Интенсивность звука это кратко

Обновлено: 05.07.2024

Теория акустики предусматривает три фундаментальных величины звука: звуковое давление, звуковая мощность и интенсивность звука.

Мощность звука – это величина, излучаемая источником звука.
Звуковое давление – величина, характеризующая звуковое поле и воспринимаемая человеческим ухом или звуковыми приборами. Слишком высокое звуковое давление может повредить слух человека. Основные параметры, оказывающие влияние на величину звукового давления, это расстояние от источника звука до воспринимающего его прибора или человека и акустические условия звукового поля. Ввиду этого для определения количества шума, испускаемого каким-либо источником, необходимо определить его звуковую мощность.

С точки зрения математики звуковая мощность это отнесенная к единице времени энергия звука. Интенсивность звука, в свою очередь, отображает скорость потока звуковой энергии через единицу площади, и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ). Отображая направление потока звуковой энергии в определенной точке, интенсивность звука является векторной величиной и измеряется обычно в направлении нормали к определенной единичной площади.

Причины определения интенсивности звука

Основная цель методов акустической интенсометрии – измерение интенсивности звука с целью определения интенсивности и локализации шума и разработке мер по снижению уровня шума на рабочем месте до безопасных для здоровья человека значений. Основным преимуществом измерения интенсивности звука по сравнению с измерением звукового давления является независимость величины этого параметра от параметров звукового поля.

Эта независимость позволяет с большой точностью выявить, идентифицировать и локализовать наиболее шумные узлы станков и механизмов даже на фоне общего звукового поля.

Звуковое поле – это пространство распространения звуковых волн. Описано несколько видов звуковых полей:

Свободное звуковое поле – такое поле, где звуковые волны распространяются в идеальном пространстве без каких-либо отражений. Примером таких полей могут считаться безэховые камеры и воздушное пространство на значительном удалении от земной поверхности.
Диффузное звуковое поле – поле, в котором существуют множественные отражения звуковых волн, распространяющихся в результате во всех направлениях с идентичными амплитудой и вероятностью. Благодаря определенному соотношению между звуковым давлением и односторонней интенсивностью звука можно определить звуковую мощность источника в таком поле (ISO 3741).
Активное и реактивное поля – звуковые поля, для которых соответственно характерно и нехарактерно наличие звукового потока. Любое звуковое поле имеет активную и реактивную составляющие, поэтому суммарная интенсивность звука равна нулю. Практическими примерами реактивных звуковых полей являются поле стоячих волн (в каналах, трубах) и ближнее поле источника звука.

Определение интенсивности звука

Существуют несколько методов определения интенсивности звука:

Уравнение Эйлера – в этом случае измеряют звуковое давление и градиент звукового давления, т.е. темп его изменения в зависимости от расстояния. Результат измерения градиента подставляют в уравнение Эйлера. Его решение дает колебательную скорость частиц, усредненное произведение которой с величиной звукового давления определяет интенсивность звука.
Конечно-разностная аппроксимация – в этом случае градиент звукового давления измеряют с помощью зонда с двумя микрофонами, разнесенными на близкое расстояние, в результате чего можно получить кусочно-линейную аппроксимацию функции, соответствующей градиенту давления. Для этого определяют два значения давления, затем разность их разность делят на расстояние между микрофонами зонда. Затем полученный градиент интегрируют, что дает колебательную скорость частиц. Мгновенные значения колебательной скорости умножают на мгновенные значения звукового давления, после чего полученное произведение усредняют по времени и получают значение интенсивности звука.

Уровни интенсивности звука, его давления, мощности и колебательной скорости частиц измеряют в децибелах. Эта величина соответствует отношению соответствующей величины к ее опорному значению, приблизительно соответствующему порогу слышимости.

Чтобы определить звуковую мощность источника шума, его условно окружают опорной поверхностью и умножают среднее значение интенсивности звука на этой поверхности на ее площадь.

Используют три основных типа опорных поверхностей: коробку, полушарие и конформную поверхность. Коробка может иметь любую форму и размеры, ее площадь легко определить, а плоские стенки позволяют достаточно просто усреднить величину интенсивности звука на каждой из них. В результате сложения отдельных значений определяется общая мощность источника звука внутри машины.

Полушарие позволяет ограничить количество измерительных точек, а в случае всенаправленного источника звука в любой из них значение интенсивности будет одинаковым. ISO 3745 рекомендует применять 10 точек на поверхности полушария: одну в вершине и по три на трех окружностях.

Конформная поверхность соответствует форме источника звука и находится на чрезвычайно малом расстоянии от него. Точки замера находятся в ближнем поле источника и обеспечивается большое отношение сигнала к шуму. Результаты позволяют локализовать отдельные источники шума.

Практическое применение интенсиметрии

Интенсиметрия широко применяется в строительстве. Ее используют для разработки эффективных методов звукоизоляции и шумоподавления. В строительной и архитектурной акустике применяются два метода интенсиметрии: основанный на звуковом давлении и основанный на интенсивности звука.

Первый метод описан в стандарте ISO 140 и предполагает использование двух реверберационных помещений с исследуемой перегородкой между ними. В каждом из помещений измеряется средний уровень звукового давления. Отношение интенсивности звука в передаточном помещении к интенсивности в приемном дает коэффициент ослабления звука, присущее исследуемой перегородке.

Второй метод предполагает использование только одного реверберационного помещения. В нем измеряется среднее звуковое давление, а в приемном помещении с помощью аппаратуры измеряют интенсивность звука, пропущенную исследуемым объектом.

Аппаратное обеспечение для интенсиметрии

Комплект оборудования для проведения интенсиметрии в общем случае включает в себя интенсиметрический зонд, анализатор и калибратор.

Интенсиметрический зонд представляет из себя два микрофона, закрепленных на жестокой распорной раме лицевыми сторонами друг против друга. В зависимости от исследуемого диапазона частот микрофоны располагаются на расстоянии 6, 12 или 50 мм друг от друга.

Анализаторы спектра ZET 017 а так же ZET 032, ZET 034 или ZET 038 позволяют в реальном масштабе времени обрабатывать полученные измеренные значения, а программное обеспечение ZETLAB ANALIZ анализировать обработанные сигналы при помощи узкополосного спектрального анализа, долеоктавного спектрального анализа, модального анализа, взаимного корреляционного анализа и пр.

Калибратор представляет собой малую акустическую камеру, в которой создается звуковое поле с точно определенными опорными уровнями давления, колебательной скорости частиц и интенсивности звука. Относительно этого поля калибруются микрофонные комплекты и проверяется точность измерений.

Пример настройки оборудования на базе программно-аппаратного комплекта ZETLAB.

Для получения необходимого результата требуется предварительная настройка программной части комплекта. Для этого понадобятся ряд программ: Формула, Фильтрация и Взаимный узкополосный спектральный анализ.

Формула

2. Следующий шаг — определение колебательной скорости частиц. Для этого необходимо проинтегрировать полученное значение градиента звукового давления.
Запускаем программу Фильтрация сигналов из меню Автоматизация панели ZETLAB. Выбираем виртуальный канал (созданный с помощью программы Формула), определяющий градиент звукового давления и устанавливаем тип фильтрации Инт.1.

3. Заключительный шаг — получение спектра, соответствующего интенсивности звука. Запускаем программу Взаимный узкополосный спектральный анализ из меню Анализ панели ZETLAB. Производим настройку программы и смотрим усредненный взаимный спектр колебательной скорости частиц и звукового давления.

Интенсивность звука — это количество энергии, которое переносит звуковая волна за 1 секунду через единицу площади среды. Интенсивность зависит от частоты волны, от акустического давления. Как видите, с интенсивностью связано много других понятий: звуковая волна, ее частота, акустическое давление, поток звуковой энергии. Чтобы понять, что такое интенсивность, мы подробно разберем каждый связанный с ней термин.

Как появляется звук

Звук может возникнуть от колеблющегося тела. Оно должно вибрировать достаточно быстро, чтобы создать возмущение в среде и породить акустическую волну. Однако для ее возникновения необходимо еще одно условие: среда должна быть упругой. Упругость — это способность противостоять сжатию или любому другому виду деформации (если говорить о твердых телах). Да, упругостью обладают и твердые тела, и жидкости, и газы, и воздух (как смесь разных газов), но в разной степени.

Вам будет интересно: Ну что, девчонки и мальчишки, сочиним загадки про шишки?

Величина упругости определяется плотностью. Известно, что твердые среды (дерево, металлы, земная кора) проводят звук намного лучше, нежели жидкие. А если сравнивать воду и воздух, то во второй среде звуковая волна расходится хуже всего.

Вам будет интересно: Проштудировать — это хорошенько изучить

Упругость воздуха и более плотных сред обусловлены разными причинами. В жидкостях и твердых телах есть силы межмолекулярного взаимодействия. Они удерживают частицы вместе в виде кристаллической решетки, и звуковой волне очень легко распространяться по ее узлам.

Молекулы воздуха не связаны между собой, их разделяют большие расстояния. Частицы не рассеиваются благодаря непрерывному и беспорядочному движению, а также силе тяжести. Давно замечено: чем более разрежен воздух (например, в верхних слоях атмосферы), тем меньше интенсивность, громкость звука. На Луне полная тишина, но не потому, что там нечему звучать, а из-за отсутствия воздуха.

Как звуковая волна бежит по воздуху

Наибольший интерес для нас представляет распространение звуковой (акустической) волны в воздухе. Когда тело отклоняется от начального положения, оно сжимает близлежащий воздух с одной стороны от себя. С противоположной — среда разреживается. Возвратившись в исходное положение, источник звука отклоняется в другую сторону и сжимает воздух там. Так продолжается до тех пор, пока тело не прекратит движение.

Вам будет интересно: Порядок и правила приема в школу

Как же ведут себя частицы? К их хаотичному движению добавляется колебательное. В отличие от постоянного теплового движения молекул, колебательное имеет одно направление. В слое воздуха, который перпендикулярен направлению отклонения тела, частицы начинают подталкивать друг друга. Они движутся с источником звука в одном направлении. Таким образом, чередующиеся сжатия-разрежения воздуха передаются от одного слоя воздуха к другому. Это и есть акустическая волна. Интенсивность звука — это величина, зависящая от основных характеристик волны — частоты и длины.

Частота звука

Частота волны зависит от того, как быстро вибрирует источник звука. Все тела колеблются с разными частотами, но не каждая частота доступна нашему восприятию. Те волны, которые мы слышим, называются звуком. Частота акустической волны измеряется в герцах (1 Гц равен 1 колебанию в секунду).

Слои сжатого и разреженного воздуха чередуются. Длина волны равна расстоянию между соседними слоями, в которых одинаковое давление. Звук не распространяется бесконечно далеко, потому что с увеличением дистанции волна ослабевает. То, как далеко он разойдется, зависит от длины и частоты акустической волны. Эти величины прямо пропорциональны: высокочастотные волны короче, чем низкочастотные. О звуках высокой частоты мы говорим как о высоких, волны низкой частоты порождают низкие звуки.

Уровень интенсивности звука имеет прямую зависимость от частоты акустических колебаний и длины волны. Так, комариный писк звучит с частотой 10 тыс. Гц и имеет длину волны всего 3,3 см. Мычание коровы — это интенсивный звук, который слышно минимум с 10 метров. Его частота — 30 Гц.

Акустическое давление

В каждом слое воздуха, которого достигла звуковая волна, давление изменяется то в большую, то в меньшую сторону. Величина, на которую оно, по сравнению с атмосферным, увеличивается, называется акустическим (звуковым) давлением.

Наше ухо поразительно чувствительно. Трудно поверить, но оно различает изменение давления в 0,01 миллионной доли грамма на единицу площади. Шорох создает очень малое давление, оно равно 3*10-5 Н/м2. Эта величина в 3*1010 раз меньше атмосферного давления. Оказывается, человеческий слух точнее химических весов. Физиологи изучили упругость барабанной перепонки и давление, которое оказывает самый тихий звук. Сопоставив данные, они пришли к выводу, что барабанная перепонка выгибается на расстояние, которое меньше, чем размеры атома.

Интенсивность звука и звуковое давление имеют прямую зависимость. Когда тело колеблется с низкой частотой, оно значительно повышает давление — звук выходит сильным. Интенсивность (сила) звука пропорциональна квадрату акустического давления.

Поток звуковой энергии

Звуки различной частоты и интенсивности определяются потоком звуковой энергии. Звуковая волна распространяется во все стороны в виде шара. Чем дальше расходится волна, тем она становится слабее. Энергия, которую она несет, распределяется на увеличивающуюся площадь — звук затихает. Квадрат звуковой энергии обратно пропорционален квадрату расстояния до вибрирующего тела.

Поток звуковой энергии — это количество кинетической энергии, которое проносит волна через площадь поверхности за секунду. Имеется в виду поверхность среды, например, слой воздуха, расположенный под прямым углом к направлению упругой волны. Поток энергии измеряется в ваттах (Вт).

Сила звука

Сила (интенсивность) звука — это величина, для нахождения которой нужно знать, каков поток энергии. Его значение следует разделить на площадь поверхности, перпендикулярной распространению волны (в м2).

Интенсивность звука обозначается буквой I. Минимальное значение (I0) составляет 10-12 Вт/м2. Чем выше интенсивность, тем более громким кажется звук. Зависимость силы звука и громкости установили опытным путем. Было замечено, что когда интенсивность поднимается в 10 раз, громкость увеличивается на 10 децибел (дб), когда в 100 раз — на 20 дб.

Слышимые и неслышимые звуки

Физиология позволяет человеку слышать звуки только в определенных пределах. Если тело колеблется с частотой больше 16-20 килогерц (кГц) и меньше 16-20 Гц, наше ухо не сможет этого воспринять.

Частота и интенсивность звука связаны между собой. Звуковые волны высокой частоты передают очень незначительное количество энергии. Ее не хватает на то, чтобы изменить акустическое давление настолько, чтобы наша барабанная перепонка завибрировала. О таких звуках говорят: они находятся за порогом слышимости.

Интересно, что на различных частотах зависимость громкости и интенсивности звука разная. На средних частотах (около 1000 Гц) человек чувствует изменения интенсивности всего на 0,6 дб. Граничные уровни частоты — совсем другое дело. На них мы едва различаем изменение интенсивности звука на 3 единицы.

Классификация звуков

Интенсивность звука измеряют в Вт/м2, однако для сравнения звуков между собой и с минимальным уровнем интенсивности используют децибелы.

Звуки делятся на:

очень слабые (0-20 дб);
слабые (21-40 дб);
умеренные (41-60 дб);
громкие (61-80 дб);
очень громкие (81-100 дб);
оглушительные (больше 100 дб).

На рисунке приведены примеры самых распространенных звуков разной интенсивности.

Допустимые нормы

Постоянный шум или тот, что сохраняется на протяжении длительного времени, называется фоновым. Для квартиры 20-30 дб — это нормальный уровень фонового шума. Он воспринимается человеком как тишина. Звуки в 40 дб тоже допустимы, а вот громкость в 60 дб приемлема для офисов, учреждений. Длительное воздействие звуков громкостью 70 дб приводит к нарушениям центральной нервной системы. Именно с такой громкостью "звучит" улица, а на оживленных проспектах шум достигает 85-90 дб. Звуки в 100 дб снижают слух и могут привести к его полной потере.

Интенсивность звука (сила звука) — скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую звуковой волной в направлении распространения. Количественно интенсивность звука равна среднему по времени потоку звуковой энергии через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения звука [1] [2] :

где T — время усреднения, dP — поток звуковой энергии, переносимый через площадку dS.

Используется также физическая величина мгновенная интенсивность звука, представляющая собой мгновенное значение потока звуковой энергии через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения звука [2] :

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ) — ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ).

Для плоской волны интенсивность звука может быть выражена через амплитуду звукового давления p₀ и колебательную скорость v:

Как определить уровень интенсивности звука: значение и термины, децибелы и амплитуда, единица звуковой интенсивности, формула, что определяет интенсивность.

Пример

Используйте данные для вычисления звуковой интенсивности и уровня децибела.

Pav_w = 331 м/с 2 при 0°C. (Давление воздуха при 0°С = 1.29 кг/м 3 ).

Переведем уровень интенсивности звука в уровень децибела:

Обзор интенсивности

Звуковая интенсивность – мощность на единицу переносимой волной площади. Мощность отображает скорость транспортировки волной энергии.

Для определения интенсивности применяют формулу I = P/A (Р – мощность, А – единица интенсивности в Вт/м 2 ). Это общая формула для интенсивности, но на нее можно взглянуть с позиции звука.

Звуковая интенсивность

Для измерения звуковой интенсивности подойдет формула (Δp – изменение давления или амплитуда, ρ – плотность материала, сквозь который проходит звук, v_w – скорость наблюдаемого звука). Видно, что изменение давления и амплитуда пропорциональны интенсивности, поэтому можно сказать, что при подъеме колебания повышается и интенсивность. На изображении показана эта тенденция.

Перед вами графики калибровочных давлений в двух звуковых волнах, отличающихся по интенсивности. Большая интенсивность формируется источником с большими амплитудными колебаниями, где присутствуют значительные максимумы и минимумы давления. Видно, что показатель давления растет при большей интенсивности, поэтому способен оказывать более значимое усилие на тела

Стандартной единицей интенсивности считают Вт/м 2 , но чаще всего используют децибелы. Это соотношения амплитуды к эталонному значению (0 дБ). Формула:

(β – уровень децибела, I – наблюдаемая интенсивность, I₀ – эталонная интенсивность).

Чтобы получить контрольную точку на уровнях интенсивности, ниже указан список нескольких интенсивностей:

Читайте также: