Акустичні властивості
Властивості матеріалів та виробів випромінювати, проводити та поглинати звук називаються акустичними. Звук є пружними механічними коливаннями, які поширюються у вигляді хвиль у твердих, рідких і газоподібних середовищах. При поширенні звуку можливі явища відбиття, заломлення, поглинання, рефракції звуку, а також дисперсії, дифракції та інтерференції.
При попаданні звукової хвилі на межу двох середовищ із різним хвильовим опором відбувається її відбиття, яке характеризується коефіцієнтом відбиття. Зміна напряму поширення звукової хвилі при переході її з одного середовища до іншого викликає заломлення. Явище перетворення енергії звукової хвилі у внутрішню енергію середовища, у якій поширюється хвиля, називається поглинанням звуку. Воно обумовлено теплопровідністю, внутрішнім тертям (в'язкістю) та деякими релаксаційними процесами, що виникають у середовищі при зміні її тиску та температури у звуковій хвилі. Явище поглинання звуку використовується на дослідження внутрішньої структури різних речовин, і навіть для звукоізоляції. Високими звукоізоляційними властивостями характеризуються волокнисті та пористі матеріали (повсть, азбест, вата). Ці властивості залежать від природи та структури матеріалу.
Залежно від частоти коливань звук умовно поділяють на чутний (16 Гц. 20 кГц), здатний викликати слухові відчуття при впливі на орган слуху людини, інфразвук (частота менше 16 Гц), ультразвук (20 кГц. 1 ГГц) та гіперзвук (частота більше 1 ГГц).
Найважливішими фізичними характеристиками звуку є швидкість, звуковий тиск, інтенсивність звуку та його спектральний склад. У зв'язку зі слуховими відчуттями, що викликаються чутними звуками, користуються такими характеристиками звуку, як гучність,висота та тембр.
Швидкість звуку є швидкість поширення серед пружних хвиль невеликої інтенсивності (в метрах на секунду). Вона залежить від природи та будови матеріалу, а також температури. Швидкість звуку повітря при температурі навколишнього середовища 0°С дорівнює 331 м/с, у воді — 1400, сталі — 5000 м/с. З підвищенням температури та тиску швидкість звуку зростає. З підвищенням температури повітря на 1 °С швидкість поширення звуку у ньому зростає приблизно на 0,6 м/с. У твердих тілах швидкість звуку може відрізнятись у різних напрямках. Швидкість звуку в деревині вздовж волокон в 1,5 - 2 рази більша, ніж у напрямку поперек волокон.
Звуковий тиск (Па) - виникає при проходженні звукової хвилі у середовищі.
Інтенсивність (сила) звуку - це величина, що визначається енергією, що переноситься звуковою хвилею крізь поверхню, розташовану перпендикулярно напрямку поширення хвилі: I = W/S. Одиниця виміру інтенсивності звуку в СІ - ват на квадратний метр (Вт/м 2 ).
Суб'єктивною характеристикою звуку, що з його інтенсивністю, є гучність звуку, залежить від частоти. Зі зростанням інтенсивності звуку гучність зростає за логарифмічним законом. На цій підставі вводять поняття рівня інтенсивності звуку L, що виражається у децибелах (дБ):
L = lg(I/I0), (5.14)
де I0 - інтенсивність звуку на порозі чутності, що приймається для всіх звуків, що дорівнює 10 12 Вт/м 2 .
Звук інтенсивністю10 -3 Вт/м 2 викликає болючість. Інтенсивність характеризує звук фізично, а гучність – фізіологічно. Зміна рівня інтенсивності звуку на 10 дБ відчувається як дворазова зміна гучності.
Сукупність простих гармонійних (синусоїдальних) коливань називається спектромзвуку. Спектр може бути суцільним та лінійним.
Суцільний діапазон містить гармонійні компоненти з різними частотами і сприймається вухом як шуми. Рівень шуму від різних джерел наведено у табл. 5.1.
Звук лінійчастого спектру характеризується сукупністю періодичних коливань з певним співвідношенням частот, наприклад, музичні звуки, частоти складових коливань яких є цілими кратними числами частоти основного, найбільш повільного коливання.
Гучність звуку є мірою сили слухового відчуття, що викликається звуком. Вона залежить від ефективного звукового тиску та частоти звуку. Для порівняння слухових відчуттів використовують рівень гучності звуку (фон)
(5.15)
де р - ефективний звуковий тиск для звуку стандартної частоти v = 1 кГц, рівного за гучністю досліджуваного звуку; р0 = = 20 мкПа - стандартний поріг чутності для звуку частотою v = 1 кГц.
Висота звуку – умовна характеристика музичного, тобто. періодичного або майже періодичного звуку, що визначається людиною на слух і пов'язана в основному із частотою звуку. Звуки певної висоти називають тонами. Гармонічне звукове коливання називається простим тоном. Тон, який створює акустична система, коли коливається із найнижчою для неї частотою, називається основним тоном.
Зі зростанням частоти висота звуку підвищується. Звукові частоти поділяються на інтервали. За одиницю інтервалу частот прийнято октаву - позасистемна безрозмірна одиниця частотного інтервалу. Одна октава дорівнює частотному інтервалу, при якому логарифм з основою 2 відношення двох частот дорівнює одиниці: 1 октава = lg2 (f2/fi) при f2/f = 2, де f2 і f - частоти. Інтервал має особливе значення для музичних інструментів.
Деякіматеріали, наприклад деревина, мають здатність підсилювати звук без спотворення тону (резонуюча здатність). Найвищою резонуючою здатністю характеризується деревина резонансної ялини, кавказької ялиці та сибірського кедра, це має значення при виборі деревини для виготовлення дек музичних інструментів.
Рівні шуму від різних джерел Таблиця 5.1