Інтенсивність звуку — це кількість енергії, яке переносить звукова хвиля за 1 секунду через одиницю площі середовища. Інтенсивність залежить від частоти хвилі, від акустичного тиску. Як бачите, з інтенсивністю пов’язано багато інших понять: звукова хвиля, її частота, акустичний тиск, потік звукової енергії. Щоб зрозуміти, що таке інтенсивність, ми детально розберемо кожний пов’язаний з нею термін.
Як з’являється звук
Звук може виникнути від коливного тіла. Воно повинно вібрувати досить швидко, щоб створити обурення в середовищі і породити акустичну хвилю. Однак для її виникнення необхідно ще одна умова: середа повинна бути пружною. Пружність — це здатність протистояти стиску або будь-якого іншого виду деформації (якщо говорити про твердих тілах). Так, володіють пружністю і тверді тіла, і рідини, і гази, і повітря (як суміш різних газів), але різною мірою.
Величина пружності визначається щільністю. Відомо, що тверді середовища (дерево, метали, земна кора) проводять звук набагато краще, ніж рідкі. А якщо порівнювати воду і повітря, то в другому середовищі звукова хвиля розходиться найгірше.
Пружність повітря і більш щільних середовищ обумовлені різними причинами. У рідинах і твердих тілах є сили міжмолекулярної взаємодії. Вони утримують частинки разом у вигляді кристалічної решітки, і звукової хвилі дуже легко поширюватися за її вузлів.
Молекули повітря не пов’язані між собою, їх розділяють великі відстані. Частинки не розсіюються завдяки безперервному і безладного руху, а також силі тяжіння. Давно помічено: чим більш розріджене повітря (наприклад, у верхніх шарах атмосфери), тим менше інтенсивність, гучність звуку. На Місяці повна тиша, але не тому, що там нічому звучати, а за відсутності повітря.
Як звукова хвиля біжить по повітрю
Найбільший інтерес для нас представляє поширення звукової (акустичної хвилі в повітрі. Коли тіло відхиляється від початкового положення, воно стискає довколишнє повітря з одного боку від себе. З протилежного — середовище разреживается. Повернувшись у вихідне положення, джерело звуку відхиляється в інший бік і стискає повітря там. Так продовжується до тих пір, поки тіло не припинить рух.
Як же поводяться частинки? До їх хаотичного руху додається коливальний. На відміну від постійного теплового руху молекул, коливальний має один напрямок. В шарі повітря, який перпендикулярний напрямку відхилення тіла, частинки починають підштовхувати один одного. Вони рухаються з джерелом звуку в одному напрямку. Таким чином, чергуються згущення-розрідження повітря передаються від одного шару повітря до іншого. Це і є акустична хвиля. Інтенсивність звуку — це величина, що залежить від основних характеристик хвилі — частоти і довжини.
Частота звуку
Частота хвилі залежить від того, як швидко вібрує джерело звуку. Всі тіла коливаються з різними частотами, але не кожна частота доступна нашому сприйняттю. Ті хвилі, які ми чуємо, називаються звуком. Частота акустичної хвилі вимірюється в герцах (1 Гц дорівнює 1 коливання в секунду).
Шари стисненого і зрідженого повітря чергуються. Довжина хвилі дорівнює відстані між сусідніми шарами, в яких однаковий тиск. Звук не поширюється нескінченно далеко, тому що зі збільшенням дистанції хвиля слабшає. Те, як далеко він розійдеться, залежить від довжини і частоти акустичної хвилі. Ці величини прямо пропорційні: високочастотні хвилі коротше, ніж низькочастотні. Про звуки високої частоти ми говоримо як про високі хвилі низької частоти породжують низькі звуки.
Рівень інтенсивності звуку має пряму залежність від частоти акустичних коливань і довжини хвилі. Так, комариний писк звучить з частотою 10 тис. Гц і має довжину хвилі всього 3,3 див. Мукання корови — це інтенсивний звук, який чути мінімум з 10 метрів. Його частота — 30 Гц.
Акустичний тиск
У кожному шарі повітря, якого досягла звукова хвиля, тиск змінюється то більшу, то меншу сторону. Величина, на яку воно, у порівнянні з атмосферним, збільшується, називається акустичним (звуковим) тиском.
Наше вухо разюче чутливо. Важко повірити, але воно розрізняє зміна тиску в 0,01 мільйонної частки грама на одиницю площі. Шерех створює дуже малий тиск, воно дорівнює 3*10-5 Н/м2. Ця величина в 3*1010 разів менше атмосферного тиску. Виявляється, людський слух точніше хімічних вагів. Фізіологи вивчили пружність барабанної перетинки і тиск, який чинить самий тихий звук. Зіставивши дані, вони прийшли до висновку, що барабанна перетинка вигинається на відстань, менше, ніж розміри атома.
Інтенсивність звуку і звуковий тиск мають пряму залежність. Коли тіло коливається з низькою частотою, що воно значно підвищує тиск — звук виходить сильним. Інтенсивність (сила) звука пропорційна квадрату акустичного тиску.
Потік звукової енергії
Звуки різної частоти і інтенсивності визначаються потоком звукової енергії. Звукова хвиля поширюється в усі сторони у вигляді кулі. Чим далі розходиться хвиля, тим вона стає слабкішим. Енергія, яку вона несе, розподіляється на зростання площа — звук затихає. Квадрат звукової енергії обернено пропорційний квадрату відстані до вібруючого тіла.
Потік звукової енергії — це кількість кінетичної енергії, яка проносить хвиля через площу поверхні за секунду. Мається на увазі поверхню середовища, наприклад, шар повітря, розташований під прямим кутом до напрямку пружної хвилі. Потік енергії вимірюється у ватах (Вт).
Сила звуку
Сила (інтенсивність) звуку — це величина, для знаходження якої потрібно знати, який потік енергії. Його значення слід розділити на площу поверхні, перпендикулярним поширенню хвилі (в м2).
Інтенсивність звуку позначається буквою I. Мінімальне значення (I0) становить 10-12 Вт/м2. Чим вище інтенсивність, тим більш гучним здається звук. Залежність сили звуку і гучності встановили досвідченим шляхом. Було помічено, що коли інтенсивність піднімається в 10 разів, гучність збільшується на 10 децибел (дб), коли в 100 разів — на 20 дб.
Чутні і нечутні звуки
Фізіологія дозволяє людині чути звуки тільки в певних межах. Якщо тіло, що коливається з частотою більше 16-20 кілогерц (кГц) і менше 16-20 Гц, наше вухо не зможе цього сприйняти.
Частота та інтенсивність звуку пов’язані між собою. Звукові хвилі високої частоти передають дуже незначна кількість енергії. Її не вистачає на те, щоб змінити акустичний тиск настільки, щоб наша барабанна перетинка завибрировала. Про таких звуках кажуть: вони знаходяться за порогом чутності.
Хвиля з частотою менше 16 Гц називається ультразвуком. Найвідоміші істоти, які «розмовляють» ультразвуком, — це дельфіни і летючі миші. Інфразвук, хоча ми його не чуємо, при певній інтенсивності (190-200 дб) може призвести до смерті, тому що занадто сильно підвищує тиск у легеневих альвеолах.
Цікаво, що на різних частотах залежність гучності і інтенсивності звуку різна. На середніх частотах (близько 1000 Гц) людина відчуває зміни інтенсивності усього на 0,6 дб. Граничні рівні частоти — зовсім інша справа. На них ми навряд розрізняємо зміна інтенсивності звуку на 3 одиниці.
Класифікація звуків
Інтенсивність звуку вимірюється в Вт/м2, однак для порівняння звуків між собою і з мінімальним рівнем інтенсивності використовують децибели.
Звуки поділяються на:
- дуже слабкі (0-20 дб);
- слабкі (21-40 дб);
- помірні (41-60 дб);
- гучні (61-80 дб);
- дуже гучні (81-100 дб);
- оглушливі (більше 100 дб).
На малюнку наведено приклади найпоширеніших звуків різної інтенсивності.
Допустимі норми
Постійний шум або той, що зберігається протягом тривалого часу, називається фоновим. Для квартири 20-30 дб — це нормальний рівень фонового шуму. Він сприймається людиною як тиша. Звуки в 40 дб теж допустимі, а гучність в 60 дб прийнятна для офісів, установ. Тривалий вплив звуків гучністю 70 дб призводить до порушень центральної нервової системи. Саме з такою гучністю “звучить” вулиця, а на жвавих проспектах шум досягає 85-90 дб. Звуки в 100 дб знижують слух і можуть призвести до його повної втрати.
Інтенсивність звуку — це величина, допустимі значення якої прописані у санітарних правилах і нормах (Санпін). Період часу, який допускається включати галасливі побутові прилади, голосно розмовляти, робити ремонт і т. п. визначається Законом «Про забезпечення тиші та спокою». Його приймають окремо для кожної області. Час у кожному регіоні може відрізнятися: десь денні години починаються в 7:00 ранку, а десь-в 9:00. Наприклад, в Московській області, тихим нічним часом вважається період з 21:00 по 8:00 в будні дні, з 22:00 до 10:00 у вихідні. Крім того, існує тихий годину з 13:00 до 15:00.
