Звуковое поле

Описание звукового поля подразумевает знание поведения во времени и пространстве таких величин, как смещение колеблющейся частицы вокруг положения равновесия, колебательной скорости частицы, звукового давления (${\displaystyle P}$), а также плотности (ρ) и температуры среды (${\displaystyle T}$), в которой присутствует звуковое поле^[2]. Описание звукового поля считается полным, если известно пространственно-временное распределение хотя бы одной из этих величин. Среда, в которой создаётся звуковое поле, считается однородной^[3]. При исследовании звукового поля применяются методы волновой и геометрической акустики^[4].

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^[5].

В звуковых полях волны распространяются со скоростью, называемой скоростью звука в данной среде, которая (например, для воздуха) приблизительно равна:

${\displaystyle v_{s}=331+0,6\cdot T}$,

где ${\displaystyle v_{s}}$ — скорость звука в данной среде (воздухе), ${\displaystyle T}$ — температура в градусах Цельсия. Согласно этой приблизительной формуле, при ${\displaystyle T=25\,^{\circ }{\text{C}}}$ скорость звука в воздухе равна ${\displaystyle v_{s}\thicksim 346\,{\Biggl [}{\frac {\text{м}}{\text{с}}}{\Biggl ]}.}$

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

Для идеальных газов формула скорости звука вычисляется по формуле:

${\displaystyle v_{s}={\sqrt {\frac {\gamma P}{\rho }}}={\sqrt {\frac {\gamma RT}{\mu }}},}$

где ${\displaystyle R}$ — универсальная газовая постоянная, ${\displaystyle T}$ — абсолютная температура, ${\displaystyle \mu }$ — молекулярная масса газа, ${\displaystyle \gamma }$ — отношение теплоёмкостей при постоянном давлении и объёме.

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, минимумы 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, для большинства источников звука уменьшается обратно пропорционально расстоянию от него до точки измерения.

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

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 является 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^[6].