Звук и его основные характеристики

Распространение звука в некоторой среде описывается волновыми уравнениями

где u — амплитуда волны, или смещение частиц среды; г, с — соот­ветственно дальность распространения и скорость волны; р,у — давление и плотность среды

Частотное уравнение для звука .

Звук представ­ляет собой сложное колебание в виде линейчатого спектра с основной час­тотой /и кратными частотами (обертонами) 2f, 3f и т. д. У гармонического колебания (тона) спектр состоит из одной частоты. Для непериодических колебаний (шумов) характерны сплошные спектры.

Для АЛС по сравнению с ЭЛС характерна значительно меньшая (на не­сколько порядков) скорость распространения сигналов. Для газов она со­ставляет 0,2... 1,5 км/с, для жидкостей — 0,5. 2 км/с, для твердых сред — 2...8 км/с. Такие малые скорости, а следовательно, малые длины воли на­много повышают разрешающую способность ультразвуковых методов по отношению к электромагнитным при равных частотах.

Длина звуковой волны зависит от частоты и среды распространения.

Характеристикой акустического давления в среде является интенсивность, или сила звука, определяемая через энергию звуковой волны.

Интенсивностью У называется величина, которая равна средней по времени энергии, переносимой звуковой волной через перпендикулярную направлению ее распространения единичную площадку в единицу времени. Для плоской синусоидальной бегущей волны

Параметр z = ус получил название характеристического импеданса среды.

Громкость £ слышимых звуков одинаковой интенсивности зависит от их частот. За единицу громкости принят сои — громкость тона (чистого звука) частотой 1 кГц при интенсивности 40 дБ. Громкость звука в децибелах вычисляют по формуле

где — минимальное давление, которое способно воспринять человеческое ухо, т. е. порог чувствительности.

К основным законам распространения звука относят: законы отражения и преломления звука на границах сред, законы дифракции и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей на границах и закон волноводного распространения в ограниченных участках среды

В большинстве случаев построения АЛС ограничиваются моделью гео­метрической, или линейной, акустики. Эта модель соответствует зоне упругих деформаций среды распространения звука.

Границы применения линейной акустической модели определяются двумя основными факторами: интенсивностью звуковых волн и их частотой.

Критерием применимости аппарата линейной акустики служит неравенство

где М — число Маха.

Данное неравенство означает, что колебательная скорость частиц среды V должна быть много меньше скорости распространения звука в этой среде (на практике это выражение выполняется довольно часто).

Степень отклонения от геомет­рической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяется параметром

где r - расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Затухание звукового сигнала представляет собой уменьшение амплиту­ды u и, следовательно, интенсивности J звуковой волны по мере ее распро­странения:

где — в дБ/м; х — расстояние от точки излучения до некоторой точки волны в направлении ее распространения.

Затухание вызывают следующие основные факторы: расхождение фрон­та волны по мере удаления от источника, рассеяние и поглощение звука.

В звуковой локации также используют представление о коэффициенте ослабления — соответственно мощности сигна­ла приемника и излучателя). С увеличением расстояния между объектами связи уменьшается, а его значение зависит от размеров излучателя и час­тоты сигнала.

В задачах де­фектоскопии, когда дальность распространения ультразвука мала, за­тухание оценивают одним коэффициентом — коэф­фициент рассеяния.

Коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты, следо­вательно, затухание ультразвуковых волн существенно выше, чем звуковых.