Акустические свойства
Свойства материалов и изделий излучать, проводить и поглощать звук называются акустическими. Звук представляет собой упругие механические колебания, которые распространяются в виде волн в твердых, жидких и газообразных средах. При распространении звука возможны явления отражения звука, преломления, поглощения, рефракции, а также дисперсии, дифракции и интерференции.
При попадании звуковой волны на границу двух сред с разным волновым сопротивлением, происходит ее отражение, которое характеризуется коэффициентом отражения. Изменение направления распространения звуковой волны при переходе ее из одной среды в другую вызывает преломление. Явление преобразования энергии звуковой волны во внутреннюю энергию среды, в которой распространяется волна, называется поглощением звука.
Поглощение звука обусловлено теплопроводностью, внутренним трением (вязкостью) и некоторыми релаксационными процессами, возникающими в среде при изменении ее давления и температуры в звуковой волне. Явление поглощения звука используется для исследования внутренней структуры различных веществ, а также для звукоизоляции. Высокими звукоизоляционными свойствами характеризуются волокнистые и пористые материалы (войлок, асбест, вата). Эти свойства зависят от природы и структуры материала.
Рефракция звука (изменение направления распространения волн в неоднородной среде) влияет на дальность и слышимость, а также на образование зон молчания (театр, мобильный телефон). В результате интерференции может происходить взаимное усиление или ослабление звука в зависимости от соотношения между фазами звуковых волн.
В зависимости от частоты колебаний звук условно подразделяют на слышимый (16–20 кГц), способный вызывать слуховые ощущения при воздействии на орган слуха человека, инфразвук (< 16Гц), ультразвук (20 кГц – 1 ГГц) и гиперзвук (> 1 ГГц).
Важнейшими физическими характеристиками звука являются: скорость, звуковое давление, интенсивность звука и его спектральный состав. В связи со слуховыми ощущениями, вызываемыми слышимыми звуками, пользуются такими характеристиками звука, как громкость, высота и тембр.
Скорость звука представляет собой скорость распространения в среде упругих волн небольшой интенсивности. Она выражается в м/с и зависит от природы и строения материала, а также от температуры. Скорость звука в воздухе при 0 °С равна 331 м/с, в воде — 1400, в стали — 5000 м/с. С повышением температуры и давления скорость звука возрастает. С повышением температуры воздуха на 1 °С скорость распространения звука в нем возрастает примерно на 0,6 м/с. В твердых телах скорость звука различна для продольных и поперечных волн. Скорость звука в древесине вдоль волокон в 1,5–2 раза быстрее, чем в направлении поперек волокон.
Звуковое давление, Па — это переменная часть давления, возникающая при прохождении звуковой волны в среде. Эффективное звуковое давление представляет собой квадратный корень из среднего за период значения квадрата мгновенного звукового давления.
Интенсивность (сила) звука — звуковая мощность, проходящая через единицу поверхности, расположенную перпендикулярно направлению распространения звука (I = P / S). Выражается интенсивность звука в Вт/м2. Интенсивность звука в зоне слышимости равна 10–12 Вт/м2. На практике уровень интенсивности звука (β) выражается в децибелах (дБ) и определяется по формуле
β = 10 lg (l / l0),
где l — интенсивность определенного звука, Вт/м2;
l0 — интенсивность звука на пороге слышимости, Вт/м2.
Уровень интенсивности звука показывает, насколько сила звука материала превосходит единицу силы звука на пороге слышимости (10–12 Вт/м2). Повышение интенсивности звука на 1 дБ соответствует приросту ее на 26%. Звук интенсивностью 10–3 Вт/м2 вызывает болевое ощущение. Интенсивность характеризует звук с физической стороны, а громкость — с физиологической.
Изменение уровня звука на 10 дБ ощущается как двукратное изменение громкости.
Совокупность простых гармонических (синусоидальных) колебаний называется спектром звука. Спектр может быть сплошным и линейчатым. Сплошной спектр содержит гармонические составляющие со всевозможными частотами и воспринимается ухом как шумы. Значения уровня шума для разных условий приведены в табл. 5.2.
Звук линейчатого спектра характеризуется совокупностью периодических колебаний с определенным соотношением частот. К ним относятся, например, музыкальные звуки, частоты составляющих колебаний которых являются целыми кратными числами частоты основного, наиболее медленного колебания.
Громкость звука является мерой силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Громкость звука зависит от эффективного звукового давления и частоты звука. Для сравнения слуховых ощущений используют уровень громкости звука LN, который выражается в фонах.
LN = 20 lg (рэфф/ р0),
где рэфф — эффективное звуковое давление для звука стандартной частоты v = 1 кГц, равногромкого с исследуемым звуком;
р0 = 20 мкПа — стандартный порог слышимости для звука частотой v = 1 кГц.
Высота звука — это условная характеристика музыкального, т. е. периодического или почти периодического звука, определяемая человеком на слух и связанная в основном с частотой звука. Звуки определенной высоты называются тонами. Гармоническое звуковое колебание называется простым тоном. Тон, который создает акустическая система, когда колеблется с самой низшей для нее частотой, называется основным тоном. С ростом частоты высота звука повышается.
Звуковые частоты делятся на интервалы. За единицу интервала частот принята октава — внесистемная безразмерная единица частотного интервала. 1 октава равна частотному интервалу, при котором логарифм при основании 2 отношения двух частот равен единице: 1 окт = log2 (f2 / f1) при f2 / f1 = 2, где f2 и f1 — частоты. Интервал имеет особое значение для музыкальных инструментов.
Некоторые материалы, например древесина, обладают способностью усиливать звук без искажения тона — резонирующей способностью. Наивысшей резонирующей способностью характеризуется древесина резонансной ели, кавказской пихты и сибирского кедра, это имеет значение при выборе древесины для изготовления дек музыкальных инструментов.
