Источники звука. Звуковая энергия. Плотность звуковой энергии. Лекция 4

Звуковые волны –результат колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.
18 Источники звука. Звуковая энергия. Плотность звуковой энергии.

Звуково́е давле́ние — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения —паскаль (Па).
Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, связанное с интенсивностью звука:
19 Звуковое давление. Уровень звукового давления. Объемная скорость

Уровни звукового давления от различных источников
0 дБ SPL — специальная измерительная камера;
5 дБ SPL — почти ничего не слышно;
10 дБ SPL — почти не слышно — шёпот, тиканье часов, тихий шелест листьев;
15 дБ SPL — едва слышно — шелест листьев;
20 дБ SPL — едва слышно — уровень естественного фона на открытой местности при отсутствии ветра, норма шума в жилых помещениях;
25 дБ SPL — тихо — сельская местность вдали от дорог;
30 дБ SPL — тихо — настенные часы;
35 дБ SPL — хорошо слышно — приглушённый разговор;
40 дБ SPL — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис) без источников шума, уровень звукового фона днём в городском помещении с закрытыми окнами выходящими во двор;
50 дБ SPL — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина;
60 дБ SPL — шумно — обычный разговор, норма для контор;
65 дБ SPL — шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м;
70 дБ SPL — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м;
75 дБ SPL — шумно — крик, смех с расстояния 1м; шум в железнодорожном вагоне;
80 дБ SPL — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м; крик; мотоцикл с глушителем; шум работающего двигателя грузового автомобиля;
85 дБ SPL — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;
90 дБ SPL — очень шумно — громкие крики, пневматический отбойный молоток, тяжёлый дизельный грузовик на расстоянии 7 м, грузовой вагон на расстоянии 7 м;
95 дБ SPL — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м;
100 дБ SPL — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;
110 дБ SPL — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;
115 дБ SPL — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, мощный автомобильный сабвуфер;
120 дБ SPL — почти невыносимо — болевой порог, гром (иногда до 120 дБ), отбойный молоток, вувузела на расстоянии 1 м;

130 дБ SPL — боль — сирена, шум клёпки котлов;
140 дБ SPL — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;
150 дБ SPL — контузия, травмы — взлёт ракеты на Луну с экипажем, на расстоянии 100 м, реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам;
160 дБ SPL — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья близко от уха; ударная волна от сверхзвукового самолёта иливзрыва давлением 0,002 МПа;
168 дБ SPL — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из винтовки M1 Garand на расстоянии 1 м;
170 дБ SPL — светошумовая граната, воздушная ударная волна давлением 0,0063 МПа;
180 дБ SPL — светошумовая граната, воздушная ударная волна давлением 0,02 МПа, длительный звук с таким давлением вызывает смерть;
190 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,063 МПа;
194 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;
200 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна смерть;
210 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,63 МПа;
220 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 2 МПа;
230 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 6,3 МПа;
240 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 20 МПа;
249,7 дБ SPL — максимальное давление 61 МПа воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола[1]. Давление ударных волн при обычном взрыве может быть больше (максимальное — давление детонации), но это будет ещё не воздушная, а начальная взрывная ударная волна, образованная разлётом продуктов детонации;
260 дБ SPL — ударная волна давлением 200 МПа;
270 дБ SPL — ударная волна давлением 632 МПа;
280 дБ SPL — ударная волна давлением 2000 МПа;
282 дБ SPL — 2500 МПа — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве[2]. Максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва гораздо больше — до 100 млн. МПа.
300 дБ SPL — 20 000 МПа — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ;
374 дБ SPL — 100 млн МПа — давление в ядерном заряде в момент ядерного взрыва;

Акусти́ческий импеда́нс
(англ. impedance от лат. impedio — препятствую) — комплексное акустическое сопротивление среды, представляющее собой отношение комплексных амплитуд звукового давления к
колебательной объёмной скорости.
20 Понятия акустического сопротивления и импеданса

1) Бел (сокращение: B) — безразмерная единица измерения отношения (разности уровней) некоторых величин (например, энергетических — мощности и энергии или „силовых“ — напряжения и силы тока) по логарифмической шкале.
Согласно ГОСТ бел определяется как «логарифмическая величина (десятичный логарифм безразмерного отношения физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную)
21 Единицы измерения уровней звука (бел, непер)

2) Не́пер — безразмерная единица измерения отношения двух величин. Непер не входит в систему единиц СИ, однако, по решению Генеральной конференции по мерам и весам, допускается его применение без ограничений совместно с СИ. Единица названа в честь Джона Непера, который ввёл в математику понятие логарифма. Русское обозначение — Нп; международное — Np.

22 Условный порог звукового давления. Формулы для вычисления продольных и поперечных звуковых колебаний

Продольные и поперечные волны

Сопряжем поперечные и продольные колебания:

Смоделируем поверхностное натяжение воды и колебания на ее поверхности:

23 Расчет скорости распространения звуковых волн в твердой неограниченной среде. Примеры численных значений для различных материалов (железо, бетон, стекло)

Объёмный мо́дуль упру́гости (модуль объёмного сжатия) — характеристика способности вещества сопротивляться всестороннему сжатию. Эта величина определяет, какое нужно приложить внешнее давление для уменьшения объёма в 2 раза. Например, у воды объёмный модуль упругости составляет около 2000 МПа — это означает, что для уменьшения объёма воды на 1 % необходимо приложить внешнее давление 20 МПа.

Модулем сдвига (обозначается буквой G или μ), называется отношение касательного напряжения к сдвиговой деформации