Среща се в газообразни, течни и твърди среди, които при достигане до човешките слухови органи се възприемат от него като звук. Честотата на тези вълни варира от 20 до 20 000 вибрации в секунда. Нека дадем формули за звукова вълна и разгледаме по-подробно нейните свойства.

Защо има звукова вълна?

Много хора се чудят какво е звукова вълна. Естеството на звука се крие в появата на смущения в еластична среда. Например, когато възникне смущение под налягане под формата на компресия в определен обем въздух, тази област има тенденция да се разпространява в пространството. Този процес води до компресиране на въздуха в области, съседни на източника, които също са склонни да се разширяват. Този процес обхваща нарастващ и най-много пространство, докато достигне приемник, например човешко ухо.

Общи характеристики на звуковите вълни

Помислете за въпросите какво е звукова вълна и как тя се възприема от човешкото ухо. Звуковата вълна е надлъжна; когато навлезе в конхата, тя кара ушната мембрана да вибрира с определена честота и амплитуда. Възможно е също да се представят тези колебания като периодични промени в налягането в микрообем на въздух, съседен на мембраната. Първо, тя се увеличава спрямо нормалното атмосферно налягане и след това намалява, спазвайки математическите закони на хармоничното движение. Амплитудата на промените в компресията на въздуха, тоест разликата между максималното или минималното налягане, създадено от звукова вълна с атмосферно налягане, е пропорционална на амплитудата на самата звукова вълна.

Много физически експерименти показват, че максималното налягане, което човешкото ухо може да възприеме, без да му навреди, е 2800 μN / cm 2. За сравнение, да кажем, че атмосферното налягане в близост до земната повърхност е 10 милиона μN / cm 2. Като се вземе предвид пропорционалността на налягането и амплитудата на трептенията, можем да кажем, че последната стойност е незначителна дори за най-силните вълни. Ако говорим за дължината на звукова вълна, тогава за честота от 1000 вибрации в секунда тя ще бъде хилядна от сантиметър.

Най-слабите звуци създават колебания на налягането от порядъка на 0,001 µN / cm 2, съответната амплитуда на вълната за честота от 1000 Hz е 10 -9 cm, докато средният диаметър на въздушните молекули е 10 -8 cm, т.е. ухото е изключително чувствителен орган.

Концепцията за интензивността на звуковите вълни

От геометрична гледна точка звуковата вълна представлява вибрации с определена форма, докато от физическа гледна точка основното свойство на звуковите вълни е способността им да пренасят енергия. Най-важният пример за пренос на енергия на вълните е слънцето, чиито излъчени електромагнитни вълни осигуряват енергия на цялата ни планета.

Интензивността на звуковата вълна във физиката се определя като количеството енергия, носена от вълната през единица повърхност, която е перпендикулярна на разпространението на вълната, и за единица време. Накратко, интензивността на вълната е нейната мощност, пренесена през единица площ.

Силата на звуковите вълни обикновено се измерва в децибели, които се основават на логаритмична скала, която е удобна за практически анализ на резултатите.

Интензивността на различни звуци

Следващата скала на децибели дава представа за значението на различните и усещанията, които предизвиква:

• прагът на неприятни и дискомфортни усещания започва от 120 децибела (dB);
• нитовият чук генерира 95 dB шум;
• високоскоростен влак - 90 dB;
• улица с интензивен автомобилен трафик - 70 dB;
• обемът на нормален разговор между хората - 65 dB;
• модерна кола, движеща се с умерена скорост, генерира шум от 50 dB;
• среден обем на радиото - 40 dB;
• тих разговор - 20 dB;
• шум от дървесна зеленина - 10 dB;
• минималният праг на човешката звукова чувствителност е близо до 0 dB.

Чувствителност човешко ухо зависи от звуковата честота и е максималната стойност за звукови вълни с честота 2000-3000 Hz. За звука в този честотен диапазон долният праг на човешката чувствителност е 10 -5 dB. По-високите и по-ниските честоти от посочения интервал водят до увеличаване на долния праг на чувствителност по такъв начин, че човек да чува честоти, близки до 20 Hz и 20 000 Hz, само когато техният интензитет е няколко десетки dB.

Що се отнася до горния праг на интензивност, след който звукът започва да причинява неудобства на човек и дори болезнени усещания, трябва да се каже, че той практически не зависи от честотата и се намира в диапазона от 110-130 dB.

Геометрични характеристики на звукова вълна

Истинската звукова вълна е сложен колебателен пакет от надлъжни вълни, който може да се разложи на прости хармонични вибрации. Всяка такава вибрация се описва от геометрична гледна точка със следните характеристики:

1. Амплитудата е максималното отклонение на всяка секция на вълната от равновесие. За тази стойност обозначението А.
2. Месечен цикъл. Това е времето, през което обикновена вълна прави своя пълен ход. След това време всяка точка на вълната започва да повтаря своя собствен трептящ процес. Периодът обикновено се обозначава с буквата Т и се измерва в секунди в системата SI.
3. Честота. Това е физическа величина, която показва колко вибрации прави дадена вълна в секунда. Тоест, по смисъла си той е реципрочният за периода. Означава се f. За честотата на звукова вълна формулата за нейното определяне през период е следната: f \u003d 1 / T.
4. Дължината на вълната е разстоянието, което изминава за един период на трептене. Геометрично дължината на вълната е разстоянието между два най-близки максимума или два най-близки минимума на синусоидална крива. Дължината на трептенията на звуковата вълна е разстоянието между най-близките области на компресия на въздуха или най-близките места на неговото разреждане в пространството, където вълната се движи. Обикновено се обозначава с гръцката буква λ.
5. Скоростта на разпространение на звукова вълна е разстоянието, върху което се простира площта на компресия или зоната на разряд на вълната за единица време. Тази стойност е обозначена с буквата v. За скоростта на звукова вълна формулата е: v \u003d λ * f.

Геометрията на чиста звукова вълна, тоест вълна с постоянна чистота, се подчинява на синусоидален закон. По принцип формулата за звукова вълна е: y \u003d A * sin (ωt), където y е стойността на координатата на дадена точка на вълната, t е времето, ω \u003d 2 * pi * f е цикличната честота на трептене.

Апериодичен звук

Много източници на звук могат да се считат за периодични, например звукът от такъв музикални инструментикато китара, пиано, флейта, но в природата има и голям брой звуци, които са апериодични, т.е. звуковите вибрации променят своята честота и форма в пространството. Технически този вид звук се нарича шум. Видни примери за апериодичен звук са градският шум, шумът на морето, звуци от ударни инструменти, например от барабан и други.

Среда за разпространение на звукови вълни

За разлика от електромагнитното излъчване, чиито фотони не се нуждаят от материална среда за своето разпространение, естеството на звука е такова, че е необходима определена среда за неговото разпространение, тоест според законите на физиката звуковите вълни не могат да се разпространяват в вакуум.

Звукът може да се разпространява в газове, течности и твърди вещества. Основните характеристики на звуковата вълна, разпространяваща се в среда, са както следва:

• вълната се разпространява линейно;
• той се разпространява еднакво във всички посоки в хомогенна среда, т.е. звукът се отклонява от източника, образувайки идеална сферична повърхност.
• независимо от амплитудата и честотата на звука, вълните му се разпространяват със същата скорост в дадена среда.

Скоростта на звуковите вълни в различни среди

Скоростта на разпространение на звука зависи от два основни фактора: от средата, в която се движи вълната, и от температурата. Като цяло важи следното правило: колкото по-плътна е средата и колкото по-висока е нейната температура, толкова по-бърз звук се движи в нея.

Например скоростта на разпространение на звукова вълна във въздуха в близост до земната повърхност при температура 20 ℃ и влажност 50% е 1235 km / h или 343 m / s. Във вода при дадена температура звукът се движи 4,5 пъти по-бързо, тоест около 5735 км / ч или 1600 м / сек. Що се отнася до зависимостта на скоростта на звука от температурата във въздуха, тя се увеличава с 0,6 m / s с повишаване на температурата за всеки градус по Целзий.

Тембър и тон

Ако струна или метална плоча имат възможност да вибрират свободно, това ще произвежда звуци с различни честоти. Много рядко се намира тяло, което да издава звук с определена честота, обикновено звукът на обект има набор от честоти в определен интервал.

Тембърът на звука се определя от броя на присъстващите в него хармоници и съответните им интензитети. Тембърът е субективна стойност, тоест възприемането на звучащ обект от конкретен човек. Тембърът обикновено се характеризира със следните прилагателни: висок, брилянтен, звучен, мелодичен и т.н.

Тонът е звуково усещане, което позволява да бъде класифициран като висок или нисък. Тази стойност също е субективна и не може да бъде измерена с нито един инструмент. Тонът е свързан с обективна стойност - честотата на звуковата вълна, но между тях няма еднозначна връзка. Например за едночестотен звук с постоянна интензивност тонът се увеличава с увеличаване на честотата. Ако честотата на звука остава постоянна и интензивността му се увеличава, то тонът става по-нисък.

Форма на източника на звук

В съответствие с формата на тялото, което извършва механични вибрации и по този начин генерира вълни, има три основни типа:

1. Точкови източник. Той създава сферични звукови вълни, които бързо се разпадат с разстоянието от източника (приблизително 6 dB, ако разстоянието от източника се удвои).
2. Линеен източник. Той създава цилиндрични вълни, чийто интензитет намалява по-бавно, отколкото от точков източник (за всяко удвояване на разстоянието от източника, интензитетът намалява с 3 dB).
3. Плосък или двуизмерен източник. Той генерира само вълни в определена посока. Пример за такъв източник би било бутало, движещо се в цилиндър.

Електронни източници на звук

За създаване на звукова вълна електронните източници използват специална мембрана (високоговорител), която прави механични вибрации поради явлението електромагнитна индукция. Тези източници включват следното:

• плейъри на различни дискове (CD, DVD и други);
• касетофони;
• радиоприемници;
• телевизори и някои други.

1. Звук. Основни характеристики на звуковото поле. Разпространение на звука

И. Параметри на звуковата вълна

Звуковите вибрации на частици от еластична среда са сложни и могат да бъдат представени като функция на времето a \u003d a (t) (Фигура 3.1, и).

Фиг. 3.

1 ... Вибрации на въздушни частици.

Най-простият процес е описан от синусоида (фиг. 3.

1, б)

,

където макс - амплитуда на вибрациите;w \u003d 2 p f - ъглова честота; е - честота на вибрациите.

Хармонични вибрации с амплитуда макс и честота е са наречени тон.

Сложните колебания се характеризират с ефективната стойност за периода от време T

За синусоидален процес е валидна следната връзка

За криви с различна форма съотношението на ефективната стойност към максималната стойност е от 0 до 1.

В зависимост от метода на възбуждане на трептенията има:

· равнинна звукова вълна създаден от плоска вибрираща повърхност;

· цилиндрична звукова вълна, създаден от радиално трептящата странична повърхност на цилиндъра;

· сферична звукова вълна , създаден от точков източник на трептения като пулсираща топка.

Основните параметри, характеризиращи звуковата вълна, са:

· звуково налягане стр zv, Pa;

· интензивност на звука Аз, W / m 2.

· дължина на звуковата вълна l, m;

· скорост на разпространение на вълната с, г-ца;

· честота на вибрациите е, Hz.

Ако трептенията се възбуждат в непрекъсната среда, тогава те се разминават във всички посоки. Добър пример са вибрациите на вълните във водата. В този случай трябва да се разграничи скоростта на разпространение на механичните вибрации u (в нашия случай видимите напречни вибрации на водата) и скорост на разпространение на смущаващо действие с(надлъжни акустични вибрации).

От физическа гледна точка разпространението на вибрациите се състои в пренасянето на импулс на движение от една молекула към друга. Поради еластичните междумолекулни връзки движението на всяка от тях повтаря движението на предишната. Прехвърлянето на импулса изисква определен период от време, в резултат на което движението на молекулите в точките на наблюдение става със закъснение по отношение на движението на молекулите в зоната на възбуждане на трептенията. По този начин вибрациите се разпространяват с определена скорост. Скорост на разпространение на звуковата вълна се физическо свойство на околната среда.

Дължина на вълната л е равна на дължината на пътя, преминат от звуковата вълна за един период T:

където с - скорост на звука , Т \u003d1/ е.

Звуковите вибрации във въздуха водят до неговото компресиране и разреждане. В областите на компресия въздушното налягане се увеличава, а в областите на разреждане намалява.Разликата между налягането, съществуващо в нарушената среда стр В момента сряда и атмосферно налягане стр банкомат, наречен звуково налягане (Фигура 3.3). В акустиката този параметър е основният, чрез който се определят всички останали.

стр звезда \u003d стр Сряда - стр атм. (3.1)

Фигура 3.3. Звуково налягане

Средата, в която се разпространява звукът има специфични акустичен импеданс z A, което се измерва в Pa* s / m (или в kg / (m 2 * в) и е съотношението на звуковото налягане стр sv към вибрационната скорост на частиците на средата u

z A \u003d p звезда / u \u003d r * s, (3.2)

където с - скорост на звука , m;r - плътност на средата, kg / m 3.

За различни средни стойности z A са различни.

Звуковата вълна е носител на енергия по посока на нейното движение. Количеството енергия, предадено от звукова вълна за една секунда през участък от 1 m2, перпендикулярен на посоката на движение, се нарича интензивност на звука . Интензитетът на звука се определя от съотношението на звуковото налягане към акустичния импеданс на средата W / m 2:

За сферична вълна от източник на звук с мощност W, W интензивност на звука на повърхността на сфера с радиус rсе равнява

Аз= W / (4 стрr 2),

това е интензивността сферична вълна намалява с увеличаване на разстоянието от източника на звука. Кога равнинна вълна интензивността на звука не зависи от разстоянието.

Обективен

Да се \u200b\u200bизучат основите на теорията на звукозаписа и възпроизвеждането, основните характеристики на звука, методите за преобразуване на звука, устройството и характеристиките на използването на оборудване за преобразуване и усилване на звука, за придобиване на умения за практическото им приложение.

Теоретична подготовка

По звук се нарича трептящо движение на частици от еластична среда, разпространяваща се под формата на вълни в газообразна, течна или твърда среда, които, действайки върху слуховия анализатор на човека, предизвикват слухови усещания. Източникът на звук е трептящо тяло, например: вибрации на струна, вибрация на камертон, движение на дифузор на високоговорител и др.

Звукова вълна се нарича процесът на насочено разпространение на вибрации на еластична среда от източник на звук. Областта на пространството, в която се разпространява звукова вълна, се нарича звуково поле. Звуковата вълна е редуване на компресии и изпускания на въздух. В областта на компресията въздушното налягане надвишава атмосферното, в областта на вакуума - по-малко от него. Променливата част на атмосферното налягане се нарича звуково налягане R ... Единица за звуково налягане - Паскал ( Татко) (Pa \u003d N / m 2)... Трептенията, които имат синусоидална форма (фиг. 1), се наричат \u200b\u200bхармонични. Ако тялото, издаващо звук, вибрира според синусоидалния закон, тогава звуковото налягане също се променя според синусоидалния закон. Известно е, че всяка сложна вибрация може да бъде представена като сбор от прости хармонични вибрации. Наборите от стойности на амплитудите и честотите на тези хармонични трептения се наричат \u200b\u200bсъответно амплитуден спектър и честотен спектър.

Колебателното движение на въздушните частици в звукова вълна се характеризира с редица параметри:

Период на трептене(T), най-малкият интервал от време, след който се повтарят стойностите на всички физически величини, характеризиращи трептящото движение, през това време се извършва едно цялостно трептене. Периодът на трептене се измерва в секунди ( с).

Честота на трептенията (е) , броят на пълните трептения за единица време.

където: е - честота на вибрациите; т - период на колебания.

Единицата за честота е херц ( Hz) - едно пълно трептене в секунда (1 kHz = 1000 Hz).

Фигура: 1. Обикновено хармонично трептене:
A е амплитудата на трептенето, T е периодът на трептене

Дължина на вълната (λ ), разстоянието, на което се вписва един период на трептене. Дължината на вълната се измерва в метри ( м). Дължината на вълната и честотата на трептенията са свързани от връзката:

където с Е скоростта на разпространение на звука.

Амплитуда на вибрациите (И) , най-голямото отклонение на вариращата стойност от състоянието на покой.

Фаза на трептене.

Представете си кръг, чиято дължина е равна на разстоянието между точки A и Ε (фиг. 2), или дължината на вълната с определена честота. Докато този кръг се „върти“, неговата радиална линия във всяко отделно място на синусоидата ще бъде на определено ъглово разстояние от началната точка, което ще бъде фазовата стойност във всяка такава точка. Фазата се измерва в градуси.

Когато звукова вълна се сблъска с повърхност, тя се отразява частично под същия ъгъл, под който удря тази повърхност, докато фазата му не се променя. На фиг. 3 илюстрира фазовата зависимост на отразените вълни.

Фигура: 2. Синусоида: амплитуда и фаза.
Ако обиколката е равна на дължината на вълната при определена честота (разстояние от А до Е), тогава докато се върти, радиалната линия на този кръг ще показва ъгъла, съответстващ на фазовата стойност на синусоидата в определена точка

Фигура: 3. Фазова зависимост на отразените вълни.
Звукови вълни с различни честоти, излъчвани от източник на звук с една и съща фаза, след преминаване на едно и също разстояние, достигат до повърхността с различна фаза

Звуковата вълна може да се огъва около препятствия, ако дължината й е по-голяма от размерите на препятствието. Това явление се нарича дифракция... Дифракцията е особено забележима при нискочестотни вибрации със значителна дължина на вълната.

Ако две звукови вълни имат еднаква честота, тогава те си взаимодействат помежду си. Процесът на взаимодействие се нарича интерференция. С взаимодействието на фазовите (фазови) трептения звуковата вълна се усилва. В случай на взаимодействие на антифазни трептения, получената звукова вълна отслабва (фиг. 4). Звуковите вълни, честотите на които се различават значително една от друга, не си взаимодействат.

Фигура: 4. Взаимодействие на трептенията във фаза (а) и в антифаза (б):
1, 2 - взаимодействащи вибрации, 3 - получени вибрации

Звуковите вибрации могат да бъдат амортизирани и не демпферирани. Амплитудата на затихващите трептения постепенно намалява. Пример за заглушени вибрации е звукът, който се получава, когато струна е ударена веднъж или когато е ударен гонг. Причината за затихване на вибрациите на струната е триенето на струната срещу въздуха, както и триенето между частиците на вибриращата струна. Непрекъснати колебания могат да съществуват, ако загубите от триене се компенсират от приток на енергия отвън. Пример за трайни вибрации са вибрациите на училищните камбани. Докато бутонът за захранване е натиснат, в разговора има незатихващи вибрации. След прекратяване на подаването на енергия към камбаната, трептенията умират.

Разпространявайки се в стая от своя източник, звуковата вълна носи енергия, разширява се, докато достигне граничните повърхности на тази стая: стени, под, таван и т.н. Разпространението на звуковите вълни е придружено от намаляване на тяхната интензивност. Това се дължи на загубата на звукова енергия за преодоляване на триенето между въздушните частици. В допълнение, разпространявайки се във всички посоки от източника, вълната покрива все по-голяма площ от пространството, което води до намаляване на количеството звукова енергия на единица площ, с всяко удвояване на разстоянието от сферичния източник, вибрационната сила на въздушните частици намалява с 6 dB (четири пъти по-голяма мощност) (фиг. 5).

Фигура: 5. Енергията на сферична звукова вълна се разпределя върху нарастваща площ на вълновия фронт, поради което звуковото налягане губи 6 dB при всяко удвояване на разстоянието от източника

Посрещане на препятствие по пътя си, част от енергията на звукова вълна минава през стените, част погълнат вътре в стените и част отразени обратно в стаята. Енергията на отразената и погълната звукова вълна е равна на енергията на падащата звукова вълна. В различна степен и трите вида разпределение на звуковата енергия присъстват в почти всички случаи.
(фиг. 6).

Фигура: 6. Отражение и усвояване на звуковата енергия

Отразената звукова вълна, загубила част от енергията, ще промени посоката си и ще се разпространява, докато достигне други повърхности на помещението, от които ще се отрази отново, като същевременно загуби част от енергията и т.н. Това ще продължи, докато енергията на звуковата вълна бъде окончателно изгасена.

Отражението на звукова вълна възниква съгласно законите на геометричната оптика. Веществата с висока плътност (бетон, метал и др.) Отразяват добре звука. Има няколко причини за поглъщането на звукова вълна. Звуковата вълна изразходва енергията си върху вибрациите на самото препятствие и върху въздушните вибрации в порите на повърхностния слой на препятствието. От това следва, че порестите материали (филц, пяна и т.н.) силно абсорбират звука. Стая, пълна със зрители, има повече звукопоглъщане, отколкото празна. Степента на отражение и поглъщане на звука от дадено вещество се характеризира с коефициентите на отражение и поглъщане. Тези фактори могат да варират от нула до единица. Коефициентът на единица показва перфектно отражение или абсорбиране на звука.

Ако източникът на звук се намира в стаята, тогава слушателят получава не само пряка, но и звукова енергия, отразена от различни повърхности. Силата на звука в помещението зависи от мощността на звуковия източник и количеството на звукопоглъщащия материал. Колкото по-абсорбиращ звука материал е поставен в стаята, толкова по-ниска е силата на звука.

След като източникът на звука е изключен поради отраженията на звуковата енергия от различни повърхности, известно време съществува звуково поле. Извиква се процесът на постепенно затихване на звука в затворени помещения след изключване на неговия източник реверберация. Продължителността на реверберацията се характеризира с т.нар. време на реверберация, т.е. времето, през което интензивността на звука намалява с 10 6 пъти, а нивото му с 60 dB . Например, ако звукът на оркестър в концертна зала достигне 100 dB с ниво на фонов шум около 40 dB, тогава крайните акорди на оркестъра, когато се разлагат, ще се разтворят в шум, когато нивото им падне с около 60 dB. Времето на реверберация е най-важният фактор за определяне на акустичното качество на помещението. Колкото по-голям е обемът на помещението и колкото по-ниска е абсорбцията на ограничаващите повърхности, толкова по-голяма е тя.

Количеството време на реверберация влияе върху разбираемостта на речта и качеството на звука на музиката. Ако времето за отразяване е твърде дълго, речта става нечетлива. Ако времето за отразяване е твърде кратко, речта е разбираема, но звукът на музиката става неестествен. Оптимално време реверберацията, в зависимост от обема на стаята, е около 1–2 s.

Основните характеристики на звука.

Скорост на звука във въздуха е равно на 332,5 m / s при 0 ° С. При стайна температура (20 ° C) скоростта на звука е около 340 m / s. Скоростта на звука се обозначава със символа „ с ».

Честота.Звуците, възприемани от човешкия слухов анализатор, образуват диапазон от звукови честоти. Общоприето е, че този обхват е ограничен до честоти от 16 до 20 000 Hz. Тези граници са много условни, което е свързано с индивидуалните характеристики на слуха на хората, свързани с възрастта промени чувствителност слухов анализатор и методът за записване на слухови усещания. Човек може да различи честотна промяна от 0,3% при честота от порядъка на 1 kHz.

Физическата концепция за звука обхваща както звукови, така и нечуваеми вибрационни честоти. Звуковите вълни с честота под 16 Hz обикновено се наричат \u200b\u200bинфразвук, над 20 kHz - ултразвук . Областта на инфразвуковите честоти отдолу е практически неограничена - в природата има инфразвукови вибрации с честота от десети и стотни от Hz .

Обхватът на звука обикновено се разделя на няколко по-тесни диапазона (Таблица 1).

маса 1

Обхватът на аудио честотите обикновено е разделен на поддиапазони

Интензивност на звука(W / m2) се определя от количеството енергия, носена от вълната за единица време през единицата повърхностна площ, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната. Човешкото ухо възприема звука в много широк диапазон на интензивност: от най-слабите звуци до най-силните, например, създадени от двигателя на реактивен самолет.

Минималната интензивност на звука, при която възниква слухово усещане, се нарича праг. слухово възприятие... Зависи от честотата на звука (фиг. 7). Човешкото ухо има най-висока чувствителност към звук, съответно в честотния диапазон от 1 до 5 kHz, а прагът на слухово възприятие тук има най-ниската стойност от 10 -12 W / m 2. Тази стойност се приема за нулево ниво на чуваемост. Под действието на шумове и други звукови стимули прагът на чуваемост за даден звук се повишава (Маскирането на звук е физиологично явление, което се състои в това, че с едновременното възприемане на два или повече звука различен обем по-тихите звуци престават да се чуват), а увеличената стойност остава известно време след прекратяването на смущаващия фактор и след това постепенно се връща на първоначалното ниво. Имайте различни хора и същите лица в различно време прагът на слуха може да се различава в зависимост от възрастта, физиологичното състояние, нивото на фитнес.

Фигура: 7. Честотна зависимост на стандартния праг на слуха
синусоидален сигнал

Звуците с висока интензивност предизвикват усещането притискаща болка в ушите. Минималната интензивност на звука, при която има усещане за притискаща болка в ушите (~ 10 W / m 2), се нарича праг на болката. Подобно на прага на слуховото възприятие, прагът за болка зависи от честотата на звуковите вибрации. Звуците, които се доближават до прага на болката, са вредни за слуха.

Нормално звуково усещане е възможно, ако интензивността на звука е между прага на слуха и прага на болката.

Удобно е да се оцени звукът по нивото ( L) интензивност (звуково налягане), изчислена по формулата:

където J 0 - слухов праг, J -интензивност на звука (Таблица 2).

таблица 2

Характеризиране на звука по интензивност и оценката му по нивото на интензитет спрямо прага на слуховото възприятие

Звукова характеристика	Интензитет (W / m2)	Ниво на интензивност спрямо слуховия праг (dB)
Слухов праг	10 -12
Сърдечни звуци, генерирани чрез стетоскоп	10 -11
Шепот	10 -10 –10 -9	20–30
Речеви звуци в спокоен разговор	10 -7 –10 -6	50–60
Шум, свързан с интензивен трафик	10 -5 –10 -4	70–80
Шумът, генериран от рок музикален концерт	10 -3 –10 -2	90–100
Шум близо до работещ самолетен двигател	0,1–1,0	110–120
Праг на болката

Нашите слухов апарат способен да усети огромен динамичен обхват. Промените в налягането на въздуха, причинени от най-тихите звукови звуци, са от порядъка на 2 × 10 -5 Pa. В същото време звуково налягане с ниво, приближаващо се до прага болка за ушите ни е около 20 Pa. В резултат на това съотношението между най-тихите и най-силните звуци, които нашите слухови апарати могат да възприемат, е 1: 1 000 000. Доста е неудобно да се измерват такива сигнали от различно ниво в линейна скала.

За да се компресира такъв широк динамичен обхват, беше въведено понятието "bel". Bel е простият логаритъм на съотношението от две градуса; децибел е равен на една десета от бел.

За да изразите акустичното налягане в децибели, трябва да нагласите налягането на квадрат (в Паскали) и да го разделите на квадрата на еталонното налягане. За удобство квадратирането на двете налягания се извършва извън логаритъма (което е свойство на логаритмите).

За преобразуване на акустичното налягане в децибели се прилага формулата:

където: P е акустичният натиск, който ни интересува; P 0 - начално налягане.

Когато за референтно налягане се вземе 2 × 10 -5 Pa, звуковото налягане, изразено в децибели, се нарича ниво на звуково налягане (SPL - от английското ниво на звуково налягане). По този начин, звуково налягане, равно на 3 Татко, е еквивалентно на ниво на звуково налягане от 103,5 dB, следователно:

Горният акустичен динамичен диапазон може да бъде изразен в децибели като следните нива на звуково налягане: от 0 dB за най-тихите звуци, 120 dB за звуци при праг на болката, до 180 dB - за най-силните звуци. При 140 dB има силна болка, при 150 dB, настъпва увреждане на ухото.

Сила на звука, величина, характеризираща слуховото усещане за даден звук. Силата на звука зависи комплексно звуково налягане (или интензивност на звука), честоти и режими на вибрация. При постоянна честота и форма на вибрации, силата на звука се увеличава с увеличаване на звуковото налягане (фиг. 8.). Силата на звука на дадена честота се изчислява, като се сравнява с силата на обикновен тон с честота 1000 Hz. Нивото на звуковото налягане (в dB) на чист тон с честота 1000 Hz, толкова силно (за сравнение по ухо), колкото звукът се измерва, се нарича ниво на звук на този звук (в фонове) (фиг. 8).

Фигура: 8. Криви на еднаква сила на звука - зависимостта на нивото на звуковото налягане (в dB) от честотата при дадена сила на звука (в фона).

Звуков спектър.

Естеството на възприемане на звука от органите на слуха зависи от неговия честотен спектър.

Шумът има непрекъснат спектър, т.е. честотите на съдържащите се в тях прости синусоидални трептения образуват непрекъсната поредица от стойности, които напълно запълват определен интервал.

Музикалните (тонални) звуци имат линеен честотен спектър. Честотите на включените в тях прости хармонични трептения образуват редица дискретни стойности.

Всяка хармонична вибрация се нарича тон (прост тон). Височината зависи от честотата: колкото по-висока е честотата, толкова по-висока е височината. Възприеманата височина на звука се определя от неговата честота. Плавната промяна в честотата на звуковите вибрации от 16 до 20 000 Hz се възприема първоначално като нискочестотно жужене, след това като свирка, постепенно преминаваща в скърцане.

Основният тон на сложен музикален звук е тонът, съответстващ на най-ниската честота в неговия спектър. Тоновете, съответстващи на останалата част от спектъра, се наричат \u200b\u200bобертони. Ако честотите на обертоните са кратни на честотата f о на основния тон, тогава обертоните се наричат \u200b\u200bхармонични, а основният тон с честота f о се нарича първи хармоник, обертонът със следващата най-висока честота 2f о - втората хармоника и др.

Музикалните звуци с една и съща височина могат да се различават по тембър. Тембърът се определя от състава на обертоните - техните честоти и амплитуди, както и естеството на увеличаването на амплитудите в началото на звука и тяхното разпадане в края на звука.

Подобна информация.

2.2 Звукови вълни и техните свойства

Звукът е механични вибрации, които се разпространяват в еластична среда: въздух, вода, твърдо вещество и т.н.

Способността на човек да възприема еластични вибрации, да ги слуша се отразява в името на учението за звука - акустика.

По принцип човешкото ухо чува звук само когато механични вибрации с честота най-малко 16 Hz, но не по-висока от 20 000 Hz въздействат върху слуховия апарат на ухото. Вибрациите с по-ниски или по-високи честоти са нечути за човешкото ухо.

Фактът, че въздухът е проводник на звука, е доказан от опита на Робърт Бойл през 1660 година. Ако звуково тяло, например електрическа камбана, се постави под камбаната на въздушна помпа, тогава, когато въздухът се изпомпва изпод нея, звукът ще стане по-слаб и накрая ще спре.

По време на вибрациите си тялото редува компресира въздушния слой, съседен на повърхността му, а след това, напротив, създава разреждане в този слой. По този начин разпространението на звука във въздуха започва с колебания в плътността на въздуха близо до повърхността на трептящо тяло.

Процесът на разпространение на вибрациите в пространството във времето се нарича вълна. Дължината на вълната е разстоянието между двете най-близки частици на средата, които са в едно и също състояние.

Физическата величина, равна на съотношението на дължината на вълната към периода на трептене на нейните частици, се нарича скорост на вълната.

Трептенията на частиците на средата, в която се разпространява вълната, са принудени. Следователно, техният период е равен на периода на трептения на вълновия възбудител. Скоростта на разпространение на вълните в различните среди обаче е различна.

Звуците са различни. Лесно можем да различим свиренето и барабаненето, мъжки глас (бас) от женски глас (сопран).

За някои звуци се казва, че са с нисък звук, други ние наричаме високи. Ухото може лесно да ги различи. Звукът, произведен от големия барабан, е нисък звук, свирката е висок.

Простите измервания (размахване на вибрации) показват, че ниско-тоновите звуци са нискочестотни вибрации в звукова вълна. Високият звук отговаря на висока честота на вибрациите. Честотата на вибрациите в звукова вълна определя тона на звука.

Има специални източници на звук, които излъчват една честота, така наречения чист тон. Това са камертони с различни размери - прости устройства под формата на извити метални пръти с крака. Колкото по-голяма е камертонът, толкова по-нисък е звукът, който издава при удар.

Ако вземете няколко камертона с различни размери, няма да е трудно да ги подредите на ухо, за да увеличите стъпката. По този начин те ще бъдат разположени по размер: най-голямата камертон дава нисък звук, а най-малкият - най-висок.

Дори звуците от един и същи тон могат да бъдат с различна сила на звука. Силата на звука е свързана с енергията на вибрациите в източника и във вълната. Вибрационната енергия се определя от амплитудата на вибрациите. Следователно силата на звука зависи от амплитудата на вибрациите.

Фактът, че разпространението на звуковите вълни не се случва моментално, може да се види от най-простите наблюдения. Ако в далечината има гръмотевична буря, изстрел, експлозия, свирка на парен локомотив, удар на брадва и т.н., тогава първоначално всички тези явления са видими и едва след това след известно време се чува звук .

Както всяка вълна, звуковата вълна се характеризира със скоростта на разпространение на трептенията в нея.

Скоростта на звука е различна в различните среди. Например във водорода скоростта на разпространение на звукови вълни с всякаква дължина е 1284 m / s, в каучука - 1800 m / s, а в желязото - 5850 m / s.

Сега акустиката като област на физиката разглежда повече широк обхват еластични вибрации - от най-ниските до изключително високите, до 1012 - 1013 Hz. Звуковите вълни, нечуваеми за хората с честоти под 16 Hz, се наричат \u200b\u200bинфразвук, звуковите вълни с честоти от 20 000 Hz до 109 Hz се наричат \u200b\u200bултразвук, а вибрациите с честоти по-високи от 109 Hz се наричат \u200b\u200bхиперзвук.

Има много приложения за тези нечуваеми звуци.

Ултразвукът и инфразвукът имат много важна роля в живия свят. Например рибите и другите морски животни са чувствителни към инфразвукови вълни, създадени от бурни вълни. По този начин те предварително усещат приближаването на буря или циклон и плуват на по-безопасно място. Инфразвукът е компонент на звуците на гората, морето, атмосферата.

Когато рибата се движи, се създават еластични инфразвукови вибрации, които се разпространяват във водата. Тези вибрации се усещат добре от акулите в продължение на много километри и плуват към плячка.

Ултразвукът може да се излъчва и възприема от животни като кучета, котки, делфини, мравки, прилепи и др. Прилепите издават кратки, високи звуци по време на полет. В своя полет те се ръководят от отраженията на тези звуци от предмети, срещани по пътя; те дори могат да хващат насекоми, водени само от ехото от малката им плячка. Котките и кучетата могат да чуят много високи свистящи звуци (ултразвук).

Ехото е вълна, отразена от всяко препятствие и получена от наблюдателя. Звуковото ехо се възприема от ухото отделно от основния сигнал. Феноменът на ехото се основава на метода за определяне на разстоянията до различни обекти и откриване на местоположението им. Нека приемем, че звуков сигнал се излъчва от някакъв звуков източник и моментът на неговото излъчване е фиксиран. Звукът срещна препятствие, отскочи от него, върна се и беше приет от звуковия приемник. Ако е измерен интервалът от време между моментите на излъчване и приемане, тогава е лесно да се намери разстоянието до препятствието. В измереното време t звукът изминава разстоянието 2s, където s е разстоянието до препятствието, а 2s е разстоянието от източника на звука до препятствието и от препятствието до звуковия приемник.

Тази формула може да се използва за намиране на разстоянието до отражателя на сигнала. Но също така трябва да знаете къде се намира, в коя посока от източника го е срещнал сигналът. Междувременно звукът се движи във всички посоки и отразеният сигнал може да идва от различни посоки. За да се избегне тази трудност, не се използва обикновен звук, а ултразвук.

Основната характеристика на ултразвуковите вълни е, че те могат да бъдат направени насочени, разпространявайки се в определена посока от източника. Благодарение на това чрез отражението на ултразвука можете не само да намерите разстоянието, но и да разберете къде се намира обектът, който ги е отразил. Това може например да измери дълбочината на морето под кораб.

Звуковите радари позволяват да се откриват и локализират различни повреди в продуктите, например кухини, пукнатини, чужди включвания и др. В медицината ултразвукът се използва за откриване на различни аномалии в тялото на пациента - тумори, изкривявания на формата на органите или техните части, и т.н. Колкото по-къса е ултразвуковата дължина на вълната, толкова по-голяма е по-малък размер откриваеми части. Ултразвукът се използва и за лечение на някои заболявания.

Океанска акустика

Вторият, малко известен неспециалист, тип движение на морската вода е вътрешните вълни. Въпреки че са били открити в океана за дълго време, в края на 19 и 20 век. (Експедицията на Нансен по "Фрам" и работата на Екман, който обясни наблюденията на моряците) ...

Океанска акустика

Сега за повърхностните вълни, за самата морска грапавина. Може би няма друго явление в морето, което да е толкова широко известно. От древни мореплаватели и философи до съвременни художници и поети, от стар дядо ...

Вълните на Де Бройл и тяхната физическа интерпретация

Нека изчислим груповата скорост на разпространение на вълните на де Брой, както във всички случаи, фазовата и груповата скорост, фазовата скорост ще бъде (6) Тъй като тогава фазовата скорост на вълните на де Брой е по-голяма от скоростта на светлината в празнота ...

Изследване на звукови вълни

Известно е, че звукът се разпространява в пространството само в присъствието на която и да е еластична среда. Средата е необходима за предаване на вибрации от източник на звук към приемник, например към човешкото ухо. С други думи...

Изследването на механичните вълни започва с формирането на общи представи за движението на вълните. Състоянието на трептящо движение се предава от едно трептящо тяло на друго при наличие на връзка между тях ...

Прилагане на електромагнитни вълни

Вълната е вибрация, която се разпространява в пространството с течение на времето. Най-важната характеристика на вълната е нейната скорост. Вълни от всякакво естество не се разпространяват незабавно в космоса. Скоростта им е крайна ...

Развитие на оптиката

Следващата стъпка в развитието на вълновата теория на светлината е направена от Хюйгенс. По същество той създава вълновата теория на светлината и обяснява на нейната основа всички известни по това време явления. За първи път идеята за вълновата природа на светлината е изразена от Марти през 1648 г. и през 1665 г.

По-рано описаните вълни са причинени от еластични сили, но има и вълни, чието образуване се дължи на силата на гравитацията. Вълните, разпространяващи се по повърхността на течността, не са нито надлъжни ...

Физическите основи на звука

Звукът е обект на слухови усещания, следователно той също се оценява от човек субективно. Възприемайки тонове, човек ги различава по височина. Височината е субективна характеристика, дължаща се главно на честотата на основния тон ...

Характеристики на движението на тялото

2.1 Кинематика на колебателното движение Тестови въпроси 1. Трептенията са процеси с известно повтаряне във времето. Хармонични вибрации - вибрации, които възникват съгласно закона за синусите и косинусите ...

Електромагнитни вълни и техните свойства

Електромагнитните вълни са разпространението на електромагнитни полета в пространството и времето. Както беше отбелязано по-горе, съществуването на електромагнитни вълни е теоретично предсказано от великия английски физик Дж.

Пеенето на птици, шумът от дъжд и вятър, търкаляне на гръмотевици, музика - всичко, което чуваме, смятаме за звук.

Научно погледнато, звукът е физически феномен, който е механични вибрации, разпространяващи се в твърди, течни и газообразни среди... Те също причиняват слухови усещания.

Как се появява звуковата вълна

Щракнете върху снимката

Всички звуци се разпространяват под формата на еластични вълни. И вълните възникват под въздействието на еластични сили, които се появяват, когато тялото се деформира. Тези сили се стремят да върнат тялото в първоначалното му състояние. Например опъната струна не звучи, когато е неподвижна. Но човек трябва само да го отведе отстрани, тъй като под въздействието на силата на еластичност, той ще има тенденция да заеме първоначалното си положение. Вибрирайки, той се превръща в източник на звук.

Източникът на звук може да бъде всяко трептящо тяло, например тънка стоманена плоча, фиксирана от едната страна, въздух в музикален духов инструмент, човешки гласови струни, камбана и т.н.

Какво се случва във въздуха, когато се появи клатушкане?

Както всеки газ, въздухът е еластичен. Той се противопоставя на компресията и веднага започва да се разширява, когато налягането намалее. Той равномерно прехвърля всякакъв натиск върху него в различни посоки.

Ако въздухът се компресира рязко с помощта на буталото, тогава налягането веднага ще се увеличи на това място. Той незабавно ще бъде прехвърлен в съседните въздушни слоеве. Те ще се свият и налягането в тях ще се увеличи, а в предишния слой ще намалее. И така, по веригата се пренасят по-нататък редуващи се зони с високо и ниско налягане.

Навеждайки се настрани, звучащата струна компресира въздуха, първо в една посока, а след това в обратна посока. В посоката, в която струната се отклонява, налягането става по-високо от атмосферното с някаква стойност. От противоположната страна налягането намалява със същото количество, тъй като там въздухът се разрежда. Компресията и разреждането ще се редуват и разпространяват в различни посоки, причинявайки вибриране на въздуха. Тези вибрации се наричат звукова вълна ... И се нарича разликата между атмосферното налягане и налягането в слоя на компресия или разреждане на въздуха акустичен, или звуково налягане.

Щракнете върху снимката

Звукова вълна се разпространява не само във въздуха, но и в течни и твърди среди. Например водата перфектно провежда звука. Чуваме каменен удар под водата. Шумът от винтовете на надводния кораб се засилва от акустиката на подводницата. Ако поставим механичен ръчен часовник на единия край на дървена дъска, тогава, като поставим ухото си на противоположния край на дъската, ще чуем как тиктака.

Ще се различават ли звуците във вакуум? Английският физик, химик и богослов Робърт Бойл, живял през 17 век, сложи часовника в стъклен съд, от който евакуира въздуха. Не чу чукането на часовника. Това означаваше, че звуковите вълни не се разпространяват в безвъздушно пространство.

Характеристики на звуковата вълна

Формата на звуковите вибрации зависи от източника на звука. Равномерните или хармоничните трептения имат най-простата форма. Те могат да бъдат представени като синусоида. Такива трептения се характеризират с амплитуда, дължина на вълната и честота на разпространение на трептенията.

Амплитуда

Амплитуда в общия случай се нарича максимално отклонение на тялото от равновесното положение.

Тъй като звуковата вълна се състои от редуващи се области с висока и ниско налягане, то често се разглежда като процес на разпространение на колебанията на налягането. Следователно те говорят за амплитуда на въздушното налягане във вълната.

Силата на звука зависи от амплитудата. Колкото по-голям е той, толкова по-силен е звукът.

Всеки звук от човешката реч има уникална за него форма на вибрация. И така, формата на вибрация на звук "а" се различава от формата на вибрация на звук "б".

Честота и период на вълната

Извиква се броят на вибрациите в секунда честота на вълната .

f \u003d 1 / T

където т - период на колебания. Това е период от време, през който настъпва едно пълно трептене.

Колкото по-дълъг е периодът, толкова по-ниска е честотата и обратно.

Честотна единица в международната система SI измервания - херц (Hz). 1 Hz е една вибрация в секунда.

1 Hz \u003d 1 s -1.

Например, честота от 10 Hz означава 10 трептения в секунда.

1000 Hz \u003d 1 kHz

Височината зависи от честотата на вибрациите. Колкото по-висока е честотата, толкова по-висока е височината на звука.

Човешкото ухо не е в състояние да възприема всички звукови вълни, а само тези, които имат честота от 16 до 20 000 Hz. Именно тези вълни се считат за звук. Вълните с честота под 16 Hz се наричат \u200b\u200bинфразвукови, а над 20 000 Hz - ултразвукови.

Човек не възприема нито инфразвукови, нито ултразвукови вълни. Но животните и птиците са способни да чуят ултразвук. Например обикновената пеперуда различава звуци с честота от 8 000 до 160 000 Hz. Обхватът, възприет от делфините, е още по-широк, той варира от 40 до 200 хиляди Hz.

Дължина на вълната

Дължина на вълната е разстоянието между две най-близки точки на хармонична вълна, които са в една и съща фаза, например между две гребени. Означава се като ƛ .

За време, равно на един период, вълната изминава разстояние, равно на дължината му.

Скорост на разпространение на вълната

v = ƛ / Т

Защото T \u003d 1 / f,

тогава v \u003d ƛ f

Скорост на звука

Опитите за определяне на скоростта на звука с помощта на експерименти са правени още през първата половина на 17 век. Английският философ Франсис Бейкън в своята работа "New Organon" предложи свой собствен начин за решаване на този проблем, основан на разликата в скоростите на светлината и звука.

Известно е, че скоростта на светлината е много по-висока от скоростта на звука. Следователно, по време на гръмотевична буря, първо виждаме светкавица и едва след това чуваме гръмотевици. Познавайки разстоянието между източника на светлина и звук и наблюдателя, както и времето между светкавицата и светкавицата, можете да изчислите скоростта на звука.

Френският учен Марен Марсен се възползва от идеята на Бейкън. Наблюдател на известно разстояние от човека, който изстрелва муската, записва времето, изминало от светкавицата до звука на изстрела. След това разстоянието се разделя на времето и се получава скоростта на звука. Според резултатите от експеримента скоростта се оказва 448 m / s. Това беше груба оценка.

В началото на 19-ти век група учени от Парижката академия на науките повториха този опит. Според техните изчисления скоростта на светлината е била 350-390 m / s. Но и тази цифра не беше точна.

Теоретично Нютон се опита да изчисли скоростта на светлината. Той основава своите изчисления на закона на Бойл-Марио, който описва поведението на газа в изотермичен процес (при постоянна температура). И това се случва, когато обемът на газа се променя много бавно, като има време да даде на околната среда топлината, която възниква в нея.

Нютон, от друга страна, предполага, че между областите на компресия и разреждане температурата се изравнява бързо. Но тези условия не присъстват в звуковата вълна. Въздухът не води добре топлината и разстоянието между слоевете за компресия и разреждане е голямо. Топлината от компресионния слой няма време да се пренесе в слоя за разреждане. И между тях има температурна разлика. Следователно изчисленията на Нютон се оказаха погрешни. Те дадоха цифра от 280 m / s.

Френският учен Лаплас успя да обясни, че грешката на Нютон е, че във въздуха се разпространява звукова вълна адиабатен условия при различни температури. Според изчисленията на Лаплас скоростта на звука във въздуха при температура 0 ° C е 331,5 m / s. Освен това се увеличава с повишаване на температурата. И когато температурата се повиши до 20 ° C, тя вече ще бъде равна на 344 m / s.

Звуковите вълни се движат с различна скорост в различни среди.

За газове и течности скоростта на звука се изчислява по формулата:

където с -звукова скорост,

β - адиабатна свиваемост на средата,

ρ - плътност.

Както се вижда от формулата, скоростта зависи от плътността и свиваемостта на средата. Във въздуха е по-малко, отколкото в течността. Например във вода при температура 20 ° C тя е равна на 1484 m / s. Освен това, колкото по-висока е солеността на водата, толкова по-бързо се разпространява звукът в нея.

Скоростта на звука във вода е измерена за първи път през 1827 г. Този експеримент донякъде напомня на измерването на скоростта на светлината от Марен Марсен. Камбана беше спусната от една лодка във водата. На разстояние повече от 13 км от първата лодка беше втората. На първата лодка камбаната беше ударена, докато барутът беше запален. На втората лодка се записва времето на светкавицата и след това времето на пристигане на звука от камбаната. Разделяйки разстоянието на времето, получихме скоростта на звукова вълна във вода.

Звукът има най-висока скорост в твърда среда. Например в стоманата тя достига повече от 5000 m / s.