info@umanet.su

Что такое звук?

Под звуком мы в первую очередь понимаем механические волнообразные колебательные движения, распространяющиеся в газообразной, жидкой и твердой среде. В этой связи звуковая энергия может рассматриваться как особая форма механической энергии.

Колебательные движения в воздушной среде воспринимаются нашим слухом; вызванное при этом раздражение называется ощущением звука.

Виды звуковых волн

Частицы материи, выведенные из состояния покоя, совершают колебательные движения в течение некоторого времени, после чего возвращаются в первоначальное положение. При этом могут возникать разнообразные виды волнообразных колебательных движений, поскольку каждая частица материи в большей или меньшей степени связана со смежными частицами упругими силами и приводит их в колебательное движение анало-гичного характера.

Если частицам материи передан импульс в направлении распространения волны, то они совершают колебательные движения, перемещаясь в направлениях, совпадающем и обратном направлению распространения волны. Благодаря этому они попеременно сближаются и удаляются друг от друга. На рис. 1 дано схематическое изображение этого процесса. В верхней строке эти частицы, например молекулы воздуха, находятся еще в состоянии покоя. Затем крайней слева частице передан импульс в направлении слева направо.

Вторая строка показывает смещения частиц по отношению к их положению в состоянии покоя, которые они претерпевают спустя некоторое время. При этом образуются сгущения и разрежения частиц. На этой же схеме можно определить длину волны и увидеть имеющее место изменение давления. Участкам сгущения частиц отвечает повышенное, участкам разрежения - пониженное давление. Такие волны называются в физике продольными. Продольные волны могут наблюдаться в газах, жидкостях, а также в твердых телах. В воздухе и воде могут распространяться только продольные волны, что объясняется их упругими свойствами.

Схема распространения продольных волн в среде

В повседневной жизни явление продольных волн мы наблюдаем при отправлении или резком торможении товарного поезда. Совершенно отчетливо воспринимаемая волна, пробегающая по составу, и является продольной; отдельные составные элементы этой волны (открытые платформы поезда) перемещаются в направлении движения поезда или в обратном направлении, но не отклоняются в сторону от этого направления.

Если частицам материи передан импульс в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны, эффект получается совершенно иной. Частица, воспринявшая импульс, осуществляет поперечное к направлению распространения волны колебательное движение (рис. 2), причем она увлекает за собой смежную частицу, с которой она связана упругими силами. Эта в свою очередь увлекает за собой следующую частицу: каждая последующая по времени частица, выведенная из состояния покоя, достигает максимума смещения от ее положения в состоянии покоя всегда с некоторым запозданием по сравнению с предыдущей.

На рис. 2 это изображено очень наглядно. Обе кривые являются как бы "моментальными фотографиями" волны. Кривая II "сфотографирована" по прошествии 3/8 периода колебания.

Схема распространения поперечных волн в среде

Кривая I - перемещение первой частицы, воспринявшей импульс

Кривая II - перемещение частицы, которой импульс передан позднее

Волны этого вида называются поперечными. Поперечные волны могут возникать не во всякой материальной среде. Они образуются только благодаря тому, что одна молекула среды увлекается другой в совместное колебательное движение в связи с наличием так называемого напряжения сдвига.

Схематическое изображение волн изгиба в плите

Для строителя наибольшее значение имеют волны, которые часто возникают в зданиях и сооружениях. Конструктивные элементы в виде плит часто испытывают колебания изгиба, схема которых показана па рис. 3.

Такому виду колебаний могут подвергаться стены и междуэтажные перекрытия, которые всегда представляют собой плиты. На этой схеме видно, что воспринимающий возбуждение конструктивный элемент подвергается деформации. В зависимости от конструкции, толщины и размеров такого элемента, от использованных связующих материалов и т. п. он может сопротивляться такой деформации, и мы считаем его в таком случае обладающим необходимой жесткостью. Если же конструктивный элемент легко деформируется и в нем, таким образом, легко образуются волны изгиба, мы его считаем гибким.

Тонкие изделия, как, например, легкие древесностружечные плиты, обладают большой гибкостью и в них могут образоваться волны изгиба очень малой длины, что имеет существенное значение для звукоизоляции.

В кирпичной кладке могут одновременно иметь место продольные, поперечные волны и волны изгиба. Длины волн можно отчетливо видеть па рис. 1 -3. Они отсчитываются от одного сгущения частиц до следующего, от одной кучности до другой. На рис. 2 может быть отсчитано также то расстояние, на которое смещается частица материи по отношению к ее положению в состоянии покоя. Наибольшая величина такого смещения называется амплитудой колебания.

Чем интенсивнее звуковой импульс, тем большей величины достигает амплитуда колебания и тем более громким воспринимается звук.

Количественная характеристика звуковой энергии

Уже указывалось, что звук представляет собой один из видов механической энергии. Ее можно измерить, как это показывают приведенные ниже примеры, взятые из литературных источников.

Мощность громкой речи составляет примерно одну стотысячную ватта. При скоплении в одном месте толпы в 4 миллиона человек при их одновременном громком разговоре вырабатывается энергия, которой было бы достаточно для питания одной лампы накаливания в 40 вт.

Можно даже получить мощность в 1 л. с. Для этого нужно было бы собрать 12 000 трубачей, одновременно играющих фортиссимо.

Эти примеры дают нам некоторое представление о том, что недостаточно ясно выражено числовыми данными. Становится очевидным ничтожные значения звуковой энергии, хотя ее и достаточно, чтобы звук проникал через перекрытия и стены и приводил целые части здания в колебательное состояние.

Виды звуков

Мы видим, что для образования и распространения звука необходима материальная среда, хотя бы воздух.

В безвоздушном пространстве образование и распространение звука невозможно.

В зависимости от среды, в которой распространяются звуки, они получают свое обозначение.

Мы различаем в связи с этим:

 — воздушные звуки, распространяющиеся в воздушной среде;

 — корпусные звуки, распространяющиеся в твердых телах.

Особым видом звуков, имеющих существенное значение в зданиях, являются ударные звуки, возникающие при прямом воздействии ударов по перекрытию, которое излучает звуковую энергию, воспринимаемую слухом.

Скорость распространения звука

В открытом пространстве звук распространяется во всех направлениях. Звуковые волны в этом случае имеют сферический вид в противоположность плоским двухмерным волнам, образующимся на поверхности жидкостей; этим волнам соответствуют звуковые волны при распространении звука в частях здания, имеющих вид плит (см. рис. 3). Сферические звуковые волны аналогичны световым волнам. Звуковые волны можно экранировать, фокусировать и направлять в определенную сторону так же, как световые лучи от какого-либо источника.

Скорость распространения звуковых волн зависит от упругих свойств материальной среды, в которой они распространяются. Чем эластичнее среда, тем меньше скорость распространения звуковых волн.

В газах скорость распространения звука значительно ниже, чем в твердых телах. Скорость звука в газах зависит также от температуры среды. Например, для воздуха она составляет:

при температуре 0°С — 331 м/сек,

при температуре + 15°С — 340 м/сек.

При этом надо учитывать, что в связи со сферической формой звуковых волн происходит довольно быстрое затухание звуковой энергии и соответствующее этому ослабление звука.

Такие материалы, как бетон, железобетон, сталь и другие металлы, являются с точки зрения строительной акустики наименее благоприятными, поскольку скорость звука в них большая и, следовательно, звук может распространяться в них на большие расстояния. Однако распространение корпусных звуков само по себе не имеет решающего значения. Корпусные звуки воспринимаются нами главным образом в том случае, когда они преобразуются в воздушные звуки.

Частота звука

Слух воспринимает как высокие, так и низкие тона. Высота тона определяется числом полных циклов звуковых колебаний. Это число носит название частоты и определяется в герцах (гц).

Тон, характеризуемый большим числом колебаний за единицу времени, воспринимается как высокий (высокочастотный звук). Низкие тона характеризуются меньшим числом колебаний (низкочастотный звук).

Длина звуковой волны определяется частотой и скоростью звука. Обозначив частоту через ƒ, а скорость через с, длину волны λ определим по формуле

Длина звуковой волны частотой 1000 гц в воздухе тпри его температуре 15°С составит:

Это приводит к уяснению физического свойства звука, имеющего огромное практическое значение.

По сопоставлению с другими физическими явлениями - светом, теплом - звук характеризуется исключительно большой длиной волн.

В связи с этим необходимо установить область звуковых колебаний, воспринимаемых слухом.

Пределы слышимости

Самый низкий тон, который еще воспринимается слухом, обладает частотой около 16 гц. Это самый низкий тон, который не обладает уже музыкальной благозвучностью. В общем, мы можем признать, что слух реагирует на частоты свыше 20 гц. Тона более низких частот слухом человека не воспринимаются.

Колебания частотой ниже 20 гц относятся к области инфразвуков. Они не воспринимаются слухом, однако часто мы их чувствуем с достаточной отчетливостью, например па пароходах, в поездах, в автобусах.

Наиболее высокий тон, воспринимаемый наиболее острым слухом, характеризуется частотой около 20 000 гц (20 кгц).

Колебания частотой свыше 20 000 гц относятся к области ультразвуков. Наши органы слуха, обладающие определенной инерцией, внутренним трением и собственными колебаниями, на них уже не реагируют.

С возрастом у людей слышимость звуков высоких частот снижается Большинство взрослых людей едва ли воспринимает звуки с частотой свыше 12 000 гц, а пожилые люди воспринимают отчетливо звуки частотой всего до 6000-8000 гц

Диапазоны частот

Потеря чувствительности слуха на высоких частотах не является для человека большой утратой.

Для наглядного представления о звуках низкой и высокой частоты приведем несколько примеров.

Самый низкий (басовый) тон на рояле обладает частотой около 30 гц: самый высокий тон - около 4000 гц. Частоты в пределах от 30 до 4000 гц относятся к так называемому музыкальному диапазону. Тона за пределами музыкального диапазона не воспринимаются нами музыкальными, несмотря на то, что обертоны, сопровождающие звучание ряда музыкальных инструментов, например скрипки и флейты-пикколо, имеют более высокие частоты.

Самый низкий мужской голос - бас может обладать наименьшей частотой в 80 гц. Частота низкого женского голоса едва ли может опускаться ниже 180 гц, а самое высокое сопрано достигает частоты свыше 1000 гц. Обертоны и свистящие звуки человеческого голоса могут достигать частоты до 12 000 гц.

В гражданском строительстве основное значение имеют звуки в диапазоне от 100 до 3200 гц. Исследования и измерение шумов поэтому производятся в пределах этого диапазона частот.

Длина звуковых волн

Самый низкочастотный звук, учитываемый в строительстве, частотой 100 гц, имеет длину звуковой волны 3,4 м, самый высокий имеет длину волны около 10 см (при частоте 3200 гц).

Длина волн световых и тепловых лучей чрезвычайно мала и выражается иногда тысячными долями миллиметра.

Длина самых коротких звуковых воли (см. табл.) больше или во всяком случае соизмерима с размерами ограждающих конструкций зданий.

Длина звуковых волн при температуре +15С

Волны изгиба в частях здания, имеющих вид плиты, могут достигать довольно большой длины. В то время как длина звуковой волны, распространяющейся в воздухе, при частоте 100 гц составляет 3,4 м, длина продольной звуковой волны в кирпичной стене при той же частоте 100 гц достигает почти 24 м. Длина волны изгиба в кир-пичной стене толщиной 12 см равна 2,2 м, Длина этих волн тем меньше, чем тоньше стена.

Звук, тон, тембр, шум

Физические определения терминов: звук, тон, тембр и шум отличаются от того, что под ними понимается в обычном разговорном языке. Изложенное дает нам возможность уяснить себе эти понятия.

При исполнении на любом музыкальном инструменте извлекаемый звук практически является составным из нескольких одновременно звучащих тонов. В качестве обертонов в этом звуке участвуют тона, отличающиеся в основном на октаву, а также тона и других частот. Это легко можно показать на примере звучания рояля.

Понятие "тон" в физике относится к определенному звуковому колебанию без каких-либо сопутствующих колебаний, имеющему вид синусоиды. Камертон является, пожалуй, единственным инструментом, обладающим такой чистотой тона.

Если звуки состоят из нескольких тонов, частоты которых находятся между собой в целых кратных отношениях, как это было показано выше, то они называются музыкальными звуками.

Звуки, состоящие из бессистемного сочетания чистых тонов, частоты которых не подчинены определенным числовым отношениям, называются шумами.