เสียงเรียกว่า การสั่นสะเทือนทางกลอนุภาคของตัวกลางยืดหยุ่น (อากาศ น้ำ โลหะ ฯลฯ) ซึ่งรับรู้โดยอวัยวะของการได้ยิน ความรู้สึกของเสียงเกิดจากการสั่นของตัวกลางที่เกิดขึ้นในช่วงความถี่ตั้งแต่ 16 ถึง 20,000 เฮิรตซ์ เสียงที่มีความถี่ต่ำกว่าช่วงนี้เรียกว่าอินฟราซาวนด์ และความถี่ที่สูงกว่านี้เรียกว่าอัลตราซาวนด์

แรงดันเสียง- แรงดันแปรผันในตัวกลางเนื่องจากการแพร่กระจายของคลื่นเสียงในตัวกลาง ขนาดของความดันเสียงประมาณโดยแรงของคลื่นเสียงต่อหน่วยพื้นที่ และแสดงเป็นนิวตันต่อตารางเมตร (1 n/ตารางเมตร = 10 บาร์)

ระดับความดันเสียง- อัตราส่วนของค่าความดันเสียงต่อระดับศูนย์ ซึ่งคิดเป็นความดันเสียง n/ตารางเมตร

ความเร็วเสียงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของตัวกลางที่การสั่นสะเทือนทางกลแพร่กระจาย ดังนั้น ความเร็วของเสียงในอากาศคือ 344 เมตร/วินาที ที่ T=20°С ในน้ำ 1,481 เมตร/วินาที (ที่ T=21.5°С) ในไม้ 3,320 เมตร/วินาที และในเหล็ก 5,000 เมตร/วินาที วินาที

พลังเสียง (หรือความเข้ม)- ปริมาณพลังงานเสียงที่ส่งผ่านต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นที่หน่วย วัดเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร (W/m2)

ควรสังเกตว่าความดันเสียงและความเข้มของเสียงมีความสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์กำลังสองนั่นคือ เมื่อความดันเสียงเพิ่มขึ้น 2 เท่า ความเข้มของเสียงจะเพิ่มขึ้น 4 เท่า

ระดับเสียง- อัตราส่วนของความแรงของเสียงที่กำหนดต่อระดับศูนย์ (มาตรฐาน) ซึ่งความแรงของเสียงถือเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร โดยแสดงเป็นเดซิเบล:

ระดับความดันเสียงและความเข้มของเสียงซึ่งแสดงเป็นเดซิเบลจะมีขนาดเท่ากัน

เกณฑ์การได้ยิน- เสียงที่เงียบที่สุดที่บุคคลยังคงได้ยินได้ที่ความถี่ 1,000 เฮิรตซ์ ซึ่งสอดคล้องกับความดันเสียง n/m2

ระดับเสียง- ความเข้มของความรู้สึกเสียงที่เกิดจากเสียงที่กำหนดในบุคคลที่มีการได้ยินปกติ ระดับเสียงขึ้นอยู่กับความแรงของเสียงและความถี่ของมัน ซึ่งแปรผันตามสัดส่วนกับลอการิทึมของความเข้มของเสียง และแสดงเป็นจำนวนเดซิเบลโดย ซึ่งเสียงที่ให้มามีความเข้มเกินกว่าเสียงที่นำมาเป็นเกณฑ์ในการได้ยิน หน่วยความดังเป็นพื้นหลัง

เกณฑ์ ความเจ็บปวด - ความดันเสียงหรือความเข้มของเสียงถือเป็นความรู้สึกเจ็บปวด เกณฑ์ความเจ็บปวดขึ้นอยู่กับความถี่เพียงเล็กน้อยและเกิดขึ้นที่ความดันเสียงประมาณ 50 n/m2

ช่วงไดนามิก- ช่วงของระดับเสียง หรือความแตกต่างของระดับความดันเสียงของเสียงที่ดังที่สุดและเงียบที่สุด แสดงเป็นเดซิเบล

การเลี้ยวเบน- การเบี่ยงเบนจากการแพร่กระจายของคลื่นเสียงเป็นเส้นตรง

การหักเหของแสง- การเปลี่ยนแปลงทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นเสียงที่เกิดจากความแตกต่างของความเร็วที่ พื้นที่ที่แตกต่างกันวิธี

การรบกวน- การเพิ่มของคลื่นที่มีความยาวเท่ากันมาถึงจุดที่กำหนดในอวกาศตามหลาย ๆ ในทางที่แตกต่างซึ่งเป็นผลมาจากความกว้างของคลื่นที่เกิดขึ้น จุดที่แตกต่างกันกลับกลายเป็นว่าแตกต่างกัน และค่าสูงสุดและค่าต่ำสุดของแอมพลิจูดนี้สลับกัน

เต้น- การรบกวนของการสั่นสะเทือนของเสียงสองครั้งที่มีความถี่แตกต่างกันเล็กน้อย แอมพลิจูดของการสั่นที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงเป็นระยะๆ ตามเวลาโดยมีความถี่เท่ากับความแตกต่างระหว่างการสั่นที่รบกวน

เสียงก้อง- “อาฟเตอร์ซาวด์” ตกค้างในพื้นที่ปิด มันเกิดขึ้นเนื่องจากการสะท้อนซ้ำจากพื้นผิวและการดูดซับคลื่นเสียงพร้อมกัน เสียงก้องมีลักษณะเป็นช่วงระยะเวลาหนึ่ง (เป็นวินาที) ซึ่งในระหว่างนั้นความเข้มของเสียงจะลดลง 60 เดซิเบล

โทน- การสั่นสะเทือนของเสียงไซน์ ระดับเสียงจะถูกกำหนดโดยความถี่ของการสั่นของเสียงและเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น

เบสโทน- โทนเสียงต่ำสุดที่สร้างโดยแหล่งกำเนิดเสียง

โอเวอร์โทน- โทนเสียงทั้งหมด ยกเว้นโทนเสียงหลักที่สร้างโดยแหล่งกำเนิดเสียง หากความถี่ของโอเวอร์โทนเป็นจำนวนเต็มมากกว่าความถี่ของโทนพื้นฐาน จะเรียกว่าฮาร์มอนิกโอเวอร์โทน (ฮาร์โมนิค)

ทิมเบร- “สี” ของเสียง ซึ่งกำหนดโดยจำนวน ความถี่ และความเข้มของเสียงหวือหวา

โทนสีผสม- โทนเสียงเพิ่มเติมที่เกิดขึ้นเนื่องจากความไม่เชิงเส้นของลักษณะแอมพลิจูดของแอมพลิฟายเออร์และแหล่งกำเนิดเสียง เสียงผสมจะปรากฏขึ้นเมื่อระบบสัมผัสกับการสั่นสะเทือนสองครั้งขึ้นไปที่มีความถี่ต่างกัน ความถี่ของโทนเสียงผสมจะเท่ากับผลรวมและความแตกต่างของความถี่ของโทนเสียงพื้นฐานและฮาร์โมนิกของเสียงเหล่านั้น

ช่วงเวลา- อัตราส่วนของความถี่ของเสียงทั้งสองที่ถูกเปรียบเทียบ ช่วงเวลาแยกแยะที่เล็กที่สุดระหว่างเสียงดนตรีสองเสียงที่อยู่ติดกันในความถี่ (เสียงดนตรีแต่ละเสียงมีความถี่ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด) เรียกว่าเซมิโทน และช่วงความถี่ที่มีอัตราส่วน 2:1 เรียกว่าอ็อกเทฟ (อ็อกเทฟดนตรีประกอบด้วย 12 ครึ่งเสียง) ช่วงเวลาที่มีอัตราส่วน 10:1 เรียกว่าทศวรรษ

18 กุมภาพันธ์ 2559

โลกแห่งความบันเทิงภายในบ้านมีความหลากหลายมาก เช่น การชมภาพยนตร์ในระบบโฮมเธียเตอร์ที่ดี การเล่นเกมที่น่าตื่นเต้นและน่าตื่นเต้นหรือฟังเพลง ตามกฎแล้วทุกคนจะพบบางสิ่งของตนเองในพื้นที่นี้หรือรวมทุกอย่างเข้าด้วยกันในคราวเดียว แต่ไม่ว่าเป้าหมายของบุคคลในการจัดเวลาว่างและไม่ว่าพวกเขาจะไปสุดขั้วใดก็ตามลิงก์เหล่านี้เชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนาด้วยคำเดียวที่เรียบง่ายและเข้าใจได้ - "เสียง" แท้จริงแล้ว ในกรณีทั้งหมดข้างต้น เราจะถูกชักจูงด้วยมือด้วยเสียง แต่คำถามนี้ไม่ใช่เรื่องง่ายและไม่สำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ต้องการให้ได้เสียงคุณภาพสูงในห้องหรือในสภาวะอื่น ๆ ในการทำเช่นนี้ไม่จำเป็นต้องซื้อส่วนประกอบ hi-fi หรือ hi-end ราคาแพงเสมอไป (แม้ว่าจะมีประโยชน์มากก็ตาม) แต่ความรู้ที่ดีเกี่ยวกับทฤษฎีทางกายภาพก็เพียงพอแล้วซึ่งสามารถขจัดปัญหาส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นกับใครก็ได้ ผู้มุ่งมั่นเพื่อให้ได้เสียงพากย์คุณภาพสูง

ต่อไปจะพิจารณาทฤษฎีเสียงและเสียงจากมุมมองของฟิสิกส์ ใน ในกรณีนี้ฉันจะพยายามทำให้สิ่งนี้เข้าถึงได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับความเข้าใจของบุคคลใดก็ตามที่อาจห่างไกลจากการรู้กฎหรือสูตรทางกายภาพ แต่ถึงกระนั้นก็ยังมีความฝันอย่างกระตือรือร้นที่จะบรรลุความฝันในการสร้างระบบเสียงที่สมบูรณ์แบบ ฉันไม่คิดว่าเพื่อที่จะบรรลุผลลัพธ์ที่ดีในพื้นที่นี้ที่บ้าน (หรือในรถยนต์เป็นต้น) คุณจำเป็นต้องรู้ทฤษฎีเหล่านี้อย่างถี่ถ้วน แต่การทำความเข้าใจพื้นฐานจะช่วยให้คุณสามารถหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดที่โง่เขลาและไร้สาระมากมาย และยังช่วยให้คุณบรรลุผลสำเร็จอีกด้วย ผลสูงสุดเสียงจากระบบทุกระดับ

ทฤษฎีทั่วไปของคำศัพท์ทางเสียงและดนตรี

มันคืออะไร เสียง? นี่คือความรู้สึกที่อวัยวะรับเสียงรับรู้ "หู"(ปรากฏการณ์นี้ดำรงอยู่โดยปราศจากการมีส่วนร่วมของ "หู" ในกระบวนการ แต่จะเข้าใจได้ง่ายกว่า) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแก้วหูตื่นเต้นด้วยคลื่นเสียง หูในกรณีนี้ทำหน้าที่เป็น "ตัวรับ" คลื่นเสียงความถี่ต่างๆ
คลื่นเสียงโดยพื้นฐานแล้วคือชุดของการบดอัดและการทำให้บริสุทธิ์ของตัวกลางตามลำดับ (ส่วนใหญ่มักจะเป็นตัวกลางในอากาศ สภาวะปกติ) ความถี่ที่แตกต่างกัน ธรรมชาติของคลื่นเสียงมีการสั่น เกิดขึ้นและเกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุใดๆ การเกิดขึ้นและการแพร่กระจายของคลื่นเสียงคลาสสิกเกิดขึ้นได้ในสื่อยืดหยุ่น 3 ชนิด ได้แก่ ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง เมื่อคลื่นเสียงเกิดขึ้นในพื้นที่ประเภทใดประเภทหนึ่งเหล่านี้ การเปลี่ยนแปลงบางอย่างจะเกิดขึ้นในตัวกลางอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เช่น การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นหรือความดันอากาศ การเคลื่อนที่ของอนุภาคมวลอากาศ เป็นต้น

เพราะว่า คลื่นเสียงมีลักษณะการสั่นแล้วก็มีลักษณะเช่นความถี่ ความถี่วัดเป็นเฮิรตซ์ (เพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ไฮน์ริช รูดอล์ฟ เฮิรตซ์) และแสดงถึงจำนวนการสั่นในช่วงเวลาหนึ่งเท่ากับหนึ่งวินาที เหล่านั้น. ตัวอย่างเช่น ความถี่ 20 Hz หมายถึงรอบการสั่น 20 ครั้งในหนึ่งวินาที แนวคิดส่วนตัวเกี่ยวกับความสูงยังขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียงด้วย ยิ่งเสียงสั่นสะเทือนต่อวินาทีมากเท่าใด เสียงก็จะยิ่ง “สูงขึ้น” เท่านั้น คลื่นเสียงยังมีคุณลักษณะที่สำคัญอีกประการหนึ่งซึ่งมีชื่อเรียกว่าความยาวคลื่น ความยาวคลื่นเป็นเรื่องปกติที่จะต้องพิจารณาระยะทางที่เสียงความถี่หนึ่งเดินทางในช่วงเวลาหนึ่งเท่ากับหนึ่งวินาที ตัวอย่างเช่น ความยาวคลื่นของเสียงต่ำสุดในช่วงการได้ยินของมนุษย์ที่ 20 Hz คือ 16.5 เมตร และความยาวคลื่นของเสียงสูงสุดที่ 20,000 Hz คือ 1.7 เซนติเมตร

หูของมนุษย์ได้รับการออกแบบให้สามารถรับรู้คลื่นได้เฉพาะในช่วงที่จำกัด ประมาณ 20 เฮิรตซ์ - 20,000 เฮิรตซ์ (ขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะ) บุคคลที่เฉพาะเจาะจงบ้างก็ได้ยินมากบ้างน้อยบ้าง) ดังนั้น นี่ไม่ได้หมายความว่าไม่มีเสียงที่ต่ำกว่าหรือสูงกว่าความถี่เหล่านี้ เพียงแต่หูของมนุษย์ไม่รับรู้เท่านั้น และอยู่นอกเหนือขอบเขตการได้ยิน เสียงที่อยู่เหนือขอบเขตเสียงเรียกว่า อัลตราซาวนด์เรียกว่าเสียงที่ต่ำกว่าช่วงที่ได้ยิน อินฟาเรด. สัตว์บางชนิดสามารถรับรู้เสียงอัลตราโซนิกและอินฟาเรดได้ บางตัวถึงกับใช้ช่วงนี้เพื่อกำหนดทิศทางในอวกาศ (ค้างคาว โลมา) หากเสียงผ่านตัวกลางที่ไม่ได้สัมผัสโดยตรงกับอวัยวะการได้ยินของมนุษย์ เสียงดังกล่าวอาจไม่ได้ยินหรืออาจเบาลงอย่างมากในภายหลัง

ในคำศัพท์ทางดนตรีเกี่ยวกับเสียง มีการกำหนดที่สำคัญ เช่น อ็อกเทฟ โทนเสียง และโอเวอร์โทนของเสียง อ็อกเทฟหมายถึงช่วงเวลาที่อัตราส่วนความถี่ระหว่างเสียงคือ 1 ต่อ 2 อ็อกเทฟมักจะแยกแยะได้ด้วยหู ในขณะที่เสียงในช่วงนี้อาจคล้ายกันมาก อ็อกเทฟยังสามารถเรียกว่าเสียงที่สั่นสะเทือนมากเป็นสองเท่าของเสียงอื่นในช่วงเวลาเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ความถี่ 800 เฮิรตซ์นั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าอ็อกเทฟที่สูงกว่าที่ 400 เฮิรตซ์ และความถี่ที่ 400 เฮิรตซ์ก็จะเป็นอ็อกเทฟถัดไปของเสียงที่มีความถี่ 200 เฮิรตซ์ อ็อกเทฟจะประกอบด้วยโทนเสียงและโอเวอร์โทน หูของมนุษย์จะรับรู้การสั่นสะเทือนที่แปรผันได้ในคลื่นเสียงฮาร์มอนิกที่มีความถี่เท่ากัน โทนเสียงดนตรี. การสั่นสะเทือนความถี่สูงสามารถตีความได้ว่าเป็นเสียงที่มีระดับเสียงสูง ในขณะที่การสั่นสะเทือนความถี่ต่ำสามารถตีความได้ว่าเป็นเสียงที่มีระดับเสียงต่ำ หูของมนุษย์สามารถแยกแยะเสียงได้อย่างชัดเจนด้วยความแตกต่างของโทนเสียงเดียว (ในช่วงสูงถึง 4,000 เฮิรตซ์) อย่างไรก็ตาม ดนตรีใช้โทนเสียงจำนวนน้อยมาก สิ่งนี้อธิบายได้จากการพิจารณาหลักการความสอดคล้องฮาร์มอนิกทุกอย่างเป็นไปตามหลักการของอ็อกเทฟ

ลองพิจารณาทฤษฎีโทนเสียงดนตรีโดยใช้ตัวอย่างการยืดสายในลักษณะใดลักษณะหนึ่ง สตริงดังกล่าวจะถูก "ปรับ" ให้เป็นความถี่เฉพาะหนึ่ง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแรงดึง เมื่อสายนี้สัมผัสกับบางสิ่งด้วยแรงเฉพาะอันหนึ่งซึ่งทำให้มันสั่นสะเทือน เราจะสังเกตโทนเสียงเฉพาะหนึ่งอย่างสม่ำเสมอ และเราจะได้ยินความถี่การปรับจูนที่ต้องการ เสียงนี้เรียกว่าเสียงพื้นฐาน ความถี่ของโน้ต "A" ของอ็อกเทฟแรกได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการว่าเป็นโทนเสียงพื้นฐานในสนามดนตรีซึ่งเท่ากับ 440 เฮิรตซ์ อย่างไรก็ตาม เครื่องดนตรีส่วนใหญ่ไม่เคยสร้างโทนเสียงพื้นฐานที่บริสุทธิ์เพียงอย่างเดียว และมักมาพร้อมกับเสียงหวือหวาที่เรียกว่า หวือหวา. ในที่นี้ เป็นการเหมาะสมที่จะระลึกถึงคำจำกัดความที่สำคัญของอะคูสติกทางดนตรี ซึ่งเป็นแนวคิดของเสียงต่ำ ทิมเบร- นี่คือคุณลักษณะของเสียงดนตรีที่ทำให้เครื่องดนตรีและเสียงมีความเฉพาะเจาะจงของเสียงที่เป็นเอกลักษณ์และเป็นที่จดจำได้ แม้ว่าจะเปรียบเทียบเสียงที่มีระดับเสียงและระดับเสียงเท่ากันก็ตาม เสียงต่ำของเครื่องดนตรีแต่ละชิ้นขึ้นอยู่กับการกระจายพลังงานเสียงระหว่างเสียงหวือหวาในขณะที่เสียงปรากฏขึ้น

เสียงโอเวอร์โทนจะสร้างสีเฉพาะของโทนสีพื้นฐาน ซึ่งเราสามารถระบุและจดจำเครื่องดนตรีชนิดใดชนิดหนึ่งได้อย่างง่ายดาย รวมทั้งแยกแยะเสียงของมันจากเครื่องดนตรีอื่นได้อย่างชัดเจน โอเวอร์โทนมีสองประเภท: ฮาร์มอนิกและไม่ใช่ฮาร์มอนิก เสียงหวือหวาฮาร์มอนิกตามคำนิยามจะเป็นทวีคูณของความถี่พื้นฐาน ในทางตรงกันข้าม หากเสียงหวือหวาไม่ทวีคูณและเบี่ยงเบนไปจากค่าอย่างเห็นได้ชัด ก็จะถูกเรียก ไม่ใช่ฮาร์มอนิก. ในดนตรี การใช้งานกับโอเวอร์โทนหลายรายการในทางปฏิบัติไม่รวมอยู่ในนั้น ดังนั้น คำนี้จึงถูกจำกัดให้เหลือเพียงแนวคิด "โอเวอร์โทน" ซึ่งหมายถึงฮาร์โมนิก สำหรับเครื่องดนตรีบางชนิด เช่น เปียโน โทนเสียงพื้นฐานไม่มีเวลาสร้างด้วยซ้ำ ในช่วงเวลาสั้นๆ พลังงานเสียงของโอเวอร์โทนจะเพิ่มขึ้น แล้วก็ลดลงอย่างรวดเร็วเช่นเดียวกัน เครื่องดนตรีหลายชนิดสร้างสิ่งที่เรียกว่าเอฟเฟ็กต์ "โทนการเปลี่ยนผ่าน" โดยที่พลังงานของเสียงหวือหวาบางอย่างจะสูงที่สุด ณ จุดใดเวลาหนึ่ง ซึ่งปกติจะอยู่ที่จุดเริ่มต้น แต่จะเปลี่ยนทันทีและเคลื่อนไปยังเสียงหวือหวาอื่นๆ ช่วงความถี่ของเครื่องดนตรีแต่ละชิ้นสามารถพิจารณาแยกกันได้ และโดยปกติจะจำกัดอยู่ที่ความถี่พื้นฐานที่เครื่องดนตรีนั้นๆ สามารถผลิตได้

ในทฤษฎีเสียงก็มีแนวคิดเช่น NOISE เช่นกัน เสียงรบกวน- นี่คือเสียงใดๆ ที่สร้างขึ้นจากแหล่งต่างๆ ที่ไม่สอดคล้องกัน ใครๆ ก็คุ้นเคยกับเสียงใบไม้ที่ไหวตามแรงลม ฯลฯ

อะไรเป็นตัวกำหนดระดับเสียง?แน่นอนว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนโดยคลื่นเสียงโดยตรง ในการกำหนดตัวบ่งชี้เชิงปริมาณของความดัง มีแนวคิดคือ - ความเข้มของเสียง ความเข้มของเสียงหมายถึง การไหลของพลังงานที่ไหลผ่านพื้นที่บางพื้นที่ (เช่น cm2) ต่อหน่วยเวลา (เช่น ต่อวินาที) ในระหว่างการสนทนาปกติ ความเข้มจะอยู่ที่ประมาณ 9 หรือ 10 W/cm2 หูของมนุษย์สามารถรับรู้เสียงในช่วงความไวที่ค่อนข้างกว้าง ในขณะที่ความไวของความถี่จะต่างกันภายในสเปกตรัมเสียง ด้วยวิธีนี้ ช่วงความถี่ 1,000 Hz - 4,000 Hz ซึ่งครอบคลุมคำพูดของมนุษย์อย่างกว้างขวางที่สุดจึงรับรู้ได้ดีที่สุด

เนื่องจากความเข้มของเสียงแตกต่างกันอย่างมาก จึงสะดวกกว่าที่จะคิดว่ามันเป็นปริมาณลอการิทึมและวัดเป็นเดซิเบล (ตามชื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวสก็อต อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์) เกณฑ์ขั้นต่ำของความไวในการได้ยินของหูมนุษย์คือ 0 dB ส่วนบนคือ 120 dB หรือที่เรียกว่า " เกณฑ์ความเจ็บปวด"ขีดจำกัดสูงสุดของความไวนั้นหูของมนุษย์ไม่รับรู้เท่ากัน แต่ขึ้นอยู่กับความถี่เฉพาะ เสียงความถี่ต่ำต้องมีความเข้มมากกว่าเสียงสูงมากเพื่อที่จะทำให้เกิดความเจ็บปวด ตัวอย่างเช่น เกณฑ์ความเจ็บปวดที่ ความถี่ต่ำ 31.5 Hz เกิดขึ้นที่ระดับความแรงของเสียงคือ 135 dB เมื่อที่ความถี่ 2,000 Hz ความรู้สึกเจ็บปวดจะปรากฏขึ้นที่ 112 dB แล้ว นอกจากนี้ยังมีแนวคิดเรื่องความดันเสียงซึ่งจริง ๆ แล้วขยายคำอธิบายปกติของ การแพร่กระจายของคลื่นเสียงในอากาศ แรงดันเสียง- นี่คือแรงดันส่วนเกินแบบแปรผันที่เกิดขึ้นในตัวกลางยืดหยุ่นอันเป็นผลมาจากการส่งผ่านของคลื่นเสียงผ่านมัน

ลักษณะของคลื่นเสียง

เพื่อให้เข้าใจระบบการสร้างคลื่นเสียงได้ดีขึ้น ลองจินตนาการถึงลำโพงคลาสสิกที่อยู่ในท่อที่เต็มไปด้วยอากาศ หากลำโพงเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างรวดเร็ว อากาศในบริเวณใกล้กับดิฟฟิวเซอร์จะถูกบีบอัดชั่วขณะ จากนั้นอากาศจะขยายตัวและดันบริเวณอากาศอัดไปตามท่อ
การเคลื่อนไหวของคลื่นนี้จะกลายเป็นเสียงในเวลาต่อมาเมื่อไปถึงอวัยวะรับเสียงและ “ตื่นเต้น” แก้วหู. เมื่อคลื่นเสียงเกิดขึ้นในก๊าซ ความดันส่วนเกินและความหนาแน่นส่วนเกินจะถูกสร้างขึ้น และอนุภาคจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ เกี่ยวกับคลื่นเสียง สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าสสารไม่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่นเสียง แต่จะมีการรบกวนมวลอากาศเพียงชั่วคราวเท่านั้น

หากเราจินตนาการถึงลูกสูบที่แขวนอยู่ในที่ว่างบนสปริงและทำการเคลื่อนไหวซ้ำ ๆ "ไปมา" การแกว่งดังกล่าวจะเรียกว่าฮาร์มอนิกหรือไซน์ซอยด์ (ถ้าเราจินตนาการถึงคลื่นเป็นกราฟ ในกรณีนี้ เราจะได้ค่าที่บริสุทธิ์ ไซนัสอยด์ที่มีการลดลงและเพิ่มขึ้นซ้ำแล้วซ้ำอีก) หากเราจินตนาการว่าลำโพงอยู่ในท่อ (ดังตัวอย่างที่อธิบายไว้ข้างต้น) ทำการสั่นแบบฮาร์มอนิก จากนั้นในขณะที่ลำโพงเคลื่อนที่ "ไปข้างหน้า" ก็จะได้ผลลัพธ์ที่ทราบกันดีของการบีบอัดอากาศ และเมื่อลำโพงเคลื่อนที่ "ถอยหลัง" ผลตรงกันข้ามของการหายากเกิดขึ้น ในกรณีนี้ คลื่นของการสลับการบีบอัดและการทำให้บริสุทธิ์จะแพร่กระจายผ่านท่อ จะมีการเรียกระยะทางตามท่อระหว่างจุดสูงสุดหรือต่ำสุด (เฟส) ที่อยู่ติดกัน ความยาวคลื่น. หากอนุภาคแกว่งขนานกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น คลื่นนั้นจะถูกเรียก ตามยาว. หากพวกมันแกว่งตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่นก็จะถูกเรียก ขวาง. โดยทั่วไปแล้ว คลื่นเสียงในก๊าซและของเหลวจะเป็นคลื่นตามยาว แต่ในของแข็ง คลื่นทั้งสองประเภทสามารถเกิดขึ้นได้ คลื่นตามขวางในของแข็งเกิดขึ้นเนื่องจากการต้านทานการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างคลื่นทั้งสองประเภทนี้ก็คือ คลื่นตามขวางมีคุณสมบัติของโพลาไรเซชัน (การแกว่งเกิดขึ้นในระนาบใดระนาบหนึ่ง) ในขณะที่คลื่นตามยาวไม่มีคุณสมบัติดังกล่าว

ความเร็วเสียง

ความเร็วของเสียงโดยตรงขึ้นอยู่กับลักษณะของสื่อที่มันแพร่กระจาย ถูกกำหนด (ขึ้นอยู่กับ) ด้วยคุณสมบัติสองประการของตัวกลาง: ความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของวัสดุ ความเร็วของเสียงในของแข็งขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุและคุณสมบัติของมันโดยตรง ความเร็วในตัวกลางที่เป็นก๊าซขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนรูปของตัวกลางเพียงประเภทเดียวเท่านั้น: การบีบอัด-การทำให้หายาก การเปลี่ยนแปลงความดันในคลื่นเสียงเกิดขึ้นโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับอนุภาครอบๆ และเรียกว่าอะเดียแบติก
ความเร็วของเสียงในก๊าซขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นหลัก โดยจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และลดลงตามอุณหภูมิที่ลดลง นอกจากนี้ความเร็วของเสียงในตัวกลางที่เป็นก๊าซยังขึ้นอยู่กับขนาดและมวลของโมเลกุลของก๊าซด้วย - ยิ่งมวลและขนาดของอนุภาคเล็กลงเท่าใด "การนำไฟฟ้า" ของคลื่นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นและความเร็วก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย

ในสื่อของเหลวและของแข็ง หลักการแพร่กระจายและความเร็วของเสียงจะคล้ายคลึงกับวิธีที่คลื่นแพร่กระจายในอากาศ โดยการบีบอัดและปล่อยประจุ แต่ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ นอกเหนือจากการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแล้ว ความหนาแน่นของตัวกลางและองค์ประกอบ/โครงสร้างของตัวกลางก็ค่อนข้างสำคัญ ยิ่งความหนาแน่นของสสารลดลง ความเร็วของเสียงก็จะยิ่งสูงขึ้นและในทางกลับกัน การพึ่งพาองค์ประกอบของตัวกลางมีความซับซ้อนมากขึ้นและถูกกำหนดในแต่ละกรณีโดยเฉพาะ โดยคำนึงถึงตำแหน่งและอันตรกิริยาของโมเลกุล/อะตอม

ความเร็วเสียงในอากาศที่ t °C 20: 343 m/s
ความเร็วเสียงในน้ำกลั่นที่ t °C 20: 1481 m/s
ความเร็วเสียงในเหล็กที่ t °C 20: 5000 m/s

คลื่นนิ่งและการรบกวน

เมื่อลำโพงสร้างคลื่นเสียงในพื้นที่จำกัด ผลกระทบของคลื่นที่สะท้อนจากขอบเขตจะเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ด้วยเหตุนี้สิ่งนี้จึงมักเกิดขึ้นบ่อยที่สุด ผลการรบกวน- เมื่อคลื่นเสียงตั้งแต่สองคลื่นขึ้นไปซ้อนทับกัน กรณีพิเศษปรากฏการณ์การรบกวนคือการก่อตัวของ: 1) คลื่นตี หรือ 2) คลื่นนิ่ง คลื่นเต้น- เป็นกรณีที่เกิดการเพิ่มคลื่นที่มีความถี่และแอมพลิจูดใกล้เคียงกัน ภาพการเกิดจังหวะ: เมื่อคลื่นสองลูกที่มีความถี่ใกล้เคียงกันซ้อนทับกัน ในบางช่วงเวลา ด้วยการทับซ้อนกัน จุดสูงสุดของแอมพลิจูดอาจตรงกัน "ในระยะ" และการลดลงก็อาจเกิดขึ้นพร้อมกันใน "แอนติเฟส" นี่คือลักษณะของจังหวะเสียง สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่า ไม่เหมือนกับคลื่นนิ่งตรงที่ความบังเอิญของจุดสูงสุดไม่ได้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่เกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง เมื่อมองทางหู รูปแบบจังหวะนี้จะแยกแยะได้ค่อนข้างชัดเจน และจะได้ยินเป็นระดับเสียงที่เพิ่มขึ้นและลดลงเป็นระยะๆ ตามลำดับ กลไกที่ทำให้เกิดผลกระทบนี้ง่ายมาก: เมื่อยอดเขาตรงกัน ปริมาตรจะเพิ่มขึ้น และเมื่อหุบเขาตรงกัน ปริมาตรจะลดลง

คลื่นนิ่งเกิดขึ้นในกรณีของการซ้อนทับกันของคลื่นสองลูกที่มีแอมพลิจูด เฟส และความถี่เท่ากัน เมื่อคลื่นดังกล่าว “มาบรรจบกัน” คลื่นหนึ่งเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง และอีกคลื่นหนึ่งเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ทิศทางย้อนกลับ. ในพื้นที่ของอวกาศ (ที่ซึ่งคลื่นนิ่งเกิดขึ้น) รูปภาพของการทับซ้อนของแอมพลิจูดความถี่สองอันจะปรากฏขึ้นโดยมีค่าสูงสุดสลับกัน (ที่เรียกว่าแอนติโนด) และมินิมา (ที่เรียกว่าโหนด) เมื่อปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้น ความถี่ เฟส และค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนของคลื่น ณ จุดสะท้อนมีความสำคัญอย่างยิ่ง ต่างจากคลื่นเคลื่อนที่ตรงที่ไม่มีการถ่ายเทพลังงานในคลื่นนิ่ง เนื่องจากคลื่นไปข้างหน้าและข้างหลังที่ก่อตัวเป็นคลื่นนี้จะถ่ายเทพลังงานในปริมาณที่เท่ากันทั้งในทิศทางไปข้างหน้าและทิศทางตรงกันข้าม เพื่อให้เข้าใจอย่างชัดเจนถึงการเกิดคลื่นนิ่ง ลองจินตนาการถึงตัวอย่างจากอะคูสติกภายในบ้าน สมมติว่าเรามีระบบลำโพงแบบตั้งพื้นในพื้นที่จำกัด (ห้อง) ทำให้พวกเขาเล่นเพลงด้วย จำนวนมากเบสลองเปลี่ยนตำแหน่งผู้ฟังในห้องดูครับ ดังนั้นผู้ฟังที่พบว่าตัวเองอยู่ในโซนต่ำสุด (ลบ) ของคลื่นนิ่งจะรู้สึกถึงเอฟเฟกต์ที่มีเสียงเบสน้อยมากและหากผู้ฟังพบว่าตัวเองอยู่ในโซนความถี่สูงสุด (บวก) ก็จะตรงกันข้าม ได้รับผลของการเพิ่มขึ้นอย่างมากในพื้นที่เสียงเบส ในกรณีนี้จะสังเกตผลกระทบในทุกอ็อกเทฟของความถี่พื้นฐาน ตัวอย่างเช่น หากความถี่พื้นฐานคือ 440 Hz ปรากฏการณ์ "การบวก" หรือ "การลบ" จะถูกสังเกตที่ความถี่ 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz เป็นต้น

ปรากฏการณ์เรโซแนนซ์

ของแข็งส่วนใหญ่มีความถี่เรโซแนนซ์ตามธรรมชาติ ผลกระทบนี้ค่อนข้างง่ายที่จะเข้าใจโดยใช้ตัวอย่างท่อธรรมดาที่เปิดเพียงปลายด้านเดียว ลองจินตนาการถึงสถานการณ์ที่ลำโพงเชื่อมต่อกับปลายอีกด้านของไปป์ ซึ่งสามารถเล่นความถี่คงที่ได้ความถี่หนึ่ง ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในภายหลัง ดังนั้นไปป์จึงมีความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเอง กล่าวง่ายๆ คือนี่คือความถี่ที่ไปป์ "สะท้อน" หรือสร้างเสียงของตัวเอง หากความถี่ของลำโพง (จากการปรับ) เกิดขึ้นพร้อมกับความถี่เรโซแนนซ์ของท่อ ก็จะเกิดผลของการเพิ่มระดับเสียงหลายครั้ง สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากลำโพงกระตุ้นการสั่นสะเทือนของคอลัมน์อากาศในท่อด้วยแอมพลิจูดที่มีนัยสำคัญ จนกระทั่งพบ "ความถี่เรโซแนนซ์" ที่เท่ากันและเกิดเอฟเฟกต์เพิ่มเติม ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นสามารถอธิบายได้ดังต่อไปนี้: ไปป์ในตัวอย่างนี้ "ช่วย" ผู้พูดโดยการสะท้อนที่ความถี่เฉพาะ ความพยายามของพวกเขาเพิ่มขึ้นและ "ผลลัพธ์" ในรูปแบบเสียงดังที่ได้ยิน จากตัวอย่างเครื่องดนตรี จะเห็นปรากฏการณ์นี้ได้ง่าย เนื่องจากการออกแบบเครื่องดนตรีส่วนใหญ่มีองค์ประกอบที่เรียกว่า เครื่องสะท้อนเสียง ไม่ใช่เรื่องยากที่จะเดาว่าอะไรมีจุดประสงค์ในการเพิ่มความถี่หรือโทนเสียงดนตรี ตัวอย่างเช่น ตัวกีตาร์ที่มีตัวสะท้อนเสียงในรูปแบบของรูที่เข้าคู่กับระดับเสียง การออกแบบท่อฟลุต (และท่อทั้งหมดโดยทั่วไป) รูปร่างทรงกระบอกของตัวดรัมซึ่งเป็นตัวสะท้อนความถี่ที่แน่นอน

สเปกตรัมความถี่ของเสียงและการตอบสนองความถี่

เนื่องจากในทางปฏิบัติแล้วไม่มีคลื่นที่มีความถี่เท่ากันเลย จึงจำเป็นต้องแยกสเปกตรัมเสียงทั้งหมดของช่วงเสียงที่ได้ยินออกเป็นโอเวอร์โทนหรือฮาร์โมนิกส์ เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ มีกราฟที่แสดงการพึ่งพาพลังงานสัมพัทธ์ของการสั่นสะเทือนของเสียงต่อความถี่ กราฟนี้เรียกว่ากราฟสเปกตรัมความถี่เสียง สเปกตรัมความถี่ของเสียงมีสองประเภท: ไม่ต่อเนื่องและต่อเนื่อง แผนภูมิสเปกตรัมแบบแยกแสดงความถี่แต่ละความถี่โดยคั่นด้วยช่องว่าง ในสเปกตรัมที่ต่อเนื่อง ทุกสิ่งจะปรากฏพร้อมกัน ความถี่เสียง.
ในกรณีของดนตรีหรืออะคูสติก กราฟปกติมักใช้บ่อยที่สุด ลักษณะแอมพลิจูด-ความถี่(เรียกย่อว่า “เอเอฟซี”) กราฟนี้แสดงการขึ้นต่อกันของแอมพลิจูดของการสั่นของเสียงต่อความถี่ตลอดสเปกตรัมความถี่ทั้งหมด (20 Hz - 20 kHz) เมื่อดูกราฟดังกล่าว จะง่ายต่อการเข้าใจ เช่น จุดแข็งหรือจุดอ่อนของลำโพงหรือระบบเสียงโดยรวม พื้นที่ที่ส่งออกพลังงานได้ดีที่สุด ความถี่ที่เพิ่มขึ้นและลดลง การลดทอน และยังติดตามความชันได้อีกด้วย ของการลดลง

การแพร่กระจายของคลื่นเสียง เฟส และแอนติเฟส

กระบวนการแพร่กระจายของคลื่นเสียงเกิดขึ้นในทุกทิศทางจากแหล่งกำเนิด ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดเพื่อทำความเข้าใจปรากฏการณ์นี้: ก้อนกรวดที่ถูกโยนลงไปในน้ำ
จากจุดที่หินตกลงมา คลื่นเริ่มแผ่กระจายไปทั่วผิวน้ำทุกทิศทาง อย่างไรก็ตาม ลองจินตนาการถึงสถานการณ์ที่ใช้ลำโพงในระดับเสียงที่กำหนด เช่น กล่องปิดซึ่งเชื่อมต่อกับเครื่องขยายเสียงและเล่นสัญญาณดนตรีบางประเภท สังเกตได้ง่าย (โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากคุณใช้สัญญาณความถี่ต่ำที่ทรงพลัง เช่น ดรัมเบส) ว่าลำโพงทำการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว “ไปข้างหน้า” จากนั้นจึงเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วแบบเดียวกัน “ถอยหลัง” สิ่งที่ต้องทำความเข้าใจคือเมื่อผู้พูดก้าวไปข้างหน้า มันจะปล่อยคลื่นเสียงที่เราได้ยินในภายหลัง แต่จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อผู้พูดถอยหลัง? และสิ่งที่ขัดแย้งกันคือสิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้น ผู้พูดก็ส่งเสียงเดียวกัน เฉพาะในตัวอย่างของเราเท่านั้นที่แพร่กระจายภายในระดับเสียงของกล่องโดยไม่เกินขีดจำกัด (กล่องปิดอยู่) โดยทั่วไปในตัวอย่างข้างต้นเราสามารถสังเกตปรากฏการณ์ทางกายภาพที่น่าสนใจได้ค่อนข้างมาก สิ่งที่สำคัญที่สุดคือแนวคิดของเฟส

คลื่นเสียงที่ผู้พูดอยู่ในระดับเสียงที่เปล่งออกมาในทิศทางของผู้ฟังจะ “อยู่ในเฟส” คลื่นย้อนกลับซึ่งเข้าไปในปริมาตรของกล่องจะเป็นแอนติเฟสตามลำดับ ยังคงเป็นเพียงการเข้าใจว่าแนวคิดเหล่านี้หมายถึงอะไร? เฟสสัญญาณ– นี่คือระดับความดันเสียง ณ เวลาปัจจุบัน ณ จุดใดจุดหนึ่งในอวกาศ วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจเฟสคือการยกตัวอย่างการสร้างเนื้อหาทางดนตรีโดยระบบลำโพงในบ้านคู่สเตอริโอแบบตั้งพื้นแบบธรรมดา ลองนึกภาพว่ามีการติดตั้งลำโพงตั้งพื้นสองตัวในห้องและเล่น ในกรณีนี้ ระบบเสียงทั้งสองจะสร้างสัญญาณซิงโครนัสที่มีความดันเสียงที่เปลี่ยนแปลงได้ และความดันเสียงของลำโพงตัวหนึ่งจะถูกเพิ่มเข้ากับความดันเสียงของลำโพงอีกตัวหนึ่ง ผลกระทบที่คล้ายกันเกิดขึ้นเนื่องจากการซิงโครไนซ์การสร้างสัญญาณจากลำโพงซ้ายและขวาตามลำดับ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือยอดและรางของคลื่นที่ปล่อยออกมาจากลำโพงซ้ายและขวาเกิดขึ้นพร้อมกัน

ทีนี้ลองจินตนาการว่าแรงกดดันของเสียงยังคงเปลี่ยนแปลงในลักษณะเดียวกัน (ยังไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลง) แต่ตอนนี้พวกมันอยู่ตรงข้ามกัน กรณีนี้อาจเกิดขึ้นได้หากคุณเชื่อมต่อระบบลำโพงหนึ่งตัวจากสองตัวในขั้วย้อนกลับ (สายเคเบิล "+" จากเครื่องขยายเสียงไปยังขั้วต่อ "-" ของระบบลำโพง และสายเคเบิล "-" จากเครื่องขยายเสียงไปยังขั้วต่อ "+" ของลำโพง ระบบลำโพง) ในกรณีนี้ สัญญาณตรงกันข้ามจะทำให้เกิดความแตกต่างของความดันซึ่งสามารถแสดงเป็นตัวเลขได้ดังนี้ ลำโพงด้านซ้ายจะสร้างความดัน “1 Pa” และลำโพงด้านขวาจะสร้างความดัน “ลบ 1 Pa” เป็นผลให้ระดับเสียงรวม ณ ตำแหน่งของผู้ฟังจะเป็นศูนย์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าแอนติเฟส หากเราดูตัวอย่างโดยละเอียดเพื่อทำความเข้าใจ ปรากฎว่าผู้พูดสองคนที่เล่น "ในเฟส" สร้างพื้นที่การบดอัดอากาศและการแปรสภาพที่เหมือนกัน ดังนั้นจึงช่วยเหลือซึ่งกันและกันอย่างแท้จริง ในกรณีของแอนติเฟสในอุดมคติ พื้นที่ของช่องอากาศอัดที่สร้างขึ้นโดยลำโพงตัวหนึ่งจะมาพร้อมกับพื้นที่ของช่องอากาศที่หายากซึ่งสร้างโดยลำโพงตัวที่สอง ดูเหมือนปรากฏการณ์การยกเลิกคลื่นแบบซิงโครนัสร่วมกันโดยประมาณ จริงอยู่ ในทางปฏิบัติระดับเสียงไม่ได้ลดลงเหลือศูนย์ และเราจะได้ยินเสียงที่ผิดเพี้ยนและเบาลงอย่างมาก

วิธีที่เข้าถึงได้มากที่สุดในการอธิบายปรากฏการณ์นี้มีดังนี้: สัญญาณสองสัญญาณที่มีการแกว่ง (ความถี่) เท่ากัน แต่เปลี่ยนตามเวลา ด้วยเหตุนี้ จะสะดวกกว่าหากจินตนาการถึงปรากฏการณ์การกระจัดเหล่านี้โดยใช้ตัวอย่างของนาฬิกากลมธรรมดา ลองจินตนาการว่ามีนาฬิกาทรงกลมเหมือนกันหลายเรือนแขวนอยู่บนผนัง เมื่อเข็มวินาทีของนาฬิกาเรือนนี้เดินซิงโครนัสบนนาฬิกาเรือนหนึ่ง 30 วินาทีและอีก 30 วินาที นี่เป็นตัวอย่างสัญญาณที่อยู่ในเฟส หากเข็มวินาทีเคลื่อนที่โดยมีการเปลี่ยนเกียร์ แต่ความเร็วยังคงเท่าเดิม เช่น ในนาฬิกาเรือนหนึ่งคือ 30 วินาที และอีกเรือนหนึ่งคือ 24 วินาที นี่เป็นตัวอย่างคลาสสิกของการเปลี่ยนเฟส ในทำนองเดียวกัน เฟสจะถูกวัดเป็นองศา ภายในวงกลมเสมือน ในกรณีนี้เมื่อสัญญาณถูกเลื่อนสัมพันธ์กัน 180 องศา (ครึ่งคาบ) จะได้รับแอนติเฟสแบบคลาสสิก บ่อยครั้งในทางปฏิบัติ การเปลี่ยนเฟสเล็กน้อยเกิดขึ้น ซึ่งสามารถกำหนดเป็นองศาและกำจัดได้สำเร็จ

คลื่นมีลักษณะระนาบและเป็นทรงกลม หน้าคลื่นระนาบแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวเท่านั้น และแทบไม่พบในทางปฏิบัติ หน้าคลื่นทรงกลมเป็นคลื่นประเภทเรียบง่ายที่มีต้นกำเนิดจากจุดเดียวและเคลื่อนที่ไปทุกทิศทาง คลื่นเสียงมีคุณสมบัติ การเลี้ยวเบน, เช่น. ความสามารถในการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางและวัตถุ ระดับความโค้งงอขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความยาวคลื่นเสียงต่อขนาดของสิ่งกีดขวางหรือรู การเลี้ยวเบนยังเกิดขึ้นเมื่อมีสิ่งกีดขวางในเส้นทางของเสียง ในกรณีนี้ เป็นไปได้สองสถานการณ์: 1) หากขนาดของสิ่งกีดขวางมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นมาก เสียงก็จะถูกสะท้อนหรือดูดซับ (ขึ้นอยู่กับระดับการดูดซับของวัสดุ ความหนาของสิ่งกีดขวาง ฯลฯ ) และเกิดโซน “เงาอะคูสติก” ขึ้นด้านหลังสิ่งกีดขวาง . 2) หากขนาดของสิ่งกีดขวางเทียบได้กับความยาวคลื่นหรือน้อยกว่านั้น เสียงจะเกิดการหักเหไปบ้างในทุกทิศทาง หากคลื่นเสียงเคลื่อนที่ในสื่อหนึ่งไปกระทบกับสื่ออื่น (เช่น สภาพแวดล้อมทางอากาศด้วยตัวกลางที่เป็นของแข็ง) จากนั้นสามารถเกิดขึ้นได้สามสถานการณ์: 1) คลื่นจะสะท้อนจากส่วนต่อประสาน 2) คลื่นสามารถผ่านไปยังตัวกลางอื่นโดยไม่เปลี่ยนทิศทาง 3) คลื่นสามารถผ่านไปยังตัวกลางอื่นโดยมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางที่ ขอบเขตนี้เรียกว่า “การหักเหของคลื่น””

อัตราส่วนของความดันส่วนเกินของคลื่นเสียงต่อความเร็วปริมาตรการสั่นเรียกว่าความต้านทานของคลื่น การพูด ด้วยคำพูดง่ายๆ, ความต้านทานคลื่นของตัวกลางเรียกได้ว่าสามารถดูดซับคลื่นเสียงหรือ “ต้านทาน” พวกมันได้ ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนและการส่งผ่านขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของอิมพีแดนซ์คลื่นของสื่อทั้งสองโดยตรง ความต้านทานคลื่นในตัวกลางที่เป็นก๊าซจะต่ำกว่าในน้ำหรือของแข็งมาก ดังนั้นหากคลื่นเสียงในอากาศกระทบกับวัตถุแข็งหรือพื้นผิวน้ำลึก เสียงนั้นจะถูกสะท้อนจากพื้นผิวหรือถูกดูดซับไปในระดับสูง ขึ้นอยู่กับความหนาของพื้นผิว (น้ำหรือของแข็ง) ที่คลื่นเสียงที่ต้องการตกลงไป เมื่อความหนาของตัวกลางที่เป็นของแข็งหรือของเหลวต่ำ คลื่นเสียงจะ "ผ่าน" เกือบทั้งหมด และในทางกลับกัน เมื่อความหนาของตัวกลางมีขนาดใหญ่ คลื่นก็จะถูกสะท้อนบ่อยขึ้น ในกรณีของการสะท้อนของคลื่นเสียง กระบวนการนี้เกิดขึ้นตามกฎฟิสิกส์ที่รู้จักกันดี: “มุมตกกระทบเท่ากับมุมสะท้อน” ในกรณีนี้ เมื่อคลื่นจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่ำกว่ากระทบกับขอบเขตที่มีตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงกว่า ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้น การหักเหของแสง. ประกอบด้วยการโค้งงอ (การหักเห) ของคลื่นเสียงหลังจาก "พบ" สิ่งกีดขวางและจำเป็นต้องมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความเร็ว การหักเหของแสงยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวกลางที่เกิดการสะท้อนกลับด้วย

ในกระบวนการแพร่กระจายของคลื่นเสียงในอวกาศ ความเข้มของคลื่นจะลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เราสามารถพูดได้ว่าคลื่นลดทอนลงและเสียงก็อ่อนลง ในทางปฏิบัติ การเผชิญกับผลกระทบที่คล้ายกันนั้นค่อนข้างง่าย ตัวอย่างเช่น หากคนสองคนยืนอยู่ในทุ่งในระยะใกล้ (หนึ่งเมตรหรือใกล้กว่านั้น) และเริ่มพูดอะไรต่อกัน หากคุณเพิ่มระยะห่างระหว่างบุคคลในเวลาต่อมา (หากพวกเขาเริ่มแยกตัวออกจากกัน) ระดับเสียงสนทนาในระดับเดียวกันก็จะได้ยินน้อยลงเรื่อยๆ ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงปรากฏการณ์ของการลดความเข้มของคลื่นเสียง ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? เหตุผลก็คือกระบวนการต่างๆ ของการแลกเปลี่ยนความร้อน ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล และการเสียดสีภายในของคลื่นเสียง ในทางปฏิบัติบ่อยครั้งพลังงานเสียงจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน กระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในสื่อเผยแพร่เสียง 3 ชนิดใด ๆ และสามารถระบุได้ว่าเป็น การดูดซับคลื่นเสียง.

ความเข้มและระดับการดูดกลืนคลื่นเสียงขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ความดันและอุณหภูมิของตัวกลาง การดูดซับยังขึ้นอยู่กับความถี่เสียงจำเพาะด้วย เมื่อคลื่นเสียงแพร่กระจายผ่านของเหลวหรือก๊าซ จะเกิดแรงเสียดทานระหว่างอนุภาคต่างๆ ซึ่งเรียกว่าความหนืด จากผลของแรงเสียดทานในระดับโมเลกุล กระบวนการแปลงคลื่นจากเสียงเป็นความร้อนจึงเกิดขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ยิ่งค่าการนำความร้อนของตัวกลางสูง ระดับการดูดกลืนคลื่นก็จะยิ่งต่ำลง การดูดซับเสียงในตัวกลางก๊าซยังขึ้นอยู่กับความดัน (ความดันบรรยากาศเปลี่ยนแปลงไปตามระดับความสูงที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับระดับน้ำทะเล) สำหรับการขึ้นอยู่กับระดับการดูดซับของความถี่ของเสียงโดยคำนึงถึงความหนืดและการนำความร้อนที่กล่าวมาข้างต้นยิ่งความถี่ของเสียงสูงเท่าใดการดูดซับเสียงก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เช่น เมื่อใด อุณหภูมิปกติและความดันในอากาศ การดูดกลืนคลื่นที่มีความถี่ 5,000 เฮิรตซ์ เท่ากับ 3 เดซิเบล/กม. และการดูดกลืนคลื่นที่มีความถี่ 50,000 เฮิรตซ์ จะเป็น 300 เดซิเบล/ม.

ในสื่อที่เป็นของแข็ง การพึ่งพาข้างต้นทั้งหมด (การนำความร้อนและความหนืด) จะถูกรักษาไว้ แต่มีการเพิ่มเงื่อนไขอีกหลายข้อในนี้ มีความเกี่ยวข้องกับโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุแข็งซึ่งอาจแตกต่างออกไปโดยมีความไม่สม่ำเสมอในตัวมันเอง การดูดกลืนคลื่นเสียงในกรณีนี้อาจแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลแข็งภายใน และขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุเฉพาะ เมื่อเสียงผ่านวัตถุที่เป็นของแข็ง คลื่นจะผ่านการเปลี่ยนแปลงและการบิดเบือนหลายประการ ซึ่งส่วนใหญ่มักจะนำไปสู่การกระจายและการดูดซับพลังงานเสียง ในระดับโมเลกุล ผลกระทบจากความคลาดเคลื่อนสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อคลื่นเสียงทำให้เกิดการกระจัดของระนาบอะตอม ซึ่งจากนั้นจะกลับสู่ ตำแหน่งเริ่มต้น. หรือการเคลื่อนที่ของความคลาดเคลื่อนนำไปสู่การชนกับความคลาดเคลื่อนที่ตั้งฉากกับพวกมันหรือข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกซึ่งทำให้เกิดการยับยั้งและเป็นผลให้มีการดูดซับคลื่นเสียงบางส่วน อย่างไรก็ตาม คลื่นเสียงยังสามารถสะท้อนกับข้อบกพร่องเหล่านี้ได้ ซึ่งจะนำไปสู่การบิดเบือนของคลื่นดั้งเดิม พลังงานของคลื่นเสียงในขณะที่มีปฏิสัมพันธ์กับองค์ประกอบของโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุจะกระจายไปอันเป็นผลมาจากกระบวนการเสียดสีภายใน

ในบทความนี้ ฉันจะพยายามวิเคราะห์คุณลักษณะของการรับรู้การได้ยินของมนุษย์ รวมถึงรายละเอียดปลีกย่อยและคุณลักษณะบางประการของการแพร่กระจายเสียง

อะคูสติก– สาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาการสั่นสะเทือนและคลื่นยืดหยุ่น วิธีการผลิตและบันทึกการสั่นสะเทือนและคลื่น และปฏิสัมพันธ์กับสสาร

เสียงในความหมายกว้างๆ คือการสั่นสะเทือนแบบยืดหยุ่นและคลื่นที่แพร่กระจายในสสารที่เป็นก๊าซ ของเหลว และของแข็ง ในความหมายแคบ เป็นปรากฏการณ์ที่อวัยวะการได้ยินของมนุษย์และสัตว์รับรู้โดยอัตวิสัย โดยปกติ หูของมนุษย์จะได้ยินเสียงในช่วงความถี่ตั้งแต่ 16 Hz ถึง 20 kHz

เสียงที่มีความถี่ต่ำกว่า 16 Hz เรียกว่า อินฟาเรดสูงกว่า 20 กิโลเฮิรตซ์ – อัลตราซาวนด์และคลื่นยืดหยุ่นความถี่สูงสุดในช่วงตั้งแต่ 10 9 ถึง 10 12 Hz - ไฮเปอร์ซาวด์.

เสียงที่มีอยู่ในธรรมชาติแบ่งออกเป็นหลายประเภท

โซนิคบูม– นี่คือการกระทบต่อเสียงในระยะสั้น (ตบมือ ระเบิด ระเบิด ฟ้าร้อง)

โทนเป็นเสียงที่เป็นกระบวนการเป็นระยะ ลักษณะสำคัญของโทนเสียงคือความถี่ โทนเสียงอาจเป็นแบบเรียบง่าย โดยมีลักษณะเฉพาะด้วยความถี่เดียว (เช่น ที่เกิดจากส้อมเสียง เครื่องกำเนิดเสียง) หรือซับซ้อน (ผลิตโดยอุปกรณ์เสียงพูด เครื่องดนตรี)

โทนสีที่ซับซ้อนสามารถแสดงเป็นผลรวมของโทนสีธรรมดา (แยกย่อยเป็นโทนสีส่วนประกอบ) ความถี่ต่ำสุดของการสลายตัวดังกล่าวสอดคล้องกับ โทนเสียงพื้นฐาน, และที่เหลือ - หวือหวา, หรือ ฮาร์โมนิค. เสียงโอเวอร์โทนมีความถี่ที่เป็นทวีคูณของความถี่พื้นฐาน

สเปกตรัมเสียงของโทนเสียงคือผลรวมของความถี่ทั้งหมด ซึ่งบ่งบอกถึงความเข้มหรือแอมพลิจูดที่สัมพันธ์กัน

เสียงรบกวนเป็นเสียงที่มีการขึ้นอยู่กับเวลาที่ซับซ้อนและไม่ซ้ำกัน และเป็นเสียงผสมของโทนเสียงที่ซับซ้อนที่เปลี่ยนแปลงแบบสุ่ม สเปกตรัมเสียงของเสียงมีความต่อเนื่อง (เสียงกรอบแกรบ, เสียงเอี๊ยด)

ลักษณะทางกายภาพของเสียง:

ก) ความเร็ว (โวลต์). เสียงเดินทางในตัวกลางใดๆ ยกเว้นสุญญากาศ ความเร็วของการแพร่กระจายขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่น ความหนาแน่น และอุณหภูมิของตัวกลาง แต่ไม่ขึ้นอยู่กับความถี่ของการแกว่ง ความเร็วเสียงในอากาศที่ สภาวะปกติเท่ากับประมาณ 330 ม./วินาที (» 1200 กม./ชม.) ความเร็วเสียงในน้ำคือ 1,500 เมตร/วินาที; ความเร็วเสียงมีค่าใกล้เคียงกันและ เนื้อเยื่ออ่อนร่างกาย.

ข) ความเข้ม (ฉัน) – ลักษณะพลังงานของเสียงคือความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานของคลื่นเสียง สำหรับหูของมนุษย์ ค่าความเข้มสองค่ามีความสำคัญ (ที่ความถี่ 1 kHz):

เกณฑ์การได้ยิน – ฉัน 0 = 10–12 วัตต์/ตรม.; เกณฑ์ดังกล่าวถูกเลือกบนพื้นฐานของตัวบ่งชี้วัตถุประสงค์ - นี่คือเกณฑ์ขั้นต่ำสำหรับการรับรู้เสียงโดยหูของมนุษย์ปกติ ก็มีคนที่มีความเข้มข้น ฉัน 0 สามารถเป็น 10–13 หรือ 10–9 W/m2;

เกณฑ์ความเจ็บปวด – ฉันสูงสุด – 10 วัตต์/ตร.ม.; บุคคลหยุดได้ยินเสียงที่รุนแรงดังกล่าวและรับรู้ว่าเป็นความรู้สึกกดดันหรือเจ็บปวด

วี) แรงดันเสียง (ร). การแพร่กระจายของคลื่นเสียงจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของความดัน

แรงดันเสียง (ร) – นี่คือความกดดันที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นเสียงผ่านตัวกลาง มันเกินกว่าความดันเฉลี่ยของสิ่งแวดล้อม

ในทางสรีรวิทยา ความดันเสียงแสดงออกว่าเป็นแรงกดดันต่อแก้วหู สองค่าของพารามิเตอร์นี้มีความสำคัญสำหรับบุคคล:

– ความดันเสียงที่เกณฑ์การได้ยิน – ป 0 = 2×10 –5 ปาสคาล;

– ความดันเสียงที่ระดับความเจ็บปวด – รม.ขวาน =

ระหว่างความเข้ม ( ฉัน) และความดันเสียง ( ร) มีการเชื่อมต่อ:

ฉัน = ป 2 /2รถบ้าน,

ที่ไหน ร– ความหนาแน่นของตัวกลาง โวลต์– ความเร็วของเสียงในตัวกลาง

ช) ความต้านทานลักษณะของตัวกลาง (รก) เป็นผลคูณของความหนาแน่นปานกลาง ( ร) ถึงความเร็วของการแพร่กระจายเสียง ( โวลต์):

รก = รถบ้าน.

ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน (ร) – ค่าเท่ากับอัตราส่วนของความเข้มของคลื่นสะท้อนและคลื่นตกกระทบ:

ร = ฉันเน็ก / ฉันเบาะ

รคำนวณโดยสูตร:

ร = [(ร 2 – รก 1)/( รเอ 2 + รก 1)] 2 .

ความเข้มของคลื่นหักเหขึ้นอยู่กับการส่งผ่าน

การส่งผ่าน (ข) – ค่าเท่ากับอัตราส่วนของความเข้มของคลื่นที่ส่ง (หักเห) และคลื่นตกกระทบ:

ข = ฉันอดีต / ฉันเบาะ

สำหรับการตกปกติจะมีค่าสัมประสิทธิ์ ขคำนวณโดยสูตร

ข = 4(รก 1/ รก 2)/( รก 1/ รก 1 + 1) 2 .

โปรดทราบว่าผลรวมของค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนและการหักเหของแสงเท่ากับความสามัคคีและค่าของพวกมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับลำดับที่เสียงผ่านสื่อเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น สำหรับการเปลี่ยนเสียงจากอากาศสู่น้ำ ค่าสัมประสิทธิ์จะเหมือนกับการเปลี่ยนไปในทิศทางตรงกันข้าม

ง) ระดับความเข้ม. เมื่อเปรียบเทียบความเข้มของเสียง จะสะดวกในการใช้มาตราส่วนลอการิทึม กล่าวคือ เปรียบเทียบไม่ใช่ค่าของตัวเอง แต่ใช้ลอการิทึม เพื่อจุดประสงค์นี้ จะใช้ค่าพิเศษ - ระดับความรุนแรง ( ล):

ล = แอลจี(ฉัน/ฉัน 0);ล = 2แอลจี(ป/ป 0). (1.3.79)

หน่วยของระดับความรุนแรงคือ – สีขาว, [ข].

ลักษณะลอการิทึมของการขึ้นอยู่กับระดับความเข้มของความเข้มนั้นหมายความว่าเมื่อความเข้มเพิ่มขึ้น 10 เท่าระดับความเข้มจะเพิ่มขึ้น 1 B

หนึ่งเบลมีค่ามาก ดังนั้นในทางปฏิบัติจะใช้หน่วยระดับความเข้มที่น้อยกว่า - เดซิเบล[dB]: 1 dB = 0.1 B ระดับความเข้มเป็นเดซิเบลแสดงโดยสูตรต่อไปนี้:

ลดีบี = 10 แอลจี(ฉัน/ฉัน 0); ลดีบี = 20 แอลจี(ป/ป 0).

หากคลื่นเสียงมาถึงจุดที่กำหนดจาก แหล่งที่มาที่ไม่สอดคล้องกันหลายแห่งจากนั้นความเข้มของเสียงจะเท่ากับผลรวมของความเข้มของคลื่นทั้งหมด:

ฉัน = ฉัน 1 + ฉัน 2 + ...

หากต้องการค้นหาระดับความเข้มของสัญญาณผลลัพธ์ ให้ใช้สูตรต่อไปนี้:

ล = แอลจี(10ลล. +10 ลล + ...)

ในที่นี้จะต้องแสดงความเข้มด้วย เบลาห์. สูตรการเปลี่ยนผ่านคือ

ล= 0.ล× ลดีบี.

ลักษณะเฉพาะ ความรู้สึกทางการได้ยิน:

ขว้างถูกกำหนดโดยความถี่ของโทนเสียงพื้นฐานเป็นหลัก (ยิ่งความถี่สูง เสียงก็จะยิ่งรับรู้มากขึ้น) ในระดับที่น้อยกว่า ความสูงขึ้นอยู่กับความเข้มของคลื่น (เสียงที่มีความเข้มมากขึ้นจะถูกมองว่าต่ำกว่า)

ทิมเบรเสียงถูกกำหนดโดยสเปกตรัมฮาร์มอนิก สเปกตรัมเสียงที่แตกต่างกันจะสอดคล้องกับโทนเสียงที่แตกต่างกัน แม้ว่าโทนเสียงพื้นฐานจะเหมือนกันก็ตาม Timbre เป็นคุณลักษณะเชิงคุณภาพของเสียง

ระดับเสียงเป็นการประเมินระดับความรุนแรงแบบอัตนัย

กฎหมายของเวเบอร์-เฟชเนอร์:

หากคุณเพิ่มความระคายเคืองทางเรขาคณิต (นั่นคือจำนวนครั้งเท่ากัน) ความรู้สึกของการระคายเคืองนี้จะเพิ่มขึ้น ความก้าวหน้าทางคณิตศาสตร์(นั่นคือด้วยจำนวนเท่ากัน)

สำหรับเสียงที่มีความถี่ 1 kHz ให้ป้อนหน่วยระดับเสียง - พื้นหลังซึ่งสอดคล้องกับระดับความเข้ม 1 dB สำหรับความถี่อื่นๆ ระดับเสียงก็จะแสดงออกมาด้วย พื้นหลังตามกฎต่อไปนี้:

ความดังของเสียงเท่ากับระดับความเข้มของเสียง (dB) ที่ความถี่ 1 kHz ซึ่งทำให้บุคคล “ทั่วไป” มีความรู้สึกของความดังเช่นเดียวกับเสียงที่กำหนด และ

อี = กิโลลิตร(ฉัน/ฉัน 0). (1.3.80)

ตัวอย่างที่ 32เสียงที่สอดคล้องกับระดับความรุนแรงบนท้องถนน ล 1 = 50 dB ได้ยินในห้องเป็นเสียงที่มีระดับความเข้ม ล 2 = 30 เดซิเบล ค้นหาอัตราส่วนความเข้มของเสียงบนถนนและในห้อง

ที่ให้ไว้: ล 1 = 50 เดซิเบล = 5 บี;

ล 2 = 30 เดซิเบล = 3 บี;

ฉัน 0 = 10–12 วัตต์/ตร.ม.

หา: ฉัน 1 /ฉัน 2 .

สารละลาย. เพื่อค้นหาความเข้มของเสียงในห้องและบนถนน เราเขียนสูตร (1.3.79) สำหรับทั้งสองกรณีที่พิจารณาในปัญหา:

ล 1 = แอลจี(ฉัน 1 /ฉัน 0); ล 2 = แอลจี(ฉัน 2 /ฉัน 0),

จากจุดที่เราแสดงออกถึงความรุนแรง ฉัน 1 และ ฉัน 2:

5 = แอลจี(ฉัน 1 /ฉัน 0) Þ ฉัน 1 = ฉัน 0 ×10 5 ;

3 = แอลจี(ฉัน 2 /ฉัน 0) Þ ฉัน 2 = ฉัน 0 ×10 3 .

อย่างชัดเจน: ฉัน 1 /ฉัน 2 = 10 5 /10 3 = 100.

คำตอบ: 100.

ตัวอย่างที่ 33สำหรับผู้ที่มีความบกพร่องในการทำงานของหูชั้นกลาง เครื่องช่วยฟังได้รับการออกแบบให้ส่งแรงสั่นสะเทือนไปยังกระดูกกะโหลกศีรษะโดยตรง สำหรับ การนำกระดูกเกณฑ์การได้ยินสูงกว่าอากาศ 40 dB ความเข้มของเสียงขั้นต่ำที่ผู้ที่มีความบกพร่องทางการได้ยินสามารถรับรู้คือเท่าใด

ที่ให้ไว้: ลเค = ลใน +4

หา: ฉันนาที

สารละลาย. สำหรับกระดูกและ การนำอากาศตาม (1.3.79)

ลเค = แอลจี(ฉันนาที/ ฉัน 0); ลใน = แอลจี(ฉัน 2 /ฉัน 0), (1.3.81)

ที่ไหน ฉัน 0 – เกณฑ์การได้ยิน

จากเงื่อนไขของปัญหา และ (1.3.81) เป็นไปตามนั้น

ลเค = แอลจี(ฉันนาที/ ฉัน 0) = ลใน +4 = แอลจี(ฉัน 2 /ฉัน 0) + 4 จากที่ไหน

แอลจี(ฉันนาที/ ฉัน 0) – แอลจี(ฉัน 2 /ฉัน 0) = 4 นั่นคือ

แอลจี[(ฉันนาที/ ฉัน 0) : (ฉัน 2 /ฉัน 0)] = 4 Þ แอลจี(ฉันนาที/ ฉัน 2) = 4 เรามี:

ฉันนาที/ ฉัน 2 = 10 4 Þ ฉันนาที = ฉัน 2 ×10 4 .

ที่ ฉัน 2 = 10–12 วัตต์/ตร.ม. ฉันต่ำสุด = 10–8 วัตต์/ตร.ม.

คำตอบ: ฉันต่ำสุด = 10–8 วัตต์/ตร.ม.

ตัวอย่างที่ 34เสียงที่มีความถี่ 1,000 เฮิรตซ์ผ่านผนัง และความเข้มของมันลดลงจาก 10–6 วัตต์/ตารางเมตร เป็น 10–8 วัตต์/ตารางเมตร ระดับความรุนแรงลดลงเท่าใด?

ที่ให้ไว้: n= 1,000 เฮิรตซ์;

ฉัน 1 = 10 –6 วัตต์/ตร.ม.;

ฉัน 2 = 10–8 วัตต์/ตร.ม.;

ฉัน 0 = 10–12 วัตต์/ตร.ม.

หา: ล 2 – ล 1 .

สารละลาย. เราหาระดับความเข้มของเสียงก่อนและหลังผ่านกำแพงได้จาก (1.3.79):

ล 1 = แอลจี(ฉัน 1 /ฉัน 0); ล 2 = แอลจี(ฉัน 2 /ฉัน 0) จากที่ไหน

ล 1 = แอลจี(10 –6 /10 –12) = 6; ล 2 = แอลจี(10 –8 /10 –12) = 4.

แล้ว ล 2 – ล 1 = 6 – 4 = 2 (B) = 20 (เดซิเบล)

คำตอบ: ระดับความเข้มลดลง 20 เดซิเบล

ตัวอย่างที่ 35สำหรับผู้ที่มีการได้ยินปกติ ระดับเสียงจะเปลี่ยนไปเมื่อความเข้มของเสียงเปลี่ยนไป 26% การเปลี่ยนแปลงความเข้มของเสียงที่ระบุสอดคล้องกับช่วงความดังเท่าใด ความถี่เสียงคือ 1,000 เฮิรตซ์

ที่ให้ไว้: n= 1,000 เฮิรตซ์;

ฉัน 0 = 10–12 วัตต์/ตรม.;

ดี.ไอ. = 26 %.

หา: ดี.แอล..

สารละลาย. สำหรับความถี่เสียงที่เท่ากับ 1,000 เฮิรตซ์ ความเข้มของเสียงและความดังจะเท่ากันตามสูตร (1.3.80) เนื่องจาก เค = 1,

อี = กิโลลิตร(ฉัน/ฉัน 0) = แอลจี(ฉัน/ฉัน 0) = ล, ที่ไหน

ดี.แอล. = แอลจี(ดิ/ฉัน 0) = 11.4 (B) = 1 (dB) = 1 (พื้นหลัง)

คำตอบ: 1 พื้นหลัง

ตัวอย่างที่ 36ระดับความเข้มของตัวรับสัญญาณคือ 90 dB ระดับความเข้มสูงสุดของเครื่องรับ 3 เครื่องที่ทำงานพร้อมกันคือเท่าใด?

คุณสมบัติพื้นฐานของเสียง

แหล่งกำเนิดเสียง

เสียง คือ การสั่นสะเทือนทางกลที่แพร่กระจายในตัวกลางยืดหยุ่น ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง ที่หูรับรู้ได้

แหล่งกำเนิดเสียงมาจากตัวสั่นต่างๆ เช่น สายที่ตึงแน่น หรือแผ่นเหล็กบางๆ ยึดด้านหนึ่ง การเคลื่อนที่แบบแกว่งเกิดขึ้นได้อย่างไร? ก็เพียงพอแล้วที่จะดึงและปล่อยสายเครื่องดนตรีหรือแผ่นเหล็กที่ยึดปลายด้านหนึ่งด้วยเครื่องรอง แล้วมันจะทำให้เกิดเสียง การสั่นสะเทือนของเชือกหรือแผ่นโลหะจะถูกส่งไปยังอากาศโดยรอบ เมื่อแผ่นเบี่ยงเบน เช่น ไปทางขวา แผ่นจะอัด (บีบอัด) ชั้นอากาศที่อยู่ติดกันทางด้านขวา ในกรณีนี้ชั้นอากาศที่อยู่ติดกับแผ่นด้านซ้ายจะบางลง เมื่อจานเบนเข้า ด้านซ้ายมันบีบอัดชั้นอากาศทางด้านซ้ายและทำให้ชั้นอากาศที่อยู่ติดกันหายากขึ้น ด้านขวาฯลฯ การบีบอัดและการแยกส่วนของชั้นอากาศที่อยู่ติดกับแผ่นจะถูกถ่ายโอนไปยังชั้นข้างเคียง กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำเป็นระยะๆ โดยค่อยๆ ลดลงจนกว่าการแกว่งจะหยุดลงอย่างสมบูรณ์ (รูปที่ 1.1)

ข้าว. 1.1. การแพร่กระจายคลื่นเสียงจากแผ่นสั่นสะเทือน

ดังนั้นการสั่นสะเทือนของเชือกหรือแผ่นจะกระตุ้นการสั่นสะเทือนในอากาศโดยรอบและแผ่ขยายไปถึงหูของมนุษย์ทำให้แก้วหูของเขาสั่นสะเทือนทำให้เกิดการระคายเคือง ประสาทหูที่เรารับรู้ว่าเป็นเสียง

การสั่นสะเทือนของอากาศซึ่งมีแหล่งกำเนิดเป็นตัวสั่นเรียกว่าคลื่นเสียง และพื้นที่ที่พวกมันแพร่กระจายเรียกว่าสนามเสียง

ความเร็วของการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนของเสียงขึ้นอยู่กับความยืดหยุ่นของตัวกลางที่พวกมันแพร่กระจาย ในอากาศ ความเร็วของการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนของเสียงโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 330 m/s แต่อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความชื้น ความดัน และอุณหภูมิ เสียงไม่เดินทางในอวกาศที่ไม่มีอากาศ

ขณะที่เสียงแพร่กระจาย เนื่องจากการสั่นสะเทือนของอนุภาคของตัวกลาง การเปลี่ยนแปลงความดันเป็นระยะๆ จะเกิดขึ้นที่แต่ละจุดของสนามเสียง ค่ารากกำลังสองของความดันนี้ ซึ่งแสดงด้วยตัวอักษร P เรียกว่าความดันเสียง หน่วยของความดันเสียงก็เอาเป็น เท่ากับความแข็งแกร่งหนึ่งนิวตัน (N) กระทำต่อพื้นที่หนึ่งตารางเมตร (N/m2)

ยิ่งความดันเสียงสูงเท่าไร เสียงก็จะยิ่งดังมากขึ้นเท่านั้น ที่ระดับเสียงเฉลี่ยของคำพูดของมนุษย์ ความดันเสียงที่ระยะห่าง 1 เมตรจากปากของผู้พูดจะอยู่ในช่วง 0.0064-0.64

การสั่นสะเทือนของเสียง

ข้าว. 1.2. กราฟของการสั่นอย่างง่าย (ไซน์ซอยด์)

รูปร่างของการสั่นของเสียงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของแหล่งกำเนิดเสียง การแกว่งที่ง่ายที่สุดคือการสั่นแบบสม่ำเสมอหรือแบบฮาร์มอนิกซึ่งสามารถแสดงเป็นไซนัสอยด์ได้ (รูปที่ 1.2) การแกว่งดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะด้วยความถี่ f, คาบ T และแอมพลิจูด A

ความถี่ของการสั่นคือจำนวนการสั่นที่สมบูรณ์ต่อวินาที หน่วยวัดความถี่คือ 1 เฮิรตซ์ (Hz) 1 เฮิรตซ์สอดคล้องกับการสั่นที่สมบูรณ์ครั้งหนึ่ง (ในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่ง) ซึ่งเกิดขึ้นในหนึ่งวินาที

ช่วงเวลาคือช่วงเวลาที่เกิดการแกว่งที่สมบูรณ์หนึ่งครั้ง ยิ่งความถี่ของการแกว่งสูงเท่าใด ระยะเวลาการแกว่งก็จะสั้นลง เช่น ฉ=1/ต. ดังนั้นความถี่ของการแกว่งจะมากขึ้น ระยะเวลาที่สั้นลง และในทางกลับกัน

ข้าว. 1.3. กราฟของการสั่นของเสียงเมื่อออกเสียงเสียง a, o และ u

แอมพลิจูดของการแกว่งคือการเบี่ยงเบนที่ใหญ่ที่สุดของตัวการสั่นจากตำแหน่งเดิม (เงียบ) ยิ่งแอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนมากเท่าไร เสียงก็จะยิ่งดังมากขึ้นเท่านั้น เสียงคำพูดของมนุษย์เป็นการสั่นสะเทือนของเสียงที่ซับซ้อน ซึ่งประกอบด้วยการสั่นสะเทือนอย่างง่ายจำนวนหนึ่งหรือหลายจำนวน ซึ่งมีความถี่และแอมพลิจูดต่างกันไป เสียงพูดแต่ละเสียงมีการสั่นของความถี่และแอมพลิจูดที่ต่างกันออกไป ดังนั้น รูปร่างการสั่นของเสียงคำพูดหนึ่งจึงแตกต่างจากรูปร่างของอีกเสียงอย่างเห็นได้ชัด ดังที่เห็นในรูป 1.3 ซึ่งแสดงกราฟการสั่นสะเทือนเมื่อออกเสียงเสียง a, o และ u

บุคคลกำหนดลักษณะเสียงใด ๆ ตามการรับรู้ของเขาตามระดับเสียงและระดับเสียง

ระดับเสียงของระดับเสียงที่กำหนดจะถูกกำหนดโดยแอมพลิจูดของการสั่นสะเทือน ระดับเสียงจะถูกกำหนดโดยความถี่ของการสั่นสะเทือน การสั่นสะเทือนความถี่สูงจะรับรู้เป็นเสียงที่มีระดับเสียงสูง การสั่นสะเทือนความถี่ต่ำจะรับรู้เป็นเสียงที่มีระดับเสียงต่ำ (รูปที่ 1.4)

ข้าว. 1.4. ดนตรีสองโทนที่มีความสูงเท่ากันและระดับเสียงต่างกัน (ก) และระดับเสียงเท่ากันแต่มีความสูงต่างกัน (ข)

ความเข้มของเสียง

ร่างกายซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของการสั่นสะเทือนของเสียง จะปล่อยพลังงานที่ถูกถ่ายโอนโดยการสั่นสะเทือนของเสียงออกสู่อวกาศ (สภาพแวดล้อม) โดยรอบแหล่งกำเนิดเสียง ปริมาณพลังงานเสียงที่ส่งผ่านในหนึ่งวินาทีผ่านพื้นที่ 1 ม. 2 ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนของเสียงเรียกว่าความเข้ม (ความแรง) ของเสียง

ค่าของมันสามารถกำหนดได้โดยสูตร:

I=P 2 /Cp 0 [W/m 2 ] (1.1)

โดยที่: P - ความดันเสียง n/m 2; С – ความเร็วเสียง, m/s; р 0 – ความหนาแน่นของตัวกลาง

จากสูตรข้างต้น จะเห็นได้ว่าเมื่อความดันเสียงเพิ่มขึ้น ความเข้มของเสียงจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ระดับเสียงเพิ่มขึ้นด้วย

เมื่อเราสนทนากับเพื่อนคนหนึ่งตามปกติ การไหลของพลังงานใน 1 วินาทีจะอยู่ที่ ~10 μW ฟลักซ์เสียงจากผู้พูดที่พูดกับผู้ฟังมีช่วงตั้งแต่ 200 ถึง 2000 μW เสียงไวโอลินที่ดังที่สุดสามารถมีความดังประมาณ 60 µW ในขณะที่เสียงไปป์ออร์แกนมีตั้งแต่ 140 ถึง 3200 µW ความเข้มของเสียงที่เบาที่สุดที่ยังได้ยินได้คือประมาณหนึ่งในล้านไมโครวัตต์ต่อ 1 ตารางเมตร และเสียงดังที่สุดประมาณหนึ่งล้านไมโครวัตต์

ความรุนแรงของการสั่นสะเทือนของเสียงและความดังของการรับรู้มีความสัมพันธ์กัน การเพิ่มขึ้นของความรู้สึก (ความดัง) เป็นสัดส่วนกับลอการิทึมของอัตราส่วนของการระคายเคือง (ความเข้ม) เช่น เมื่อรับรู้สองเสียงที่มีความเข้ม I 1 และฉัน 2 จะรู้สึกถึงความดังที่แตกต่างกันซึ่งเท่ากับลอการิทึมของอัตราส่วนของความเข้มของเสียงเหล่านี้ การพึ่งพาอาศัยกันนี้ถูกกำหนดโดยสูตร:

โดยที่: S – การเพิ่มระดับเสียง, B; K คือค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนขึ้นอยู่กับการเลือกหน่วยการวัด I 1 และ I 2 เป็นค่าเริ่มต้นและค่าสุดท้ายของความเข้มของเสียง Bel คือหน่วยความดังที่เพิ่มขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มของเสียง 10 เท่า

ถ้าค่าสัมประสิทธิ์ K มีค่าเท่ากับ 1 และอัตราส่วน I 1 /I 2 =10 ดังนั้น

การได้ยินของมนุษย์แยกแยะความแตกต่างของระดับเสียงที่เพิ่มขึ้น 0.1 B ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงใช้หน่วยวัดที่เล็กกว่า - เดซิเบล (dB) เท่ากับ 0.1 B ในกรณีนี้สูตรจะเขียนดังนี้:

ตารางที่ 1.1. ความเข้มและระดับเสียงต่างๆ

เสียง	ความเข้ม μW/m 2	ระดับเสียงบี	ระดับเสียง, เดซิเบล
เกณฑ์การได้ยิน	0,000001
หายใจอย่างสงบ	0,00001
เสียงของสวนที่เงียบสงบ	0,0001
พลิกหน้าหนังสือพิมพ์	0,001
เสียงปกติในบ้าน	0,01
เครื่องดูดฝุ่น	0,1
บทสนทนาปกติ	1,0
วิทยุ
การจราจรบนถนนที่พลุกพล่าน	100,0
รถไฟบนสะพานลอย	1000,0
เสียงรบกวนในรถรถไฟใต้ดิน	10000,0
ฟ้าร้อง	100000,0
เกณฑ์ของความรู้สึก	1000000,0

หากหูของมนุษย์รับรู้เสียงตั้งแต่สองเสียงขึ้นไปที่มีระดับเสียงต่างกันพร้อมกัน เสียงดังที่ดังกว่าจะกลบ (ดูดซับ) เสียงที่อ่อนกว่า สิ่งที่เรียกว่าการปิดบังเสียงเกิดขึ้น และหูรับรู้เพียงเสียงเดียวที่ดังกว่า ทันทีหลังสัมผัสหู เสียงดังความไวในการได้ยินต่อเสียงที่เบาลดลง ความสามารถนี้เรียกว่าการปรับตัวทางการได้ยิน

เสียงต่ำ

ผลกระทบคาบที่ไม่ใช่ฮาร์มอนิกด้วยคาบ T เทียบเท่ากับการกระทำพร้อมกันของแรงฮาร์มอนิกที่มีความถี่ต่างกัน กล่าวคือกับความถี่ที่ทวีคูณของความถี่ต่ำสุด n=1/T

ข้อสรุปนี้เป็นกรณีพิเศษของทฤษฎีบททางคณิตศาสตร์ทั่วไป ซึ่งได้รับการพิสูจน์ในปี 1822 โดย Jean Baptiste Fourier ทฤษฎีบทของฟูริเยร์ระบุว่า: การแกว่งเป็นคาบใดๆ ของคาบ T สามารถแสดงเป็นผลรวมของการออสซิลเลชันฮาร์มอนิกที่มีคาบเท่ากับ T, T/2, T/3, T/4 เป็นต้น กล่าวคือ ด้วยความถี่ n=(1/T), 2n, 3n, 4n เป็นต้น ความถี่ต่ำสุด n เรียกว่าความถี่พื้นฐาน การสั่นที่มีความถี่พื้นฐาน n เรียกว่าเสียงฮาร์มอนิกแรกหรือเสียงพื้นฐาน (โทน) และการสั่นที่มีความถี่ 2n, 3n, 4n เป็นต้น เรียกว่าฮาร์โมนิคที่สูงกว่าหรือโอเวอร์โทน (อันแรกคือ 2n อันที่สองคือ 3n เป็นต้น)

แต่ละเสียงทำโดยที่แตกต่างกัน เครื่องดนตรี,ในเสียงของผู้คนต่างๆ เป็นต้น ก็มีเป็นของตัวเอง ลักษณะเฉพาะ- สีหรือเฉดสีที่แปลกประหลาด ลักษณะของเสียงเหล่านี้เรียกว่าเสียงต่ำ ในรูป รูปที่ 1.5 แสดงออสซิลโลแกรมของการสั่นของเสียงที่สร้างโดยเปียโนและคลาริเน็ตสำหรับโน้ตตัวเดียวกัน ออสซิลโลแกรมแสดงให้เห็นว่าคาบของการสั่นทั้งสองค่าเท่ากัน แต่รูปร่างต่างกันมาก ดังนั้นจึงแตกต่างกันในองค์ประกอบฮาร์มอนิก เสียงทั้งสองประกอบด้วยโทนเสียงเดียวกัน แต่ในแต่ละเสียงเหล่านี้ - เสียงพื้นฐานและเสียงหวือหวา - จะถูกนำเสนอด้วยแอมพลิจูดและเฟสที่แตกต่างกัน

ข้าว. 1.5. ออสซิลโลแกรมของเสียงเปียโนและคลาริเน็ต

สำหรับหูของเรา เฉพาะความถี่และแอมพลิจูดของโทนเสียงที่ประกอบเป็นเสียงเท่านั้นที่มีนัยสำคัญ เช่น เสียงต่ำของเสียงถูกกำหนดโดยสเปกตรัมฮาร์มอนิกของมัน การเปลี่ยนแปลงของโทนเสียงแต่ละครั้งจะไม่ถูกรับรู้ด้วยหู แต่อย่างใดแม้ว่าจะสามารถเปลี่ยนรูปร่างของการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นได้อย่างมากก็ตาม

ในรูป ในรูป 1.6 แสดงสเปกตรัมของเสียงเหล่านั้น ซึ่งมีออสซิลโลแกรมแสดงในรูปที่ 1 1.5. เนื่องจากระดับเสียงเท่ากัน ความถี่ของโทนเสียง - พื้นฐานและโอเวอร์โทน - จึงเหมือนกัน อย่างไรก็ตาม แอมพลิจูดของฮาร์โมนิคแต่ละตัวในแต่ละสเปกตรัมมีความแตกต่างกันอย่างมาก

ข้าว. 1.6. สเปกตรัมของเสียงเปียโนและคลาริเน็ต

ความแรงหรือความเข้มของเสียงในคลื่นที่ส่งผ่าน (เช่น คลื่นไม่นิ่ง) คือปริมาณพลังงานที่ไหลผ่านบริเวณดังกล่าวทุกๆ วินาที ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

ความเข้ม (ความแรง) ของเสียงวัดในหรือเป็นหน่วยที่ใหญ่กว่า 10 เท่า ซึ่งก็คือในหน่วย (ไมโครวัตต์ - หนึ่งล้านวัตต์)

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าความเข้มของเสียงเท่ากับอัตราส่วนของกำลังสองของแอมพลิจูดแรงดันส่วนเกินต่อสองเท่าของความต้านทานเสียงของตัวกลาง:

สิ่งนี้เป็นจริงสำหรับทั้งระนาบและคลื่นทรงกลม ในกรณีของคลื่นระนาบ หากละเลยการสูญเสียอันเนื่องมาจากแรงเสียดทานภายใน ความแรงของเสียงไม่ควรเปลี่ยนแปลงตามระยะทาง ในกรณีของคลื่นทรงกลม แอมพลิจูดของการกระจัด ความเร็วของอนุภาค และความดันส่วนเกินจะลดลงเมื่อค่าผกผันของกำลังแรกของระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง ดังนั้น ในกรณีของคลื่นทรงกลม ความเข้มของเสียงจะลดลงในสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง

โดยปกติไมโครโฟนจะใช้ในการวัดความเข้มของเสียง (โครงสร้างของไมโครโฟนอธิบายไว้ในเล่มที่สองของหลักสูตรในบทเกี่ยวกับการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้า) นอกจากนี้ยังใช้ดิสก์ Rayleigh เพื่อวัดความเข้มของเสียงซึ่งเป็นดิสก์ขนาดเล็กบาง (ทำจากแผ่นไมกาหนา 2-3 ในร้อยของมิลลิเมตร) โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางแขวนอยู่บนเกลียวที่บางมาก ในด้านคลื่นเสียงบนดิสก์

คู่ที่หมุนได้ทำหน้าที่ โมเมนต์ซึ่งแปรผันตามความแรงของเสียงและไม่ขึ้นอยู่กับความถี่ของเสียง คู่ที่หมุนได้นี้พยายามหมุนดิสก์เพื่อให้ระนาบตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นเสียง โดยทั่วไปแล้ว ดิสก์ Rayleigh จะถูกแขวนไว้ในสนามเสียงที่มุม 45° กับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น และความเข้มของเสียงจะวัดโดยการกำหนดมุมการหมุนของดิสก์

หากต้องการทราบความแรงของเสียง คุณยังสามารถวัดความดันที่คลื่นเสียงออกแรงบนผนังทึบได้ ความดันนี้เป็นสัดส่วนกับความแรงของเสียง:

นี่คืออัตราส่วนของความจุความร้อนของตัวกลางที่ความดันคงที่ต่อความจุความร้อนที่ปริมาตรคงที่ c คือความเร็วของเสียง

เมื่อเปรียบเทียบสูตรข้างต้นกับสูตร (6) เราจะเห็นว่าแรงดันที่เกิดจากคลื่นเสียงบนผนังทึบเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแอมพลิจูดแรงดันส่วนเกินและเป็นสัดส่วนผกผันกับความหนาแน่นของตัวกลาง

คำจำกัดความของความเข้มของเสียงที่ให้ไว้ตอนต้นของส่วนนี้จะสูญเสียความหมายของคลื่นนิ่งไป อันที่จริง หากแอมพลิจูดของความดันในคลื่นตรงและคลื่นสะท้อนเท่ากัน พลังงานที่ไหลผ่านแท่นจะเท่ากันซึ่งตั้งฉากกับแกนคลื่นในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นผลลัพธ์ของพลังงานที่ไหลผ่านไซต์จึงเป็นศูนย์ ในกรณีนี้ ความเข้มของเสียงจะมีลักษณะเฉพาะด้วยความหนาแน่นของพลังงานเสียง เช่น พลังงานที่มีอยู่ในสนามเสียง

ในการคำนวณความหนาแน่นของพลังงานเสียงในสนามของคลื่นที่ผ่านระนาบ ลองจินตนาการปริมาตรทรงกระบอกที่มีหน้าตัดเข้าและความยาวเป็นตัวเลขเท่ากับความเร็วของเสียง ให้แกนของทรงกระบอกตรงกับทิศทางของ การแพร่กระจายของคลื่น มันชัดเจนว่า ทั้งหมดพลังงานที่บรรจุอยู่ภายในกระบอกสูบจะมีตัวเลขเท่ากับความเข้มของเสียง ในทางกลับกัน เมื่อตัดขวางเป็นปริมาตรของทรงกระบอกจะมีตัวเลขเท่ากัน ดังนั้น ความหนาแน่นของพลังงานเสียงจึงจะเท่ากัน

แนวคิดเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของพลังงานและแนวคิดที่สำคัญที่สุดในปัจจุบันเกี่ยวกับความหนาแน่นของพลังงาน ณ จุดในตัวกลางและความเร็วของการเคลื่อนที่ของพลังงานถูกนำเข้าสู่วิทยาศาสตร์ในปี พ.ศ. 2417 โดย N. A. Umov ในวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ให้เหตุผลที่เข้มงวดของสมการ (7) สิบปีต่อมา แนวคิดของ Umov ได้รับการพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Poynting เพื่อประยุกต์ใช้กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ให้เราอธิบายว่าความเข้มของเสียงในคลื่นเสียงที่สะท้อนและในคลื่นที่หักเหนั้นคำนวณได้อย่างไร

กฎการสะท้อนและการหักเหของคลื่นเสียงมีความคล้ายคลึงกับกฎการสะท้อนและการหักเหของแสง เมื่อคลื่นเสียงถูกสะท้อน มุมที่เกิดจากทิศทางของคลื่นที่มีเส้นปกติถึงพื้นผิวสะท้อน (มุมตกกระทบ) จะเท่ากับมุมที่เกิดจากทิศทางของคลื่นสะท้อนที่มีเส้นปกติ (มุมสะท้อน) เท่ากัน .

เมื่อคลื่นเสียงผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง มุมตกกระทบและมุมหักเหจะสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์

ความเร็วของเสียงในสื่อตัวแรกและตัวที่สองอยู่ที่ไหน

หากความเข้มของเสียงอยู่ในสื่อแรก จากนั้นด้วยการเกิดคลื่นปกติบนส่วนต่อประสาน ความเข้มของเสียงในตัวกลางที่สองจะเป็น:

โดยที่ Rayleigh พิสูจน์แล้ว ค่าสัมประสิทธิ์การเจาะเสียงถูกกำหนดโดยสูตร

แน่นอนว่าค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนเท่ากับ

จากสูตรของเรย์ลี เราพบว่ายิ่งความต้านทานทางเสียงของสื่อแตกต่างกันมากเท่าใด พลังงานเสียงที่แทรกซึมผ่านส่วนต่อประสานระหว่างสื่อก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ไม่ใช่เรื่องยากที่จะเข้าใจว่าเมื่อความต้านทานเสียงของตัวกลางตัวที่สองมีขนาดใหญ่มากเมื่อเปรียบเทียบกับความต้านทานทางเสียงของตัวกลางตัวแรก

กรณีนี้เกิดขึ้นเมื่อเสียงผ่านจากอากาศเข้าสู่แหล่งน้ำหรือเข้าไปในความหนาของคอนกรีตหรือไม้ ความต้านทานเสียงของสื่อเหล่านี้มีค่ามากกว่าความต้านทานเสียงของอากาศหลายพันเท่า ดังนั้น ในระหว่างที่เกิดเสียงตามปกติจากอากาศสู่แหล่งน้ำ คอนกรีต และไม้ ความเข้มของเสียงไม่เกินหนึ่งในพันของเสียงที่แทรกซึมเข้าไปในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม ผนังคอนกรีตหรือไม้สามารถส่งเสียงได้ค่อนข้างมากหากเป็นผนังบาง ในกรณีนี้ ผนังจะรับรู้และส่งแรงสั่นสะเทือนแบบยืดหยุ่นเหมือนกับเมมเบรนขนาดใหญ่ สูตรข้างต้นใช้ไม่ได้กับกรณีดังกล่าว

เนื่องจากสภาวะอุณหภูมิที่แตกต่างกัน อากาศในชั้นบรรยากาศแต่ละชั้นอาจมีความต้านทานเสียงที่แตกต่างกัน เสียงสะท้อนจากส่วนต่อประสานระหว่างชั้นอากาศดังกล่าว สิ่งนี้อธิบายว่าช่วงการได้ยินของเสียงในบรรยากาศอาจมีความผันผวนอย่างมาก ระยะการได้ยิน ขึ้นอยู่กับระดับความเป็นเนื้อเดียวกันของอากาศ อาจแตกต่างกันได้ 10 ครั้งขึ้นไป สภาพอากาศ (ฝน หิมะ หมอก) ไม่ส่งผลต่อการนำเสียงของอากาศ ในวันที่อากาศแจ่มใสและในช่วงที่มีหมอกหนา ความสามารถในการได้ยินก็อาจเหมือนเดิม และในทางกลับกัน ในวันที่สภาพอากาศเหมือนเดิมอย่างเห็นได้ชัด ค่าการนำเสียงของอากาศอาจแตกต่างกันมากหากระดับความเป็นเนื้อเดียวกันของชั้นอากาศไม่เท่ากัน

งานที่สำคัญประการหนึ่งของอะคูสติกคือการชี้แจงเงื่อนไขที่ส่งผลต่อความเข้มเสียงของตัวปล่อยเสียง เมื่อตัวส่งสัญญาณที่สั่นไหวปล่อยพลังงานเสียงออกมา สภาพแวดล้อมภายนอกร่างกายนี้ทำงานกับปฏิกิริยาของสนามเสียง กล่าวคือ ต่อแรงที่เกิดจากแรงดันส่วนเกินในคลื่นที่ปล่อยออกมา และยับยั้งการเคลื่อนที่ของการสั่นของตัวปล่อย

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าเมื่อตัวส่งสัญญาณมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น ตัวส่งสัญญาณจะเปล่งออกมา คลื่นเครื่องบินและพลังของการแผ่รังสีเสียงเท่ากับครึ่งหนึ่งของผลคูณของความกว้างของความเร็วของการเคลื่อนที่แบบสั่นของตัวปล่อยโดยพื้นที่ของตัวปล่อย 5 และความต้านทานทางเสียงของตัวกลาง:

หากตัวปล่อยมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น มันจะปล่อยคลื่นทรงกลม และพลังงานการแผ่รังสีในกรณีนี้จะถูกกำหนดโดยสูตร

สำหรับตัวปล่อยใดๆ ที่มีขนาดที่กำหนด (เช่น สำหรับจานสั่นที่มีพื้นที่ สูตรแรกของทั้งสองสูตรที่กำหนดสำหรับกำลังจะกำหนดกำลังการแผ่รังสี ความถี่สูง(คลื่นสั้น) อย่างที่สองคือพลังการแผ่รังสีความถี่ต่ำ (คลื่นยาว)

บ่อยครั้งจำเป็นต้องให้ตัวส่งสัญญาณมีกำลังเท่ากันในความถี่สูง กลาง และต่ำ (เมมเบรนแผ่นเสียงและตัวกระจายเสียงของลำโพงต้องมีคุณภาพนี้) แต่สำหรับแอมพลิจูดของการเคลื่อนที่แบบออสซิลเลเตอร์ที่กำหนด ตัวปล่อยขนาดเล็กที่มีกำลังการแผ่รังสีที่น่าพอใจสำหรับเสียงสูงจะมีกำลังการแผ่รังสีต่ำมากสำหรับเสียงต่ำ สิ่งนี้ทำให้พวกเขาด้อยกว่าทางดนตรี

จากที่กล่าวไปแล้ว ข้อเสียของตัวส่งสัญญาณขนาดเล็กนั้นชัดเจน ตัวปล่อยขนาดใหญ่มีความไม่สะดวกอย่างมากเนื่องจากมวลของพวกมันมีนัยสำคัญ ดังนั้นเพื่อให้การเคลื่อนที่แบบสั่นแก่พวกมันด้วยแอมพลิจูดที่ต้องการ จึงต้องใช้แรงที่มีขนาดใหญ่มาก ดังนั้นจากมุมมองทางเทคนิค ขอแนะนำให้วางตัวส่งสัญญาณขนาดเล็กไว้ในสภาพเสียงที่เหมาะสมที่สุด

ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยใช้อุปกรณ์พิเศษที่เชื่อมต่อกับตัวส่งสัญญาณ ลานกล่าวคือด้วยความช่วยเหลือของวิทยากร แตรเป็นท่อที่ค่อยๆ ขยายออก ที่ปลายแคบซึ่ง (ในลำคอ) ตัวปล่อยจะสั่น ผนังแตรที่แข็งแรงไม่อนุญาตให้คลื่นเสียง "กระจาย" ไปด้านข้าง ดังนั้นหน้าคลื่นจึงคงรูปร่างแบนไม่มากก็น้อย ทำให้เป็นสูตรแรกจากสูตรข้างต้น

สำหรับพลังงานรังสีที่ใช้บังคับไม่เพียงแต่ในช่วงความถี่สูงเท่านั้น แต่ยังใช้ในช่วงความถี่ต่ำด้วย

โดยทั่วไปแล้ว การศึกษาความเข้มของเสียงจะต้องดำเนินการในพื้นที่จำกัด การศึกษาเสียงในพื้นที่ปิดเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบหอประชุม โรงละคร คอนเสิร์ตฮอลล์ ฯลฯ และสำหรับการแก้ไขข้อบกพร่องทางเสียงในห้องที่สร้างขึ้นโดยไม่มีการคำนวณทางเสียงเบื้องต้น สาขาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับปัญหาเหล่านี้เรียกว่าอะคูสติกทางสถาปัตยกรรม

คุณสมบัติหลักของกระบวนการทางเสียงในพื้นที่ปิดคือการมีเสียงสะท้อนหลายครั้งจากพื้นผิวที่มีขอบเขต (ผนัง เพดาน) ในห้องขนาดกลาง คลื่นเสียงผ่านการสะท้อนหลายร้อยครั้งก่อนที่พลังงานจะลดลงจนถึงเกณฑ์การได้ยิน ในห้องขนาดใหญ่ คุณจะได้ยินเสียงที่มีความแรงเพียงพอหลังจากปิดแหล่งกำเนิดเสียงเป็นเวลาหลายสิบวินาทีเนื่องจาก การมีอยู่ของคลื่นสะท้อนที่เคลื่อนที่ไปในทุกทิศทางที่เป็นไปได้ เห็นได้ชัดว่าการค่อยๆ จางหายไปของเสียงนั้นมีประโยชน์ในอีกด้านหนึ่ง เนื่องจากเสียงถูกขยายเนื่องจากพลังงานของคลื่นสะท้อน อย่างไรก็ตาม ในทางกลับกัน การซีดจางที่ช้าเกินไปอาจทำให้การรับรู้ของเสียงที่เชื่อมโยงกัน (คำพูด ดนตรี) แย่ลงอย่างมาก เนื่องจากความจริงที่ว่าแต่ละส่วนใหม่ของบริบทที่สอดคล้องกัน (เช่น แต่ละพยางค์ใหม่ของคำพูด) ซ้อนทับกับเสียงก่อนหน้า ที่ยังไม่เคยได้ยิน จากการพิจารณาคร่าวๆ เหล่านี้ เป็นที่ชัดเจนว่าเพื่อสร้างการได้ยินที่ดี เวลาเสียงก้องในกลุ่มผู้ฟังจะต้องมีค่าที่เหมาะสมที่สุด

ในการสะท้อนแต่ละครั้ง พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปเนื่องจากการดูดซับ อัตราส่วนของพลังงานเสียงที่ดูดซับต่อพลังงานตกกระทบเรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับเสียง นี่คือค่าของมันสำหรับหลายกรณี:

เห็นได้ชัดว่ายิ่งค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับเสียงของผนังห้องใด ๆ มากขึ้นและ ขนาดที่เล็กกว่าห้องนี้ยิ่งเวลาสะท้อนสั้นลง

ข้าว. 162. เสียงก้องที่เหมาะสมที่สุดสำหรับห้องขนาดต่างๆ

เวลาเสียงก้องซึ่งในระหว่างนั้นความเข้มของเสียงลดลงจนถึงเกณฑ์การได้ยิน ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของห้องเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับความแรงของเสียงเริ่มต้นด้วย เพื่อเพิ่มความแน่นอนให้กับการคำนวณคุณสมบัติทางเสียงของหอประชุม เป็นเรื่องปกติ (โดยพลการ) ในการคำนวณเวลาที่ความหนาแน่นของพลังงานเสียงลดลงเหลือหนึ่งในล้านของค่าเริ่มต้น เวลานี้เรียกว่าเวลาสะท้อนกลับมาตรฐาน หรือเรียกง่ายๆ ว่าเวลาสะท้อนกลับ

ค่าเสียงก้องที่เหมาะสมที่สุดซึ่งความสามารถในการได้ยินถือได้ว่าดีที่สุดนั้นได้รับการพิจารณาจากการทดลองหลายครั้ง ในขนาดเล็ก

ห้อง (ที่มีระดับเสียงไม่เกินเสียงก้องที่เหมาะสมที่สุดที่ 1.06 วินาที เมื่อระดับเสียงเพิ่มขึ้นอีก เสียงสะท้อนที่เหมาะสมที่สุดจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนดังแสดงในรูปที่ 162 ในห้องที่มีคุณสมบัติทางเสียงไม่ดี ("บูมเกินไป") ให้ใช้เสียงก้องแทน ค่าที่เหมาะสมที่สุด 1-2 วินาที คือ 3-5 วินาที