Акустика

В узком смысле слова под акус­тикой понимают учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц).

Природа звука

и его физические характеристики

Звуковые колебания и волны — частный случай механических колебаний и волн. Однако в связи с важностью акустических по­нятий для оценки слуховых ощущений, а также и в связи с меди­цинскими приложениями, целесообразно некоторые вопросы ра­зобрать специально.

Принято различать следующие звуки: 1) тоны, или музыкаль­ные звуки; 2) шумы; 3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим про­цессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым. Основной физической харак­теристикой чистого тона является частота. Ангармоническому¹ колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, на­пример, камертон, сложный тон создается музыкальными инст­рументами, аппаратом речи (гласные звуки) и т. п.

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота v₀ такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2v₀, 3v₀ и т. д. Набор частот с указанием их относительной интенсивнос­ти (или амплитуды А) называется акустическим спектром . Спектр сложного тона линейчатый; на рис. 6.1 показа­ны акустические спектры одной и той же ноты (v₀ = 100 Гц), взя­той на рояле (а) и кларнете (б). Таким образом, акустический спектр — важная физическая характеристика сложного тона.

Шумом называют звук, отличающийся сложной неповто­ряющейся временной зависимостью.

К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т. п.

Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно из­меняющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет сплошным, на­пример спектр, полученный от шума горения бунзеновской га­зовой горелки (рис. 6.2)

Рис. 6.2

Звуковой удар — это кратковременное звуковое воздейст­вие: хлопок, взрыв и т. п. Не следует путать звуковой удар с ударной волн.

Энергетической характеристикой звука как механической вол­ны является интенсивность.

На практике для оценки звука удобнее использовать не интен­сивность, а звуковое давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковых волн в жидкой или газообразной среде. Для плоской волны интенсивность связана со звуковым давлением р зависимостью

где р — плотность среды, с — скорость звука.

Нормальное человеческое ухо воспринимает довольно широ­кий диапазон интенсивностей звука: так, например, на частоте 1 кГц от I₀ = 10~¹² Вт/м² или р₀ = 2 • 10^-5 Па (порог слышимости) до I_max = 10 Вт/м² или р_mах = 60 Па (порог болевого ощущения).

Отношение этих интенсивностей равно 10¹³, поэтому удобнее ис­пользовать логарифмические единицы и логарифмиче­скую шкалу. Шкала уровней интенсивностей звука создается сле­дующим образом: значение 1₀ принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятич­ный логарифм ее отношения к I₀ (в белах):

Измерение звукового давления в газах производится измерительным микрофоном (преобразователь акустического сигнала в электрический).