1.9. Основные определения акустики
В трактах радио и проводной телефонной связи, звукозаписи,
сопровождения телевидения, диспетчерской связи, озвучивания и т. д.
акустические системы являются начальным и оконечным оборудова-
нием. Часто именно они определяют качество и разборчивость пере-
дачи информации.
Электроакустический тракт имеет в своем составе преобразо-
ватели акустических сигналов в электрические (микрофоны, ларин-
гофоны); электрические системы (усилители, кодеры, преобразовате-
ли); обратные преобразователи электрических сигналов в акустиче-
ские. Рассмотрим основные понятия акустики.
Звуковая волна – процесс распространения переменного возму-
щения в упругой среде в диапазоне частот от единиц герц до 20 кГц.
Звуковые колебания – колебательные движения частиц среды
под действием возмущения.
21
Длина волны
λ = С Т , м,
где С – скорость волны;
T – период колебания.
Звуковое поле – пространство, в котором происходят звуковые
колебания и распространяется звуковая волна. Продольные колебания –
характерные для жидкой и газовой сред звуковые колебания. При
продольных колебаниях частицы перемещаются вдоль линии распро-
странения. Поперечные колебания и волны (наряду с продольными
колебаниями имеются в твердых средах) – частицы колеблются пер-
пендикулярно линии распространения волны.
Звуковой луч – направление распространения звуковой волны.
Фронт волны – поверхность, соединяющая точки звукового по-
ля с одинаковой фазой (перпендикулярен звуковому лучу).
Скорость звука
С = ν Р
ас
/ S,
где для газов:
Р
ас
– давление в среде;
S – плотность среды;
ν = С
р
/ С
v
– коэффициент адиабаты (адиабата – кривая, изобра-
жающая адиабатический процесс – изменение состояния тела, при ко-
тором оно не поглощает или не отдает тепло, например, быстрое сжа-
тие газа, когда тепло не успевает передаться).
С
р
и С
v
– коэффициенты теплоемкости среды при постоянном
объеме С
v
и давлении С
р
.
Скорость звука зависит от температуры и давления. Для некото-
рых газов и жидкостей скорость звука приведена в табл. 2.
Таблица 2
Среда
Темпера-
тура, °С
Плотность,
кг/м
Скорость
звука, м/с
Акустическое сопро-
тивление, 10 кг/мс
Водяной пар 100
0,58
405
0,23
Воздух 0
0,29
331
0,428
Воздух 20
0,2
343
0,413
Гелий 0
0,18
970
0,172
Вода пресная 15 999
1430
1,43
Вода соленая (3,5 %)
15
1027
1500
1,55
22
В твердых средах скорость звука определяется плотностью и
модулем упругости Е, т.е. С = Е / S. На рис. 13, 14 представлены зави-
симости скорости звука от высоты h и от температуры воздуха °С.
Звуковое давление в газах и жидкостях – разность между мгно-
венным значением давления Р
ам
в точке среды при прохождении че-
рез неё звуковой волны и статистическим давлением Р
ам
Р = Р
ам
– Р
ас
,
где Р величина знакопеременная и представляет собой силу, дейст-
вующую на единицу поверхности
Р = F/S [Н / м
2
]
= [паскаль ] = [ Па ].
1 Па = 1 Н/м
2
= 10 дин/см
2
= 1 кг/м
⋅с
2
. 10
6
дин / см
2
= 10
5
Па =
= 1 бар = единица атмосферного давления.
Скорость звука в стержнях из твердых тел показана в табл. 3.
Таблица 3
Среда
Плотность S,
кг/м
Скорость звука,
м/с
Акустическое
сопротивление, 10 кг/мс
Железо 7800
5170
40,4
Дуб 700
1520 1,06
Сосна 500
1450
0,8
Лед 916
3200 2,93
Каучук 950 30
0,028
Гранит 2700
3950
10,7
Стекло 3250
5300
17,3
В радиосредствах вещания звуковые давления не превышают
100 Па, т.е. в 100 раз меньше атмосферного давления (т.е. давление в
атмосфере меняется на доли процента).
23
Рис. 13. Зависимость скорости звука
в воздухе (Т = 0 °С) от высоты h над
уровнем моря
Рис. 14. Зависимость скорости
звука в воздухе от температу-
ры для Р = 101325 Па
Смещение – отклонение частиц среды от статистического поло-
жения.
Скорость колебаний – скорость движения частиц среды V = du/dt.
Удельное акустическое сопротивление среды – отношение зву-
кового давления Р к скорости колебаний
δа = Р/ V [Па
⋅с / м].
В общем случае это комплексная величина, так как есть фазо-
вый сдвиг между Р и V. Прилагательное удельное часто опускают и
пишут акустическое сопротивление
δа = Р/V = wа + jgа – активная и реактивная составляющие аку-
стического сопротивления.
Сдвиг фаз между звуковым давлением и скоростью колебаний
tg ψ = ga / wa.
Интенсивность звука (сила звука) – количество энергии, прохо-
дящей через единицу площади, перпендикулярной направлению вол-
ны I [Bт / м
2
].
Для периодических процессов сила звука
1/
T
I
T
Pdt
→∞
=
∫
,
где Р – мгновенное давление;
Т – период волны.
24
Для непериодических процессов сила звука
lim
T
I
Pdt
→∞
=
∫
.
Для синусоидальных колебаний
I = 0,5 P
m
V
m
cos ψ = P
э
V
э
cos ψ = ( P
э
cos ψ / │ δ
a
│ = V
э
w
а
,
где Р
m
, V
m
– амплитуды звукового давления и скорости колебаний;
Р
э
, V
э
– их эффективные значения;
δ
а
– удельное акустическое сопротивление;
w
a
– действительная часть удельного акустического сопротивления.
Плотность энергии Е – количество звуковой энергии, находя-
щейся в единице объема. [ E ] = Дж/м
3
. Плотность энергии связана с
интенсивностью звука Е = I /C.
Электрические и акустические уровни
Уровень N = a lg K/K
о
, где К
о
– опорный сигнал.
При а = 1 [ N ] – белы,
при а = 10 [ N ] – децибелы для энергетических параметров,
при а = 20 [ N ] – децибелы для линейных параметров.
Если уровень К нормирован, то соответствующий уровень на-
зывают абсолютным – N
абс
. Если К ненормировано, то уровень назы-
вают относительным – N
отн
.
N
отн
= N
абс
(К) – N
абс
(К
о
).
Если логарифм не десятичный, то единицу называют непер.
N = ln K / K
о
, Hп.
Пересчет простой: 1 дБ = 0,1151 Нп, 1 Нп = 8,08 дБ.
По энергетике 2 раза = 3 дБ; 4 = 6 дБ; 10 = 10 дБ; 100 = 20 дБ.
Для линейных параметров (напряжение, ток) 2 раза = 6 дБ;
4 = 12 дБ; 10 = 20 дБ; 100 = 40 дБ.
Определить суммарный уровень несложно. Например, в аудито-
рии есть такие звуки:
говорит лектор N = 60 дБ,
болтают студенты N = 57 дБ,
скрипят парты N = 52 дБ,
шум с улицы N = 45 дБ.
25
Можно перевести в разы,
затем сложить и снова перевести
в децибелы. А можно и по-
другому. Нужно расположить
звуковые колебания по убыва-
нию: 60, 57, 52, 45. Для разности
двух максимальных членов ряда,
пользуясь графиком, представ-
ленным на рис. 15, найти по-
правку ∆ и, заменяя два этих
члена ряда максимальным плюс
поправка и продолжая аналогич-
ные вычисления, укорачивать ряд.
Для примера:
60 – 57 = 3 дБ и по графику ∆ = 1,5. Ряд станет 60 + 1,5 ; 52; 45.
61,5 – 52 = 9,5 дБ и ∆ = 0,5 и ряд станет 61,5 + 0,5 ; 45.
62 – 45 = 17 дБ и ∆ = 0,1, а суммарный уровень будет 62,1 дБ.
Это кажется немного выше речи лектора, но 2 дБ – это 1,58 раза
и при такой ситуации лекции не получится.
Do'stlaringiz bilan baham: |