Человек живет среди мира звуков. Распространение звука представляет собой сложный волнообразный колебательный процесс в упругой среде (воздухе, материале строительных конструкций). Передача звука в воздухе происходит в виде продольных волн, которые в акустике называются так потому, что частицы среды колеблются вдоль оси распространения волны (рис. 1).

Среди твердых тел звук распространяется в виде поперечных волн, частицы которых колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 2).

Распространение звука, звуковые волны

В тонких конструкциях зданий — плитах, перегородках с толщиной 6 раз меньше высоты конструкции, звук передается в виде изгибных волн (рис. 3). Звуковые колебания источника возбуждают колебание частиц упругой среды, которые последовательно передают возмущение друг другу, в результате чего происходит распространение звуковой волны. При этом частицы среды не перемещаются вместе со звуковой волной, а только колеблются вдоль определенной оси, попеременно смещаясь и возвращаясь к первоначальному положению.

Скорость распространения звуковой волны зависит от среды, передающей звук. В воздухе при температуре 20 °С и нормальном давлении скорость распространения звуковой волны составляет 342 м/с, в пресной воде при 15 °С — 1460 м/с, в древесине мягких пород около 3000 м/с, твердых — 5000 м/с, в бетоне — 4470 м/с , кирпиче — 1200–1699 (3650) м/с, стали — 5000–6000 м/с, песке — 100–320 м/с.

Каждая звуковая волна имеет свою длину λ, м, и совершает определенное количество колебаний в секунду, называемое частотой колебаний f и измеряемое в Герцах (Гц) (рис. 4). Амплитуда колебаний частиц определяет громкость. Ухо человека воспринимает звуковые волны частотой от 16 до 20000 Герц (Гц).

С увеличением частоты колебаний длина звуковой волны изменяется по зависимости λ = c/f, где с — скорость ее распространения в воздушной среде, м/с. Длина звуковой волны у звуков низкой частоты значительно больше, чем у звуков высокой частоты.

За счет колебаний частиц в звуковой волне образуются зоны повышенного и пониженного давления по отношению к атмосферному, которое называется звуковым давлением р (рис. 5). Периодическое изменение звукового давления в волне вызывает колебание барабанной перепонки в ухе, благодаря чему мы слышим звук. Минимальное давление, воспринимаемое человеком, называется пороговым давлением и составляет р0 = 2 х 10-5 Н/м2, а давление свыше 20 Н/м2 ощущается человеком как боль, и поэтому его называют болевым порогом.

Каждый источник звука излучает поток энергии определенной мощности (табл. 2), а отношение мощности источника звука к площади поверхности, на которую падает звук, является интенсивностью или силой звука /, Вт/м2.

Сила звука у порога слышимости составляет /0 = 10-12 Вт/м2, звук силой более 1 Вт/м2 воспринимается человеком как боль.

Чувствительность уха зависит не от абсолютной величины звукового давления или силы звука, а от их отношения к пороговому значению. Причем эта зависимость является логарифмической. Кроме того, величины звукового давления, силы и мощность звукового источников меняются в очень широких пределах (106–1012 раз), и использовать абсолютные значения этих величин при инженерных расчетах не всегда удобно. Для удобства проведения расчетов употребляются числовые значения, представленные в логарифмических единицах, и вводятся понятия «уровень звукового давления» и «уровень силы звука», где абсолютные величины берутся по отношению к пороговым значениям звукового давления и силы звука и измеряются в децибелах (дБ):

• уровень силы звука L = 10 lg (I/I0)
• уровень звукового давления L = 20 Ig (p/p0)

Изменение звукового давления в 100 раз ухо человека воспринимает как изменение громкости в 2 раза. Зная порог слышимости и болевой порог, легко определить, что звуковой диапазон слышимости у человека составляет от 0 до 120 дБ (табл 3).

Большая часть звуков, слышимых человеком, состоит из ряда различных звуковых частот. Звуковую волну только одной частоты можно получить с помощью специальных инструментов. Человеческое ухо по-разному воспринимает звук разной частоты (рис. 6): на высоких частотах 2000–4000 Гц звуковые волны воспринимается лучше, чем на низких. Поэтому болевой порог на низкой частоте 31,5 Гц наступает при уровне силы звука 135 дБ, на частоте 2000 Гц ощущение боли появится при L = 112 дБ.

Уровень звукового давления неполностью характеризует звук с точки зрения его восприятия ухом, а источники звука излучают энергию различных частот. Поэтому необходимо знать частотную характеристику звука, показывающую распределение звукового давления по частотам. Каждая полоса частот характеризуется нижней fH и верхней fB частотами, шириной Δf = fB – fH и средней геометрической частотой fcp = fB / fH. Полоса, у которой отношение fB / fH = 2, называется октавой, а если корень кубческий из fB / fH = 2 , то ширина полосы равна 1/3 октавы. В настоящее время нормирование шума, акустические расчеты и измерения проводятся в общепринятых среднегеометрических частотах 1/3-октавных полос: 63, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000 Гц.

Оставьте, пожалуйста, свое мнение об этой статье

Вы можете порекомендовать эту статью своим друзьям