Физические основы акустики

В физическом понимании звук представляет собой механические колебания газообразной, жидкой или твердой среды, источником которых может быть изменение давления или напряжения в среде. В повседневной жизни человек сталкивается со звуком как результатом колебаний воздуха. Например, чистые тоны дает камертон, его бранши колеблясь вызывают правильно чередующиеся попеременные продольные сгущения и разрежения воздуха. Частицы воздуха при этом описывают колебательные движения, которые представляют собой продольные звуковые волны. Эти волны распространяются в воздухе с определенной скоростью, равной приблизительно 330 м в секунду.

Для изучения законов звука удобно звуковые колебания представлять графически, при этом на оси абсцисс откладывается время, а на оси ординат — величина отклоне­ния частицы воздуха от среднего положения. По оси ординат отклонение в одну сторону откладывается вверх, а отклонение в другую сторону — вниз. При таком способе изображения звук от простого колебания камертона изобразится в виде кривой линии — синусоиды. В этой синусоиде представляют интерес две величины: высота и длина. Высота или амплитуда колебаний характеризует силу звука. Чем на большее расстояние отклонится частица воздуха от своего среднего положения, тем больше будет энергия колебания и тем, следовательно, громче будет звук. Длина волны характеризует высоту тона. Чем больше длина волны и чем, следовательно, меньше число колебаний в секунду, тем тон ниже, ближе к басовому регистру. Чем число колебаний больше, тем звук выше. Сложные звуки составляют не синусоидальную, а более сложную кривую, за счет наложения волн друг на друга.

Кроме силы и высоты тона, необходимо отличать еще одно качество звука — его тембр. В соответствии с физическим законом звучащее тело колеблется как целиком, что дает основной тон данного тела, так и отдельными своими частями — половинками, четвертями и т. д., колебания которых дают самостоятельные звуковые частоты, называемые обертонами или гармониками. Под темброммы подразумеваем звучание основного тона и обертонов, что дает специфическую окраскузвука, благодаря которой мы отличаем звук одного инструмента от другого, один голос от другого.

Одним из важнейших свойств звука является его способность вызывать колебательные движения физического тела. Звуковые волны, попадая на поверхность упругих тел, вызывает в них колебания, частота которых соответствует частоте возбуждающей волны. Таким образом, предмет, на который воздействовала звуковая волна, становится сам источником звуковой волны, т.е. резонатором. Если собственный период колебаний резонатора совпадает с периодом колебаний воздействующей на него системы, звук значительно усиливается. Возникает острый резонанс.

Ухо человека воспринимает как звук колебания воздуха от 16 до 20000 Гц. Этот диапазон соответствует 10—11 октавам. Верхняя граница воспринимаемых звуков зависит от возраста: чем человек старше, тем она ниже; часто старики не слышат высоких тонов, например звука, издаваемого сверчком. У многих животных верхняя граница слуха лежит значительно выше; у собак, например, удается образовать целый ряд условных рефлексов на неслышимые человеком звуки. Чувствительность cлvxa можно измерить силой еле слышимого звука, при этом энергию звуковых колебаний можно выразить в эргах на квадратный сантиметр в секунду. На основании подобных измерении установлено, что чувствительность сильно меняется в зависимости от высоты звука. В области звуковых колебании oт 1000 до 3000 в секунду ухо человека обладает максимальном чувствительностью, В пределах указанных частот колебании слышен звук, имею­щий энергию только 1 10-9 эрг/см в сек.

При колебаниях до 1000 Гц и выше 3000 Гц чувствительность резко уменьшается: например, при 20 Гц, а также при 20000 Гц.

От объективной интенсивности звука, измеряемой в эргах на квадратный сантиметр в секунду, следует отличать субъективное ощущение громкости звука. Субъективное ощущение громкости не идет параллельно нарастанию интенсивности звука.

Единицей интенсивности звука, широко распространенной в настоящее время, является бел (по имени изобретателя телефона Белла). Эта единица представляет собой десятичный логарифм отношения действующей интенсивности звука к пороговой его интенсивности. В практике обычно используют в качестве единицы громкости децибел (дБ), т. е. 0,1 бела.

Пороговая интенсивность звука и нарастание ощущения громкости при его усилении различны в зависимости от высоты звука.

Максимальный уровень интенсивности, когда звук переходит в болевое ощущение, равняется 130—140 дБ (сила звука в 10¹³—10¹⁴ раз больше пороговой).

Исследование слуховой функции невозможно без знания основ анатомии и физиологии органа слуха.