Физика. звук и звуковые волны

  • Волны. Основные понятия
  • Волны

Звук — это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Физика. Звук и звуковые волны

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.

Физика. Звук и звуковые волны

Звуковая волна распространяется через дерево

Источник звука — это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Физические и химические свойства воды

Оценим за полчаса!

Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми.

Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком.

Физика. Звук и звуковые волны

Скорость звука

Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения).

Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.

Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше, чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением — убывает.

Высота, тембр и громкость звука

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Физика. Звук и звуковые волны

Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука — обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.

Физика. Звук и звуковые волны

Звуковые явления

Эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград — гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука.

Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным.

Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.

Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.

Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.

Применение звуковых волн

Эхолокация. Это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании.

На судах устанавливают гидролокаторы — приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы.

Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.

Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели называется ультразвуковым дефектоскопом.

На исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник.

В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь без существенного отражения и не регистрируются приемником.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани.

 Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей.

Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.

Физика. Звук и звуковые волны

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространятся на очень далекие расстояния.

Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или положения стреляющего оружия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания стихийного бедствия — цунами.

Медузы, ракообразные и др. способны воспринимать инфразвуки и задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.

Источник: fizmat.by

Источник: http://msk.edu.ua/ivk/Fizika/Konspekt/Zvuk.php

Звуковые волны, виды, длина волны и скорость звука

Сегодня мы продолжим изучать звук и разберёмся что такое звуковые волны, какие бывают их виды, что такое длина волны и какая скорость у звука.

Звуковые волны

Звук создаётся с помощью механических колебаний голосового аппарата или различных элементов музыкальных инструментов. Подробнее о механических колебаниях мы говорили вот в этой статье (читать).

Распространяется звук посредством передачи энергии механических колебаний частицам среды в виде звуковых волн. Как это происходит написано вот здесь.

Виды звуковых волн

Звуковые волны делятся на продольные. Это когда направление движения частиц совпадает с направлением распространения энергии механических колебаний в упругой среде. И на поперечные. Это когда направление движения частиц перпендикулярно распространению возмущения.

Физика. Звук и звуковые волны

В газах (к ним относится и воздух) распространяются только продольные волны, в твердых могут быть оба вида.

Скорость звуковой волны

Если сделать движение рукой туда и обратно, то с воздухом ничего особенного не произойдет, кроме того, что его частицы сместятся в пространстве. Если бы мы могли махать рукой сто раз в секунду, то произошло бы совсем другое. У воздуха не было бы времени освобождать путь движущейся руки. И он стал бы сжиматься, когда рука движется вперёд и разрежаться, когда она возвращалась.

Благодаря упругости в процессе таких колебаний при движении поверхности тела вперёд каждая частица воздуха толкает находящуюся впереди частицу, та следующую и т. д. При обратном движении поверхности тела сжатие сменяется разряжением, за которым опять следует сжатие.

Эти волны сжатия и разряжения передаются от одного участка к другому с определённой скоростью.

В упругой среде они распространяются со скоростью, зависящей от материала среды и от того, насколько близко расположены друг к другу его атомы и молекулы.

В газах плотность не влияет на скорость. Например, в воздухе важным параметром является его температура. Но об этом ещё поговорим.

Отметим, что скорость звука в воздухе абсолютно не зависит от числа колебаний поверхности тела. Напомним, что число колебаний в секунду (точнее один период) называется Герц (Гц).

Также скорость смещения частиц и скорость звуковой волны это совершенно разные величины. Скорость частиц зависит от частоты и амплитуды звукового сигнала.

А скорость звука только от свойств среды (температура, плотность, упругость).

Формулы

Зависимость скорости звуковой волны от свойств среды, где она распространяется, рассматривается по формуле:

Физика. Звук и звуковые волны

E — коэффициент упругости среды, определяет силу взаимодействия частиц друг с другом; p = m/V (кг/м³) — плотность среды. У твердых тел упругость больше, чем у жидкости и газа. Поэтому соотношение скоростей звука будет таким:

Физика. Звук и звуковые волны

Скорость звука в газах может быть представлена следующей формулой:

Физика. Звук и звуковые волны

  • γ = cp/сv — отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении к удельной теплоёмкости при постоянном объёме.
  • P атм — атмосферное давление, которое связано с температурой газообразной среды.
  • Главное, что нужно понять из этой формулы, это то, что в газообразной среде скорость звука сильно зависит от температуры (чем горячее, тем быстрее двигаются молекулы, имеет большую энергию и быстрее передают механическое возбуждение)
  • В воздухе скорость звука (при нормальном атмосферном давлении) приближенно можно представить так:

C = (331 + 0,6 T °) м/c

  1. T ° — градусы Цельсия.
  2. Например, при температуре 20 °C скорость звука равна 343 м/с
  3. C = (331 + 0,6 × 20) = 343
  4. При 0 °C, скорость звука равна 331 м/с, при — 20 °C = 319 м/с.

Такая зависимость особенно важна для духовых музыкальных инструментов при их настройке. Поэтому их нужно прогревать перед исполнением.

Ещё важно, что связь звуковых колебаний с размерами источника звука, которые не изменяются с температурой, не означают постоянства частоты, так как последняя зависит от скорости звука, растущей с повышением температуры. Струнные в этом случае можно подстроить.

А вот вибрирующий столб во многих духовых инструментах подстроить нельзя. Ведь колебания возникают в воздушной полости инструмента, а их частота зависит от размеров полости и скорости истечения воздушных масс из неё.

Например, у флейты высота звука увеличивается на полтона при повышении температуры на 15 °C.

Если переводить в км/ч, то 343 м/с, это 1235 км/ч. Это довольно быстро для человека или автомобиля. Но мало по сравнению со скоростью света 300 000 км/c.

Заканчивая о скорости звука, отметим, что скорость звука не зависит от частоты. Так как в воздушной среде отсутствует дисперсия — зависимость скорости распространения звука от частоты. Если бы в воздухе была бы дисперсия, мы не смогли бы слушать музыку в зале: все звуки, исполненные одновременно, приходили бы к слушателю в разное время.

Длина волны

Когда происходит одно сжатие и одно разрежение плотности среды происходит один период колебания. Поэтому расстояние между двумя сжатиями или двумя разряжениями звуковой волны и равно длине волны.

Физика. Звук и звуковые волны

Если мы знаем частоту звука (количество волн в секунду), то мы можем вычислить расстояние между соседними соответствующими точками распространяющихся волн.

Допустим звук с известной нам скоростью 340 м/с имеет частоту 340 Гц. При этих параметрах длина волны будет равна 1 метру.

Формула для расчёта длины волны

А формула вычислений такая:

Физика. Звук и звуковые волны

λ — длина волны, c — скорость, f — частота.

Конечно, эти расчеты являются приближенными. Так как мы уже знаем, что скорость звука в воздухе зависит от температуры, давления. Но на практике, чтобы рассчитать толщину звукопоглотителя для ослабления звука определённого диапазона частот или для оценки размера мембраны микрофона, этого вполне достаточно.

Музыкальные ноты имеет определённые частоты, значит и определённую длину волн. Например, у фортепиано верхняя октава создаёт звуки в районе 2 см, а нижняя около 10 м. Но дека фортепиано не очень эффективно генерирует эти звуки, в отличии, например, от органа. Почему?

Вернёмся к нашей руке. Допустим мы всё-таки наделены сверх способностями и можем махать рукой 100 раз в секунду = 100 Гц. Этот источник звука был бы всё равно несовершенен, так как часть воздуха огибала его сбоку.

Чтобы этого не было, источник для таких низких частот должен быть гораздо большего размера (например, дека фортепиано более эффективна, поскольку потери на её краях невелики, а органа ещё эффективнее). Если же вибратор колеблется очень быстро воздух не успевает растекаться по сторонам.

Поэтому для очень высоких частот даже малые поверхности могут быть эффективными излучателями звука.

Спасибо, что читаете New Style Sound. Подписывайтесь и делитесь с друзьями.

Источник: https://nssound.ru/o-zvuke-i-zvukovykh-signalakh/zvukovye-volny-vidy-dlina-volny-i-skorost-zvuka/

I. Механика

Звук — это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Физика. Звук и звуковые волны

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.

Читайте также:  Термохимические уравнения в физике

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.

Физика. Звук и звуковые волны

Звуковая волна распространяется через дерево

Источник звука — это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити.

Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми.

Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком.

Физика. Звук и звуковые волны

Скорость звука

Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения).

Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.

Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше,чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением — убывает.

Высота, тембр и громкость звука

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Физика. Звук и звуковые волны

Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука — обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.

Физика. Звук и звуковые волны

Звуковые явления

Эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград — гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука.

Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным.

Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.

Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.

Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.

Применение звуковых волн

Эхолокация. Это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании.

На судах устанавливают гидролокаторы — приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы.

Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.

Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели называется ультразвуковым дефектоскопом.

На исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник.

В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь без существенного отражения и не регистрируются приемником.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани.

Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей.

Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.

Физика. Звук и звуковые волны

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространятся на очень далекие расстояния.

Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или положения стреляющего оружия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания стихийного бедствия — цунами. Медузы, ракообразные и др.

способны воспринимать инфразвуки и задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.

Источник: http://fizmat.by/kursy/kolebanija_volny/zvuk

Физика звука

У любого явления в нашем Мире, есть какие-либо количественные и качественные показатели, которые можно измерить, а значит изменить, получив предсказуемые, в большинстве случаев, последствия. И звук не стал исключением из правил!

Для него действуют те же параметры и показатели, что и для окружающего мира. Изучением этих параметров и показателей занимается наука «Акустика».

Звуковые колебания графически можно представить в виде графика движения тела, которое порождает звук. Если речь идёт о динамике, который воспроизводит звук, то график будет отображать движение диффузора.

 Если речь о струне, то график колебания струны. Если какой-либо духовой инструмент, то график колебания воздуха внутри трубки инструмента и т. д.

Чтобы описать такое явление, как звук, надо сперва понять – а что мы, собственно, слышим.

  • Ну, во-первых – громкость, мы различаем громкие и тихие звуки.
  • Во-вторых, звуковысотность, мы различаем звуки из которых складывается мелодия.
  • В-третьих, мы воспринимаем изменение громкости отдельных звуков.
  • В-четвёртых, мы различаем звук одного инструмента от другого, например, пианино от гитары, слышим их уникальный тембр.
  • Чтобы понять, как всё это работает, надо представить для себя всю картину.
  • Рассмотрим график движения диффузора в динамике.
  • Стоит оговориться, что он не может воспроизвести два звука одновременно, он движется линейно, в определённых пределах.
  • У движения диффузора есть амплитуда:
  • Физика. Звук и звуковые волны
  • Грубо говоря – это расстояние на которое он может отклониться из состояния покоя.
  • Когда он воспроизводит аудиосигнал, он движется в этих пределах:
  • Физика. Звук и звуковые волны

При движении он создаёт напряжение в воздухе, то сжимая его, то разряжая поочерёдно. Это воздействие диффузора на воздух, создаёт в воздухе «звуковое давление». Если сила сигнала, приходящего в динамик увеличивается, то амплитуда движения диффузора увеличивается:

Физика. Звук и звуковые волны

Вслед за амплитудой увеличивается и скорость движения диффузора, так как большее расстояние ему нужно пройти за одно и то же время – волна-то одна, амплитуды разные.

 Так как увеличилась скорость, то, получается, что диффузор быстрее сжимает и разряжает воздух, а если воздух сжимается быстрее, то и давление, которое возникает в воздухе, становится больше.

 Соответственно, доходя до наших ушей, воздух сильнее раскачивает барабанную перепонку, от этого, возбуждение нервов становится больше и мы воспринимаем, что звук стал громче. Такие вот дела.

Из этого же примера можно заметить, что, не смотря на то, что амплитуда волны увеличилась, временные отрезки для обеих волн одинаковы, это обусловлено «частотой колебания», следующим параметром, который мы можем слышать.

 По сути, частота колебания – это звуковысотность, именно этот параметр отвечает за то, каким мы слышим звук – высоким или низким.

 Чем частота больше, тем и звук, который мы слышим, – выше, чем частота меньше, тем и звук ниже.

  1. Частота измеряется в Герцах (Гц).
  2. 1 Герц – это одно колебание в секунду.
  3. Порог слышимости человеческого слуха – от 20 до 20000 Гц.

Каждой ноте соответствует определённое количество колебаний. Таким образом, диффузор в динамике, который проигрывает какую-либо музыку раскачивает воздух не только с определённой амплитудой, влияя на громкость, слышимой музыки, но также и с определённой частотой.

 То есть, он совершает то большее, то меньшее количество колебаний, в зависимости от мелодии. Чтобы хоть немного представить скорость движения динамика, то можно сказать, что ноте «Ля» первой октавы соответствует частота в 440 Гц.

 То есть, если мы одну секунду будем слышать из динамика ноту «Ля», то за эту самую секунду, динамик совершит 440 колебаний.

Частота звука так же влияет на громкость, но это уже больше относится к разделу «психоакустики», так как затрагивает вопрос восприятия человеком звука.

Наш слуховой аппарат устроен таким образом, что мы воспринимаем высокие частоты громче, чем низкие, если говорить о «звуковом давлении».

 То есть, если мы возьмём два звука – низкий и высокий и настроим их громкость так, чтобы они создавали одинаковое звуковое давление, то высокий будет казаться гораздо громче.

Следующее, что мы можем различить в звуке – это его ADSR-огибающая. Понятие ADSR больше относится к одиночным звукам и чаще всего к звукам синтезаторов, при цифровом синтезе звука. ADSR – это аббревиатура от английский слов Attack (Атака), Decay (Спад), Sustaine (Звучание)и Release (Затухание).

 Чуть позже, мы отдельно поговорим об этом подробнее, но сейчас стоит вкратце объяснить, суть. Представьте себе, что вы взяли гитару и дёрнули на ней струну.

 Сперва,вы услышите, что звук появился очень быстро, буквально сразу (Атака), затем громкость немного уменьшится (Спад), немного подержится (Звучание) и затихнет (Затухание).

Физика. Звук и звуковые волны

В большинстве случаев, под ADSRподразумевают именно данные стадии звукообразования и их настройку. При цифровом синтезе эти параметры задаются в миллисекундах, при игре на инструменте ими управляет исполнитель.

Ещё одним слышимым качеством звука является тембр инструмента и наша способность эти тембры между собой различать. 

Тема сложная и будет наиболее полно раскрыта во время нашего обзора различных инструментов. На тембр влияет практически всё, что есть в инструменте, в большей или меньшей мере. Первое и основное – это конечно способ звукообразования. То есть принцип работы инструмента.

 На скрипке по струнам водят смычком, на гитаре струны дергают, в клавишных по струнам ударяют молоточки, в духовые дуют, в результате, рождается звук инструмента. При этом, для каждого инструмента характерно своё, неповторимое звучание.

Так, две гитары не будут звучать одинаково, что-то будет различаться в их звучании, хоть это по-прежнему будет звук гитары.

Это очень интересная тема, которую мы ещё разберём более подробно.

Из самых очевидных звуковых явлений мы всё рассмотрели, остались не очевидные, но о них в другой раз.

Источник: http://soundtheory.ru/fizika-zvuka/

Звуковые волны — Класс!ная физика

  • «Физика — 11 класс»
  • Волны при определенных условиях можно услышать.
  • Возбуждение звуковых волн
  • Если длинную стальную линейку зажать в тисках, затем отклонить конец линейки от положения равновесия, то линейка начнет колебаться и звучать.

Физика. Звук и звуковые волны

Пластина в ходе колебаний вдоль нормали к ней сжимает прилегающий к одной из ее сторон слой воздуха и одновременно создает разрежение с другой стороны. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в обе стороны в виде упругих продольных волн. такая волна достигает уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, которые воздействуют на слуховой аппарат. Ухо человека воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 17 до 20 000 Гц.

Такие колебания называются акустическими.

Акустика — это учение о звуке.

  1. Любое тело (твердое, жидкое или газообразное), колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей среде звуковую волну.
  2. Звуковые волны в различных средах
  3. Звуки могут распространяться в газах, жидкостях и твердых телах.
  4. В вакууме звуковые волны распространяться не могут.

Физика. Звук и звуковые волны

Если электрический звонок поместить под колокол воздушного насоса, то мере того как давление воздуха под колоколом уменьшается, звук будет ослабевать до тех пор, пока не прекратится совсем.

Плохо проводят звук такие материалы, как войлок, пористые панели, прессованная пробка и т. д. Эти материалы используют для звукоизоляции, т. е. для защиты помещений от проникновения в них посторонних звуков.

  • Скорость звука
  • Звуковые волны, подобно всем другим волнам, распространяются с конечной скоростью.
  • Скорость звука в воздухе при 0 °С равна 331 м/с.
  • Скорость звука в воздухе не зависит от его плотности.

В жидкости скорость звука больше, чем в газе. Впервые скорость звука в воде была измерена в 1827 г. на озере в Швейцарии. На одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в подводный колокол.

Другая лодка находилась на расстоянии 14 км от первой. Звук колокола улавливался с помощью рупора, опущенного в воду.

По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука.

При температуре 8 °С скорость звука в воде равна 1435 м/с.

Физика. Звук и звуковые волны

В твердых телах скорость звука еще больше, чем в жидкостях и газах. То, что скорость звука в твердом теле больше, чем в воздухе, можно обнаружить так. Если ваш помощник ударит по одному концу рельса, а вы приложите ухо к другому концу, то будут слышны два удара. Сначала звук достигает уха по рельсам, а затем по воздуху.

По известной частоте колебаний и скорости звука в воздухе можно вычислить длину звуковой волны. Самые длинные волны, воспринимаемые ухом человека, имеют длину волны λ ≈ 19 м, а самые короткие — длину волны λ ≈ 17 мм.

Колебания со звуковой частотой (17-20 000 Гц) создают в окружающей среде звуковую волну, скорость которой зависит от свойств среды и температуры.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Что такое электромагнитные волны» Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Механические волны. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Волновые явления — Распространение механических волн — Длина волны. Скорость волны. Уравнение гармонической бегущей волны — Распространение волн в упругих средах — Звуковые волны — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_40.html

Звуковые волны и их характеристики. Звуковые волны вокруг нас :

Звук представляет собой звуковые волны, которые вызывают колебания мельчайших частиц воздуха, других газов, а также жидких и твердых сред. Звук может возникать только там, где есть вещество, не важно, в каком агреатном состоянии оно находится.

В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Например, в космосе. Звук может модифицироваться, видоизменяться, превращаясь в иные формы энергии.

Так, звук, преобразованный в радиоволны или в электрическую энергию, можно передавать на расстояния и записывать на информационные носители.

Физика. Звук и звуковые волны

Звуковая волна

Движения предметов и тел практически всегда становятся причиной колебаний окружающей среды. Не важно, вода это или воздух. В процессе этого частицы среды, которой передаются колебания тела, также начинают колебаться.

Возникают звуковые волны. Причем движения осуществляются в направлениях вперед и назад, поступательно сменяя друг друга. Поэтому звуковая волна является продольной. Никогда в ней не возникает поперечного движения вверх и вниз.

Читайте также:  Как написать введение к дипломной работе

Характеристики звуковых волн

Как и любое физическое явление, они имеют свои величины, при помощи которых можно описать свойства. Основные характеристики звуковой волны – это ее частота и амплитуда. Первая величина показывает, какое количество волн образуется за секунду. Вторая определяет силу волны.

Низкочастотные звуки имеют низкие показатели частоты, и наоборот. Частота звука измеряется в Герцах, и если она превышает 20 000 Гц, то возникает ультразвук. Примеров низкочастотных и высокочастотных звуков в природе и окружающем человека мире достаточно.

Щебетание соловья, раскаты грома, грохот горной реки и другие – это все разные звуковые частоты. Значение амплитуды волны напрямую зависит от того, насколько звук громок. Громкость же, в свою очередь, уменьшается по мере удаления от источника звука.

Соответственно, и амплитуда тем меньше, чем дальше от эпицентра находится волна. Другими словами, амплитуда звуковой волны уменьшается при удалении от источника звука.

Физика. Звук и звуковые волны

Скорость звука

Этот показатель звуковой волны находится в прямой зависимости от характера среды, в которой она распространяется. Значимую роль здесь играют и влажность, и температура воздуха. В средних погодных условиях скорость звука составляет приблизительно 340 метров в секунду.

В физике существует такое понятие, как сверхзвуковая скорость, которая всегда по значению больше, чем скорость звука. С такой скоростью распространяются звуковые волны при движении самолета. Самолет движется со сверхзвуковой скоростью и даже обгоняет звуковые волны, создаваемые им.

Вследствие давления, постепенно увеличивающегося позади самолета, образуется ударная звуковая волна. Интересна и мало кому известна единица измерения такой скорости. Называется она Мах. 1 Мах равен скорости звука.

Если волна движется со скоростью 2 Маха, значит, она распространяется в два раза быстрее, чем скорость звука.

Физика. Звук и звуковые волны

Шумы

Источник: https://www.syl.ru/article/150092/mod_zvukovyie-volnyi-i-ih-harakteristiki-zvukovyie-volnyi-vokrug-nas

Основные понятия о звуке с позиции медицинской и биологической физики

2015-10-18

Доктор мед.наук, профессор Фёдорова В.Н. и Степанова Л.А, (из краткого курса медицинской и биологической физики для медицинских ВУЗов). 

Акустика – это раздел физики, который изучает упругие волны от самых низких частот до самых высоких. Звуковые явления, изучаемые в акустике, чрезвычайно важны для медицины, особенно для оценки слуховых ощущений. Акустика – это наука о звуке.

                               ЗВУК, ВИДЫ ЗВУКА

Звук – этоупругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твёрдых веществах. Звук — это явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.

В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. С возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается.

ВОЗРАСТ Верхняя граница частоты в Герцах
Маленькие дети 22.000 Гц
До 20 лет 20.000 Гц
35 лет В среднем около 15.000 Гц.
50 лет В среднем около 12.000 Гц.

Инфразвук — это звук с частотой ниже 16-20 Гц. выше 20 к Гц.

  • Ультразвук — это звук с частотой больше 20 кГц.
  • Гиперзвук – это самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 в 9-й степени до 10 в 12-й степени. 
  • Звуки, встречающиеся в природе, бывают разных видов.

Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Его основной характеристикой является частота.

Простой тон создаётся телом, колеблющемся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создаётся периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум – это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума — сплошной (шорох, скрип, шелест листьев).

Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

Акустический спектр тона – это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Наименьшая частота в спектре соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте. Наибольшая амплитуда спектра соответствует основному тону.

Именно он воспринимается ухом как высота звука. Обертоны создают «окраску» звука.

Звуки одной и той же высоты, созданные разными инструментами, воспринимаются ухом по-разному именно из-за различного соотношения между амплитудами обертонов.

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА

1. Скорость.

Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в  воздухе, при нормальных условиях равна примерно 330 м/с (примерно 1200 км/ч).

От давления скорость звука не зависит. Скорость звука в воде равна 1500 м/с (примерно 5400 км/ч), близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление.

Распространение звука сопровождается изменением давления в среде. Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление – это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.   

3. Интенсивность звука.

Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука – это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной.

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. Ушная раковина выполняет функцию волновода, за счёт которого увеличивается интенсивность звука.           

Порог слышимости – это минимальный порог восприятия звука нормальным человеческим ухом.

Порог болевого ощущения – это звук такой интенсивности, при которых человек перестаёт слышать и у него возникают ощущения давления и боли.

4. Уровень интенсивности.

Отношение интенсивностей, соответствующих порогам слышимости и болевого ощущения, столь велико, что на практике используют логарифмическую шкалу, вводя специальную безразмерную характеристику – уровень интенсивности.

Уровнем интенсивности – называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости.

Единицей измерения уровня интенсивности является БЕЛ (Б). Обычно используют более мелкую единицу уровня интенсивности – децибел (дБ).

Если человек слышит звуки, приходящие с одного направления от нескольких некогерентных источников, то их интенсивности складываются.

Высокий уровень интенсивности звука, приводит к необратимым изменениям в слуховом аппарате. Так звук в 160 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки и смещение слуховых косточек в среднем ухе, что приводит к необратимой глухоте. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное действие шума в 90-120 дБ приводит к поражению слухового нерва.  

ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХОВОГО ОЩУЩЕНИЯ. ЗВУКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

Высота. Тембр.

Воспринимая звуки, человек различает их по высоте и тембру. Высота тона прежде всего обусловлена частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности звука (звук большей интенсивности воспринимается более низким). Тембр — это характеристика звукового ощущения, которая

определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учёта этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости Io установлен для этой частоты).

  1. Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах: Е = 10 Ig (I/Io).
  2. Для остальных частот громкость определяют путём сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука на опорной частоте.
  3. Громкость звука равна уровню интенсивности звука (Дб) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук.
  4. Единицу громкости звука называют фоном.
  5. Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты при уровне интенсивности 60 дБ.
Частота, Гц 50 100 200 500 1000 2000 5000 10 000
Громкость, фон 10 30 47 57 60 64 59 49
  •                              ЗВУКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
  • Для оценки слуха конкретного человека применяется метод тональной пороговой аудиометрии.
  • Аудиометрия – это метод измерения остроты слуха.

На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения, или порог восприятия, Lп на разных частотах.

Для этого с помощью звукового генератора создают звук заданной частоты и, увеличивая уровень интенсивности L, фиксируют пороговый уровень интенсивности Lп, при котором у испытуемого появляются слуховые ощущения.

Нарушение функции звуковоспринимающего аппарата может привести к тугоухости – стойкому снижению чувствительности к различным тонам и шёпотной речи.

Для измерения громкости сложного тона или шума используют специальные приборы – шумометры. Звук, принимаемый микрофоном, преобразуется в электрический сигнал, который пропускается через систему фильтров. Параметры фильтров подобраны так, что чувствительность шумометра на разных частотах близка к чувствительности человеческого уха.  

 ПРОХОЖДЕНИЕ ЗВУКА ЧЕРЕЗ ГРАНИЦУ РАЗДЕЛА СРЕД

При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами звук частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Интенсивности отражённой и прошедшей через границу волн определяются соответствующими коэффициентами.

  1. Коэффициент отражения (r) – величина, равная отношению интенсивностей отражённой и падающей волн:  r = I отр / I пад
  2. Коэффициент проникновения (B) – величина, равная отношению интенсивностей прошедшей и падающей волн:  B = I прош / I пад
  3. Сумма коэффициентов отражения и преломления равна единице:  r + B = 1
  4. Для расчёта коэффициентов отражения и проникновения используется специальная физическая величина, называемая волновым сопротивлением.
  5. Волновым сопротивлением среды (Rа) — называется произведение плотности среды (р) на скорость распространения звука (v): Ra = pv
  6. Величины коэффициентов отражения и проникновения определяются отношением (х) волновых сопротивлений граничащих сред:  x = Rменьшее : Rбольшее

При нормальном падении звуковой волны на границу раздела сред справедливы следующие формулы:  r = (1-x : 1+x) в квадрате. Формула 3.9          B = 4x/(1+x) в квадрате.

Из формулы 3.9 видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем большая доля энергии отражается на границе раздела.

В частности, если величина «х» близка к нулю, то коэффициент отражения близок к единице.

Например, для границы воздух-вода: х (отношение волновых сопротивлений) = 3х10 в минус 4 степени, а r (коэффициент отражения) = 99,88%. То есть отражение является практически полным.

Важно, что значение коэффициентов отражения и преломления не зависят от того порядка, в котором звук проходит данные среды. Например, для перехода звука из воздуха в воду значения коэффициентов такие же. Как для перехода в обратном направлении.  

ЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Звук может быть источником информации о состоянии органов человека.

  1. АУСКУЛЬТАЦИЯ – непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма. По характеру таких звуков можно определить, какие именно процессы протекают в данной области тела, и в некоторых случаях установить диагноз.

Приборы, применяемые для выслушивания: стетоскоп и фонендоскоп. При помощи которых выслушиваются дыхательные шумы, хрипы, тоны сердца, шумы в сердце, движение плода в утробе матери.

В клинике используются установки, в которых выслушивание осуществляется при помощи микрофона и динамика. Широко применяется запись звуков на цифровой носитель, что даёт возможность их воспроизведения.

2. ФОНОКАРДИОГРАФИЯ — графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация. Запись осуществляется при помощи фонокардиографа, который состоит из микрофона, усилителя, частотных фильтров, регистрирующего устройства.

3. ПЕРКУССИЯ – исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализ возникающих при этом звуков. Постукивание осуществляется либо с помощью специальных молоточков, либо при помощи пальцев.

Если в замкнутой полости вызвать звуковые колебания, то при определённой частоте звука воздух в полости начнёт резонировать, усиливая тот тон, который соответствует размеру полости и её положению.

Схематично тело человека можно представить суммой разных объёмов: газонаполненных (лёгкие), жидких (внутренние органы), твёрдых (кости). При ударе по поверхности тела возникают колебания с разными частотами. Часть из них погаснет.

Другие совпадут с собственными частотами пустот, следовательно, усилятся и из-за резонанса будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию органа.

  •    ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПРОФИЛАКТИКУ ШУМА. ЗАЩИТА ОТ ШУМА
  • Для профилактики шума необходимо знать основные факторы, определяющие его воздействие на организм человека: близость источника шума, интенсивность шума, длительность воздействия, ограниченность пространства, в котором действует шум.
  • Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (не только органа слуха).
  • Воздействие длительного шума на ЦНС проявляется в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности.
  • После длительного действия шума изменяется ритм дыхания, ритм сердечных сокращений, возникает усиление тонуса сосудистой системы, что приводит к повышению систолического и диастолического уровня кровяного давления.

Изменяется двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, наблюдается гиперсекреция отдельных желёз внутренней секреции. Имеет место повышение потливости. Отмечается подавление психических функций, особенно памяти.

Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10-15 дБ.

После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3-5 минут. При высоком уровне интенсивности шума (80-90 дБ) его утомляющее действие резко усиливается.

Одной из форм расстройства функции органа слуха, связанной с длительным воздействием шума, является тугоухость.

Сильное воздействие как на физическое, так и на психологическое состояние человека оказывает рок-музыка. Современная рок-музыка создаёт шум в диапазонах от 10 Гц до 80 кГц.

Экспериментально установлено, что если основной ритм, задаваемый ударными инструментами, имеет частоту 1,5 Гц и имеет мощное музыкальное сопровождение на частотах 15-30 Гц, то у человека наступает сильное возбуждение. При ритме с частотой 2 Гц, при таком же сопровождении человек впадает в состояние, близкое к наркотическому опьянению.

На рок-концертах интенсивность звука может превышать 120 дБ, хотя человеческое ухо настроенно наиболее благоприятно на среднюю интенсивность 55 дБ. При этом могут возникать контузии звуком, звуковые «ожоги», потеря слуха и памяти.

Шум оказывает вредное воздействие на орган зрения. Так, длительное воздействие производственного шума на человека. Находящегося в затемнённом помещении, приводит к заметному снижению активности сетчатки глаза, от которой зависит работа глазного нерва, а следовательно, и острота зрения.  

Защита от шума достаточно сложна. Это связано с тем, что вследствие сравнительно большой длины волны звук огибает препятствия (дифракция) и звуковая тень не образуется.

Для борьбы с шумами, проникающими в жилые помещения, большое значение имеют правильное планирование расположение зданий, учёт розы ветров, создание защитных зон, в том числе и растительных. Растения – хороший гаситель шума. Деревья и кустарники могут снижать уровень интенсивности шума на 5-20 дБ.

Эффективны зелёные полосы между тротуаром и мостовой. Лучше всего шум гасят липы и ели. Дома, находящиеся позади высокого хвойного заслона, могут быть избавлены от шумов улицы почти полностью.

Борьба с шумом не предполагает создание абсолютной тишины, так как при длительном отсутствии слуховых ощущений у человека могут возникать расстройства психики. Абсолютная тишина и длительный повышенный шум одинаково противоестественны для человека.

Источник: https://surikovschool.com/article/id/6

Ссылка на основную публикацию