Natężenie dźwięku to ilość energii, jaką fala dźwiękowa przenosi w ciągu 1 sekundy przez jednostkę powierzchni nośnika. Intensywność zależy od częstotliwości fali, ciśnienia akustycznego. Jak widać, z intensywnością związanych jest wiele innych pojęć: fala dźwiękowa, jej częstotliwość, ciśnienie akustyczne, przepływ energii dźwiękowej. Aby zrozumieć, czym jest intensywność, szczegółowo opiszemy każdy termin z nim związany.
Jak pojawia się dźwięk
Dźwięk może pochodzić z wibrującego ciała. Musi wibrować wystarczająco szybko, aby wywołać zakłócenie w ośrodku i wygenerować falę akustyczną. Jednak do jego wystąpienia konieczny jest jeszcze jeden warunek: podłoże musi być elastyczne. Elastyczność to odporność na ściskanie lub wszelkiego rodzaju odkształcenia (jeśli mówimy o ciałach stałych). Tak, ciała stałe, ciecze, gazy i powietrze (jako mieszanina różnych gazów) mają elastyczność, ale w różnym stopniu.
Wartość elastycznościokreślona przez gęstość. Wiadomo, że media stałe (drewno, metale, skorupa ziemska) przewodzą dźwięk znacznie lepiej niż płynne. A jeśli porównamy wodę i powietrze, to w drugim medium fala dźwiękowa rozbiega się najgorzej.
Sprężystość powietrza i gęstszych mediów wynika z różnych powodów. W cieczach i ciałach stałych działają siły oddziaływania międzycząsteczkowego. Utrzymują one cząsteczki razem w sieci krystalicznej i bardzo łatwo jest rozchodzić się fali dźwiękowej przez jej węzły.
Cząsteczki powietrza nie są ze sobą połączone, dzielą je duże odległości. Cząsteczki nie rozpraszają się dzięki ciągłemu i chaotycznemu ruchowi oraz grawitacji. Od dawna zauważono: im bardziej rozrzedzone powietrze (na przykład w wyższych warstwach atmosfery), tym mniejsza intensywność, głośność dźwięku. Na Księżycu panuje zupełna cisza, nie dlatego, że nie ma nic do dźwięku, ale z powodu braku powietrza.
Jak fala dźwiękowa przemieszcza się w powietrzu
Największym zainteresowaniem jest dla nas propagacja fali dźwiękowej (akustycznej) w powietrzu. Kiedy ciało odchyla się od swojej początkowej pozycji, ściska pobliskie powietrze z jednej strony. Z drugiej strony medium jest rozrzedzone. Wracając do swojej pierwotnej pozycji, źródło dźwięku odchyla się na drugą stronę i tam kompresuje powietrze. Trwa to, aż ciało przestanie się poruszać.
Jak zachowują się cząsteczki? Do ich chaotycznego ruchu dodaje się oscylacyjny. W przeciwieństwie do stałego ruchu termicznego cząsteczek, ruch wibracyjny ma jeden kierunek. W warstwie powietrzaktóry jest prostopadły do kierunku ugięcia ciała, cząstki zaczynają się przepychać. Poruszają się wraz ze źródłem dźwięku w tym samym kierunku. W ten sposób naprzemienne rozrzedzenie powietrza jest przenoszone z jednej warstwy powietrza na drugą. To jest fala akustyczna. Natężenie dźwięku to wartość zależna od głównych cech fali – częstotliwości i długości.
Częstotliwość dźwięku
Częstotliwość fali zależy od tego, jak szybko wibruje źródło dźwięku. Wszystkie ciała wibrują z różnymi częstotliwościami, ale nie każda częstotliwość jest dostępna dla naszej percepcji. Fale, które słyszymy, nazywane są dźwiękiem. Częstotliwość fali akustycznej jest mierzona w hercach (1 Hz odpowiada 1 oscylacji na sekundę).
Naprzemienne warstwy sprężonego i rozrzedzonego powietrza. Długość fali jest równa odległości między sąsiednimi warstwami, w których ciśnienie jest takie samo. Dźwięk nie rozchodzi się w nieskończoność, ponieważ wraz ze wzrostem odległości fala słabnie. To, jak daleko pokonuje, zależy od długości i częstotliwości fali akustycznej. Ilości te są wprost proporcjonalne: fale o wysokiej częstotliwości są krótsze niż fale o niskiej częstotliwości. Mówimy o dźwiękach o wysokiej częstotliwości, ponieważ fale o wysokiej i niskiej częstotliwości generują niskie dźwięki.
Poziom natężenia dźwięku jest bezpośrednio zależny od częstotliwości drgań akustycznych i długości fali. Tak więc pisk komara brzmi z częstotliwością 10 tysięcy Hz i ma długość fali tylko 3,3 cm Ryczenie krowy to intensywny dźwięk, który można usłyszeć z co najmniej 10 metrów. Jego częstotliwość wynosi 30 Hz.
Ciśnienie akustyczne
W każdej warstwiepowietrze, do którego dotarła fala dźwiękowa, ciśnienie zmienia się w górę lub w dół. Wielkość, o jaką wzrasta w porównaniu z ciśnieniem atmosferycznym, nazywana jest ciśnieniem akustycznym (dźwiękowym).
Nasze ucho jest niesamowicie wrażliwe. Trudno w to uwierzyć, ale rozróżnia zmianę ciśnienia o 0,01 milionowej grama na jednostkę powierzchni. Szelest wytwarza bardzo małe ciśnienie, równe 310-5 N/m2. Ta wartość jest 31010 razy mniejsza niż ciśnienie atmosferyczne. Okazuje się, że ludzki słuch jest dokładniejszy niż wagi chemiczne. Fizjolodzy badali elastyczność błony bębenkowej i nacisk wywierany przez najcichszy dźwięk. Po porównaniu danych doszli do wniosku, że błona bębenkowa wybrzusza się na odległość mniejszą niż wielkość atomu.
Natężenie dźwięku i ciśnienie dźwięku są ze sobą bezpośrednio powiązane. Gdy ciało wibruje z niską częstotliwością, znacznie zwiększa ciśnienie - dźwięk wychodzi mocny. Intensywność (siła) dźwięku jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia akustycznego.
Przepływ energii dźwiękowej
Dźwięki o różnej częstotliwości i intensywności są określane przez przepływ energii dźwięku. Fala dźwiękowa rozchodzi się we wszystkich kierunkach w postaci kuli. Im dalej fala się przemieszcza, tym staje się słabsza. Energia, którą niesie, jest rozprowadzana na coraz większej powierzchni – dźwięk cichnie. Kwadrat energii dźwięku jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu odległości od wibrującego ciała.
Przepływ energii dźwięku to ilość energii kinetycznej, która przenosifalować po powierzchni na sekundę. Odnosi się to do powierzchni ośrodka, na przykład warstwy powietrza usytuowanej pod kątem prostym do kierunku fali sprężystej. Przepływ energii jest mierzony w watach (W).
Moc dźwięku
Siła (intensywność) dźwięku jest wielkością, którą musisz znaleźć, aby wiedzieć, jaki jest przepływ energii. Jego wartość należy podzielić przez powierzchnię prostopadłą do propagacji fali (wm2).
Natężenie dźwięku jest oznaczone literą I. Minimalna wartość (I0) wynosi 10-12 W/m2. Im wyższa intensywność, tym głośniejszy dźwięk. Zależność siły dźwięku od głośności ustalono empirycznie. Zaobserwowano, że przy 10-krotnym zwiększeniu natężenia głośność wzrasta o 10 decybeli (db), a przy 100-krotnym – o 20 dB.
Dźwięki słyszalne i niesłyszalne
Fizjologia pozwala osobie słyszeć dźwięki tylko w określonych granicach. Jeśli ciało wibruje z częstotliwością większą niż 16-20 kHz (kHz) i mniejszą niż 16-20 Hz, nasze ucho nie będzie w stanie tego dostrzec.
Częstotliwość i intensywność dźwięku są ze sobą powiązane. Fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości przekazują bardzo mało energii. Nie wystarczy zmienić ciśnienie akustyczne na tyle, aby nasza błona bębenkowa wprawiała w drgania. Mówi się, że takie dźwięki są poza progiem słyszenia.
Fala o częstotliwości mniejszej niż 16 tysięcy Hz nazywana jest ultradźwiękiem. Najbardziej znane stworzenia„rozmawiaj” z ultradźwiękami, to delfiny i nietoperze. Infradźwięki, mimo że ich nie słyszymy, o określonym natężeniu (190-200 dB) mogą prowadzić do śmierci, ponieważ za bardzo zwiększają ciśnienie w pęcherzykach płucnych.
Co ciekawe, przy różnych częstotliwościach zależność głośności i natężenia dźwięku jest różna. Przy średnich częstotliwościach (około 1000 Hz) osoba odczuwa zmiany natężenia tylko o 0,6 dB. Ograniczanie poziomów częstotliwości to zupełnie inna sprawa. Na nich ledwo możemy odróżnić zmianę natężenia dźwięku o 3 jednostki.
Klasyfikacja dźwięków
Natężenie dźwięku jest mierzone w W/m2, jednak decybele są używane do porównywania dźwięków ze sobą i przy minimalnym poziomie intensywności.
Dźwięki są podzielone na:
- bardzo słaby (0-20 dB);
- słabe (21-40 dB);
- umiarkowane (41-60 dB);
- głośno (61-80 dB);
- bardzo głośno (81-100 dB);
- ogłuszający (ponad 100 dB).
Rysunek przedstawia przykłady najczęściej występujących dźwięków o różnym natężeniu.
Dopuszczalne stawki
Ciągły lub utrzymujący się przez długi czas szum nazywany jest szumem tła. Dla mieszkania 20-30 dB to normalny poziom hałasu w tle. Jest odbierany przez człowieka jako cisza. Dźwięki na poziomie 40 dB są również dopuszczalne, ale głośność 60 dB jest akceptowalna dla biur i instytucji. Długotrwała ekspozycja na dźwięki o głośności 70 dB prowadzi dozaburzenia ośrodkowego układu nerwowego. Właśnie z taką głośnością ulica „brzmi”, a na ruchliwych alejkach hałas dochodzi do 85-90 dB. Dźwięki o natężeniu 100 dB osłabiają słuch i mogą prowadzić do całkowitej utraty słuchu.
Natężenie dźwięku to wartość, której dopuszczalne wartości określają przepisy sanitarne (SanPiN). Okres, w którym wolno włączać głośne sprzęty AGD, głośno rozmawiać, dokonywać napraw itp. określa ustawa o zapewnieniu ciszy i spokoju. Jest pobierana osobno dla każdego obszaru. Czas w każdym regionie może się różnić: gdzieś godziny dzienne zaczynają się o 7:00, a gdzieś o 9:00. Na przykład w regionie moskiewskim przedział od 21:00 do 8:00 w dni powszednie i od 22:00 do 10:00 w weekendy jest uważany za cichy w nocy. Dodatkowo obowiązuje cicha godzina od 13:00 do 15:00.
