Раздел I

АКУСТИЧЕСКИЕ И ВЕЩАТЕЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ТРАКТОВ

Глава 1

ЗВУК И ЕГО ВОСПРИЯТИЕ

1.      ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЗВУКОВОГО ПОЛЯ

Звуком называются малые механические колебания в твердых, жидких и газообразных средах, частоты которых находятся в диапазоне 20—20 000 Гц. Частоты ниже 20 Гц называются инфразвуковыми, а выше 20 000 Гц — ультразвуковыми. В дальнейшем рассматривается распространение звуковых волн в воздухе.

Пространство, в котором происходит распространение звуковых волн, называется звуковым полем. Звуковые волны имеют продольный характер, т. е. силы, создающие упругие деформации в среде при распространении в ней звуковой волны, нормальны к фронту волны. Изменения состояния среды под действием звуковых волн характеризуются звуковым давлением (р) и колебательной скоростью (v) частиц среды. Разность между мгновенным значением давления среды, возмущенной звуковым полем, и средним давлением в отсутствии звукового поля называется звуковым давлением. Звуковое давление — величина скалярная. В области сжатия давление положительно, в области разрежения — отрицательно. Измеряется звуковое давление в паскалях (Па). Один паскаль в 10⁵ раз меньше нормального атмосферного давления. Колебательная скорость есть мгновенное значение колебательной скорости движения частиц среды при распространении звуковой волны. Колебательная скорость — величина векторная, за положительное направление вектора принимается направление, совпадающее с направлением распространения звуковой волны. Измеряется колебательная скорость в метрах за секунду (м/с). Звуковое давление и колебательная скорость однозначно связаны друг с другом. В поле плоской волны эта связь имеет вид: р = ρ₀cv, где ρ₀ — плотность среды; с — скорость распространения звука в ней (при нормальном давлении и температуре 20°С ρ₀= 1,3 кг/м³, с = 340 м/с).

В поле сферической волны р == ρ₀(r + ix)v, где r и х — безразмерные коэффициенты, зависящие от расстояния (R) между точкой наблюдения и источником сферических волн, а также от излучаемой частоты,

 

 

k = 2π/λ — волновое число.

Сдвиг фаз между давлением и колебательной скоростью в поле сферической волны

 

 

В поле сферической волны амплитудные значения давления и скорости связаны соотношением

 

 

Переносимая звуковой волной энергия характеризуется интенсивностью (I) и плотностью (ε). Интенсивность (или сила) звука есть среднее количество звуковой энергии, проходящей за единицу времени через единичную площадку, расположенную нормально к направлению распространения звуковой волны, т. е. мощность, переносимая звуковой волной через единичную площадку. Плотность звуковой энергии — это средняя во времени энергия, содержащаяся в единице объема. Интенсивность звука и плотность звуковой энергии определяются через давление и колебательную скорость следующим образом:

  

Интенсивность звука измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²), а плотность — в джоулях на кубический метр (Дж/м³).

Давление, плотность звуковой энергии и силу звука удобно определять в уровнях, выраженных в децибелах,

 

  

где p₀ , I₀, ε₀ — значения соответственно давления, силы звука и плотности звуковой энергии, уровень которых принимается за нулевой: р₀ = 2 х 10^-5 Па, I₀ = 10^-12 Вт/м², ε₀ = 3 • 10^-15 Дж/м⁸.

Так как в одной и той же точке поля N_p, = N_I = N_ε, то индексы у N обычно не пишут, и когда речь идет об уровнях р, I или ε, для краткости говорят «уровень поля».