Какие волны называются 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

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:

Урок 377. Звук и его характеристики

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.

Рисунок 2.7.1.

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.

Рисунок 2.7.2.

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.

Рисунок 2.7.3.

Звуковые волны и их характеристики

Звуковыми или акустическими волнами называются упругие волны, имеющие частоту в пределах от 1 6 Гц до 20 кГц и воспринимаемые человеческих ухом.

Упругие волны с частотами, меньшими 16 Гц, называются инфразвуком; с частотами, большими 20 кГц, — ультразвуком.

Раздел физики, изучающий свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения и распространения называется акустикой.

Ультразвук и инфразвук человеческое ухо не слышит. Основными характеристиками звуко­вых волн являются: интенсивность волны, уровень громкости, акустический спектр, высота и тембр звука.

Найдем интенсивность плоской гармонической волны. Поэтому практически используют модуль среднего значения плотности потока энергии, который называется интенсивностью волны. Для упругих волн, учитывая, что = 0,5, получаем:

Таким образом, интенсивность упругой волны прямо пропорциональна волновому сопро­тивлению среды , квадрату амплитуды волны I = А 2 и квадрату частоты волны. Эти за­висимости определяют важнейшие характеристики звуковых волн.

Для того чтобы вызвать в человеческом ухе звуковое ощущение, звуковая волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью.

Порогом слышимости называется минимальная интенсивность звуковой волны I min которая вызывает звуковое ощущение в человеческом ухе.

Порогом болевого ощущения называется максимальное значение интенсивности Imах, при котором звуковая волна перестает восприниматься, как звук и вызывает только ощуще­ние боли и давления.

Значения Imaх и I min зависят от частоты звука и в среднем составляют I min 10 -12 Вт/м 2 и Imах 10 Вт/м 2 .

Интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей упругую волну независимо от вызываемого ею звукового ощущения. Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью и вызываемым в ухе звуковым ощущением, является уровень громкости.

Уровнем громкости звука называется логарифм отношения интенсивности I данного звука к порогу слышимости I min.

Единица измерения уровня громкости L называется белом (Б). Как правило, используется единица, в 10 раз меньшая — 1 децибел (1 дБ). При расчете в децибелах уровня громкости звуковой волны с интенсивностью I = А 2 и амплитудой А

Диапазон интенсивностей от I min до Imах, при которых звуковая волна вызывает звуковое ощущение в ухе, соответствует значениям уровня громкости от 0 до 130 дБ. Например, ти­канье часов соответствует уровню громкости 20 дБ, громкая речь — 70 дБ, шум реактивного двигателя на расстоянии 3 м — 130 дБ.

Любая реальная звуковая волна является наложением гармонических волн с опреде­ленным набором частот. Ее можно разложить в ряд Фурье на простые гармоники (моды), то есть получить так называемый акустический спектр.

Зависимость I() интенсивности отдельных гармонических составляющих звуковой волны от частоты этих составляющих называется акустическим спектром.

Если в звуке присутствуют колебания всех частот, заключенных в некотором интер­вале (1, 2), то акустический спектр называется сплошным (рис. 1). Сплошным акустическим спек­тром обладают шумы и шумоподобные звуки. Если звуковая волна состоит из колебаний дискретных частот 1, 2 , 3……. n ,то акустический спектр называется линейчатым (рис.2). Линей­чатым спектром обладают обычно музыкальные или тональные звуки.

Спектральный состав звука, определяемый его акустическим спектром, называется тембром звука.

Высота тонального звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота, тем выше тон. Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, со­ответствующий наименьшей частоте 1 в его спектре. Тоны, соответствующие остальным час­тотам спектра 1, называются обертонами. Именно относительная интенсивность обертонов определяет тембр и окраску звука и позволяет отличить на слух звуки одинаковой высоты, излучаемые различными источниками.

Если приемник и источник звуковых волн движутся относительно среды с некоторыми скоростями и , при приеме волн возникает эффект Доплера.

Эффект Доплера называется зависимость частоты волн, воспринимаемых приемником, от скоростей движения источника волн и приемника по отношению к среде, в которой распространяется волна.

Пусть источник, движущийся относительно среды со скоростью излучает волну с частотой . В случае, если приемник и источник движутся вдоль соединяющей их прямой, формула Доплера (8) имеет вид:

В формуле (8) необходимо учитывать изменение знаков скоростей и при изменении направления движения приемника или источника:  0 и  0,если происходит сближение источника;  0 и  0, если приемник удаляется от источника.

Из формулы Доплера следует, что при взаимном сближении приемника и источника воспринимаемая приемником частота волны оказывается больше частоты волны , излучаемая источником (  ). Если = =0 или = , то = , то есть частота не изменяется.

Высота и тембр звука. Чистый тон, основной тон. Камертон

Высота звука прямо пропорциональна его частоте (и, следовательно, частоте источника). То есть, чем больше частота, тем выше будет звук (можно в домашних условиях провести упомянутый ранее опыт с линейкой – чем короче конец линейки, свисающей над полом, тем больше будет частота колебаний и выше звук — и убедиться в сказанном самостоятельно).

Если источник звука колеблется с неизменной частотой по гармоническому закону, говорят, что он издает чистый тон.

Чистый тон – звук источника, совершающего гармонические колебания, в которых присутствует только одна частота.

Одним из самых распространенных источников чистого тона является такое устройство, как камертон (см. рисунок 2). Он состоит из изогнутого U-образного металлического стержня на ножке, установленном на коробочке, называемом резонаторном ящиком. При ударе молоточком по металлическому стержню, тот начинает колебаться и издавать звук. Колебания камертона являются гармоническими, а звук камертона имеет в своем составе колебания только одной частоты.

2 kamerton

Рисунок 2 – Камертон

Но чаще всего окружающие человека звуки представляет собой сумму колебаний нескольких частот. Любой из этих звуков можно представить в виде нескольких чистых тонов (фактически, разложить звук на составляющие его части). Из этих чистых тонов, составляющих звук,звуковую волну с самой низкой частотой называют основным тоном, а соответствующую ему частоту – основной частотой. А все остальные тона называются обертонами.

Важно отметить, что частота составного звука определяется именно по частоте его основного тона.

А вот обертона отвечают за такую характеристику, как тембр звука. По нему человек отличает друг от друга звуки различных источников (например, звук музыкального инструмента и голос человека можно отличить, даже если они имеют примерно одинаковую частоту).

Громкость. Амплитуда звуковых колебаний

Громкость звука – понятие, постоянно употребляемое в жизни. Действительно, все когда-нибудь слышали фразы «Слишком громко, сделай тише!» или наоборот «Говори громче, не слышно!». А что же такое громкость звука?

Громкость – это характеристика силы звука. В случае с человеческим ухом – это субъективная величина, ведь кто-то слышит лучше, кто-то хуже.

Для объективности была введена универсальная единица измерения громкости – сон. Однако в практических задачах соны почти не используются. Вместо громкости звука на практике чаще всего используется величина, называемая уровнем звукового давления. Он измеряется в белах (Б) или дБ (децибелах).

Уровни звукового давления, соответствующие звукам различных предметов или ситуаций, представлены на диаграмме рисунка 3. Звуки с уровнем звукового давления свыше 140 дБ крайне болезненны для человека, они разорвать барабанную перепонку. А звук с характеристикой свыше 200 дБ смертельно опасен.

3 urovni zvukovogo davlenia

Рисунок 3 – Диаграмма уровней звукового давления

От чего же зависит уровень громкости?

На самом деле она зависит от нескольких факторов, но основной из них – амплитуда звуковых колебаний. Если представить струну гитары и гитариста, который сначала аккуратно и не сильно дергает струну, а потом резко и сильно бьет по той же струне. Во втором случае звук будет явно сильнее, потому что струна будет колебаться с большей амплитудой.

Громкость увеличивается с увеличением амплитуды.

Однако следует помнить, что в восприятии звука человеческим ухом есть свои особенности: помимо амплитуды на него влияет так же частота звуковой волны (более высокие звуки будут восприниматься как более громкие), длительность, тембр и многое другое.

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.

Звук звуковые волны

«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.

Особенности звука

Основные технические характеристики звука:

  1. шаг,
  2. объем звука,
  3. продолжительность звука,
  4. тембр.

Эти особенности тесно связаны с соответствующими параметрами акустической волны.

Свойства звука

Звуковая волна с помощью различных средств массовой информации движется с различной скоростью. В воздухе, волна, движется со скоростью около $300$ м/с, в воде приблизительная скорость $1500$ м/с. Звук определяется, как и другие волны, двумя физическими параметрами, частотой и длиной волны.

Нормальное человеческое ухо может слышать звуки на частоте от $16$ Гц до $20000$ Гц.

Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты

Таким образом, в зависимости от частоты звуковые волны подразделяются:

  1. инфразвук- ниже $16$ Гц,
  2. от $20$ Гц до $20$ кГц — границы, когда человек воспринимает звук,
  3. Ультразвук — выше $20$ кГц.

Подразделение звуковых волн

Рисунок 1. Подразделение звуковых волн

Возникновение звуковых волн

Большинство веществ и сред в Природе являются в той или иной мере упругими. Упругость среды выражается в том, что она «сопротивляется» внешнему возмущающему воздействию, и стремится вернуться в свое исходное состояние. Поскольку таким свойством обладает любая точка среды, то возникают хорошие условия для распространения возмущений.

Для иллюстрации схемы возникновения звуковой волны, представим себе кристалл упругого вещества, по которому нанесен внешний удар. В результате удара возникнет некоторая деформация кристаллической решетки.

Возникают силы, которые, во-первых, деформируют более далекие области кристалла, а во-вторых, стремятся вернуть деформированные области к исходному состоянию.

Исходная область возвращается в состояние равновесия, однако, при этом приобретает некоторую скорость и кинетическую энергию. В результате атомы кристалла проходят некоторое расстояние дальше точки равновесия, пока снова не возникнут силы, направленные обратно.

Таким образом, атомы области, в которую был нанесен удар, начинают колебаться. Более далекие области кристалла испытывают воздействие, и также приходят в колебательное движение с некоторой задержкой, и, в свою очередь, передают колебания дальше. В среде возникает упругая волна сжатий и растяжений, распространяющаяся с некоторой скоростью, которая имеет все характеристики, присущие волновым процессам, и описывается теми же формулами.

Такая волна называется звуковой волной или просто звуком.

Звуковые волны в воздухе и в других средах

Чаще всего, когда речь идет о звуке, имеются ввиду звуковые волны в воздухе. Примерами звуковых волн могут являться звуки грома, шум листьев, наш голос – любой звук, который мы можем слышать – является звуковой волной.

Однако, звук может распространяться не только по воздуху, но и по любой среде, в которой есть силы упругости. И скорость его распространения зависит от величины этих сил.

Для газов силы упругости возникают из-за локальных колебаний давления. Для кристаллов силами упругости являются межмолекулярные взаимодействия. Поскольку силы, возникающие во втором случае, гораздо больше, то и передача колебаний в кристалле происходит с гораздо большей скоростью, чем в воздухе. В жидкостях силы упругости имеют обе описанных составляющих, поэтому скорость звука в них больше, чем в газах, но меньше, чем в кристаллах.

Интересное явление происходит на границе разделения двух сред с различными упругостями. Из-за разности упругих свойств на границе передача колебаний происходит не полностью. Часть колебаний передается дальше, а часть – возвращается в среду, и начинает движение в обратном направлении. В среде возникает волна, имеющие характеристики, близкие к исходной, но имеющая более низкую мощность, и движущаяся в обратном направлении – эхо.

Источник:

  • https://physics.ru/courses/op25part1/content/chapter2/section/paragraph7/theory.html
  • https://studfile.net/preview/9191297/page:3/
  • https://100urokov.ru/predmety/zvuk
  • https://www.calc.ru/Zvukovyye-Volny-Zvuk.html
  • https://spravochnick.ru/fizika/mehanika_mehanicheskie_kolebaniya_i_volny_zvuk/zvukovye_volny_skorost_zvuka/
  • https://obrazovaka.ru/fizika/zvukovye-volny-primery.html
  • TutShema