Природа и классификация акустических волн

Акустические волны представляют собой процесс распространения механических колебаний отмеченного диапазона в упругой среде. В газах и жидкостях акустические волны являются продольными. В твердых телах возможно наличие и поперечных акустических волн.

В диапазоне частот от 16 Гц до 20000 Гц воздействие акустических волн на слуховой аппарат человека приводит к формированию слухового ощущения. Поэтому волны этого диапазона называют звуковыми. При частотах, превышающих 20 кГц, инерционность звуковоспринимающего аппарата не позволяет сформировать слуховое ощущение - это область ультразвука. На частотах ниже 16 Гц ощущение звука так же не возникает - волны столь низких частот представляют инфразвук. Следует отметить, что частотный диапазон ощущения звука у разных организмов различен - например, дельфины и летучие мыши воспринимают звуки существенно большей частоты, чем человек. Кроме того, частотная граница воспринимаемых звуков зависит от возраста. В процессе старения человека инерционность его слухового аппарата увеличивается и в пожилом возрасте верхняя граница звукового диапазона становится существенно меньшей 20 кГц.

Скорость акустических волн v определяется свойствами среды, в которой они распространяются - её модулем упругости E и плотностью r:

(1)

Скорость звука в воздухе составляет около 340 м/с и зависит от температуры (с изменением температуры изменяется плотность воздуха). В жидких средах и в мягких тканях организма эта скорость составляет около 1500 м/с, в твердых телах - 3000-6000 м/с.

В формулу (1), определяющую скорость распространения акустических волн, не входит их частота. Звуковые волны различной длины в одной и той же среде имеют практически одинаковую скорость. Исключение составляют волны таких частот, для которых характерно сильное поглощение в данной среде. Обычно эти частоты лежат в ультразвуковом диапазоне.

Звуковые колебания, имеющие лишь одну частоту, называют чистым (или простым) тоном. Если же звуковые колебания представляют набор отдельных строго определенных частот, то такие звуки называются тонами или музыкальными звуками. Они имеют дискретный гармонический спектр, в котором каждой гармонической составляющей соответствует определенная амплитуда. Первая гармоника частоты w называется основным тоном, а гармоники более высоких порядков (с частотами 2 w, 3 w, 4 w, и т.д.) - обертонами. На рис.1 показан спектр сложного тона, в котором представлены 4 гармонических составляющих: 100, 200, 300 и 400 Гц. Величина амплитуды основного тона принята за 100%.

Непериодические звуки, называемые шумами, имеют сплошной акустический спектр. Они обусловлены процессами, в которых амплитуда и частота звуковых колебаний изменяется со временем (вибрация деталей машин, шорох и т.п.). Акустический спектр некоторого шума представлен, в качестве примера, на рис.2.

2. Физические характеристики звуковых волн и
характеристики слухового ощущения

Физические характеристики акустических и, в частности, звуковых волн имеют объективный характер и могут быть измерены соответствующими приборами в стандартных единицах. Возникающее под действием звуковых волн слуховое ощущение субъективно, однако, его особенности во многом определяются параметрами физического воздействия.

Интенсивность звука

Интенсивность звука I, как уже отмечалось ранее, представляет собой энергию звуковой волны, попадающей на поверхность единичной площади за единицу времени, и измеряется в Вт/м². Эта физическая характеристика определяет уровень слухового ощущения, который называется громкостью, являющейся субъективным физиологическим параметром. Связь между интенсивностью и громкостью не является прямо пропорциональной. Пока отметим только, что с увеличением интенсивности возрастает и ощущение громкости. Количественную оценку громкости можно выполнить, сравнивая слуховые ощущения, обусловленные звуковыми волнами от источников с различной интенсивностью.

При распространении звука в среде возникает некоторое добавочное давление, перемещающееся от источника звука к приемнику. Величина этого звукового давления P также представляет физическую характеристику звука и среды его распространения. Она связана с интенсивностью соотношением

, (2)

где r - плотность среды, а v - скорость распространения звука в среде. Величину Z = r v называют удельным акустическим сопротивлением или удельным акустическим импедансом.