Пение птиц, шум дождя и ветра, раскаты грома, музыка – всё, что мы слышим, мы считаем звуком.
С научной точки зрения звук – это физическое явление, которое представляет собой механические колебания, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразной среде . Они и вызывают слуховые ощущения.
Как появляется звуковая волна
Нажать на картинку
Все звуки распространяются в виде упругих волн. А волны возникают под действием упругих сил, появляющихся, когда тело деформируют. Эти силы стремятся вернуть тело в исходное состояние. Например, натянутая струна в неподвижном состоянии не звучит. Но стоит только отвести её в сторону, как под действием силы упругости она будет стремиться занять своё первоначальное положение. Вибрируя, она становится источником звука.
Источником звука может быть любое колеблющееся тело, например, закреплённая с одной стороны тонкая стальная пластинка, воздух в музыкальном духовом инструменте, голосовые связки человека, колокольчик и т.д.
Что происходит в воздухе при возникновении колебания?
Как любой газ, воздух обладает упругостью. Он сопротивляется сжатию и тут же начинает расширяться, когда давление уменьшается. Любое давление на него он равномерно передаёт в разные стороны.
Если с помощью поршня резко сжать воздух, то в этом месте сразу же увеличится давление. Оно тут же передастся соседним слоям воздуха. Они будут сжиматься, и давление в них увеличится, а в предыдущем слое уменьшится. Так по цепочке чередующиеся зоны повышенного и пониженного давления передаются дальше.
Отклоняясь в стороны поочерёдно, звучащая струна сжимает воздух сначала в одном направлении, а затем в противоположном. В том направлении, куда отклонилась струна, давление становится выше атмосферного на какую-то величину. С противоположной стороны давление на такую же величину уменьшается, так как воздух там разрежается. Сжатия и разрежения будут чередоваться и распространяться в разные стороны, вызывая колебания воздуха. Эти колебания и называются звуковой волной . А разность между атмосферным давлением и давлением в слое сжатия или разрежения воздуха называют акустическим, или звуковым давлением.
Нажать на картинку
Звуковая волна распространяется не только в воздухе, но и в жидкой, и в твёрдой среде. Например, вода прекрасно проводит звук. Мы слышим под водой удар камня. Шум винтов надводного корабля улавливает акустик подводной лодки. Если на один конец деревянной доски положить наручные механические часы, то, приложив ухо к противоположному концу доски, мы услышим их тиканье.
Будут ли различаться звуки в вакууме? Английский физик, химик и богослов Роберт Бойль, живший в XVII веке, поместил часы в стеклянный сосуд, из которого откачал воздух. Тиканья часов он не услышал. Это означало, что звуковые волны в безвоздушном пространстве не распространяются.
Характеристики звуковой волны
Форма звуковых колебаний зависит от источника звука. Наиболее простую форму имеют равномерные, или гармонические колебания. Их можно представить в виде синусоиды. Такие колебания характеризуются амплитудой, длиной волны и частотой распространения колебаний.
Амплитуда
Амплитудой в общем случае называют максимальное отклонение тела от положения равновесия.
Так как звуковая волна состоит из чередующихся областей высокого и низкого давления, то её часто рассматривают как процесс распространения колебаний давления. Поэтому говорят об амплитуде давления воздуха в волне.
От амплитуды зависит громкость звука. Чем она больше, тем громче звук.
Каждый звук человеческой речи имеет форму колебаний, свойственную только ему. Так, форма колебаний звука «а» отличается от формы колебаний звука «б».
Частота и период волны
Количество колебаний в секунду называется частотой волны .
f = 1/Т
где Т – период колебаний. Это промежуток времени, за который совершается одно полное колебание.
Чем больше период, тем меньше частота, и наоборот.
Единица измерения частоты в международной системе измерений СИ – герц (Гц). 1 Гц – это одно колебание в секунду.
1 Гц = 1 с -1 .
К примеру, частота в 10 Гц означает 10 колебаний в 1 секунду.
1 000 Гц = 1 кГц
От частоты колебаний зависит высота тона. Чем выше частота, тем выше тон звука.
Человеческое ухо способно воспринимать не все звуковые волны, а только лишь те, которые имеют частоту от 16 до 20 000 Гц. Именно эти волны и считаются звуковыми. Волны, частота которых ниже 16 Гц, называют инфразвуковыми, а свыше 20 000 Гц – ультразвуковыми.
Человек не воспринимает ни инфразвуковые, ни ультразвуковые волны. Но животные и птицы способны слышать ультразвук. Например, обыкновенная бабочка различает звуки, имеющие частоту от 8 000 до 160 000 Гц. Диапазон, воспринимаемый дельфинами, ещё шире, он колеблется от 40 до 200 тысяч Гц.
Длина волны
Длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими точками гармонической волны, находящимися в одинаковой фазе, например, между двумя гребнями. Обозначается как ƛ .
За время, равное одному периоду, волна проходит расстояние, равное её длине.
Скорость распространения волны
v = ƛ / T
Так как T = 1/f,
то v = ƛ·f
Скорость звука
Попытки определить скорость звука с помощью экспериментов предпринимались ещё в первой половине XVII века. Английский философ Фрэнсис Бэкон в своей работе «Новый органон» предложил свой способ решения этой задачи, основанный на разности скоростей света и звука.
Известно, что скорость света значительно выше скорости звука. Поэтому во время грозы сначала мы видим вспышку молнии, а уже затем слышим раскаты грома. Зная расстояние между источником света и звука и наблюдателем, а также время между вспышкой света и звуком, можно рассчитать скорость звука.
Идеей Бэкона воспользовался французский учёный Марен Марсенн. Наблюдатель, находящийся на некотором расстоянии от человека, стрелявшего из мушкета, зафиксировал время, прошедшее от световой вспышки до звука выстрела. Затем величину расстояния разделили на время и получили скорость звука. По результатам эксперимента скорость оказалась равной 448 м/с. Это был приблизительный расчёт.
В начале XIX века группа учёных Парижской академии наук повторила этот опыт. По их расчётам скорость света имела значение 350-390 м/с. Но и эта цифра не была точной.
Теоретически скорость света пытался вычислить Ньютон. В основу своих расчётов он положил закон Бойля-Мариотта, описывавший поведение газа в изотермическом процессе (при постоянной температуре). А так бывает, когда объём газа изменяется очень медленно, успевая отдать окружающей среде тепло, возникающее в нём.
Ньютон же предполагал, что между областями сжатия и разрежения температура выравнивается быстро. Но этих условий нет в звуковой волне. Воздух плохо проводит тепло, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Тепло из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения. И между ними возникает разность температур. Поэтому расчёты Ньютона оказались неверными. Они давали цифру в 280 м/с.
Французский учёный Лаплас сумел объяснить, что ошибка Ньютона заключалась в том, что звуковая волна распространяется в воздухе в адиабатических условиях, при изменяющейся температуре. Согласно расчётам Лапласа, скорость звука в воздухе при температуре 0 о С равняется 331,5 м/с. Причём, она возрастает с возрастанием температуры. И при повышении температуры до 20 о С она будет равна уже 344 м/с.
В разных средах звуковые волны распространяются с разной скоростью.
Для газов и жидкостей скорость звука вычисляется по формуле:
где с –скорость звука,
β - адиабатическая сжимаемость среды,
ρ – плотность.
Как видно из формулы, скорость зависит от плотности и сжимаемости среды. В воздушной среде она меньше, чем в жидкой. Например, в воде при температуре 20 о С она равна 1484 м/с. Причём, чем выше солёность воды, тем с большей скоростью в ней распространяется звук.
Впервые скорость звука в воде измерили в 1827 г. Этот эксперимент чем-то напоминал измерение скорости света Мареном Марсенном. С борта одной лодки в воду спустили колокол. На расстоянии более 13 км от первой лодки находилась вторая. На первой лодке ударяли в колокол и одновременно поджигали порох. На второй лодке фиксировали время вспышки, а затем время прихода звука от колокола. Разделив расстояние на время, получили скорость звуковой волны в воде.
Самую высокую скорость звук имеет в твёрдой среде. Например, в стали она достигает более 5000 м/с.
Звук (звуковая волна ) –это упругая волна, воспринимаемая органом слуха человека и животных . Иначе говоря, звук представляет собой распространение колебаний плотности (или давления) упругой среды, возникающих при взаимодействии частиц среды друг с другом.
Атмосфера (воздух) является одной из упругих сред. Распространение звука в воздухе подчиняется общим законам распространения акустических волн в идеальных газах, а также имеет особенности, обусловленные непостоянством плотности, давления, температуры и влажности воздуха. Скорость звука определяется свойствами среды и вычисляется по формулам для скорости упругой волны.
Существуют искусственные и естественные источники звука. К искусственным относятся излучатели на основе:
Колебаний твёрдых тел (струны и деки музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов, пьезоэлектрические пластины);
Колебаний воздуха в ограниченном объёме (органные трубы., свистки);
Удара (клавиши рояля, колокол);
Электрического тока (электроакустические преобразователи).
К естественным источникам относятся:
Взрыв, обвал;
Обтекание препятствий потоком воздуха (обдувание ветром угла здания, гребня морской волны).
Также существуют искусственные и естественные приёмники звука:
Электроакустические преобразователи (микрофон в воздухе, гидрофон в воде, геофон в земной коре) и другие приборы;
Слуховой аппарат человека и животных.
При распространении звуковых волн возможны явления, характерные для волн любой природы:
Отражение от препятствия,
Преломление на границе двух сред,
Интерференция (сложение),
Дифракция (огибание препятствий),
Дисперсия (зависимость скорости звука в веществе от частоты звука);
Поглощение (уменьшение энергии и интенсивности звука в среде вследствие необратимого превращения энергии звука в теплоту).
Объективные характеристики звука
Частота звука
Частота звука, слышимого человеком, лежит в пределах от 16 Гц до16 - 20 кГц . Упругие волны с частотой ниже слышимого диапазона называют инфразвуком (в т. ч. сотрясение), сболее высокой частотой– ультразвуком , а самые высокочастотные упругие волны –гиперзвуком .
Весь частотный диапазон звука можно разделить на три части (табл. 1.).
Шум имеет сплошной спектр частот (или длин волн) в области низкочастотного звука (табл. 1, 2). Сплошной спектр означает, что частоты может иметь любое значение из данного интервала.
Музыкальные , или тональные , звуки обладают линейчатым спектром частот в области среднечастотного и частично высокочастотного звука. Оставшуюся часть высокочастотного звука занимает свист. Линейчатый спектр означает, что музыкальные частоты имеют лишь строго определённые (дискретные) значения из указанного интервала.
Кроме того, интервал музыкальных частот делят на октавы. Октава – это интервал частот, заключённый между двумя граничными значениями, верхняя из которых вдвое больше нижней (табл. 3)
Общепринятые октавные полосы частот
|
Октавные полосы частот |
min , Гц |
max , Гц |
ср , Гц |
Примеры интервалов частот звука, создаваемого человеческим голосовым аппаратом и воспринимаемого человеческим слуховым аппаратом, приведены в табл.4.
|
Контральто, альт | |||
|
Меццо-сопрано | |||
|
Колоратурное сопрано | |||
Примеры частотных диапазонов некоторых музыкальных инструментов приведены в таблице 5. Они охватывают не только звуковой диапазон, но и ультразвуковой.
|
Музыкальный инструмент |
Частота, Гц |
|
Саксофон | |
Животные, птицы и насекомые создают и воспринимают звук других частотных диапазонов, нежели человек (табл. 6).
В музыке каждую синусоидальную звуковую волну называют простым тоном, или тоном. Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Основным тоном сложного музыкального звука называют тон, соответствующий наименьшей частоте в его спектре. Тоны, соответствующие остальным частотам, называются обертонами . Если обертоны кратны частоте основного тона, то обертоны называются гармоническими . Обертон с наименьшей частотой называется первой гармоникой, со следующей - второй и т.л.
Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться тембром. Тембр зависит от состава обертонов, их частот и амплитуд, характера их нарастания в начале звучания и спада в конце.
Скорость звука
Для звука в различных средах справедливы общие формулы (22) – (25). При этом следует учесть, что формула (22) применима в случае сухого атмосферного воздуха и с учётом числовых значений коэффициента Пуассона, молярной массы и универсальной газовой постоянной может быть записана в виде:
Однако, реальный атмосферный воздух всегда имеет влажность, которая влияет на скорость звука. Это обусловлено тем, что коэффициент Пуассона зависит от отношения парциального давления водяного пара (p пар ) к атмосферному давлению (p ). Во влажном воздухе скорость звука определяют по формуле:
.
Из последнего уравнения видно, что скорость звука о влажном воздухе скорость звука немного больше, чем в сухом.
Численные оценки скорости звука, учитывающие влияние температур и влажности атмосферного воздуха, можно осуществлять по приближённой формуле:
Эти оценки показывают, что при распространении звука вдоль горизонтального направления (0 x ) с увеличением температуры на1 0 C скорость звука возрастает на0,6 м/с . Под влиянием водяного пара с парциальным давлением не более10 Па скорость звука возрастает менее чем на0,5 м/с . А в целом, при максимально возможном парциальном давлении водяного пара у поверхности Земли, скорость звука увеличивается не более чем1 м/с .
Звуковое давление
При отсутствии
звука атмосфера (воздух) является
невозмущённой средой и имеет статическое
атмосферное давление (
).
При распространении звуковых волн к этому статическому давлению добавляется дополнительное переменное давление, обусловленное сгущениями и разрежениями воздуха. В случае плоских волн можно записать:
где p зв, max – амплитуда звукового давления, - циклическая частота звука,k– волновое число. Следовательно, атмосферное давление в фиксированной точке в данный момент времени становится равным сумме этих давлений:
Звуковое давление – это переменное давление, равное разности мгновенного фактического атмосферного давления в данной точке при прохождении звуковой волны и статического атмосферного давления при отсутствии звука :
Звуковое давление в течение периода колебаний меняет своё значение и знак.
Звуковое давление практически всегда намного меньше атмосферного
Оно становится велико и соизмеримо с атмосферным при возникновении ударных волн во время мощных взрывов или при прохождении реактивного самолета.
Единицами измерения звукового давления служат следующие:
- паскаль
в СИ
,
- бар
в СГС
,
- миллиметр ртутного столба ,
- атмосфера .
На практике приборы измеряют не мгновенное значение звукового давления, а так называемое эффективное (илидействующее )звуковое давление . Оно равноквадратному корню из среднего значения квадрата мгновенного звукового давления в данной точке пространства в данный момент времени
(44)
и поэтому называется также среднеквадратическим звуковым давлением . Подставляя выражение (39) в формулу (40), получим:
.
(45)
Звуковое сопротивление
Звуковым (акустическим) сопротивлением называют отношение амплитуд звукового давления и колебательной скорости частиц среды:
.
(46)
Физический смысл звукового сопротивления : оно численно равно звуковому давлению, вызывающему колебания частиц среды с единичной скоростью:
Единица измерения звукового сопротивления в СИ – паскаль-секунда на метр :
.
В случае плоской волны скорость колебаний частиц равна
.
Тогда формула (46) примет вид:
.
(46*)
Существует также и другое определение звукового сопротивления, как произведение плотности среды и скорости звука в этой среде:
.
(47)
Тогда его физический смысл состоит в том, что оно численно равно плотности среды, в которой распространяется упругая волна с единичной скоростью:
.
Кроме акустического сопротивления в акустике используется понятие механическое сопротивление (R м ). Механическое сопротивление представляет собой отношение амплитуд периодической силы и колебательной скорости частиц среды:
,
(48)
где S – площадь поверхности излучателя звука. Механическое сопротивление измеряется вньютон-секундах на метр :
.
Энергия и сила звука
Звуковая волна характеризуется теми же энергетическими величинами, что и упругая волна.
Каждый объем воздуха, в котором распространяются звуковые волны, обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды (см. формулу (29)).
Интенсивность звука принято называть силой звука . Она равна
.
(49)
Поэтому физический смысл силы звука аналогичен смыслу плотности потока энергии: численно равна среднему значению энергии, которая переносится волной за единицу времени через поперечную поверхность единичной площади.
Единица измерения силы звука – ватт на квадратный метр:
.
Сила звука пропорциональна квадрату эффективного звукового давления и обратно пропорциональна звуковому (акустическому) давлению:
,
(50)
или, учитывая выражения (45),
,
(51)
где R ак – акустическое сопротивление.
Звук можно также характеризовать звуковой мощностью. Звуковая мощность – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в течение определённого времени через замкнутую поверхность, окружающую источник звука :
,
(52)
или, учитывая формулу (49),
.
(52*)
Звуковая мощность, как и любая другая, измеряется в ваттах :
.
Для начала заглянем в словарь и посмотрим там определения этих слов.
Звук — всё что слышит ухо, что доходит до слуха. Или более развёрнуто — то, что слышится, воспринимается слухом: физическое явление, вызываемое колебательными движениями частиц воздуха или другой среды. Звук, в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах.
Шум — это звуки, слившиеся в нестройное (обычно громкое) звучание. Или подробнее — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.
Вибрация — механические колебания упругого тела; дрожание. Слово произошло от латинского «Vibratio » — колебание, дрожание.
Изучением звуков занимается наука под названием АКУСТИКА. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до высоких частот.
Человеческое ухо воспринимает определённый диапазон колебаний — как правило, от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Одно колебание в секунду называется Герцем и сокращённо обозначается Гц . Колебания большей частоты называют ультразвуком, меньшей — инфразвуком.
Характеристики звука:
длина волны (период, Т) и амплитуда (А)
Поскольку звук это волна, то она характеризуется двумя основными величинами: длина волны (период колебания) и амплитуда. Амплитуда — максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении. Обратная периоду величина называется частотой (Гц). Сам же звук также характеризуется скоростью распространения, которая зависит от среды, в которой распространяется упругое колебание. Например:
Связь слышимости звука с давлением,
частотой и громкостью
Как мы уже говорили, человек может воспринимать в идеале звук частотой от 16 до 20000 Гц. Однако сама частота звука не даёт нам возможности оценить насколько он безопасен для человека. Частота звука говорит о теоретической возможности услышать подобный звук, а вот практически услышим мы его или нет зависит от амплитуды. Логарифм амплитуды измеряется в децибелах (дБ). Децибел — это относительная величина, показывающая насколько увеличилась или уменьшилась громкость звука.
Громкость — это кажущаяся сила звука, которая измеряется в децибелах. Зависимость громкости от уровня звукового давления (и интенсивности звука) является сугубо нелинейной кривой, она имеет логарифмический характер. При увеличении уровня звукового давления на 10 дБ громкость звука возрастёт в 2 раза.
С какими же уровнями громкости мы с Вами сталкиваемся в нашей жизни?
Звук |
Громкость, дБ |
Тишина (специальная камера) |
|
Тихий шёпот, тиканье наручных часов |
|
Шелест листьев, тиканье часов, норма для жилых помещений |
|
Сельская местность вдали от дорог, библиотека |
|
Тихая жилая территория, парк, тихий разговор |
|
Разговор средней громкости, тихая улица, тихий офис |
|
Нормальный разговор в 1м, норма для офисов |
|
Улица с интенсивным движением, телефон |
|
Громкий будильник, шум грузового автомобиля или мотоцикла |
|
Громкий крик, отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7м |
|
Поезд метро, фен, кузнечный цех, очень шумный завод |
|
Рок-музыка, крики ребёнка, вертолёт, трактор на расстоянии 1м |
|
Болевой порог, близкие раскаты грома, вувузела на расстоянии 1м |
|
Травма внутреннего уха, максимальная громкось на рок-концерте |
|
Контузия, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки |
|
Шок, травмы, разрыв барабанной перепонки |
|
Возможен разрыв лёгких, возможна смерть |
|
Макс. давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола |
|
Максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве |
|
Давление в ядерном заряде в момент ядерного взрыва |
Шумы в наших домах (жилых помещениях) могут возникать по разным причинам. В зависимости от источника шума их подразделают на ударный, воздушный, структурный и акустический.
Виды шумов (звуков):
В результате взаимодействия ветра с различными сооружениями, если скорости потока очень велики, а поперечные размеры тел в потоке малы, образуются ультразвуковые колебания, а если скорости потока малы и поперечные размеры велики – инфразвуки. Например, при обтекании стволов деревьев, телеграфных столбов, металлических ферм, снастей кораблей, последние будут испускать инфразвуки.
В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» приведены следующие нормативы для жилых помещений:
Допустимые уровни шума в жилых помещениях
Наименование помещений, территорий |
Время суток |
Уровни звукового давления, дБ, в октавных частотах |
||||||||
Жилые комнаты квартир |
7 - 23 ч. |
|||||||||
23 - 7 ч. |
||||||||||
Территории, непосредственно прилегающие к жилым домам |
7 - 23 ч. |
|||||||||
23 - 7 ч. |
||||||||||
Допустимые уровни инфразвука в жилых помещениях
ЯГМА
Медицинская физика
Педиатрический факультет
Курс
Семестр
Лекция № 4
«Медицинская акустика»
Составил:
Бабенко Н.И.
2010 г.
1. Акустика и её виды. Медицинская акустика, её разделы и задачи.
Дословно "акустика" переводится как учение о слухе. Современное определение термина "акустика" следующее:
Акустика - это наука о получении, свойствах и распространении механических волн в различных средах и взаимодействии этих волн с физическими и биологическими объектами.
Акустика состоит из следующих разделов :
· общая акустика, изучает наиболее общие вопросы, связанные с получением и распространением звука, методами звуковых измерений.
· архитектурная акустика , изучает звуковые явления с точки зрения получения хорошей слышимости и речи в разных помещениях, или защиты помещений от нежелательных звуков.
· техническая акустика, изучает практическое применение звука в разных областях техники.
· биологическая акустика, изучает получение и применение звука живыми организмами (летучие мыши, рыбы, дельфины).
· медицинская акустика , изучает физику и биофизику слуха и речи, условия и особенности восприятия звука человеком, применение звука для диагностики заболеваний и их лечения.
Применение акустики в медицине включает в себя практическое использование свойств слышимого звука и ультразвука:
Основными задачами медицинской акустики являются:
· изучение звуковых явлений, возникающих при работе сердца;
· разработка методов диагностики заболеваний при помощи звука и ультразвука;
· разработка звуковых методов лечения;
· разработка гигиенических норм и норм безопасного использования звука в промышленности, медицине и народном хозяйстве.
Вук как физическое явление.
Виды звуковых волн и их характеристика.
Звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой материальной среде преимущественно в виде продольных волн.
B вакууме звук не распространяется, так как для передачи звука необходима материальная среда и механический контакт между собой частиц материальной среды.
В среде звук распространяется в виде звуковых волн. Звуковые волны представляют собой механические колебания, которые передаются в среде при помощи её условных частиц. Под условными частицами среды понимают её микрообъёмы.
Основные физические характеристики акустической волны:
1. Частота.
Частота звуковой волны - это величина,равная числу полных колебаний в единицу времени. Обозначается символом v (ню)и измеряетсяв герцах. 1 Гц =1 кол/сек = [ с -1 ].
Шкала звуковых колебаний делится на следующие частотные интервалы:
· инфразвук (от 0 до 16 Гц);
· слышимый звук (от 16 до 16 000 Гц);
· ультразвук (свыше 16 000 Гц).
С частотой звуковой волны тесно связана обратная величина – период звуковой волны. Период звуковой волны - это время одного полного колебания частиц среды. Обозначается Т и измеряется в секундах [ с ].
По направлению колебаний частиц среды, переносящих звуковую волну, звуковые волны делятся на:
· продольные;
· поперечные.
У продольных волн направления колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения в среде звуковой волны (Рис. 1).
У поперечных волн направления колебаний частиц среды перпендикулярны направлению распространения звуковой волны (Рис. 2).
 |
|||
Рис. 1 Рис. 2
Продольные волны распространяются в газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные - только в твердых телах.
3. Форма колебаний.
По форме колебаний звуковые волны делятся на:
· простые волны;
· сложные волны.
Графиком простой волны является синусоида.
Графиком сложной волны является любая периодическая несинусоидальная кривая.
4. Длина волны.
Длина волны - величина, равная расстоянию, на которое распространяется звуковая волна за время, равное одному периоду. Обозначается λ (лямбда) и измеряется в метрах (м), сантиметрах (см), миллиметрах (мм), микрометрах (мкм).
Длина волны зависит от среды, в которой распространяется звук.
5. Скорость звуковой волны.
Скорость звуковой волны - это скорость распространения звука в среде при неподвижном источнике звука. Обозначается символом v, вычисляется по формуле:
Скорость звуковой волны зависит от вида среды и температуры. Наибольшая скорость звука в твёрдых упругих телах, меньше - в жидкостях, и самая малая - в газах.
воздух,нормальное атмосферное давление, температура - 20 градусов, v = 342 м/с;
вода, температура 15-20 градусов, v = 1500 м/с;
металлы, v = 5000-10000 м/с.
Скорость звука в воздухе с увеличением температуры на 10 градусов возрастает примерно на 0,6 м/с.
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.
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.
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 .
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.
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.
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.
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.
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.
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.