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 музыкальнее звуки; 2) шумы; 3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым шли чистым, а соответствующая плоская звуковая волна описывается уравнением (5.48). Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Ангармоническому 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, 3v₀и т. д. Набор частот с указанием их относительной интенсивности (или амплитуды А) называется акустическим спектром (см. § 5.4). 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).

S Звуковой удар — это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т. п. Не следует путать звуковой удар с ^ударной волной (см. § 5.9).

Энергетической характеристикой звука как механической вол|ны является интенсивность (см. § 5.8).

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

где р — плотность среды, с — скорость звука.

Отношение этих интенсивностей равно 10¹³, поэтому удобнее использовать логарифмические единицы (см. § 1.1) и логарифмическую шкалу. Шкала уровней интенсивностей звука создается следующим образом: значение /₀ принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятичный логарифм ее отношения к I₀ (в белах, см. § 1.1):

Строго говоря, в этой формуле под р следует понимать амплитуду: звукового давления.

Измерение звукового давления в газах производится измерительным микрофоном, который состоит из датчика, преобразующего акустическую величину в электрический сигнал, электронного усилителя и электрического измерительного прибора (рис. 6.3). Эта схема является частным случаем общей структурной схемы (см. § 17.1).