Характеристика звуковых волн физика

SA Звуковые волны

Характеристика звуковых волн физика

Звуки приносят человеку жизненно важную информацию — с их помощью мы общаемся, слушаем музыку, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

  • Звуковая волна — упругая продольная волна, вызывающая у человека слуховые ощущения.Колебания источника звука (например, струн или ых связок) вызывают появление продольной волны. Достигнув человеческого уха, звуковые волны заставляют барабанную перепонку совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте колебаний источника. Свыше 20 тыс. нитевидных рецепторных окончаний, находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы. При передаче импульсов по нервным волокнам в головной мозг у человека возникают определенные слуховые ощущения.

Таким образом, в процессе распространения звуковой волны меняются такие характеристики среды, как давление и плотность.

Звуковые волны, воспринимаемые органами слуха, вызывают звуковые ощущения.

Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом:

  • инфразвук (ν < 16 Гц);
  • слышимый человеком звук (16 Гц < ν < 20000 Гц);
  • ультразвук (ν > 20000 Гц);
  • гиперзвук (109 Гц < ν < 1012-1013 Гц).

Человек не слышит инфразвук, но каким-то образом эти звуки воспринимает. Так как например, опыты показали, что инфразвук вызывает неприятные тревожные ощущения.

Многие животные могут воспринимать ульразвуковые частоты. Например, собаки могут слышать звуки до 50000 Гц, а летучие мыши — до 100000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и многим другим морским животным ориентироваться в толще воды.

Физические характеристики звука

Одной из важнейших характеристик звуковых волн является спектр.

  • Спектром называется набор различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.

Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.

Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.

По типу спектра звуки разделяются на шумы и музыкальные тона.

  • Шум — совокупность множества разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т.п.) — представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр).С развитием промышленности появилась новая проблема — борьба с шумом. Возникло даже новое понятие «шумовое загрязнение» среды обитания. Шум, особенно большой интенсивности, не просто надоедает и утомляет — он может и серьезно подорвать здоровье.
  • Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты.

С помощью музыкальных тонов создается музыкальная азбука — ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах.

  • Музыкальный звук (созвучие) — результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий наименьшей частоте. Основной тон называется также первой гармоникой. Все остальные тоны называются обертонами. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.

Любой звук, помимо частоты, характеризуется интенсивностью. Так реактивный самолет может создать звук интенсивностью порядка 103 Вт/м2, мощные усилители на концерте в закрытом помещении — до 1 Вт/м2, поезд метро — около 10–2 Вт/м2.

Чтобы вызвать звуковые ощущения, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, называемой порогом слышимости. Интенсивность звуковых волн, при которой возникает ощущение давящей боли, называют порогом болевого ощущения или болевым порогом.

Интенсивность звука, улавливаемая ухом человека, лежит в широких пределах: от 10–12 Вт/м2 (порог слышимости) до 1 Вт/м2 (порог болевого ощущения). Человек может слышать и более интенсивные звуки, но при этом он будет испытывать боль.

Уровень интенсивности звука L определяют по шкале, единицей которой является бел (Б) или, что гораздо чаще, децибел (дБ) (одна десятая бела). 1 Б — самый слабый звук, который воспринимает наше ухо. Эта единица названа в честь изобретателя телефона Александра Белла. Измерение уровня интенсивности в децибелах проще и поэтому принято в физике и технике.

Уровень интенсивности L любого звука в децибелах вычисляется через интенсивность звука по формуле

\(L=10\cdot lg\left( \frac{I}{I_0}\right),\)

[attention type=yellow]

где I — интенсивность данного звука, I0 — интенсивность, соответствующая порогу слышимости.

[/attention]

В таблице 1 приведен уровень интенсивности различных звуков. Тем, кто при работе подвергается воздействию шума свыше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Таблица 1

Уровень интенсивности (L) звуков

Источник звука L, дБ Источник звука L, дБ
Порог слышимости 0 Будильник 80
Шорох листьев 10 Громкая музыка 80
Мурлыкание кошки 15 Громкий крик (1,5 м) 100
Шепот 20 Отбойный молоток 110
Тихая комната 35 Гром 110
Разговор (1 м) 60 Реактивный двигатель (25 м) 140
Пылесос (1 м) 70

Физическим характеристикам звука соответствуют определенные физиологические (субъективные) характеристики, связанные с восприятием его конкретным человеком. Это обусловлено тем, что восприятие звука — процесс не только физический, но и физиологический.

Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей (это объективные, не зависящие от человека характеристики звука) по-разному, в зависимости от «характеристик приемника» (здесь влияют субъективные индивидуальные черты каждого человека).

Основными субъективными характеристиками звука можно считать громкость, высоту и тембр.

  • Громкость (степень слышимости звука) определяется, как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц.При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 10 дБ. Вследствие этого, звук в 50 дБ оказывается в 100 раз интенсивнее звука в 30 дБ.
  • Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.
  • Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, флейты и гитары, голоса людей (табл. 2).

Таблица 2

Частота ν колебаний различных источников звука

Источник звука ν, Гц Источник звука ν, Гц
Мужской голос: 100 – 7000 Контрабас 60 – 8 000
бас 80 – 350 Виолончель 70 – 8 000
баритон 100 – 400 Труба 60 – 6000
тенор 130 – 500 Саксафон 80 – 8000
Женский голос: 200 – 9000 Рояль 90 – 9000
контральто 170 – 780Музыкальные тона:
меццо-сопрано 200 – 900 Нота до 261,63
сопрано 250 – 1000 Нота ре 293,66
колоратурное сопрано 260 – 1400 Нота ми 329,63
Орган 22 – 16000 Нота фа 349,23
Флейта 260 – 15000 Нота соль 392,0
Скрипка 260 – 15000 Нота ля 440,0
Арфа 30 – 15000 Нота си 493,88
Барабан 90 – 14000

Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна.

Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше чем в твердых телах (табл. 3).

В вакууме звуковые волны, как и любые механические волны, не распространяются, так как там нет упругих взаимодействий между частицами среды.

Таблица 3.

Скорость звука в различных средах

Среда t, °С υ, м/с
Воздух 0 331
Воздух 20 343
Вода 20 1490
Глицерин 20 1920
Ртуть 20 1450
Лед 0 3280
Сталь 20 5050
Стекло 20 5300
Чугун 20 3850

Скорость звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально \(\sqrt{T},\) где T — абсолютная температура. В воздухе скорость звука υ = 331 м/с при температуре t = 0 °C и υ = 343 м/с при температуре t = 20 °C. В жидкостях и металлах скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение — вода).

Впервые скорость распространения звука в воздухе была определена в 1640 г. французским физиком Мареном Мерсенном. Он измерял промежуток времени между моментами появления вспышки и звука при ружейном выстреле. Мерсенн определил, что скорость звука в воздухе равна 414 м/с.

Применение звука

Инфразвук в технике пока применять не научились. Зато широкое применение получил ультразвук.

  • Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией, а соответствующие приборы — эхолокаторами.

Хорошо известны животные, обладающие способностью к эхолокации — летучие мыши и дельфины. По своему совершенству эхолокаторы этих животных не уступают, а во многом и превосходят (по надежности, точности, энергетической экономичности) современные эхолокаторы, созданные человеком.

Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образован из начальных букв трех английских слов: sound — звук; navigation — навигация; range — дальность).

Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой.

При их помощи могут быть легко обнаружены как отдельные большие предметы или животные, так и стаи небольших рыб или моллюсков.

Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях. УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека. Ультразвуковое излучение, в отличие от рентгеновского, безвредно для человека.

Литература

  1. Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2009. — С. 57-58.
  2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. — М.: Дрофа, 2004. — С. 338-344.
  3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. — М.: Дрофа, 2002. — С. 184-198.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/SA_%D0%97%D0%B2%D1%83%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B

Звуковые волны – свойства, характеристики и примеры применения в физике

Характеристика звуковых волн физика

В общем случае звуковые волны физика рассматривает как распространение возмущений давления в упругих средах. Человеческое ухо улавливает аномалию, воспринимая звук.

Изучающая свойства явления наука называется акустикой. От греческого ἀκούω (слышать). Имеются в виду небольшие изменения параметров в отличие от физики ударных волн.

Звуковые волны

Процесс распространения связан с колебательным механическим движением частиц. Достаточно каким-либо образом создать скачок давления, и частицы «толкнут» соседние.

[attention type=red]

[/attention]

Уравнение звуковой волны в газе (гармоничные колебания) будет выглядеть так:

[attention type=red]

[/attention]
  • p0 – начальное давление (Па);
  • ω – круговая частота (Гц);
  • k – волновое число.

Формулы связи длины звуковой волны, скорости, иные характеристики:

[attention type=red]

[/attention]
  • v – скорость волны (м/с);
  • λ – длина волны (м);
  • T – период (с);
  • f – частота (Гц).

Источник звука

Под источником звука понимают вещь, спровоцировавшую волну. Например, динамик или музыкальный инструмент.

[attention type=red]

[/attention]

В громкоговорителе для извлечения шума используется подвижная мембрана. В духовых инструментах – движение воздуха по внутренним ходам различной геометрии.

Из струнных звук извлекают при помощи трения смычка или при помощи щипков, ударов. Человек выдает речь, вокал, при помощи ых связок.

[attention type=red]

[/attention]

Скорость звуковой волны

Скорость распространения акустической волны является важной физической характеристикой среды или материала, поскольку со скоростью звука передаются любые возмущения.

[attention type=red]

[/attention]

Величина зависит от упругих свойств среды. Например, от давления, температуры. Для атмосферного воздуха важна влажность.

В общем случае определяется отношением модуля всестороннего сжатия и номинальной плотностью.

[attention type=red]

[/attention]

Для практических целей замеряется опытным путем. В жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах.

Громкость

[attention type=red]

[/attention]

Зависит от перемещаемой волной энергии. Замеряют в Вт/м2. Но интенсивность принято измерять в децибелах.

Существует масса приложений для компьютеров, смартфонов. Специалисты вооружаются специализированными устройствами.

Бел – десятичный логарифм отношения текущего уровня интенсивности в фоновому, пороговому. Осталось умножить на 10 (поскольку децибел).

Вот примеры уровня шума для разных источников.

[attention type=red]

[/attention]

Высота и тембр звука

Считается, что человеческое ухо воспринимает с разным успехом частоты диапазона 20…20 000 Гц. Оптимальными для слуха является интервал 1 000…5 000 Гц.

Высота определяется частотой. В связанной с музыкальными инструментами акустике измеряется также в мелах.

[attention type=red]

[/attention]

В музыкальных колонках в зависимости от частот звук может разделяться на полосы (НЧ, СЧ, ВЧ). На каждый громкоговоритель поступает соответственно отфильтрованный звук.

Рассуждения корректны, если имеем гармоничные колебания (синусоида), определенный тон. Примером такого звучания может служить камертон. Реальные инструменты дают дополнительные гармоники (обертона), образующие тембр.

Так выглядит звук от разных источников на одной ноте.

[attention type=red]

[/attention][attention type=red]

[/attention]

Звуковые явления

Звук обладает ярко выраженными волновыми свойствами:

1. Интерференция или сложение. В зависимости от условий волны могут взаимно усиливаться или ослабляться.

[attention type=red]

[/attention]

При проведении крупных концертных мероприятий учитывается возможные «деформации» звука в некоторых участках помещения. Эффект связан с обильным отражением (рефракцией) волн от стен, потолка, пола. Особенно коварно поведение линейных массивов.

Рота бойцов разрушит мост, идя по нему «в ногу». Конструкции не выдерживает наступающего резонанса.

2. Дифракция. Огибание препятствия, если длина волны существенно больше.

[attention type=red]

[/attention]

3.Замеренная частота источника увеличивается в процессе сближения с последним (эффект Доплера).

[attention type=red]

[/attention][attention type=red]

[/attention]

Применение звуковых волн

Помимо ценности общения друг с другом, звук дает возможность наслаждаться музыкой и обогащать свое представление об окружающем мире. Кроме слышимого спектра существуют инфра- и ультразвук. Ниже и выше границ слышимости соответственно.

[attention type=red]

[/attention]

УЗИ (ультразвуковое исследование) позволяет «увидеть» внутренности пациента без скальпеля и небезопасного рентгеновского аппарата. Эхолокатор поставляет морякам информацию о глубинах и рельефе дна. Офицер-гидроакустик обнаружит спрятавшуюся подводную лодку. Характер отражения ультразвука поможет обнаружить скрытый дефект в ответственной детали.

Слабо затухающий в средах инфразвук предупредит о стихийном бедствии. Регистрирующие приборы обнаруживают и локализуют сотрясения почвы и скальных пород. Это важно для изучения и предсказания землетрясений. Таким же образом обнаруживаются запрещенные испытания ядерного оружия. Предупрежден – значит вооружен.

Источник: https://nauka.club/fizika/zvukovye-volny.html

Что такое звук и какими характеристиками обладают звуковые волны?

Характеристика звуковых волн физика

Раскаты грома, музыка, шум прибоя, человеческая речь и все остальное, что мы слышим – это звук. А что такое “звук”?

Источник изображения: pixabay.com

В действительности все, что мы привыкли считаем звуком – это всего лишь одна из разновидностей колебаний (воздуха), которые могут воспринимать наш мозг и органы слуха.

Какая природа у звука

Все звуки, распространяемые в воздухе, представляют собой вибрации звуковой волны. Она возникает посредством колебания объекта и расходится от её источника во всех направлениях.

Колеблющийся объект сжимает молекулы в окружающей среде, а затем создаёт разреженную атмосферу, заставляя молекулы отталкиваться друг от друга всё дальше и дальше.

Таким образом, изменения в давлении воздуха распространяются от объекта, сами молекулы остаются в неизменной для себя позиции.

Воздействие звуковых волн на барабанную перепонку. Источник изображения:prd.go.

th

По мере того, как звуковая волна распространяется в пространстве, она отражается от объектов, встречающихся на её пути, создавая изменения в окружающем воздухе.

Когда эти изменения, достигая вашего уха, воздействуют на барабанную перепонку, нервные окончания подают сигнал в мозг, и вы воспринимаете эти колебания как звук.

Основные характеристики звуковой волны

Самой простой формой звуковой волны является синусоида. Синусоидные волны в чистом виде редко встречаются в природе, однако именно с них следует начинать изучение физики звука, так как любые звуки можно разложить на комбинацию синусоидных волн.

Синусоида чётко демонстрирует три основных физических критерия звука – частоту, амплитуду и фазу.

Частота

Чем реже частота колебаний, тем звук ниже, Источник изображения:ReasonGuide.Ru

Частота – это величина, характеризующая количество колебаний в секунду. Она измеряется в количестве периодов колебания либо в герцах (ГЦ).

Человеческое ухо может воспринимать звук в диапазоне от 20 Гц (низкочастотные) и до 20 КГц (высокочастотные).

Звуки, находящиеся выше данного диапазона называется ультразвуком, а ниже – инфразвуком, и человеческими органами слуха не воспринимаются.

Амплитуда

Чем больше амплитуда звуковой волны, тем громче звук.

Понятие амплитуды (или интенсивности) звуковой волны имеет отношение к силе звука, которую человеческие органы слуха воспринимают как объём или громкость звука.

Люди могут воспринимать достаточно широкий спектр громкости звука: от капающего крана в тихой квартире, и до музыки, звучащей на концерте.

Для измерения громкости используются фонометры (показатели в децибелах), в которых используется логарифмическая шкала чтобы сделать измерения более удобными.

Фаза звуковой волны

Фазы звуковой волны. Источник изображения: Muz-Flame.ru

Используется для того, чтобы описать свойства двух звуковых волн. Если две волны имеют одинаковую амплитуду и частотность, то говорят, что две звуковые волны находятся в фазе.

Фаза измеряется в диапазоне от 0 до 360, где 0 – это значение, показывающее, что две звуковые волны синхронны (в фазе), а 180 – значение, означающее противоположность волн друг к другу (находятся в противофазе). Когда две звуковые волны находятся в фазе, то два звука накладываются и сигналы усиливают друг друга.

[attention type=green]

При совмещении двух сигналов, не совпадающих по амплитуде, из-за разницы давления идёт подавление сигналов, что приводит к нулевому результату, то есть звук исчезает. Этот феномен известен как “подавление фазы”.

[/attention]

При совмещении двух одинаковых аудио сигналов – подавление фазы может стать серьёзной проблемой, так же огромной неприятностью является совмещение оригинальной звуковой волны с волной, отражённой от поверхностей в акустической комнате. Например, когда совмещают левый и правый каналы стерео микшера, чтобы получить гармоничную запись, сигнал может страдать от подавления фаз.

Что такое децибел?

В децибелах измеряется уровень звукового давления или электрического напряжения. Это такая единица, которая показывает коэффициент отношения двух разных величин друг к другу. Бел (названный в честь американского ученого Александра Белла) является десятичным логарифмом, отражающим соотношение двух разных сигналов друг к другу.

Это означает, что для каждого последующего бела в шкале, принимаемый сигнал в десять раз мощнее. Например, звуковое давление громкого звука в миллиарды раз выше, чем у тихого. Для того чтобы отображать такие большие величины, стали использовать относительную величину децибел (дБ) – при этом 1.000.000.000 – это 109, или просто 9.

Принятие физиками акустиками данной величины позволило сделать работу с огромными числами удобнее.

Шкала громкости различных звуков. Источник изображения: Nauet.

ru

На практике получается так, что бел является слишком большой единицей для измерения уровня звука, поэтому вместо него стали использовать децибел, что составляет одну десятую от бела.

Нельзя сказать, что применение децибелов вместо белов – это как использование, скажем, сантиметров вместо метров для обозначения размера обуви, белы и децибелы — относительные величины.

Из выше сказанного понятно, что уровень звука принято измерять в децибелах. Некоторые эталоны уровня звука используются в акустике на протяжении многих лет, начиная со времён изобретения телефона, и по сей день.

Большинство этих эталонов сложно применить относительно современного оборудования, они используются только для устаревших единиц техники.

На сегодняшний день на оборудовании в студиях звукозаписи и вещания используется такая единица, как дБu (децибел относительно уровня 0,775 В), а в бытовой аппаратуре – дБВ (децибел, отсчитываемый относительно уровня 1 В). В цифровой аудио аппаратуре для измерения мощности звука применяется дБFS (децибел полной шкалы).

дБм – “м” обозначает милливатты (мВт), данная единица измерения используется для обозначения электрической мощности. Следует отличать мощность от электрического напряжения, хотя эти два понятия тесно связаны друг с другом. Единицу измерения дБм начали использовать ещё на заре внедрения телефонных коммуникаций, на сегодняшний день её тоже используют в профессиональной аппаратуре.

дБu — в данном случае измеряется напряжение (вместо мощности) относительно эталонного нулевого уровня, за эталонный уровень принято считать 0,75 вольт.

В работе с современной профессиональной аудио аппаратуре дБu заменён на дБм.

[attention type=yellow]

В качестве единицы измерения в сфере звукотехники было удобнее использовать дБu раньше, когда для оценки уровня сигнала было важнее считать электрическую мощность, а не его напряжение.

[/attention]

дБВ – в основе данной единицы измерения так же лежит эталонный нулевой уровень (как и в случае с дБu), однако за эталонный уровень принимают 1 В, что является более удобным, чем цифра 0,775 В. Данная единица измерения звука часто используется для бытовой и полу профессиональной аудио аппаратуры.

дБFS – данная оценка уровня сигнала широко используется в цифровой звукотехнике и сильно отличается от указанных выше единиц измерения.

FS (full scale) – полная шкала, которая используется из-за того, что, в отличие от аналогового звукового сигнала, которое имеет оптимальное напряжение, весь диапазон цифровых значений одинаково приемлем при работе с цифровым сигналом.

0 дБFS – это максимально возможный уровень цифрового звукового сигнала, который можно записать без искажения. У аналоговых стандартов измерения таких, как дБu и дБВ, после уровня 0 дБFS нет запаса по динамическому диапазону.

Если Вам понравилась статья ,поставьте лайкиподпишитесь на каналНАУЧПОП.Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/popsci/chto-takoe-zvuk-i-kakimi-harakteristikami-obladaiut-zvukovye-volny-5bfee53b9f25000ae1f79429

Звук

Характеристика звуковых волн физика

Перед тем, как приступить к рассмотрению темы, дадим определение такому явлению, как звук.

Определение 1

Звук или звуковые волны – это волны, которые способно воспринять человеческое ухо.

При этом звуковые частоты имеют диапазон: примерно от 20 Гц до 20 кГц.

Определение 2

Инфразвук – звуковые волны, имеющие частоту менее 20 Гц.

Ультразвук – волны звука, имеющие частоту более 20 кГц.

Волнам звукового диапазона свойственно распространяться как в газе, так и в жидкости (продольные волны), и в твердом теле (продольные и поперечные волны). Особенно интересно для науки заниматься изучением распространения звуковых волн в газообразной среде, что по сути есть среда нашего обитания.

Определение 3

Акустика – это направление физики, занимающееся изучением звуковых явлений.

Когда звук получает распространение в газе, атомы и молекулы испытывают колебания вдоль направления распространения волны, следствием чего становится изменение локальной плотности ρ и давления p.

Замечание 1

Звуковые волны в газе зачастую называют волнами плотности или волнами давления.

В случае простых гармонических звуковых волн, получающих распространение вдоль оси OX, изменение давления p(x, t) имеет зависимость от координаты x и времени t, которая записывается так:

p(x,t)=p0cosωt±kx.

В аргументе косинуса мы видим два противоположных знака, что имеет отношение к двум направлениям распространения волны. Запишем выражение, которое покажет соотношение таких величин, как круговая частота ω, волновое число k, длина волны λ, скорость звука υ (соотношение будет таким же, как применимо для поперечных волн в струне или резиновом жгуте): 

υ=λT=ωk; k=2πλ; ω=2πf=2πT.

Одной из ключевых характеристик звука является скорость распространения.

Определение 4

Скорость распространения – величина, описывающая звуковую волну, задаваемая инертными и упругими свойствами среды и определяемая для продольных волн в любой однородной среде при помощи формулы:

υ=Bρ.

В указанной формуле B является модулем всестороннего сжатия, ρ – средней плотностью среды.

Формула Лапласа

Первые попытки рассчитать значение скорости звука предпринял Ньютон, предположив равенство упругости воздуха атмосферному давлению pатм.

В таком случае значение скорости звука в воздушной среде – менее 300 м/с, в то время как истинная скорость звука при нормальных условиях (температура 0 °С и давление 1 атм) равна 331,5 м/с, а скорость звука при температуре 20 °С и давлении 1 атм составит 343 м/с.

Лишь по прошествии более ста лет было показано, почему предположение Ньютона не выполняется. Французский физик П.

Лаплас указал, что ньютоновское видение равносильно предположению о быстром выравнивании температуры между областями разрежения и сжатия, и невыполнение его связано с плохой теплопроводностью воздуха и малым периодом колебаний в звуковой волне.

В действительности между областями разрежения и сжатия газа появляется разность температур, существенным образом влияющая на упругие свойства. Лаплас, в свою очередь, выдвинул предположение, что сжатие и разрежение газа в звуковой волне происходят в соответствии с адиабатическим законом: в отсутствии влияния теплопроводности. В 1816 году физик вывел формулу, предназначенную для расчета скорости звуковой волны в воздухе и получившей название формулы Лапласа.

Определение 5

Формула Лапласа для определения скорости звука имеет запись:

υ=γpρ.

Где p является значением среднего давления в газе, ρ – средней плотности, а γ есть некоторая константа, находящаяся в зависимости от свойств газа.

В нормальных условиях скорость звука, рассчитанная по формуле Лапласа, равна υ=332 м/с.

[attention type=red]

В термодинамике имеется доказательство, что константа γ представляет собой отношение теплоемкостей при постоянном давлении Cp и постоянном объеме CV .

[/attention]

Формула Лапласа может быть записана несколько иначе, если использовать уравнение состояния идеального газа. Таким образом, окончательный вид формулы для определения скорости звука будет такой:

υ=γRTM.

В данной формуле T – абсолютная температура, M – молярная масса,
R=8,314 Дж/моль·К – универсальная газовая постоянная. Скорость звука находится в сильной зависимости от свойств газа: скорость звука тем больше, чем легче газ, в котором звуковая волна получает распространение.

Для наглядности приведем некоторые примеры.

Пример 1

Когда звук распространяется в воздушной среде (M=29·10–3 кг/моль) при нормальных условиях: υ=331,5 м/с;

Пример 2

Когда звук распространяется в гелии (M=4·10–3 кг/моль): υ=970 м/с;

Пример 3

Когда звук распространяется в водороде (M=2·10–3 кг/моль): υ=1270 м/с.

В жидкостях и твердых телах скорость звуковых волн еще больше. В воде, например, υ=1480 м/с (при 20 °С), в стали υ=5–6 км/с.

Характеристики звуковых волн

Помимо скорости распространения звук имеет и другие характеристики, связанные с восприятием его человеческими органами слуха.

Громкость звука

Рассуждая о том, как человеческое ухо воспринимает звук, в первую очередь мы говорим об уровне громкости, который зависит от потока энергии или интенсивности звуковой волны. А то, как воздействует звуковая волна на барабанную перепонку, зависит от звукового давления.

Определение 6

Звуковое давление – это амплитудаp0 колебаний давления в волне

Природа отлично потрудилась, создавая такое совершенное устройство, как человеческое ухо: оно способно воспринимать звуки в обширнейшем диапазоне интенсивностей. Мы имеем возможность слышать как слабый писк комара, так и грохот вулкана. 

Определение 7

Порог слышимости – минимальное значение величины звукового давления, при котором звук этой частоты еще воспринимается человеческим ухом.

Болевой порог – это верхняя граница диапазона слышимости человека; та величина звукового давления, при котором звук вызывает в человеческом ухе ощущение боли.

Порог слышимости представляет собой значение p0 около 10–10 атм, т. е.

 10–5 Па: такой слабый звук характеризуется колебанием молекул воздуха в волне звука с амплитудой всего лишь 10–7 см! Болевой же порог соответствует значению p0 порядка 10–4 атм или 10 Па. Т.е.

, человеческое ухо способно к восприятию волн, в которых звуковое давление изменяется в миллион раз. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, диапазон интенсивностей оказывается порядка 1012!

Человеческое ухо, восприимчивое к звукам такого огромного диапазона интенсивности, допустимо сравнить с прибором, которым возможно измерить как диаметр атома, так и размеры футбольного поля.

Замечание 2

Для общей информированности заметим, что обычным разговорам людей в комнате соответствует интенсивность звука, примерно в 106 раз превышающая порог слышимости, а интенсивность звука на рок-концерте находится очень близко к болевому порогу.

Высота звука

Высота звуковой волны – еще одна характеристика звука, влияющая на слуховое восприятие. Человеческие ухо воспринимает колебания в гармонической звуковой волне как музыкальный тон.

Определение 8

Высокий тон – это звуки с колебаниями высокой частоты.

Низкий тон – это звуки с колебаниями низкой частоты.

Опиши задание

Звуки, которые издают музыкальные инструменты, а также звуки голоса человека значимо отличаются друг от друга по высоте тона и по диапазону частот.

К примеру, диапазон наиболее низкого мужского голоса – баса – находится в пределах примерно от
80 до 400 Гц, а диапазон высокого женского голоса – сопрано – от 250 до 1050 Гц.

Определение 9

Октава – это диапазон колебаний звука, который соответствует изменению частоты колебаний в 2 раза.

Скрипка, к примеру, звучит в диапазоне примерно трех с половиной октав (196–2340 Гц),
а пианино – семи с лишним октав (27,5–4186 Гц).

Говоря о частоте звука, который извлекается при помощи струн любого струнного музыкального инструмента, будем иметь в виду частоту f1 основного тона. Однако колебания струн содержат также гармоники, частоты fn которых отвечают соотношению: 

fn=nf1, (n=1, 2, 3,…).

Таким образом, звучащая струна способна излучать целый спектр волн с кратными частотами. Амплитуды An этих волн имеют зависимость от способа возбуждения струны, будь то смычок или молоточек. Эти амплитуды необходимы для придания музыкальной окраски звуку (тембру).

Аналогичный процесс мы наблюдаем, когда звучат духовые музыкальные инструменте. Трубы духовых инструментов служат акустическими резонаторами – акустическими колебательными системами, имеющими способность возбуждаться (резонировать) от звуковых волн определенных частот.

[attention type=green]

Определенные же условия способствуют возникновению внутри трубы стоячей звуковой волны. Рисунок 2.7.1 демонстрирует несколько видов стоячих волн (мод) в органной трубе, закрытой с одного конца и открытой с другого.

[/attention]

Звучание духовых инструментов, так же, как и струнных, состоит из целого спектра волн с кратными частотами.

Рисунок 2.7.1. Стоячие волны в трубе органа (закрыта лишь с одной стороны). Стрелки указывают направления движения частиц воздуха за один полупериод колебаний.

Музыкальные инструменты необходимо периодически настраивать.

Определение 10

Камертон – устройство для настройки музыкальных инструментов, состоящее из настроенных в резонанс деревянного акустического резонатора и соединенной с ним металлической вилки.

Удар молоточка по вилке вызывает возбуждение всей системы камертона с последующим звучанием чистого музыкального тона.

Гортань певца – по сути тоже акустический резонатор. Рисунок 2.7.2 демонстрирует спектры звуковых волн, издаваемых камертоном, струной пианино и низким женским голосом (альтом), звучащими на одной и той же ноте.

Рисунок 2.7.2. Относительные интенсивности гармоник в спектре волну звука при звучании камертона (1), пианино (2) и низкого женского голоса (альт) (3) на ноте «ля» контроктавы (f1=220 Гц). По оси ординат отложены относительные интенсивности II0 .

Звуковые волны, чьи частотные спектры показаны на рисунке 2.7.2, имеют одну и ту же высоту, но различные тембры.

Биения

Разберем также такое явление, как биения.

Определение 11

Биение – это явление, возникающее, когда две гармонические волны с близкими, но все же имеющими отличия частотами, накладываются друг на друга.

Биения сопровождают, к примеру, одновременное звучание двух струн, имеющих настройки практически одинаковой частоты. Человеческий орган слуха воспринимает биения как гармонический тон с громкостью, периодически изменяющейся во времени. Запишем выражения, показывающие закономерность изменения звуковых давлений p1 и p2, которые осуществляют воздействие на ухо: 

p1=A0cos ω1t и p2=A0cos ω2t.

Для удобства примем, что амплитуды колебаний звуковых давлений являются одинаковыми и равны p0=A00.

Согласно принципу суперпозиции полное давление, которое вызывается обеими волнами в каждый момент времени, есть совокупность звуковых давлений, задаваемых каждой волной в тот же момент времени. Запишем выражение, показывающее суммарное воздействие волн, используя тригонометрические преобразования:

p=p1+p2=2A0cosω1-ω22tcosω1+ω22t=2A0cos12∆ωtcosωсрt,

где ∆ω=ω1-ω2, аωср=ω1+ω22.

Рисунок 2.7.3(1) отображает, каким образом давления p1 и p2 зависимы от времени t. В момент времени t=0 оба колебания находятся в фазе, и их амплитуды суммируются.

Поскольку частоты колебаний имеют хоть и небольшие, но отличия, через некоторое время t1 колебания войдут в противофазу. В этот момент суммарная амплитуда станет равна нулю: колебания взаимно «погасятся».

К моменту времени t2=2t1 колебания вновь окажутся в фазе и т. д. (рисунок 2.7.3(2)).

Определение 12

Период биений Тб – это минимальное значение интервала между двумя моментами времени, которым соответствуют максимальная и минимальная амплитуда колебаний.

Формула, которая определяет медленно изменяющуюся амплитуду A результирующего колебания, имеет запись:

A=2A0cos12∆ωt.

[attention type=yellow]

Период Тб изменения амплитуды равен 2πΔω. Мы можем это продемонстрировать, приняв следующее предположение: периоды колебаний давлений в звуковых волнах T1 и T2 являются такими, что T1ω2). За период биений Тб наблюдается некоторое число n полных циклов колебаний первой волны и (n–1) циклов колебаний второй волны: 

[/attention]

Tб=nT1=(n-1)T2.

Отсюда следует:

Tб=T1T2T2-T1=2πω1-ω2=2π∆ω или fб=1Tб=1T1-1T2=f1-f2=∆f.

fб есть частота биений, определяемая как разность частот Δf двух звуковых волн, которые воспринимаются ухом одновременно.

Органы слуха человека способны к восприятию звуковых биений до частот 5–10 Гц. Прослушивание биений – это важный элемент техники настройки музыкальных инструментов.

Рисунок 2.7.3. Биения, возникающие, когда накладываются две звуковые волны с близкими частотами.

Рисунок 2.7.4. Модель явления биений.

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/volny/zvuk/

Свойства звуковой волны. Скорость звука

Характеристика звуковых волн физика
Подробности Категория: Акустика 14.09.2014 21:16 8663

Пение птиц, шум дождя и ветра, раскаты грома, музыка – всё, что мы слышим, мы считаем звуком.

С научной точки зрения звук – это физическое явление, которое представляет собой механические колебания, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразной среде. Они и вызывают слуховые ощущения.

Как появляется звуковая волна

Нажать на картинку

Все звуки распространяются в виде упругих волн. А волны возникают под действием упругих сил, появляющихся, когда тело деформируют. Эти силы стремятся вернуть тело в исходное состояние.

Например, натянутая струна в неподвижном состоянии не звучит. Но стоит только отвести её в сторону, как под действием силы упругости она будет стремиться занять своё первоначальное положение.

Вибрируя, она становится источником звука.

Источником звука может быть любое колеблющееся тело, например, закреплённая с одной стороны тонкая стальная пластинка, воздух в музыкальном духовом инструменте, ые связки человека, колокольчик и т.д.

Что происходит в воздухе при возникновении колебания?

Как любой газ, воздух обладает упругостью. Он сопротивляется сжатию и тут же начинает расширяться, когда давление уменьшается. Любое давление на него он равномерно передаёт в разные стороны.

Если с помощью поршня резко сжать воздух, то в этом месте сразу же увеличится давление. Оно тут же передастся соседним слоям воздуха. Они будут сжиматься, и давление в них увеличится, а в предыдущем слое уменьшится. Так по цепочке чередующиеся зоны повышенного и пониженного давления передаются дальше.

Отклоняясь в стороны поочерёдно, звучащая струна сжимает воздух сначала в одном направлении, а затем в противоположном. В том направлении, куда отклонилась струна, давление становится выше атмосферного на какую-то величину. С противоположной стороны давление на такую же величину уменьшается, так как воздух там разрежается.

Сжатия и разрежения будут чередоваться и распространяться в разные стороны, вызывая колебания воздуха. Эти колебания и называются звуковой волной. А разность между атмосферным давлением и давлением в слое сжатия или разрежения воздуха называют акустическим, или звуковым давлением.

Нажать на картинку

Звуковая волна распространяется не только в воздухе, но и в жидкой, и в твёрдой среде. Например, вода прекрасно проводит звук. Мы слышим под водой удар камня. Шум винтов надводного корабля улавливает акустик подводной лодки. Если на один конец деревянной доски положить наручные механические часы, то, приложив ухо к противоположному концу доски, мы услышим их тиканье.

Будут ли различаться звуки в вакууме? Английский физик, химик и богослов Роберт Бойль, живший в XVII веке, поместил часы в стеклянный сосуд, из которого откачал воздух. Тиканья часов он не услышал. Это означало, что звуковые волны в безвоздушном пространстве не распространяются.

Характеристики звуковой волны

Форма звуковых колебаний зависит от источника звука. Наиболее простую форму имеют равномерные, или гармонические колебания. Их можно представить в виде синусоиды. Такие колебания характеризуются амплитудой, длиной волны и частотой распространения колебаний.

Амплитуда

Амплитудой в общем случае называют максимальное отклонение тела от положения равновесия.

Так как звуковая волна состоит из чередующихся областей высокого и низкого давления, то её часто рассматривают как процесс распространения колебаний давления. Поэтому говорят об амплитуде давления воздуха в волне.

От амплитуды зависит громкость звука. Чем она больше, тем громче звук.

Каждый звук человеческой речи имеет форму колебаний, свойственную только ему. Так, форма колебаний звука «а» отличается от формы колебаний звука «б».

Частота и период волны

Количество колебаний в секунду называется частотой волны.

f = 1/Т

где Т – период колебаний. Это промежуток времени, за который совершается одно полное колебание.

Чем больше период, тем меньше частота, и наоборот.

Единица измерения частоты в международной системе измерений СИ – герц (Гц). 1 Гц – это одно колебание в секунду.

1 Гц = 1 с-1.

К примеру, частота в 10 Гц означает 10 колебаний в 1 секунду.

1 000 Гц = 1 кГц

От частоты колебаний зависит высота тона. Чем выше частота, тем выше тон звука.

[attention type=red]

Человеческое ухо способно воспринимать не все звуковые волны, а только лишь те, которые имеют частоту от 16 до 20 000 Гц. Именно эти волны и считаются звуковыми. Волны, частота которых ниже 16 Гц, называют инфразвуковыми, а свыше 20 000 Гц – ультразвуковыми.

[/attention]

Человек не воспринимает ни инфразвуковые, ни ультразвуковые волны. Но животные и птицы способны слышать ультразвук. Например, обыкновенная бабочка различает звуки, имеющие частоту от 8 000 до 160 000 Гц. Диапазон, воспринимаемый дельфинами, ещё шире, он колеблется от 40 до 200 тысяч Гц.

Длина волны

Длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими точками гармонической волны, находящимися в одинаковой фазе, например, между двумя гребнями. Обозначается как ƛ.

За время, равное одному периоду, волна проходит расстояние, равное её длине.

Скорость распространения волны

v= ƛ / T

Так как T = 1/f,

то v= ƛ·f

Скорость звука

Попытки определить скорость звука с помощью экспериментов предпринимались ещё в первой половине XVII века. Английский философ Фрэнсис Бэкон в своей работе «Новый органон» предложил свой способ решения этой задачи, основанный на разности скоростей света и звука.

Известно, что скорость света значительно выше скорости звука. Поэтому во время грозы сначала мы видим вспышку молнии, а уже затем слышим раскаты грома. Зная расстояние между источником света и звука и наблюдателем, а также время между вспышкой света и звуком, можно рассчитать скорость звука.

Идеей Бэкона воспользовался французский учёный Марен Марсенн. Наблюдатель, находящийся на некотором расстоянии от человека, стрелявшего из мушкета, зафиксировал время, прошедшее от световой вспышки до звука выстрела. Затем величину расстояния разделили на время и получили скорость звука. По результатам эксперимента скорость оказалась равной 448 м/с. Это был приблизительный расчёт.

В начале XIX века группа учёных Парижской академии наук повторила этот опыт. По их расчётам скорость света имела значение 350-390 м/с. Но и эта цифра не была точной.

Теоретически скорость света пытался вычислить Ньютон. В основу своих расчётов он положил закон Бойля-Мариотта, описывавший поведение газа в изотермическом процессе (при постоянной температуре). А так бывает, когда объём газа изменяется очень медленно, успевая отдать окружающей среде тепло, возникающее в нём.

Ньютон же предполагал, что между областями сжатия и разрежения температура выравнивается быстро. Но этих условий нет в звуковой волне.

Воздух плохо проводит тепло, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Тепло из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения. И между ними возникает разность температур.

Поэтому расчёты Ньютона оказались неверными. Они давали цифру в 280 м/с.

Французский учёный Лаплас сумел объяснить, что ошибка Ньютона заключалась в том, что звуковая волна распространяется в воздухе в адиабатических условиях, при изменяющейся температуре.

[attention type=green]

Согласно расчётам Лапласа, скорость звука в воздухе при температуре 0о С равняется 331,5 м/с. Причём, она возрастает с возрастанием температуры.

[/attention]

И при повышении температуры до 20о С она будет равна уже 344 м/с.

В разных средах звуковые волны распространяются с разной скоростью.

Для газов и жидкостей скорость звука вычисляется по формуле:

где с –скорость звука,

β – адиабатическая сжимаемость среды,

ρ – плотность.

Как видно из формулы, скорость зависит от плотности и сжимаемости среды. В воздушной среде она меньше, чем в жидкой. Например, в воде при температуре 20о С она равна 1484 м/с. Причём, чем выше солёность воды, тем с большей скоростью в ней распространяется звук.

Впервые скорость звука в воде измерили в 1827 г. Этот эксперимент чем-то напоминал измерение скорости света Мареном Марсенном. С борта одной лодки в воду спустили колокол.

На расстоянии более 13 км от первой лодки находилась вторая. На первой лодке ударяли в колокол и одновременно поджигали порох. На второй лодке фиксировали время вспышки, а затем время прихода звука от колокола.

Разделив расстояние на время, получили скорость звуковой волны в воде.

Самую высокую скорость звук имеет в твёрдой среде. Например, в стали она достигает более 5000 м/с.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/akustika/340-svojstva-zvukovoj-volny-skorost-zvuka

Сам себе врач
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: