Unità di misura del livello di intensità sonora. Caratteristiche quantitative fondamentali del suono. Composizione spettrale del suono

Intensità del suono

Descrizione

L'intensità I di un'onda sonora (IW) è l'energia media nel tempo trasferita da un'onda sonora attraverso un'unità di area perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda per unità di tempo. Per le onde periodiche, la media viene eseguita su un periodo di tempo maggiore del periodo o su un numero intero di periodi.

Per un'onda sinusoidale piana IZ

I = pv ¤ 2 = p 2 ¤ 2 r c = v 2 r c ¤ 2 , (1)

dove p è l'ampiezza della pressione sonora;

v è l'ampiezza della velocità vibrazionale delle particelle;

r è la densità del mezzo;

c è la velocità del suono al suo interno.

In un'onda sferica, IZ è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente. In un'onda sonora stazionaria I = 0, cioè In media non c'è flusso di energia sonora.

A PARTIRE DAL di un'onda viaggiante armonica piana è uguale alla densità di energia dell'onda sonora moltiplicata per la velocità del suono. Il flusso di energia sonora è caratterizzato dal vettore Umov - il vettore della densità del flusso di energia dell'onda, che può essere rappresentato come il prodotto di IZ per il vettore normale dell'onda, cioè vettore unitario perpendicolare al fronte d’onda.

Se il campo sonoro è una sovrapposizione di onde armoniche di frequenze diverse, allora la proprietà di additività è soddisfatta per il vettore della densità media del flusso energetico.

In termini pratici, per gli emettitori che creano un'onda piana, IR si riferisce all'intensità della radiazione - la potenza specifica dell'emettitore, cioè potenza sonora per unità di area della superficie irradiata.

IZ è misurato in unità SI in W/m2. Nella tecnologia ad ultrasuoni viene spesso utilizzata l'unità W/cm2. Il suono viene valutato anche in base all'intensità su una scala di decibel: numero di decibel N = 10lg(I ¤ I 0), dove I è l'intensità di un determinato suono, I 0 = 10-12 W/m2.

Caratteristiche temporali

Tempo di avvio (registra da -12 a 1);

Durata (log tc da -10 a 3);

Tempo di degradazione (log td da -12 a 1);

Tempo di sviluppo ottimale (log tk da -1 a 1).

Diagramma:

Implementazioni tecniche dell'effetto

Implementazione tecnica dell'effetto

La sorgente di onde elastiche crea un campo sonoro nel mezzo, caratterizzato da una certa distribuzione della pressione sonora e dal valore associato di IZ. Per misurare la pressione sonora vengono utilizzati vari tipi di ricevitori, principalmente trasduttori piezoelettrici. A frequenze vicine a quelle ipersoniche vengono utilizzati convertitori piezo-semiconduttori e film. Nei liquidi ad elevata intensità sonora viene utilizzato un radiometro; alle alte frequenze vengono utilizzati ricevitori di suoni termici. Uno dei metodi di riferimento per la misurazione di IZ si basa sull'effetto del disco Rayleigh (vedi la descrizione “Disco Rayleigh”), che consente di determinare la velocità oscillatoria, dal valore della quale viene calcolato il valore della pressione sonora e IZ.

Applicazione di un effetto

IZ determina l'efficacia di tali tecnologie ad ultrasuoni come pulizia ad ultrasuoni, dispersione ad ultrasuoni, indurimento, metallizzazione e saldatura (vedi descrizioni). Durante la cavitazione acustica (vedi descrizione) e gli effetti correlati, il valore di IZ ha un'influenza decisiva sul processo di cavitazione e sulla dinamica delle bolle di cavitazione.

Letteratura

1. Ultrasuoni / Ed. IP Golyamina.- M.: Enciclopedia Sovietica, 1979.- 400 p.

Parole chiave

• ampiezza
• onda viaggiante
• onda armonica
• onda piatta
• onda stazionaria
• onda sferica
• pressione sonora
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• velocità del suono
• potenza sonora
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• media densità
• densità del flusso energetico
• campo sonoro
• densità di potenza
• vettore umova
• ultrasuoni
• fronte d'onda
• energia delle onde

Sezioni di scienze naturali:

Il suono e le sue proprietà

Il suono, in senso lato, è un'onda elastica che si propaga in qualsiasi mezzo elastico e crea in esso vibrazioni meccaniche; in senso stretto, la percezione soggettiva di queste vibrazioni da parte degli speciali organi di senso degli animali o dell'uomo. Come ogni onda, il suono è caratterizzato da ampiezza e spettro di frequenze. Tipicamente, una persona sente i suoni trasmessi attraverso l'aria nella gamma di frequenze da 16-20 Hz a 15-20 kHz. Il suono al di sotto della gamma dell'udibilità umana è chiamato infrasuono; superiore: fino a 1 GHz, - ultrasuoni, da 1 GHz - ipersuono. Tra i suoni udibili dobbiamo evidenziare anche i suoni e fonemi fonetici, linguistici (che compongono la lingua parlata) e i suoni musicali (che compongono la musica). Le onde sonore possono servire come esempio di un processo oscillatorio. Qualsiasi oscillazione è associata a una violazione dello stato di equilibrio del sistema ed è espressa nella deviazione delle sue caratteristiche dai valori di equilibrio con successivo ritorno al valore originale. Per le vibrazioni sonore, questa caratteristica è la pressione in un punto del mezzo e la sua deviazione è la pressione sonora. Se si effettua un brusco spostamento delle particelle del mezzo elastico in un punto, ad esempio utilizzando un pistone, la pressione in questo punto aumenterà. Grazie ai legami elastici delle particelle, la pressione viene trasmessa alle particelle vicine, che a loro volta agiscono su quelle successive, e l'area di maggiore pressione sembra muoversi in un mezzo elastico. Ad una regione di alta pressione segue una regione di bassa pressione, si formano così una serie di regioni alternate di compressione e rarefazione, che si propagano nel mezzo sotto forma di onda. Ogni particella del mezzo elastico in questo caso eseguirà movimenti oscillatori. Nei mezzi liquidi e gassosi, dove non vi sono fluttuazioni significative di densità, le onde acustiche sono di natura longitudinale, cioè la direzione della vibrazione delle particelle coincide con la direzione del movimento dell'onda. Nei solidi, oltre alle deformazioni longitudinali, si verificano anche deformazioni elastiche di taglio, che provocano l'eccitazione di onde trasversali (di taglio); in questo caso le particelle oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda. La velocità di propagazione delle onde longitudinali è molto maggiore della velocità di propagazione delle onde trasversali.

Campo sonoro

Campo sonoro, una regione dello spazio in cui si propagano le onde sonore, cioè si verificano vibrazioni acustiche di particelle di un mezzo elastico (solido, liquido o gassoso) che riempiono questa regione. Un'onda sonora è completamente definita se per ciascuno dei suoi punti è nota la variazione nel tempo e nello spazio di una qualsiasi delle quantità che caratterizzano un'onda sonora: lo spostamento di una particella oscillante da una posizione di equilibrio, la velocità oscillatoria di una particella, la pressione sonora nel mezzo; in alcuni casi sono interessanti i cambiamenti nella densità o nella temperatura del mezzo in presenza di un'onda sonora.Il concetto di onda sonora viene solitamente utilizzato per aree le cui dimensioni sono dell'ordine o superiori alla lunghezza d'onda del suono. Dal lato energetico, una densità di energia sonora è caratterizzata dalla densità dell'energia sonora (l'energia del processo oscillatorio per unità di volume); Nei casi in cui il trasferimento di energia avviene in una zona, è caratterizzato dall'intensità del suono, cioè dall'energia media nel tempo trasferita per unità di tempo attraverso una superficie unitaria perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda.

Lunghezza d'onda

La lunghezza d'onda è la distanza tra due punti più vicini tra loro, che oscillano nelle stesse fasi. Per analogia con le onde che nascono nell'acqua da un sasso gettato in essa, la distanza tra due creste d'onda adiacenti. Una delle caratteristiche principali delle vibrazioni. Si misura in unità di distanza (metri, centimetri, ecc.): dividiamo semplicemente il percorso percorso dalla luce al secondo per il numero di vibrazioni durante lo stesso tempo e otteniamo la lunghezza di una vibrazione. La lunghezza d'onda è un parametro molto importante, poiché determina la scala di confine: a distanze notevolmente maggiori della lunghezza d'onda, la radiazione obbedisce alle leggi dell'ottica geometrica; può essere descritta come la propagazione dei raggi. A distanze più brevi è assolutamente necessario tenere conto della natura ondulatoria della luce, della sua capacità di aggirare gli ostacoli, dell'incapacità di localizzare con precisione la posizione del raggio, ecc.

Periodo

La caratteristica più importante delle oscillazioni meccaniche, elettriche, elettromagnetiche e di tutti gli altri tipi di oscillazioni è il periodo di tempo durante il quale si verifica un'oscillazione completa. Se, ad esempio, il pendolo di un orologio fa due oscillazioni complete in 1 s, il periodo di ciascuna oscillazione sarà di 0,5 s. Il periodo di oscillazione di una grande oscillazione è di circa 2 s e il periodo di oscillazione di una corda può variare dai decimi ai diecimillesimi di secondo. Dalla frequenza di vibrazione di un corpo che suona, si può giudicare il tono o l'altezza del suono. Più alta è la frequenza, più alto è il tono del suono e, viceversa, più bassa è la frequenza, più basso è il tono del suono. Il nostro orecchio è in grado di rispondere a una banda di frequenza (sezione) relativamente piccola di vibrazioni sonore, da circa 20 Hz a 20 kHz. Questa banda accoglie l'intera vasta gamma di suoni creati dalla voce umana e da un'orchestra sinfonica: dai toni molto bassi, simili al ronzio di uno scarabeo, al cigolio acuto appena percettibile di una zanzara. Non sentiamo vibrazioni con una frequenza fino a 20 Hz, chiamata infrasonica, e superiore a 20 kHz, chiamata ultrasonica. E se il nostro orecchio fosse in grado di rispondere alle vibrazioni ultrasoniche, potremmo sentire le vibrazioni dei pistilli dei fiori e delle ali delle farfalle. Non confondere l'altezza, cioè il tono di un suono, con la sua forza. L'altezza di un suono non dipende dall'ampiezza, ma dalla frequenza delle vibrazioni

Spettro sonoro

Spettro sonoro, insieme di onde armoniche semplici in cui è possibile scomporre un'onda sonora. S. z. esprime la sua composizione in frequenza (spettrale) ed è ottenuta come risultato dell'analisi del suono. S. z. sono solitamente rappresentati su un piano di coordinate, dove la frequenza f è tracciata lungo l'asse delle ascisse e l'ampiezza A o l'intensità della componente armonica del suono con una determinata frequenza è tracciata lungo l'asse delle ordinate. I toni puri, i suoni con forma d'onda periodica, e anche quelli ottenuti sommando più onde periodiche, hanno spettri a righe (Fig. 1); Ad esempio, i suoni musicali hanno spettri che ne determinano il timbro. Il rumore acustico, i singoli impulsi e i suoni in dissolvenza hanno uno spettro continuo (Fig. 2). Gli spettri combinati sono caratteristici del rumore di alcuni meccanismi, dove, ad esempio, la rotazione del motore produce componenti di frequenza individuali sovrapposte a uno spettro continuo, così come per i suoni degli strumenti musicali a tastiera (Fig. 3), che hanno ( soprattutto nel registro acuto) una colorazione sonora causata dai colpi dei martelli.

Timbro

Timbro del suono - colore del suono; valutazione qualitativa del suono prodotto da uno strumento musicale, da un dispositivo di riproduzione del suono o da un apparato vocale di persone e animali. Timbro sonoro: - caratterizza il tono del suono; - determinato dalla sorgente sonora; e - dipende dalla composizione degli armonici che accompagnano il tono principale e dalla loro intensità. I timbri distinguono suoni della stessa altezza e volume, ma eseguiti su strumenti diversi, con voci diverse o sullo stesso strumento in modi diversi, colpi. Il timbro è determinato dal materiale, dalla forma del vibratore, dalle condizioni delle sue vibrazioni, dal risonatore e dall'acustica della stanza. Nelle caratteristiche del timbro, degli armonici e del loro rapporto in altezza e volume, gli armonici del rumore, l'attacco (momento iniziale del suono), le formanti, il vibrato e altri fattori sono di grande importanza. Quando si percepiscono i timbri, di solito sorgono varie associazioni: la qualità timbrica del suono viene confrontata con le sensazioni organolettiche di determinati oggetti e fenomeni, ad esempio, i suoni sono chiamati luminosi, lucenti, opachi, caldi, freddi, profondi, pieni, acuti, ricchi, succosi , metallico, vetroso ; Vengono utilizzate anche le definizioni uditive effettive (ad esempio, sonoro, senza voce, rumoroso). Una tipologia timbrica scientificamente fondata non è stata ancora sviluppata. È stato stabilito che l'udito timbrico ha una natura zonale. Il timbro è utilizzato come importante mezzo di espressività musicale: con l'aiuto del timbro si può evidenziare l'una o l'altra componente dell'insieme musicale, i contrasti possono essere rafforzati o indeboliti; il cambiamento dei timbri è uno degli elementi della drammaturgia musicale. Nella musica del 20 ° secolo, è nata la tendenza a valorizzare ed enfatizzare il lato timbrico del suono (parallelismi, cluster) utilizzando i mezzi dell'armonia e della trama. Direzioni speciali nell'uso del timbro sono la musica sonora e spettrale.

Armonico

L'universo è costituito da suoni e ogni suono è costituito da molti armonici o sovratoni. Gli armonici sono inerenti ad ogni suono, indipendentemente dalla sua origine. Il suono di una corda di violino o di pianoforte viene percepito dall'orecchio umano come un tono. Ma in realtà quasi tutti i suoni prodotti dagli strumenti musicali, dalla voce umana o da altre fonti non sono toni puri, ma complessi di sovratoni, detti anche “toni parziali”. Il più basso di questi toni parziali è chiamato “fondamentale”. Tutti gli altri sovratoni, che hanno una frequenza di vibrazione più elevata rispetto al tono principale, sono solitamente chiamati “sovtoni”. Prima di passare allo studio dettagliato dei componenti del suono: gli armonici, diamo uno sguardo più da vicino al suono in quanto tale. Il suono è energia vibrazionale che assume la forma di onde. L'unità di misura di queste onde è chiamata hertz (Hz). Hertz misura il numero di vibrazioni che un oggetto fa in un secondo. Questa quantità è chiamata "frequenza". L'orecchio percepisce la frequenza come "altezza".

La formante è una caratteristica acustica del suono del parlato (principalmente una vocale), associata al livello di frequenza del tono vocale e che forma il timbro del suono

Il tono in linguistica è l'uso dell'altezza per differenziare il significato all'interno di parole/morfemi. Il tono dovrebbe essere distinto dall'intonazione, cioè dai cambiamenti di tono su un segmento del discorso relativamente ampio (affermazione o frase). Varie unità tonali che hanno una funzione semantico-distintiva possono essere chiamate toni (per analogia con un fonema). Il tono, come l'intonazione, la fonazione e l'accento, si riferisce a caratteristiche soprasegmentali o prosodiche. I portatori del tono sono spesso le vocali, ma ci sono lingue in cui anche le consonanti, molto spesso i sonanti, possono svolgere questo ruolo. Una lingua tonale, o tonale, è una lingua in cui ogni sillaba è pronunciata con un tono specifico. Una varietà di lingue tonali sono anche lingue con accento musicale, in cui vengono enfatizzate una o più sillabe in una parola e diversi tipi di enfasi sono in contrasto con le caratteristiche tonali. Le onde sonore, come le altre onde, sono caratterizzate da quantità oggettive come frequenza, ampiezza, fase di oscillazione, velocità di propagazione, intensità del suono e altre. Ma. inoltre, sono descritti da tre caratteristiche soggettive. Questi sono il volume del suono, l'altezza e il timbro. La sensibilità dell'orecchio umano varia a seconda delle frequenze. Per provocare una sensazione sonora, l'onda deve avere una certa intensità minima, ma se questa intensità supera un certo limite, il suono non si sente e provoca solo una sensazione dolorosa. Pertanto, per ciascuna frequenza di oscillazione esiste un'intensità sonora minima (soglia uditiva) e massima (soglia del dolore) che può provocare una sensazione sonora. La Figura 15.10 mostra la dipendenza delle soglie dell'udito e del dolore dalla frequenza del suono. L'area situata tra queste due curve è l'area udibile. La distanza maggiore tra le curve si verifica alle frequenze alle quali l'orecchio è più sensibile (1000-5000 Hz).

Frequenza

Il suono inizia a 16 Hz. Aumentando la frequenza di 2 volte, otteniamo 32 Hz: questo è un rapporto subcontratto / frequenza di 1: 2 /. 32 – 64 Hz – controottava, 64 – 128 Hz – ottava grande, 128 – 256 Hz – ottava piccola, raddoppiala ancora – la prima e così via fino alla sesta. Questa divisione è stata pensata molto tempo fa. Ma come si dividono le frequenze in singoli toni all'interno di un'ottava? Pitagora, esplorando i suoni utilizzando il dispositivo del monocordo (“monos” in greco significa “uno”, “accordo” significa “corda”), propose di dividere la serie di frequenze in quinte. Ma con questa divisione la distanza tra i diversi intervalli era diversa. E allora? Ma il fatto è che se lo strumento è accordato su una scala simile, allora sarà possibile eseguire qualsiasi brano in una sola tonalità; la musica non può essere abbassata o alzata, suonerà molto falsa. Per risolvere questo problema erano necessari calcoli. Fisici e matematici lavorarono attivamente nel campo della musica. Pertanto, Eulero e Keplero rifletterono a lungo sul problema della scala temperata alla ricerca del rapporto di frequenze più armonioso. Il temperamento tradotto dal latino significa il rapporto corretto. La soluzione fu trovata a metà del XVII secolo. Il poco conosciuto organista Werkmeister propose una soluzione straordinariamente semplice: accorciare un po' tutte le quinte, in modo che le dodicesime quinte “si adattino” esattamente a 7 ottave. E, come per magia, tutte le distanze tra i suoni adiacenti (semitoni, di cui ce ne sono esattamente 12 nell'ottava) sono diventate le stesse. La frequenza di ogni semitono successivo è maggiore della precedente della dodicesima radice di due, cioè circa 1,06 volte. Questa accordatura è chiamata uniforme o ben temperata. La stragrande maggioranza degli strumenti musicali moderni ha un temperamento equabile. Vale la pena accordare gli strumenti dell'orchestra secondo un tono comune (LA della prima ottava - 440 Hz), e molti strumenti suoneranno in armonia, evitando la falsità. Il grande compositore tedesco Johann Sebastian Bach promosse ardentemente il temperamento equabile, scrivendo a questo scopo la sua famosa raccolta di preludi e fughe, che chiamò: “Il Clavicembalo ben temperato”. La standardizzazione della musica attraverso l’introduzione del temperamento equabile fu, ovviamente, come ogni standardizzazione, un enorme risultato. Ma questo significa forse che il sistema temperato, scoperto con tanto successo tre secoli fa, è destinato all’esistenza eterna? Ovviamente no. La percezione della musica sta gradualmente cambiando, la musica si sta evolvendo. Negli ultimi anni, l'acustica musicale è stata attivamente coinvolta in questo processo, che non solo, secondo le parole di Salieri di Pushkin, “mette alla prova l'armonia con l'algebra”, ma utilizza a questo scopo gli strumenti fisici e le macchine cibernetiche più complessi, con l'aiuto di che cerca di simulare il processo ancora in gran parte misterioso della percezione musicale.

La potenza del suono, la sua intensità

L'intensità del suono (relativa) è un termine obsoleto che descrive una quantità simile, ma non identica, all'intensità del suono. Osserviamo approssimativamente la stessa situazione per l'intensità luminosa (unità - candela) - un valore simile all'intensità della radiazione (unità - watt per steradiante). L'intensità sonora viene misurata su una scala relativa a partire da un valore di soglia, che corrisponde a un'intensità sonora di 1 pW/m2 con una frequenza sinusoidale di 1 kHz e una pressione sonora di 20 μPa. Confrontare questa definizione con la definizione di unità di intensità luminosa: “la candela è uguale all'intensità della luce emessa in una data direzione da una sorgente monocromatica, con una frequenza di radiazione di 540 THz e un'intensità di radiazione in quella direzione di 1/ 683 W/sr.” Attualmente il termine “intensità del suono” è stato sostituito dal termine “livello del volume del suono”.

Soglia uditiva

La soglia uditiva è il valore minimo di pressione sonora al quale un suono di una determinata frequenza può ancora essere percepito dall'orecchio umano. Il valore della soglia uditiva è solitamente espresso in decibel, assumendo che il livello di pressione sonora zero sia 2 × 10−5 N/m2 o 20 × 10−6 N/m2 alla frequenza di 1 kHz (per un'onda sonora piana) . La soglia uditiva dipende dalla frequenza del suono. Sotto l'influenza del rumore e di altri stimoli sonori, la soglia uditiva per un dato suono aumenta (vedi Mascheramento del suono) e l'aumento del valore della soglia udibile rimane per qualche tempo dopo la cessazione del fattore interferente, per poi ritornare gradualmente al livello livello originale. La soglia dell'udito può variare per persone diverse e per le stesse persone in momenti diversi. Dipende dall'età, dallo stato fisiologico e dall'allenamento. Le misurazioni della soglia uditiva vengono solitamente effettuate utilizzando metodi audiometrici.

E questo è per ogni evenienza: per dare un aspetto intelligente :)))))

Soglia uditiva: 10 dB

Sussurro a una distanza di 1 m - 20 dB

Rumore nell'appartamento - 40 dB

Sussurro a una distanza di 10 cm - 50 dB

Conversazione silenziosa a una distanza di 1 m - 50 dB

Applausi: 60 dB

Suonare la chitarra acustica con le dita; suono a una distanza di 40 cm - 70 dB

Suonare il pianoforte in modo silenzioso: 70 dB

Suonare una chitarra acustica con un plettro; suono a una distanza di 40 cm - 80 dB

Rumore nella metropolitana durante lo spostamento: 90 dB

Aereo a reazione a una distanza di 5 m - 120 dB

Percussione a una distanza di 3 cm - 140 dB

Soglia del dolore

La soglia del dolore è uditiva, la quantità di pressione sonora, che provoca una sensazione di dolore nell'orecchio. La sensazione di dolore è spesso determinata dalla parte superiore. confine dinamico portata dell'udito umano. P.b. O. per i segnali sinusoidali è in media 140 dB rispetto ad una pressione di 2 10-5 Pa, e per il rumore con uno spettro continuo - 120 dB. Tra le soglie dell'udibilità e del dolore si trova la regione dell'udibilità, che determina la gamma di frequenza e la pressione effettiva dei suoni percepiti dall'orecchio. La più ampia gamma di udibilità in termini di pressione effettiva corrisponde ad una frequenza di circa 1 kHz. Pertanto, un suono con una frequenza di 1 kHz viene scelto come standard per confrontare con esso i suoni di altre frequenze. La soglia uditiva per un suono con frequenza di 1 kHz, pari a 2-10-5 Pa, è chiamata soglia uditiva standard.

Volume

Il volume del suono è la percezione soggettiva dell'intensità del suono (il valore assoluto della sensazione uditiva). Il volume dipende principalmente dalla pressione sonora, dall'ampiezza e dalla frequenza delle vibrazioni sonore. Inoltre, il volume del suono è influenzato dalla sua composizione spettrale, dalla localizzazione nello spazio, dal timbro, dalla durata dell'esposizione alle vibrazioni sonore e da altri fattori. L'unità della scala del volume assoluto è il sonno. Il volume di 1 figlio è il volume di un tono sinusoidale puro continuo con una frequenza di 1 kHz che produce una pressione sonora di 2 mPa. Il livello del volume del suono è un valore relativo. Si esprime in phon ed è numericamente uguale al livello di pressione sonora (in decibel - dB) creato da un tono sinusoidale con una frequenza di 1 kHz dello stesso volume del suono misurato (ugualmente forte rispetto al suono dato).

La forza, o intensità, del suono in un'onda passante (cioè non stazionaria) è la quantità di energia che fluisce attraverso le aree ogni secondo, perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda.

L'intensità (forza) del suono viene misurata in o in unità 10 volte più grandi, vale a dire in (microwatt - milionesimo di watt).

I calcoli mostrano che l'intensità del suono è uguale al rapporto tra il quadrato dell'ampiezza della sovrappressione e il doppio della resistenza acustica del mezzo:

Questo vale sia per le onde piane che per quelle sferiche. Nel caso delle onde piane, se si trascurano le perdite dovute all'attrito interno, l'intensità del suono non dovrebbe cambiare con la distanza. Nel caso delle onde sferiche, le ampiezze dello spostamento, della velocità delle particelle e della sovrappressione diminuiscono come l'inverso della prima potenza della distanza dalla sorgente sonora. Di conseguenza, nel caso delle onde sferiche, l'intensità del suono diminuisce in maniera inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente sonora.

I microfoni vengono solitamente utilizzati per misurare l'intensità del suono (la loro struttura è descritta nel secondo volume del corso, nel capitolo sulle vibrazioni elettriche). Per misurare l'intensità del suono, viene utilizzato anche un disco di Rayleigh: si tratta di un piccolo disco sottile (costituito da una piastra di mica spessa 2-3 centesimi di millimetro) con un diametro sospeso su un filo molto sottile. Nel campo delle onde sonore sul disco

agisce una coppia rotante, il cui momento è proporzionale alla forza del suono e non dipende dalla frequenza del suono. Questa coppia rotante si sforza di ruotare il disco in modo che il suo piano sia perpendicolare alla direzione di propagazione delle onde sonore. Tipicamente, un disco di Rayleigh è sospeso in un campo sonoro con un angolo di 45° rispetto alla direzione di propagazione delle onde e l'intensità del suono viene misurata determinando l'angolo di rotazione del disco.

Per determinare l'intensità del suono, puoi anche misurare la pressione che le onde sonore esercitano su una parete solida. Questa pressione è proporzionale alla potenza del suono:

ecco il rapporto tra la capacità termica del mezzo a pressione costante e la capacità termica a volume costante, c è la velocità del suono.

Confrontando la formula precedente con la formula (6), vediamo che la pressione esercitata dalle onde sonore su una parete solida è proporzionale al quadrato dell'ampiezza della sovrapressione e inversamente proporzionale alla densità del mezzo.

La definizione di intensità sonora data all'inizio di questa sezione perde il suo significato per un'onda stazionaria. Infatti, se le ampiezze di pressione nelle onde dirette e riflesse sono uguali, allora quantità uguali di energia fluiscono attraverso una piattaforma posta perpendicolare all'asse dell'onda in direzioni opposte. Pertanto, il flusso di energia risultante attraverso il sito è zero. In questo caso l’intensità del suono è caratterizzata dalla densità dell’energia sonora, cioè dall’energia contenuta nel campo sonoro.

Per calcolare la densità di energia sonora nel campo di un'onda piana passante, immaginiamo un volume cilindrico di sezione in e di lunghezza numericamente pari alla velocità del suono; lasciamo che l'asse del cilindro coincida con la direzione del propagazione dell'onda. È chiaro che la quantità totale di energia contenuta all'interno del cilindro è numericamente uguale all'intensità del suono, mentre se sezionato nel volume del cilindro è numericamente uguale, quindi la densità di energia sonora risulta essere uguali

L'idea del movimento dell'energia e i concetti attualmente più importanti di densità di energia in un punto nel mezzo e velocità del movimento dell'energia furono introdotti nella scienza nel 1874 da N. A. Umov nella sua tesi di dottorato, dove, in particolare, a è stata fornita una giustificazione rigorosa dell'equazione (7). Dieci anni dopo, le idee di Umov furono sviluppate dal fisico inglese Poynting applicandole alle onde elettromagnetiche.

Spieghiamo come viene calcolata l'intensità del suono in un'onda sonora riflessa e in un'onda rifratta.

Le leggi di riflessione e rifrazione delle onde sonore sono simili alle leggi di riflessione e rifrazione della luce. Quando un'onda sonora viene riflessa, l'angolo formato dalla direzione dell'onda con la normale alla superficie riflettente (angolo di incidenza) è uguale all'angolo formato dalla direzione dell'onda riflessa con la stessa normale (angolo di riflessione) .

Quando un'onda sonora passa da un mezzo all'altro, l'angolo di incidenza e l'angolo di rifrazione sono legati dalla relazione

dove sono le velocità del suono nel primo e nel secondo mezzo.

Se l'intensità del suono è nel primo mezzo, allora con la normale incidenza delle onde sull'interfaccia, l'intensità del suono nel secondo mezzo sarà:

dove, come dimostrato da Rayleigh, il coefficiente di penetrazione del suono è determinato dalla formula

Ovviamente il coefficiente di riflessione è pari a

Dalla formula di Rayleigh vediamo che quanto più differiscono le resistenze acustiche dei mezzi, tanto minore è la frazione di energia sonora che penetra attraverso l'interfaccia tra i mezzi. Non è difficile comprendere che quando la resistenza acustica del secondo mezzo è molto grande rispetto alla resistenza acustica del primo mezzo, allora

Questo caso si verifica quando il suono passa dall'aria in uno specchio d'acqua o nello spessore del cemento o del legno; la resistenza acustica di questi mezzi è diverse migliaia di volte maggiore della resistenza acustica dell'aria. Pertanto, durante la normale incidenza del suono dall'aria su corpi d'acqua, cemento e legno, non più di un millesimo dell'intensità del suono penetra in questi ambienti. Tuttavia, una parete in cemento o legno può essere abbastanza fonoconduttiva se è sottile; in questo caso la parete percepisce e trasmette vibrazioni elastiche, come una grande membrana. La formula di cui sopra non è applicabile a questo caso.

A causa delle diverse condizioni di temperatura, i singoli strati di aria atmosferica possono avere una resistenza acustica diversa; Il suono viene riflesso dall'interfaccia tra tali strati d'aria. Ciò spiega che la gamma di udibilità dei suoni nell'atmosfera è soggetta a fluttuazioni significative. Il campo uditivo, a seconda del grado di omogeneità dell'aria, può variare 10 volte o più. Le condizioni atmosferiche (pioggia, neve, nebbia) non influiscono sulla conduttività acustica dell'aria. In una giornata limpida e in caso di nebbia fitta, l'udibilità può essere la stessa. E, al contrario, nelle giornate in cui il tempo è visibilmente lo stesso, la conduttività sonora dell'aria può essere molto diversa se il grado di omogeneità degli strati d'aria non è lo stesso.

Uno dei compiti importanti dell'acustica è chiarire le condizioni che influenzano l'intensità del suono degli emettitori acustici. Quando un corpo-emettitore oscillante cede energia sonora all'ambiente esterno, questo corpo agisce contro la reazione del campo sonoro, cioè contro le forze causate dall'eccesso di pressione nell'onda emessa e inibendo il movimento oscillatorio dell'emettitore.

Dal calcolo risulta che quando l'emettitore ha dimensioni maggiori della lunghezza d'onda, emette un'onda piana, e la potenza della radiazione sonora è pari alla metà del prodotto dell'ampiezza della velocità del movimento oscillatorio dell'emettitore per l'area di ​​l'emettitore 5 e la resistenza acustica del mezzo:

Se l'emettitore è piccolo rispetto alla lunghezza d'onda, emette un'onda sferica e la potenza della radiazione in questo caso è determinata dalla formula

Per qualsiasi emettitore di determinate dimensioni (ad esempio, per un disco oscillante con un'area, la prima delle due formule di potenza date determina la potenza di radiazione delle alte frequenze (onde corte), la seconda determina la potenza di radiazione delle basse frequenze (onde lunghe).

Spesso è richiesto che l'emettitore abbia la stessa potenza nelle frequenze alte, medie e basse (le membrane del grammofono e i diffusori degli altoparlanti devono avere questa qualità). Ma per una data ampiezza del movimento oscillatorio, emettitori di piccole dimensioni con potenza di emissione soddisfacente per i suoni acuti hanno una potenza di emissione molto bassa per i suoni bassi. Questo li rende musicalmente inferiori.

Da quanto detto risultano evidenti gli svantaggi degli emettitori di piccole dimensioni. Gli emettitori di grandi dimensioni hanno il notevole inconveniente che la loro massa è notevole e, quindi, per imprimere loro un movimento oscillatorio con l'ampiezza richiesta, è necessario applicare forze molto grandi. Pertanto, da un punto di vista tecnico, è opportuno posizionare un emettitore di piccole dimensioni nelle condizioni acustiche più favorevoli.

Questo problema può essere risolto utilizzando un dispositivo speciale che collega l'emettitore allo spazio aperto, vale a dire un clacson. Il corno è un tubo che si espande gradualmente, all'estremità stretta del quale (nella gola) vibra l'emettitore. Le pareti rigide della tromba non consentono all'onda sonora di “diffondersi” ai lati. Pertanto, il fronte d'onda mantiene una forma più o meno piatta, realizzando la prima delle formule sopra indicate

per la potenza di radiazione applicabile non solo nella gamma delle alte frequenze, ma anche nella gamma delle basse frequenze.

Tipicamente, gli studi sull'intensità del suono devono essere condotti in spazi confinati. Lo studio del suono negli spazi chiusi è importante per la progettazione di auditorium, teatri, sale da concerto, ecc. e per correggere i difetti acustici in ambienti costruiti senza calcoli acustici preliminari. Il ramo della tecnologia che si occupa di queste problematiche si chiama acustica architettonica.

La caratteristica principale dei processi acustici negli spazi chiusi è la presenza di molteplici riflessioni del suono dalle superfici circostanti (pareti, soffitti). In un ambiente di medie dimensioni, un'onda sonora subisce diverse centinaia di riflessioni prima che la sua energia scenda fino alla soglia dell'udibilità. In ambienti di grandi dimensioni, si può udire un suono di sufficiente intensità dopo aver spento la sorgente per diverse decine di secondi a causa della esistenza di onde riflesse che si muovono in tutte le direzioni possibili. È abbastanza ovvio che uno sbiadimento così graduale del suono, da un lato, è benefico, poiché il suono viene amplificato a causa dell'energia delle onde riflesse; tuttavia, d'altra parte, una dissolvenza eccessivamente lenta può peggiorare significativamente la percezione del suono coerente (discorso, musica) a causa del fatto che ogni nuova parte di un contesto coerente (ad esempio, ogni nuova sillaba del discorso) si sovrappone alla precedente quelli che non sono ancora stati ascoltati. Già da queste considerazioni sommarie è chiaro che per creare una buona udibilità, il tempo di eco nell'auditorium deve avere un certo valore ottimale.

Ad ogni riflessione, parte dell'energia viene persa a causa dell'assorbimento. Il rapporto tra l’energia sonora assorbita e l’energia incidente è chiamato coefficiente di assorbimento acustico. Ecco i suoi valori per una serie di casi:

Ovviamente quanto maggiore è il coefficiente di assorbimento acustico caratteristico delle pareti di una stanza, e quanto minori sono le dimensioni di questa stanza, tanto più breve sarà il tempo di risposta.

Riso. 162. Riverberazione ottimale per ambienti di varie dimensioni.

Il tempo dell'eco, durante il quale l'intensità del suono diminuisce fino alla soglia dell'udibilità, dipende non solo dalle proprietà della stanza, ma anche dall'intensità del suono iniziale. Per aggiungere certezza al calcolo delle proprietà acustiche degli auditorium, è consuetudine (in modo del tutto arbitrario) calcolare il tempo durante il quale la densità di energia sonora diminuisce fino a un milionesimo del valore iniziale. Questo tempo è chiamato tempo di riverbero standard o semplicemente riverbero.

Il valore di riverbero ottimale al quale l'udibilità può essere considerata la migliore è stato determinato sperimentalmente molte volte. In piccolo

ambienti (con un volume non superiore al riverbero ottimale di 1,06 sec. Con un ulteriore aumento del volume, il riverbero ottimale aumenta proporzionalmente come mostrato in Fig. 162. In ambienti con scarse proprietà acustiche (troppo “rimbombanti”), il riverbero al posto del il valore ottimale di 1-2 secondi è 3-5 secondi.

Intensità del suono(assoluto) - un valore pari al rapporto tra il flusso di energia sonora dP attraverso una superficie perpendicolare alla direzione di propagazione del suono nell'area dS questa superficie:

L'unità di misura è il watt per metro quadrato (W/m2).

Per un'onda piana, l'intensità del suono può essere espressa in termini di ampiezza della pressione sonora p0 e velocità oscillatoria v:

Dove ZS- resistenza acustica specifica del mezzo.

Il corpo, che è la fonte delle vibrazioni sonore, emette energia che viene trasferita dalle vibrazioni sonore nello spazio (ambiente) che circonda la sorgente sonora. La quantità di energia sonora che passa in un secondo attraverso un'area di 1 m 2 situata perpendicolare alla direzione di propagazione delle vibrazioni sonore è chiamata intensità (e anche forza) del suono.

Il suo valore può essere determinato dalla formula:

I=P 2 /Cp 0 [W/m 2 ] (1.1)

dove: P - pressione sonora, n/m 2; С – velocità del suono, m/s; р 0 – densità del mezzo.

Dalla formula sopra si vede che all'aumentare della pressione sonora aumenta l'intensità del suono e, di conseguenza, il suo volume.

9. Quali tipi di spettri di frequenza del suono conosci?

Spettro di frequenza del suono- grafico dell'energia relativa delle vibrazioni sonore rispetto alla frequenza. Esistono due tipi principali di tali spettri: discreto e continuo. Uno spettro discreto è costituito da linee separate per frequenze separate da spazi vuoti. Uno spettro continuo contiene tutte le frequenze all'interno della sua banda.

In pratica, le onde sonore di una singola frequenza sono rare. Ma le onde sonore complesse possono essere scomposte in armoniche. Questo metodo si chiama Analisi di Fourier prende il nome dal matematico francese J. Fourier (1768-1830), che per primo lo utilizzò (nella teoria del calore).

DUE TIPI DI ONDE PERIODICHE: a - vibrazioni rettangolari; b - vibrazioni a dente di sega. L'ampiezza di entrambe le onde è uguale ad A e il periodo di oscillazione T è il reciproco della frequenza f.

10. Quale banda di frequenza è chiamata ottava?

Ottava - banda di frequenza in cui la frequenza limite superiore è doppia della frequenza inferiore

Ottava - L'unità dell'intervallo di frequenza è pari all'intervallo tra due frequenze (f2 e f1), il logaritmo del rapporto di cui (basato su 2) log2(f2/f1)=1, che corrisponde a f2/f1=2;

11. Cosa intendono le acque con la soglia dell'udito?

Soglia uditiva- il valore minimo di pressione sonora al quale un suono di una determinata frequenza può ancora essere percepito dall'orecchio umano. Il valore della soglia uditiva è solitamente espresso in decibel, assumendo che il livello zero di pressione sonora sia 2·10−5 N/m2 o 20·10−6 N/m2 alla frequenza di 1 kHz (per un'onda sonora piana) . La soglia uditiva dipende dalla frequenza del suono. Sotto l'influenza del rumore e di altri stimoli sonori, la soglia di udibilità per un dato suono aumenta e l'aumento del valore della soglia di udibilità rimane per qualche tempo dopo la cessazione del fattore interferente, per poi ritornare gradualmente al livello originale. La soglia dell'udito può variare per persone diverse e per le stesse persone in momenti diversi. Dipende dall'età, dallo stato fisiologico e dall'allenamento. Le misurazioni della soglia uditiva vengono solitamente effettuate utilizzando metodi audiometrici.

12. In quali unità viene misurato il livello di pressione sonora?

Pressione sonora- eccesso di pressione variabile che si verifica in un mezzo elastico quando un'onda sonora lo attraversa. L'unità di misura è il pascal (Pa).

Il valore istantaneo della pressione sonora in un punto del mezzo cambia sia nel tempo che spostandosi in altri punti del mezzo, quindi il valore quadratico medio di questa grandezza, associato all'intensità del suono, è di interesse pratico:

dove è l'intensità sonora, è la pressione sonora, è la resistenza acustica specifica del mezzo, è la media temporale.

Quando si considerano le oscillazioni periodiche, talvolta viene utilizzata l'ampiezza della pressione sonora; quindi, per un'onda sinusoidale

dove è l'ampiezza della pressione sonora.

Suono sono chiamate vibrazioni meccaniche di particelle di un mezzo elastico (aria, acqua, metallo, ecc.), percepite soggettivamente dall'organo dell'udito. Le sensazioni sonore sono causate dalle vibrazioni del mezzo che si verificano nella gamma di frequenze da 16 a 20.000 Hz. I suoni con frequenze inferiori a questa gamma sono chiamati infrasuoni, mentre quelli superiori sono chiamati ultrasuoni.

Pressione sonora-pressione variabile in un mezzo dovuta alla propagazione delle onde sonore in esso. L'entità della pressione sonora è stimata dalla forza dell'onda sonora per unità di superficie ed è espressa in newton per metro quadrato (1 n/metro quadrato = 10 bar).

Livello di pressione sonora- il rapporto tra il valore della pressione sonora e il livello zero, che si assume pari a pressione sonora n/metro quadrato:

Velocità del suono dipende dalle proprietà fisiche del mezzo in cui si propagano le vibrazioni meccaniche. Pertanto, la velocità del suono nell'aria è di 344 m/sec a T=20°С, nell'acqua 1.481 m/sec (a T=21,5°С), nel legno 3.320 m/sec e nell'acciaio 5.000 m/sec sec.

Potenza sonora (o intensità)- la quantità di energia sonora che passa nell'unità di tempo attraverso un'unità di area; misurato in watt per metro quadrato (W/m2).

Va notato che la pressione sonora e l'intensità sonora sono legate tra loro da una relazione quadratica, ovvero con un aumento della pressione sonora di 2 volte, l'intensità del suono aumenta di 4 volte.

Livello audio- il rapporto tra l'intensità di un dato suono e il livello zero (standard), per il quale l'intensità del suono è considerata watt/m2, espressa in decibel:

I livelli di pressione sonora e l'intensità del suono, espressi in decibel, hanno la stessa magnitudo.

Soglia uditiva- il suono più debole che una persona può ancora sentire alla frequenza di 1000 Hz, che corrisponde alla pressione sonora n/m2.

Volume del suono- l'intensità della sensazione sonora provocata da un dato suono in una persona con udito normale. Il volume dipende dalla forza del suono e dalla sua frequenza, varia proporzionalmente al logaritmo dell'intensità del suono ed è espresso dal numero di decibel per cui il suono dato supera in intensità il suono preso come soglia dell'udibilità. L'unità del volume è il sottofondo.

Soglia del dolore- pressione sonora o intensità sonora, percepita come sensazione dolorosa. La soglia del dolore dipende poco dalla frequenza e si verifica con una pressione sonora di circa 50 n/m2.

Gamma dinamica- la gamma dei volumi sonori, ovvero la differenza dei livelli di pressione sonora dei suoni più forti e più deboli, espressa in decibel.

Diffrazione- deviazione dalla propagazione rettilinea delle onde sonore.

Rifrazione- un cambiamento nella direzione di propagazione delle onde sonore causato da differenze di velocità lungo diversi tratti del percorso.

Interferenza- l'aggiunta di onde della stessa lunghezza che arrivano in un dato punto dello spazio lungo diversi percorsi diversi, a seguito della quale l'ampiezza dell'onda risultante in punti diversi risulta essere diversa, e i massimi e i minimi di questa ampiezza si alternano insieme.

Batte- interferenza di due vibrazioni sonore che differiscono poco in frequenza. L'ampiezza delle oscillazioni risultanti aumenta o diminuisce periodicamente nel tempo con una frequenza pari alla differenza tra le oscillazioni interferenti.

Riverbero- “doposuono” residuo in ambienti chiusi. Si forma a causa della riflessione ripetuta delle superfici e del simultaneo assorbimento delle onde sonore. Il riverbero è caratterizzato da un periodo di tempo (in secondi) durante il quale l'intensità del suono diminuisce di 60 dB.

Tono- vibrazione sonora sinusoidale. L'altezza di un tono è determinata dalla frequenza delle vibrazioni sonore e aumenta con l'aumentare della frequenza.

Tono di base- il tono più basso creato da una sorgente sonora.

Sovratoni- tutti i toni, tranne quello principale, creati dalla sorgente sonora. Se le frequenze dei sovratoni sono un numero intero di volte maggiore della frequenza del tono fondamentale, allora vengono chiamate sovratoni armonici (armoniche).

Timbro- "colore" del suono, che è determinato dal numero, dalla frequenza e dall'intensità dei sovratoni.

Toni combinati- toni aggiuntivi derivanti dalla non linearità delle caratteristiche di ampiezza degli amplificatori e delle sorgenti sonore. I toni combinati vengono visualizzati quando il sistema è esposto a due o più vibrazioni con frequenze diverse. La frequenza dei toni combinati è uguale alla somma e alla differenza delle frequenze dei toni fondamentali e delle loro armoniche.

Intervallo- il rapporto tra le frequenze dei due suoni confrontati. Il più piccolo intervallo distinguibile tra due suoni musicali adiacenti in frequenza (ogni suono musicale ha una frequenza rigorosamente definita) è chiamato semitono, e un intervallo di frequenza con un rapporto 2:1 è chiamato ottava (un'ottava musicale è composta da 12 semitoni); un intervallo con un rapporto di 10:1 è chiamato decade.