4.6.1. Физические характеристики звуковых сигналов
В акустике все колебания
подразделяются на три категории: 1) дозвуковые колебания, или инфразвуки
с частотами меньше 20 Гц; 2) звуковые, или собственно звуки с
частотами от 20 до 20 000 Гц (20 кГц); 3) сверхзвуковые, или ультразвуки
с частотами выше 20 кГц. Указанное подразделение колебательных процессов
связано только с физиологическими особенностями человеческого органа слуха
воспринимать колебания именно звуковых частот. С точки зрения физики,
колебания, например, в 5 Гц или в 50 кГц ничем специфическим не отличаются от
колебаний в 20 Гц или 20 кГц.
Скорость распространения звука зависит от упругих свойств
среды, в которой распространяется звуковая волна, и в меньшей степени от
температуры и некоторых других факторов. Например, скорость звука в воздухе при
температуре 18 °С равна примерно 340 м/с, а в морской воде при О °С — 1550 м/с.
Таким образом, в воде акустическое сопротивление гораздо больше, чем в воздухе,
и скорость звука также значительно выше.
Интенсивность, или сила, звука представляет
собой энергию, переносимую звуковой волной через единицу площади в единицу
времени. Однако прямое измерение интенсивности связано с определенными
трудностями, и при решении практических задач в качестве измеряемого параметра
звукового поля обычно выбирают звуковое давление. Звуковое давление
характеризует силу, действующую на площадь, расположенную перпендикулярно
движению частиц.
Минимальное давление звука, которое
способно воспринимать человеческое ухо, составляет 2 • 10—5 Н/м2.
Уровень звука при разговоре составляет примерно 0,1 Н/м2, а звук,
вызывающий болевое ощущение, соответствует давлению 30 Н/м2.
Вместо абсолютных значений звукового
давления часто используют понятие уровня звукового давления (L). Его выражают в децибелах (дБ) следующим образом:
L = 20lg(P/Po), где Р — среднее квадратичное
значение звукового давления;
ро — порог слышимости человека равный 2 • 10—5
Н/м2 (относительный нуль).
Децибелы — логарифмические единицы,
их применение делает возможным сравнение двух уровней звукового давления без
знания абсолютных значений каждого из них. Повышение интенсивности в 10, 100,
1000, 10 000 раз относительно пороговой составляет соответственно 10, 20, 30,
40 дБ.