Звуков интензитет е количеството енергия, което звукова вълна пренася за 1 секунда през единица площ от средата. Интензитетът зависи от честотата на вълната, от акустичното налягане. Както можете да видите, много други понятия са свързани с интензитета: звукова вълна, нейната честота, акустично налягане, поток от звукова енергия. За да разберем какво е интензитет, ще разбием подробно всеки термин, свързан с него.
Как се появява звукът
Звукът може да идва от вибриращо тяло. Той трябва да вибрира достатъчно бързо, за да създаде смущение в средата и да генерира акустична вълна. За възникването му обаче е необходимо още едно условие: средата трябва да е еластична. Еластичността е способността да се противопоставя на компресия или всякакъв друг вид деформация (ако говорим за твърди тела). Да, твърдите вещества, течности, газове и въздух (като смес от различни газове) имат еластичност, но в различна степен.
Стойност на еластичностопределя се от плътността. Известно е, че твърдите среди (дърво, метали, земна кора) провеждат звука много по-добре от течните. И ако сравним вода и въздух, тогава във втората среда звуковата вълна се разминава най-лошо.
Еластичността на въздуха и по-плътната среда се дължи на различни причини. В течности и твърди тела има сили на междумолекулно взаимодействие. Те държат частиците заедно в кристална решетка и е много лесно звуковата вълна да се разпространява през нейните възли.
Молекулите на въздуха не са свързани една с друга, те са разделени на големи разстояния. Частиците не се разсейват поради непрекъснато и хаотично движение, както и гравитацията. Отдавна е забелязано: колкото по-разреден е въздухът (например в горните слоеве на атмосферата), толкова по-малък е интензитетът, силата на звука. На луната цари пълна тишина, не защото няма какво да звучи, а поради липсата на въздух.
Как звукова вълна пътува във въздуха
Най-голям интерес за нас представлява разпространението на звукова (акустична) вълна във въздуха. Когато тялото се отклони от първоначалното си положение, то компресира близкия въздух от едната страна на себе си. От друга страна, средата е разредена. Връщайки се в първоначалното си положение, източникът на звук се отклонява от другата страна и компресира въздуха там. Това продължава, докато тялото спре да се движи.
Как се държат частиците? Към хаотичното им движение се добавя и осцилатор. За разлика от постоянното топлинно движение на молекулите, вибрационното движение има една посока. В слой въздухкоято е перпендикулярна на посоката на отклонение на тялото, частиците започват да се избутват една друга. Те се движат с източника на звук в една и съща посока. По този начин, редуващо се компресия-разреждане на въздуха се предава от един слой въздух към друг. Това е акустичната вълна. Интензитетът на звука е стойност, която зависи от основните характеристики на вълната - честота и дължина.
Звукова честота
Честотата на вълната зависи от това колко бързо вибрира източникът на звук. Всички тела вибрират с различни честоти, но не всяка честота е достъпна за нашето възприятие. Вълните, които чуваме, се наричат звук. Честотата на акустичната вълна се измерва в херци (1 Hz се равнява на 1 трептене в секунда).
Слоеве сгъстен и разреден въздух се редуват. Дължината на вълната е равна на разстоянието между съседни слоеве, в които налягането е същото. Звукът не се разпространява безкрайно, защото вълната става по-слаба с увеличаване на разстоянието. Колко далеч се движи зависи от дължината и честотата на акустичната вълна. Тези количества са право пропорционални: високочестотните вълни са по-къси от нискочестотните. Говорим за високочестотни звуци, тъй като високочестотните вълни генерират ниски звуци.
Нивото на интензитета на звука е пряко зависимо от честотата на акустичните вибрации и дължината на вълната. И така, скърцането на комар звучи с честота 10 хиляди Hz и има дължина на вълната само 3,3 см. Мукането на крава е интензивен звук, който може да се чуе от най-малко 10 метра. Честотата му е 30 Hz.
Акустично налягане
Във всеки слойвъздуха, до който е достигнала звуковата вълна, налягането се променя нагоре или надолу. Количеството, с което се увеличава в сравнение с атмосферното налягане, се нарича акустично (звуково) налягане.
Ухото ни е невероятно чувствително. Трудно е да се повярва, но се прави разлика между промяна на налягането от 0,01 милионна част от грама на единица площ. Шумоленето създава много малко налягане, то е равно на 310-5 N/m2. Тази стойност е 31010 пъти по-ниска от атмосферното налягане. Оказва се, че човешкият слух е по-точен от химическите везни. Физиолозите са изследвали еластичността на тъпанчевата мембрана и натиска, упражняван от най-тихия звук. След сравняване на данните те стигнаха до заключението, че тъпанчевата мембрана изпъква на разстояние, което е по-малко от размера на атом.
Звуков интензитет и звуково налягане са пряко свързани. Когато тялото вибрира с ниска честота, то значително повишава налягането – звукът излиза силен. Интензитетът (силата) на звука е пропорционален на квадрата на акустичното налягане.
Звуков енергиен поток
Звуците с различна честота и интензитет се определят от потока на звуковата енергия. Звуковата вълна се разпространява във всички посоки под формата на топка. Колкото по-далеч се движи вълната, толкова по-слаба става. Енергията, която носи, се разпределя в нарастваща площ - звукът затихва. Квадратът на звуковата енергия е обратно пропорционален на квадрата на разстоянието до вибриращото тяло.
Потокът на звукова енергия е количеството кинетична енергия, което носивълна през площ в секунда. Това се отнася до повърхността на средата, например, слой въздух, разположен под прав ъгъл спрямо посоката на еластичната вълна. Енергийният поток се измерва във ватове (W).
Мощност на звука
Силата (интензивността) на звука е величина, за да намерите която трябва да знаете какъв е енергийният поток. Стойността му трябва да се раздели на повърхността, перпендикулярна на разпространението на вълната (в m2).
Интензитетът на звука се обозначава с буквата I. Минималната стойност на (I0) е 10-12 W/m2. Колкото по-висок е интензитетът, толкова по-силен се появява звукът. Зависимостта на силата на звука и силата на звука е установена емпирично. Наблюдавано е, че когато интензитетът се увеличи 10 пъти, силата на звука се увеличава с 10 децибела (db), когато със 100 пъти - с 20 dB.
Звукови и нечувани звуци
Физиологията позволява на човек да чува звуци само в определени граници. Ако тялото вибрира с честота, по-голяма от 16-20 килохерца (kHz) и по-малка от 16-20 Hz, нашето ухо няма да може да го възприеме.
Честотата и интензивността на звука са свързани. Високочестотните звукови вълни предават много малко енергия. Не е достатъчно да променим акустичното налягане достатъчно, за да накараме тъпанчето ни да вибрира. За такива звуци се казва, че са отвъд прага на слуха.
Вълна с честота по-малка от 16 хиляди Hz се нарича ултразвук. Най-известните същества„говорете“с ултразвук, това са делфини и прилепи. Инфразвукът, въпреки че не го чуваме, при определен интензитет (190-200 dB) може да доведе до смърт, тъй като повишава налягането в белодробните алвеоли твърде много.
Интересно е, че при различни честоти зависимостта на силата на звука и интензитета на звука е различна. При средни честоти (около 1000 Hz) човек усеща промени в интензивността само с 0,6 dB. Ограничаването на честотните нива е съвсем различен въпрос. На тях едва можем да различим промяна в интензитета на звука с 3 единици.
Класификация на звуците
Звуковият интензитет се измерва в W/m2, но децибелите се използват за сравняване на звуци един с друг и с минимално ниво на интензитет.
Звуците са разделени на:
- много слаб (0-20 dB);
- слаб (21-40 dB);
- умерено (41-60 dB);
- силно (61-80 dB);
- много силен (81-100 dB);
- заглушаващо (повече от 100 dB).
Фигурата показва примери за най-често срещаните звуци с различна интензивност.
Приемливи цени
Постоянен шум или такъв, който продължава дълго време, се нарича фонов шум. За апартамент 20-30 dB е нормално ниво на фонов шум. Възприема се от човек като мълчание. Звуци от 40 dB също са приемливи, но силата на звука от 60 dB е приемлива за офиси и институции. Продължителното излагане на звуци със сила на звука от 70 dB води донарушения на централната нервна система. Улицата "звучи" с такава сила, а по оживените улици шумът достига 85-90 dB. Звуци от 100 dB намаляват слуха и могат да доведат до пълна загуба на слуха.
Звуков интензитет е стойност, чиито допустими стойности са предписани в санитарните правила и разпоредби (SanPiN). Периодът от време, през който е разрешено да се включват шумни битови уреди, да се говори високо, да се правят ремонти и др., се определя от Закона за осигуряване на тишина и спокойствие. Взима се отделно за всяка област. Времето във всеки регион може да се различава: някъде дневните часове започват в 7:00 сутринта, а някъде в 9:00. Например, в района на Москва интервалът от 21:00 до 8:00 през делничните дни и от 22:00 до 10:00 през уикендите се счита за тих през нощта. Освен това има тих час от 13:00 до 15:00.
