Физические величины характеризующие звуковое поле. Звуковое поле и его характеристики

Под звуковымполем понимают ту ограниченную область пространства, в которой распространяется гидроакустическая посылка. Звуковое поле может существовать в любой упругой среде и представляет собой колебания ее частиц, возникающие в результате воздействия внешних возмущающих факторов. Отличитель-ной особенностью указанного процесса от любого другого упорядоченного движе-ния частиц среды является то, что при малых возмущениях распространение волн не связано с переносом самого вещества. Иными словами, колебания каждой частицы происходит относительно того положения, которое она занимала до воздействия возмущения.

Идеальную упругую среду, в которой распространяется звуковое поле, можно представить в виде совокупности абсолютно жестких ее элементов, связанных между собой упругими связями (рис.2.2). Текущее состояние колеблющейся частицы этой среды характеризуется ее смещением U относительно равновесного положения, колебательной скоростью v и частотой колебаний. Колебательная скорость определяется первой производной по времени от смещения частицы и является важной характеристикой рассматриваемого процесса. Как правило, оба параметра являются гармоническими функциями времени.

Частица 1 (рис. 1.1), сместившаяся на величину U от своего равновесного положения, че
рез упругие связи оказывает воздействие на окружающие ее частицы, заставляя их также смещаться. В результате, возмущение, привнесенное извне, начинает распространяться в рас
сматриваемой среде. Если закон изменения смещения частицы 1 определяется равенством U U sint, где Um – амплитуда колебания частицы, а - частота колебаний, то закон движения других i – ых частиц может быть представлен в виде:

Ui Umi sin(t i), (2.1)

где Umi – амплитуда колебания i – ой частицы, i – фазовый сдвиг этих колебаний. По мере удаления от источника возбуждения среды (частицы 1) значения амплитуд колебаний Umi из-за рассеяния энергии будут убывать, а фазовые сдвиги i в силу ограниченности скорости распространения возбуждения — увеличиваться. Таким об-разом, под звуковым полем можно понимать также совокупность колеблющихся частиц среды.

Если в звуковом поле, выделить частицы, имеющие одинаковую фазу колебаний, мы получим кривую или поверхность, которую называют фронтом волны. Фронт волны постоянно удаляется от источника возмущения с определенной скоростью, которая называется скоростью распространения фронта волны, скоростью рас-пространения волны или просто скоростью звука в данной среде. Вектор указан-ной скорости перпендикулярен поверхности фронта волны в рассматриваемой точке и определяет направление звукового луча, вдоль которого распространяется волна. Эта скорость существенно зависит от свойств среды и ее текущего состояния. В случае распространения звуковой волны в море скорость звука зависит от темпера-туры воды, ее плотности, солености и ряда других факторов. Так, при увеличении температуры на 1 0С, скорость звука увеличивается примерно на 3,6 м/с, а при увели-чении глубины на 10 м она повышается примерно на 0,2 м/с. В среднем в морских ус-ловиях скорость звука может изменяться в пределах 1440 – 1585 м/с. Если среда анизотропная, т.е. имеющая различные свойства в различных направлениях от центра возмущения, то скорость распространения звуковой волны будет также различной, за-висящей от этих свойств.

В общем случае, скорость распространения звуковой волны в жидкости или газе определяется следующим выражением:

с  К, (2.2) 0

где К – модуль объемной упругости среды, 0 – плотность невозмущенной среды, ее статическая плотность. Модуль объемной упругости численно равен напряжению, которое возникает в среде при ее единичной относительной деформации.

Упругая волна называется продольной, если колебания рассматриваемых частиц происходят в направлении распространения волны. Волна называется поперечной, если частицы колеблются в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны.

Поперечные волны могут возникать только в такой среде, которая обладает упругостью формы, т.е. способна сопротивляться деформации сдвига. Этим свойством обладают лишь твердые тела. Продольные волны связаны с объемной деформацией среды, поэтому они могут распространяться как в твердых телах, так и в жидких и газообразных средах. Исключением из этого правила являются поверхностные волны, образующиеся на свободной поверхности жидкости или на поверхностях разде-ла несмешивающихся сред с разными физическими характеристиками. В этом случае частицы жидкости одновременно совершают продольные и поперечные колеба-ния, описывая эллиптические или более сложные траектории. Особые свойства по-верхностных волн объясняются тем, что в их образовании и распространении опреде-ляющую роль играют силы тяжести и поверхностного натяжения.

В процессе колебаний в возмущенной среде возникают зоны повышенного и пониженного по отношению к равновесному состоянию давления и плотности. Давле-ние р р1 р0,где р1 — мгновенное его значение в звуковом поле, а р0 — статическое давление среды при отсутствии возбуждения, называется звуковым и численно равно силе, с которой волна действует на единичную площадку, установлен-ную перпендикулярно направлению ее распространения. Звуковое давление является одной из важнейших характеристик состояния среды.

Для оценки изменения плотности среды используют относительную величину, называемую уплотнением , которая определяется следующим равенством:

1 0 , (2.3) 0

где 1 – мгновенное значение плотности среды в интересующей нас точке, а 0 – ее статическая плотность.

Все названные выше параметры могут быть определены, если известна некото-рая скалярная функция, называемая потенциалом колебательной скорости. В соответствии с теоремой Гельмгольца этот потенциал полностью характеризует акустические волны в жидких и газообразных средах и связан с колебательной скоро-стью v следующим равенством:

v grad . (2.4)

Продольная звуковая волна называется плоской, если ее потенциал и другие, связанные с ним величины, характеризующие звуковое поле, зависят только от времени и одной их декартовых координат, например, х (рис.2.3).

Если упомянутые величины зависят только от времени и расстояния r от некоторой точки о пространства, называемой центром волны, продольная звуковая волна называется сферической. В первом случае фронт волны будет представлять собой

z Плоская волна z Сферическая волна

Рис. 2.3 Фронт волны

линию или плоскость, во втором – дугу или участок сферической поверхности.

В упругих средах при рассмотрении процессов в звуковых полях можно ис-пользовать принцип суперпозиции. Так, если в среде распространяется система

волн, определяемых потенциалами 1…n, то потенциал будет равен сумме указанных потенциалов:

n i. 1

результирующей волны

Однако при рассмотрении процессов в мощных звуковых полях следует учитывать возможность проявления нелинейных эффектов, которые могут сделать недопусти-мым использование принципа суперпозиции. Кроме того, при высоких уровнях

возмущающего среду воздействия могут быть радикально нарушены упругие свой-ства среды. Так, в жидкой среде могут возникнуть разрывы, заполненные воздухом, измениться ее химическая структура и т.д. На представленной ранее (рис. 2.2) модели это будет эквивалентно разрыву упругих связей между частицами среды. В этом случае энергия, затрачиваемая на создание колебаний, практически не будет переда-ваться другим слоям, что сделает невозможным решение той или иной практиче-ской задачи. Описанное явление получило название кавитации.1

С энергетической точки зрения звуковое поле может характеризоваться потоком звуковой энергии или звуковой мощностью Р, которые определяются количеством звуковой энергии W, проходящей через поверхность, перпендикулярную на-правлению распространения волны, в единицу времени:

Р W . (2.6)

Звуковая мощность, отнесенная к площади s рассматриваемой поверхности, опреде-ляет интенсивность звуковой волны:

I s st . (2.7)

В последнем выражении принято, что энергия распределена равномерно на площадке s.

Упругие волны, распространяющиеся в сплошных средах, называются звуковыми волнами. Собственно звуком называются волны, частоты которых лежат в пределах восприятия человеческим органом слуха. Ощущение звука возникает у человека, если на его слуховой аппарат воздействуют волны с частотой примерно от 16 до 20 000 гц. Волны с частотой, лежащей за пределами этих границ, не слышны, так как не создают слуховых ощущений. Упругие волны с частотой ниже 16 гц называются инфразвуком, а с частотой от 20 000 гц до 10 8 -10 9 гц - ультразвуком. Область физики, которая изучает способы возбуждения звуковых волн, их распространение и взаимодействие со средой, называется акустикой.

Полученные нами в предыдущих главах общие закономерности колебательного и волнового видов механического движения применимы и к изучению акустических явлений. Однако ряд специальных вопросов, связанных с особенностями восприятия звука и его технического использования, привел к выделению акустики в особую область физики.

Для возникновения и распространения звуковых волн необходимо наличие упругой среды (твердое тело, воздух, вода). Чтобы убедиться в этом, поместим обычный электрический звонок под воздушный колокол. Пока из-под колокола воздух не откачан, звонок отчетливо слышен. По мере откачивания воздуха звук ослабевает и наконец пропадает вовсе. Воздушная среда под колоколом становится настолько разреженной, что уже не может передавать звуковые колебания. Разрежение должно быть таким, чтобы молекулы газа находились друг от друга на расстояниях больших, чем расстояния, на которых проявляются силы молекулярного взаимодействия. Тогда молекулы, получившие от молоточка звонка некоторое количество движения, не могут передать его направленно соседним молекулам, а рассеивают при случайных соударениях, которыми обмениваются в тепловом движении.

Как мы видели, возникновение волн возможно, если среда оказывает упругое сопротивление деформациям и обладает инерцией.

Твердое тело оказывает сопротивление деформациям как продольным - растяжению и сжатию, так и сдвигу. Поэтому в твердом теле звуковые волны могут быть и продольные, и поперечные. В жидкостях и газах, которые не оказывают в обычных условиях сопротивления сдвигу, звуковые волны только продольные.

Звуковые волны в среде создаются колеблющимся телом. Например, колебание мембраны телефона создает в прилегающем слое воздуха последовательно сжатия и разрежения, распространяющиеся во все стороны.

Для изучения состояния среды, в которой распространяется звуковая волна, можно прибегнуть к способу, который мы использовали при изучении движения жидкости. В каждой точке пространства, заполненного средой, находящейся в состоянии звукового движения, происходят периодические изменения: а) положения частицы относительно равновесного, б) скорости смещения частицы, в) величины давления (сжатия и разрежения) относительно среднего их значения, существующего в невозмущенной среде. Изменение давления в этом случае называется избыточным или звуковым давлением. Если мы представим себе, что в каждой точке среды находятся миниатюрные датчики приборов, измеряющих эти величины, то их одновременные показания дадут нам мгновенную картину состояния среды. Ряд следующих друг- за другом таких мгновенных картин даст изменение состояния среды со временем. Поскольку волновое движение периодично и во времени, и в пространстве, то, зная скорость распространения звуковой волны" и пронаблюдав изменение указанных выше характеристик в одной точке изотропной среды с малым затуханием, можно найти их для всего пространства, занятого средой, в которой распространяются звуковые волны. Пространство, заполненное средой в состоянии звукового движения, называется звуковым полем.

Звук - психофизиологическое ощущение, вызываемое механическими колебаниями частиц упругой среды. Звуковым колебаниям соответствует область частот в интервале 20...20 000 Гц. Колебания с частотой меньше 20 Гц называют инфразвуковыми , а больше 20 000 Гц - ультразвуковыми . Воздействие на человека инфразвуковых колебаний вызывает неприятные ощущения. В природе инфразвуковые колебания могут возникать при волнениях моря, колебаниях земной поверхности. Ультразвуковые колебания используются для лечебных целей в медицине и в радиоэлектронных устройств, например в фильтрах. Возбуждение звука вызывает колебательный процесс, изменяющий давление в упругой среде, в которой образуются чередующиеся слои сжатия и разрежения , распространяющиеся от источника звука в виде звуковых волн. В жидкой и газообразной средах частицы среды колеблются относительно положения равновесия в направлении распространения волны, т.е. волны являются продольными. В твердых телах распространяются поперечные волны, так как частицы среды колеблются в направлении, перпендикулярном линии распространения волны. Пространство, в котором происходит распространение звуковых волн, называют звуковым полем . Различают свободное звуковое поле, когда влияние ограждающих поверхностей, отражающих звуковые волны, мало, и диффузное звуковое поле, где в каждой точке звуковая мощность на единицу площади одинакова во всех направлениях. Распространение волн в звуковом поле происходит с определенной скоростью, которая называется скоростью звука . Формула (1.1)

с = 33l√Т/273, где Т - температура по шкале Кельвина.

В расчетах принимается с = 340 м/с, что приблизительно соответствует температуре 17°С при нормальном атмосферном давлении. Поверхность, соединяющую смежные точки поля с одинаковой фазой колебания (например, точки сгущения или разрежения), называют фронтом волны. Наиболее часто встречаются звуковые волны со сферическим и плоским фронтами волны . Фронт сферической волны имеет форму шара и образуется на небольшом расстоянии от источника звука, если его размеры малы по сравнению с длиной излучаемой волны. Фронт плоской волны имеет форму плоскости, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны (звуковому лучу). Волны с плоским фронтом образуются на больших по сравнению с длиной волны расстояниях от источника звука. Звуковое поле характеризуется звуковым давлением , колебательной скоростью , интенсивностью звука и плотностью звуковой энергии .

Звуковое давление - это разность между мгновенным значением давления р ам в точке среды при прохождении через нее звуковой волны и атмосферным давлением р ас в той же точке, т.е. р = р ас - р ам. Единица измерения звукового давления в системе СИ - ньютон на квадратный метр: 1 Н/м 2 = 1 Па (паскаль). Реальные источники звука создают даже при самых громких звуках звуковые давления в десятки тысяч раз меньше нормального атмосферного давления.

Колебательная скорость представляет собой скорость колебаний частиц среды около своего положения покоя. Колебательная скорость измеряется в метрах в секунду. Эту скорость не следует путать со скоростью звука. Скорость звука - величина постоянная для данной среды, колебательная скорость - переменная. Если частицы среды перемещаются по направлению распространения волны, то колебательную скорость считают положительной, при обратном перемещении частиц - отрицательной. Реальные источники звука даже при самых громких звуках вызывают колебательные скорости в несколько тысяч раз меньше скорости звука. Для плоской звуковой волны формула колебательной скорости имеет вид (1.2)

V = p/ρ·с, где ρ - плотность воздуха, кг/м 3 ; с - скорость звука, м/с.

Произведение ρ·с для данных атмосферных условий есть величина постоянная, ее называют акустическим сопротивлением .

Интенсивность звука - количество энергии, проходящей в секунду через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения звуковой волны. Интенсивность звука измеряется в ваттах на метр квадратный (Вт/м 2).

Плотность звуковой энергии есть количество звуковой энергии, находящейся в единице объема звукового поля: ε = J/c.

4. Контрольные вопросы

Глоссарий

Литература

Лекция 6 ЗАЩИТА ОТ ШУМА

Среди основных чувств человека слух и зрение играют важнейшую роль - позволяют человеку владеть звуковыми и зрительными информационными полями.

Даже беглый анализ системы человек – машина – окружающая среда дает основание считать одной из приоритетнейших проблем взаимодействия человека с окружающей средой, особенно на локальном уровне (цех, участок), проблему шумового загрязнения среды.

Длительное воздействие шума может привести к ухудшению слуха, а в отдельных случаях – к глухоте. Шумовое загрязнение среды на рабочем месте неблагоприятно воздействует на работающих: снижается внимание, увеличивается расход энергии при одинаковой физической нагрузке, замедляется скорость психических реакций и т.п. В результате снижается производительность труда и качество выполняемой работы.

Знание физических закономерностей процесса излучения и распространения шума позволит принимать решения, направленные на снижение его негативного воздействия на человека.

Звук. Основные характеристики звукового поля. Распространение звука

Понятие звук , как правило, ассоциируется со слуховыми ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые ощущения вызываются колебаниями упругой среды, которые представляют собой механические колебания, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде и воздействующие на органы слуха человека. При этом колебания среды воспринимаются как звук только в определенной области частот (16 Гц - 20 кГц) и при звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.

Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и ультразвуковыми . Они не имеют отношения к слуховым ощущениям человека и воспринимаются как физические воздействия среды.

Звуковые колебания частиц упругой среды имеют сложный характер и могут быть представлены в виде функции времени a = a(t) (рис. 1, а ).

Рис. 1. Колебания частиц воздуха.

Простейший процесс описывается синусоидой (рис. 1, б )

где a max - амплитуда колебаний;

w = 2 p f - угловая частота;

f - частота колебаний.

Гармонические колебания с амплитудой a max и частотой f называются тоном.

В зависимости от способа возбуждения колебаний различают:

Плоскую звуковую волну, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;

Цилиндрическую звуковую волну, создаваемую радиально колеблющейся боковой поверхностью цилиндра;

Сферическую звуковую волну, создаваемую точечным источником колебаний типа пульсирующий шар.

Основными параметрами, характеризующими звуковую волну, являются:

Звуковое давление p зв, Па;

Интенсивность звука I , Вт/м 2 .

Длина звуковой волны l , м;

Скорость распространения волны с, м/с;

Частота колебаний f , Гц.

Если в сплошной среде возбудить колебания, то они расходятся во все стороны. Наглядным примером являются колебания волн на воде. С физической точки зрения распространение колебаний состоит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой. Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует определенной затраты времени, в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом, колебания распространяются с определенной скоростью. Скорость распространения звуковой волны с - это физическое свойство среды.

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в областях разрежения понижается. Разность между давлением, существующем в возмущенной среде p ср в данный момент, и атмосферным давлением p атм, называется звуковым давлением (рис.2). В акустике этот параметр является основным, через который определяются все остальные.

p зв = p ср - p атм.

Рис. 2. Звуковое давление

Среда, в которой распространяется звук, обладает удельным акустическим сопротивлением Z A , которое измеряется в Па*с/м (или в кг/(м 2 *с) и представляет собой отношение звукового давления p зв к колебательной скорости частиц среды u :

z A = p зв /u = r *с ,

где с - скорость звука, м; r - плотность среды, кг/м 3 .

Для различных сред значения Z A различны.

Звуковая волна является носителем энергии в направлении своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через сечение площадью 1 м 2 , перпендикулярное направлению движения, называется интенсивностью звука . Интенсивность звука определяется отношением звукового давления к акустическому сопротивлению среды Вт/м 2:

Для сферической волны от источника звука с мощностью W , Вт интенсивность звука на поверхности сферы радиуса r равна:

I = W / (4p r 2),

то есть интенсивность сферической волны убывает с увеличением расстояния от источника звука. В случае плоской волны интенсивность звука не зависит от расстояния.

6.1.1 . Акустическое поле и его характеристики

Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:

- звуковым давлением p зв, Па;

- акустическим сопротивлением Z A , Па*с/м.

Энергетическими характеристиками акустического поля являются:

- интенсивность I , Вт/м 2 ;

- мощность звука W, Вт - количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

Важную роль при формировании акустического поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук. Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически до бесконечности, то такое поле называютсвободным акустическим полем. В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн.

Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлениями реверберации и диффузии .

Если в помещении начинает действовать источник звука, то в первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

Звуковое поле, в котором возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в результате чего удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю, называется диффузным полем.

После прекращения источником излучения звука акустическая интенсивность звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 10 6 раз от уровня, существующего в момент его выключения. Любое звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой затухания звука – реверберацией ("послезвучание").

Звуковое поле - область пространства, в которой распространяются звуковые волны, то есть происходят акустические колебания частиц упругой среды (твердой, жидкой или газообразной), заполняющей эту область. Понятие звукового поля применяется обычно для областей, размеры которых порядка или больше длины звуковой волны.

С энергетической стороны звукового поля характеризуется плотностью звуковой энергии (энергией колебательного процесса, приходящейся на единицу объема) и интенсивностью звука.

· звуковым давлением p зв, Па;

· акустическим сопротивлением z А , Па*с/м.

Энергетическими характеристиками акустического поля являются:

· интенсивность I , Вт/м 2 ;

· мощность звука W, Вт – количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

Важную роль при формировании акустического поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук.

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически до бесконечности, то такое поле называютсвободным акустическим полем.

В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн.

Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлениями реверберации и диффузии .