Человеческое ухо может воспринимать звуковые волны с частотой от 16 до 20 000 колебаний (Гц) в секунду. Ультразвуковые (0,1 Гц — 16 Гц), ультразвуковые (20 000 Гц — 109 ГГц) и ультразвуковые (109 ГГц — 1013 ГГц) волны не слышны. Тихий звук широко используется во многих областях человеческой деятельности.
Колебание в результате которого возникает звук
Звук — это, в широком смысле, упругие волны, распространяющиеся через упругую среду и создающие механические колебания, и, в узком смысле, субъективное восприятие этих колебаний специализированными органами чувств у животных и человека.
Как и другие волны, звук характеризуется амплитудой и диапазоном частот. Обычно люди слышат звуки в воздухе в диапазоне частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц1. Звуки ниже слышимого человеком диапазона называются ультразвуковыми — выше: до 1 ГГц — ультразвуковыми, от 1 ГГц — ультразвуковыми. В рамках акустического звука следует также упомянуть вокальный, речевой звук, фонемы (из которых состоит разговорное слово) и музыкальный звук (из которых состоит музыка).
Различают продольные и поперечные волны в зависимости от соотношения между направлением распространения волны и направлением механических колебаний частиц распространяющейся среды.
Содержание
Звуковые волны являются примером колебательного процесса. Каждое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы, представленного отклонением ее свойств от равновесного значения, в результате чего происходит возврат к исходному значению. В случае звуковых колебаний одним из таких свойств является давление в точке среды, а отклонение — звуковое давление.
Если частица упругой среды внезапно смещается в определенной точке, например, с помощью поршня, то давление в этой точке возрастает. Через упругую связь частиц давление передается соседним частицам, которые в свою очередь воздействуют на последующие частицы, как если бы область повышенного давления перемещалась в упругой среде. За областью высокого давления следует область низкого давления, таким образом, создавая серию чередующихся областей сжатия и разбавления, которые распространяются через среду в виде волн. В этом случае каждая частица в упругой среде совершает колебательное движение.
В жидких и газообразных средах, где нет значительных изменений в плотности, звуковые волны имеют характеристики продольных волн. Это означает, что направление колебаний частиц совпадает с направлением движения волны. В твердых телах, помимо продольной деформации, существует также упругая сдвиговая деформация, вызывающая образование поперечных (сдвиговых) волн. В этом случае частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн намного больше скорости сдвиговых волн.
С философской точки зрения, звук существует только тогда, когда он воспринимается. Звук — это вибрация воздуха, которая передается органам чувств через слуховую систему и воспринимается только нервными центрами. Если нет уха, чтобы слышать, из-за падения дерева или другой механической энергии, звук не производится «2.
Физические параметры звука
Скорость вибрации измеряется в м/с или см/с. Что касается энергии, то реальная вибрационная система характеризуется изменениями энергии из-за трения в окружающей среде и частичными затратами на работу против излучения. В резиновых средах вибрация амортизируется постепенно. Для описания затухающей вибрации используются коэффициенты амортизации, логарифмическое уменьшение (D) и коэффициент качества (Q).
Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через
«ширина =» «высота =» » />.
Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания
«ширина =» «высота =» » />.
Вынужденные колебания возникают, когда циклические силы оказывают регулярное воздействие на систему потерь, характер которого меняется в зависимости от внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, ширина зависит от массы, механической прочности и гибкости системы. Это явление называется механической регулировкой, когда ширина виброскорости достигает своего максимального значения. Частота возбуждающей вибрации равна собственной частоте механической системы и не амортизируется.
При частотах стимулов, значительно меньших, чем координатная частота, внешние гармонические силы практически уравновешиваются только силами упругости. При частоте стимулов, близкой к координированной, основную роль играют силы трения. Поскольку частота внешнего раздражителя намного выше, чем координатная частота, поведение колебательной системы зависит от инерционных сил или масс.
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 (
Акустическое сопротивление измеряется как количество пасты класса А на метр (PA-S/M) или DYN-C/CM³ (SSC) — 1 PA-S/M = 10 -1 DYN-S/cm³.
Акустическое сопротивление среды часто выражается в г/с-см². Где 1 г/с-см² = 1 дин-с/см³. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвука.
Звуковое или акустическое давление среды — это разница между мгновенным давлением в определенной точке среды при наличии звуковых колебаний и статическим давлением в той же точке. Другими словами, звуковое давление — это разность давлений в среде из-за акустических колебаний. Максимальное переменное акустическое давление (ширина давления) может быть рассчитано по ширине колебаний частиц.
Где p — максимальное акустическое давление (ширина давления).
На расстоянии половины длины волны (l/2) ширина давления преобразуется из положительной в отрицательную. Это означает, что разность давлений между двумя точками на расстоянии распространения волны друг от друга равна 2p.
Период колебаний t — это время, в течение которого происходит полное колебание: t = t / n.
Физические характеристики
Изучение звуковых волн — это отрасль физики, называемая акустикой. Он различает естественные и нормальные свойства звука. Физические свойства включают характеристики источника звука, называемые объективными параметрами. Важной характеристикой является форма звуковых колебаний. Гармонические колебания являются самой простой формой и могут быть представлены в виде синусоидальной волны. Вибрации имеют следующие характеристики: ширина, длина волны и частота.
Частота звука имеет естественную величину и равна причине частоты колебаний в момент записи. Этот индикатор позволяет увидеть, сколько вибраций произошло за определенную единицу времени.
Длина волны — это расстояние между двумя точками, в которых колебания имеют одинаковую величину. Длина волны измеряется в метрах. Ширина равна половине разницы между наибольшим и наименьшим значениями плотности. Он легко помещается на график и представляет собой расстояние от горизонтальной оси графика до самой дальней точки.
Другой характеристикой звуковых волн является период колебаний. Это отношение общего времени вибрации к количеству вибраций и показывает время, необходимое для возникновения вибрации.
Скорость распространения звука представляет собой расстояние, пройденное звуковой волной через определенную среду за определенную единицу времени. Самые медленные скорости звука имеют газы — водород (1 284 м /сек) и хлор (206 м /сек). В воздухе звук распространяется со скоростью 331 м/сек. В жидкостях звук распространяется немного быстрее: вода движется со скоростью 1 403 м/с, а ртуть — 1 383 м/с. Скорость звука достигает своего максимума в твердых телах, который составляет 12 000 м/с для алмаза.
Объем важен для человека. Он указывает на количество энергии, которую звуковая волна передает в определенную область в течение определенного периода времени. Самый низкий уровень интенсивности, видимый человеческим ухом, составляет один децибел (дБ).
Правилом слышимости человека в тихих условиях является уровень громкости 20 дБ. При уровне 50 децибел возникают головные боли, а выше 60 дБ — усталость. Люди могут столкнуться со следующими источниками шума.
- 10 дБ – шелест листвы, тиканье часов;
- 30 дБ – тихий разговор;
- 50 дБ – громкий разговор;
- 80 дБ – работающий мотор крупного грузового автомобиля;
- 100 дБ – автомобильная сирена (на этом уровне начинается шумовая болезнь);
- 140 дБ – аварийный газовый фонтан.
Уровень шума в 140 дБ представляет собой порог боли, после которого барабан лопается. Интенсивность 170 дБ приводит к потере слуха, а 180 дБ — к смерти.
Физиологические характеристики
Физиологические характеристики являются субъективными и представляют собой восприятие звука. Одной из таких характеристик является объем. Это указывает на воспринимаемую громкость звука, достигающего слушателя. Она зависит от амплитуды вибрации, причем интенсивность возрастает по мере увеличения амплитуды. На громкость влияют условия распространения звука и продолжительность воздействия звука на слушателя.
Интенсивность — это абсолютная величина и единица измерения одного сна. Один сон — это интенсивность чистого тона с частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа. Уровень звука — это относительная величина. Единицей измерения является 1 фон, который представляет собой уровень давления, создаваемый 1 кГц 1 тонной измеряемого звука. На частоте 1000 Гц громкость (в единицах звука) соответствует уровню громкости (в дБ).
Еще одной субъективной характеристикой является частота звука. На это влияет основная частота, которая также зависит от интенсивности и сложности формы волны. Человеческое ухо воспринимает частоту, если основной звук имеет определенную периодичность. Примером звука, высоту которого невозможно оценить, является выстрел. Единицей измерения является дроссель, соответствующий частоте 1000 Гц и ощущению при уровне шума 40 дБ.
Особым параметром музыки является звук, который представляет собой гипертонический тон звучания. На звучание звука влияет наличие нескольких тонов, т.е. высот. Может отсутствовать основной тон, т.е. определенная высота звука. Важной характеристикой является продолжительность звука. Обычно он составляет от 0,015 секунды до нескольких минут. Инструментальные педали характеризуются самыми длинными тонами.
Особенности работы слухового аппарата
Человеческое ухо улавливает сейсмические волны, возникающие в результате колебаний источника звука. Слуховой аппарат воспринимает звук на разных стадиях. Сначала звуковые волны попадают в наружное ухо и воздействуют на барабан. В результате барабан вибрирует на той же частоте, что и источник звука.
Следующим шагом является передача вибраций от барабана к акустической кости в среднем ухе, откуда вибрации достигают внутреннего уха. Есть специалисты по сковородкам, которые содержат волосатые клетки. Они необходимы для преобразования механических колебаний в нейронные стимулы. На этом этапе вибрации преобразуются в то, что может понять мозг.
Электрический нервный стимул, создаваемый винтом, посылается в мозг через акустический нерв. Мозг обрабатывает входящий сигнал — распознает, сравнивает и интерпретирует его. В этот момент человек понимает, что он получает акустическую информацию.
В результате нервные волокна, передающие нервный стимул от винта к акустическому центру, быстрее и точнее передают информацию в акустический центр, расположенный в височной доле мозга. Сложная обработка и анализ звука с каждым разом становятся все более детальными и эффективными.
Механические волны
Когда источник вибрации находится в упругой среде (газ, влажное тело или твердое тело), происходит процесс, который распространяет вибрацию во времени. Этот процесс известен как волна.
Волны, распространяющиеся в резиновой среде, называются механическими волнами. Волны возникают путем передачи колебательной энергии без переноса материала (массы) среды, в которой распространяется волна.
Длительность волны — это период колебаний центральной точки при распространении волны. Длина волны λ — это расстояние, на которое распространяется волна за период колебаний. λ=ʋt; ʋ=λv.
Продольные волны — это волны, в которых направление колебаний частиц находится в направлении распространения волны. Продольные механические волны могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах.
Поперечные волны — это волны, в которых направление колебаний частиц перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечные механические волны могут распространяться только по жидким твердым телам и свободным поверхностям.
В вакууме механические волны не могут распространяться. Поэтому, какими бы сильными они ни были при взрыве в космосе, их невозможно услышать на Земле.
Из-за усталости колебаний определенных частиц в среде по сравнению с другими средами поперечные волны имеют пики и брюшки, а продольные волны вызывают плотность и разбавление. Механические волны несет не материал среды, а их форма: гребни и впадины разводятся на поперечные и продольные волны.
Механические волны переносят механическую энергию. Это сумма кинетической энергии частиц среды и динамической энергии ее упругой деформации.
Скорость волныυ — это скорость движения пиков или впадин поперечной волны, а также скорость движения плотной или разреженной продольной волны. Волны в однородной среде распространяются равномерно и линейно, поэтому скорость волны в конкретной среде постоянна. Волновые частицы колеблются с переменными скоростями, поэтому скорость волны не равна скорости колебаний этих частиц.
Интерференция волн, дифракция, рассеяние и поляризация свидетельствуют о волновых процессах в среде.
Волны, в которых частицы колеблются с постоянной разностью фаз или на одной и той же частоте, называются когерентными. Когда когерентные волны наслаиваются друг на друга, возникает интерференция волн.
Звук. Характеристики звука
Звуковые волны — это механические волны, которые вызывают ощущение звука у человека.
Звуковые волны — это продольные волны. Звуковые частоты, т.е. частоты, на которых человеческое ухо слышит звук, находятся в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Звуки ниже 16 Гц называются ультразвуковыми, а звуки выше 20 000 Гц — ультразвуковыми.
Объем зависит от ширины вибрирующего корпуса. Чем больше амплитуда вибрации, тем громче звук.
Объем зависит от частоты колебаний вибрирующего тела (вибратора). Чем выше частота вибрации, тем выше тон. Частота крыльев мухи ниже частоты крыльев комара, поэтому муха издает жужжащий звук, а комар — скрипящий.
Скорость звука зависит от плотности среды. Скорость звука в твердых телах больше скорости звука в жидкостях, а скорость звука в жидкостях больше, чем в газах. Скорость звука увеличивается с ростом температуры среды.
Если отражающая поверхность перпендикулярна распространению волны, то звуковая волна после отражения возвращается к источнику. Это отражение называется эхом.
Сонар использует эхосигналы для определения глубины и расстояния до препятствий и других судов.
