Что такое звуковые волны и каково их значение в акустике?

Звуковые волны — это механические возмущения, передающие звуковую энергию через воздух, воду, твердые тела и другие упругие материалы . В воздухе они распространяются в основном в виде продольных волн, образующихся в результате чередования областей сжатия и разрежения. Их частота, амплитуда, длина волны, фаза и скорость определяют поведение звука и то, как его воспринимает человек.

Для акустиков эти свойства звуковых волн объясняют практические проблемы, такие как четкость речи, реверберация, накопление низких частот, передача звука через стены и структурные вибрации .

Понимание звуковых волн является основой для эффективной звукоизоляции, акустической обработки помещений, контроля вибрации и точного измерения звука.

 

Основные выводы

• Звуковые волны требуют наличия физической среды. Они распространяются путем передачи механической энергии между соседними частицами.
• Частота определяет скорость колебаний. Она сильно влияет на воспринимаемую высоту звука и определяет длину волны при заданной скорости звука.
• Амплитуда связана с изменением давления и интенсивностью звука. Большее акустическое давление обычно вызывает более сильное слуховое ощущение.
• Длинные волны ведут себя иначе, чем короткие. Низкочастотный звук сильно взаимодействует с размерами помещения и конструкциями здания.
• Поверхности изменяют волновое поведение. Отражение, поглощение, рассеивание и передача звуковых волн происходят всякий раз, когда звук достигает границы.
• В помещениях возникает акустический резонанс и стоячие волны. Размеры и свойства поверхностей определяют, какие частоты усиливаются, а какие ослабляются.
• Профессиональный акустический дизайн основан на анализе волнового поведения. Измерения позволяют выявить проблемы, зависящие от частоты, и определить оптимальный выбор материалов для поглощения, изоляции, массы, демпфирования и рассеивания звука.

 

Что такое звуковые волны?

Источник звука возникает из вибрации . Голосовые связки двигаются во время речи. Диффузор громкоговорителя движется вперед и назад. Струна гитары колеблется после того, как ее щипают. Механизмы, насосы, вентиляторы, полы, стены и трубы также могут стать источниками звука, когда механические силы заставляют их вибрировать.

Эти звуковые колебания возмущают частицы вокруг источника . В воздухе движущийся источник сжимает находящиеся рядом молекулы, а затем позволяет им расходиться. Возмущение передается от одной группы частиц к другой.

Частицы колеблются вокруг своего локального положения равновесия, в то время как волна уносит энергию от источника. Это различие имеет значение. Распространение звука передает энергию через среду, при этом каждая частица совершает сравнительно небольшое локальное движение.

НАСА описывает звук в воздухе посредством чередующихся зон сжатия и разрежения, создаваемых ритмичными изменениями давления . Этот механизм создает колебания давления, которые распознаются микрофонами и слуховой системой человека.

Таким образом, для распространения звука необходима среда с механическими свойствами, способствующими распространению волн. Воздух, вода, сталь, бетон, древесина, гипсокартон и стекло — все они по-разному передают акустические волны, поскольку различаются по плотности, жесткости, затуханию и внутренней структуре.

В вакууме отсутствуют материальные частицы, способные передавать механическое возмущение. Поэтому для распространения звука необходимы твердые, жидкие или газообразные вещества .

 

 

Как распространяются звуковые волны

Звук в воздухе ведет себя преимущественно как продольная волна . Частицы движутся вперед и назад приблизительно в том же направлении, что и распространяющееся возмущение давления.

Сжатие характеризуется временным увеличением плотности и давления частиц. Разрежение характеризуется уменьшением плотности и давления. Повторение этих областей приводит к образованию бегущей волны .

Такое поведение отличается от поперечных волн, где движение частиц происходит перпендикулярно направлению распространения. Колебания струн могут демонстрировать поперечное поведение, в то время как распространяющийся по воздуху слышимый звук, достигающий слушателя, преимущественно имеет продольное направление.

Тот же основной принцип применим и к жидкостям. Твердые тела демонстрируют более сложное поведение упругих волн, поскольку они способны передавать сжимающие и сдвиговые колебания.

Это различие становится важным в зданиях. Воздушный шум может воздействовать на стену, пол, окно или потолок. Затем элемент здания вибрирует и передает энергию через конструкцию. Принимающая поверхность излучает часть этой вибрации обратно в воздух в виде звука.

Таким образом, акустико-специалист проходит весь путь до конца:

Источник → носитель → конструкция или помещение → приемник

Эффективные меры по борьбе с шумом направлены на наиболее слабые или наиболее энергичные участки этого пути.

 

Частота и звуковые волны

Частота звука описывает количество полных циклов давления, происходящих в секунду. Единица измерения — герц, обозначается Гц . Тон частотой 100 Гц совершает 100 циклов в секунду. Тон частотой 1000 Гц совершает 1000 циклов в секунду.

Частота оказывает сильное влияние на воспринимаемую высоту звука . Низкие частоты, как правило, создают более низкое слуховое восприятие, в то время как высокие частоты создают более высокое восприятие.

Приблизительный диапазон человеческого слуха в благоприятных условиях составляет от 20 Гц до 20 000 Гц , хотя чувствительность к верхним частотам обычно снижается с возрастом. Частоты ниже обычного диапазона слуха относятся к инфразвуку. Частоты выше приблизительно 20 кГц относятся к ультразвуку.

В акустике частотный диапазон имеет большое значение, поскольку материалы и конструкции ведут себя по-разному в разных диапазонах.

Низкочастотная энергия от сабвуферов, промышленного оборудования, инженерных систем зданий, дорожного движения и музыки может возбуждать крупные конструктивные элементы. Высокочастотный речевой шум и шум от оборудования, как правило, имеют более короткие длины волн и легче взаимодействуют с относительно тонкими звукопоглощающими материалами.

Таким образом, частотный анализ предоставляет гораздо больше диагностической информации, чем одно общее значение в децибелах.

 

 

Амплитуда, звуковое давление и громкость

Амплитуда описывает величину изменения волны относительно ее состояния равновесия . В акустике инженеры обычно работают с акустическим давлением, а не с визуальной высотой нарисованной волновой формы.

Уровень звукового давления выражает акустическое давление в логарифмической шкале децибел . Стандартное эталонное давление в воздухе составляет 20 микропаскалей.

Более значительные колебания давления, как правило, соответствуют большей интенсивности звука и увеличению воспринимаемой громкости . Взаимосвязь между физическим уровнем и восприятием звука остается сложной, поскольку слуховая система человека реагирует по-разному в зависимости от частоты, уровня, длительности и спектрального состава.

Эта область частично относится к психоакустике , которая изучает взаимосвязь между измеримыми акустическими стимулами и слуховым восприятием.

Два звука с одинаковым измеренным уровнем звукового давления могут давать различное качество звучания и воспринимаемую выразительность, если различаются их частотный состав, длительность, модуляция или тональный характер.

Это различие становится особенно важным при оценке насосов, компрессоров, трансформаторов, систем вентиляции , промышленного оборудования и низкочастотного шума окружающей среды.

 

Объяснение длины волны

Длина волны описывает физическое расстояние, занимаемое одним полным циклом волны.

Взаимоотношения таковы:

Длина волны = скорость звука ÷ частота

Согласно данным Национальной физической лаборатории Великобритании, при температуре около 20 °C скорость звука в воздухе составляет примерно 344 метра в секунду.

Это дает полезные практические примеры:

• При частоте 100 Гц длина волны составляет приблизительно 3,44 метра .
• При частоте 1000 Гц длина волны составляет приблизительно 0,344 метра .
• При частоте 10 000 Гц длина волны составляет приблизительно 34 миллиметра .

Эти значения объясняют многие проблемы акустического проектирования.

Волна частотой 100 Гц может иметь размеры, сопоставимые с размерами всей комнаты. Поэтому тонкий декоративный пенопласт оказывает ограниченное влияние на такую большую длину волны. Для подавления низких частот обычно требуется значительная глубина поглотителя, настроенные системы, тщательно расположенные басовые ловушки, структурная изоляция или изменение геометрии помещения.

Более высокие частоты имеют меньшую длину волны и эффективно взаимодействуют со сравнительно неглубокими пористыми поглотителями.

Длина волны также влияет на дифракцию вокруг препятствий, интерференцию между несколькими источниками звука, поведение акустики помещения и расположение микрофона.

 

 

Скорость звука в различных материалах

Скорость звука зависит от механических свойств среды.

Воздух при температуре около 20°C обеспечивает распространение звука со скоростью приблизительно 344 м/с . Температура изменяет это значение. Звук, как правило, распространяется гораздо быстрее в воде и многих твердых телах, поскольку их жесткость способствует более быстрой передаче механической энергии.

Такое поведение имеет серьезные последствия для акустики зданий.

Вибрация, возникающая в бетонной плите или стальном элементе, может распространяться по всей конструкции и проявляться в виде звука на значительном расстоянии. Поэтому для подавления структурного шума необходима виброизоляция как можно ближе к источнику.

Типичные примеры включают:

• Насосы, жестко соединенные с трубопроводом;
• Оборудование, установленное на крыше и соединенное с несущими стальными конструкциями;
• Подъемное оборудование передает вибрацию в стены;
• Шаги, слышимые на бетонной плите пола;
• Динамики передают низкие частоты в мебель или перегородки;
• Механическое оборудование, установленное непосредственно на бетоне.

Виброизоляция прерывает этот механический путь с помощью упругих опор, пружин, эластомеров, плавающих полов, упругих подвесов или гибких соединителей.

 

Отражение, поглощение, пропускание и преломление

Когда звук достигает границы, его энергия может распространяться по нескольким путям.

Отражение

Отражение звуковых волн происходит, когда часть падающей энергии возвращается в исходное пространство. Твердые, плотные поверхности, такие как бетон, стекло, камень и штукатурка, обычно создают сильные отражения в большей части слышимого диапазона.

Отражения влияют на разборчивость речи, чистоту музыки, реверберацию, эхо и локализацию звука.

Абсорбция

Поглощающие материалы преобразуют часть акустической энергии в очень небольшое количество тепла за счет трения и внутренних движений.

Пористые абсорбенты, такие как минеральная вата, эффективно работают, когда внутри их структуры происходит движение воздуха. Толщина, плотность, расположение, воздушные зазоры и частота определяют их эффективность.

Передача инфекции

Передача звука происходит, когда акустическая энергия возбуждает разделительный элемент и производит звук на противоположной стороне.

Звукоизоляционные системы контролируют этот процесс за счет массы, упругого разделения, демпфирования, воздухонепроницаемости, поглощения звука в полости и тщательно продуманной конструкции соединений.

Преломление

Преломление звуковых волн описывает изменение направления распространения, вызванное колебаниями скорости волны. Градиенты температуры и атмосферные условия могут искривлять пути распространения звука на открытом воздухе.

Преломление света имеет особое значение в акустике окружающей среды и прогнозировании шума на больших расстояниях.

Затухание

Затухание звуковых волн описывает снижение уровня звука по мере его распространения. Вклад в это могут вносить геометрическое распространение, поглощение атмосферой, барьеры, демпфирование материалами и структурные потери.

Для каждого механизма требуется своя стратегия лечения.

 

 

Резонанс и стоячие волны

Акустический резонанс возникает, когда источник звука возбуждает систему вблизи одной из её собственных частот. В результате колебания на этой частоте могут значительно усилиться.

В помещениях существуют резонансы, называемые резонансными модами . Стены, полы, потолки, панели, воздуховоды, оборудование и конструктивные элементы также имеют собственные частоты.

Стоячие волны образуются, когда падающая и отраженная волны взаимодействуют в стабильной пространственной конфигурации. В определенных местах звуковое давление сильнее, в других — ниже. Это объясняет распространенную проблему в небольших помещениях: басы могут звучать мощно у одной стены и гораздо слабее на небольшом расстоянии . Поэтому перемещение громкоговорителя, слушателя или измерительного микрофона может существенно изменить измеренную низкочастотную характеристику.

Профессиональная акустическая работа в помещении включает в себя изучение размеров помещения, частотной характеристики, измерений затухания звука, положения слушателя, расположения источников звука и размещения звукопоглощающих материалов для контроля модального поведения.

 

Звуковые волны в помещениях и зданиях

В закрытом помещении после включения источника звука отражаются тысячи звуков.

Первые отражения возникают вскоре после прямого звука и влияют на четкость, локализацию и пространственное восприятие. Более поздние отражения объединяются, образуя реверберацию.

Время реверберации описывает, как затухает звук после прекращения воздействия источника. Стандарт BS EN ISO 3382 содержит методы измерения акустических параметров помещения, включая время реверберации для различных типов помещений. Длительная реверберация может снижать разборчивость речи в офисах, классах, ресторанах, конференц-залах и общественных местах. Очень короткая реверберация может создавать акустически сухую среду, в которой музыка и естественные пространственные ориентиры теряют свою выразительность.

Эхо-эффект возникает, когда звук многократно отражается между подходящими параллельными поверхностями. Часто оно создает быстрый, металлический или повторяющийся характер.

Таким образом, форма помещения и распределение поверхностей имеют значение наряду с общим поглощением звука. Эффективная акустическая среда зависит от соотношения следующих факторов:

• Объем помещения;
• Поверхностное поглощение;
• Геометрия отражения;
• Диффузия;
• Местонахождение источника;
• Местоположение слушателя;
• Фоновый шум;
• Частотно-зависимое затухание.

Акустические системы DECIBEL используют эти принципы для контроля реверберации, отражений, четкости речи, конфиденциальности и общего качества звука.

 

Как измеряются звуковые волны

Профессиональные измерения звука преобразуют изменения давления в электрические данные с помощью калиброванного микрофона . Измеритель уровня звука может измерять общий уровень звукового давления, в то время как частотные анализаторы делят сигнал на октавные, третьоктавные или более узкие частотные полосы.

В рекомендациях Управления по охране труда и технике безопасности Великобритании приводятся данные об приборах, соответствующих стандарту BS EN 61672-1, для измерения уровня звука.

Акустики могут провести обследование:

• Эквивалентный непрерывный уровень звука;
• Максимальный и минимальный уровни;
• Пиковое звуковое давление;
• Октавный или третьоктавный спектр;
• Время реверберации;
• Частотная характеристика;
• Импульсная реакция;
• Скорость или ускорение вибрации;
• Звукоизоляция от воздушного и ударного шума.

Положение во время измерения имеет значение. Расстояние до источников звука, отражения, границы помещения, высота микрофона, фоновые условия и калибровка — все это может повлиять на результаты.

Приложения для телефонов могут помочь выявить очевидные изменения или доминирующие частоты. Оценка соответствия и техническая диагностика требуют калиброванных приборов, контролируемых процедур и правильной интерпретации.

 

 

Примеры звуковых волн из повседневной жизни

Теория звуковых волн постоянно проявляется в обычных условиях:

• Речь начинается с голосовых связок и голосового тракта, распространяется по воздуху, достигает уха и вызывает вибрацию барабанной перепонки. Слуховая система преобразует механический сигнал в нервную информацию.
  
  
• Музыка сочетает в себе множество частот, амплитуд, фаз и переходных процессов. Отражения в помещении изменяют тональный баланс, чистоту звучания и пространственное восприятие.
  
  
• Дорожный транспорт создает шум от двигателя, шин, аэродинамики и конструкции в широком диапазоне частот.
  
  
• Шаги создают ударное воздействие на пол и могут вызывать распространение волновых составляющих по воздуху и конструкции в соседних помещениях.
  
  
• Звук издают инженерные системы зданий, такие как вентиляторы, насосы, потоки воздуха, движение воды, электродвигатели, компрессоры и вибрация.
  
  
• Ультразвуковая диагностика использует частоты выше нормального диапазона слуха для получения диагностической информации на основе отраженной акустической энергии.
  
  
• Подводный гидролокатор использует передаваемый звук и временные отражения для обнаружения объектов и оценки расстояния. Морские животные также используют эхолокацию для навигации и обнаружения добычи.
  
  
• Ультразвуковая очистка использует высокочастотную акустическую энергию в жидкости для удаления загрязнений с поверхностей.

Эти приложения демонстрируют одни и те же основные характеристики звуковых волн в совершенно разных условиях.

 

Когда знание звуковых волн становится важным

Базовые знания о звуковых волнах особенно полезны на трех этапах.

Диагностика проблемы шума

Низкочастотный гул требует иного подхода к исследованию, чем высокочастотная передача речи. Вибрация, ощущаемая через пол, указывает на механический путь распространения. Длительное затухание после хлопка в ладоши указывает на чрезмерную реверберацию в помещении.

Проектирование акустического пространства

В конференц-залах необходима контролируемая реверберация и приватность для разговоров. В студиях звукозаписи — контролируемые отражения и низкочастотная характеристика. В ресторанах — сбалансированная акустическая среда, способствующая общению без чрезмерного накопления звука.

Выбор звукоизоляции

Эффективность звукоизоляции зависит от частоты, массы, жесткости, глубины полости, упругих соединений, путей распространения звука по бокам, мест проникновения звука и качества работ.

Здесь акустическая теория переходит в практическую инженерию. Свойства звуковых волн определяют выбор материалов, толщину системы, детали изоляции, методы измерений и ожидаемые характеристики.

 

Часто задаваемые вопросы

Что же такое звуковая волна?

Звуковая волна — это механическое возмущение, передающее энергию через твердое тело, жидкость или газ. В воздухе она распространяется главным образом за счет чередующихся сжатий и разрежений, создаваемых источником вибрации.

Как связаны частота и длина волны?

При постоянной скорости распространения волны частота и длина волны обратно пропорциональны друг другу. Более высокая частота звука создает меньшую длину волны, а более низкая частота — большую.

Что означает амплитуда в акустике?

Амплитуда описывает величину изменения волны. В практической акустике звуковое давление является основной измеряемой величиной, а уровень звукового давления выражает это давление в логарифмическом масштабе в децибелах.

Почему отражения и поглощение влияют на акустику помещения?

Отражения обеспечивают циркуляцию акустической энергии в помещении после того, как прямой звук достигает помещения. Поглощающие поверхности уменьшают количество отдельных отражений и время затухания, улучшая контроль над реверберацией, четкостью речи и тональным балансом.

Как стоячие волны создают зоны с мощным гулом?

Стоячие волны образуются в результате взаимодействия падающего и отраженного звука. На определенных частотах в помещении в одних местах возникают сильные максимумы давления, а в других — более слабые, что приводит к неравномерному воспроизведению басов.

В чём разница между звуком, распространяющимся по воздуху, и звуком, распространяющимся по зданию?

Звук, распространяющийся по воздуху, проходит через воздух, прежде чем воздействовать на приемник или элемент здания. Звук, распространяющийся через конструкцию, проникает в твердую конструкцию посредством вибрации и может распространяться через полы, стены, балки, трубы и другие соединенные элементы.

Как температура влияет на скорость звука?

Температура изменяет скорость звука в воздухе. По данным Национальной физической лаборатории Великобритании, при температуре около 20 °C она составляет приблизительно 344 м/с, при этом точное значение может меняться в зависимости от условий окружающей среды.

В каких случаях следует обратиться к акустику для исследования акустики?

Профессиональная оценка становится ценной, когда шум распространяется между помещениями или объектами, сохраняются проблемы с низкими частотами, четкость речи остается низкой, вибрация распространяется по конструкции или проект требует измеримых акустических характеристик. Акустик может определить определяющие частоты и пути распространения шума до того, как будет назначена обработка.

 

Источники и технические справочные материалы

1. Национальная физическая лаборатория (НПЛ), уровень звукового давления и уровень интенсивности.
   Рассматриваются звуковое давление, интенсивность звука, эталонное давление 20 мкПа, акустический импеданс и скорость звука в воздухе при 20°C.
   https://resource.npl.co.uk/acoustics/techguides/concepts/spl.html
2. Национальный центр биотехнологической информации, Как мы слышим: восприятие и нейронное кодирование звука.
   Предоставляет техническую информацию о восприятии человеком звука, частотной чувствительности, высоте тона и приблизительном диапазоне частот человеческого слуха от 20 Гц до 20 000 Гц.
   https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5819010/
3. Национальная физическая лаборатория, шкала децибел
   В статье объясняется логарифмическая шкала децибел, акустическая интенсивность, уровень звукового давления и взаимосвязь между акустическим давлением и интенсивностью.
   https://resource.npl.co.uk/acoustics/techguides/concepts/dbscale.html
4. Национальный центр биотехнологической информации, информация о слухе, общении и понимании.
   Предоставляет вспомогательную информацию о частоте, высоте тона, диапазоне слышимости, распространении звука, а также влиянии температуры и среды на скорость звука.
   https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK20366/