Звук это какая волна

Если коротко — это волнообразные сгущения и разрежения воздуха (или другой среды), воспринимаемые органом слуха человека.

Когда речь идет о звуке, обычно используется выражение «звуковые колебания». И это отражает суть явления, поскольку механическое движение в упругой среде вызывает волнообразное колебание её плотности (те самые сгущения и разрежения), или с точки зрения помещенного в среду тела — колебание давления на это тело со стороны среды. Эти колебания давления и воспринимаются нами как звук:

Как видим, в результате механического воздействия частицы вещества не движутся последовательно в одном направлении, а совершают колебания относительно своего первоначального положения, это проявление упругости вещества.

Надо отметить, что в отличие от поперечных волн, которые, например, создает на поверхности воды брошенный камень, звуковые волны относятся к продольным, т.е. таким, в которых смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны.

Продольная волна – это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны. Причиной возникновения продольной волны является деформация сжатия/растяжения, т.е. сопротивление среды изменению ее объема. В жидкостях или газах такая деформация сопровождается разрежением или уплотнением частиц среды. Продольные волны могут распространяться в любых средах – твердых, жидких и газообразных.

Поперечная волна – это волна, при распространении которой смещение частиц среды происходит в направлении, перпендикулярном распространению волны. Примерами поперечных волн могут служить волны, бегущие по натянутой веревке или по струне.

Здесь упругость — это свойство вещества восстанавливать занимаемый объем после прекращения механического воздействия.

Конечно, звук может распространяться не только в воздухе. Это может быть любая среда, обладающая достаточной степенью упругости — газ, жидкость или твердое тело. Звук прекрасно распространяется, например, в воде или металле, но в менее упругих или высокоэластичных средах звуковые волны быстро затухают.

Важная характеристика звуковой волны — её частота. Человеческое ухо способно воспринимать изменения давления в определенном диапазоне частот, приблизительно от 20 до 20000 колебаний в секунду (или Герц), такие колебания и называют звуковыми. Колебания с меньшей частотой называют инфразвуком, а с большей — ультразвуком.

Таким образом, звук — понятие психофизическое, т.е. связанное со способом восприятия этого физического явления сенсорным аппаратом и сознанием человека:

  • частоту колебаний давления мы воспринимаем как высоту звука,
  • амплитуду этих колебаний как его громкость,
  • а спектральный состав, т.е. относительную интенсивность компонентов, из которых складывается любое сложной колебание — как тембр.

«С одной стороны, звук — это объективное физическое явление, колебательный процесс, порождающий в упругой среде быстро распространяющиеся волны. С другой же — субъективное психологическое: нечто воспринятое слухом и отразившееся в сознании в виде особого психического образа» (Е. Назайкинский).

КАК ВЫГЛЯДИТ ЗВУК ? Звуки природы и звуки космоса — что их объединяет?

Спектральный состав звука и шумы

Совсем не каждый звук обладает такой характеристикой, как высота. Большинство естественных звуков относится к шумам, это звуки, не имеющие определенной высоты. Казалось бы, это противоречит сказанному выше, ведь в качестве высоты звука мы воспринимаем его частоту, которая характеризует любое колебательное движение.

Это объясняется способом восприятия звуковых колебаний слуховым аппаратом человека. Технически мы воспринимаем любое сложное звуковое колебание как набор гармонических (синусоидальных) колебаний (см. теория слуха Г. Гельмгольца):

сложение синусоид

Пример разложения сложного колебания на простые (гармонические).
Синим и розовым цветом обозначены гармонические колебания, а зеленым — исходное сложное (негармоническое) колебание.

Гармоническими или простыми называют колебания, которые описываются функциями вида f(x) = sin(x) и f(x) = cos(x). Графики таких функций имеют вид синусоиды, поэтому их также называют синусоидальными. Гармонические колебания совершает, например, проекция точки, равномерно движущейся по окружности:

Синусоиды, из которых состоит любое сложное звуковое колебание, называют его частотными или спектральными компонентами. Эти компоненты могут иметь самую разнообразную амплитуду, но в качестве высоты звука воспринимается частота наиболее мощного из них — основного тона:

основной тон

Если же энергия звуковой волны беспорядочно распределена между огромным количеством частотных компонентов (как это обычно бывает в естественных шумах), основной тон отсутствует, а звук не имеет определенной высоты и воспринимается как шум.

Кроме того, в силу так называемой «инерционности слуха», наш слуховой аппарат реагирует лишь на частотные компоненты достаточной продолжительности, позволяющей зафиксировать несколько периодов колебания: от 15 мс. для частот в полосе 1000-2000 Гц и от 60 мс. — для частот ниже 500 Гц.

Что такое звук (звуковая волна)?

Какое-то событие, например, произнесение слов, заставляет воздух вибрировать. Затем это возбуждение распространяется в виде волнового движения. Помимо воздуха, возбуждаться могут и другие упругие среды, например, вода.

Итак, звук — это колебательное двuжение частиц упругой среды, которое распространяется от источника звука в виде волн в различных средах.

Можно дать и другое определение:

Звук — это механическая волна, распространяющаяся в пространстве из-за изменения давления и плотности воздуха.

Необходимым условием распространения звуковых волн является наличие упругой среды. Если вокруг источника звука нет упругой среды, то звук распространяться не будет. Например, в вакууме механические волны не могут распространяться.

Скорость звука

Звуковая волна, как и любые другие механические волны , распространяется в пространстве не мгновенно, а с определённой скоростью. Скорость распространения звука в различных средах имеет различные значения.

Скорость звука в значительной степени зависит от среды, ее температуры и давления. В сухом воздухе при температуре 20 °C скорость звука составляет 1236 км/ч (343,2 м/с метров в секунду). В следующей таблице приведены некоторые справочные значения скорости звука в различных средах.

СредаСкорость в м/с
Воздух343
Водяной пар (при 100 °C)477
Вода1484
Вода (при 0 °C)1407
Морская вода1500

В нашей статье о скорости звука мы объяснили, как быстро распространяется звук в различных веществах. Здесь важную роль играют свойства твердых тел, жидкостей или газов.

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.

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.

Распространение звука. Звуковые волны. Скорость звука

Звук, распространяющийся в газах и жидкостях, представляет собой продольную волну (так как в неупругих средах могут распространяться только такой вид волн). То есть звуковая волна – это чередование областей уплотнения и разряжения частиц среды, идущих от источника.

Как и любой другой вид волн, звуковые волны характеризуются скоростью распространения. Например, во время грозы человек сначала видит вспышку молнии, а потом уже слышит гром. Причем интересно, что скорость распространения звука в разных средах будет различна.

Экспериментально измерить скорость звука можно, например, в эксперименте со стрелком, делающим выстрел в воздух. Если встать от стрелка на расстоянии 500 метров и засечь время между вспышкой, которую мы видим при выстреле и звуком, который до нас доходит с опозданием, можно рассчитать скорость по формуле:

4 formula skorosti

где v – скорость звука в среде, S – расстояние до стрелка, t – время между вспышкой и звуком.

По экспериментальным данным скорость звука в воздухе равна примерно 330 м/с.

Однако это величина не постоянная. Скорость звука в газах зависит от температуры: при увеличении температуры молекулы газа начинают двигаться быстрее и, тем самым, увеличивается степень из взаимодействия (то есть молекулы чаще сталкиваются друг с другом), а значит и скорость распространения волн тоже увеличится.

330 м/с — это скорость звука при нормальном атмосферном давлении и 0° по шкале Цельсия.

График зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры воздуха представлен на рисунке 4.

5 zavisimost skorosti rasprostranenia zvukovyh voln ot temperatury vozduha

Рисунок 4 — График зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры воздуха

А что же насчет распространения звуков в других средах – жидкостях или твердых телах? Жидкости и твердые тела имеют плотность больше, чем газы, значит, молекулы в них взаимодействуют друг с другом активнее. А чем сильнее взаимодействуют молекулы вещества, тем быстрее распространяется волна в нем. Значит, звук распространяется в жидкостях и твердых телах быстрее, чем в газах.

И стоит помнить, что для звуковых волн, как и для любых других, действуют формулы:

6 formula

Где v – частота звуковых колебаний, T– период звуковой волны, – длина колебаний звуковой волны, v – скорость распространения звуковых колебаний.

Звук

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

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 ( f 1 = 220 Г ц ) . По оси ординат отложены относительные интенсивности I I 0 .

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.

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 p 1 и p 2 , которые осуществляют воздействие на ухо:

p 1 = A 0 cos ω 1 t и p 2 = A 0 cos ω 2 t .

Для удобства примем, что амплитуды колебаний звуковых давлений являются одинаковыми и равны p 0 = A 0 0.

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 = p 1 + p 2 = 2 A 0 cos ω 1 — ω 2 2 t cos ω 1 + ω 2 2 t = 2 A 0 cos 1 2 ∆ ω t cos ω с р t ,

где ∆ ω = ω 1 — ω 2 , а ω с р = ω 1 + ω 2 2 .

Рисунок 2 . 7 . 3 ( 1 ) отображает, каким образом давления p 1 и p 2 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 t 1 колебания войдут в противофазу. В этот момент суммарная амплитуда станет равна нулю: колебания взаимно «погасятся». К моменту времени t 2 = 2 t 1 колебания вновь окажутся в фазе и т. д. (рисунок 2 . 7 . 3 ( 2 ) ).

Период биений Т б – 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 = 2 A 0 cos 1 2 ∆ ω t .

Период Т б изменения амплитуды равен 2 π Δ ω . Мы можем это продемонстрировать, приняв следующее предположение: периоды колебаний давлений в звуковых волнах T 1 и T 2 являются такими, что T 1 < T 2 (т. е. ω 1 >ω 2 ). За период биений Т б наблюдается некоторое число n полных циклов колебаний первой волны и ( n – 1 ) циклов колебаний второй волны:

T б = n T 1 = ( n — 1 ) T 2 .

T б = T 1 T 2 T 2 — T 1 = 2 π ω 1 — ω 2 = 2 π ∆ ω или f б = 1 T б = 1 T 1 — 1 T 2 = f 1 — f 2 = ∆ f .

f б есть частота биений, определяемая как разность частот Δ f двух звуковых волн, которые воспринимаются ухом одновременно.

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

Рисунок 2 . 7 . 3 . Биения, возникающие, когда накладываются две звуковые волны с близкими частотами.

Биения

Рисунок 2 . 7 . 4 . Модель явления биений.

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

Распространение звука

Звук распространяется, как свет, равномерно во всех направлениях. Только свет — это электромагнитные волны, которым не нужен переносчик. Так свет далекой звезды достигает Землю через вакуум космоса.

Распространение звука в воздухе

В вакууме звук не может распространяться, так как ему необходим переносчик — воздух, вода или твердые материалы.

Скорость звука

Скорость звука в различных материалах

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.

Эхо

Звуковые волны способны отражаться от больших предметов. Например, в горах звук отражается, в связи с чем возникает эхо.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий