Câmpul sonor și caracteristicile sale fizice. Câmp sonor Ce este un câmp sonor

Cursul 6 PROTECȚIA DE ZGOMOT

Dintre simțurile umane de bază, auzul și vederea joacă cel mai important rol - permit unei persoane să controleze câmpurile de informații sonore și vizuale.

Chiar și o analiză superficială a sistemului om - mașină - mediu dă motive să luăm în considerare una dintre problemele prioritare ale interacțiunii omului cu mediul, mai ales la nivel local (magazin, șantier), problema poluării fonice.

Expunerea prelungită la zgomot poate provoca pierderea auzului și, în unele cazuri, surditatea. Poluarea fonică la locul de muncă afectează negativ lucrătorii: atenția scade, consumul de energie crește cu aceeași sarcină fizică, ritmul reacțiilor mentale încetinește etc. Ca urmare, productivitatea muncii și calitatea muncii prestate sunt reduse.

Cunoașterea legilor fizice ale procesului de propagare a radiațiilor și a zgomotului va face posibilă luarea de decizii menite să reducă impactul negativ al acestuia asupra oamenilor.

Sunet. Principalele caracteristici ale câmpului sonor. propagarea sunetului

concept sunet , de regulă, este asociat cu senzațiile auditive ale unei persoane cu auz normal. Senzațiile auditive sunt cauzate de vibrațiile unui mediu elastic, care sunt vibrații mecanice care se propagă într-un mediu gazos, lichid sau solid și care afectează organele auzului uman. În acest caz, vibrațiile mediului sunt percepute ca sunet doar într-un anumit interval de frecvență (16 Hz - 20 kHz) și la presiuni sonore care depășesc pragul de auz uman.

Frecvențele vibrațiilor mediului, aflate sub și deasupra intervalului de audibilitate, se numesc, respectiv infrasonic și cu ultrasunete . Ele nu au legătură cu senzațiile auditive umane și sunt percepute ca efecte fizice ale mediului.

Vibrațiile sonore ale particulelor dintr-un mediu elastic au un caracter complex și pot fi reprezentate în funcție de timp a = a(t)(Fig. 1, A).

Orez. 1. Vibrații ale particulelor de aer.

Cel mai simplu proces este descris de o sinusoidă (Fig. 1, b)

Unde amax- amplitudinea oscilatiei;

w = 2 p f - frecventa unghiulara;

f- frecventa de oscilatie.

Oscilații armonice cu amplitudine amax si frecventa f numit ton.

În funcție de metoda de excitare a oscilațiilor, există:

O undă sonoră plană creată de o suprafață oscilantă plană;

Undă sonoră cilindrică creată de suprafața laterală care vibra radial a cilindrului;

O undă sonoră sferică creată de o sursă punctuală de vibrații, cum ar fi o minge care pulsa.

Principalii parametri care caracterizează unda sonoră sunt:

Presiunea sonoră p zv, Pa;

Intensitatea sunetului eu, W/m2.

Lungimea undei sonore l, m;

Viteza de propagare a undelor s, m/s;

Frecvența de oscilație f, Hz.

Dacă vibrațiile sunt excitate într-un mediu continuu, atunci ele diverg în toate direcțiile. Un bun exemplu sunt vibrațiile valurilor pe apă. Din punct de vedere fizic, propagarea vibrațiilor constă în transferul de impuls de la o moleculă la alta. Datorită legăturilor intermoleculare elastice, mișcarea fiecăruia dintre ele repetă mișcarea celei precedente. Transferul de impuls necesită o anumită perioadă de timp, în urma căreia mișcarea moleculelor la punctele de observare are loc cu o întârziere în raport cu mișcarea moleculelor în zona de excitație a oscilației. Astfel, vibrațiile se propagă cu o anumită viteză. Viteza undei sonore cu este o proprietate fizică a mediului.

Vibrațiile sonore din aer provoacă comprimarea și rarefierea acestuia. În zonele de compresie, presiunea aerului crește, iar în zonele de rarefacție, scade. Diferența dintre presiunea existentă într-un mediu perturbat p cf în acest moment și presiunea atmosferică p se numește atm presiunea sonoră (Fig. 2). În acustică, acest parametru este principalul prin care se determină toate celelalte.

p sv = p miercuri - p ATM.

Orez. 2. Presiunea sonoră

Mediul în care se propagă sunetul specific impedanta acustica Z A, care se măsoară în Pa * s / m (sau în kg / (m 2 * s) și este raportul dintre presiunea sonoră p sunetul la viteza de vibrație a particulelor mediului u:

z A = p stea / u =r*cu,

Unde cu - viteza sunetului , m; r - densitate medie, kg/m 3 .

Pentru diferite valori media ZA diferit.

Unda sonoră este un purtător de energie în direcția mișcării sale. Cantitatea de energie transportată de o undă sonoră într-o secundă printr-o secțiune de 1 m 2 perpendiculară pe direcția mișcării se numește intensitatea sunetului . Intensitatea sunetului este determinată de raportul dintre presiunea sonoră și impedanța acustică a mediului W/m2:

Pentru o undă sferică de la o sursă de sunet cu putere W, W intensitatea sunetului pe suprafața unei sfere de rază r este egal cu:

eu= W / (4relatii cu publicul 2),

asta este intensitatea undă sferică scade odata cu cresterea distantei fata de sursa de sunet. Când val plan intensitatea sunetului nu depinde de distanță.

6.1.1 . Câmpul acustic și caracteristicile acestuia

Suprafața corpului care oscilează este un emițător (sursă) de energie sonoră, care creează un câmp acustic.

Câmp acustic numită zona mediului elastic, care este un mijloc de transmitere a undelor acustice. Câmpul acustic se caracterizează prin:

- presiunea sonoră p zv, Pa;

- impedanta acustica Z A, Pa*s/m.

Caracteristicile energetice ale câmpului acustic sunt:

- intensitatea I, W/m2;

- puterea sunetului W, W este cantitatea de energie care trece pe unitatea de timp prin suprafața din jurul sursei de sunet.

Un rol important în formarea câmpului acustic îl joacă caracteristica de directivitate a radiației sonore Ф , adică distribuția spațială unghiulară a presiunii sonore generate în jurul sursei.

Toate aceste cantități sunt interdependente și depind de proprietățile mediului în care se propagă sunetul. Dacă câmpul acustic nu este limitat de suprafață și se extinde aproape la infinit, atunci un astfel de câmp se numește câmp acustic liber. Într-un spațiu restrâns (de exemplu, în interior), propagarea undelor sonore depinde de geometria și proprietățile acustice ale suprafețelor situate în calea undelor.

Procesul de formare a unui câmp sonor într-o cameră este asociat cu fenomene reverbși difuziune.

Dacă o sursă de sunet începe să acționeze în cameră, atunci în primul moment avem doar sunet direct. Când o undă atinge o barieră care reflectă sunetul, modelul câmpului se modifică datorită apariției undelor reflectate. Dacă un obiect ale cărui dimensiuni sunt mici în comparație cu lungimea de undă a undei sonore este plasat în câmpul sonor, atunci practic nu se observă nicio distorsiune a câmpului sonor. Pentru o reflexie eficientă, este necesar ca dimensiunile barierei reflectorizante să fie mai mari sau egale cu lungimea undei sonore.

Un câmp sonor în care apar un număr mare de unde reflectate cu direcții diferite, în urma căruia densitatea specifică a energiei sonore este aceeași în tot câmpul, se numește câmp difuz.

După ce sursa de emisie a sunetului încetează, intensitatea acustică a câmpului sonor scade la nivelul zero într-un timp infinit. În practică, se crede că sunetul este complet atenuat atunci când intensitatea lui scade de 10 6 ori de la nivelul care există în momentul în care este oprit. Orice câmp sonor ca element al unui mediu oscilant are propria sa caracteristică de atenuare a sunetului - reverberaţie(„sunet de după”).

Spațiul în care se propagă sunetul se numește câmp sonor. Caracteristicile câmpului sonor sunt împărțite în liniar și energetic.

Caracteristicile câmpului sonor liniar:

1. presiunea sonoră;

2. amestecarea particulelor medii;

3. viteza de oscilație a particulelor mediului;

4. rezistenta acustica a mediului;

Caracteristicile energetice ale câmpului sonor:

1. puterea (intensitatea) sunetului.

1. Presiunea sonoră este presiunea suplimentară care apare atunci când sunetul trece printr-un mediu. Este o presiune suplimentară față de presiunea statică din mediu, de exemplu, față de presiunea atmosferică a aerului. Indicat prin simbol Rși se măsoară în unități:

P \u003d [ N / m 2 ] \u003d [ Pa ].

2. Deplasarea particulelor de mediu este o valoare egală cu abaterea particulelor condiționate ale mediului de la poziția de echilibru. Indicat prin simbol L, măsurată în metri (cm, mm, km), L = [m].

3. Viteza de oscilație a particulelor mediului este viteza de deplasare a particulelor mediului în raport cu poziția de echilibru sub acțiunea unei unde sonore. Indicat prin simbol uși se calculează ca raport de compensare L La timp t, pentru care s-a produs această schimbare. Se calculează după formula:

Unitate de măsură [ m/s ], în unități în afara sistemului cm/s, mm/s, µm/s.

4. Rezistența acustică - rezistența pe care un mediu o oferă unei unde acustice care trece prin acesta. Formula de calcul:

Unitate de măsură: [ Pa·s/m ].

În practică, se utilizează o altă formulă pentru a determina impedanța acustică:

Z=p*v. Z-impedanță acustică,

p este densitatea mediului, v este viteza undei sonore în mediu.

Dintre caracteristicile energetice din medicină și farmacie, se folosește doar una - puterea sau intensitatea sunetului.

Puterea (intensitatea) sunetului este o valoare egală cu cantitatea de energie sonoră E trecerea pe unitatea de timp t prin suprafața unității S. Indicat prin simbol eu. Formula de calcul: I=E/(S t) Unităţi de măsură: [J/s·m 2 ]. Deoarece un joule pe secundă este egal cu 1 watt,

eu = [ J/s m 2 ] = [ W/m2].

Caracteristicile psihofizice ale sunetului.

Psihofizica este știința legăturii dintre influențele fizice obiective și senzațiile subiective care apar în acest caz.

Din punctul de vedere al psihofizicii, sunetul este o senzație care apare în analizatorul auditiv atunci când asupra acestuia acționează vibrațiile mecanice.

Sunetul psihofizic este împărțit în:

Tonurile sunt simple;

Tonurile sunt complexe;

Ton simplu este un sunet corespunzător unei oscilații mecanice armonice sinusoidale de o anumită frecvență. Un grafic de ton simplu este o sinusoidă (vezi 3. Forma de undă).

Ton complex- acesta este un sunet format dintr-un număr diferit (multiplu) de tonuri simple. Graficul complex de tonuri este o curbă periodică nesinusoidală (vezi 3. Forma de undă).

Zgomot - este un sunet complex, format dintr-un număr mare de tonuri simple și complexe, al căror număr și intensitate este în continuă schimbare. Zgomotele de intensitate redusă (zgomotul de ploaie) calmează sistemul nervos, zgomotele de intensitate mare (funcționarea unui motor electric puternic, funcționarea transportului urban) obosesc sistemul nervos. Controlul zgomotului este una dintre sarcinile acusticii medicale.

Caracteristicile psihofizice ale sunetului:

Pas

Volumul sunetului

Timbrul sunetului

Pas este o măsură subiectivă a frecvenței unui sunet audibil. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât înălțimea este mai mare.

Volumul sunetului - aceasta este o caracteristică care depinde de frecvența și puterea sunetului. Dacă puterea sunetului nu se schimbă, atunci cu o creștere a frecvenței de la 16 la - 1000 Hz, volumul crește. La o frecvență de 1000 până la 3000 Hz, rămâne constantă, cu o creștere suplimentară a frecvenței, volumul scade și la frecvențe peste 16.000 Hz, sunetul devine inaudibil.

Loudness (nivelul de zgomot) este măsurat folosind o unitate numită „phon”. Intensitatea în fundal este determinată folosind tabele și grafice speciale, care sunt numite „curbe izoacustice”.

Timbrul sunetului- aceasta este cea mai complexă caracteristică psihofizică a sunetului perceput. Timbrul depinde de numărul și intensitatea tonurilor simple incluse într-un sunet complex. Un ton simplu nu are timbru. Nu există unități pentru măsurarea timbrului unui sunet.

Unități logaritmice de măsură a sunetului.

În experimente s-a stabilit că schimbările mari în puterea și frecvența sunetului corespund unor modificări minore ale zgomotului și înălțimii. Din punct de vedere matematic, aceasta corespunde faptului că creșterea senzației de înălțime și zgomot are loc conform legilor logaritmice. În acest sens, unitățile logaritmice au început să fie folosite pentru măsurătorile sunetului. Cele mai comune unități sunt „bel” și „decibel”.

Bel este o unitate logaritmică egală cu logaritmul zecimal al raportului a două mărimi omogene. Dacă aceste cantități sunt două puteri diferite ale sunetului I 2 și I 1, atunci numărul de bels poate fi calculat folosind formula:

N B \u003d lg (I 2 / I 1)

Dacă raportul dintre I 2 și I 1 este 10, atunci N B \u003d 1 alb, dacă acest raport este 100, atunci 2 alb, 1000 - 3 alb. Pentru alte rapoarte, numărul de bels poate fi calculat din tabele de logaritmi sau folosind un microcalculator.

Decibelul este o unitate logaritmică egală cu o zecime de bela.

Denumit dB. Calculat prin formula: N dB \u003d 10 lg (I 2 /I 1).

Decibelul este o unitate mai convenabilă pentru practică și, prin urmare, este folosit mai des în calcule.

Octava este o unitate logaritmică a acusticii medicale, care este utilizată pentru a caracteriza intervalele de frecvență.

O octava este un interval (banda) de frecvente in care raportul dintre o frecventa mai mare si una inferioara este egal cu doi.

Cantitativ, intervalul de frecvență în octave este egal cu logaritmul binar al raportului a două frecvențe:

N OCT =log 2 (f2/f1). Aici N este numărul de octave din intervalul de frecvență;

f 2 , f 1 - limitele intervalului de frecvență (frecvențe extreme).

Se obţine o octavă când raportul de frecvenţă este doi: f 2 /f 1 =2.

În acustica medicală, se folosesc limite standard de frecvență de octave.

În cadrul fiecărui interval, sunt date frecvențe medii de octave rotunjite.

Limitele de frecvență 18 - 45 Hz corespund frecvenței medii de octave - 31,5 Hz;

limitele de frecvență de 45-90 Hz corespund frecvenței medii de octave de 63 Hz;

limite 90-180 Hz - 125 Hz.

Secvența de frecvențe medii de octave atunci când se măsoară acuitatea auzului va fi frecvențele: 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Hz.

Pe lângă bela, decibel și octava in acustică este folosită unitatea logaritmică „deceniu”. Intervalul de frecvență în decenii este egal cu logaritmul zecimal al raportului dintre cele două frecvențe extreme:

N Dec \u003d jurnal (f 2 / f 1).

Aici N dec - numărul de decenii din intervalul de frecvență;

f 2 , f 1 - limitele intervalului de frecvență.

Se obține un deceniu când raportul frecvențelor extreme ale intervalului este egal cu zece: f 2 / f 1 = 10.

În ceea ce privește scara, un deceniu este egal cu bela, dar este folosit doar în acustică și doar pentru a caracteriza raportul de frecvențe.

Condiții pentru percepția umană a sunetului.

Sunet- senzație psihofiziologică cauzată de vibrațiile mecanice ale particulelor unui mediu elastic. Vibrațiile sonore corespund intervalului de frecvență în intervalul 20...20.000 Hz. Oscilatii cu frecventa mai mici de 20 Hz sunt numite infrasonice, și peste 20.000 Hz - cu ultrasunete. Efectul vibrațiilor infrasonice asupra unei persoane provoacă disconfort. În natură, vibrațiile infrasonice pot apărea în timpul valurilor mării, vibrații ale suprafeței pământului. Vibrațiile cu ultrasunete sunt folosite în scopuri terapeutice în medicină și în dispozitivele electronice radio, cum ar fi filtrele. Excitarea sunetului determină un proces oscilator care modifică presiunea într-un mediu elastic în care alternează straturi de compresie și rarefacție care se propagă de la o sursă sonoră sub formă de unde sonore. În mediile lichide și gazoase, particulele de mediu oscilează în jurul poziției de echilibru în direcția de propagare a undei, de exemplu. undele sunt longitudinale. În solide, undele transversale se propagă, deoarece particulele mediului oscilează într-o direcție perpendiculară pe linia de propagare a undei. Spațiul în care se propagă undele sonore se numește câmp sonor.. Există un câmp sonor liber, când influența suprafețelor care reflectă undele sonore este mică, și un câmp sonor difuz, unde în fiecare punct puterea sonoră pe unitate de suprafață este aceeași în toate direcțiile. Propagarea undelor într-un câmp sonor are loc la o anumită viteză, care se numește viteza sunetului. Formula (1.1)

c \u003d 33l√T / 273, unde T este temperatura pe scara Kelvin.

În calcule se ia c = 340 m/s, ceea ce corespunde aproximativ unei temperaturi de 17°C la presiunea atmosferică normală. Suprafața care leagă punctele adiacente ale câmpului cu aceeași fază de oscilație (de exemplu, puncte de condensare sau rarefacție) se numește front de val. Cele mai comune unde sonore sunt sfericși fronturi de undă plate. Frontul unei unde sferice are forma unei mingi si se formeaza la o distanta mica de sursa sonora daca dimensiunile acesteia sunt mici in comparatie cu lungimea de unda a undei emise. Frontul unei unde plane are forma unui plan perpendicular pe direcția de propagare a undei sonore (fascicul de sunet). Undele cu front plat se formează la distanțe mari de sursa sonoră în comparație cu lungimea de undă. Câmpul sonor este caracterizat presiunea sonoră, viteza de vibratie, intensitatea sunetuluiși densitatea energiei sonore.

Presiunea sonoră- aceasta este diferența dintre valoarea instantanee a presiunii p a într-un punct din mediu când o undă sonoră trece prin acesta și presiunea atmosferică p a în același punct, adică. p \u003d r ac - r am. Unitatea de măsură a presiunii sonore în sistemul SI este newton pe metru pătrat: 1 N / m 2 \u003d 1 Pa (pascal). Sursele de sunet reale creează presiuni sonore de zeci de mii de ori mai mici decât presiunea atmosferică normală chiar și la cele mai puternice sunete.

Viteza oscilatoare reprezintă viteza de oscilație a particulelor mediului în jurul poziției lor de repaus. Viteza vibrației este măsurată în metri pe secundă. Această viteză nu trebuie confundată cu viteza sunetului. Viteza sunetului este o valoare constantă pentru un mediu dat, viteza de vibrație este o variabilă. Dacă particulele mediului se mișcă în direcția de propagare a undei, atunci viteza de oscilație este considerată pozitivă, cu mișcarea inversă a particulelor - negativă. Sursele de sunet reale, chiar și la cele mai puternice sunete, provoacă viteze vibraționale de câteva mii de ori mai mici decât viteza sunetului. Pentru o undă sonoră plană, formula pentru viteza vibrației are forma (1.2)

V = p / ρ·s, unde ρ - densitatea aerului, kg / m 3; s este viteza sunetului, m/s.

Produsul ρ s pentru condiții atmosferice date este o valoare constantă, se numește impedanta acustica.

Intensitatea sunetului- cantitatea de energie care trece pe secundă printr-o unitate de suprafață perpendiculară pe direcția de propagare a undei sonore. Intensitatea sunetului se măsoară în wați pe metru pătrat (W/m2).

Densitatea energiei sonore este cantitatea de energie sonoră conținută într-o unitate de volum a câmpului sonor: ε = J/c.

4. Întrebări de securitate

Glosar

Literatură

Caracteristicile liniare ale câmpului sonor din lichide și gaze includ presiunea sonoră, deplasarea particulelor medii, viteza de oscilație și impedanța acustică a mediului.

Presiunea acustică în gaze și lichide este diferența dintre valoarea presiunii instantanee într-un punct al mediului când o undă sonoră trece prin acesta și presiunea statică în același punct, adică.

Presiunea acustică este o mărime cu semn variabil: în momentele de condensare (consolidare) a particulelor mediului este pozitivă, în momentele de rarefacție (expansiune) a mediului este negativă. Această valoare este estimată prin amplitudine sau valoare efectivă. Pentru oscilațiile sinusoidale, valoarea efectivă este valoarea amplitudinii.

Presiunea acustică este o forță care acționează asupra unei unități de suprafață: În sistem, se măsoară în newtoni pe metru pătrat.Această unitate se numește pascal și se notează cu Pa. În sistemul absolut de unități, presiunea acustică se măsoară în dine pe centimetru pătrat: Anterior, această unitate se numea bar. Dar, deoarece unitatea de presiune atmosferică, egală cu , a fost numită și bar, atunci în timpul standardizării numele „bar” a fost lăsat în urmă unității de presiune atmosferică. În sistemele de comunicații, radiodifuziune și sisteme similare, acestea se ocupă de presiuni sonore care nu depășesc 100 Pa, adică de 1000 de ori mai puțin decât presiunea atmosferică.

Deplasarea este abaterea particulelor mediului de la poziția sa statică sub influența unei unde sonore care trece. Dacă abaterea are loc în direcția undei, atunci deplasării i se atribuie un semn pozitiv, iar în direcția opusă - un semn negativ. Deplasarea se măsoară în metri (în sistem sau centimetri (în sistemul absolut de unități).

Viteza oscilațiilor se numește viteza de mișcare a particulelor mediului sub acțiunea unei unde sonore care trece: unde este deplasarea particulelor mediului; timp.

Când o particulă a mediului se mișcă în direcția de propagare a undei, viteza de oscilație este considerată pozitivă, iar în direcția opusă - negativă. Rețineți că această viteză nu trebuie confundată cu viteza undei, care este constantă pentru mediul dat și condițiile de propagare a undei.

Viteza vibrației se măsoară în metri pe secundă sau centimetri pe secundă.

Impedanța acustică specifică este raportul dintre presiunea sonoră și viteza vibrațiilor.Acest lucru este valabil pentru condiții liniare, în special atunci când presiunea sonoră este mult mai mică decât cea statică. Rezistența acustică specifică este determinată de proprietățile mediului materialului și de condițiile de propagare a undelor (a se vedea § Tabelele 1.1 și 1.2 sunt date valorile rezistenței specifice pentru un număr de medii și condiții, iar în Fig. 1.1 este dată dependența rezistivității de înălțimea deasupra nivelului mării.În cazul general, rezistența acustică specifică este o mărime complexă în care se află componentele active și reactive ale rezistenței acustice specifice (adjectivul „specific” este adesea omis pentru concizie. ) Unitate de rezistență acustică specifică în sistem și în sistem absolut.

Câmp sonor - o regiune a spațiului în care se propagă undele sonore, adică vibrațiile acustice ale particulelor dintr-un mediu elastic (solid, lichid sau gazos) care umplu această regiune. Conceptul de câmp sonor este folosit de obicei pentru zone ale căror dimensiuni sunt de ordinul sau mai mari decât lungimea de undă a undei sonore.

Pe partea energetică a câmpului sonor, acesta se caracterizează prin densitatea energiei sonore (energia procesului oscilator pe unitatea de volum) și intensitatea sunetului.

Suprafața corpului care oscilează este un emițător (sursă) de energie sonoră, care creează un câmp acustic.

Câmp acustic numită zona mediului elastic, care este un mijloc de transmitere a undelor acustice. Câmpul acustic se caracterizează prin:

· presiunea sonoră p zv, Pa;

· impedanta acustica z A, Pa*s/m.

Caracteristicile energetice ale câmpului acustic sunt:

· intensitatea I, W/m2;

· puterea sunetului W, W este cantitatea de energie care trece pe unitatea de timp prin suprafața din jurul sursei de sunet.

Un rol important în formarea câmpului acustic îl joacă caracteristica de directivitate a radiației sonore Ф, adică distribuția spațială unghiulară a presiunii sonore generate în jurul sursei.

Toate aceste cantități sunt interdependente și depind de proprietățile mediului în care se propagă sunetul.

Dacă câmpul acustic nu este limitat de suprafață și se extinde aproape la infinit, atunci un astfel de câmp se numește câmp acustic liber.

Într-un spațiu restrâns (de exemplu, în interior), propagarea undelor sonore depinde de geometria și proprietățile acustice ale suprafețelor situate în calea undelor.

Procesul de formare a unui câmp sonor într-o cameră este asociat cu fenomene reverbși difuziune.