Звуки и акустика. Звуковые волны

        
         1 комментарий

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 Zc 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 (Li = 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? = ncc/2L, где cc - 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.

Реклама

Комментарии

Вячеслав Мишин

Статья интересная, но есть ошибки. В предложении:-" В идеальном газе скорость распространения звуковой волны не зависит оглавления и пропорциональна квадратному корню из Т, где Т - абсолютная температура." вместо слова "оглавления"следует читать "от давления".

4 февраля 2015

 

Вам будет также интересно

ТОП-20 технозвуков прошлого

В этой статье мы собрали ТОП-20 звуков технологий прошлого, поэтому устраивайтесь поудобнее, включайте колонки на полную мощность и наслаждайтесь воспоминаниями.

Читать далее...

Музыка сияний

Пять хребтовых вершин музыки, пять — осиянных суммами золотых лучей — гор: Бах, Моцарт, Бетховен, Шопен, Чайковский… От Баха — последующие чуть пониже, неочевидно пониже, ибо не несут его всеобщности, его библейской ветхости, его корневого звучания…

Читать далее...

В сердцевине звуков

Стук сердца, звук шагов,
Мир звуков тела… шорох слов,
Я знаю музыку домов —
Ступеней скрип и звук дверей.

Читать далее...

Зачем программистам изучать физику

Многие люди, обучающиеся профессии программиста, искренне не понимают, зачем им нужно изучать такие дисциплины, как физика и математика. В одной из статей мы выяснили, что математика учит думать. Теперь давайте обсудим, зачем люди технических специальностей изучают физику.

Читать далее...

Планета Земля — кольцевой тороидальный вихрь?

Авторы данной статьи представляют собственную гипотезу внутреннего строения земли, позволяющую прогнозировать тектонические процессы, происходящие в земной коре, а также увязать между собой и объяснить ряд явлений.

Читать далее...

Добавить статью

Приглашаем вас добавить статью и стать нашим автором

Поделитесь с друзьями

Статистика

©  Интернет-журнал «Серый Волк» 2010-2016

Перепечатка материалов приветствуется при обязательном указании имени автора и активной,
индексируемой гиперссылки на страницу материала или на главную страницу журнала.