де T- час усереднення, dP- потік звукової енергії, що переноситься через майданчик dS.

Використовується також фізична величина миттєва інтенсивність звуку, що є миттєвезначення потоку звукової енергії через одиничний майданчик, розташовану перпендикулярно напрямку поширення звуку:

$I(t)\; =\; frac(dP(t))(dS).$

Для плоскої хвилі інтенсивність звуку може бути виражена через амплітуду звукового тиску p 0та коливальну швидкість v:

$I\; =\; (p\_0v\; \backslash over\; 2)\; =\; (v^2Z\_S\; \backslash over\; 2)\; =\; (p\_0^2\; \backslash over\; 2Z\_S),$

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Інтенсивність звуку"

Примітки

Література

• Інтенсивність звуку (сила звуку) // Велика Радянська енциклопедія (30 т.) / А. М. Прохоров (гл. ред.). - 3-тє вид. – М.: Рад. енциклопедія, 1972. - Т. X. - С. 315-316. – 592 с.

Уривок, що характеризує інтенсивність звуку

Інтенсивність звуку (сила звуку)

Інтенсивністюзвуку називається фізична величина, що дорівнює середньої за часом енергії, що переноситься за одиницю часу звуковою хвилею через одиничний майданчик, орієнтований перпендикулярно напрямку поширення хвилі (щільність потоку енергії). Для періодичного звуку усереднення проводиться або проміжок часу, великий проти періодом, або за ціле число періодів.

Для плоскої гармонійної хвилі інтенсивність звуку дорівнює:

де – амплітуда звукового тиску; - Амплітуда швидкості коливань; - щільність середовища, в якому поширюється звук; - Швидкість звуку в середовищі (фазова або групова, якщо дисперсія мала, то швидкості практично збігаються).

У міжнародній системі одиниць СІ інтенсивність звуку вимірюється у .

Рівень інтенсивності

Рівень інтенсивності- Оцінна величина інтенсивності, виражена в децибелах (дБ). Число децибел N дорівнює:

(2)

де - Інтенсивність даного звуку, - Порогова інтенсивність.

Порогова інтенсивність

Порогова інтенсивність- Інтенсивність, що відповідає порогу чутливості вуха людини. За граничну інтенсивність прийнята величина:

(3)

Інший кількісною характеристикою звуку є ефективний звуковий тиск, т.к. людина фізіологічно сприймає інтенсивність звуку як тиск, який надають звукові хвилі органи слуху. Кількісним заходом у разі служить і рівень звукового тиску . Слід розрізняти звуковий тиск від тиску звуку. Тиск звукового випромінювання (інакше – тиск звуку, радіаційний тиск) – постійний тиск, який відчуває тіло, що у стаціонарному звуковому полі. Тиск звукового випромінювання пропорційний щільності звукової енергії. Воно мало порівняно зі звуковим тиском. Звуковий тиск у кілька сотень разів більший за тиск звуку.

Ефективний звуковий тиск- Ефективне (або діюче) значення звукового тиску (середньоквадратичне):

(4)

Див. формулу (1).

Рівень звукового тиску

Рівень звукового тиску- Оцінна величина тиску, що виражається в білах (Б) або децибелах (дБ):

(5)

де – умовний поріг чутності; k – нормувальний коефіцієнт. Якщо k=1, рівень звукового тиску вимірюється в білах (Б); якщо k=10, то рівень звукового тиску вимірюється дБ.

Умовний поріг чутності

Умовний поріг чутностізадається як числове значення звукового тиску при частотах 1,5 - 3 кГц, що дорівнює

Докладніше теорію можна прочитати в методичних вказівках «Шуми і вібрації», а також у списку літератури, що додається в кінці даної роботи.

Опис приладу

Універсальний прилад SLM 329 (Sound Level Meter 329) дозволяє виміряти рівень ефективного звукового тиску в широкому діапазоні. Межі вимірювань та специфікація приладу наведено у таблиці 1. Крок вимірювань та приладова похибка наведено у таблиці 2.

Прилад не можна експлуатуватив умовах:

підвищеної вологості;

підвищеної температури (більше);

при прямих яскравих променях Сонця; при попаданні яскравого світла або помітному нагріванні рідкокристалічний дисплей може стати чорним, а сам прилад не придатним для вимірювання. Однак якщо екстремальні умови все ж таки не призвели до псування приладу, то після остигання протягом 1-2 годин прилад знову буде готовий до роботи;

сильного запилення або поруч із відкритим вогнем;

під час грози або у районі сильних електромагнітних полів.

Перед початком роботи прилад повинен досягти кімнатної температури, тому, принісши його з морозу, не починайте вимірювання відразу, зачекайте, поки прилад нагріється.

Живлення здійснюється від батареї 9 вольт. Коли ресурс батареї закінчується, у лівій частині дисплея з'являється значок. Необхідно змінити батарею. Зміна батарейки проводиться лише лаборантом або викладачем.

Ніколи не вмикайте пристрій, коли відкрито відсік батареї.

Таблиця 1

Технічні характеристики та межі вимірювань SLM 329 (спеціфікація приладу)

№	Параметр	Значення
	Дисплей	Рідкокристалічний чотирирозрядний
	Максимальна швидкість вимірювань	2 виміри на секунду
	Діапазон	Від 40 дБ до 130 дБ
	Частоти вимірюваних сигналів	Від 125 Гц до 8 кГц
	Час проведення одного виміру	У режимі FAST 125 мс, у режимі SLOW 1 с
	Робоча температура	Від до
	Відносна вологість	Від 10% до 75%, конденсат не допустимий
	Оптимальна температура для проведення вимірювань
	Індикація необхідності заміни батарейки	Якщо напруга батареї падає до рівня нижче 7,5 В, на дисплеї з'являється значок
	Рекомендовані батареї	NEDA 1604 9V або 6F22 9V («Крона»)
	Час безперервної роботи без заміни живлення	У безперервному режимі вимірювань час роботи не більше 10 годин
	Вага	170 г з батареєю
	Розміри: довжина ширина висота	231 53 33 мм

Таблиця 2

Крок та точність вимірювань

Елементи управління

1 – ємнісний мікрофон,

2, 4 – цифровий рідкокристалічний дисплей,

3 – клавіша включення (увімкнути/вимкнути) (ON/OFF),

5 – клавіша для встановлення фільтрів: "А" для звичайних звукових сигналів, "С" - для сигналів низької частоти або містять низькочастотні компоненти,

6- клавіша «Швидко/Повільно» (FAST/SLOW) для встановлення швидкості вимірювань: «Швидко» (FAST) для нормального режиму, «Повільно» (SLOW) для вимірювання сигналів з інтенсивністю, що збільшується або зменшується,

7 – клавіша Рівень (LEVEL) для перемикання діапазонів вимірювань (40 дБ, 70 дБ) (60 дБ, 90 дБ) (80 дБ, 110 дБ) (100 дБ, 130 дБ),

8 - тумблер "CAL" для калібрування.

Порядок увімкнення приладу та встановлення необхідних режимів вимірювань

1. Щоб увімкнути пристрій, натисніть клавішу - верхня на передній панелі. Цією ж кнопкою вимкніть прилад після закінчення вимірювань.

2. Увімкніть максимальний сигнал клавішею MAX – друга зверху на передній панелі. Індикація увімкненого режиму знаходиться на дисплеї праворуч вгорі. Якщо індикація з якихось причин зникла, натисніть клавішу ще раз. Вона з'явиться, а режим увімкнеться.

3. Далі необхідно встановити фільтр. Якщо у досліджуваному сигналі не передбачається низькочастотних компонентів, то натисканням клавіші A/C треба встановити фільтр А. Якщо передбачається проводити вимірювання сигналів низької частоти або містять низькочастотну компоненту, то тією ж клавішею треба встановити фільтр С. Індикація встановленого фільтра розташована праворуч на дисплеї.

4. Встановіть швидкість вимірювання за допомогою клавіш FAST/SLOW. Як правило, для проведення вимірювань зручний режим FAST. Але якщо передбачається, що інтенсивність сигналу може змінюватися у процесі вимірювання, необхідно встановити режим SLOW. Індикація на дисплеї праворуч угорі.

5. Необхідно вибрати діапазон вимірів. Вибір здійснюється клавішею LEVEL. Індикація внизу дисплея. До отримання результатів вимірювання та уточнення діапазону можна орієнтуватися на такі рівні звуку:

(40 дБ, 70 дБ) - звичний "домашній" рівень: розмова, працюючий телевізор, тихі побутові прилади;

(60 дБ, 90 дБ) – технічні звуки, наприклад, працюючий дриль, пилосос, автомобілі, що проїжджають близько, та ін.;

(80 дБ, 110 дБ) – це вже досить гучні звуки, наприклад спортивний мотоцикл, автомобіль без глушника, автомобіль, який їздить у режимі «Формули-1» тощо;

(100 дБ, 130 дБ) – рівень звуків на межі больових відчуттів, при яких не чутно співрозмовника – літак, що літає, ревучий турбодвигун, канонада, постріли з рушниці, гарматний феєрверк прямо «над вухом». Звуки такого рівня можуть бути небезпечними для слухових органів. Тому, якщо Ви маєте намір проводити вимірювання в даному діапазоні, для безпеки використовуйте спеціальні навушники.

Для забезпечення правильності роботи приладу його потрібно калібрувати щорічно.

Процес калібрування

Як джерело звукового сигналу використовується джерело з рівнем ефективного звукового тиску 94 дБ, частотою 1 кГц і синусоїдальної форми імпульсів. Для проведення вимірювань встановлюються такі режими:

фільтр А,

час вимірів FAST,

режим вимірювання без індикації MAX,

діапазон (80 дБ, 110 дБ).

Праворуч збоку розташоване маленьке гніздо для ключа, яким можна провести калібрування, повертаючи який можна досягти показань на дисплеї до 94 дБ.

Калібрування приладу проводить лише лаборант.

Порядок виконання роботи

Лютий 18, 2016

Світ домашніх розваг досить різноманітний і може включати: перегляд кіно на хорошій домашній кінотеатральній системі; захоплюючий та захоплюючий ігровий процес або прослуховування музичних композицій. Як правило, кожен знаходить щось своє в цій галузі, або поєднує все одразу. Але якими б не були цілі людини з організації свого дозвілля і в яку крайність не вдарялися - всі ці ланки міцно пов'язані одним простим і зрозумілим словом - "звук". Справді, у всіх випадках нас буде вести за ручку звуковий супровід. Але питання це не таке просте і тривіальне, особливо в тих випадках, коли з'являється бажання досягти якісного звучання в приміщенні або будь-яких інших умовах. Для цього не завжди обов'язково купувати дорогі hi-fi або hi-end компоненти (хоча буде вельми доречним), а буває достатнім гарне знання фізичної теорії, яка здатна усунути більшість проблем, що виникають у всіх, хто поставив за мету отримати озвучення високої якості.

Далі буде розглянуто теорію звуку та акустики з погляду фізики. В даному випадку я постараюся зробити це максимально доступно для розуміння будь-якої людини, яка, можливо, далека від знання фізичних законів або формул, але пристрасно мріє втіленням мрії створення досконалої акустичної системи. Я не беруся стверджувати, що для досягнення хороших результатів у цій галузі в домашніх умовах (або в автомобілі, наприклад) необхідно знати ці теорії досканально, проте розуміння основ дозволить уникнути безліч дурних і абсурдних помилок, а також дозволить досягти максимального ефекту звучання від системи будь-якого рівня.

Загальна теорія звуку та музична термінологія

Що ж таке звук? Це відчуття, яке сприймає слуховий орган "вухо"(саме собою явище існує і без участі «вуха» в процесі, але так простіше для розуміння), що виникає при збудженні барабанної перетинки звуковою хвилею. Вухо у разі виступає у ролі " приймача " звукових хвиль різної частоти.
Звукова хвиляж є по суті послідовний ряд ущільнень і розряджень середовища (найчастіше повітряного середовища в нормальних умовах) різної частоти. Природа звукових хвиль коливальна, викликана і вироблена вібрацією будь-яких тіл. Виникнення та поширення класичної звукової хвилі можливе у трьох пружних середовищах: газоподібних, рідких та твердих. При виникненні звукової хвилі в одному з цих типів простору неминуче виникають деякі зміни в середовищі, наприклад, зміна щільності або тиску повітря, переміщення частинок повітряних мас і т.д.

Оскільки звукова хвиля має коливальну природу, то вона має така характеристика, як частота. Частотавимірюється в герцах (на честь німецького фізика Генріха Рудольфа Герца), і позначає кількість коливань за період часу, що дорівнює одній секунді. Тобто. наприклад, частота 20 Гц позначає цикл 20 коливань за одну секунду. Від частоти звуку залежить суб'єктивне поняття його висоти. Чим більше звукових коливань відбувається за секунду, тим вище здається звучання. У звукової хвилі також є ще одна найважливіша характеристика, що має назву - довжина хвилі. Довжиною хвиліприйнято вважати відстань, яка проходить звук певної частоти за період, що дорівнює одній секунді. Наприклад, довжина хвилі найнижчого звуку в чутному діапазоні людини частотою 20 Гц становить 16,5 метрів, а довжина хвилі найвищого звуку 20000 Гц становить 1,7 сантиметра.

Людське вухо влаштоване таким чином, що здатне сприймати хвилі лише в обмеженому діапазоні, приблизно 20 Гц - 20000 Гц (залежить від особливостей конкретної людини, хтось здатний чути трохи більше, хтось менше). Таким чином, це не означає, що звуків нижче або вище за ці частоти не існує, просто людським вухом вони не сприймаються, виходячи за кордон чутного діапазону. Звук вище чутного діапазону називається ультразвуком, звук нижче чутного діапазону називається інфразвуком. Деякі тварини здатні сприймати ультра та інфра звуки, деякі навіть використовують цей діапазон для орієнтування у просторі (кажани, дельфіни). У разі, якщо звук проходить через середовище, яке безпосередньо не стикається з органом слуху людини, такий звук може бути не чуємо або сильно ослабленим згодом.

У музичній термінології звуку є такі важливі позначення, як октава, тон і обертон звуку. Октаваозначає інтервал, в якому співвідношення частот між звуками становить 1 до 2. Октава зазвичай дуже добре помітна на слух, тоді як звуки в межах цього інтервалу можуть бути дуже схожими один на одного. Октавой також можна назвати звук, який робить удвічі більше коливань, ніж інший звук, в однаковий часовий період. Наприклад, частота 800 Гц, є ні що інше, як вища октава 400 Гц, а частота 400 Гц у свою чергу є наступною октавою звуку частотою 200 Гц. Октава у свою чергу складається з тонів та обертонів. Змінні коливання в гармонійній звуковій хвилі однієї частоти сприймаються людським вухом як музичний тон. Коливання високої частоти можна інтерпретувати як звуки високого тону, коливання низької частоти як звуки низького тону. Людське вухо здатне чітко відрізняти звуки з різницею один тон (в діапазоні до 4000 Гц). Незважаючи на це, в музиці використовується дуже мало тонів. Пояснюється це з міркувань принципу гармонійної співзвучності, все ґрунтується на принципі октав.

Розглянемо теорію музичних тонів з прикладу струни, натягнутої певним чином. Така струна, залежно від сили натягу, матиме налаштування на якусь одну конкретну частоту. При дії на цю струну чимось із однією певною силою, що викличе її коливання, стабільно спостерігатиметься якийсь один певний тон звуку, ми почуємо шукану частоту налаштування. Цей звук називається головним тоном. За основний тон у музичній сфері офіційно прийнято частоту ноти "ля" першої октави, що дорівнює 440 Гц. Однак більшість музичних інструментів ніколи не відтворюють одні чисті основні тони, їх неминуче супроводжують призвуки, іменовані обертонами. Тут варто згадати важливе визначення музичної акустики, поняття тембру звуку. Тембр- це особливість музичних звуків, які надають музичним інструментам та голосам їх неповторну впізнавану специфіку звучання, навіть якщо порівнювати звуки однакової висоти та гучності. Тембр кожного музичного інструменту залежить від розподілу звукової енергії обертонами в момент появи звуку.

Обертони формують специфічне забарвлення основного тону, яким ми легко можемо визначити й дізнатися конкретний інструмент, а як і чітко відрізнити його звучання від іншого інструмента. Обертони бувають двох типів: гармонійні та негармонічні. Гармонічні обертониза визначенням кратні частоті основного тону. Навпаки, якщо обертони не кратні і помітно відхиляються від величин, вони називаються негармонічними. У музиці практично виключається оперування некратними обертонами, тому термін зводиться до поняття "обертон", маючи на увазі гармонічний. У деяких інструментів, наприклад, фортепіано, основний тон навіть не встигає сформуватися, за короткий проміжок відбувається наростання звукової енергії обертонів, а потім так само стрімко відбувається спад. Багато інструментів створюють так званий ефект "перехідного тону", коли енергія певних обертонів максимальна в певний момент часу, зазвичай на самому початку, але потім різко змінюється і переходить до інших обертонів. Частотний діапазон кожного інструменту можна розглянути окремо, і він зазвичай обмежується частотами основних тонів, який здатний відтворювати цей конкретний інструмент.

Теоретично звуку також є таке поняття як ШУМ. Шум- це будь-який звук, який створюється сукупністю неузгоджених між собою джерел. Всім добре знайомий шум листя дерев, колихається вітром і т.д.

Від чого залежить гучність звуку?Очевидно, що подібне явище безпосередньо залежить від кількості енергії, що переноситься звуковою хвилею. Для визначення кількісних показників гучності існує поняття - інтенсивність звуку. Інтенсивність звукувизначається як потік енергії, що пройшов через якусь площу простору (наприклад, см2) за одиницю часу (наприклад, за секунду). При звичайній розмові інтенсивність становить приблизно 9 або 10 Вт/см2. Людське вухо здатне сприймати звуки досить широкого діапазону чутливості, у своїй сприйнятливість частот неоднорідна не більше звукового спектра. Так найкраще сприймається діапазон частот 1000 Гц - 4000 Гц, який найбільш широко охоплює людську мову.

Оскільки звуки настільки сильно різняться за інтенсивністю, зручніше розглядати її як логарифмічну величину та вимірювати в децибелах (на честь шотландського вченого Олександра Грема Белла). Нижній поріг слухової чутливості людського вуха становить 0 Дб, верхній 120 Дб, він ще називається "больовий поріг". Верхня межа чутливості також сприймається людським вухом не однаково, а залежить від конкретної частоти. Звуки низьких частот повинні мати набагато більшу інтенсивність, ніж високі, щоб викликати больовий поріг. Наприклад, больовий поріг на низькій частоті 31,5 Гц настає при рівні сили звуку 135 дБ, коли на частоті 2000 Гц відчуття болю з'явиться вже при 112 дБ. Є також поняття звукового тиску, яке фактично розширює звичне пояснення поширення звукової хвилі повітря. Звуковий тиск- це змінний надлишковий тиск, що виникає в пружному середовищі в результаті проходження через неї звукової хвилі.

Хвильова природа звуку

Щоб краще зрозуміти систему виникнення звукової хвилі, уявімо класичний динамік, що знаходиться в трубі, наповненій повітрям. Якщо динамік здійснить різке рух уперед, повітря, що у безпосередній близькості дифузора на мить стискається. Після цього повітря розшириться, штовхаючи тим самим стисну повітряну область вздовж труби.
Ось цей хвильовий рух і буде згодом звуком, коли досягне слухового органу і збудить барабанну перетинку. У разі звукової хвилі у газі створюється надлишковий тиск, надлишкова щільність і відбувається переміщення частинок з постійною швидкістю. Про звукові хвилі важливо пам'ятати те, що речовина не переміщається разом із звуковий хвилею, а виникає лише тимчасове обурення повітряних мас.

Якщо уявити поршень, підвішений у вільному просторі на пружині і здійснює повторювані рухи "вперед-назад", то такі коливання будуть називатися гармонійними або синусоїдальними (якщо уявити хвилю у вигляді графіка, то отримаємо в цьому випадку чисту синусоїду з спадами, що повторюються). Якщо уявити динамік в трубі (як і в прикладі, описаному вище), що здійснює гармонічні коливання, то в момент руху динаміка "вперед" виходить відомий ефект стиснення повітря, а при русі динаміка "назад" зворотний ефект розрядження. У цьому випадку по трубі буде поширюватися хвиля стиснень і розріджень, що чергуються. Відстань уздовж труби між сусідніми максимумами або мінімумами (фазами) називатиметься довжиною хвилі. Якщо частки коливаються паралельно до напряму поширення хвилі, то хвиля називається поздовжній. Якщо ж вони коливаються перпендикулярно до напряму поширення, то хвиля називається поперечної. Зазвичай звукові хвилі в газах і рідинах - поздовжні, у твердих тілах можливе виникнення хвиль обох типів. Поперечні хвилі у твердих тілах виникають завдяки опору до зміни форми. Основна різниця між цими двома типами хвиль полягає в тому, що поперечна хвиля має властивість поляризації (коливання відбуваються у певній площині), а поздовжня – ні.

Швидкість звуку

Швидкість звуку безпосередньо залежить від характеристик середовища, в якому він поширюється. Вона визначається (залежна) двома властивостями середовища: пружністю та щільністю матеріалу. Швидкість звуку в твердих тілах безпосередньо залежить від типу матеріалу та його властивостей. Швидкість у газових середовищах залежить лише від одного типу деформації середовища: стиснення-розрідження. Зміна тиску в звуковій хвилі відбувається без теплообміну з навколишніми частинками і зветься адіабатичним.
Швидкість звуку в газі залежить в основному від температури - зростає у разі підвищення температури і падає при зниженні. Так само швидкість звуку в газоподібному середовищі залежить від розмірів і маси самих молекул газу, - чим маса і розмір частинок менше, тим "провідність" хвилі більша і більша відповідно до швидкості.

У рідкому та твердому середовищах принцип поширення та швидкість звуку аналогічні тому, як хвиля поширюється в повітрі: шляхом стиснення-розрядження. Але в цих середовищах, крім тієї ж залежності від температури, досить важливе значення має щільність середовища та її склад/структура. Чим менша щільність речовини, тим швидкість звуку вища і навпаки. Залежність від складу середовища складніше і визначається у кожному конкретному випадку з урахуванням розташування та взаємодії молекул/атомів.

Швидкість звуку повітря при t, °C 20: 343 м/с
Швидкість звуку у дистильованій воді при t, °C 20: 1481 м/с
Швидкість звуку сталі при t, °C 20: 5000 м/с

Стоячі хвилі та інтерференція

Коли динамік створює звукові хвилі в обмеженому просторі, неминуче виникає ефект відображення хвиль від кордонів. В результаті цього найчастіше виникає ефект інтерференції- коли дві чи більше звукових хвиль накладаються друг на друга. Особливими випадками явища інтерференції є утворення: 1) биття хвиль або 2) стоячих хвиль. Биття хвиль- це випадок, коли відбувається складання хвиль з близькими частотами та амплітудою. Картина виникнення биття: коли дві схожі за частотою хвилі накладаються одна на одну. У якийсь момент часу при такому накладенні амплітудні піки можуть збігатися "по фазі", а також можуть збігатися і спади по "протифазі". Саме так і характеризуються биття звуку. Важливо пам'ятати, що на відміну стоячих хвиль, фазові збіги піків відбуваються не завжди, а через якісь тимчасові проміжки. На слух така картина биття відрізняється досить чітко, і чується як періодичне наростання і зменшення гучності відповідно. Механізм виникнення цього ефекту гранично простий: у момент збігу піків гучність наростає, у момент збігу спадів гучність зменшується.

Стоячі хвилівиникають у разі накладання двох хвиль однакової амлітуди, фази та частоти, коли при "зустрічі" таких хвиль одна рухається у прямому, а інша – у зворотному напрямку. У ділянці простору (де утворилася стояча хвиля) виникає картина накладання двох частотних амплітуд, з чергуванням максимумів (т.зв. пучностей) і мінімумів (т.зв. вузлів). У разі цього явища вкрай важливе значення має частота, фаза і коефіцієнт згасання хвилі у місці відбиття. На відміну від хвиль, що біжать, у стоячій хвилі відсутня перенесення енергії внаслідок того, що утворюють цю хвилю пряма і зворотна хвилі переносять енергію в рівних кількостях і в прямому і в протилежному напрямках. Для наочного розуміння виникнення стоячої хвилі, представимо приклад із домашньої акустики. Припустимо, у нас є акустичні системи підлоги в деякому обмеженому просторі (кімнаті). Змусивши їх грати якусь композицію з великою кількістю басу, спробуємо змінити розташування слухача в приміщенні. Таким чином слухач, потрапивши в зону мінімуму (віднімання) стоячої хвилі, відчує ефект того, що баса стало дуже мало, а якщо слухач потрапляє в зону максимуму (складання) частот, то виходить зворотний ефект суттєвого збільшення басової області. При цьому ефект спостерігається у всіх октав базової частоти. Наприклад, якщо базова частота становить 440 Гц, то явище "додавання" або "віднімання" буде спостерігатися також на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц і т.д.

Явище резонансу

Більшість твердих тіл є власна частота резонансу. Зрозуміти цей ефект досить просто на прикладі звичайної труби, відкритої лише з одного кінця. Уявімо ситуацію, що з іншого кінця труби приєднується динамік, який може грати якусь одну постійну частоту, її також можна змінювати. Так от, труба має власну частоту резонансу, кажучи простою мовою - це частота, на якій труба "резонує" або видає свій власний звук. Якщо частота динаміка (в результаті регулювання) співпаде із частотою резонансу труби, то виникне ефект збільшення гучності у кілька разів. Це відбувається тому, що гучномовець збуджує коливання повітряного стовпа в трубі зі значною амплітудою до тих пір, поки не знайдеться та сама «резонансна частота» і відбудеться ефект додавання. Виникне явище можна описати наступним чином: труба в цьому прикладі "допомагає" динаміку, резонуючи на конкретній частоті, їх зусилля складаються і "виливаються" в гучний ефект. На прикладі музичних інструментів легко простежується це явище, оскільки конструкції більшості присутні елементи, звані резонаторами. Неважко здогадатися, що має на меті посилити певну частоту або музичний тон. Для прикладу: корпус гітари з резонатором у вигляді отвору, що сполучається з об'ємом; Конструкція трубки у флейти (і всі труби взагалі); Циліндрична форма корпусу барабана, який сам собою є резонатором певної частоти.

Частотний спектр звуку та АЧХ

Оскільки практично практично не зустрічаються хвилі однієї частоти, виникає необхідність розкладання всього звукового спектру чутного діапазону на обертони чи гармоніки. Для цього існують графіки, які відображають залежність відносної енергії звукових коливань від частоти. Такий графік називається графіком частотного діапазону звуку. Частотний спектр звукубуває двох типів: дискретний та безперервний. Дискретний графік спектра відображає частоти окремо, розділені порожніми проміжками. У безперервному спектрі присутні відразу всі звукові частоти.
У випадку музики або акустики найчастіше використовується звичайний графік Амплітудно-Частота Характеристики(Скорочено "АЧХ"). На такому графіку представлена ​​залежність амплітуди звукових коливань від частоти протягом усього діапазону частот (20 Гц - 20 кГц). Дивлячись на такий графік легко зрозуміти, наприклад, сильні або слабкі сторони конкретного динаміка або акустичної системи в цілому, найбільш сильні ділянки енергетичної віддачі, частотні спади та підйоми, згасання, а також простежити крутість спаду.

Поширення звукових хвиль, фаза та протифаза

Процес поширення звукових хвиль відбувається у всіх напрямках джерела. Найпростіший приклад для розуміння цього явища: камінчик, кинутий у воду.
Від місця, куди впав камінь, починають розходитися хвилі по поверхні води у всіх напрямках. Однак, уявимо ситуацію з використанням динаміка в певному обсязі, допустимо закритому ящику, який підключений до підсилювача і відтворює якийсь музичний сигнал. Неважко помітити (особливо за умови, якщо подати потужний НЧ сигнал, наприклад бас-бочку), що динамік здійснює стрімкий рух "вперед", а потім такий самий стрімкий рух "назад". Залишається зрозуміти, що коли динамік здійснює рух уперед, він випромінює звукову хвилю, яку чуємо згодом. А ось що відбувається, коли динамік здійснює рух назад? А відбувається парадоксально те саме, динамік робить той же звук, тільки поширюється він у нашому прикладі повністю в межах обсягу ящика, не виходячи за його межі (скринька закрита). В цілому, на наведеному вище прикладі можна спостерігати досить багато цікавих фізичних явищ, найбільш значущим є поняття фази.

Звукова хвиля, яку динамік, перебуваючи в обсязі, випромінює у напрямку слухача - знаходиться "у фазі". Зворотна хвиля, яка йде в об'єм ящика, буде відповідно протифазною. Залишається тільки зрозуміти, що мають на увазі ці поняття? Фаза сигналу- Це рівень звукового тиску в даний момент часу в якійсь точці простору. Фазу найпростіше зрозуміти на прикладі відтворення музичного матеріалу звичайною стерео-парою підлоги домашніх акустичних систем. Уявімо, що дві такі колонки встановлені в деякому приміщенні і грають. Обидві акустичні системи у разі відтворюють синхронний сигнал змінного звукового тиску, причому звуковий тиск однієї колонки складається зі звуковим тиском інший колонки. Відбувається подібний ефект рахунок синхронності відтворення сигналу лівої і правої АС відповідно, іншими словами, піки і спади хвиль, випромінюваних лівими і правими динаміками збігаються.

А тепер уявімо, що тиск звуку, як і раніше, змінюються однаковим чином (не зазнали змін), але тільки тепер протилежно один одному. Подібне може статися, якщо підключити одну акустичну систему з двох у зворотній полярності ("+" кабель від підсилювача до "-" клеми акустичної системи, і "-" кабель від підсилювача до "+" клеми акустичної системи). У цьому випадку протилежний у напрямку сигнал викличе різницю тисків, яку можна представити у вигляді чисел наступним чином: ліва акустична система буде створювати тиск "1 Па", а права акустична система буде створювати тиск "мінус 1 Па". В результаті, сумарна гучність звуку в точці розміщення слухача дорівнюватиме нулю. Це називається протифазою. Якщо розглядати приклад більш детально для розуміння, то виходить, що два динаміки, що грають "у фазі" - створюють однакові області ущільнення та розряджання повітря, ніж фактично допомагають один одному. У випадку з ідеалізованою протифазою, область ущільнення повітряного простору, створена одним динаміком, буде супроводжуватися областю розрядження повітряного простору, створеної другим динаміком. Виглядає це приблизно як явище взаємного синхронного гасіння хвиль. Щоправда, практично падіння гучності до нуля немає, і ми почуємо сильно спотворений і ослаблений звук.

Найдоступнішим чином можна описати це так: два сигнали з однаковими коливаннями (частотою), але зрушені за часом. Зважаючи на це, зручніше уявити ці явища зміщення на прикладі звичайного круглого стрілочного годинника. Уявимо, що на стіні висить кілька однакових годин. Коли секундні стрілки цього годинника біжать синхронно, на одному годиннику 30 секунд і на іншому 30, то це приклад сигналу, який знаходиться у фазі. Якщо ж секундні стрілки біжать зі зміщенням, але швидкість, як і раніше, однакова, наприклад, на одному годиннику 30 секунд, а на іншому 24 секунди, то це і є класичний приклад зсуву (зсуву) по фазі. Таким же чином фаза вимірюється в градусах, у межах віртуального кола. У цьому випадку, при зміщенні сигналів один на 180 градусів (половина періоду), і виходить класична протифаза. Нерідко на практиці виникають незначні зміщення по фазі, які можна визначити в градусах і успішно усунути.

Хвилі бувають плоскі та сферичні. Плоский хвильовий фронт поширюється лише одному напрямку і рідко зустрічається практично. Сферичний хвильовий фронт є хвилі простого типу, які виходять з однієї точки і поширюється у всіх напрямках. Звукові хвилі мають властивість дифракції, тобто. здатністю огинати перешкоди та об'єкти. Ступінь обгинання залежить від відношення довжини звукової хвилі до розмірів перешкоди чи отвору. Дифракція виникає і у разі, коли на шляху звуку виявляється якась перешкода. У цьому випадку можливі два варіанти розвитку подій: 1) Якщо розміри перешкоди набагато більші за довжину хвилі, то звук відбивається або поглинається (залежно від ступеня поглинання матеріалу, товщини перешкоди і т.д.), а позаду перешкоди формується зона "акустичної тіні" . 2) Якщо ж розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі або навіть менше її, тоді звук дифрагує певною мірою в усіх напрямках. Якщо звукова хвиля під час руху в одному середовищі потрапляє на межу розділу з іншим середовищем (наприклад, повітряне середовище з твердим середовищем), то може виникнути три варіанти розвитку подій: 1) хвиля відобразиться від поверхні розділу 2) хвиля може пройти в інше середовище без зміни напрямку 3) хвиля може пройти в інше середовище зі зміною напряму на кордоні, це називається "заломлення хвилі".

Відношенням надлишкового тиску звукової хвилі до коливальної об'ємної швидкості називається хвильовий опір. Говорячи простими словами, хвильовим опором середовищаможна назвати здатність поглинати звукові хвилі або "опиратися" їм. Коефіцієнти відображення та проходження безпосередньо залежать від співвідношення хвильових опорів двох середовищ. Хвильовий опір у газовому середовищі набагато нижчий, ніж у воді або твердих тілах. Тому якщо звукова хвиля в повітрі падає на твердий об'єкт чи поверхню глибокої води, то звук або відбивається від поверхні, або поглинається значною мірою. Залежить це від товщини поверхні (води чи твердого тіла), яку падає шукана звукова хвиля. При низькій товщині твердого або рідкого середовища звукові хвилі практично повністю "проходять", і навпаки, при великій товщині середовища хвилі частіше відбивається. У разі відображення звукових хвиль відбувається цей процес за добре відомим фізичним законом: "Кут падіння дорівнює куту відображення". У цьому випадку, коли хвиля із середовища з меншою щільністю потрапляє на кордон із середовищем більшої щільності – відбувається явище рефракції. Воно полягає у вигині (заломленні) звукової хвилі після "зустрічі" з перешкодою, і обов'язково супроводжується зміною швидкості. Рефракція залежить також від температури середовища, в якому відбувається відбиття.

У процесі поширення звукових хвиль у просторі неминуче відбувається зниження їхньої інтенсивності, можна сказати загасання хвиль та ослаблення звуку. На практиці зіткнутися з подібним ефектом досить просто: наприклад, якщо двоє людей встануть у поле на деякій близькій відстані (метр і ближче) і почнуть щось говорити один одному. Якщо згодом збільшувати відстань між людьми (якщо вони почнуть віддалятися один від одного), той самий рівень розмовної гучності ставатиме все менш чутним. Подібний приклад наочно демонструє явище зниження інтенсивності звукових хвиль. Чому це відбувається? Причиною цього є різні процеси теплообміну, молекулярної взаємодії та внутрішнього тертя звукових хвиль. Найчастіше практично відбувається перетворення звукової енергії на теплову. Подібні процеси неминуче виникають у будь-якому з трьох середовищ поширення звуку і їх можна охарактеризувати як поглинання звукових хвиль.

Інтенсивність та ступінь поглинання звукових хвиль залежить від багатьох факторів, таких як: тиск та температура середовища. Також поглинання залежить від певної частоти звуку. При поширенні звукової хвилі в рідинах або газах виникає ефект тертя між різними частинками, що називається в'язкістю. В результаті цього тертя на молекулярному рівні і відбувається процес перетворення хвилі зі звукової на теплову. Іншими словами, чим вище теплопровідність середовища, тим менший ступінь поглинання хвиль. Поглинання звуку в газових середовищах залежить і від тиску (атмосферний тиск змінюється з підвищенням висоти щодо рівня моря). Щодо залежності ступеня поглинання від частоти звуку, то зважаючи на вищезгадані залежності в'язкості та теплопровідності, поглинання звуку тим вище, чим вища його частота. Наприклад, при нормальній температурі і тиску в повітрі поглинання хвилі частотою 5000 Гц становить 3 Дб/км, а поглинання хвилі частотою 50000 Гц складе вже 300 Дб/м.

У твердих середовищах зберігаються всі вищезгадані залежності (теплопровідність і в'язкість), проте до цього додається ще кілька умов. Вони пов'язані з молекулярною структурою твердих матеріалів, яка може бути різною, зі своїми неоднорідностями. Залежно від цієї внутрішньої твердої молекулярної будови, поглинання звукових хвиль у разі може бути різним, і від типу конкретного матеріалу. При проходженні звуку через тверде тіло хвиля зазнає ряд перетворень і спотворень, що найчастіше призводить до розсіювання та поглинання звукової енергії. На молекулярному рівні може виникнути ефект дислокацій, коли звукова хвиля викликає усунення атомних площин, які потім повертаються у вихідне положення. Або ж, рух дислокацій призводить до зіткнення з перпендикулярними ним дислокаціями або дефектами кристалічної будови, що викликає їхнє гальмування і як наслідок деяке поглинання звукової хвилі. Однак звукова хвиля може і резонувати з даними дефектами, що призведе до спотворення вихідної хвилі. Енергія звукової хвилі в останній момент взаємодії з елементами молекулярної структури матеріалу розсіюється внаслідок процесів внутрішнього тертя.

У я постараюся розібрати особливості слухового сприйняття людини та деякі тонкощі та особливості поширення звуку.

Для періодич. звуку усереднення проводиться або за проміжок часу, великий у порівнянні з періодом, або за цілий період. Для плоскої синусоїдальної хвилі, що біжить І. з. I дорівнює:

У сферичній хвилі, що біжить І. з. обернено пропорційна квадрату відстані від джерела. У стоячій хвилі I=0, тобто потоку звук. енергії у середньому немає.

І. з. вимірюється в СІ в Вт/м2 (в системі од. СГС - в ерг/(з см)2) І. з. оцінюється також рівнем інтенсивності за шкалою; число децибел N=10lg(I/I0), де I - інтенсивність цього звуку, I0=10-12 Вт/м2.

Фізичний енциклопедичний словник. - М: Радянська енциклопедія. . 1983 .

ІНТЕНСИВНІСТЬ ЗВУКУ

(Сила звуку) - середня за часом енергія, що переноситься звуковою хвилею через одиничний майданчик, перпендикулярну до напряму поширення хвилі, в одиницю часу. Для періодич. звуку усереднення виробляється або проміжок часу, більший проти періодом, або ціле число періодів. I = pv / 2 = p 2 / 2r c = v 2 r c/2,де р -амплітуда звукового тиску, v -амплітуда коливань. швидкості частинок, r – щільність середовища, з – звуку в ній. У сферич. біжить хвилі І. з. обернено пропорц. квадрату відстані від джерела. У стоячій хвилі I = 0, тобто потоку звукової енергії в середньому немає. І. з. в гармон. плоскій хвилі, що біжить, дорівнює щільності енергії звукової хвилі, помноженої на швидкість звуку. потужність випромінювача, т. е. випромінювану , віднесену до одиниці площі випромінюючої поверхні. В. А. Красил'ніков.

Фізична енциклопедія. У 5-ти томах. - М: Радянська енциклопедія. Головний редактор А. М. Прохоров. 1988 .

Дивитись що таке "ІНТЕНСИВНІСТЬ ЗВУКУ" в інших словниках:

- (Абсолютна) величина, що дорівнює відношенню потоку звукової енергії dP через поверхню, перпендикулярну напрямку поширення звуку, до площі dS цієї поверхні: Одиниця вимірювання ват на квадратний метр (Вт/м2). Для плоскої хвилі… … Вікіпедія

- (Від лат. intensio напруга посилення), середня за часом енергія, яку звукова хвиля переносить в одиницю часу через одиницю площі поверхні, розташованої перпендикулярно напряму поширення хвилі. Інтенсивність звуку. Великий Енциклопедичний словник

- (Від лат. intensio напруга, посилення), середня за часом енергія, яку звукова хвиля переносить в одиницю часу через одиницю площі поверхні, розташованої перпендикулярно напряму поширення хвилі. Інтенсивність звуку. Енциклопедичний словник

інтенсивність звуку- Кількість звукової енергії, що переноситься звуковою хвилею в одиницю часу через одиничний майданчик, перпендикулярну до напряму поширення звуку [Термінологічний словник з будівництва 12 мовами (ВНДІІВ Держбуду СРСР)] ​​Тематики… … Довідник технічного перекладача

- (від латинського intetisio напруга, посилення), сила звуку, потік енергії через одиничний майданчик, перпендикулярний до напряму поширення звукової хвилі. Авіація: Енциклопедія. М: Велика Російська Енциклопедія. Головний редактор Г.П. Енциклопедія техніки

інтенсивність звуку- 3.3 інтенсивність звуку, Вт/м2 (sound intensity): Усереднене за часом значення миттєвої інтенсивності в стаціонарному звуковому полі. Примітки 1 Інтенсивність звуку обчислюють за формулою (2) де інтервал інтегрування T, с; 2… … Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

інтенсивність звуку- сила звуку відношення падаючої поверхні звукової потужності до площі цієї поверхні. Визначається як амплітудами всіх частотних складових, і кількістю джерел, звучащих одночасно. Інтенсивність звуку вимірюється в Вт/м2 або… Російський індекс до Англо-російського словника з музичної термінології

інтенсивність звуку- rus інтенсивність (ж) звуку, інтенсивність (ж) шуму eng noise intensity (f) du bruit deu Lärmintensität (f) spa intensidad (f) del ruido rus інтенсивність (ж) (сила) звуку, гучність (ж) звуку eng sound intensity fra intensité (f)… … Безпека та гігієна праці. Переклад англійською, французькою, німецькою, іспанською мовами

Сила звуку, середня за часом енергія, що переноситься звуковою хвилею через одиничний майданчик, перпендикулярну до напряму поширення хвилі в одиницю часу. Для періодичного звуку усереднення проводиться або за проміжок. Велика Радянська Енциклопедія

- [СИЛА ЗВУКА] кількість звукової енергії, що переноситься звуковою хвилею в одиницю часу через одиничний майданчик, перпендикулярний до напряму поширення звуку (Болгарська мова; Б'лгарськи) інтенсивність на звуку (Чеська мова; Čeština)… … Будівельний словник

Інтенсивність звуку(абсолютна) - величина, що дорівнює відношенню потоку звукової енергії dPчерез поверхню, перпендикулярну до напряму поширення звуку, до площі dSцієї поверхні:

Одиниця виміру - ват на квадратний метр (Вт/м 2 ).

Для плоскої хвилі інтенсивність звуку може бути виражена через амплітуду звукового тиску p 0та коливальну швидкість v:

де Z S- Питомий акустичне опір середовища.

Тіло, що є джерелом звукових коливань, випромінює енергію, яка переноситься звуковими коливаннями в простір (середовище), що оточує джерело звуку. Кількість звукової енергії, що проходить в одну секунду через площу в 1 м 2 розташовану перпендикулярно напрямку поширення звукових коливань, називають інтенсивністю (а також, силою) звуку.

Величину її можна визначити за формулою:

I=P 2 /Cp 0 [Вт/м 2 ] (1.1)

де: Р - звуковий тиск, н/м 2; З – швидкість звуку, м/с; р 0 - Щільність середовища.

З наведеної формули видно, що зі збільшенням звукового тиску інтенсивність звуку зростає і, отже, збільшується його гучність.

9. Які види частотних діапазонів звуку ви знаєте?

Частотний спектр звуку- Графік залежності відносної енергії звукових коливань від частоти. Існують два основні типи таких спектрів: дискретний та безперервний. Дискретний спектр складається з окремих ліній частот, розділених порожніми проміжками. У безперервному спектрі в межах смуги присутні всі частоти.

Насправді звукові хвилі однієї-єдиної частоти зустрічаються рідко. Але складні звукові хвилі можна розкладати на гармоніки. Такий метод називається фур'є-аналізомна ім'я французького математика Ж. Фур'є (1768-1830), який першим застосував його (теоретично теплоти).

ДВА ТИПУ ПЕРІОДИЧНИХ ХВИЛЬ:а – прямокутні коливання; б - пилкоподібні коливання. Амплітуда обох хвиль дорівнює А, а період коливань Т - величина, обернена до частоти f.

10. Яка смуга частот називається октавою?

Октава -смуга частот, у якій верхня гранична частота вдвічі більша за нижню

Октава -одиниця частотного інтервалу, що дорівнює інтервалу між двома частотами (f2 і f1), логарифм відношення яких (при підставі 2) log2(f2/f1)=1, що відповідає f2/f1=2;

11. Що розуміють вод порогом чутності?

Поріг чутності- мінімальна величина звукового тиску, коли звук цієї частоти може бути сприйнятий вухом людини. Величину порога чутності прийнято виражати децибелах, приймаючи за нульовий рівень звукового тиску 2·10 -5 Н/м 2 або 20·10 -6 Н/м 2 при частоті 1 кГц (для плоскої звукової хвилі). Поріг чутності залежить від частоти звуку. При дії шумів та інших звукових подразників поріг чутності для даного звуку підвищується, причому підвищене значення порога чутності зберігається деякий час після припинення дії фактора, що заважає, а потім поступово повертається до вихідного рівня. У різних людей і в тих самих осіб у різний час поріг чутності може відрізнятися. Він залежить від віку, фізіологічного стану, тренованості. Вимірювання порога чутності зазвичай роблять методами аудіометрії.

12. У яких одиницях вимірюється рівень звукового тиску?

Звуковий тиск- Змінний надлишковий тиск, що виникає в пружному середовищі при проходженні через неї звукової хвилі. Одиниця виміру – паскаль (Па).

Миттєве значення звукового тиску в точці середовища змінюється як з часом, так і при переході до інших точок середовища, тому практичний інтерес становить середньоквадратичне значення даної величини, пов'язане з інтенсивністю звуку:

де - інтенсивність звуку, - звуковий тиск, - питомий акустичне опір середовища, - усереднення за часом.

Під час розгляду періодичних коливань іноді використовують амплітуду звукового тиску; так, для синусоїдальної хвилі

де – амплітуда звукового тиску.