Акустика – наука, изучающая физическую природу звуковых волн и вопросы, связанные с возникновение распространением и восприятием звуковых волн. Акустика как наука, с одной стороны является одним из направлений физики (точнее – механики), которое занимается вопросами создания и распространения механических колебаний, с другой стороны тесно связана с психологией человека (восприятие звука человеком).
Звуковая волна в газах является продольной (колебания происходят в направлении, параллельном распространении волны).
Звуковая волна представляет собой области сгущения и разрежения молекул воздуха.
Распределение плотности воздуха в звуковой волне
Разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением называют звуковым давлением: Pзв = Pмгн - Pатм .
Звуковое давление – величина знакопеременная.
Звуковое давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/кв.м. Слуховая система человека способна определить огромный диапазон разностей между мгновенным значением звукового давления и атмосферным.
| Источник звука | Расстояние до источника, м | Звуковое давление, Па | Уровень звукового давления, дБ |
|---|---|---|---|
| Шум самолета | 5 | 20 | 120 |
| Большой оркестр | 10 | 2-4 | 100-106 |
| Орган | 3,6 | 2 | 100 |
| Камерный ансамбль | 4 | 0,8 - 1 | 92-94 |
| Труба | 0,9 | 0,8 | 92 |
| Флейта | 1 | 0,06 | 70 |
| Речь | 1 | 0,02-0,05 | 60-68 |
| Шепот | 1 | 0,0002 | 20 |
| Писк комара | 0,5 | 0,0002 | 0 |
Слуховая система человека может оценивать звуковое давление в пределах от 0,00 002 Па до 20 Па. Разница между самым тихим (0,00 002 Па) и самым громким (20 Па) составляет 1 000 000. Использовать при измерениях такую большую шкалу неудобно, поэтому используется логарифмическая шкала, которая обеспечивает “сжатие” масштаба изменения давления. Для этого используется понятие “уровень звукового давления” (правая колонка таблицы): L = 20 lg P/Po, где Po=0,00 002 Па. Уровень звукового давления измеряется в дБ.
L = 20 lg P/Po = 20 lg (2/0,00 002) = 20 lg 100 000 = 20 x 5 =100 дБ
Если уровень звукового давления L = 80 дБ, то
80 = 20 lg (P/0,00 002); lg (P/0,00 002) = 4; P/0,00 002 = 10 000; P = 0,2 Па
Если уровень звукового давления L = 80 дБ, то
80 = 20 lg (P/0,00 002); lg (P/0,00 002) = 4; P/0,00 002 = 10 000; P = 0,2 Па
Увеличение звукового давления в 2 раза соответствует изменению уровню звукового давления на 6 дБ
Звуковому давлению 2 Па, соответствует уровень звукового давления 100 дБ
Звуковому давлению 1 Па, соответствует уровень звукового давления 94 дБ
Звуковому давлению 4 Па, соответствует уровень звукового давления 106 дБ
Уровни звукового давления нескольких различных источников никогда не складываются. Для определения суммарного звукового давления необходимо рассчитать давления, соответствующие каждому уровню: P1 и P2. Определить суммарное звуковое давление равное корню квадратному из суммы квадратов, и далее рассчитать уровень звукового давления.
Отражения и поглощение
Когда звуковая волна достигает границы раздела среды, в которой она распространяется (в помещении границами являются потолок, пол, стены), происходят следующие процессы;
- часть звуковой энергии поглощается
- часть звуковой энергии отражается, угол падения равен углу отражения
- часть звуковой энергии проходит через границу раздела
Поведение звуковой волны при встрече с физической преградой
Для описания процессов вводят коэффициенты:
коэффициент поглощения альфа = Iотраж/Iпад
коэффициент отражения бетта = Iпогл/Iпад
коэффициент прохождения гамма = Iпрош/Iпад
Коэффициенты бетта и гамма - величины безразмерные, для коэффициента поглощения альфа используют размерность “сэбин”. (Коэффициент поглащения в 1 сэбин равен поглощению звука открытым окном площадью 1 кв.м.
Распространение звука
В помещении всегда присутствуют прямые и отраженные звуковые волны. Прямой звук – звук, который распространяется от источника до приемника. Отраженный звук – звук, который идет по траектории источник-отражающая поверхность-приемник. На рисунке видно, что прямой и отраженный звуки преодолевают различные расстояния, прежде чем достигнут приемника. Кроме того, отраженный звук может претерпевать несколько отражений от различных поверхностей, прежде чем достигнет приёмника. Различают:
- прямой звук (источник -> приемник),
- первое отражение (источник -> отражающая поверхность-приемник),
- второе отражение (источник -> отражающая поверхность №1 -> отражающая поверхность №2 -> приемник).
Скорость распространения звуковых волн в воздушной среде при нормальных условия составляет ~ 340 м/сек.
Типичные схемы распространения звука в закрытом помещении
Звуковые волны расходятся от источника, отражаются от различных поверхностей, затем снова попадают на эти поверхности и снова отражаются, взаимодействуя с предыдущими отражениями. Прежде чем достигнуть приемника (попасть в ухо) энергия звуковых волн в течение некоторого времени, от полусекунды для небольших комнат до нескольких секунд в больших аудиториях, будет циркулировать по помещению, отражаясь от всевозможных поверхностей. Отражения смешиваются, возникают конструктивные и деструктивные эффекты интерференции, различные для каждой точки помещения. Число отражений звуковых волн в любых практически важных случаях по существу бесконечно.
Акустика помещений определяется всего тремя факторами:
- временными параметрами отражений,
- относительной силой отражений
- распределением силы отражений по частотному спектру.
