Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
поделиться знаниями или
запомнить страничку
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,672
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта
Какие волны называют звуковыми
Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом. Диапазон звуковых частот лежит в пределах приблизительно от до . Волны с частотой менее называются инфразвуком , а с частотой более – ультразвуком . Волны звукового диапазона могут распространяться не только в газе, но и в жидкости (продольные волны) и в твердом теле (продольные и поперечные волны). Однако волны в газообразной среде – среде нашего обитания – представляют особый интерес. Изучением звуковых явлений занимается раздел физики, который называют акустикой .
При распространении звука в газе атомы и молекулы колеблются вдоль направления распространения волны. Это приводит к изменениям локальной плотности и давления . Звуковые волны в газе часто называют волнами плотности или волнами давления.
В простых гармонических звуковых волнах, распространяющихся вдоль оси , изменение давления зависит от координаты и времени по закону
Два знака в аргументе косинуса соответствуют двум направлениям распространения волны. Соотношения между круговой частотой , волновым числом , длиной волны , скоростью звука такие же, как и для поперечных волн в струне или резиновом жгуте (см. §2.6):
Важной характеристикой звуковых волн является скорость их распространения . Она определяется инертными и упругими свойствами среды. Скорость распространения продольных волн в любой безграничной однородной среде определяется по формуле (см. §2.6)
где – модуль всестороннего сжатия, – средняя плотность среды. Еще Ньютон пытался вычислить значение скорости звука в воздухе. Он предположил, что упругость воздуха просто равна атмосферному давлению , тогда скорость звука в воздухе получается меньшей , в то время, как истинная скорость звука при нормальных условиях (т. е. при температуре и давлении ) равна , а скорость звука при температуре и давлении равна . Только через сто с лишним лет французский ученый П. Лаплас показал, что предположение Ньютона равносильно предположению о быстром выравнивании температуры между областями разрежения и сжатия. Это предположение из-за плохой теплопроводности воздуха и малого периода колебаний в звуковой волне не выполняется. На самом деле между областями разрежения и сжатия газа возникает разность температур, которая существенно влияет на упругие свойства. Лаплас предположил, что сжатие и разрежение газа в звуковой волне происходят по адиабатическому закону (см. §3.8), т. е. без влияния теплопроводности. Формула Лапласа (1816 г.) имеет вид
Урок 95 (осн). Механические волны. Звук
где – среднее давление в газе, – средняя плотность, – некоторая константа, зависящая от свойств газа. Для двухатомных газов . Расчет скорости звука по формуле Лапласа дает значение (при нормальных условиях).
В термодинамике доказывается, что коэффициент равен отношению теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме (см. §3.10). Формулу Лапласа можно представить в другом виде, если воспользоваться уравнением состояния идеального газа (см. §3.3). Приведем здесь окончательное выражение:
где – абсолютная температура , – молярная масса , – универсальная газовая постоянная . Скорость звука сильно зависит от свойств газа. Чем легче газ, тем больше скорость звука в этом газе. Так, например, в воздухе ( ) при нормальных условиях , в гелии () , в водороде ) .
В жидкостях и твердых телах скорость звуковых волн еще больше. В воде, например, (при ), в стали .
При восприятии различных звуков человеческое ухо оценивает их прежде всего по уровню громкости , зависящей от потока энергии или интенсивности звуковой волны. Воздействие звуковой волны на барабанную перепонку зависит от звукового давления , т. е. амплитуды колебаний давления в волне. Человеческое ухо является совершенным созданием Природы, способным воспринимать звуки в огромном диапазоне интенсивностей: от слабого писка комара до грохота вулкана. Порог слышимости соответствует значению порядка , т. е. . При таком слабом звуке молекулы воздуха колеблются в звуковой волне с амплитудой всего лишь ! Болевой порог соответствует значению порядка или . Таким образом, человеческое ухо способно воспринимать волны, в которых звуковое давление изменяется в миллион раз. Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то диапазон интенсивностей оказывается порядка ! Человеческое ухо, способное воспринимать звуки в таком огромном дипазоне интенсивности, можно сравнить с прибором, который можно использовать для измерения и диаметра атома и размеров футбольного поля.
Для сравнения укажем, что при обычных разговорах людей в комнате интенсивность звука приблизительно в превышает порог слышимости, а интенсивность звука на рок-концерте приближается к болевому порогу.
Еще одной характеристикой звуковых волн, определяющей их слуховое восприятие, является высота звука . Колебания в гармонической звуковой волне воспринимаются человеческим ухом как музыкальный тон . Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона , колебания низкой частоты – как звуки низкого тона . Звуки, издаваемые музыкальными инструментами, а также звуки человеческого голоса могут сильно различаться по высоте тона и по диапазону частот. Так, например, диапазон наиболее низкого мужского голоса – баса – простирается приблизительно от до , а диапазон высокого женского голоса – сопрано – от до .
Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой . Голос скрипки, например, перекрывает приблизительно три с половиной октавы ( ), а звуки пианино – семь с лишним октав ( ).
Когда говорят о частоте звука, издаваемого струнами любого струнного музыкального инструмента, то имеется в виду частота основного тона (см. §2.6). Но в колебаниях струн могут присутствовать и гармоники, частоты которых удовлетворяют соотношению:
Поэтому звучащая струна может излучать целый спектр волн с кратными частотами. Амплитуды этих волн зависят от способа возбуждения струны (смычок, молоточек); они определяют музыкальную окраску звука или тембр . Аналогично обстоит дело с духовыми музыкальными инструментами. Трубы духовых инструментов являются акустическими резонаторами , то есть акустическими колебательными системами, способными возбуждаться (резонировать) от звуковых волн определенных частот. При определенных условиях в воздухе внутри труб возникают стоячие звуковые волны. На рис. 2.7.1 показаны несколько типов стоячих волн (мод) в органной трубе, закрытой с одного конца и открытой с другого. Звуки, издаваемые трубами духовых инструментов, состоят из целого спектра волн с кратными частотами.
Стоячие волны в органной трубе, закрытой с одного конца и открытой с другого. Стрелками показаны направления движения частиц воздуха в течение одного полупериода колебаний
При настройке музыкальных инструментов часто используется устройство, называемое камертоном . Оно состоит из деревянного акустического резонатора и скрепленной с ним металлической вилки, настроенных в резонанс. При ударе молоточком по вилке вся система возбуждается и издает чистый музыкальный тон.
Акустическим резонатором является и гортань певца. На рис. 2.7.2 представлены спектры звуковых волн, испускаемых камертоном, струной пианино и низким женским голосом (альт), звучащими на одной и той же ноте.
Относительные интенсивности гармоник в спектре звуковых волн, испускаемых камертоном (1), пианино (2) и низким женским голосом (альт) (3), звучащими на ноте «ля» контроктавы (). По оси ординат отложены относительные интенсивности
Звуковые волны, частотные спектры которых изображены на рис. 2.7.2, обладают одной и той же высотой, но различными тембрами .
Рассмотрим теперь явление, возникающее при наложении двух гармонических звуковых волн с близкими, но все же несколько отличающимися частотами. Это явление носит название биений . Оно возникает, например, при одновременном звучании двух камертонов или двух гитарных струн, настроенных на почти одинаковые частоты. Биения воспринимаются ухом как гармонический тон, громкость которого периодически изменяется во времени. Пусть звуковые давления и , действующие на ухо, изменяются по законам
Для простоты будем считать, что амплитуды колебаний звуковых давлений одинаковы и равны .
В соответствии с принципом суперпозиции полное давление, вызываемое обеими волнами в каждый момент времени, равно сумме звуковых давлений, вызываемых в тот же момент времени каждой волной в отдельности.
Суммарное действие обеих волн с помощью тригонометрических преобразований можно представить в виде
На рис. 2.7.3(1) изображены зависимости давлений и от времени . В момент времени оба колебания находятся в фазе, и их амплитуды складываются. Так как частоты колебаний несколько отличаются друг от друга, через некоторое время колебания окажутся в противофазе. В этот момент суммарная амплитуда обратится в нуль (колебания «гасят» друг друга). К моменту времени колебания снова окажутся в фазе и т. д. (рис. 2.7.3 (2)).
Минимальный интервал между двумя моментами времени с максимальной (или минимальной) амплитудой колебаний называется периодом биений . Медленно изменяющаяся амплитуда результирующего колебания равна
Период изменения амплитуды равен . Это можно показать и другим способом, предположив, что периоды колебаний давлений в звуковых волнах и таковы, что (т. е. ). За период биений происходит некоторое число полных циклов колебаний первой волны и () циклов колебаний второй волны:
Частота биений равна разности частот двух звуковых волн, воспринимаемых ухом одновременно.
Человек воспринимает звуковые биения до частот . Прослушивание биений является важным элементом техники настройки музыкальных инструментов.
Скорость звука
Распространение звуковой волны в переносчике звука занимает определенное время, которое зависит от физических параметров материала. В воздухе скорость звука составляет 340 м/с, в воде 1480 м/с, а в железе 5170 м/с.
Звуковые волны способны отражаться от больших предметов. Например, в горах звук отражается, в связи с чем возникает эхо.
Свойства и характеристики звука
Поскольку звук — это механическая волна, он также обладает свойствами волны, такими как частота и интенсивность. Однако среда, через которую она передается, также придает ей свои свойства.
Здесь мы рассмотрим общие свойства звука в воздухе. Как правило, их можно переносить и на другие газы и жидкости. Волны в воздухе или других газах также называются продольными волнами. Они колеблются в направлении распространения волны. Напротив, существуют поперечные волны, которые возникают, например, в некоторых твердых телах. Их колебания перпендикулярны направлению распространения.
Как возникает звук?
Звук создается источниками звука. Источник звука — это все, что заставляет воздух вибрировать. Таким источником звука может быть, например, бубен. Когда вы ударяете по бубну, вы деформируете его поверхность. Она имеет натяжение и ускоренно возвращается в исходное положение.
В общем случае, источниками звука являются тела, совершающие колебания с частотами звукового диапазона. Такие колебания совершают, например, голосовые связки человека. В результате мы слышим голоса людей. Если звук исходит от струнного музыкального инструмента, то источником звука служит колеблющаяся струна.
Частицы воздуха ускоряются, что приводит к изменению давления и плотности. Поскольку все пространство вокруг бубна заполнено воздухом, то это приводит к движению (распространению) атомов воздуха. Результирующая механическая волна достигает приемника звука, например, вашего слуха. Эта механическая волна является звуковой волной.
Как распространяется звук?
Звук распространяется, как уже указывалось в примере с бубном, через изменения давления и плотности. При ударе воздух сжимается в одной точке. Это увеличивает давление в этой области. Плотность увеличивается именно в этой точке, но уменьшается вокруг нее.
Но поскольку нет стенок, удерживающих сжатый воздух вместе, сжатые частицы снова отталкиваются друг от друга. При этом они сталкиваются с соседними атомами воздуха, которые заняли место атомов сжатого воздуха, и таким образом снова сталкивают их в другом месте. Это изменение давления воздуха и называется волной. Затем она передается на приемник.
Частота.
Как и любая волна, звуковые волны также имеют частоту. С его помощью вы разделяете звуковой спектр на различные категории.
- Инфразвук. Это низкочастотный звук, который уже не воспринимается человеческим ухом. < 16 Гц (Герц)
- Слышимый звук. Это звук, который может быть воспринят человеком. Диапазон от 16 Гц до 20 кГц (килогерц).
- Ультразвук. Это высокочастотный звук, который не воспринимается человеческим ухом. Диапазон от 20 кГц до 1,6 ГГц (гигагерц).
- Гиперзвук. Это звуковые волны, которые могут распространяться только в ограниченном объеме. > 1 ГГц .
В таблице 2 ниже приведены примеры верхних границ частот механических колебаний, воспринимаемых органам и чувств некоторых живых организмов.
Звон производит периодический, но несинусоидальный сигнал. Когда вы играете песню на гитаре, вы издаете такой звон.
Шум — это непериодический и несинусоидальный сигнал. Например, шум создают машины и транспортные средства. Шумы создаются в результате накопления колебаний разных частот. Источниками шумов могут быть промышленные предприятия, бытовые приборы, различные машины. Шумы вредно влияют на здоровье человека и животных. Длительное воздействие шумов приводит к нарушению работы центральной нервной системы, вызывает головокружение, влияет на работу сердца.
В результате удара возникает сильный амплитудный максимум, который затем быстро затухает. Если вы выстрелите фейерверком в воздух или выстрелите из пистолета-пулемета, вы услышите такой удар.
Звуковые волны. Звук.
Звук (или звуковые волны) — это распространяющиеся в виде волн колебательные движения частиц упругой среды: газообразной, жидкой или твердой.
Звук (или звуковые волны) — это распространяющиеся в виде волн колебательные движения частиц упругой среды: газообразной, жидкой или твердой.
Под словом «звук» понимают также ощущения, вызываемые действием звуковых волн на специальный орган чувств (орган слуха или, проще говоря, ухо) человека и животных: человек слышит звук частотой от 16 Гц до 20 кГц. Частоты этого диапазона называют звуковыми.
Итак, физическое понятие звука подразумевает упругие волны не только тех частот, которые человек слышит, но также более низкие и более высокие частоты. Первые называются инфразвуком, вторые — ультразвуком. Самые высокочастотные упругие волны в диапазоне 10 9 -10 13 Гц относятся к гиперзвуку.
«Услышать» звуковые волны можно, заставив дрожать зажатую в тисках длинную стальную линейку. Однако если над тисками будет выступать большая часть линейки (рис. а), то, вызвав ее колебания, мы не услышим порождаемые ею волны. Но если укоротить выступающую часть линейки и тем самым увеличить частоту ее колебаний, то линейка начнет звучать.
