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.
Волна с частотой меньше 16 тыс. Гц называется ультразвуком. Самые известные существа, которые «разговаривают» ультразвуком, — это дельфины и летучие мыши. Инфразвук, хотя мы его и не слышим, при определенной интенсивности (190-200 дб) может привести к смерти, т. к. слишком сильно повышает давление в легочных альвеолах.
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 — это величина, допустимые значения которой прописаны в санитарных правилах и нормах (СанПиН). Период времени, в который допускается включать шумные бытовые приборы, громко разговаривать, делать ремонт и т. п. определяется Законом «Об обеспечении тишины и покоя». Его принимают отдельно для каждой области. Время в каждом регионе может отличаться: где-то дневные часы начинаются в 7:00 утра, а где-то — в 9:00. К примеру, в Московской области, ночным тихим временем считается промежуток с 21:00 по 8:00 в будние дни и с 22:00 до 10:00 в выходные. Кроме того, существует тихий час с 13:00 до 15:00.
