Основы теории звука

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЗВУКА



Вопросы теории звука имеют ключевое значение, как для понимания сути акустических измерений, так и для правильного выполнения измерений. Ввиду чрезвычайной обширности сведений из теории акустики, ниже приведен лишь минимально необходимый объем самых общих сведений, включающий вопросы распространения звуковых волн, акустических явлений в воздухе и в воде, акустических величин и единиц измерений, акустических сигналов и шумов, акустических спектров, человеческого восприятия звука, сведения из гидроакустики.

звук гидроакустика шум сигнал

1. Звуковые волны

Звук - это распространяющиеся в упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах - механические колебания, воспринимаемые органами слуха.

Как уже говорилось, звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве волны не возникают. В этом легко убедиться на простом опыте. Если электрический звонок поместить под воздухонепроницаемый колпак, из которого откачен воздух, мы никакого звука не услышим. Но как только колпак наполнится воздухом, возникает звук.

Диапазон звуковых волн охватывает как область инфразвука (до 16 Гц), так и ультразвука (свыше 20 КГц). Механические колебания в упругих средах с диапазоном частот F=10⁹ ... 10¹³ Гц - гиперзвуковые частоты -- используют в технике физического эксперимента и др.

Инфразвук - это акустические колебания с частотой ниже 20 Гц. Инфразвук возникает за счет тех же процессов, что и слышимый шум: резонанс, пульсация, возвратно-поступательное движение и т.п.

Источником инфразвука являются машины, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные колебания. Инфразвук имеет большую амплитуду колебаний, распространяется на большие расстояния, вызывает вибрацию крупных объектов.

У человека инфразвук вызывает неприятные ощущения, изменения в ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной системах. Предельно допустимые нормы установлены "Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах" 2274-80. Общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ Лин.

Ультразвук. Ультразвук (УЗ) - упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 - 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах.

В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет 10⁹ Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 10¹² - 10¹³ Гц.

В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает различными специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения, поэтому область УЗ-вых частот подразделяют на три области:

· низкие УЗ-вые частоты (1,510⁴ - 10⁵ Гц);

· средние (10⁵ - 10⁷ Гц);

· высокие (10⁷ - 10⁹ Гц).

В природе УЗ встречается как в качестве компоненты многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются УЗ-выми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Ультразвуковые колебания подчиняются тем же закономерностям, что и звуковые. Вместе с тем, хотя физическая природа УЗ и определяющие его распространение основные законы те же, что и для звуковых волн любого диапазона частот, он обладает рядом специфических особенностей. Эти особенности обусловлены относительно высокими частотами УЗ.

Особенностью ультразвука является возможность получать фокусированный пучок большой энергии. Фокусировка УЗ позволяет не только получать звуковые изображения (системы звуковидения и акустической голографии), но и концентрировать звуковую энергию. С помощью УЗ-вых фокусирующих систем можно формировать заданные характеристики направленности излучателей и управлять ими.

Ультразвук, особенно высокочастотный, практически не распространяется в воздухе. В твердых и жидких средах ультразвук вызывает механические и химические эффекты: явление кавитации в среде "жидкость-газ". В твердом теле ультразвук вызывает вибрацию его частиц.

Ультразвук широко используется в технологических процессах: очистка деталей, коагуляция частиц, механическая обработка сверхтвердых материалов и т.п.

Длительное воздействие ультразвука на человека плохо влияет на его здоровье. Под действием локального ультразвука при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом возникает явление вегетативного полиневрита рук (ног). Длительное воздействие низкочастотного ультразвука через воздух вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой системы. Нормирование ультразвука производится согласно ГОСТ 12.1.001-89.

Гиперзвуком принято называть упругие волны с частотами 10⁹ - 10¹³ Гц.

Ключевые слова: волны, звук, инфразвук, ультразвук, гиперзвук, интерференция, дифракция.



Контрольные вопросы

1. Укажите диапазоны звуковых волн.

2. Что такое инфразвук?

3. Что такое ультразвук?

4. Что такое гиперзвук?

2. Акустические явления

Акустических явления лежат в основе любых акустических измерений. Правильное понимание акустических явлений является залогом правильной постановки измерительных экспериментов, так же как и неверная оценка акустических явлений является одним из источников ошибок при акустических измерениях.

В основе всех без исключения акустических явлений лежат физические законы, к важнейшим их которых относятся законы отражения и преломления звука на границах различных сред, интерференция и дифракция звука, эффект Допплера и многие другие. Соответственно действие этих законов как порознь, так и в совокупности порождает соответствующие акустические явления, такие как эхо, рефракция звука, реверберация звука, диффузное звуковое поле и ряд других. Рассмотрим вкратце лишь некоторые из них.

Эхо (от имени нимфы Эхо в древнегреческой мифологии). Причиной отражения звуковых волн от любой пространственной границы двух сред является неравенство (несогласованность) их волновых акустических сопротивлений.

Волна (акустическая, электромагнитная и др.), отражённая от какого-либо препятствия и принятая наблюдателем. Акустическое эхо можно наблюдать, например, при отражении звукового импульса (стука, короткого отрывистого крика и т. д.) от хорошо отражающих поверхностей.

Эхо различимо на слух, если принятый и посланный импульсы разделены интервалом времени t = 50--60 мсек. Эхо становится многократным, если имеется несколько отражающих поверхностей (вблизи группы зданий, в горах и т. д.), звук от которых приходит к наблюдателю в моменты времени, различающиеся на интервалы t = 50--60 мсек. Гармоническое эхо возникает при рассеянии звука с широким спектром частот на препятствиях, размеры которых малы по сравнению с длинами волн составляющих спектра. В помещении отдельные многочисленные эхо сливаются в сплошной отзвук - это называется реверберацией.

Эхо может служить средством измерения расстояния r от источника сигнала до отражающего объекта:

r = сt/2,

где t -- промежуток времени между посылкой сигнала и возвращением эхо, а с -- скорость распространения волн в среде. На этом принципе основаны различные применения эхо-сигналов.

Акустическое эхо применяется в гидролокации, а также в навигации, где для измерения глубины дна применяют эхолоты. Упругие волны, распространяющиеся в земной коре, отражаясь от слоев различных горных пород, образуют сейсмическое эхо, этим пользуются для поиска месторождений ископаемых. При помощи эхо измеряется глубина буровых скважин («эхометрирование» скважин), высота уровня жидкости в баках (ультразвуковые уровнемеры). Эхо-методы широко применяются в ультразвуковой дефектоскопии.

Акустическое эхо для некоторых животных (летучих мышей, дельфинов, китов и др.) служит средством ориентировки и поиска добычи.

Рефракция звука - искривление звуковых лучей в неоднородной среде (атмосфера, океан), скорость звука в которой зависит от координат. Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и рефракция выражена тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.

Рефракция звука в атмосфере обусловлена пространственными изменениями температуры воздуха, скорости и направления ветра. С высотой температура обычно понижается (до высот 15--20 км) и скорость звука уменьшается, поэтому лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху и звук, начиная с некоторого расстояния, перестаёт быть слышен. Если же температура воздуха с высотой увеличивается (температурная инверсия, часто возникающая ночью), то лучи загибаются книзу и звук распространяется на большие расстояния. При распространении звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру -- к земной поверхности, что существенно улучшает слышимость звука во втором случае. Рефракция звука в верхних слоях атмосферы может привести к образованию зон молчания и зон аномальной слышимости.

Рефракция звука в океане связана с пространственными изменениями температуры, солёности и гидростатического давления. Рефракция в океане обусловливает сверхдальнее распространение звука, образование зон тени, фокусировку звука и ряд других особенностей распространения звука.

Зона молчания в акустике (зона акустической тени) область, в которой звук удалённых мощных источников (орудийная стрельба, взрыв и т.д.) не слышен, в то время как на больших расстояниях он снова появляется («зона аномальной слышимости»). Зоны молчания обычно имеют на земной поверхности форму неправильного кольца, окружающего источник звука. Иногда наблюдается две и даже три зоны молчания, разделённые зонами аномальной слышимости. Внутренний радиус 1-й зоны молчания обычно равен 20--80 км, иногда он достигает 150 км; внешний радиус может достигать 150--400 км.

Причиной образования зон молчания является рефракция звука в атмосфере: т к. температура в нижних слоях атмосферы убывает с высотой (до минус 50--75°С на высоте 15--20 км), звуковые лучи отклоняются вверх, уходя от поверхности Земли. На высоте 40--60 км температура снова повышается (до 0--30°С), лучи загибаются книзу и, огибая сверху зону молчания, возвращаются на земную поверхность, образуя зону аномальной слышимости, 2-я и 3-я зоны аномальной слышимости возникают вследствие 1- и 2-кратного отражения звуковых лучей от земной поверхности. Ветер изменяет форму звуковых лучей, что может привести к значительному искажению кольцеобразной формы зоны молчания и даже разомкнуть кольцо. Исследование аномального распространения звука является одним из методов определения температур в средней атмосфере. Аналогичное явление наблюдается часто и при распространении звука (ультразвука) в океане.

Реверберация звука. Реверберация (позднелат. reverberatio -- отражение, от лат. reverbero -- отбрасываю) - процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. В больших помещениях со слабым звукопоглощением стен наблюдается явление послезвучания. После прекращения действия источника звук исчезает не мгновенно, а постепенно замирая. Явление послезвучания называется реверберацией, время замирания звука - временем реверберации.

Воздушный объём помещения представляет собой колебательную систему с очень большим числом собственных частот. Каждое из собственных колебаний характеризуется своим коэффициентом затухания, зависящим от поглощения звука при его отражении от ограничивающих поверхностей и при его распространении. Поэтому возбуждённые источником собственные колебания различных частот затухают неодновременно.

Реверберация оказывает значительное влияние на слышимость речи и музыки в помещении, т.к. слушатели воспринимают прямой звук на фоне ранее возбуждённых колебаний воздушного объёма, спектры которых изменяются во времени в результате постепенного затухания составляющих собственных колебаний. Влияние реверберации тем более значительно, чем медленнее они затухают. В помещениях, размеры которых велики по сравнению с длинами волн, спектр собственных колебаний можно считать непрерывным и представлять реверберацию как результат сложения прямого звука и ряда запаздывающих и убывающих по амплитуде его повторений, обусловленных отражением от ограничивающих поверхностей.

Длительность реверберации характеризуется временем реверберации, т. е. временем, в течение которого интенсивность звука уменьшается в 10⁶ раз, а его уровень на 60 дб. Время реверберации -- важнейший фактор, определяющий акустическое качество помещения. Оно тем больше, чем больше объём помещения (или время свободного пробега звука) и чем меньше поглощение на ограничивающих поверхностях. Измеряют время реверберации, записывая процесс убывания уровня звука после выключения его источника.

Реверберацией называется также послезвучание, наблюдаемое в море в результате отражения и рассеяния исходного звука от дна (донная реверберация), взволнованной поверхности (поверхностная реверберация) и неоднородностей водной среды, рыб и др. биологических объектов (объёмная реверберация).

Явление реверберации звука лежит в основе работы реверберационных камер, отличительной особенностью которых является наличие в них так называемого диффузного поля.

Диффузное звуковое поле. Звуковое поле помещения в каждой точке пространства можно представить как совокупность волн, приходящих непосредственно от источника и волн, попадающих в данную точку после нескольких отражений. При изменении соотношений между длиной волны и размерами помещения, структурой и формой отражающих поверхностей, характер звукового поля, направления потоков поверхности изменяются.

При условии что: 1) размеры помещения значительно превышают среднюю длину волны, 2) стены не сильно поглощают звуковую энергию, то через произвольный элемент объема при непрерывном источнике звука в каждый момент времени будет проходить большое число отдельных волн. В результате этого звуковое поле будет иметь свойства изотропии (направления потоков энергии волн равновероятны ) и однородности (плотность акустической энергии поля по всему объему помещения постоянна).

Изотропное и однородное звуковое поле называется диффузным. Диффузное звуковое поле обладает тем свойством, что все элементарные волны этого поля некогерентны. Это означает отсутствие устойчивых явлений интерференции, что позволяет широко использовать свойства диффузного поля при акустических измерениях в реверберационных камерах.

Интерференция звука. Интерференция звука - это результат сложения двух или нескольких когерентных колебаний, воздействующих на одну и ту же точку пространства.

Явления интерференции существенным образом влияют на характер акустического поля в реальных условиях, определяют направленность распространения звука и могут серьезно изменить результаты акустических измерений. За счет интерференции в результат измерений могут быть внесены систематические ошибки, а также отсутствовать повторяемость результатов.

Наиболее сильно на результат измерений влияют используемые при измерениях синусоидальные сигналы. Это объясняется тем, что при общем источнике все синусоидальные звуковые волны (преломленные, отраженные, рассеянные) оказываются в определенной степени когерентными между собой. Поэтому непрерывные синусоидальные колебания не используют, за исключением случаев, когда можно убедиться, что в точке приема присутствует только одно колебание.

Недостаточная диффузность реверберационных камер объясняется в большинстве случаев интерференционными явлениями. Это объясняется тем, что при многократном отражении сигналов, приходящих с разных направлений со случайными фазами, из-за коррелированности фаз падающих и ораженных волн вблизи отражающих поверхностей возникают пространственные интерференционные картины.

Для повышения диффузности строят камеры непараллельными поверхностями, применяют рассеиватели (диффузоры), придают отражающим поверхностям формы нерегулярной неоднородности, изогнутости, используют сложные сигналы и т.д.

Дифракция звука. Явление дифракции широко распространено в акустике. Оно связано с тем, что в случае наличия в среде препятствий с размерами, соизмеримыми с длиной звуковой волны, уже нельзя рассматривать распространение звука на основе лучевых представлений. Необходимо рассматривать звук как волновое явление, так так звук может огибать препятствия, создавая акустическое поле там, куда не проникает прямолинейный луч от источника.

Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука и геометрическим размером D - размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром

,

где r - расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

При акустических измерениях отчетливое представление о роли дифракции совершенно необходимо. В противном случае могут быть допущены серьезные ошибки как методического характера, так и при оценке результатов измерений. Например, при измерении звукоизоляции материалов дифракционные явления зависят от соотношения между размерами пластины испытуемого материала, длиной волны звука, акустическими характеристиками образца, от характера звукового поля, вида препятствия, взаимного расположения точки измерения и препятствия и т.д. Для уменьшения влияния дифракционных явлений существует различные способы, зависящие от конкретного вида измерения.

На практике явления дифракции и интерференции взаимно связаны и существуют одновременно, что является причиной сложной картины звукового поля при измерениях.

Ключевые слова: волны, звук, инфразвук, ультразвук, гиперзвук, интерференция, дифракция.

Контрольные вопросы

1. Укажите диапазон звуковых волн.

2. Что такое инфразвук?

3. Что такое ультразвук?

4. Что такое гиперзвук?

5. Охарактеризуйте явление интерференции звука.

6. Охарактеризуйте явление дифракции звука.

3. Акустические величины и единицы измерений

Звуковые волны характеризуются скоростью распространения, звуковым давлением, интенсивностью, спектральным составом и рядом других величин.

Для образования единиц акустики, как и механики, достаточно трех основных единиц: длины L, массы M и времени T. Как правило, в акустике используется система единиц СИ. Вместе с тем на практике используются также и внесистемные единицы (децибел, фон, октава, атмосфера и др.) Перечислим здесь лишь некоторые из часто употребляемых акустических величин.

Скорость звука - фазовая скорость звуковых волн в упругой среде, обычно одинакова для всех частотных составляющих звука. Выражается в метрах в секунду (м/с). Скорость звука в воздухе при температуре 0 С и давлении 1 атм (101325 Па) равна 331 м/с.

Звуковое давление р- переменная часть давления, возникающая при прохождении звуковой волны в среде. Распространяясь в среде, звуковая волна образует ее сгущения и разрежения, которые создают добавочные изменения давления по отношению к его средним значениям в среде.

Звуковое давление представляет собой переменную часть давления, т. е. колебания давления относительно среднего значения, частота которых соответствует частоте звуковой волны. Звуковое давление -- основная количественная характеристика звука.

Звуковое давление, как и всякое давление, измеряется в паскалях (1Па = 1 ньютон на м²) и имеет размерность LMT. Иногда для характеристики звука применяется уровень звукового давления -- выраженное в дб отношение величины данного звукового давления р к пороговому значению звукового давления р_о =2·10^-5н/м². При этом число децибел N=20 lg (p/p_o).

Звуковое давление в воздухе изменяется в широких пределах -- от 10^-5 н/м² вблизи порога слышимости до 10³ н/м² при самых громких звуках, например шумах реактивных самолётов.

При значительном звуковом давлении наблюдается явление разрыва сплошности жидкости -- кавитация.

Звуковое давление следует отличать от радиационного давления звука.

Звуковое давление является наиболее важной характеристикой звука, потому что из всех акустических величин человеческое ухо воспринимает, в первую очередь, именно звуковое давление.

Акустическое радиационное давление (давление звукового излучения) - постоянное давление, испытываемое телом, находящимся в стационарном звуковом поле. Радиационное давление звука не следует смешивать со звуковым давлением, представляющим собой периодически меняющееся давление в среде, в которой распространяется звуковая волна.

Давление звука пропорционально плотности звуковой энергии и, следовательно, квадрату звукового давления. Оно мало по сравнению со звуковым давлением; так, например, в звуковом поле в воздухе, в котором звуковое давление равно 10² н/м², при нормальном падении звуковой волны на полностью отражающее звук препятствие Давление звука приблизительно равно 0,1 н/м². Измерение радиационного давления звука производится радиометром. Зная величину давления звука, можно определить абсолютное значение интенсивности звука в данной среде.

Звуковая энергия W - энергия колебательного движения частиц упругой среды, заполняющей область звукового поля. Как и любая другая энергия, звуковая энергия выражается в джоулях (дж) и имеет размерность LMT.

Плотность звуковой энергии w=dW/dV имеет размерность LMTи единицу измерения дж/м.

Поток звуковой энергии P=dW/dt, также как и звуковая мощность P=dW/dt - все эти энергетические величины выражаются в ваттах (Вт) и имеет размерность LMT.

Интенсивность звука (плотность звуковой мощности), называемая также силой звука, - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени: I=dР/dS, имеет размерность МТ.

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность звука

I = pv/2 = p²/2rc,

где р -- амплитуда звукового давления, v -- амплитуда колебательной скорости, r -- плотность среды, с -- скорость звука в ней. В сферической бегущей волне интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в вт/м². Интенсивность звука оценивается также уровнем интенсивности по шкале децибел; число децибел

N = 10 lg (I/I₀),

где I -- интенсивность данного звука, I₀ = 10^-12 вт/м².

Интенсивность звука и выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м).

Акустическое сопротивление - физическая величина, аналогичная сопротивлению электрической цепи. Имеет размерность LMT и выражается в паскаль-секундах на кубический метр.

Спектр звука - частотная характеристика звука, описывающая его спектральный состав по отношению к какой-либо акустической величине (обычно звуковому давлению силе звука и т.д.). Как правило, в акустической практике приходится иметь дело со сплошными спектрами, когда энергия звуковых колебаний распределяется непрерывно в определенном диапазоне частот. Вместе с тем, при решении определенных задач (градуировка, прием-передача калибровочных сигналов и т.д.) возникает необходимость в использовании линейчатых - дискретных частотных составляющих спектра.

Некоторые акустические величины, связанные с восприятием звука человеком (интенсивность звука, звуковое давление, затухание звуковых волн и др.), имеют экспоненциальный характер изменения и вследствие этого могут изменяться по величине в очень широких пределах - на несколько порядков.

В свою очередь, человеческое ухо обладает огромным диапазоном восприимчивости: оно улавливает тишайший шелест листвы и одновременно выдерживает сотрясающие удары грома. Эта способность слухового восприятия человека описана в эмпирическом психофизиологическом законе Вебера-Фехнера следующим образом: ощущение пропорционально логарифму раздражения.

Если воздействие возрастает в 10 раз, его десятичный логарифм увеличивается на единицу и ощущение возрастает также на некоторую единицу. А при росте воздействия в миллион раз его логарифм, а вместе с тем и ощущение возрастают всего лишь на шесть тех же единиц. Из этого факта следует важный вывод: психофизиологический закон обусловливает изменение амплитуды и частоты воспринимаемых звуков в столь широких пределах, что использовать линейные шкалы практически невозможно и необходимо прибегать к логарифмическому масштабу. Но этот же закон делает применение в акустике логарифмических величин и их единиц вполне естественным.

Относительный уровень акустической величины с использованием логарифмического масштаба определяется как логарифм отношения данного значения Х величины к пороговому (исходному) значению Х этой величины. принятому за начало отсчета:

уровень величины = lg Х/Х .

Например, уровень интенсивности звука - это десятичный логарифм отношения данного значения интенсивности звука I к пороговому значению I интенсивности звука.

Относительный уровень обозначают буквой L с индексом, указывающим на вид акустической величины, например Lp - уровень звукового давления. В качестве исходных уровней принимают следующие:

o уровень звукового давления - 20 мкПа;

o уровень звуковой мощности - 10^-12 Вт;

o уровень интенсивности звука - 0,01 Вт/м².

При необходимости указать исходную величину ее значение помещают в скобках после обозначения логарифмической величины и букв re (начальные буквы слова referens). Например, для уровня звукового давления L_p (re 20 мкПа)=20 дБ.

При использовании логарифмических величин для уровня величины указываются основание логарифмов (десять, корень квадратный из десяти, два и т.д.), пороговое значение величины и сам параметр (уровень звукового давления, уровень интенсивности звука и т.д.). Для количественной оценки уровней и других логарифмических величин применяются единицы бел и децибел.

Бел имеет два разных значения: одно - с основанием логарифма, равным десяти, а второе - с основанием, равным корню квадратному из десяти. Десятичное основание логарифма применяется для энергетических величин, а основание - для силовых величин.

Бел (Б) есть возрастание энергетической величины (звуковой мощности Р, энергии W, интенсивности I или другой энергетической величины) в 10 раз:

1 бел = lg (Р₂/Р₁) при Р₂ = 10 Р₁. (1.2.1)

Поскольку энергетические величины пропорциональны квадратам силовых величин (звукового давления, электрического тока и т.п.), бел также представляет возрастание силовой величины в = 3,162 раза.

Однако на практике наибольшее распространение получил не бел, а его дольная единица - децибел (дБ): 1дБ = 0,1 Б.

Децибел соответствует изменению энергетической величины в 10^0,1 = = 1,259 раза или силовой величины в = 1,121 раза. Существует также самостоятельное определение децибела: децибел - уровень звукового давления р, для которого выполняется соотношение 20 lg (р/р₀) = 1, где р₀ - пороговое звуковое давление, равное 20 мкПа.

МЭК рекомендует следующие применения логарифмических величин.

Звуковая мощность - это количество звуковой энергии, излучаемой в единицу времени в ваттах.

Уровень звуковой мощности - логарифм отношения данной звуковой мощности к исходной звуковой мощности. Уровень звуковой мощности в децибелах равен десятикратному логарифму при основании, равном десяти от этого отношения:

L_p = 10 lg(P/P₀),

где Р звуковая мощность, Вт, Р₀ пороговая звуковая мощность, Р₀ = 10^-12 Вт = 1 пВт, если нет другого указания.

Так как мощность акустического сигнала пропорциональна квадрату его амплитуды (мощность звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления), то усилению амплитуды сигнала в один бел соответствует величина

.

Один децибел, соответствующий изменению амплитуды в у 10 раз, представляет сравнительно малую величину. Поэтому в децибелах

. (1.2.2)

Если бы А (щ) было отношением мощностей, то перед логарифмом в правой части (1.2.2) должен был бы стоять множитель 10. Так как А (щ) представляет собой отношение не мощностей, а выходной и входной величин (перемещений, скоростей, напряжений, токов и т. п.), то увеличение этого отношения в десять раз будет соответствовать увеличению отношения мощностей в сто раз, что соответствует двум белам или двадцати децибелам. Поэтому в правой части (1.2.2) стоит множитель 20.

Уровень интенсивности звука (уровень плотности потока звукового давления) - логарифм отношения данной интенсивности звука в указанном направлении к исходной интенсивности. Уровень интенсивности в децибелах равен десятикратному логарифму при основании, равном десяти от этого отношения. Если нет другого указания, за исходную интенсивность звука принимают 1 пВт/м².

Уровень звукового давления - логарифм отношения данного звукового давления к исходному звуковому давлению. Уровень звукового давления в децибелах равен двадцати логарифмам этого отношения при основании, равном десяти. Если нет другого указания, тот за исходное звуковое давление в воздухе принимают 20 мкПа и 1 мкПа в других средах и предполагается, что звуковые давления выражены через средние квадратичные значения.

Помимо объективных акустических характеристик существуют также субъективные характеристики звука, характеризующие слуховое восприятие звуков человеком. К ним относятся: громкость звука, порог слышимости, порог болевого ощущения и другие.

Громкость звука - величина, характеризующая уровень слухового ощущения звука. Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления (интенсивности звука), от частоты и формы звуковых колебаний. При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растет с увеличением звукового давления. Наибольшей чувствительностью человек обладает к звукам в интервале частот 1 - 5 кГц.

Громкость звука данной частоты оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц, вводя для этого логарифмическую величину «уровень громкости». Уровень громкости оценивают в фонах.

Фон есть уровень громкости, для которого уровень звукового давления равногромкого с ним звука стандартного чистого тона с частотой 1000 Гц равен 1 дБ. Для стандартного тона уровень громкости в фонах совпадает с уровнем звукового давления в децибелах.

Порог слышимости - звуковое давление, при котором слышны самые слабые звуки данной частоты. Наименьший порог слышимости соответствует частотам в интервале 1 - 5 Г кГц.

Порог болевого ощущения - звуковое давление, при котором нормальное слуховое ощущение переходит в болезненное раздражение органов слуха. В диапазоне частот 1 - 5 кГц порог болевого ощущения составляет около 120 дБ.

Ключевые слова: скорость звука, звуковое давление, плотность звуковой энергии, поток звуковой энергии, интенсивность звука, акустическое сопротивление, спектр звука, психофизиологический закон, уровень акустической величины, логарифмическая величина, логарифм, бел, децибел, громкость, порог слышимости, порог болевого ощущения.

Контрольные вопросы

1. Укажите диапазон звуковых волн.

2. Перечислите акустические величины и укажите единицу измерения.

3. Что такое спектр звука?

4. В чем состоит психофизиологический закон Вебера-Фехнера?

5. Почему в акустике целесообразно использовать логарифмические величины?

6. Что такое относительный уровень акустической величины?

7. Что такое бел?

8. Что такое децибел и как он связан с белом?

9. Дайте определение уровня звуковой мощности, уровня интенсивности звука, уровня звукового давления.

10. Что такое громкость звука?

11. Что такое порог слышимости?

12. Что такое порог болевого ощущения?

4. Акустические сигналы

Под акустическим сигналом обычно понимаются сигналы, проходящие через электроакустический преобразователь как в режиме приема, так и в режиме излучения звука. Если считать в первом приближении электроакустический тракт преобразования акустического сигнала, включающий в себя электроакустический преобразователь и связанные с ним электронные компоненты, линейным звеном, то вполне допустимо считать зависимость между звуком и соответствующим ему электрическим сигналом линейной. Такое предположение, вполне обоснованное с технической точки зрения, позволяет отождествить звуковой и соответствующий ему электрический сигнал с единым понятием акустического сигнала.

Акустические сигналы отличаются большим разнообразием сообразно существующему разнообразию звуков, с одной стороны, и разнообразию видов электрических сигналов, - с другой. В теории обработки сигналов в общем случае все существующее разнообразие сигналов принято разделять на детерминированные и случайные.

Детерминированные сигналы, генерируемые электроакустической аппаратурой, определяются назначением и проектными конструкторскими решениями используемой аппаратуры. Детерминированные сигналы в зависимости от классификационного признака подразделяются на:

- периодические и непериодические;

- непрерывные и импульсные;

- модулированные и немодулированные и по многим другим признакам.

Периодические сигналы можно разделить на гармонические и периодические сигналы сложной формы, имеющие спектр из ряда дискретных частотных составляющих. Гармонические сигналы чрезвычайно широко используются в акустике для описания различных акустических явлений, включая спектры звуковых сигналов, интерференцию и дифракцию звука, распространения звука в различных средах и многих других приложениях. С другой стороны, гармонические сигналы чрезвычайно широко используются и в акустической измерительной аппаратуры для характеристики спектров электрических сигналов, частотных характеристик и многих других параметров электроакустических устройств и систем.

Периодические сигналы сложной формы используются в электронной аппаратуре как рабочие сигналы, а также являются одной из разновидностей измеряемых акустических сигналов.

Непрерывные сигналы представляют собой широко распространенный тип измеряемого акустического сигнала и охватывают собой очень широкий круг как детерминированных, так и случайных сигналов.

Импульсные сигналы наиболее широко используются в звуколокационной аппаратуре, работа которой основана на посылке и приеме отраженного акустического импульса.

В электронных трактах акустической аппаратуры весьма распространено использование модулированных электрических сигналов. При этом используются следующие виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая, широтно-импульсная, амплитудно-импульсная и другие виды модуляции. Модулированные сигналы находят применение в акустической аппаратуре благодаря тому, что позволяют обеспечить помехоустойчивость при приеме отраженных акустических сигналов.

Случайные сигналы классифицируются в теории случайных процессов на стационарные и нестационарные, эргодические и неэргодические и т.д. Теория случайных процессов находит в акустических измерениях чрезвычайно широко применение как при обработке акустических сигналов, так и при проектировании акустической аппаратуры и обработке результатов измерений. Методы корреляционного и спектрального анализа являются обычным рабочим инструментом при обработке акустических сигналов.

Выбор того или иного сигнала связан, прежде всего, с построением моделей акустических сигналов, описывающих различные звуки и акустические явления. Так, например, гармонические сигналы используются при анализе вибраций производственных машин, случайные сигналы типа белого или окрашенного шума используются при анализе сложных акустических шумов, нестационарные сигналы описывают изменяющиеся во времени звуковые явления и процессы однократного действия, импульсные сигналы находят применение при измерении акустических сигналов импульсного характера и т.д.

При акустических измерениях тип и параметры излучаемого сигнала выбирают также исходя из условия минимальности влияния отраженных сигналов на результаты измерений. В первую очередь, это обусловлено интерференционными явлениями, связанными со сложением прямых и отраженных волн.

На практике применяют гармонический, частотно-модулированный (воющий тон), случайный сигнал типа полос белого шума и импульсный акустические сигналы. Ниже рассматриваются допустимые условия их применения в излучателе звука в предположении, что измерения проводят в открытом пространстве при наличии только одной полностью отражающей плоскости.

В случае использования гармонического сигнала разница между прямым и отраженным сигналами должна составлять не менее 20дБ, т.е. соответствовать соотношению амплитуд прямого и отраженного сигналов не менее 10:1. Условие пренебрежения отраженным сигналом выражается равенством

,

где r₂ - расстояние между излучателем и отражающей плоскостью, r₁ - расстояние излучатель - приемник.

Для излучаемого некогерентного сигнала типа белого шума разница между прямым и отраженным сигналами должна составлять не менее 10 дБ, т.е. соответствовать уменьшению отраженного сигнала по отношению к прямому не менее чем в 3.16 раза. Условие пренебрежения отраженным сигналом выражается равенством

,

Как видно, применение некогерентного излучения приводит к увеличению зоны измерений по отношению к отражающей поверхности.

Для импульсного сигнала получение узкой спектральной области выражается через обеспечение минимальной длительности импульса, равной

где f₀ - частота следования импульсов.

Влияние отраженных сигналов устраняется разделением во времени этих сигналов. Условие разделения имеет вид (с - скорость света):

.

Наилучшие условия измерений, при которых влияние звукового поля сведено к минимуму, создаются в свободном поле, когда можно пренебречь влиянием отраженных волн. На практике же трудно избежать влияния шумов, поэтому для проведения точных акустических измерений в свободном поле применяют специально оборудованные измерительные помещения - глухие (заглушенные) и гулкие (реверберационные) камеры.

Практика показала, что для ряда типовых акустических измерений существуют сигналы, с которыми можно получить надежные и устойчивые результаты [1].

Поглощение материалов в реверберационных камерах лучше всего измерять полосами белого шума, акустические характеристики в трубах - с помощью импульсных сигналов, в некоторых случаях с помощью стоячих волн, т.е. гармонических сигналов. Частотно-модулированные сигналы используют в автоматизированных установках для получения частотной характеристики акустических устройств. Резонансные характеристики и электрические характеристики элементов акустических устройств определяют при помощи гармонических колебаний.

Ключевые слова: акустические сигналы, детерминированный, периодический, непериодический, импульсный, модулированный, случайный, гармонический, частотно-модулированный.

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику детерминированным сигналам.

2. Дайте характеристику случайным сигналам.

3. Объясните условия минимальности влияния отраженных сигналов на результаты измерений.

5. Акустические шумы

Акустические шумы - беспорядочные колебания частиц среды, в частности воздуха, отличающиеся сложностью временной и спектральной структурой. Источниками акустического слышимого и неслышимого шума, как и источником любого звука, могут быть любые колебания в твердых, жидких и газообразных средах.

Практически во всех отраслях производства шум является ним из основных вредных факторов. По данным статистики профессиональное заболевание "снижение слуха" занимает первое место среди всех профессиональных заболеваний

Характер шума зависит от вида источника. Различают:

1. Механический шум, возникающие в результате движения отдельных деталей и узлов машин или механизмов с неуравновешенными массами, особенно сильный в неисправных системах;

2. Ударный шум, возникающий при некоторых технологических процессах;

3. Аэродинамический шум, возникающий при больших скоростях движения газообразных сред;

4. Взрывной или импульсный шум, возникающий при работе двигателей внутреннего сгорания.

Шум может характеризоваться физическими и физиологическими параметрами. С физической стороны шум характеризуется звуковым давлением, интенсивностью (силой) звука, плотностью звуковой энергии, уровнем звукового давления, частотой и плотностью дискретных составляющих и другими параметрами.

Шум, как физиологическое явление, характеризуется высотой, громкостью, областью возбужденных частот или тембром и продолжительностью действия.

Для анализа шума, его нормирования используют спектр шума. Частотный спектр шума - это зависимость уровня звукового давления от частоты. Спектр разбивается на активные полосы - октавы, так что отношение верхней границы частоты полосы к нижней равно 2, т.е.

f₂/f₁ = f₃/f₂ = … = f_n-1/f_n = 2

Характеристикой частоты в активной полосе принимается средняя геометрическая частота

.

В зависимости от характера шума его спектр может быть линейчатым или дискретным, непрерывным или сплошным, смешанным или линейчато-непрерывным.

По характеру спектра шум делится на:

широкополосный с непрерывном спектром шириной более одной октавы;

тональный, в спектре, которого имеются выраженные дискретные тона, т.е. уровень звукового давления в одной треть октавной полосе превышает над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шум следует подразделять на:

постоянный, уровень звука, которого за рабочую смену (8-часовой день) изменяется во времени не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике «медленно» шумомера, в противном случае шум считается непостоянным;

непостоянный шум, который, в свою очередь, подразделяют на:

колеблющийся во времени, уровень звука которого непрерывно изменяются во времени;

прерывистый, уровень звука которого ступенчато изменяется, причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

импульсный, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровне звука, измеренные на временных характеристиках «импульс» (в дБАУ) и «медленно» (в дБА) шумолора отличаются не менее чем на 7 дБ.

По вероятностно-статистическим характеристикам шумы подразделяются на статистически стационарные и нестационарные. Практически наблюдаемый шум, возникающий в результате множества отдельных независимых источников, является квазистационарным. Шум с медленно меняющимися параметрами или длящийся короткие промежутки времени (меньше чем время усреднения в измерительных средствах) является нестационарным.

...