Физические характеристики звука

а) Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна примерно 330 м/с (» 1200 км/ч). Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма. (Это очень большая скорость – 5400 км/ч. Кроме ракет, ни один аппарат, созданный человеком для движения, не может развивать такой скорости).

б) Интенсивность (I). Это энергетическая характеристика звука. По определению – это плотность потока энергии звуковой волны. Для уха человека важны два значения интенсивности (на частоте 1 кГц):

порог слышимости – I₀ = 10^–12 Вт/м², такой порог выбран на основе объективных показателей – это минимальный порог восприятия звука нормальным человеческим ухом; встречаются люди у которых интенсивность может быть 10^–13 или 10^–9 Вт/м²;

порог болевого ощущения – I_max – 10 Вт/м², звук такой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает его как ощущение давления или боли.

Органы слуха человека невероятно чувствительны: I_max /I₀ = 10¹³, то есть воспринимаемая максимальная интенсивность превышает минимальную интенсивность в 10 000 000 000 000 раз!

Громкому разговору (на частоте 1 кГц) соответствует интенсивность звука, равная 10^–6 Вт/м², то есть одной миллионной доле ватта на 1 м².

в) Звуковое давление (Р). Распространение звуковой волны сопровождается изменением давления.

Звуковое давление (Р) – это давление, дополнительно возникающее при прохождении звуковой волны в среде; оно является избыточным над средним давлением среды.

Физиологически звуковое давление проявляется как давление на барабанную перепонку. Для человека важны два значения этого параметра:

звуковое давление на пороге слышимости – P₀ = 2×10^–5 Па;

звуковое давление на пороге болевого ощущения – Р_mах = 60 Па.

Между интенсивностью (I) и звуковым давлением (Р) существует связь:

I = P²/2rv, (1)

где r – плотность среды, v – скорость звука в среде.

г) Волновое сопротивление среды (R_a). При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами возникают явления отражения и преломления звука (как плоской волны). Интенсивности отраженной и преломленной волн зависят от волновых сопротивлений сред.

Волновым сопротивлением среды (R_a) называется произведение плотности среды (r) на скорость распространения звука (v):

R_a = rv. (2)

В таблице ниже приведены скорости и волновые сопротивления некоторых веществ при 25 °С.