Звук в физике и его характеристики, виды, формулы и определения с примерами

Содержание:

Звук:

Мы живём в мире звуков: слышим голоса людей, пение птиц, звучание музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы и т. п.

Раздел физики, в котором изучают звуковые явления, называют акустикой.

С помощью глаза, воспринимающего свет, мы можем наблюдать волны на поверхности воды как движущиеся последовательные горбы и впадины. Волны, распространяющиеся в газе, внутри жидкости или твердого тела, человек при определённых условиях воспринимает с помощью уха. Ухо человека — прекрасный приёмник звуковых колебаний (рис. 29). Оно состоит из трёх частей: внешнего, среднего и внутреннего уха. Элементами внешнего уха являются ушная раковина 1 и внешний слуховой проход 2. Они служат для того, чтобы направить звуковые волны к барабанной перепонке 4. Барабанная перепонка и соединённые с ней три слуховые косточки — это среднее ухо. Они передают звуковые колебания к элементу внутреннего уха являются: через перепонку овального окна — жидкости, заполняющей улитку 3. Здесь звуковые колебания с помощью слуховых рецепторов превращаются в последовательность нервных импульсов, которые передаются в мозг слуховым нервом.

Опыт 1. Закрепим длинную стальную линейку в тисках или плотно прижмём её к краю стола. Отклоняя свободный конец линейки от положения равновесия, заставим её колебаться (рис. 30). Если линейка довольно длинная, мы ничего не услышим. Укоротим выступающий конец линейки - она начнет «звучать».

Колеблющаяся стальная линейка сжимает слои прилегающего к ней с одной из сторон воздуха и одновременно создаёт разрежение с другой стороны (рис. 31). Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в обе стороны в виде звуковой волны подобно расходящимся волнам на водной поверхности озера от места, где упал камень. Звуковая волна достигает нашего уха и вызывает колебания барабанной перепонки 4 в среднем ухе.

Человеческое ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 16—17 до 20 ООО Гц. Такие колебания называют звуковыми, или акустическими. В предыдущем опыте мы наблюдали, что чем короче конец линейки, тем выше частота колебаний. Поэтому мы и начинали слышать звук, укоротив конец линейки.

Любое твёрдое, жидкое или газообразное тело, совершающее колебания со звуковой частотой, создаёт в окружающей среде звуковую волну.

Звуки, которые мы ежедневно слышим, очень разнообразны. Они делятся на музыкальные звуки и шумы. К первым относятся пение, звучание натянутых струн скрипки, гитары или виолончели (рис. 32), духовых или других музыкальных инструментов, свист и т. п.

Шумы возникают во время грозы, создаются работающими двигателями, шелестящей листвой. С помощью органов речи люди могут воссоздавать музыкальные звуки и шумы. Но почему с точки зрения физики музыкальные звуки могут быть такими различными и чем они отличаются от шума ?

Опыт 2. Возьмём камертон (от немецкого: камм — гребень) и ударим шариком по одной из его ножек (рис. 33).

Мы услышим музыкальный звук «ля» с частотой 440 Гц. Постепенно вследствие затухания колебаний ножек звук слабеет. Итак, звуковая волна возбуждается ножками камертона, совершающими колебания. Характер этих колебаний можно определить, если прикрепить к ножке камертона грифель карандаша и, возбудив колебания камертона, равномерно провести им по поверхности листа бумаги. На бумаге появится волнистая линия (рис. 34), подобная уже знакомой нам синусоиде. В этом случае говорят, что ножки камертона совершают гармонические колебания.

Звук, производимый гармонически колеблющимся телом, называют музыкальным тоном, или тоном.

Музыкальные тоны отличаются на слух громкостью и высотой. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний. Чем сильнее удар молоточка по камертону, тем громче он звучит, поскольку сильный удар вызывает колебания большей амплитуды.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний в звуковой волне.

О звуках различной громкости говорят, что один громче другого не во столько -то раз, а на столько-то единиц.

Единицей громкости в СИ является один децибел (1 дБ). Она названа в честь американского учёного Александера Грейама Белла - изобретателя телефона и слуховых аппаратов для глухих.

Громкость звука измеряют специальным прибором — сонометром (рис. 35).

Громкость шелеста листвы составляет 10 дБ, шёпота — 20 дБ, уличного шума - 70 дБ и т. п. (рис. 36)

Чувствительность уха зависит от частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд кажутся неодинаково громкими, если их частоты разные. Человеческое ухо наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 3500 Гц.

Опыт 3. Возьмём несколько камертонов разных размеров. Поочерёдно заставим их звучать и каждый раз грифелем, прикреплённым к ножке камертона, будем проводить вдоль листа бумаги. Сравнивая полученные результаты, увидим, что чем выше звук камертона, тем меньше период колебаний и, соответственно, тем больше частота колебаний ножек камертона.

Высота звука зависит от частоты колебаний.

То же самое можно наблюдать на примере колеблющейся струны. Натягивая сильнее струну гитары или скрипки, мы увеличиваем частоту колебаний, высота звука возрастает.

Звуковые колебания, производимые камертонами (например, у камертона «ля» частота колебаний — 440 Гц) или музыкальными инструментами, можно наблюдать с помощью компьютера или осциллографа (рис. 37 а, б).

А что же такое шум? Шум отличается от музыкального тона тем, что у него нет определённой частоты колебаний, а значит — определённой высоты звука.

Шум- это хаотическая смесь многих звуковых колебаний разных частот и амплитуд.

Какой вид имеют эти колебания, также можно увидеть, используя микрофон и компьютер или осциллограф.

Кстати:

Наиболее «громким» в мире животных является голубой кит. Он может издавать звуки громкостью 188 дБ, которые слышны на расстоянии до 850 км от кита.

Скорость распространения звука

Звуковые волны подобно всем другим волнам распространяются с определённой скоростью.

Наблюдение 1. Каждый замечал, что на поверхности воды в озере от места падения камня с определённой скоростью расходятся волны в виде колец из горбиков и впадин, а через некоторое время они достигают берега и набегают на него. Что же такое волна?

Удар камня возбуждает колебания частичек воды, они передаются соседним участкам жидкости, которые в свою очередь начинают колебаться и передавать колебания дальше.

Механической волной называют распространение колебаний в упругой среде.

За время, равное периоду колебаний Т, горбик волны, двигаясь со скоростью , пройдёт путь, который обозначают греческой буквой  и называют длиной волны, т. е.     
Длина волны - это расстояние, на которое распространяется данное состояние колебания (горбик, впадина) за время, равное периоду колебания.

На воде длину волны нетрудно измерить: она равна расстоянию между соседними горбиками или соседними впадинами (рис. 38, а). Чтобы определить скорость распространения волны , надо длину волны разделить на период колебаний Т (или умножить на частоту поскольку ) :     

Наблюдение 2. Вы, наверное, замечали, что вспышка молнии предшествует удару грома. Если гроза далеко, то запаздывание грома может достигать десятков секунд. Это запаздывание обусловлено тем, что звуковой волне нужно время, чтобы достигнуть уха от места вспышки молнии.

Звуковая волна — это распространение слоёв сгущённого и разрежённого воздуха, которые чередуются в пространстве и вызываются колебаниями источника, например ножек камертона. На рис. 38, б видно, что длина волны в этом случае равна расстоянию между соседними участками сгущений или разрежений воздуха. Так же, как в случае волн на воде, скорость звуковой волны можно определить по формуле:

где — скорость распространения звуковой волны в среде; — длина волны; Т— период колебаний; — частота колебаний.

Скорость звука зависит от среды, в которой он распространяется. С помощью опытов Д. Ф. Араго, Прони и Ж. Гей-Люссак в 1822 г. установили, что в воздухе при температуре 10 ⁰С скорость распространения звуковых волн равна 337,2 . Зная скорость распространения звука, можно по приведённым формулам определить длины волн в воздухе, соответствующие границам слышимости человеческого уха:

• для = 20 Гц длина волны = 17 м;
• для = 20 ООО Гц длина волны = 1,7 см.

В воде скорость распространения звука больше, чем в воздухе. Впервые её измерили в 1827 г. на Женевском озере в Швейцарии. На одной лодке зажигали порох и синхронно ударяли в подводный колокол (рис. 39). Вторая лодка была на расстоянии 14 км от первой. Звук улавливали с помощью опушенного в воду рупора. По интервалу времени между вспышкой света и поступлением звукового сигнала определили скорость распространения звука. При температуре 8 °С скорость распространения звука в воде равна 1435  .

В твёрдых телах скорость распространения звука еще больше, чем в жидкостях. В таблице 2 приведены значения скорости распространения звуковых волн в разных средах.

В таблице 2 указаны значения скорости распространения звука в разных средах при определённой температуре, поскольку скорость распространения звука в среде зависит от её температуры. Например, скорость распространения звука в жидкостях (за исключением воды) с повышением температуры уменьшается, а в газах скорость распространения звука при неизменном давлении с повышением температуры увеличивается.

Современная техника даёт возможность измерить скорость распространения звука с высокой точностью (рис. 40).

Скорость распространения звука в среде зависит от её температуры.

Опыт. Разместим источник звука под колпаком воздушного насоса (рис. 41), и начнём выкачивать из него воздух. По мере того, как количество воздуха под колпаком уменьшается, звук слабеет, а потом вообще исчезает.

Такой опыт впервые выполнил в 1660 г. Роберт Бойль, показав, что в безвоздушном пространстве, которое называют вакуумом, звук совсем не распространяется. Тем самым он доказал необходимость среды для существования звуковых волн. Есть материалы, которые плохо проводят звук, поскольку колебания в них быстро затухают. Например, пористые панели, пенопласт используют для звукоизоляции, т. е. для защиты помещений от проникновения в них посторонних звуков. Если звуковая волна распространяется в некоторой среде (например, воде), то со временем она достигнет её границы, к которой примыкает другая среда (например, воздух). 

Эта вторая среда состоит из других частиц и отличается строением, поэтому скорость распространения звука в ней иная. На границе двух различных сред происходит отражение звуковой волны подобно отражению света на границе воздуха и зеркала.

Почему отражается звуковая волна? Происходит это потому, что колебания звуковой волны передаются частицам другой среды. Эти частицы сами становятся источниками новой (вторичной) звуковой волны. Вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда поступила первичная волна. Это и есть отражённая волна.

С отражением звука связано известное всем явление — эхо. Оно заключается в том, что звук от источника доходит до некоторого препятствия (а препятствием и есть вторая, отличная от воздуха среда — стена дома, край леса и т. п.), отражается от его поверхности и возвращается к месту, где возникли звуковые колебания.

Если первичный звук и звук отражённый доходят к слушателю не одновременно, то он слышит звук дважды. Бывают случаи многократных отражений звука, тогда и услышать его можно несколько раз (например, раскаты грома).

Явление отражения звуковых волн от препятствий используют для определения расстояний до разных предметов и их местонахождения. Предположим, что в определённый момент времени источник звука создаёт звуковые колебания. Звук распространяется, и, встретив препятствие, отражается от него. Если возле источника звука разместить ещё и приемник, то через определённый интервал времени он может зафиксировать отражённый звук. Измерив этот интервал времени и зная скорость распространения звука в данной среде, определяют расстояние до препятствия, учитывая, что звук дважды проходит искомое расстояние (до препятствия и обратно) по формуле:

где  — расстояние до препятствия; — скорость распространения звука в среде; — интервал времени, за которое звук дошел от источника до препятствия и возвратился к приемнику звука.

Инфразвук и ультразвук

Вы уже знаете, что колебания с частотой от 16 до 20 ООО Гц воспринимает человеческое ухо, поэтому их называют звуковыми.

Колебания с частотами, которые меньше чем наинизшая звуковая частота называют инфразвуком (от латинского слова инфра — ниже, под).

Инфразвуковые колебания (инфразвук) - это колебания, частота которых меньше 16 Гц - самой низкой частоты звуковых колебаний.

Человеческое ухо инфразвук не воспринимает. Он возникает во время штормов, гроз, землетрясений. Человеческий организм в целом ощущает на себе вредное действие инфразвука, человек очень страдает от морской и воздушной болезней, возникающих вследствие укачивания в инфразвуковом диапазоне колебаний. Медицинские исследования влияния на человека продолжительного воздействия инфразвука от специальных генераторов свидетельствуют, что оно может привести к непоправимым последствиям.

Инфразвук слабо поглощается средой и может распространяться на большие расстояния. Инфразвук используют в приборах, которые называют сейсмографами. Они предназначены для прогнозирования землетрясений, изучения строения Земли, разведки полезных ископаемых (рис. 42).

Колебания с частотами, которые больше, чем наивысшая звуковая частота, называют ультразвуком (от латинского слова ультра - дальше, больше, над). Ультразвуковые колебания (ультразвук) - это колебания, частота которых больше 20 ООО Гц - самой высокой частоты звуковых колебаний.
Ультразвуковые колебания применяют для обработки твёрдых и сверхтвердых материалов. К обрабатываемым деталям подаётся смесь воды с мелким порошком-абразивом, частички которого под действием ультразвукового излучателя колеблются с большой частотой, бомбардируя обрабатываемую поверхность, благодаря чему в ней можно делать отверстия сложной формы. Так получают изображения на камне, металле, фарфоре и т. п.

Мы уже знаем, что с помощью звукового эха можно определить расстояние до препятствия, на практике также нужно знать, в каком направлении оно расположено. Обычный звук для этого непригоден, поскольку он распространяется по всем направлениям от источника, поэтому и отражённые сигналы поступают с разных сторон.

С целью определения местонахождения объектов методом эха используют не обычный звук, а ультразвук. Он имеет значительно высшую частоту колебаний, чем звук, т. е. очень малую длину волны, что даёт возможность сформировать узкие ультразвуковые пучки, подобные световым, и определить кроме расстояния до объекта ещё и направление на него.

Этот принцип положен в основу действия эхолота и эхолокатора — приборов для измерения глубины морей, океанов или поиска различных предметов под водой. На днищах судов устанавливают ультразвуковые излучатели, которые периодически посылают импульсы в направлении дна (рис. 43, а). Отражённые колебания принимаются (рис. 43, б), и на экране компьютера появляется рельеф дна. Когда на пути ультразвука возникает, например, косяк рыбы, он также отображается на экране. Для многих технических целей нужны смеси жидкостей, которые не смешиваются в обычных условиях (например, ртуть и вода). Но если колбу с водой и ртутью облучать на протяжении определенного времени ультразвуком, то образуется устойчивая смесь, которая может сохраняться в течение продолжительного времени. На промышленных предприятиях с помощью ультразвуковых колебаний смешивают воду и масло.

Учёные установили, что простейшие живые существа быстро гибнут под действием ультразвука. Это свойство используют для стерилизации воды, молока и других пищевых продуктов. Ультразвук является причиной паралича и гибели холоднокровных животных — рыб, жаб. головастиков.

В медицине ультразвук используют с лечебной (рис. 44, а) и диагностической целями (рис. 44. б).

Кстати:

Свыше 80 лет тому назад французский ученый Поль Ланжевен получил патент на первый в мире ультразвуковой локатор. Но природа опередила его лучшие мыши и китообразные, ориентируясь в пространстве, действуют как живые эхолокаторы, так как способны излучать и воспринимать ультразвук в широком диапазоне. Дельфин четко отличает скалу от косяка рыб. Собаки слышат ультразвук, поэтому им можно подавать неслышные для людей команды с помощью специальных свистков.

Влияние акустических колебаний на живые организмы

Среди физических факторов, отрицательно влияющих на здоровье человека, одним из наиболее вредных является звуковой шум. Он воспринимается как неприятные, нежелательные звуки, мешающие нормально работать, получать нужную информацию, отдыхать. Учёные установили, что шум даже малой интенсивности приводит к снижению трудоспособности, остроты слуха, изменению функциональных возможностей коры главного мозга, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем. Шум действует на человека возбуждающе, вызывает выделение в кровь большого количества гормонов, вызывающих чувство страха, опасности, агрессии и т. п.

Шум — сложное физическое явление: он образуется вследствие наложения колебаний различных частот, то есть состоит из звуков разной высоты. Он является одной из форм физического (волнового) загрязнения окружающей среды, адаптация организмов к которому практически невозможна. Поэтому шум относится к серьёзным загрязнителям, которые должны быть под контролем государства на основе специальных законов.

Правовую основу защиты населения от шума представляют Законы Украины «Об обеспечении санитарного и эпидемического благополучия населения», «Об охране естественной окружающей среды», «Об охране атмосферного воздуха», «Об экологической экспертизе» и др.

Борьба с шумом состоит в создании шумоулавливаюших экранов, поглощающих фильтров, бесшумных механизмов, в изменении технологии производства и динамики транспортных потоков. Даже озеленение территории снижает уличный шум на 25 % и более.

Уровень шума, его сила (интенсивность) измеряется в децибелах (дБ). Интенсивность всех звуков диапазона слухового восприятия выражают в относительных единицах от 0 до 130 дБ (болевого порога). Измеряют шум специальной аппаратурой - шумомерами.

Допустимые границы силы звука в разных условиях составляют 45—85 дБ. В случае постоянного шума до 70 дБ возникают нарушения эндокринной и нервной систем, при 90 дБ нарушается слух, при 120 дБ возникает физическая боль, становящаяся невыносимой.

Рекомендованные диапазоны шумов внутри помещений разного назначения такие:

• •для сна, отдыха — 30—40 дБ;
• •для умственного труда - 40—50 дБ;
• •для лабораторных исследований, работы с ЭВМ и т. п. - 50—60 дБ;
• •для производственных цехов, гаражей, магазинов и т. п. - 50—70 дБ.

Источниками шумов являются все виды транспорта, промышленные объекты, громкоговорящие устройства, лифты, телевизоры, радиоприёмники, музыкальные инструменты, собрания людей и отдельные лица (табл. 3). Чрезмерный шум влияет на организм человека подобно яду, который в организме медленно накапливается. Он сокращает продолжительность жизни на 8-12 лет.

Медицинские исследования свидетельствуют, что у лиц, имеющих «шумные» профессии, желудочные заболевания (гастриты, язвы и т. п.) возникают в четыре раза чаще, чем у других. Среди них также намного больше глухих. От продолжительного сильного шума производительность у людей умственного труда снижается на 60 %, физического - на 30 %.

Оказалось, что молодежь до 27 лет выдерживает намного более интенсивный шум, чем люди возрастом более 40—50 лет. Однако со временем, как свидетельствует статистика, у молодых людей, увлекающихся громкой музыкой (на концертах и дома), после 30 лет возникают расстройства слуха, нервной системы и другие болезни.

Наблюдение специалистов свидетельствуют, что в концертных залах, где выступают современные рок-ансамбли, в первых рядах интенсивность звука достигает 118—120 дБ, в последних — 100—110 дБ. Врачи считают, что после каждого такого концерта почти у 10 % слушателей возникают необратимые повреждения внутреннего уха (нервных окончаний), которые не восстанавливаются. Установлено, что очень громкая музыка негативно влияет на вегетативную нервную систему человека, сердце, кровообращение, органы дыхания.

Положительное влияние гармонической, спокойной, мягкой музыки было известно с давних времён. Существует так называемая музыкальная терапия, когда различные оздоровительные процедуры сопровождаются нежными монотонными напевами, спокойным журчаньем воды, мягким шумом морских волн, птичьим пением, спокойной симфонической музыкой.

• Заказать решение задач по физике

Пример №1

Услышим ли взрыв, который произошёл на Луне?

Ответ: нет, так как на Луне отсутствует атмосфера. Звук в безвоздушном пространстве не распространяется.

Пример №2

Выпишите названия музыкальных инструментов в порядке возрастания высоты тона (в скобках указана частота звуковых колебаний): скрипка (640 Гц), виолончель (216 Гц), контрабас (196 Гц), альт (415 Гц).

Ответ: контрабас (196 Гц), виолончель (216 Гц), альт (415 Гц), скрипка (640 Гц).

Пример №3

Эхо услышали через 2 с после вскрика мальчика перед лесом. На каком расстоянии от леса был мальчик?

Дано:    

= 2с

= 331

= ?

Решение:

Используем формулу:

Подставим значения:  м.

Ответ: =331 м.

Что такое звук

Особенно важное место среди всех типов упругих волн занимают звуковые волны (звуки). Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

Рассмотрим в качестве примера источника звука барабан (рис. 25).

Мембрана барабана создает попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ней области воздуха, и образуется продольная волна, которая распространяется в воздухе. Графически ее можно представить как зависимость плотности молекул воздуха от координаты (рис. 26).

Таким образом, в процессе распространения звуковой волны с течением времени изменяются такие характеристики среды, как плотность и давление.

Для распространения звуковых волн необходимы среды с упругими свойствами.

Если поместить источник звука (звонок) под колокол воздушного насоса и постепенно откачивать воздух, то звук становится все слабее и слабее, а затем исчезает. Следовательно, звуковые волны в безвоздушном пространстве не распространяются.

Если окружить звонок слоем пористого материала (поролона, ваты, войлока и т. п.), то звуковые волны в нем быстро затухают. Поэтому такие материалы широко используются для звукоизоляции.

Упругие волны, вызывающие у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком. Человеческое ухо воспринимает звук в частотном диапазоне от 16 до 20 ООО Гц. 

Раздел физики, В котором изучаются звуковые явления называется акустикой.
Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом. ( рис 27):

• инфразвук 
• слышимый человеком звук 
• ультразвук 
• гиперзвук 

Многие животные могут воспринимать ультразвуки. Например, собаки могут слышать звуки частотой до 50 000 Гц, а летучие мыши — до 100 000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и многим другим морским животным ориентироваться в толще воды.
Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).

Для характеристики энергии, переносимой волнами, используется понятие интенсивности волны  определяемое как энергия  переносимая волной в единицу времени  через поверхность площадью  расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны:

Другими словами, интенсивность представляет собой мощность  переносимую волнами через поверхность единичной площади перпендикулярно к направлению распространения волны.

Единицей интенсивности в СИ является 1 ватт на метр в квадрате 

Уровень интенсивности звука  определяют обычно, используя шкалу, единицей которой является 1 бел  или ее дольная единица — 1 децибел (дБ) (одна десятая бела). Уровень интенсивности самого слабого звука, который воспринимает наше ухо, соответствует 1 белу (1 Б). Единица названа в честь изобретателя телефона Александра Белла.

Так, поезд метро создает уровень интенсивности звука 100 дБ, мощные усилители — 120 дБ, а реактивный самолет — 150 дБ. Тем, кто при работе подвергается воздействию шума свыше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Интенсивность звука, улавливаемого ухом человека, лежит в очень широких пределах: от  (порог слышимости) до  (порог болевого ощущения) (рис. 28). м    м

Минимальная интенсивность, при которой ухо человека перестает воспринимать звук, называется порогом слышимости. Кривая порога слышимости для всего звукового диапазона приведена на рисунке 28 (в логарифмическом 

масштабе). Наиболее чувствительно наше ухо к волнам частотой примерно 3 кГц, так как интенсивности порядка  уже достаточно, чтобы ухо восприняло звук. А для того, чтобы услышать звук на частоте 50 Гц, его интенсивность должна быть примерно в 100 000 раз больше, т. е. порядка 

При значительной интенсивности колебаний ухо перестает воспринимать колебания как звук, испытывая при этом болевое ощущение. Такая интенсивность, выше которой отмечается боль, называется порогом болевого ощущения. Порог болевого ощущения соответствует интенсивности, равной примерно  

Реактивный самолет может создать звук интенсивностью порядка (мощные усилители на концерте в закрытом помещении — до  поезд метро — 

В технике предпочитают измерять изменение интенсивности звука не по изменению энергии волны (на диаграмме справа), а в других единицах — децибелах (на диаграмме слева).

Таким образом, для возникновения звуковых ощущений необходимо: наличие источника звука;

наличие упругой среды между источником звука и ухом; частота колебаний источника звука должна находиться в пределах 16—20 000 Гц; мощность звуковых волн должна быть достаточной для того, чтобы вызывать ощущение звука.

Спектром называется набор звуков различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.

Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.

Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал. По типу спектра звуки разделяются на шумы и музыкальные тоны.

Шум — совокупность разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т. п.) — представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр).

Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты. На основе музыкальных тонов создана музыкальная азбука — ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах. Интервал частот музыкальных звуков, на границах которого звуки по частоте отличаются в 2 раза, называют октавой.

Музыкальный звук (созвучие) — результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий наименьшей частоте. Основной тон называется также первой гармоникой. Все остальные тоны называются обертонами. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.

Физическим характеристикам звука соответствуют определенные (субъективные) характеристики, связанные с восприятием его конкретным человеком. Это обусловлено тем, что восприятие звука — процесс не только физический, но и физиологический. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей (это объективные, не зависящие от человека характеристики звука) по-разному, в зависимости от «характеристик приемника» (здесь влияют субъективные индивидуальные черты каждого человека).

Основными физиологическими характеристиками звука являются громкость, высота и тембр.

Громкость (степень слышимости звука) определяется как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1 ООО до 5000 Гц.

С возрастом порог слышимости человека возрастает. Следует отметить, что болевой порог изменяется в зависимости от часто™ не столь существенно, как порог слышимости.

При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 20 дБ. Вследствие этого звук в 50 дБ оказывается в 100 раз интенсивнее звука в 30 дБ.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.

Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, флейты и гитары, голоса людей (табл. 2) и т. д.

Модуль скорости звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому модуль скорости звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твердых телах (табл. 3).

Модуль скорости звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально  где  — абсолютная температура. В воздухе модуль скорости звука  — при температуре  — при температуре  В жидкостях и металлах модуль скорости звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение — вода).

Впервые модуль скорости звука в воздухе был определен в 1640 г. французским физиком Мареном Мерсенном. Он измерял промежуток времени между моментами появления вспышки и звука при ружейном выстреле. Мерсенн определил, что модуль скорости звука в воздухе равен 

Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией, а соответствующие приборы — эхолокаторами.

Эхолокацию используют различные китообразные (дельфины), а также летучие мыши, птицы гуахаро, гнездящиеся в глубоких пещерах Венесуэлы и на острове Тринидад, стрижи-салаганы, живущие в пещерах Юго-Восточной Азии. Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях. УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека.

Пример №4

Стальные детали проверяются ультразвуковым дефектоскопом. Определите толщину  детали и глубину  расположения дефекта, если после излучения ультразвукового сигнала получены два отраженных сигнала через промежутки времени  Модуль скорости распространения ультразвука 

Дано: 

Решение

Так как сигнал проходит деталь туда и обратно, то толщину детали определим по формуле:

Аналогично определяется глубина, на которой находится дефект:

Ответ: 

Итоги:

Периодическим называется движение, при котором физические величины, характеризующие колебательную систему, через равные промежутки времени принимают одинаковые значения.

Колебательным называется движение (процесс), при котором любая характеризующая это движение (процесс) физическая величина поочередно изменяется то в одну, то в другую сторону от ее значения в положении устойчивого равновесия.

Периодическим колебательным движением (колебаниями) называют любой процесс, который обладает свойством повторяемости во времени. Колебания любой физической природы, описываемые уравнением

являются гармоническими, а система, совершающая такие колебания, — гармонической колебательной системой, или гармоническим осциллятором.

Колебания, при которых зависимость координаты (смещения) тела от времени определяется соотношениями

или

называются гармоническими.

Зависимость координаты от времени  называется кинематическим законом гармонических колебаний (законом движения).

Колебания материальной точки являются гармоническими, если они происходят под действием возвращающей силы, модуль которой прямо пропорционален смещению точки из положения равновесия  направленной к положению равновесия колеблющегося тела.

Амплитуда колебаний  — максимальное смещение  тела или системы тел из положения равновесия.

Фаза колебаний  определяет состояние колебательной системы (координаты, скорость, ускорение) в любой момент времени при заданной амплитуде. В начальный момент времени  она равна начальной фазе  Единицей фазы является 1 радиан (1 рад).

Циклическая частота  — число полных колебаний за промежуток времени  секунд:

Период колебания  — время одного полного колебания:

Частота колебаний  — число полных колебаний, совершаемых в единицу времени:

Колебательная система, состоящая из тела с прикрепленной к нему пружиной, называется пружинным маятником. Его период колебаний:

Колебательная система, состоящая из небольшого тела, подвешенного на легкой нерастяжимой нити, называется математическим маятником.

Период малых колебаний математического маятника определяется по формуле Гюйгенса:

Собственные (свободные) колебания — это колебания, происходящие в отсутствие внешних воздействий на систему. Они происходят со строго определенной частотой, называемой частотой собственных колебаний системы.

Затухающими называются колебания, энергия которых уменьшается с течением времени.

Вынужденными называются колебания системы, вызываемые действием на нее периодических внешних сил.

Резонансом называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда частота периодической внешней силы совпадает с собственной частотой колебаний системы.

Механической волной называется процесс распространения колебаний в упругой среде, который сопровождается передачей энергии от одной точки среды к другой.

Длина волны — расстояние, пройденное волной в среде за промежуток времени, равный периоду колебаний частиц:

Скорость распространения волны — это скорость распространения гребня волны или любой другой точки волны с определенной фазой, модуль которой

Волна называется продольной, если колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны.

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Упругие волны, вызывающие у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком.

Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).