ЛЕКЦИЯ 2. АКУСТИКА. ЗВУК. ВИДЫЗВУКА. УЛЬТРАЗВУК (УЗ) И ИНФРАЗВУК. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫФИЗИКИ СЛУХА.
Звук:
а) в широком смысле - упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах;
б) в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.
Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов:
Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота.
- Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном).
- Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека). Его можно представить в виде суммы простых тонов. Их разложение на составляющие тоны называется спектром.
Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).
Звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие (хлопок, удар, взрыв, гром и т.д.)
Акустический спектр тона – это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд (рис. 2.1).
Наименьшая частота в спектре ν соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2ν, 3ν, 4ν,...
Рис. 2.1. Спектры: а - ноты рояля, б – ноты кларнета
Физические характеристики звука.
Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость распространения звука зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. В газе скорость звука зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т ):
ʋ = 
где 
– универсальная газовая постоянная, v – отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме.
Для воздуха v = 0,029 кг/моль.
Скорость звука в воздухе: ʋ = 331 + 0,6 t, не зависит от давления.
Скорость звука в воде равна 1500 м/с; мягкие ткани организма имеет близкое значение этой скорости звука.
Звуковое давление ( 
P) - амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.
Интенсивность звука - плотность потока энергии, переносимой звуковой волной.
Формула для расчета интенсивности: I = 
/2ρʋ,
где ρ- плотность среды, ʋ- скорость звука в ней.
Порог слышимости (
или 
) - минимальное звуковое давление или минимальная интенсивность звука, при которых у "среднего" человека возникают слуховые ощущения на частоте 1кГц:
=3 
Па, 
Вт/ 
Порог болевого ощущения (
или 
) - значения звукового давления или интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения на частоте 1 кГц:
= 100 Па, 
=10 Вт/
При 140 дБ –болевое ощущение, а при 160 дБ – может вызвать разрыв барабанной перепонки
Расчет уровня интенсивности в децибелах:
= 10∙lg( 
/ 
) = 20lg( 
)
Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости:
= lg( / ) = 2lg( P/ ). [бел (Б)].
Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения.
Высота тона - субъективная характеристика обусловлена, прежде всего, частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук).В меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности (звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона).
Тембр з вука почти исключительно определяется спектральным составом.
Закон Вебера – Фехнера - если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т. е. на одинаковую величину).
Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.
Громкость можно оценить количественно путем. Методом сравнения слухового ощущения от двух источников. Одним, из которых является опорной частотой (1 кГц).
Громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у "среднего" человека такое же ощущение громкости, что и данный звук. Единицу громкости звука называют фоном (фон.)
Для того чтобы найти соответствие между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости (Рис.2.2).
Рис. 2.2 Кривые равной громкости.
Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом.
Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков - порогу слышимости: для всех частот = 0, для 1 кГц соответствующая интенсивность звука 10 ~ 1012Вт/м2.