Звук. Основні визначення, величини та одиниці

В основі всієї науки «архітектурно-будівельна фізика» лежить поняття «звук». Звук ми намагаємося посилити, коли він корисний, та знищити, коли він шкідливий.

Звук – це коливальний рух у будь-якому матеріальному середовищі (тобто середовищі, що має пружність та інерційність), яке викликано певним джерелом звуку. Процес розповсюдження звуку в середовищі триває у вигляді звукових хвиль.

При розповсюдженні звукової хвилі необхідно розрізняти 2 цілком різних явища: коливальний рух частинок середовища у хвилі та переміщення самої хвилі у середовищі. Зазвичай коливальні швидкості частить частинок середовища навіть при найпотужніших випромінювачах звуку у кілька тисяч разів менша за швидкість самого звуку.

Розрізняють повздовжні та поперечні звукові хвилі. У газі (в тому числі у повітрі) та рідинах зміщення частинок середовища триває у напрямку розповсюдження хвилі. Це повздовжні звукові хвилі (можна порівняти з коливанням пружини, що закріплена з одного боку). У твердих тілах виникають поперечні звукові хвилі (аналог – хвилі на поверхні води від кинутого каміння)

Коливальний рух частинок середовища при розповсюдженні звукової хвилі є механічним коливанням. Найбільш простим видом коливання є гармонічне коливання, яке відображається у вигляді синусоїди. Камертон.

Амплітуда хвилі А – максимальне зміщення частинок від стану спокою. Амплітуда хвилі пов’язана із гучністю звуку.

Довжина звуку l – відстань між сусідніми частинками середовища, які мають однакові за величиною та напрямом відхилення від стану спокою. Такі частинки знаходяться в однаковій фазі коливання. Довжина хвилі пов’язана з тембром звуку (високий, низький и т.д. звук). Одиниця виміру – м.

Період коливання Т – тривалість часу, за який звук проходить відстань, що дорівнює довжину хвилі. Одиниця виміру – с.

Частота звуку f – кількість повних циклів коливань частинок середовища за 1 с. у Гц. 1Гц=с^-1.

Швидкість звуку с – характеризує швидкість розповсюдження звукових хвиль у середовищі. Одиниця виміру – м/с.

Основні співвідношення між названими величинами:

де р – атмосферний тиск, Па;

r – густина повітря, кг/м³;

Т – абсолютна температура повітря, К (0К = -273,15°С). (Можливе визначення температури за допомогою годинника).

З частотою звуку пов’язано дуже важливе явище – звукового резонансу.

Звуковий резонанс – здатність звуку певної частоти викликати помітне коливання речі, що знаходиться у звуковому полі. Це виникає тоді, коли частота коливання звуку співпадає з власною частотою коливання речі, або у ціле число разів менше її (наприклад, гойдалки можна розгойдувати, прикладаючи зусилля при кожному коливанні, а можна через певну кількість коливань).

Звукове поле – область середовища, в якому розповсюджується звукова хвиля. Звукове поле може бути вільним (коли відсутні відбиття хвиль) та дифузним (коли є багатократні відбиття). Фізичний стан звукового поля характеризується звуковим тиском р, інтенсивністю І, коливальною швидкістю v, густиною звукової енергії e.

Звуковий тиск р – це різниця між миттєвим значенням тиску та середнім тиском середовища (атмосферним тиском) у даній точці звукового поля. Одиниця виміру – Па. У фазі стиску тиск додатній, у фазі розрядження – від’ємний. Оскільки звуковий тиск постійно змінюється, то у розрахунках використовується середньоквадратичний звуковий тиск р_сер:

Інтенсивність звуку – це потужність звуку на одиницю площі в напрямі розповсюдження звукових хвиль. Одиниця виміру – Вт/м²:

Коливальна швидкість – миттєве середньоквадратичне значення швидкості руху частинок середовища при розповсюдження звукових хвиль. Одиниця виміру – м/с. Визначається за формулою

Густина звукової енергії e характеризується звуковою енергією в одиниці об’єму. Одиниця виміру – Дж/м³. Визначається за формулою: