звука могут быть, например, голосовые связки человека, струны музыкальных инструментов или любой другой вибрирующий предмет, заставляющий колебаться окружающие его частицы. При этом плотность воздуха (или другой среды) начинает то увеличиваться, то уменьшаться в соответствии с этими колебаниями. Воздух является упругой средой и оказывает некоторое обратное сопротивление колебательному процессу, именно таким образом происходит сжатие и разряжение воздушного пространства.
Звуки образованные синусоидальными сигналами называются простыми, «чистыми», к ним можно отнести камертон и флейту. Звуки других инструментов (голосов, шумов) имеют более сложные по форме колебания и могут содержать в себе целое созвучие простых тонов.
Однако чтоб понять принцип воздействия звука на наши слуховые ощущения достаточно рассмотреть элементарный звук. Его можно описать графиком изменения во времени давления воздуха в определенной точке. При этом в фазу сжатия среды принято называть положительной, а фазу разряжения – отрицательной.
Распределяясь в стороны со скоростью ~340 м/сек. звуковые колебания образуют звуковую волну.
Эта волна воздействует на барабанную перепонку уха, приводит её в движение, которые передаются далее по внутреннему уху, вызывая слуховые ощущения.
Звук ограничен рамками пространства – стенами, преградами. Воздух состоит из частиц, которые тоже являются преградой на пути следования звука. Энергия, передаваемая этими частицами со временем угасает, таким образом, ограничивая пространство в котором звучит тот или иной объект. Чтобы достичь наибольшего пространства звучания необходима бо́льшая энергия его источника. Таким образом появляется некое «звуковое поле» звучания того или иного источника (гром, комар)
Звуковое поле – это область распределения звуковых волн.
Полный цикл изменения звукового давления называется периодом. Количество этих периодов в одну секунду определяет частоту звука, которая измеряется в Герцах (Гц).
Другими словами это наименьшее расстояние между точками с одинаковыми фазами колебания, длину которого можно измерить в метрах на условной оси распределения звука.
Формула длины звуковой волны: ,(м.)
(пример применения значений длин волн, λ=340/100=3,4 м.)
Понятие о длине звуковой волны поможет в дальнейшем объяснить закономерности интерференции (сложении) и дифракции (распределении) звуковых волн в пространстве, помещении студий залов и т.д. Так же необходимо понимать каким размером должен обладать источник звука, что бы создавать, достаточное для восприятия, звуковое давление.
Однако стоит помнить том, что звук в воздушной среде совершенно отличается от звука в воде, в разряженном воздухе. Частицы окружающего пространства передают энергию, строго подчиняясь законам физики. Чем плотнее среда, тем лучше происходит передача звука, чем разреженней пространство, тем меньше передается энергия. Например, в вакууме звук не распространяется, в воде передается со скоростью 1485 м/сек., а в твердых телах скорость звука составляет 2000-6500 м/с.
Источники звука.
Наиболее простым источником звука является камертон – небольшой источник точно и ясно издающий звук определённой высоты . Его усы, колеблясь, в пространстве вызывают простые, синусоидальные колебания. Обычно частота издаваемого камертоном звука 440 Гц, что соответствует ноте «ля» первой октавы.
Струна – весьма распространенный источник звука, однако следует учесть, что звук изданный струной почти не слышим нашими ушами, это объясняется её толщиной. Плоскость струны настолько мала, что колебаний воздушной среды не достаточно, чтобы возникло возбуждение барабанной перепонки и слуховых ощущений. Для того что бы звук струны был слышим необходим значительный по размерам резонатор, который предоставляет струне большую плоскость, тем самым усиливая громкость звучания. Частота звука струны определяется её длиной, это её собственная частота возбуждения. При наличии механизмов и устройств, способных сократить струну (лады на гитаре, кулачки в арфе) на определенный отрезок, появляется возможность изменить частоту её возбуждения (примеры).
Звуковыми (или акустическими) волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16-20 000 Гц. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука. Волны с v < 16 Гц (ннфразвуковые) и v > 20 кГц (ультразвуковые) органами слуха человека не воспринимаются.
Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.
Интенсивностыо звука (или силой звука) называется величина, определяемая сред ней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:
Единица интенсивности звука в СИ - ватт на метр в квадрате (Вт/м 2).
Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы, вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существуют наименьшая (порот слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивности звука, которые способны вызвать звуковое восприятие. На рис. 223 представлены зависимости порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости.
Если интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей вол новой процесс, то субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Согласно физиологическому закону Вебера - Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности:
где I 0 - интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10 -12 Вт/м 2 . Величина Lназывается уровнем интенсивности звука и выражается в белах (в честь изобретателя телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими, - децибелами (дБ).
Физиологической характеристикой звука является уровень громкости, который выражается в фонах (фон). Громкость для звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. Например, шум в вагоне метро при большой скорости соответствует «90 фон, а шепот на расстоянии 1 м - » 20 фон.
Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим набором частот, т. е. звук обладает акустическим спектром, который может быть сплошным (в некотором интервале присутствуют колебания всех частот) и линейчатым (присутствуют колебания отделенных друг от друга определенных частот).
Звук характеризуется помимо громкости еще высотой и тембром. Высота звука - качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Характер акустического спектра и распределения энергии между определенными частотами определяет своеобразие звукового ощущения, называемое тембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустический спектр, т. е. их голоса имеют различный тембр.
Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента).
Совершая колебания, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последовательно передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е. в среде распространяется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды. Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле
(158.1)
где R- молярная газовая постоянная, М- молярная масса, g = C p /C v - отношение молярных теплоемкостсй газа при постоянных давлении и объеме, Т- термодинамическая температура. Из формулы (158.1) вытекает, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука. Например, при T = 273 К скорость звука в воздухе (M = 29×10 -3 кг/моль) v = 331 м/с, в водороде (M = 2×10 -3 кг/моль) v = 1260 м/с. Выражение (158.1) соответствует опытным данным.
При распространении звука в атмосфере необходимо учитывать целый ряд факторов: скорость и направление ветра, влажность воздуха, молекулярную структуру газовой среды, явления преломления и отражения звука на границе двух сред. Кроме того, любая реальная среда обладает вязкостью, поэтому наблюдается затухание звука, т. е. уменьшение его амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание звука обусловлено в значительной мере его поглощением в среде, связанным с необратимым переходом звуковой энергии в другие формы энергии (в основном в тепловую).
Для акустики помещений большое значение имеет реверберации звука - процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. Если помещения пустые, то происходит медленное затухание звука и создается «гулкость» помещения. Если звуки затухают быстро (при применении звукопоглощающих материалов), то они воспринимаются приглушенными. Время реверберации - это время, в течение которого интенсивность звука в помещении ослабляется в миллионами, а его уровень - на 60 дБ. Помещение обладает хорошей акустикой, если время реверберации составляет 0,5-1,5 с.
Звук, в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит З. с частотой от 16 гц до 20 000 гц. Физическое понятие о З. охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. З. с частотой ниже 16 гц называется инфразвуком, выше 20 000 гц - ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 -10 13 гц относят к гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена - в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли гц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами, характеризующими атомное и молекулярное строение среды: длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстоянии в жидкостях и в твёрдых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 10 9 гц и выше, а в твёрдых телах - с частотой более 1012-10 13 гц.
Основные характеристики звука. Важной характеристикой З. является его спектр, получаемый в результате разложения З. на простые гармонические колебания (т. н. частотный звука анализ). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. З. со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные З. (основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих - тембр звука. В спектре З. речи имеются форманты - устойчивые группы частотных составляющих, соответствующие определённым фонетическим элементам. Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука - энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность З. зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны. Субъективной характеристикой З., связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1-5 кгц. В этой области порог слышимости, т. е. интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна 10 -12 вм/м 2 , а соответствующее звуковое давление - 10 -5 н/м 2 . Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом З. характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вм/м 2 . В ультразвуковой технике достигаются значительно большие интенсивности (до 10 4 квм/м 2 ).
Источники звука - любые явления, вызывающие местное изменение давления или механическое напряжение. Широко распространены источники З. в виде колеблющихся твёрдых тел (например, диффузоры громкоговорителей и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов; в ультразвуковом диапазоне частот - пластинки и стержни из пьезоэлектрических материалов или магнитострикционных материалов). Источниками З. могут служить и колебания ограниченных объёмов самой среды (например, в органных трубах, духовых музыкальных инструментах, свистках и т.п.). Сложной колебательной системой является голосовой аппарат человека и животных. Возбуждение колебаний источников З. может производиться ударом или щипком (колокола, струны); в них может поддерживаться режим автоколебаний за счёт, например, потока воздуха (духовые инструменты). Обширный класс источников З. - электроакустические преобразователи, в которых механические колебания создаются путём преобразования колебаний электрического тока той же частоты. В природе З. возбуждается при обтекании твёрдых тел потоком воздуха за счёт образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром проводов, труб, гребней морских волн. З. низких и инфранизких частот возникает при взрывах, обвалах. Многообразны источники акустических шумов, к которым относятся применяемые в технике машины и механизмы, газовые и водяные струи. Исследованию источников промышленных, транспортных шумов и шумов аэродинамического происхождения уделяется большое внимание ввиду их вредного действия на человеческий организм и техническое оборудование.
Приёмники звука служат для восприятия звуковой энергии и преобразования её в др. формы. К приёмникам З. относится, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для приёма З. применяются главным образом электроакустические преобразователи: в воздухе - микрофоны, в воде - гидрофоны и в земной коре - геофоны. Наряду с такими преобразователями, воспроизводящими временную зависимость звукового сигнала, существуют приёмники, измеряющие усреднённые по времени характеристики звуковой волны, например диск Рэлея, радиометр.
Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. В газообразных и жидких средах распространяются продольные волны (направление колебательного движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость которых определяется сжимаемостью среды и её плотностью. Скорость З. в сухом воздухе при температуре 0?С составляет 330 м/сек, в пресной воде при 17?С - 1430 м/сек. В твёрдых телах, кроме продольных, могут распространяться поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным распространению волны, а также поверхностные волны (Рэлея волны). Для большинства металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/сек до 7000 м/сек, а поперечных - от 2000 м/сек до 3500 м/сек.
При распространении волн большой амплитуды (см. Нелинейная акустика)фаза сжатия распространяется с большей скоростью, чем фаза разрежения, благодаря чему синусоидальная форма волны постепенно искажается и звуковая волна превращается в ударную волну. В ряде случаев наблюдается дисперсия звука, т. е. зависимость скорости распространения от частоты. Дисперсия З. приводит к изменению формы сложных акустических сигналов, включающих ряд гармонических составляющих, в частности - к искажению звуковых импульсов. При распространении звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции и дифракции. В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде велик по сравнению с длиной волны, распространение звука подчиняется обычным законам отражения и преломления волн и может рассматриваться с позиций геометрической акустики.
При распространении звуковой волны в заданном направлении происходит постепенное её затухание, т. е. уменьшение интенсивности и амплитуды. Знание законов затухания практически важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала. Затухание обусловливается рядом факторов, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от характеристик самого звука (и в первую очередь, его частоты) и от свойств среды. Все эти факторы можно подразделить на две большие группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового распространения в среде. Так, при распространении в неограниченной среде З. от источника конечных размеров интенсивность его убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению её в первоначальном направлении, например рассеяние З. на пузырьках в воде, на взволнованной поверхности моря, в турбулентной атмосфере (см. Турбулентность), рассеяние высокочастотного ультразвука в поликристаллических металлах, на дислокациях в кристаллах. На распространение З. в атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т. е. рефракцию З., которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру З. слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости З. с глубиной в океане объясняет наличие т. н. подводного звукового канала, в котором наблюдается сверхдальнее распространение З., например З. взрыва распространяется в таком канале на расстояние более 5000 км.
Вторая группа факторов, определяющих затухание З., связана с физическими процессами в веществе - необратимым переходом звуковой энергии в др. формы (главным образом в тепло), т. е. с поглощением звука, обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды ("классическое поглощение"), а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов (молекулярное или релаксационное поглощение). Поглощение З. заметно возрастает с частотой. Поэтому высокочастотный ультразвук и гиперзвук распространяются, как правило, лишь на очень малые расстояния, часто всего на несколько см. В атмосфере, в водной среде и в земной коре дальше всего распространяются инфразвуковые волны, отличающиеся малым поглощением и слабо рассеиваемые. На высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах в твёрдом теле возникает дополнительное поглощение, обусловленное взаимодействием волны с тепловыми колебаниями кристаллической решётки, с электронами и со световыми волнами. Это взаимодействие при определённых условиях может вызвать и "отрицательное поглощение", т. е. усиление звуковой волны.
Значение звуковых волн, а следовательно, и их изучение, которым занимается акустика, чрезвычайно велико. С давних пор З. служит средством связи и сигнализации. Изучение всех его характеристик позволяет разработать более совершенные системы передачи информации, повысить дальность систем сигнализации, создать более совершенные музыкальные инструменты. Звуковые волны являются практически единственным видом сигналов, распространяющихся в водной среде, где они служат для целей подводной связи, навигации, локации (см. Гидроакустика). Низкочастотный звук является инструментом исследования земной коры. Практическое применение ультразвука создало целую отрасль современной техники - ультразвуковую технику. Ультразвук используется как для контрольно-измерительных целей (в частности, в дефектоскопии), так и для активного воздействия на вещество (ультразвуковая очистка, механическая обработка, сварка и т.п.). Высокочастотные звуковые волны и особенно гиперзвук служат важнейшим средством исследований в физике твёрдого тела.
Уровень интенсивности силы звука
Пользуясь определениями бела и децибела, можно сформулировать определение принятому в акустике основному понятию − «уровень интенсивности (силы) звука - L » в дБ и записать его условную формулу (28): (28)
В математическом виде формула (28) с учётом пропорциональности (21) примет вид формулы (29): (29) Уровень интенсивности (силы) звука - L (дБ ) является отвлечённым понятием, которым пользуются в практических расчетах вместо конкретного физического понятия − интенсивность (сила) звука. В то же время с его помощью можно объяснить многие противоречия между объективными и субъективными оценками звука. С учётом тождества (11) в мировой практике принято следующее определение этого понятия:
Уровень интенсивности (силы) звука, выраженный в децибелах, представляет собой двадцатикратный логарифм отношения абсолютной величины давления звука р к базисной величине звукового давления р0 = 2 10-5 Н/м2 стандартного тона частотойf = 1000 Гц на пороге слышимости ЭИЗ = 10-12Вт/м2 установленного международным соглашением. Очень важно понимать, что уровень интенсивности (силы) звука - это не физическое, а чисто математическое понятие.
Понимание того, что уровень интенсивности (силы) звука не физическое, а чисто математическое понятие очень важно для понимания многих «тайн акустики».
Для начала заглянем в словарь и посмотрим там определения этих слов.
Звук — всё что слышит ухо, что доходит до слуха. Или более развёрнуто — то, что слышится, воспринимается слухом: физическое явление, вызываемое колебательными движениями частиц воздуха или другой среды. Звук, в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах.
Шум — это звуки, слившиеся в нестройное (обычно громкое) звучание. Или подробнее — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.
Вибрация — механические колебания упругого тела; дрожание. Слово произошло от латинского «Vibratio » — колебание, дрожание.
Изучением звуков занимается наука под названием АКУСТИКА. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до высоких частот.
Человеческое ухо воспринимает определённый диапазон колебаний — как правило, от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Одно колебание в секунду называется Герцем и сокращённо обозначается Гц . Колебания большей частоты называют ультразвуком, меньшей — инфразвуком.
Характеристики звука:
длина волны (период, Т) и амплитуда (А)
Поскольку звук это волна, то она характеризуется двумя основными величинами: длина волны (период колебания) и амплитуда. Амплитуда — максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении. Обратная периоду величина называется частотой (Гц). Сам же звук также характеризуется скоростью распространения, которая зависит от среды, в которой распространяется упругое колебание. Например:
Связь слышимости звука с давлением,
частотой и громкостью
Как мы уже говорили, человек может воспринимать в идеале звук частотой от 16 до 20000 Гц. Однако сама частота звука не даёт нам возможности оценить насколько он безопасен для человека. Частота звука говорит о теоретической возможности услышать подобный звук, а вот практически услышим мы его или нет зависит от амплитуды. Логарифм амплитуды измеряется в децибелах (дБ). Децибел — это относительная величина, показывающая насколько увеличилась или уменьшилась громкость звука.
Громкость — это кажущаяся сила звука, которая измеряется в децибелах. Зависимость громкости от уровня звукового давления (и интенсивности звука) является сугубо нелинейной кривой, она имеет логарифмический характер. При увеличении уровня звукового давления на 10 дБ громкость звука возрастёт в 2 раза.
С какими же уровнями громкости мы с Вами сталкиваемся в нашей жизни?
Звук |
Громкость, дБ |
Тишина (специальная камера) |
|
Тихий шёпот, тиканье наручных часов |
|
Шелест листьев, тиканье часов, норма для жилых помещений |
|
Сельская местность вдали от дорог, библиотека |
|
Тихая жилая территория, парк, тихий разговор |
|
Разговор средней громкости, тихая улица, тихий офис |
|
Нормальный разговор в 1м, норма для офисов |
|
Улица с интенсивным движением, телефон |
|
Громкий будильник, шум грузового автомобиля или мотоцикла |
|
Громкий крик, отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7м |
|
Поезд метро, фен, кузнечный цех, очень шумный завод |
|
Рок-музыка, крики ребёнка, вертолёт, трактор на расстоянии 1м |
|
Болевой порог, близкие раскаты грома, вувузела на расстоянии 1м |
|
Травма внутреннего уха, максимальная громкось на рок-концерте |
|
Контузия, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки |
|
Шок, травмы, разрыв барабанной перепонки |
|
Возможен разрыв лёгких, возможна смерть |
|
Макс. давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола |
|
Максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве |
|
Давление в ядерном заряде в момент ядерного взрыва |
Шумы в наших домах (жилых помещениях) могут возникать по разным причинам. В зависимости от источника шума их подразделают на ударный, воздушный, структурный и акустический.
Виды шумов (звуков):
В результате взаимодействия ветра с различными сооружениями, если скорости потока очень велики, а поперечные размеры тел в потоке малы, образуются ультразвуковые колебания, а если скорости потока малы и поперечные размеры велики – инфразвуки. Например, при обтекании стволов деревьев, телеграфных столбов, металлических ферм, снастей кораблей, последние будут испускать инфразвуки.
В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» приведены следующие нормативы для жилых помещений:
Допустимые уровни шума в жилых помещениях
Наименование помещений, территорий |
Время суток |
Уровни звукового давления, дБ, в октавных частотах |
||||||||
Жилые комнаты квартир |
7 - 23 ч. |
|||||||||
23 - 7 ч. |
||||||||||
Территории, непосредственно прилегающие к жилым домам |
7 - 23 ч. |
|||||||||
23 - 7 ч. |
||||||||||
Допустимые уровни инфразвука в жилых помещениях
Происходящий в газообразных, жидких и твердых средах, который при достижении органов слуха человека воспринимается им как звук. Частота этих волн лежит в пределах от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Приведем формулы для звуковой волны и рассмотрим подробнее ее свойства.
Почему появляется звуковая волна?
Многие люди задаются вопросом, что такое звуковая волна. Природа звука заключается в возникновении возмущения в упругой среде. Например, когда в некотором объеме воздуха происходит возмущение давления в виде сжатия, то данная область стремится распространиться в пространстве. Этот процесс приводит к сжатию воздуха в соседних от источника областях, которые также стремятся расшириться. Данный процесс охватывает все большую и большую часть пространства до тех пор, пока не достигнет какого-либо приемника, например, уха человека.
Общая характеристика звуковых волн
Рассмотрим вопросы, что такое звуковая волна и как она воспринимается человеческим ухом. Звуковая волна является продольной, она при попадании в раковину уха вызывает колебания ушной перепонки с определенной частотой и амплитудой. Также можно представлять эти колебания как периодические изменения давления в микрообъеме воздуха, прилегающего к перепонке. Сначала оно увеличивается относительно нормального атмосферного давления, а затем уменьшается, подчиняясь математическим законам гармонического движения. Амплитуда изменений сжатия воздуха, то есть разница максимального или минимального прессинга, создаваемого звуковой волной, с атмосферным давлением пропорционально амплитуде самой звуковой волны.
Многие физические эксперименты показали, что максимальные давления, которые может воспринимать человеческое ухо без нанесения ему вреда, составляют 2800 мкН/см 2 . Для сравнения скажем, что атмосферное давление вблизи поверхности земли равно 10 млн мкН/см 2 . Учитывая пропорциональность давления и амплитуды колебаний, можно сказать, что последняя величина даже для самых сильных волн является незначительной. Если говорить о длине звуковой волны, то для частоты в 1000 колебаний в секунду она будет составлять тысячную долю сантиметра.
Самые слабые звуки создают колебания давления порядка 0,001мкН/см 2 , соответствующая амплитуда колебаний волны для частоты 1000 Гц составляет 10 -9 см, при этом средний диаметр молекул воздуха составляет 10 -8 см, то есть ухо человека является чрезвычайно чувствительным органом.
Понятие интенсивности звуковых волн
С геометрической точки зрения звуковая волна представляет собой колебания определенной формы, с физической же - главным свойством звуковых волн является их способность переносить энергию. Самым важным примером переноса энергии волной является солнце, излученные электромагнитные волны которого обеспечивают энергией всю нашу планету.
Интенсивность звуковой волны в физике определяется как количество энергии, переносимой волной через единицу поверхности, которая перпендикулярна распространению волны, и за единицу времени. Говоря более коротко, интенсивность волны - это ее мощность, переносимая через единицу площади.
Силу звуковых волн принято измерять в децибелах, которые основываются на логарифмической шкале, удобной для практического анализа результатов.
Интенсивность различных звуков
Следующая шкала в децибелах дает представление о значении различной и ощущениях, которые она вызывает:
- порог неприятных и некомфортных ощущений начинается со 120 децибел (дБ);
- клепальный молоток создает шум в 95 дБ;
- скоростной поезд - 90 дБ;
- улица с интенсивным автомобильным движением - 70 дБ;
- громкость обычного разговора между людьми - 65 дБ;
- современный автомобиль, движущийся с умеренными скоростями, создает шум в 50 дБ;
- средняя громкость радиоприемника - 40 дБ;
- тихий разговор - 20 дБ;
- шум листвы деревьев - 10 дБ;
- минимальный порог звуковой чувствительности человека близок к 0 дБ.
Чувствительность человеческого уха зависит от частоты звука и составляет максимальное значение для звуковых волн с частотой 2000-3000 Гц. Для звука, находящегося в этом интервале частот, нижний порог чувствительности человека составляет 10 -5 дБ. Более высокие и более низкие частоты, чем указанный интервал, приводят к увеличению нижнего порога чувствительности таким образом, что близкие к 20 Гц и к 20 000 Гц частоты человек слышит только при их интенсивности в несколько десятков дБ.
Что касается верхнего порога интенсивности, после которого звук начинает вызывать неудобства для человека и даже болевые ощущения, то следует сказать, что он практически не зависит от частоты и лежит в пределах 110-130 дБ.
Геометрические характеристики звуковой волны
Реальная звуковая волна представляет собой сложный колебательный пакет продольных волн, который можно разложить на простые гармонические колебания. Каждое такое колебание описывается с геометрической точки зрения следующими характеристиками:
- Амплитуда - максимальное отклонение каждого участка волны от равновесия. Для этой величины принято обозначение A.
- Период. Это время, за которое простая волна совершает свое полное колебание. Через это время каждая точка волны начинает повторять свой колебательный процесс. Период принято обозначать буквой T и измерять в секундах в системе СИ.
- Частота. Это физическая величина, которая показывает, сколько колебаний данная волна совершает за секунду. То есть по своему смыслу она является величиной, обратной к периоду. Обозначается она f. Для частоты звуковой волны формула ее определения через период выглядит следующим образом: f = 1/T.
- Длина волны - это расстояние, которое она пробегает за один период колебаний. Геометрически длина волны представляет собой расстояние между двумя ближайшими максимумами или двумя ближайшими минимумами на синусоидальной кривой. Длина колебаний звуковой волны - это расстояние между ближайшими областями сжатия воздуха или ближайшими местами его разрежения в пространстве, где движется волна. Обозначается она обычно греческой буквой λ.
- Скорость распространения звуковой волны - это расстояние, на которое распространяется область сжатия или область разряжения волны за единицу времени. Обозначается эта величина буквой v. Для скорости звуковой волны формула имеет вид: v = λ*f.
Геометрия чистой звуковой волны, то есть волны постоянной чистоты, подчиняется синусоидальному закону. В общем случае формула звуковой волны имеет вид: y = A*sin(ωt), где y - значение координаты данной точки волны, t - время, ω = 2*pi*f - циклическая частота колебаний.
Апериодический звук
Многие источники звука можно считать периодическими, например, звук от таких музыкальных инструментов, как гитара, пианино, флейта, но также существует большое количество звуков в природе, которые являются апериодическими, то есть звуковые колебания изменяют свою частоту и форму в пространстве. Технически такой вид звука называется шумом. Яркими примерами апериодического звука является городской шум, шум моря, звуки от ударных инструментов, например, от барабана и другие.
Среда распространения звуковых волн
В отличие от электромагнитного излучения, фотоны которого для своего распространения не нуждаются в какой-либо вещественной среде, природа звука такова, что для его распространения нужна определенная среда, то есть, согласно законам физики, звуковые волны не могут распространяться в вакууме.
Звук может распространяться в газах, в жидкостях и в твердых телах. Основными характеристиками распространяющейся в среде звуковой волны являются следующие:
- волна распространяется линейно;
- она распространяется одинаково по всем направлениям в гомогенной среде, то есть от источника звук расходится, образуя идеальную сферическую поверхность.
- независимо от амплитуды и частоты звука, его волны распространяются с одинаковой скоростью в данной среде.
Скорость звуковых волн в различных средах
Скорость распространения звука зависит от двух основных факторов: от среды, в которой движется волна, и от температуры. В общем случае действует следующее правило: чем более плотной является среда, и чем выше ее температура, тем быстрее в ней движется звук.
Например, скорость распространения в воздухе звуковой волны вблизи поверхности земли при температуре 20 ℃ и влажности 50% составляет 1235 км/ч или 343 м/с. В воде же при данной температуре звук движется быстрее в 4,5 раза, то есть около 5735 км/ч или 1600 м/с. Что касается зависимости скорости звука от температуры в воздухе, то она увеличивается на 0,6 м/с с увеличением температуры на каждый градус Цельсия.
Тембр и тон
Если позволить струне или металлической пластине вибрировать свободно, то она будет производить звуки различной частоты. Очень редко можно встретить тело, которое бы издавало звук одной конкретной частоты, обычно звук какого-либо объекта обладает набором частот в некотором интервале.
Тембр звука определяется количеством гармоник, присутствующих в нем, и их соответствующими интенсивностями. Тембр является субъективной величиной, то есть это восприятие звучащего объекта конкретным человеком. Тембр обычно характеризуют следующими прилагательными: высокий, блестящий, звучный, мелодичный и так далее.
Тон является звуковым ощущением, которое позволяет его классифицировать как высокий или низкий. Данная величина является также субъективной и не может быть измерена каким-либо инструментом. Тон связан с объективной величиной - частотой звуковой волны, но между ними не существует однозначной связи. Например, для одночастотного звука постоянной интенсивности тон растет при увеличении частоты. Если же частота звука остается постоянной, а увеличивается его интенсивность, то тон становится более низким.
Форма источников звука
В соответствии с формой тела, которое совершает механические колебания и тем самым порождает волн бывают трех основных типов:
- Точечный источник. Он создает звуковые волны сферической формы, которые быстро убывают при удалении от источника (приблизительно на 6 дБ, если расстояние от источника увеличивается вдвое).
- Линейный источник. Он создает волны цилиндрической формы, интенсивность которых убывает медленнее, чем от точечного источника (при каждом увеличении расстояния вдвое относительно источника интенсивность уменьшается на 3 дБ).
- Плоский или двумерный источник. Он порождает волны только в определенном направлении. Примером такого источника может быть поршень, двигающийся в цилиндре.
Электронные источники звука
Для создания звуковой волны электронные источники используют специальную мембрану (динамик), которая совершает механические колебания за счет явления электромагнитной индукции. К таким источникам можно отнести следующие:
- проигрыватели различных дисков (CD, DVD и другие);
- кассетные магнитофоны;
- радиоприемники;
- телевизоры и некоторые другие.
Loading...