Звуковое поле

Звуково́е по́ле — область пространства, заполненная частицами упругой среды, в котором распространяются звуковые волны.

Размеры этой области пространства обычно превышают длину звуковой волны, распространяющейся в ней.

Физические основы

Описание звукового поля подразумевает знание поведения во времени и пространстве таких величин, как смещение колеблющейся частицы вокруг положения равновесия, колебательной скорости частицы, звукового давления ($P$), а также плотности (ρ) и температуры среды ($T$), в которой присутствует звуковое поле. Описание звукового поля считается полным, если известно пространственно-временное распределение хотя бы одной из этих величин. Среда, в которой создаётся звуковое поле, считается однородной. При исследовании звукового поля применяются методы волновой и геометрической акустики.

Существуют два вида звуковых полей — свободное звуковое поле (влияние отражающих и ограничивающих поверхностей не учитывается или отсутствует), и диффузное звуковое поле (звуковая мощность, приходящаяся на единицу площади во всех направлениях является константой).

Звуковые поля также характеризуют плотностью звуковой энергии, интенсивностью звука, если происходит перенос усреднённой по времени звуковой энергии через единичную площадку, перпендикулярную вектору распространения звуковой волны.

В звуковых полях волны распространяются со скоростью, называемой скоростью звука в данной среде, которая определяется как

$v_{s}=331\left({\frac {T}{273}}\right)$,

где $v_{s}$ — скорость звука в данной среде, $T$ — температура в градусах Кельвина.

В большинстве технических применений скорость звука в воздухе принимается равной $v_{s}=340$ м/с. Это значение получено при нормальных условиях: температуре воздуха 17 °С и давлении 101 325 Па.

Звуковое давление в звуковых полях считается положительным, если на­прав­ле­ние ко­ле­ба­тель­ной ско­ро­сти час­тиц сов­па­да­ет с на­прав­ле­ни­ем рас­про­стра­не­ния звуковой вол­ны, и отрицательным, если направлено в противоположную сторону.

В случае стоячих звуковых волн, возникающих в звуковом поле, ограниченном стенками или при определённых начальных условиях, возникают максимумы и нули звукового давления, причём на максимумы звукового давления приходятся нули колебательной скорости частиц упругой среды, а в нулях колебательная скорость частиц максимальна.

Звуковое давление, создаваемое источником звука, уменьшается обратно пропорционально расстоянию от него до точки измерения.

Человеческое ухо способно воспринимать звуковое давление в диапазоне $2\cdot 10^{-5}-2\cdot 10^{2}$ Па и интенсивность звука в диапазоне $2\cdot 10^{-12}-2\cdot 10^{2}$ Вт/м² при частоте $f$ = 1000 Гц.

Измерения параметров звукового поля

При изучении звуковых полей чаще всего измеряют звуковое давление и его градиент в некоторых точках звукового поля. Результаты измерений подставляют в уравнения Эйлера, решением которого являются колебательная скорость частиц. Усредняя эту скорость по времени и умножая на величину звукового давления, получают макропараметр — интенсивность звука.

Вторым способом измерения параметров звукового поля является конечно-разностная аппроксимация, в котором находят градиент звукового давления с помощью двух микрофонов акустического зонда. Разность звуковых давлений, полученных от измерительных микрофонов, делят на расстояние между микрофонами. Полученную кусочно-линейную функцию интегрируют и полученные мгновенные значения колебательной скорости умножают на мгновенные значения звукового давления. Полученный результат усредняют по времени и считают его равным значению интенсивности звука в данном звуковом поле.

Уровни интенсивности звука, звукового давления, мощности и колебательной скорости частиц измеряют в децибелах. Звуковая мощность источника измеряется путём окружения опорной поверхностью и умножением среднего значения интенсивности звука на этой поверхности на её площадь. В качестве опорных поверхностей используют коробку, полушарие и конформную поверхность.

Для измерения параметров звукового поля применяют микрофоны (в газах), гидрофоны (в жидкостях), пьезокерамические датчики (в случае твёрдых тел), зонды акустические и другие приёмники звука. Для визуализации звуковых полей сложной формы используют методы визуализации звукового поля.

Особо ответственные измерения звуковых полей производят в специальных устройствах — заглушённых (безэховых) камерах.

Литература

• Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. — М. : Издательство иностранной литературы, 1957.
• Блинова Л. П., Колесников А. Е., Ланганс Л. Б. Акустические измерения. — М. : Государственное издательство стандартов, 1971.
• Каневский И. Н. Фокусировка звуковых и ультразвуковых волн. — М. : Наука, 1977.
• Скучик Е. Основы акустики. — М. : Мир, 1976.
• Рэлей Д. В. С. Теория звука. — М. : Гостехиздат, 1955.
• Трубецков Д. И., Рожнев А. Г. Линейные колебания и волны : учебное. пособие для студентов вузов. — М. : Издательство физико-математической литературы, 2001.
• Михайлов И. Г., Соловьёв В. А., Сырников Ю. П. Основы молекулярной акустики. — М. : Наука, 1964.
• Мэзон У. Физическая акустика. Т. 2, ч. А. Свойства газов, жидкостей и растворов. — М. : Мир, 1968.
• Обухов А. М. Турбулентность и динамика атмосферы : избранные труды. — Л. : Гидрометеоиздат, 1988.
• Матвеев Л. Т. Физика атмосферы : учебник для студентов вузов. — СПб. : Гидрометеоиздат, 2000.
• Красненко Н. П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. — Томск : Гидрометеоиздат, 2001.

Ссылки

• Sounds Amazing; a KS3/4 learning resource for sound and waves Архивная копия от 13 марта 2012 на Wayback Machine (uses Flash)
• HyperPhysics: Sound and Hearing Архивная копия от 2 февраля 2009 на Wayback Machine
• Introduction to the Physics of Sound Архивная копия от 23 декабря 2008 на Wayback Machine
• Hearing curves and on-line hearing test Архивная копия от 21 января 2009 на Wayback Machine
• Conversion of sound units and levels Архивная копия от 18 января 2009 на Wayback Machine
• Sound calculations Архивная копия от 18 января 2009 на Wayback Machine
• Audio Check: a free collection of audio tests and test tones playable on-line Архивная копия от 3 октября 2019 на Wayback Machine
• More Sounds Amazing; a sixth-form learning resource about sound waves Архивная копия от 10 февраля 2019 на Wayback Machine

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Звуковое поле», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Звуковое_поле» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».