أين تستخدم الموجات الصوتية؟ تمثيل رسومي لموجة غير مرئية

غناء الطيور، صوت المطر والرياح، الرعد، الموسيقى - كل ما نسمعه نعتبره صوتًا.

مع نقطة علميةالصوت هو ظاهرة فيزيائية، التي تمثل تنتشر الاهتزازات الميكانيكية في الوسائط الصلبة والسائلة والغازية. أنها تسبب الأحاسيس السمعية.

كيف تظهر الموجة الصوتية؟

انقر على الصورة

تنتقل جميع الأصوات على شكل موجات مرنة. وتنشأ الموجات تحت تأثير القوى المرنة التي تظهر عندما يتشوه الجسم. تسعى هذه القوى إلى إعادة الجسم إلى حالته الأصلية. على سبيل المثال، لا يصدر صوت الوتر الممتد عندما يكون ثابتًا. ولكن بمجرد تحريكه إلى الجانب، تحت تأثير المرونة، سيسعى جاهداً إلى اتخاذ موضعه الأصلي. يهتز، ويصبح مصدرا للصوت.

مصدر الصوت يمكن أن يكون أي جسم متذبذب، على سبيل المثال، لوحة فولاذية رقيقة مثبتة على جانب واحد، الهواء في آلة النفخ الموسيقية، الأحبال الصوتيةشخص، جرس، الخ.

ماذا يحدث في الهواء عند حدوث الاهتزاز؟

مثل أي غاز، الهواء لديه مرونة. إنه يقاوم الضغط ويبدأ على الفور في التوسع عند تحرير الضغط. ينقل أي ضغط عليه بالتساوي في اتجاهات مختلفة.

إذا قمت بضغط الهواء بشكل حاد باستخدام المكبس، فسيزداد الضغط في هذا المكان على الفور. سيتم نقله على الفور إلى طبقات الهواء المجاورة. سوف تتقلص، وسيزداد الضغط فيها، وفي الطبقة السابقة سينخفض. لذلك، على طول السلسلة، مناطق متناوبة من زيادة و ضغط دم منخفضيتم تمريرها.

ينحرف خيط السبر إلى الجانبين بالتناوب، ويضغط الهواء أولاً في اتجاه واحد ثم في الاتجاه المعاكس. وفي الاتجاه الذي ينحرف فيه الخيط، يصبح الضغط أعلى من الضغط الجوي بمقدار معين. وعلى الجانب الآخر، ينخفض ​​الضغط بنفس المقدار، حيث يصبح الهواء هناك متخلخلًا. سوف يتناوب الضغط والتخلخل وينتشران في اتجاهات مختلفة، مما يسبب اهتزازات الهواء. تسمى هذه التذبذبات موجة صوتية . ويسمى الفرق بين الضغط الجوي والضغط في طبقة انضغاط أو تخلخل الهواء صوتي, أو ضغط الصوت.

انقر على الصورة

لا تنتشر الموجة الصوتية في الهواء فحسب، بل تنتشر أيضًا في الوسائط السائلة والصلبة. على سبيل المثال، يقوم الماء بتوصيل الصوت بشكل مثالي. نسمع تأثير حجر تحت الماء. يتم التقاط ضجيج مراوح السفينة السطحية بواسطة صوتيات الغواصة. إذا وضعت معصميك على أحد طرفي لوح خشبي الساعات الميكانيكية، ثم بوضع أذننا على الطرف الآخر من اللوحة، سوف نسمع تكتكاتها.

هل ستكون الأصوات مختلفة في الفراغ؟ قام الفيزيائي والكيميائي واللاهوتي الإنجليزي روبرت بويل، الذي عاش في القرن السابع عشر، بوضع ساعة في وعاء زجاجي يُضخ منه الهواء. ولم يسمع دقات الساعة. وهذا يعني أن الموجات الصوتية لا تنتشر في الفضاء الخالي من الهواء.

خصائص الموجات الصوتية

ويعتمد شكل اهتزازات الصوت على مصدر الصوت. معظم نموذج بسيطلها تذبذبات موحدة أو توافقية. يمكن تمثيلها على أنها الجيوب الأنفية. وتتميز هذه التذبذبات بالسعة والطول الموجي وتكرار انتشار التذبذبات.

السعة

السعة الخامس الحالة العامةيسمى الحد الأقصى لانحراف الجسم عن موضع توازنه.

بما أن الموجة الصوتية تتكون من مناطق متناوبة عالية و ضغط منخفض، فغالبًا ما يُنظر إليها على أنها عملية انتشار لتقلبات الضغط. لهذا السبب يتحدثون عن سعة ضغط الهواء في الموجة.

جهارة الصوت تعتمد على السعة. كلما كان أكبر، صوت أعلى.

كل صوت خطاب انسانيلديه شكل من أشكال الاهتزاز فريد من نوعه. وبالتالي فإن شكل اهتزاز الصوت "a" يختلف عن شكل اهتزاز الصوت "b".

تردد الموجة وفترة

يسمى عدد الاهتزازات في الثانية تردد الموجة .

و = 1/ت

أين ت - فترة التذبذب. هذه هي الفترة الزمنية التي يحدث خلالها تذبذب كامل.

وكلما طالت الفترة، انخفض التردد، والعكس صحيح.

وحدة قياس التردد في نظام القياس الدولي SI هي هيرتز (هرتز). 1 هرتز هو تذبذب واحد في الثانية.

1 هرتز = 1 ثانية -1 .

على سبيل المثال، التردد 10 هرتز يعني 10 اهتزازات في الثانية.

1000 هرتز = 1 كيلو هرتز

تعتمد درجة النغمة على تردد الاهتزاز. كلما زاد التردد، زادت درجة الصوت.

الأذن البشرية ليست قادرة على إدراك جميع الموجات الصوتية، ولكن فقط تلك التي يتراوح ترددها من 16 إلى 20000 هرتز. هذه الموجات تعتبر صوتية. تسمى الموجات التي يقل ترددها عن 16 هرتز بالموجات فوق الصوتية، وتسمى الموجات التي يزيد ترددها عن 20000 هرتز بالموجات فوق الصوتية.

لا يرى الشخص الموجات فوق الصوتية أو الموجات فوق الصوتية. لكن الحيوانات والطيور قادرة على سماع الموجات فوق الصوتية. على سبيل المثال، تميز الفراشة الشائعة الأصوات بتردد يتراوح بين 8000 إلى 160000 هرتز. النطاق الذي تتصوره الدلافين أوسع، فهو يتراوح من 40 إلى 200 ألف هرتز.

الطول الموجي

الطول الموجي هي المسافة بين أقرب نقطتين للموجة التوافقية في نفس الطور، على سبيل المثال، بين قمتين. كما تدل ƛ .

وفي زمن يساوي فترة واحدة، تقطع الموجة مسافة تساوي طولها.

سرعة انتشار الموجة

الخامس = ƛ /ت

لأن تي = 1/و،

الذي - التي الخامس = ƛ و

سرعة الصوت

محاولات لتحديد سرعة الصوتتم إجراء التجارب في النصف الأول من القرن السابع عشر. واقترح الفيلسوف الإنجليزي فرانسيس بيكون، في كتابه “الأورغانون الجديد”، طريقته الخاصة لحل هذه المشكلة، على أساس الاختلاف في سرعة الضوء والصوت.

ومن المعروف أن سرعة الضوء أعلى بكثير من سرعة الصوت. لذلك، أثناء العاصفة الرعدية، نرى أولاً وميضًا من البرق، وعندها فقط نسمع قعقعة الرعد. وبمعرفة المسافة بين مصدر الضوء والصوت والراصد، وكذلك الزمن بين وميض الضوء والصوت، يمكن حساب سرعة الصوت.

وقد استفاد العالم الفرنسي مارين مارسين من فكرة بيكون. قام مراقب موجود على مسافة ما من الشخص الذي أطلق المسكيت بتسجيل الوقت المنقضي من وميض الضوء إلى صوت الطلقة. ثم قسمت المسافة على الزمن للحصول على سرعة الصوت. ووفقا لنتائج التجربة، كانت السرعة 448 م/ث. وكان هذا تقديرًا تقريبيًا.

في أوائل التاسع عشرفي القرن العشرين، كرر مجموعة من العلماء من أكاديمية باريس للعلوم هذه التجربة. ووفقا لحساباتهم، كانت سرعة الضوء 350-390 م / ث. لكن هذا الرقم لم يكن دقيقا أيضا.

ومن الناحية النظرية، حاول نيوتن حساب سرعة الضوء. وقد بنى حساباته على قانون بويل-ماريوت، الذي يصف سلوك الغاز في متحاور عملية (مع درجة حرارة ثابتة). ويحدث هذا عندما يتغير حجم الغاز ببطء شديد، مما يؤدي إلى الاستسلام بيئةالحرارة الناشئة فيه.

افترض نيوتن أن درجة الحرارة تتساوى بسرعة بين مناطق الانضغاط والتخلخل. لكن هذه الشروط غير موجودة في الموجة الصوتية. يوصل الهواء الحرارة بشكل سيء، وتكون المسافة بين طبقات الانضغاط والتخلخل كبيرة. ليس لدى الحرارة من طبقة الضغط الوقت الكافي للانتقال إلى طبقة الخلخلة. وينشأ بينهما اختلاف في درجات الحرارة. ولذلك تبين أن حسابات نيوتن غير صحيحة. لقد أعطوا رقمًا قدره 280 م/ث.

واستطاع العالم الفرنسي لابلاس أن يوضح أن خطأ نيوتن هو أن الموجة الصوتية تنتشر في الهواء ثابت الحرارة الظروف مع تغير درجات الحرارة. وفقًا لحسابات لابلاس، فإن سرعة الصوت في الهواء عند درجة حرارة 0 درجة مئوية تبلغ 331.5 م/ث. علاوة على ذلك، فإنه يزيد مع زيادة درجة الحرارة. وعندما ترتفع درجة الحرارة إلى 20 درجة مئوية، ستكون 344 م/ث.

في الوسائط المختلفة، تنتقل الموجات الصوتية بسرعات مختلفة.

بالنسبة للغازات والسوائل، يتم حساب سرعة الصوت باستخدام الصيغة:

أين مع - سرعة الصوت،

β - الانضغاطية الأدياباتيكية للوسط،

ρ - كثافة.

كما يتبين من الصيغة، تعتمد السرعة على كثافة الوسط وقابليته للانضغاط. في الهواء أقل منه في السائل. على سبيل المثال، في الماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، تساوي 1484 م/ث. علاوة على ذلك، كلما زادت ملوحة الماء، كلما انتقل الصوت عبره بشكل أسرع.

تم قياس سرعة الصوت في الماء لأول مرة في عام 1827. وكانت هذه التجربة تذكرنا إلى حد ما بقياس سرعة الضوء بواسطة مارين مارسين. تم إنزال الجرس في الماء من جانب أحد القوارب. وعلى مسافة أكثر من 13 كيلومترا من القارب الأول كان هناك قارب ثان. في القارب الأول تم ضرب الجرس وإشعال النار في البارود في نفس الوقت. وفي القارب الثاني تم تسجيل وقت الوميض، ثم وقت وصول الصوت من الجرس. وبقسمة المسافة على الزمن، حصلنا على سرعة موجة الصوت في الماء.

معظم السرعه العاليهيحدث الصوت في وسط صلب . على سبيل المثال، تصل في الفولاذ إلى أكثر من 5000 م/ث.

صوت (موجة صوتية ) –هذه موجة مرنة يدركها جهاز السمع لدى الإنسان والحيوان. بعبارة أخرى، الصوت هو انتشار التقلبات في كثافة (أو ضغط) وسط مرن ينشأ عندما تتفاعل جزيئات الوسط مع بعضها البعض.

الغلاف الجوي (الهواء) هو أحد الوسائط المرنة. يخضع انتشار الصوت في الهواء إلى القوانين العامةانتشار الموجات الصوتية في الغازات المثالية، ولها أيضًا ميزات بسبب تباين كثافة الهواء وضغطه ودرجة حرارته ورطوبته. يتم تحديد سرعة الصوت من خلال خصائص الوسط ويتم حسابها باستخدام صيغ سرعة الموجة المرنة.

هناك الاصطناعية والطبيعية مصادر صوت. تشمل الباعثات الاصطناعية ما يلي:

اهتزازات الأجسام الصلبة (أوتار وألواح الصوت الخاصة بالآلات الموسيقية، ومكبرات الصوت، وأغشية الهاتف، والألواح الكهرضغطية)؛

اهتزازات الهواء في حجم محدود (أنابيب الجهاز، صفارات)؛

قرع (مفاتيح البيانو، الجرس)؛

التيار الكهربائي (محولات الطاقة الكهربائية الصوتية).

المصادر الطبيعية تشمل:

انفجار وانهيار.

تدفق الهواء حول العوائق (الرياح التي تهب على زاوية المبنى، قمة موجة البحر).

هناك أيضا الاصطناعية والطبيعية أجهزة الاستقبال صوت:

محولات الطاقة الكهربائية الصوتية (ميكروفون في الهواء، هيدروفون في الماء، Geophone في قشرة الأرض) وغيرها من الأجهزة؛

أجهزة السمع للإنسان والحيوان.

عندما وزعت موجات صوتيةالظواهر المميزة للموجات من أي طبيعة ممكنة:

انعكاس من عقبة

الانكسار عند حدود وسطين ،

التدخل (إضافة)،

الحيود (الانحناء حول العوائق)

التشتت (اعتماد سرعة الصوت في المادة على تردد الصوت)؛

الامتصاص (انخفاض في طاقة وشدة الصوت في وسط ما بسبب التحويل الذي لا رجعة فيه للطاقة الصوتية إلى حرارة).

خصائص الصوت الموضوعية

تردد الصوت

يتراوح تردد الصوت المسموع للإنسان من 16 هرتز قبل 16 - 20 كيلو هرتز . موجات مرنة مع التردد أقل نطاق مسموع مُسَمًّى الموجات فوق الصوتية (بما في ذلك الارتجاج)، مع أعلى تكرار – الموجات فوق الصوتية ، والموجات المرنة ذات التردد الأعلى هي فرط الصوت .

يمكن تقسيم نطاق تردد الصوت بالكامل إلى ثلاثة أجزاء (الجدول 1).

ضوضاء لديه طيف مستمر من الترددات (أو الأطوال الموجية) في منطقة الصوت منخفض التردد (الجدولان 1، 2). ويعني الطيف المستمر أن الترددات يمكن أن يكون لها أي قيمة من فترة زمنية معينة.

موسيقي , أو نغمي , اصوات لديك طيف تردد خطي في منطقة التردد المتوسط ​​والصوت عالي التردد جزئيًا. أما الجزء المتبقي من الصوت عالي التردد فيشغله الصفير. يعني الطيف الخطي أن الترددات الموسيقية لها قيم محددة (منفصلة) فقط من فاصل زمني محدد.

بالإضافة إلى ذلك، يتم تقسيم الفاصل الزمني للترددات الموسيقية إلى أوكتافات. اوكتاف - هذا هو الفاصل الترددي المحصور بين قيمتين حديتين، تكون القيمة العليا لها أكبر بمرتين من القيمة السفلية(الجدول 3)

نطاقات تردد الأوكتاف المشتركة

نطاقات التردد الثماني	 دقيقة ، هرتز	 الأعلى ، هرتز	 تزوج ، هرتز

يتضمن الجدول 4 أمثلة على فترات تردد الصوت التي يصدرها الجهاز الصوتي البشري ويتم إدراكها بواسطة أداة السمع البشرية.

كونترالتو، ألتو
ميزو سوبرانو
كولوراتورا سوبرانو

ويرد في الجدول 5 أمثلة على نطاقات التردد لبعض الآلات الموسيقية. وهي لا تغطي النطاق الصوتي فحسب، بل نطاق الموجات فوق الصوتية أيضًا.

آلة موسيقية	التردد هرتز
ساكسفون

تقوم الحيوانات والطيور والحشرات بإنشاء وإدراك الصوت في نطاقات تردد مختلفة عن البشر (الجدول 6).

في الموسيقى، تسمى كل موجة صوتية جيبية بنبرة بسيطة،أو نغمة.تعتمد درجة الصوت على التردد: كلما زاد التردد، زادت النغمة. النغمة الرئيسية يسمى الصوت الموسيقي المعقد النغمة المقابلة أدنى تردد في طيفه. يتم استدعاء النغمات المقابلة للترددات الأخرى إيحاءات. إذا إيحاءات مضاعفاتتردد النغمة الأساسية، ثم يتم استدعاء النغمات متناسق. النغمة ذات التردد الأدنى تسمى التوافقي الأول، والنغمة التي تليها تسمى الثانية، وما إلى ذلك.

قد تختلف الأصوات الموسيقية التي لها نفس النغمة الأساسية طابع الصوت.يعتمد الجرس على تكوين النغمات وتردداتها واتساعها وطبيعة صعودها في بداية الصوت وانخفاضها في النهاية.

سرعة الصوت

صالحة للصوت في بيئات مختلفة الصيغ العامة(22) – (25). يجب الأخذ بعين الاعتبار أن الصيغة (22) تنطبق في حالة الهواء الجوي الجاف ومع الأخذ في الاعتبار القيم العددية لنسبة بواسون والكتلة المولية وثابت الغاز العالمي يمكن كتابتها على النحو التالي:

ومع ذلك، فإن الهواء الجوي الحقيقي يحتوي دائمًا على رطوبة، مما يؤثر على سرعة الصوت. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن نسبة بواسون  يعتمد على نسبة الضغط الجزئي لبخار الماء ( ص بخار) إلى الضغط الجوي ( ص). في الهواء الرطب يتم تحديد سرعة الصوت بالصيغة التالية:

.

ومن المعادلة الأخيرة يتبين أن سرعة الصوت في الهواء الرطب أكبر قليلا منها في الهواء الجاف.

يمكن إجراء التقديرات العددية لسرعة الصوت، مع مراعاة تأثير درجة الحرارة والرطوبة في الهواء الجوي، باستخدام الصيغة التقريبية:

توضح هذه التقديرات أنه عندما ينتشر الصوت على طول الاتجاه الأفقي ( 0 س) مع ارتفاع في درجة الحرارة بنسبة 1 0 جسرعة الصوت تزداد بنسبة 0.6 م/ث. تحت تأثير بخار الماء بضغط جزئي لا يزيد عن 10 باسكالتزداد سرعة الصوت بمقدار أقل من 0.5 م/ث. لكن بشكل عام، عند أقصى ضغط جزئي ممكن لبخار الماء على سطح الأرض، تزداد سرعة الصوت بما لا يزيد عن 1 م / ث.

ضغط الصوت

في غياب الصوت، يكون الغلاف الجوي (الهواء) وسطًا غير مضطرب وله ساكن الضغط الجوي (
).

عندما تنتشر الموجات الصوتية، يضاف ضغط متغير إضافي إلى هذا الضغط الساكن بسبب تكثيف الهواء وخلخلته. في حالة الموجات المستوية يمكننا أن نكتب:

أين ص صوت، الأعلى- سعة ضغط الصوت،  - دوري تردد الصوت، ك- رقم الموجة. وبالتالي فإن الضغط الجوي عند نقطة ثابتة هذه اللحظةويصبح الزمن مساوياً لمجموع هذه الضغوط:

ضغط الصوت هو ضغط متغير يساوي الفرق بين الضغط الجوي الفعلي اللحظي عند نقطة معينة أثناء مرور الموجة الصوتية والضغط الجوي الساكن في غياب الصوت:

يتغير ضغط الصوت قيمته وعلامته خلال فترة التذبذب.

يكون ضغط الصوت دائمًا أقل بكثير من الضغط الجوي

ويصبح كبيرًا ويمكن مقارنته بالضغط الجوي عند حدوث موجات الصدمة أثناء الانفجارات القوية أو أثناء مرور طائرة نفاثة.

وحدات ضغط الصوت هي كما يلي:

- باسكالفي سي
,

- حاجِزفي النظام المنسق عالميًا
,

- ملليمتر من الزئبق,

- أَجواء.

في الممارسة العملية، لا تقيس الأدوات القيمة اللحظية لضغط الصوت، ولكن ما يسمى فعال (أو حاضِر )صوت ضغط . إنه متساوي الجذر التربيعي لمتوسط ​​قيمة مربع ضغط الصوت اللحظي عند نقطة معينة في الفضاء في وقت معين

(44)

ولذلك يطلق عليه أيضا جذر متوسط ​​مربع ضغط الصوت . باستبدال التعبير (39) في الصيغة (40) نحصل على:

. (45)

مقاومة الصوت

مقاومة الصوت (الصوتية). تسمى نسبة السعةضغط الصوت وسرعة اهتزاز جزيئات الوسط:

. (46)

المعنى المادي لمقاومة الصوت: يساوي عددياً ضغط الصوت المسبب لاهتزاز جزيئات الوسط بسرعة وحدة:

وحدة SI لقياس مقاومة الصوت – باسكال ثانية لكل متر:

.

في حالة الموجة الطائرة سرعة تذبذب الجسيماتيساوي

.

ثم الصيغة (46) سوف تأخذ الشكل:

. (46*)

وهناك أيضًا تعريف آخر لمقاومة الصوت، فهي حاصل ضرب كثافة الوسط وسرعة الصوت في هذا الوسط:

. (47)

ثم انها المعنى الجسديهو أنها تساوي عدديًا كثافة الوسط الذي تنتشر فيه الموجة المرنة بسرعة الوحدة:

.

بالإضافة إلى المقاومة الصوتية، يستخدم علم الصوتيات هذا المفهوم المقاومة الميكانيكية (ر م). المقاومة الميكانيكية هي نسبة اتساع القوة الدورية والسرعة التذبذبية لجزيئات الوسط:

, (48)

أين س– مساحة سطح باعث الصوت . يتم قياس المقاومة الميكانيكية في نيوتن ثانية لكل متر:

.

الطاقة وقوة الصوت

تتميز الموجة الصوتية بنفس كميات الطاقة التي تتميز بها الموجة المرنة.

كل حجم من الهواء تنتشر فيه الموجات الصوتية لديه طاقة تساوي مجموع الطاقة الحركية للجسيمات المتذبذبة والطاقة الكامنة للتشوه المرن للوسط (انظر الصيغة (29)).

عادة ما يتم استدعاء شدة الصوتقوة الصوت . إنه متساوي

. (49)

لهذا المعنى المادي لقوة الصوتيشبه معنى كثافة تدفق الطاقة: يساوي عدديًا متوسط ​​قيمة الطاقة التي تنتقل بواسطة موجة لكل وحدة زمنية عبر السطح العرضي لوحدة المساحة.

وحدة شدة الصوت هي واط لكل متر مربع:

.

تتناسب شدة الصوت مع مربع ضغط الصوت الفعال وتتناسب عكسيا مع ضغط الصوت (الصوتي):

, (50)

أو، مع مراعاة العبارات (45)،

, (51)

أين ر أك – المقاومة الصوتية.

ويمكن أيضًا وصف الصوت بقوة الصوت. قوة الصوت هي الكمية الإجمالية للطاقة الصوتية المنبعثة من مصدر ما خلال فترة زمنية محددة من خلال سطح مغلق يحيط بمصدر الصوت:

, (52)

أو، مع مراعاة الصيغة (49)،

. (52*)

يتم قياس قوة الصوت، مثل أي شيء آخر واتس:

.

أولاً، دعونا ننظر في القاموس ونبحث عن تعريفات هذه الكلمات.

صوت- كل ما تسمعه الأذن يصل إلى الأذن. أو بشكل أشمل، ما يُسمع تدركه الأذن: وهي ظاهرة فيزيائية ناجمة عن الحركات التذبذبية لجزيئات الهواء أو أي وسط آخر. الصوت بالمعنى الواسع هو الحركة التذبذبية لجزيئات الوسط المرن، التي تنتشر على شكل موجات في الوسائط الغازية أو السائلة أو الصلبة.

ضوضاء- هذه الأصوات مدمجة في صوت متنافر (عالي عادة). أو، بمزيد من التفصيل، التذبذبات العشوائية ذات الطبيعة الفيزيائية المختلفة، والتي تتميز بتعقيد بنيتها الزمنية والطيفية.

اهتزاز— الاهتزازات الميكانيكية لجسم مرن. يرتجف. الكلمة تأتي من اللاتينية " الاهتزاز- التردد والارتعاش.

دراسة الأصوات هو علم يسمى الصوتيات. الصوتيات هي أحد مجالات الفيزياء (الميكانيكا) التي تدرس الاهتزازات والموجات المرنة من الترددات الأدنى (تقليديًا من 0 هرتز) إلى الترددات العالية.

تدرك الأذن البشرية نطاقًا معينًا من الاهتزازات - عادةً من 16 قبل 20 000 الاهتزازات في الثانية الواحدة. الذبذبة الواحدة في الثانية تسمى هيرتز وهي مختصرة هرتز. تسمى التذبذبات ذات الترددات العالية بالموجات فوق الصوتية، بينما تسمى الاهتزازات ذات الترددات المنخفضة بالموجات فوق الصوتية.

خصائص الصوت:
الطول الموجي (الدورة، T) والسعة (A)

وبما أن الصوت موجة، فهو يتميز بكميتين رئيسيتين: الطول الموجي (فترة التذبذب) والسعة. السعة هي القيمة القصوى للإزاحة أو التغيير لمتغير من القيمة المتوسطة أثناء الحركة التذبذبية أو الموجية. ويسمى مقلوب الدورة التردد (هرتز). كما يتميز الصوت نفسه بسرعة انتشاره التي تعتمد على الوسط الذي ينتشر فيه الاهتزاز المرن. على سبيل المثال:

سرعة الصوت في الهواء = 331 م/ث(عند درجة حرارة 0 درجة مئوية وضغط 101325 باسكال)؛

سرعة الصوت في ماء نظيف = 1,348 م/ث;

سرعة الصوت في الماء المالح = 1,532.3 م/ث(عند درجة حرارة 24 درجة مئوية وملوحة 35 جزء في المليون وعمق صفر).

العلاقة بين سماع الصوت والضغط
التردد والحجم

كما قلنا من قبل، يمكن لأي شخص أن يدرك الصوت بشكل مثالي بتردد من 16 إلى 20000 هرتز. ومع ذلك، فإن تردد الصوت نفسه لا يمنحنا الفرصة لتقييم مدى أمانه للبشر. يشير تردد الصوت الاحتمال النظريلسماع مثل هذا الصوت، ولكن ما إذا كنا نسمعه عمليًا أم لا يعتمد على السعة. يتم قياس لوغاريتم السعة بالديسيبل (ديسيبل). الديسيبل هي قيمة نسبية تشير إلى مقدار زيادة أو نقصان حجم الصوت.

جهارة الصوت هي شدة الصوت الظاهرة، وتقاس بالديسيبل. إن اعتماد جهارة الصوت على مستوى ضغط الصوت (وشدة الصوت) هو منحنى غير خطي بحت، وله طابع لوغاريتمي. عندما يزيد مستوى ضغط الصوت بمقدار 10 ديسيبل، سيزيد حجم الصوت بمقدار مرتين.

ما هي مستويات الصوت التي نواجهها أنا وأنت في حياتنا؟

صوت	الحجم، ديسيبل
الصمت (كاميرا خاصة)
همس هادئ، ساعة يد تدق
حفيف أوراق الشجر، ودق الساعة، هو القاعدة في المباني السكنية
منطقة ريفية بعيدة عن الطرق والمكتبة
منطقة سكنية هادئة، حديقة، محادثة هادئة
محادثة متوسطة الحجم، شارع هادئ، مكتب هادئ
المحادثة العادية في متر واحد، هي القاعدة بالنسبة للمكاتب
شارع مروري كثيف، هاتف
منبه عالي الصوت أو ضوضاء شاحنة أو دراجة نارية
صرخة عالية، آلة ثقب الصخور، سيارة شحن على مسافة 7 أمتار
قطار الأنفاق، مجفف شعر، متجر حداد، مصنع صاخب للغاية
موسيقى الروك، صراخ طفل، مروحية، جرار على مسافة متر واحد
عتبة الألم، قعقعة الرعد القريبة، الفوفوزيلا على مسافة 1 متر
إصابة الأذن الداخلية، الحد الأقصى للحجم في حفل لموسيقى الروك
كدمات وإصابات واحتمال تمزق طبلة الأذن
صدمة، صدمة، تمزق طبلة الأذن
احتمال تمزق الرئة، احتمال الموت
الأعلى. ضغط موجة الصدمة الهوائية أثناء انفجار ثلاثي نيترو التولوين
الحد الأقصى لضغط موجة الصدمة الهوائية أثناء الانفجار النووي
الضغط في الشحنة النووية لحظة الانفجار النووي

يمكن أن تنشأ الضوضاء في منازلنا (مناطق المعيشة). أسباب مختلفة. اعتمادًا على مصدر الضوضاء، يتم تقسيمها إلى تأثير، محمول جواً، هيكلي وصوتي.

أنواع الضوضاء (الأصوات):

ضجيج التأثيريحدث عندما يتعرض هيكل الغرفة لضربة وتنتقل الاهتزازات الناتجة إلى الجدران أو الأسقف. تحدث الضوضاء الناتجة عن الارتطام عندما تصطدم أشياء ثقيلة بالأرض، أو يتحرك الأثاث، أو صوت خطى، أو ارتطام بالحائط. يمكن للاهتزازات الصوتية أن تنتقل لمسافات طويلة على طول الهياكل، وذلك لأن يتم نقلها إلى جميع الجدران والأسقف والأرضيات المجاورة.

الضوضاء المحمولة جواينتشر عبر الهواء، لكن الجدران والأسقف لا تمتص اهتزازات الصوت المحمولة بالهواء بشكل جيد بما فيه الكفاية. تعتمد القدرة على امتصاص الأصوات بواسطة الجدران والأسقف على المادة المصنوعة منها. كلما كانت الأقسام أكثر ضخامة، كلما زاد تأثير عزل الصوت. في الداخل، غالبًا ما تأتي الضوضاء المحمولة جواً من الأصوات العالية والموسيقى الصاخبة ونباح الكلاب.

الضوضاء المنقولة بالهيكليحدث عندما تنتقل الاهتزازات عبر الأنابيب وأعمدة التهوية وعناصر الاتصال الأخرى. يمكن لبعض عناصر الاتصال نقل الأصوات عبر مسافات طويلة. من المعروف أن الطرق على المشعاعات يمكن أن يسمعه العديد من الجيران.

الضجيجيحدث غالبًا في غرف غير مفروشة ويتجلى في شكل صدى.

نتيجة تفاعل الرياح مع الهياكل المختلفة، إذا كانت سرعات التدفق عالية جدًا، و الأبعاد العرضيةتكون الأجسام في التدفق صغيرة، وتتشكل اهتزازات فوق صوتية، وإذا كانت سرعات التدفق صغيرة والأبعاد العرضية كبيرة، تتشكل موجات تحت صوتية. على سبيل المثال، عند التدفق حول جذوع الأشجار، أعمدة التلغراف، دعامات معدنية، تزوير السفن، وهذا الأخير سوف ينبعث منها موجات تحت صوتية.

SanPiN 2.1.2.2801-10 الحالي "التغييرات والإضافات رقم 1 إلى SanPiN 2.1.2.2645-10 "المتطلبات الصحية والوبائية لظروف المعيشة في المباني والمباني السكنية" توفر المعايير التالية للمباني السكنية:

مستويات الضوضاء المسموح بها في المباني السكنية

اسم المباني والأقاليم	مرات اليوم	مستويات ضغط الصوت، ديسيبل، في ترددات الأوكتاف مع متوسط ​​الترددات الهندسية، هرتز
غرف معيشة الشقق	7 - 23 ساعة.
	23 - 7 صباحا
الأراضي المجاورة مباشرة للمباني السكنية	7 - 23 ساعة.
	23 - 7 صباحا

المستويات المسموح بها من الموجات فوق الصوتية في المباني السكنية

ياجما

الفيزياء الطبية

كلية طب الأطفال

حسنًا

نصف السنة

محاضرة رقم 4

"الصوتيات الطبية"

جمعتها:

بابينكو ن.

2010
1. الصوتيات وأنواعها. الصوتيات الطبية أقسامها ومهامها.

حرفيا، يتم ترجمة "الصوتيات" على أنها دراسة السمع. التعريف الحديث لمصطلح "الصوتيات" هو كما يلي:

الصوتيات هو علم إنتاج وخصائص وانتشار الموجات الميكانيكية في بيئات مختلفةوتفاعل هذه الموجات مع الأشياء الفيزيائية والبيولوجية.

يتكون الصوتيات من الأقسام التالية:

· الصوتيات العامة,يدرس أكثر القضايا العامةالمتعلقة باستقبال ونشر الصوت، وطرق قياس الصوت.

· الصوتيات المعماريةيدرس الظواهر الصوتية من وجهة نظر الحصول على سمعية وكلام جيدين في الغرف المختلفة، أو حماية الغرف من الأصوات غير المرغوب فيها.

· الصوتيات التقنية,دراسات الاستخدام العمليالصوت في مناطق مختلفةتكنولوجيا.

· الصوتيات البيولوجية,يدرس إنتاج واستخدام الصوت بواسطة الكائنات الحية (الخفافيش والأسماك والدلافين).

· الصوتيات الطبيةيدرس الفيزياء والفيزياء الحيوية للسمع والكلام، وظروف وخصائص الإدراك البشري للصوت، واستخدام الصوت لتشخيص الأمراض وعلاجها.

وتشمل تطبيقات الصوتيات في الطب الاستخدام العمليخصائص الصوت المسموع والموجات فوق الصوتية:

الأهداف الرئيسية للصوتيات الطبية هي:

· دراسة الظواهر الصوتية التي تنشأ أثناء عمل القلب.

· تطوير طرق تشخيص الأمراض بالصوت والموجات فوق الصوتية.

· تطوير طرق العلاج السليمة.

· تطوير معايير وقواعد النظافة الاستخدام الآمنالسليمة في الصناعة والطب والاقتصاد الوطني.

فوك كظاهرة فيزيائية.

أنواع الموجات الصوتية وخصائصها.

الصوت عبارة عن اهتزازات ميكانيكية تنتشر في وسط مادي مرن بشكل أساسي على شكل موجات طولية.

في الفراغ، لا ينتشر الصوت، لأن نقل الصوت يتطلب وسطًا ماديًا واتصالًا ميكانيكيًا بين جزيئات الوسط المادي.

في الوسط، ينتقل الصوت على شكل موجات صوتية. الموجات الصوتية هي اهتزازات ميكانيكية تنتقل في وسط باستخدام جزيئاته الشرطية. الجسيمات التقليدية للوسط تعني أحجامها الدقيقة.

أساسي الخصائص البدنيةموجة صوتية:

1. التردد.

تكرارالموجة الصوتية هي كمية تساوي عدد الاهتزازات الكاملة لكل وحدة زمنية. يشار إليه بالرمز الخامس (نو) ويقاس بالهرتز. 1 هرتز = 1 عدد/ثانية = [ s -1 ].

ينقسم مقياس اهتزاز الصوت إلى فترات التردد التالية:

· الموجات فوق الصوتية (من 0 إلى 16 هرتز)؛

· صوت مسموع (من 16 إلى 16000 هرتز)؛

· الموجات فوق الصوتية (أكثر من 16000 هرتز).

يرتبط تردد الموجة الصوتية ارتباطًا وثيقًا بكميتها العكسية – فترة الموجة الصوتية. فترةالموجة الصوتية هي زمن التذبذب الكامل لجزيئات الوسط. معين تويتم قياسها بالثواني [ث].

حسب اتجاه اهتزاز جزيئات الوسط الناقل للموجة الصوتية تنقسم الموجات الصوتية إلى:

· طولية.

· عرضية.

بالنسبة للموجات الطولية، فإن اتجاه اهتزاز جزيئات الوسط يتزامن مع اتجاه انتشار الموجة الصوتية في الوسط (الشكل 1).

بالنسبة للموجات المستعرضة، تكون اتجاهات اهتزاز جزيئات الوسط متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة الصوتية (الشكل 2).

أرز. 1 الشكل. 2

تنتشر الموجات الطولية في الغازات والسوائل و المواد الصلبة. عرضية - فقط في المواد الصلبة.

3. شكل الاهتزازات.

تنقسم الموجات الصوتية حسب شكل الاهتزازات إلى:

· موجات بسيطة.

موجات معقدة.

الرسم البياني للموجة البسيطة هو موجة جيبية.

الرسم البياني للموجة المعقدة هو أي منحنى دوري غير جيبي .

4. الطول الموجي.

الطول الموجي هو الكميةتساوي المسافة التي تنتقل خلالها الموجة الصوتية في زمن يساوي فترة واحدة. تم تحديده بـ (لامدا) ويتم قياسه بالأمتار (م)، السنتيمترات (سم)، المليمترات (مم)، الميكرومترات (ميكرومتر).

يعتمد الطول الموجي على الوسط الذي ينتقل فيه الصوت.

5. سرعة الموجة الصوتية.

سرعة الموجة الصوتيةهي سرعة انتشار الصوت في وسط به مصدر صوت ثابت. يُشار إليه بالرمز v، ويُحسب بالصيغة:

تعتمد سرعة الموجة الصوتية على نوع الوسط ودرجة الحرارة. أعلى سرعةالصوت في الأجسام الصلبة المرنة، أقل في السوائل، وأصغر في الغازات.

الهواء، الضغط الجوي الطبيعي، درجة الحرارة - 20 درجة، الخامس = 342 م/ث؛

الماء، درجة الحرارة 15-20 درجة، الخامس = 1500 م / ث؛

المعادن، v = 5000-10000 م/ث.

تزداد سرعة الصوت في الهواء بمقدار 0.6 م/ث تقريبًا مع زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات.

الصوت عبارة عن موجات مرنة في وسط (غالبًا الهواء) غير مرئية ولكن يمكن إدراكها بواسطة الأذن البشرية (تؤثر الموجة على طبلة الأذنأذن). الموجة الصوتية هي موجة طولية من الضغط والتخلخل.

إذا خلقنا فراغًا، فهل سنتمكن من تمييز الأصوات؟ وضع روبرت بويل ساعة في وعاء زجاجي عام 1660. وبعد ضخ الهواء، لم يسمع أي صوت. التجربة تثبت ذلك هناك حاجة إلى وسيط لانتشار الصوت.

يمكن أن ينتقل الصوت أيضًا عبر الوسائط السائلة والصلبة. ويمكن سماع آثار الحجارة بوضوح تحت الماء. ضع الساعة على أحد طرفي اللوح الخشبي. ومن خلال وضع أذنك على الطرف الآخر، يمكنك سماع دقات الساعة بوضوح.

تنتقل الموجة الصوتية عبر الخشب

مصدر الصوت هو بالضرورة الأجسام المتذبذبة. على سبيل المثال، وتر الجيتار في حالته الطبيعية لا يصدر صوتًا، ولكن بمجرد أن نجعله يهتز، تظهر موجة صوتية.

ومع ذلك، فقد أظهرت التجربة أنه ليس كل جسم مهتز هو مصدر للصوت. على سبيل المثال، الوزن المعلق على خيط لا يصدر صوتًا. والحقيقة هي أن الأذن البشرية لا تدرك جميع الموجات، ولكن فقط تلك التي تخلق أجسامًا تتأرجح بتردد من 16 هرتز إلى 20000 هرتز. تسمى هذه الموجات صوت. تسمى التذبذبات ذات التردد الأقل من 16 هرتز الموجات فوق الصوتية. تسمى التذبذبات ذات التردد الأكبر من 20000 هرتز الموجات فوق الصوتية.

سرعة الصوت

لا تنتقل الموجات الصوتية بشكل فوري، بل مع بعضها السرعة النهائية(على غرار سرعة الحركة المنتظمة).

لهذا السبب، أثناء العاصفة الرعدية، نرى البرق أولاً، أي الضوء (سرعة الضوء أكبر بكثير من سرعة الصوت)، ثم يُسمع الصوت.

تعتمد سرعة الصوت على الوسط: ففي المواد الصلبة والسوائل تكون سرعة الصوت أكبر بكثير منها في الهواء. هذه هي الثوابت المقاسة جدوليا. كلما زادت درجة حرارة الوسط زادت سرعة الصوت، وكلما نقصت قلت.

الأصوات مختلفة. لتوصيف الصوت، يتم تقديم كميات خاصة: الحجم ودرجة الصوت وجرس الصوت.

يعتمد حجم الصوت على سعة الاهتزازات: كلما زادت سعة الاهتزازات، كلما كان الصوت أعلى. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد إدراك أذننا لحجم الصوت على تردد الاهتزازات في الموجة الصوتية. يُنظر إلى الموجات ذات التردد العالي على أنها أعلى صوتًا.

يحدد تردد الموجة الصوتية درجة النغمة. كلما زاد تردد اهتزاز مصدر الصوت، كلما زاد الصوت الذي يصدره. تنقسم الأصوات البشرية إلى عدة نطاقات في طبقة الصوت.

الأصوات من مصادر مختلفة هي مزيج الاهتزازات التوافقيةترددات مختلفة. عنصر أطول فترة(أدنى تردد) تسمى النغمة الأساسية. أما باقي مكونات الصوت فهي النغمات. مجموعة هذه المكونات تخلق لون وجرس الصوت. مجموعة النغمات في الأصوات أناس مختلفونعلى الرغم من اختلافه قليلاً، إلا أنه يحدد جرس صوت معين.

صدى صوت. يتشكل الصدى نتيجة انعكاس الصوت من عوائق مختلفة - الجبال والغابات والجدران والمباني الكبيرة وما إلى ذلك. يحدث الصدى فقط عندما يتم إدراك الصوت المنعكس بشكل منفصل عن الصوت المنطوق الأصلي. إذا كان هناك العديد من الأسطح العاكسة وكانت على مسافات مختلفة من الشخص، فإن الموجات الصوتية المنعكسة ستصل إليه في أوقات مختلفة. في هذه الحالة، سيكون الصدى متعددا. ويجب أن يكون العائق على بعد 11 مترًا من الشخص حتى يتم سماع الصدى.

انعكاس الصوت.ينعكس الصوت على الأسطح الملساء. لذلك، عند استخدام البوق، لا تنتشر الموجات الصوتية في كل الاتجاهات، ولكنها تشكل شعاعًا موجهًا بشكل ضيق، مما يؤدي إلى زيادة قوة الصوت وانتشاره على مسافة أكبر.

بعض الحيوانات (على سبيل المثال، الخفافيش، الدلفين) تنبعث منها اهتزازات بالموجات فوق الصوتية، ثم تتصور الموجة المنعكسة من العقبات. هذه هي الطريقة التي يحددون بها الموقع والمسافة إلى الأشياء المحيطة.

تحديد الموقع بالصدى. هذه طريقة لتحديد موقع الأجسام عن طريق إشارات الموجات فوق الصوتية المنعكسة منها. تستخدم على نطاق واسع في الشحن. مثبتة على السفن السونار- أجهزة التعرف على الأجسام الموجودة تحت الماء وتحديد عمق وتضاريس القاع. يتم وضع باعث الصوت وجهاز الاستقبال في الجزء السفلي من الوعاء. الباعث يعطي إشارات قصيرة. ومن خلال تحليل زمن التأخير واتجاه الإشارات المرتدة، يحدد الكمبيوتر موضع وحجم الجسم الذي يعكس الصوت.

يتم استخدام الموجات فوق الصوتية لكشف وتحديد الأضرار المختلفة في أجزاء الآلة (الفراغات، الشقوق، وما إلى ذلك). ويسمى الجهاز المستخدم لهذا الغرض كاشف الخلل بالموجات فوق الصوتية. يتم إرسال تيار من إشارات الموجات فوق الصوتية القصيرة إلى الجزء قيد الدراسة، والتي تنعكس من التباينات الموجودة بداخله، ثم تعود إلى جهاز الاستقبال. وفي الأماكن التي لا توجد بها عيوب، تمر الإشارات عبر الجزء دون انعكاس كبير ولا يتم تسجيلها من قبل جهاز الاستقبال.

تستخدم الموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في الطب لتشخيص وعلاج بعض الأمراض. وعلى عكس الأشعة السينية، فإن موجاتها لا تفعل ذلك تأثير ضارعلى القماش. التشخيص فحوصات الموجات فوق الصوتية(الموجات فوق الصوتية)السماح بدون تدخل جراحييتعرف على التغيرات المرضيةالأعضاء والأنسجة. يقوم جهاز خاص بتوجيه موجات فوق صوتية بتردد 0.5 إلى 15 ميجا هرتز إلى جزء معين من الجسم، وتنعكس من العضو قيد الدراسة ويعرض الكمبيوتر صورتها على الشاشة.

تتميز الموجات دون الصوتية بانخفاض امتصاصها في الوسائط المختلفة، ونتيجة لذلك يمكن أن تنتشر الموجات دون الصوتية في الهواء والماء والقشرة الأرضية على مسافات طويلة جدًا. هذه الظاهرة تجد تطبيقا عمليا في تحديد المواقعانفجارات قوية أو موقع السلاح الناري. إن انتشار الموجات فوق الصوتية عبر مسافات طويلة في البحر يجعل من الممكن توقعات الكوارث الطبيعية- تسونامي. قنديل البحر والقشريات وما إلى ذلك قادرة على إدراك الموجات تحت الصوتية والشعور باقترابها قبل وقت طويل من بداية العاصفة.