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/P_o), где Р — среднее квадратичное значение звукового давления;

р_о — 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.