Interested Article - Звук

Звук — физическое явление , представляющее собой распространение упругих волн в газообразной, жидкой или твёрдой среде . В узком смысле под звуком имеют в виду эти волны, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются органами чувств .

Источником звука может выступать тело, совершающее механические колебания по определённому закону.

В общем случае звук является совокупностью волн различных частот . Распределения интенсивности по частотам $dI/df$ бывают плавными (непрерывными) или с выраженными максимумами при $f=f_{1},\,f_{2},..$ (дискретными). Для упрощения нередко сосредоточиваются на одной волне конкретной частоты.

Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц . Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком ; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком , от 1 ГГц — гиперзвуком .

В первом приближении громкость звука диктуется амплитудой волны, а тон , высота звука — частотой. Более точно, громкость сложным образом зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний, а высота звука — не только от частоты, но и от величины звукового давления.

Среди слышимых звуков выделяются фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь ) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка ). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов (волн фиксированных частот $f_{i}$ ), а иногда и шумовые компоненты в широком акустическом диапазоне.

Понятие о звуке

Звуковые волны в воздухе — чередующиеся области сжатия и разрежения

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса . Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением .

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте (например, с помощью поршня), то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

более детальная информация

Скорость колебательного движения частиц упругой среды — колебательная скорость — измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).

Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раз, через $\tau$ , то:

S={\frac {1}{\tau }}

.

Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания $\tau$ :

D={\frac {T}{\tau }}

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания , характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы.

При частотах воздействия, значительно меньших резонансной, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разрежения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды ( $\rho$ ) на скорость (с) распространения в ней звуковых волн.

Z=\rho c

Удельное акустическое сопротивление измеряется в паскаль - секундах на метр (Па·с/м) или дин•с/см³ (СГС); 1 Па·с/м = 10 ⁻¹ дин • с/см³.

Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г/с·см², причём 1 г/с·см² = 1 дин•с/см³. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн.

Звуковое, или акустическое, давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статическим давлением в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:

P=2\pi f\rho cA

где Р — максимальное акустическое давление (амплитуда давления);

f — частота;
с — скорость распространения ультразвука;
$\rho$ — плотность среды;
А — амплитуда колебания частиц среды.

На расстоянии в половину длины волны (λ/2) значение звукового давления из положительного становится отрицательным. Разница давлений в двух точках с максимальным и минимальным его значением (отстоящих друг от друга на λ/2 вдоль направления распространения волны) равна 2Р.

Для выражения звукового давления в единицах СИ используется паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на квадратный метр (Н/м²). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см²; 1 дин/см² = 10 ⁻¹ Па = 10 ⁻¹ Н/м². Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98⋅10 ⁶ дин/см² = 0,98⋅10 ⁵ Н/м². Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 10 ⁶ дин/см².

Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями , величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак.

Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением:

a=\omega ^{2}A=(2\pi f)^{2}A

Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разрежения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашёл применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях — ультразвуковых весах.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах , помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны ( поперечная волна ). Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

В философии, психологии и экологии средств коммуникации звук исследуется в связи с его воздействием на восприятие и мышление (речь идёт, например, об акустическом пространстве как пространстве, создаваемом воздействием электронных средств коммуникации).

Физические параметры звука

Спектр звука

Примеры форм звуковых сигналов (слева) и соответствующих спектров: a-c — дискретные; d — непрерывный

Под спектром понимается распределение звуковой энергии по частоте $dI/df$ , то есть функция, показывающая относительную представленность различных частот в изучаемом звуке. Если это распределение дискретное, то $dI/df$ записывается как сумма дельта-функций вида $\sum I_{i}\delta (f-f_{i})$ ; в таком случае может быть приведён перечень присутствующих частот с их вкладами в общую интенсивность: $(f_{1},\,I_{1}),\,\,(f_{2},\,I_{2}),..$ и так далее.

Применительно к музыкальным звукам вместо слова «спектр» используется понятие « тембр » в том же значении.

Интенсивность звука

Интенсивность (сила) звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую в направлении распространения звука. Учитывает весь частотный диапазон, а именно $I=\int (dI/df)\,df$ . Различаются мгновенная, то есть в данный момент $I(t)$ , и усреднённая по некоторому промежутку времени $<I(t)>$ интенсивность.

Длительность звука

Длительность звука — общая продолжительность колебаний источника упругих волн в секундах или, в музыке, в единицах музыкального ритма (см. длительность (музыка) ).

Скорость звука

Средства звукового наблюдения, основанные на бинауральном эффекте

Скорость звука — скорость распространения звуковых волн в среде.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях .

Скорость звука в воздухе зависит от температуры и в нормальных условиях составляет примерно 340 м/с.

Скорость звука в любой среде вычисляется по формуле:

c={\sqrt {\frac {1}{\beta \rho }}}

,

где $\beta$ — адиабатическая сжимаемость среды; $\rho$ — плотность.

Громкость звука

Громкость звука — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления , амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний, индивидуальная чувствительность слухового анализатора человека и другие факторы .

Генерация звука

Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование голосовых связок , динамиков или камертона . Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты , в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте. Для создания когерентного звука применяются так называемые звуковые или фононные лазеры .

В технике применяются генераторы звука .

Ультразвук

Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты . Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 Гц-20 кГц ; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика .

Поглощение ультразвуковых волн

Поскольку среда, в которой распространяется ультразвук, обладает вязкостью, теплопроводностью и имеет другие причины внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение , то есть по мере удаления от источника амплитуда и энергия ультразвуковых колебаний становятся меньше. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощённой энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения.

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается вдвое. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счёте, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

На границе раздела сред (напр., эпидермис — дерма — фасция — мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны . В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн . Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Инфразвук

Инфразву́к (от лат. infra — ниже, под) — звуковые колебания, имеющие частоты ниже воспринимаемых человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0,001 Гц . Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд.

Поскольку природа возникновения инфразвуковых колебаний такая же, как и у слышимого звука, инфразвук подчиняется тем же закономерностям, и для его описания используется такой же математический аппарат, как и для обычного слышимого звука (кроме понятий, связанных с уровнем звука). Инфразвук слабо поглощается средой, поэтому может распространяться на значительные расстояния от источника. Из-за очень большой длины волны ярко выражена дифракция .

Инфразвук, образующийся в море, называют одной из возможных причин нахождения судов, покинутых экипажем .

Опыты и демонстрации

Видеоурок: возникновение звука

Для демонстрации стоячих волн звука служит труба Рубенса .

Различие в скоростях распространения звука наглядно, когда вдыхают вместо воздуха гелий, и говорят что-либо, выдыхая им, — голос становится выше. Если же газ — гексафторид серы SF ₆ , то голос звучит ниже . Связано это с тем, что газы примерно одинаково хорошо сжимаемы, поэтому в обладающем очень низкой плотностью гелии по сравнению с воздухом происходит увеличение скорости звука, и понижение — в гексафториде серы с очень высокой для газов плотностью, размеры же ротового резонатора человека остаются неизменными, в итоге меняется резонансная частота, так как чем выше скорость звука, тем выше резонансная частота при остальных неизменных условиях.

О скорости звука в воде можно визуально получить представление в опыте дифракции света на ультразвуке в воде . В воде по сравнению с воздухом, скорость звука выше, так как даже при существенно более высокой плотности воды (что должно было бы привести к падению скорости звука), вода настолько плохо сжимаема, что в итоге в ней скорость звука оказывается всё равно в несколько раз выше.

В 2014 году была представлена установка, которая звуковыми волнами поднимает сантиметровые предметы .

См. также

Примечания

И. П. Голямина. // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
(неопр.) . Дата обращения: 25 августа 2010. Архивировано из 12 января 2013 года.
от 27 февраля 2007 на Wayback Machine
27 февраля 2007 года.
Jacob B. Khurgin. (англ.) // Physics . — 2010. — Vol. 3 . — P. 16 .
Мезенцев В. А. В тупиках мистики. М.: Московский рабочий , 1987.
на YouTube
от 17 мая 2014 на Wayback Machine // Популярная механика

Литература

// Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
Радзишевский А. Ю. Основы аналогового и цифрового звука. — М. : , 2006. — С. 288. — ISBN 5-8459-1002-1 .