Звуки и акустика. Звуковые волны

Звуковые волны могут распространяться только в упругих средах, например, в воздухе, воде или металлах. Они характеризуются локальным и временным перемещением молекул, сопровождающимся изменением давления в среде.

Скорость распространения звуковых волн характерна для среды, через которую они проходят, но не зависит от амплитуды и от частоты этих волн.

Скорость звука в некоторых средах

Среда	Скорость звука (м/c)
воздух (при 0 °С и 1 атм)	331
водород	1261
вода	1482
сталь	5050
кварц	5370

В случае периодического сигнала вдоль направления его распространения образуется волна за счет чередования зон пониженного и повышенного давления. Скорость распространения этой волны тем больше, чем больше жесткость κ среды, т. е. реакция среды на упругую деформацию, и обратно пропорциональна плотности ρ этой среды. Действительно,

c = √(κ/ρ)

В идеальном газе скорость распространения звуковой волны не зависит оглавления и пропорциональна квадратному корню из Т, где Т - абсолютная температура.

Распространение, отражение и передача звуковых волн

В однородной среде звуковая волна распространяется по прямой. Встретив поверхность раздела двух сред, она разделяется на отраженную и поглощенную волны в пропорциях, определяемых акустическими характеристиками этих двух сред. Характеристический импеданс Z_c среды равен произведению скорости с волны на плотность ρ. Чем больше разница между характеристическими импедансами двух сред, тем меньшая доля волны проходит через поверхность раздача, поэтому звук очень плохо передается между воздухом и водой (импедансы соответственно равны 428 и 1,45 · 10⁶). На твердой поверхности звуковая волна практически полностью отражается. Эхо происходит за счет отражения звука от удаленной плоской поверхности, при этом возникает обратная волна, направленная к источнику звука.

Характеристики звуков

Качество	Соответствующая физическая величина
интенсивность	амплитуда изменения давления
длительность	длительность звукового сигнала (источник + реверберация (затухание) и эхо)
высоты	частота сигнала
тембр	соотношение различных гармоник (множественные гармонические частоты основного звука)
динамика	изменения во время высоты, интенсивности и тембра звукового сигнала
прохождение	связано с разностью фаз между сигналами, воспринимаемыми правым и левым ухом

Интенсивность (сила) некоторых звуков

Измерение интенсивности звука осуществляется путем сравнения его с самой низкой воспринимаемой интенсивностью (I? = 10^-12 Вт · м^-2), при этом используется логарифмическая шкала (L_i = 10 log I/I?).

Звук	Интенсивность (в дБ)
шепот	20
разговор	60
автомобильный сигнал	90
реактивный самолет	120
сверхзвуковой самолет	150

Инструментальная акустика

В звуковой трубке получение звука связано с существованием стационарных волн, частоты которых зависят от длины L и от закрытия трубки. Возбуждение вибрации возникает за счет прохождения воздуха по фиксированной входной кромке (флейта) или через кромку колеблющуюся (мундштук).

В струнных инструментах вибрация натянутой струны, закрепленной в точках, расположенных на расстоянии L, позволяет получать частоты f? = nc_c/2L, где c_c - скорость распространения звука вдоль струны, а n - целое число. Эта вибрация усиливается корпусом инструмента. Она может возбуждаться ударами по клавишам (пианино), щипками (гитара) или трением смычка о струну (скрипка).

Звуковые трубки

Тип трубки	Основная частота	Частота гармонических колебаний	Типичный инструмент
трубка, открытая с двух сторон	f?=c/2L	fn=nf? (n=1, 2 ...)	флейта, орган
трубка, открытая с одной стороны	f?=c/4L	f2n+1=(2n + 1)f? (n=0, 1, 2 ...)	кларнет
коническая трубка	f?=c/2L	fn=nf? (n=1, 2 ...)	гобой, басон, саксофон

Инфразвуки и ультразвуки

Частоты воспринимаемых человеческим ухом звуковых волн лежат в области от 50 Гц до 20 кГц. Звуки с частотой ниже 50 Гц называются инфразвуками, а с частотой выше 20 кГц (до нескольких МГц) — ультразвуками. Ультразвуковые волны применяются в медицинской диагностике, в сонарах на подводных лодках. Чаще всего использование ультразвука требует его распространения в жидких или твердых средах.

Частоты, воспринимаемые человеком и некоторыми животными

Объект	Максимальная воспринимаемая частота
птица	10 кГц
человек	20 кГц
кошка	25 кГц
собака	35 кГц
летучая мышь	100 кГц
дельфин	100 кГц

Словарь 

Гармоническая частота — частота, величина которой является кратной по отношению к основной частоте. Набор гармонических частот определяет тембр звука.

Звук — волны, образующиеся в результате колебательного движения частиц упругой среды.

Основная частота — самая низкая частота музыкального звука, определяющая высоту этого звука.

Скорость звука — скорость распространения звуковой волны.

Спектр — распределение интенсивности волны (акустической, электромагнитной), пучка частиц в зависимости от частоты и энергии.

Шум — беспорядочные колебания со сложной временной и спектральной структурой.