Физические характеристики звука
1. Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):
2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде (рис. 3.2).
Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений. Звуковое давление (ΔΡ) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны. 3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии. Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной (см. формулу 2.5). В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина. Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ΔΡ) выражается следующей формулой:
Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости. Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу слышимости соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ0) и интенсивности звука (I0): ΔΡ0 = 3х10-5 Па (≈ 2х10-7 мм рт.ст.); I0 = 10-12 Вт/м2. Значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения, называются порогом болевого ощущения. Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу болевого ощущения соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡm) и интенсивности звука (Im):
Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости:
Обычно используют более мелкую единицу уровня интенсивности - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах вычисляется по следующим формулам:
Если человек слышит звуки, приходящие с одного направления от нескольких некогерентных источников, то их интенсивности складываются:
|
Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.
Рис. 3.2. Изменение давления в среде при распространении звука.
где ρ - плотность среды; v - скорость звука в ней.
4. Уровень интенсивности (L). Отношение интенсивностей, соответствующих порогам слышимости и болевого ощущения, столь велико (Im /I0 = 1013), что на практике используют логарифмическую шкалу, вводя специальную безразмерную характеристику - уровень интенсивности.
Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б).
Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 10 дБ.
Характеристики часто встречающихся звуков приведены в табл. 3.1.
Высокий уровень интенсивности звука приводит к необратимым изменениям в слуховом аппарате. Так, звук в 160 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки и смещение слуховых косточек в среднем ухе, что приводит к необратимой глухоте. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное действие шума в 90-120 дБ приводит к поражению слухового нерва.
