Данный урок освещает тему «Звуковые волны». На этом уроке мы продолжим изучать акустику. Вначале повторим определение звуковых волн, затем рассмотрим их частотные диапазоны и познакомимся с понятием ультразвуковых и инфразвуковых волн. Мы также обсудим свойства, присущие звуковым волнам в различных средах, и узнаем, какие им присущи характеристики.
Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1).
Рис. 1. Звуковая волна
Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).
Рис. 2. Распространение звуковой волны
К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .
Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).
Рис. 3. Диапазоны звуковых волн
Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.
Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.
Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком .
Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.
Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией .
Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.
Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.
Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.
Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).
Рис. 4. Применение инфразвука
Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).
Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах
Обратите внимание: в воздухе скорость звука при равна , при скорость увеличивается на . Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания. Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее: 
(рис. 6).
Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны
Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.
Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).
Рис. 7. Музыкальные тоны
У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.
Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.
Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука . Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).
Рис. 8. Громкость звука
При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .
Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого - высота . От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).
Рис. 9. Высота звука
Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.
Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр . Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.
Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
- Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.
- Интернет-портал «eduspb.com» ()
- Интернет-портал «msk.edu.ua» ()
- Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()
Домашнее задание
- Как распространяется звук? Что может служить источником звука?
- Может ли звук распространяться в космосе?
- Всякая ли волна, достигшая органа слуха человека, воспринимается им?
Для начала заглянем в словарь и посмотрим там определения этих слов.
Звук — всё что слышит ухо, что доходит до слуха. Или более развёрнуто — то, что слышится, воспринимается слухом: физическое явление, вызываемое колебательными движениями частиц воздуха или другой среды. Звук, в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах.
Шум — это звуки, слившиеся в нестройное (обычно громкое) звучание. Или подробнее — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.
Вибрация — механические колебания упругого тела; дрожание. Слово произошло от латинского «Vibratio » — колебание, дрожание.
Изучением звуков занимается наука под названием АКУСТИКА. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до высоких частот.
Человеческое ухо воспринимает определённый диапазон колебаний — как правило, от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Одно колебание в секунду называется Герцем и сокращённо обозначается Гц . Колебания большей частоты называют ультразвуком, меньшей — инфразвуком.
Характеристики звука:
длина волны (период, Т) и амплитуда (А)
Поскольку звук это волна, то она характеризуется двумя основными величинами: длина волны (период колебания) и амплитуда. Амплитуда — максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении. Обратная периоду величина называется частотой (Гц). Сам же звук также характеризуется скоростью распространения, которая зависит от среды, в которой распространяется упругое колебание. Например:
Связь слышимости звука с давлением,
частотой и громкостью
Как мы уже говорили, человек может воспринимать в идеале звук частотой от 16 до 20000 Гц. Однако сама частота звука не даёт нам возможности оценить насколько он безопасен для человека. Частота звука говорит о теоретической возможности услышать подобный звук, а вот практически услышим мы его или нет зависит от амплитуды. Логарифм амплитуды измеряется в децибелах (дБ). Децибел — это относительная величина, показывающая насколько увеличилась или уменьшилась громкость звука.
Громкость — это кажущаяся сила звука, которая измеряется в децибелах. Зависимость громкости от уровня звукового давления (и интенсивности звука) является сугубо нелинейной кривой, она имеет логарифмический характер. При увеличении уровня звукового давления на 10 дБ громкость звука возрастёт в 2 раза.
С какими же уровнями громкости мы с Вами сталкиваемся в нашей жизни?
Звук |
Громкость, дБ |
Тишина (специальная камера) |
|
Тихий шёпот, тиканье наручных часов |
|
Шелест листьев, тиканье часов, норма для жилых помещений |
|
Сельская местность вдали от дорог, библиотека |
|
Тихая жилая территория, парк, тихий разговор |
|
Разговор средней громкости, тихая улица, тихий офис |
|
Нормальный разговор в 1м, норма для офисов |
|
Улица с интенсивным движением, телефон |
|
Громкий будильник, шум грузового автомобиля или мотоцикла |
|
Громкий крик, отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7м |
|
Поезд метро, фен, кузнечный цех, очень шумный завод |
|
Рок-музыка, крики ребёнка, вертолёт, трактор на расстоянии 1м |
|
Болевой порог, близкие раскаты грома, вувузела на расстоянии 1м |
|
Травма внутреннего уха, максимальная громкось на рок-концерте |
|
Контузия, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки |
|
Шок, травмы, разрыв барабанной перепонки |
|
Возможен разрыв лёгких, возможна смерть |
|
Макс. давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола |
|
Максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве |
|
Давление в ядерном заряде в момент ядерного взрыва |
Шумы в наших домах (жилых помещениях) могут возникать по разным причинам. В зависимости от источника шума их подразделают на ударный, воздушный, структурный и акустический.
Виды шумов (звуков):
В результате взаимодействия ветра с различными сооружениями, если скорости потока очень велики, а поперечные размеры тел в потоке малы, образуются ультразвуковые колебания, а если скорости потока малы и поперечные размеры велики – инфразвуки. Например, при обтекании стволов деревьев, телеграфных столбов, металлических ферм, снастей кораблей, последние будут испускать инфразвуки.
В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» приведены следующие нормативы для жилых помещений:
Допустимые уровни шума в жилых помещениях
Наименование помещений, территорий |
Время суток |
Уровни звукового давления, дБ, в октавных частотах |
||||||||
Жилые комнаты квартир |
7 - 23 ч. |
|||||||||
23 - 7 ч. |
||||||||||
Территории, непосредственно прилегающие к жилым домам |
7 - 23 ч. |
|||||||||
23 - 7 ч. |
||||||||||
Допустимые уровни инфразвука в жилых помещениях
Звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой материальной среде преимущественно в виде продольных волн.
B вакууме звук не распространяется, так как для передачи звука необходима материальная среда и механический контакт между собой частиц материальной среды.
В среде звук распространяется в виде звуковых волн. Звуковые волны представляют собой механические колебания, которые передаются в среде при помощи её условных частиц. Под условными частицами среды понимают её микрообъёмы.
Основные физические характеристики акустической волны:
1. Частота.
Частота звуковой волны - это величина, равная числу полных колебаний в единицу времени. Обозначается символом v (ню) и измеряется в герцах. 1 Гц =1 кол/сек = [ с -1 ].
Шкала звуковых колебаний делится на следующие частотные интервалы:
· инфразвук (от 0 до 16 Гц);
· слышимый звук (от 16 до 16 000 Гц);
· ультразвук (свыше 16 000 Гц).
С частотой звуковой волны тесно связана обратная величина – период звуковой волны. Период звуковой волны - это время одного полного колебания частиц среды. Обозначается Т и измеряется в секундах [ с ].
По направлению колебаний частиц среды, переносящих звуковую волну, звуковые волны делятся на:
· продольные;
· поперечные.
У продольных волн направления колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения в среде звуковой волны (Рис. 1).
У поперечных волн направления колебаний частиц среды перпендикулярны направлению распространения звуковой волны (Рис. 2).
Рис. 1 Рис. 2
Продольные волны распространяются в газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные - только в твердых телах.
3. Форма колебаний.
По форме колебаний звуковые волны делятся на:
· простые волны;
· сложные волны.
Графиком простой волны является синусоида.
Графиком сложной волны является любая периодическая несинусоидальная кривая.
4. Длина волны.
Длина волны - величина, равная расстоянию, на которое распространяется звуковая волна за время, равное одному периоду. Обозначается λ (лямбда) и измеряется в метрах (м), сантиметрах (см), миллиметрах (мм), микрометрах (мкм).
Длина волны зависит от среды, в которой распространяется звук.
5. Скорость звуковой волны.
Скорость звуковой волны - это скорость распространения звука в среде при неподвижном источнике звука. Обозначается символом v, вычисляется по формуле:
Скорость звуковой волны зависит от вида среды и температуры. Наибольшая скорость звука в твёрдых упругих телах, меньше - в жидкостях, и самая малая - в газах.
воздух, нормальное атмосферное давление, температура - 20 градусов, v = 342 м/с;
вода, температура 15-20 градусов, v = 1500 м/с;
металлы, v = 5000-10000 м/с.
Скорость звука в воздухе с увеличением температуры на 10 градусов возрастает примерно на 0,6 м/с.
Звуковыми (или акустическими) волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16-20 000 Гц. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука. Волны с v < 16 Гц (ннфразвуковые) и v > 20 кГц (ультразвуковые) органами слуха человека не воспринимаются.
Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.
Интенсивностыо звука (или силой звука) называется величина, определяемая сред ней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:
Единица интенсивности звука в СИ - ватт на метр в квадрате (Вт/м 2).
Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы, вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существуют наименьшая (порот слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивности звука, которые способны вызвать звуковое восприятие. На рис. 223 представлены зависимости порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости.
Если интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей вол новой процесс, то субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Согласно физиологическому закону Вебера - Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности:
где I 0 - интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10 -12 Вт/м 2 . Величина Lназывается уровнем интенсивности звука и выражается в белах (в честь изобретателя телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими, - децибелами (дБ).
Физиологической характеристикой звука является уровень громкости, который выражается в фонах (фон). Громкость для звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. Например, шум в вагоне метро при большой скорости соответствует «90 фон, а шепот на расстоянии 1 м - » 20 фон.
Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим набором частот, т. е. звук обладает акустическим спектром, который может быть сплошным (в некотором интервале присутствуют колебания всех частот) и линейчатым (присутствуют колебания отделенных друг от друга определенных частот).
Звук характеризуется помимо громкости еще высотой и тембром. Высота звука - качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Характер акустического спектра и распределения энергии между определенными частотами определяет своеобразие звукового ощущения, называемое тембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустический спектр, т. е. их голоса имеют различный тембр.
Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента).
Совершая колебания, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последовательно передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е. в среде распространяется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды. Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле
(158.1)
где R- молярная газовая постоянная, М- молярная масса, g = C p /C v - отношение молярных теплоемкостсй газа при постоянных давлении и объеме, Т- термодинамическая температура. Из формулы (158.1) вытекает, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука. Например, при T = 273 К скорость звука в воздухе (M = 29×10 -3 кг/моль) v = 331 м/с, в водороде (M = 2×10 -3 кг/моль) v = 1260 м/с. Выражение (158.1) соответствует опытным данным.
При распространении звука в атмосфере необходимо учитывать целый ряд факторов: скорость и направление ветра, влажность воздуха, молекулярную структуру газовой среды, явления преломления и отражения звука на границе двух сред. Кроме того, любая реальная среда обладает вязкостью, поэтому наблюдается затухание звука, т. е. уменьшение его амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание звука обусловлено в значительной мере его поглощением в среде, связанным с необратимым переходом звуковой энергии в другие формы энергии (в основном в тепловую).
Для акустики помещений большое значение имеет реверберации звука - процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. Если помещения пустые, то происходит медленное затухание звука и создается «гулкость» помещения. Если звуки затухают быстро (при применении звукопоглощающих материалов), то они воспринимаются приглушенными. Время реверберации - это время, в течение которого интенсивность звука в помещении ослабляется в миллионами, а его уровень - на 60 дБ. Помещение обладает хорошей акустикой, если время реверберации составляет 0,5-1,5 с.
Звук распространяется посредством звуковых волн. Эти волны проходят не только сквозь газы и жидкости, но и через твердые тела. Действие любых волн заключается главным образом в переносе энергии. В случае звука перенос принимает форму мельчайших перемещений на молекулярном уровне.
В газах и жидкостях звуковая волна сдвигает молекулы в направлении своего движения, то есть в направлении длины волны. В твердых телах звуковые колебания молекул могут происходить и в направлении перпендикулярном волне.
Звуковые волны распространяются из своих источников во всех направлениях, как это показано на рисунке справа, на котором изображен металлический колокол, периодически сталкивающийся со своим языком. Эти механические столкновения заставляют колокол вибрировать. Энергия вибраций сообщается молекулам окружающего воздуха, и они оттесняются от колокола. В результате в прилегающем к колоколу слое воздуха увеличивается давление, которое затем волнообразно распространяется во все стороны от источника.
Скорость звука не зависит от громкости или тона. Все звуки от радиоприемника в комнате, будь они громкими или тихими, высокого тона или низкого, достигают слушателя одновременно.
Скорость звука зависит от вида среды, в которой он распространяется, и от ее температуры. В газах звуковые волны распространяются медленно, потому что их разреженная молекулярная структура слабо препятствует сжатию. В жидкостях скорость звука увеличивается, а в твердых телах становится еще более высокой, как это показано на диаграмме внизу в метрах в секунду (м/с).
Путь волны
Звуковые волны распространяются в воздухе аналогично показанному на диаграммах справа. Волновые фронты движутся от источника на определенном расстоянии друг от друга, определяемом частотой колебаний колокола. Частота звуковой волны определяется путем подсчета числа волновых фронтов, прошедших через данную точку в единицу времени.
Фронт звуковой волны удаляется от вибрирующего колокола.
В равномерно прогретом воздухе звук распространяется с постоянной скоростью.
Второй фронт следует за первым на расстоянии, равном длине волны.
Сила звука максимальна вблизи источника.
Графическое изображение невидимой волны
Звуковое зондирование глубин
Пучок лучей гидролокатора, состоящий из звуковых волн, легко проходит через океанскую воду. Принцип действия гидролокатора основан на том факте, что звуковые волны отражаются от океанского дна; этот прибор обычно используется для определения особенностей подводного рельефа.
Упругие твердые тела
Звук распространяется в деревянной пластине. Молекулы большинства твердых тел связаны в упругую пространственную решетку, которая плохо сжимается и вместе с тем ускоряет прохождение звуковых волн.
Загрузка...
