«Везде исследуйте всечасно,

Что есть велико и прекрасно»

М. В. Ломоносов

Что представляет собой звук?

• Что представляет собой звук?

• Любая ли волна является звуковой?

• Можно ли это утверждение как-то подтвердить экспериментально?

• Каков должен быть диапазон частот колеблющегося тела, чтобы человек мог услышать звук?

• Какие характеристики упругих волн, в том числе и звуковых, вам известны?

• Назовите объективные физические характеристики звуковых волн?

• Какие характеристики звука вы бы отнесли к субъективным характеристикам?

• Чем вы объясните громкость звука?

• Можно ли проверить это утверждение экспериментально?

• От чего зависит высота звука?

• Чем звуки одной частоты и громкости могут отличаться друг от друга?

• В каких средах распространяется звук?

• Известно, что упругие волны могут быть продольными и поперечными. Какими являются звуковые волны?

Ухо

Ухо - сложный вестибулярно-слуховой орган, который выполняет две функции: воспринимает звуковые импульсы и отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие.

Ухо человека воспринимает звуковые волны длиной примерно от 20,625 м до 1,65 см, что соответствует 16 - 20 000 Гц (колебаний в секунду).

Наружное ухо

• Наружное ухо

• Среднее ухо

• Внутреннее ухо

• На всякий зов даю ответ, а ни души, ни тела нет.

• Ты кричал – оно кричало, ты молчал – оно молчало.

• Живёт без тела, говорит без языка.

Никто его не видит, а всякий слышит.

• В тёмном бору, за любою сосною,

Прячется дивное диво лесное.

Крикну: «Ау!»- и оно отзовётся.

А засмеюсь – и оно засмеётся.

Гидроакустика

Гидроакустика - раздел акустики, изучающий излучение, прием и распространение звуковых волн в реальной водной среде для целей подводной локации, связи и т. п.

Главная особенность подводных звуков - их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно большие расстояния, чем, например, в воздухе.

Скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём изменения зависят от времени года и дня, глубины водоёма и ряда других причин.

Звуковые лучи, выходящие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде.

Распределение скорости звука в различных районах Мирового океана различно и меняется во времени. Различают несколько типичных случаев вертикального распределения скорости звука:

• изотермия

• положительная рефракция

• отрицательная рефракция

• неоднородное распределение

Ультразвуковая чистка

• Ультразвуковая чистка

• Приготовление смесей

• Ультразвуковая пайка

• Точечная ультразвуковая сварка

• Ультразвуковая голография

• Ультразвуковая томография

• Электроника

• Биология

• Медицина

• Химия

• Существует несколько методов возбуждения ультразвуковых волн в исследуемом объекте. Наиболее распространенным является использование пьезоэлектрического эффекта и ЭМА метода.

н

н

Ультразвуковое исследование не разрушает и не повреждает исследуемый образец, что является его главным преимуществом. Возможно проводить контроль изделий из разнообразных материалов, как металлов, так и неметаллов. Кроме того можно выделить высокую скорость исследования при низкой стоимости и опасности для человека (по сравнению с рентгеновской дефектоскопией) и высокую мобильность ультразвукового дефектоскопа.

• Использование пъезоэлектрических преобразователей требует подготовки поверхности для ввода ультразвука в металл, в частности создания шероховатости не ниже класса 5, в случае со сварными соединениями ещё и направления шероховатости (перпендикулярно шву). Малейший воздушный зазор может стать неодолимой преградой.

Используется в медицинской технике, а именно, в устройстве для ориентации слепых в пространстве, т.е. для предупреждения о препятствиях на пути их следования. Имеет миниатюрные размеры, вес и длительное время автономной работы

Обнаруживая препятствие, электросонар подаёт звуковой или вибрационный сигнал разной длительности. Длительность сигнала зависит от расстояния до препятствия. Направляя прибор в разные стороны, можно получить четкую картину об окружающих препятствиях, например, бордюрах, ступенях, стенах.

• Дальность обнаружения препятствий-до 7 метров

• Вес – менее 150 граммов

• Размер – не более 7 х 7 х 3,5 см (ДхШхВ)

• Время автономной работы – более 3 часов

• Питание – от батарейки или аккумулятора «Крона»

Давно известно, что ультразвуковое излучение можно сделать узконаправленным. Тем не менее, лишь сравнительно недавно стал намечаться истинно научный подход к анализу явлений, возникающих при взаимодействии ультразвукового излучения с биологической средой. С применением ультразвука в медицине связано множество разных аспектов.

Проблема интерпретации взаимодействия акустического излучения с биологической средой существенно упрощается, если последнюю рассматривать не как твердое тело, а как жидкость. То, что взаимодействие ультразвука с тканью можно смоделировать его взаимодействием с жидкостями, - важный фактор, повышающий практическую ценность медицинской ультразвуковой диагностики.

Прием и измерение ультразвука

В медицинских или биологических приложениях необходимость в приеме и измерении ультразвука возникает в трех обширных областях. Ультразвук по определению не воспринимается непосредственно органами чувств человека, и поэтому необходимо использовать какой-то физический эффект или последовательность таких эффектов, чтобы действие ультразвука могло проявиться, причем главным образом количественно. Таким образом, выбор метода для конкретной задачи производится с точки зрения удобства его применения, а также точности измерения интересующего параметра акустического поля.

Методы ультразвуковой эхо-импульсной визуализации уже нашли широкое и разнообразное применение в медицине.

Эхо-импульсные методы в настоящее время стали широко применятся во многих областях медицины.

Второй вид процедур,

ставших уже привычными, -

оценка развития плода

по измерению одного или

более его размеров,

таких как диаметр

и окружность головки,

площадь грудной клетки

или живота .

Наконец, необходимо

отметить ультразвуковое

исследование движения

плода. Это явление лишь

недавно стало

предметом подробного

исследования.

Здесь основной интерес представляет исследования физиологии и развития плода

Здесь также важна точность работы

и калибровки аппаратуры,

необходимо

также уделить особое

внимание эффектам,

связанным с преломлением

ультразвука в хрусталике и роговице.

Тема: Механические колебания и волны. Звук

Урок 36. Источники звука. Звуковые колебания. Высота, тембр, громкость звука

Ерюткин Евгений Сергеевич

Тема урока посвящена источникам звука, звуковым колебаниям. Поговорим мы и о характеристиках звука – высоте, громкости и тембре. Прежде чем говорить о звуке, о звуковых волнах, давайте вспомним, что механические волны распространяются в упругих средах. Часть продольных механических волн, которая воспринимается человеческими органами слуха, называется звуком, звуковыми волнами. Звук – это воспринимаемые человеческими органами слуха механические волны, которые вызывают звуковые ощущения .

Опыты показывают, что человеческое ухо, органы слуха человека воспринимают колебания частотами от 16 Гц до 20000 Гц. Именно этот диапазон мы и называем звуковым. Конечно, существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Но этот диапазон, эти разделы человеческим ухом не воспринимаются.

Инфразвук Звук Ультразвук

|________________|_______________________________|______________________

0 16–20 20000 Гц

Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха

Как мы говорили, области инфразвука и ультразвука человеческими органами слуха не воспринимаются. Хотя могут восприниматься, например, некоторыми животными, насекомыми.

Что такое ? Источниками звука могут быть любые тела, которые совершают колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)

Рис. 2. Зажатая в тиски колеблющаяся линейка

может быть источником звука

Обратимся к опыту и посмотрим, как образуется звуковая волна. Для этого нам потребуется металлическая линейка, которую мы зажмем в тиски. Теперь, воздействуя на линейку, мы сможем наблюдать колебания, но никакого звука не слышим. И тем не менее вокруг линейки создается механическая волна. Обратите внимание, когда линейка смещается в одну сторону, здесь образуется уплотнение воздуха. В другую сторону – тоже уплотнение. Между этими уплотнениями образуется разряжение воздуха. Продольная волна – это и есть звуковая волна, состоящая из уплотнений и разряжений воздуха . Частота колебаний линейки в данном случае меньше звуковой частоты, поэтому мы не слышим этой волны, этого звука. На основе опыта, который мы только что пронаблюдали, в конце XVIII века был создан прибор, который называется камертон.

Рис. 3. Распространение продольных звуковых волн

от камертона

Как мы убедились, звук появляется в результате колебаний тела со звуковой частотой. Распространяются звуковые волны во все стороны. Между слуховым аппаратом человека и источником звуковых волн обязательно должна быть среда. Эта среда может газообразной быть, жидкой, твердой, но это обязательно должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звуковых волн должен обязательно происходить там, где есть вещество. Если вещества нет, никакого звука мы не услышим.

Для существования звука необходимы:

1. Источник звука

2. Среда

3. Слуховой аппарат

4. Частота 16–20000 Гц

5. Интенсивность

Теперь перейдем к обсуждению характеристик звука. Первая – это высота звука. Высота звука – характеристика, которая определяется частотой колебаний . Чем больше частота у тела, которое производит колебания, тем звук будет выше. Давайте вновь обратимся к линейке, зажатой в тиски. Как мы уже говорили, мы видели колебания, но не слышали звука. Если теперь длину линейки сделать меньше, то мы будем слышать звук, но увидеть колебания будет гораздо сложнее. Посмотрите на линейку. Если мы подействуем на нее сейчас, звука никакого мы не услышим, но зато наблюдаем колебания. Если укоротим линейку, мы услышим звук определенной высоты. Мы можем сделать длину линейки еще короче, тогда мы услышим звук еще большей высоты (частоты). То же самое мы можем пронаблюдать и с камертонами. Если мы возьмем большой камертон (он еще называется демонстрационный) и ударим по ножкам такого камертона, то можем пронаблюдать колебание, но звука не услышим. Если возьмем другой камертон, то, ударив по нему, услышим определенный звук. И следующий камертон, настоящий настроечный камертон, который используется для настройки музыкальных инструментов. Он издает звук, соответствующий ноте ля, или, как говорят еще, 440 Гц.

Следующая характеристика – тембр звука. Тембром называется окраска звука . Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр – это то, чем отличаются два одинаковых звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Вы все знаете, что нот у нас всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, взятую на скрипке и на фортепиано, то мы отличим их. Мы сразу сможем сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность – окраску звука – и характеризует тембр. Нужно сказать, что тембр зависит от того, какие воспроизводятся звуковые колебания, кроме основного тона. Дело в том, что произвольные звуковые колебания довольно сложные. Они состоят из набора отдельных колебаний, говорят спектра колебаний . Именно воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и характеризует красоту звучания того или иного голоса или инструмента. Тембр является одним из основных и ярких проявлений звука.

Еще одна характеристика – громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний . Давайте посмотрим и убедимся, что громкость связана с амплитудой колебаний. Итак, возьмем камертон. Сделаем следующее: если ударить по камертону слабо, то амплитуда колебаний будет небольшая и звук будет тихий. Если теперь по камертону ударить сильнее, то и звук гораздо громче. Это связано с тем, что амплитуда колебаний будет гораздо больше. Восприятие звука – вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат, каково самочувствие человека.

Список дополнительной литературы:

А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. - 1992. - № 8. - C. 40-41. Кикоин А.К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. - 1985. - № 9. - С. 26-28. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. – М., 1974.

Звук (звуковая волна ) –это упругая волна, воспринимаемая органом слуха человека и животных . Иначе говоря, звук представляет собой распространение колебаний плотности (или давления) упругой среды, возникающих при взаимодействии частиц среды друг с другом.

Атмосфера (воздух) является одной из упругих сред. Распространение звука в воздухе подчиняется общим законам распространения акустических волн в идеальных газах, а также имеет особенности, обусловленные непостоянством плотности, давления, температуры и влажности воздуха. Скорость звука определяется свойствами среды и вычисляется по формулам для скорости упругой волны.

Существуют искусственные и естественные источники звука. К искусственным относятся излучатели на основе:

Колебаний твёрдых тел (струны и деки музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов, пьезоэлектрические пластины);

Колебаний воздуха в ограниченном объёме (органные трубы., свистки);

Удара (клавиши рояля, колокол);

Электрического тока (электроакустические преобразователи).

К естественным источникам относятся:

Взрыв, обвал;

Обтекание препятствий потоком воздуха (обдувание ветром угла здания, гребня морской волны).

Также существуют искусственные и естественные приёмники звука:

Электроакустические преобразователи (микрофон в воздухе, гидрофон в воде, геофон в земной коре) и другие приборы;

Слуховой аппарат человека и животных.

При распространении звуковых волн возможны явления, характерные для волн любой природы:

Отражение от препятствия,

Преломление на границе двух сред,

Интерференция (сложение),

Дифракция (огибание препятствий),

Дисперсия (зависимость скорости звука в веществе от частоты звука);

Поглощение (уменьшение энергии и интенсивности звука в среде вследствие необратимого превращения энергии звука в теплоту).

Объективные характеристики звука

Частота звука

Частота звука, слышимого человеком, лежит в пределах от 16 Гц до16 - 20 кГц . Упругие волны с частотой ниже слышимого диапазона называют инфразвуком (в т. ч. сотрясение), сболее высокой частотой– ультразвуком , а самые высокочастотные упругие волны –гиперзвуком .

Весь частотный диапазон звука можно разделить на три части (табл. 1.).

Шум имеет сплошной спектр частот (или длин волн) в области низкочастотного звука (табл. 1, 2). Сплошной спектр означает, что частоты может иметь любое значение из данного интервала.

Музыкальные , или тональные , звуки обладают линейчатым спектром частот в области среднечастотного и частично высокочастотного звука. Оставшуюся часть высокочастотного звука занимает свист. Линейчатый спектр означает, что музыкальные частоты имеют лишь строго определённые (дискретные) значения из указанного интервала.

Кроме того, интервал музыкальных частот делят на октавы. Октава – это интервал частот, заключённый между двумя граничными значениями, верхняя из которых вдвое больше нижней (табл. 3)

Общепринятые октавные полосы частот

Примеры интервалов частот звука, создаваемого человеческим голосовым аппаратом и воспринимаемого человеческим слуховым аппаратом, приведены в табл.4.

Примеры частотных диапазонов некоторых музыкальных инструментов приведены в таблице 5. Они охватывают не только звуковой диапазон, но и ультразвуковой.

Животные, птицы и насекомые создают и воспринимают звук других частотных диапазонов, нежели человек (табл. 6).

В музыке каждую синусоидальную звуковую волну называют простым тоном, или тоном. Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Основным тоном сложного музыкального звука называют тон, соответствующий наименьшей частоте в его спектре. Тоны, соответствующие остальным частотам, называются обертонами . Если обертоны кратны частоте основного тона, то обертоны называются гармоническими . Обертон с наименьшей частотой называется первой гармоникой, со следующей - второй и т.л.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться тембром. Тембр зависит от состава обертонов, их частот и амплитуд, характера их нарастания в начале звучания и спада в конце.

Скорость звука

Для звука в различных средах справедливы общие формулы (22) – (25). При этом следует учесть, что формула (22) применима в случае сухого атмосферного воздуха и с учётом числовых значений коэффициента Пуассона, молярной массы и универсальной газовой постоянной может быть записана в виде:

Однако, реальный атмосферный воздух всегда имеет влажность, которая влияет на скорость звука. Это обусловлено тем, что коэффициент Пуассона  зависит от отношения парциального давления водяного пара (p пар ) к атмосферному давлению (p ). Во влажном воздухе скорость звука определяют по формуле:

.

Из последнего уравнения видно, что скорость звука о влажном воздухе скорость звука немного больше, чем в сухом.

Численные оценки скорости звука, учитывающие влияние температур и влажности атмосферного воздуха, можно осуществлять по приближённой формуле:

Эти оценки показывают, что при распространении звука вдоль горизонтального направления (0 x ) с увеличением температуры на1 0 C скорость звука возрастает на0,6 м/с . Под влиянием водяного пара с парциальным давлением не более10 Па скорость звука возрастает менее чем на0,5 м/с . А в целом, при максимально возможном парциальном давлении водяного пара у поверхности Земли, скорость звука увеличивается не более чем1 м/с .

Звуковое давление

При отсутствии звука атмосфера (воздух) является невозмущённой средой и имеет статическое атмосферное давление (

).

При распространении звуковых волн к этому статическому давлению добавляется дополнительное переменное давление, обусловленное сгущениями и разрежениями воздуха. В случае плоских волн можно записать:

где p зв, max – амплитуда звукового давления, - циклическая частота звука,k– волновое число. Следовательно, атмосферное давление в фиксированной точке в данный момент времени становится равным сумме этих давлений:

Звуковое давление – это переменное давление, равное разности мгновенного фактического атмосферного давления в данной точке при прохождении звуковой волны и статического атмосферного давления при отсутствии звука :

Звуковое давление в течение периода колебаний меняет своё значение и знак.

Звуковое давление практически всегда намного меньше атмосферного

Оно становится велико и соизмеримо с атмосферным при возникновении ударных волн во время мощных взрывов или при прохождении реактивного самолета.

Единицами измерения звукового давления служат следующие:

- паскаль в СИ

,

- бар в СГС

,

- миллиметр ртутного столба ,

- атмосфера .

На практике приборы измеряют не мгновенное значение звукового давления, а так называемое эффективное (илидействующее )звуковое давление . Оно равноквадратному корню из среднего значения квадрата мгновенного звукового давления в данной точке пространства в данный момент времени

(44)

и поэтому называется также среднеквадратическим звуковым давлением . Подставляя выражение (39) в формулу (40), получим:

. (45)

Звуковое сопротивление

Звуковым (акустическим) сопротивлением называют отношение амплитуд звукового давления и колебательной скорости частиц среды:

. (46)

Физический смысл звукового сопротивления : оно численно равно звуковому давлению, вызывающему колебания частиц среды с единичной скоростью:

Единица измерения звукового сопротивления в СИ – паскаль-секунда на метр :

.

В случае плоской волны скорость колебаний частиц равна

.

Тогда формула (46) примет вид:

. (46*)

Существует также и другое определение звукового сопротивления, как произведение плотности среды и скорости звука в этой среде:

. (47)

Тогда его физический смысл состоит в том, что оно численно равно плотности среды, в которой распространяется упругая волна с единичной скоростью:

.

Кроме акустического сопротивления в акустике используется понятие механическое сопротивление (R м ). Механическое сопротивление представляет собой отношение амплитуд периодической силы и колебательной скорости частиц среды:

, (48)

где S – площадь поверхности излучателя звука. Механическое сопротивление измеряется вньютон-секундах на метр :

.

Энергия и сила звука

Звуковая волна характеризуется теми же энергетическими величинами, что и упругая волна.

Каждый объем воздуха, в котором распространяются звуковые волны, обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды (см. формулу (29)).

Интенсивность звука принято называть силой звука . Она равна

. (49)

Поэтому физический смысл силы звука аналогичен смыслу плотности потока энергии: численно равна среднему значению энергии, которая переносится волной за единицу времени через поперечную поверхность единичной площади.

Единица измерения силы звука – ватт на квадратный метр:

.

Сила звука пропорциональна квадрату эффективного звукового давления и обратно пропорциональна звуковому (акустическому) давлению:

, (50)

или, учитывая выражения (45),

, (51)

где R ак – акустическое сопротивление.

Звук можно также характеризовать звуковой мощностью. Звуковая мощность – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в течение определённого времени через замкнутую поверхность, окружающую источник звука :

, (52)

или, учитывая формулу (49),

. (52*)

Звуковая мощность, как и любая другая, измеряется в ваттах :

.

Периодический во времени и пространстве процесс распространения деформа­ций в упругой среде называют волновым процессом или вол­ной. При распространении волны частицы среды совершают вынужденные колебания.

Основным свойством всех волн является перенос энергии без переноса вещества. Перенос энергии является динамическим призна­ком волнового движения. А кинематическим признаком вол­нового движения служит распространение фазы колебаний. Волны классифицируются на упругие, волны на поверхно­сти жидкости и электромагнитные. Волны бывают продоль­ными и поперечными. Упругая волна называется продольной, если смещение каждой частицы среды происходит вдоль од­ной линии с направлением распространения волны. Именно так распространяется звук. Продольные волны возникают от деформаций сжатия и расширения упругой среды и могут рас­пространяться в твердой, жидкой и газообразной среде. При забивании гвоздя молотком продольный импульс (волна) вы­сокой плотности проносится вдоль гвоздя, загоняя его конец глубже в дерево. Направление, вдоль которого распространя­ется колебание, называется лучом.

Упругая волна называется поперечной, если частицы сре­ды колеблются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны. Поперечные волны возникают от де­формаций сдвига только в твердых телах. Такой эффект на­блюдается, например, когда резким боковым движением по­сылается импульс вдоль веревки. Поперечно также электро­магнитное излучение. Волны на воде, обычно, представляют собой смесь продольных и поперечных волн. Каждая отдель­ная капля, возбужденная проходящей волной, совершает дви­жение по эллипсу, перемещаясь вверх и вниз, вперед и назад.

По характеру распространения различают линейные, по­верхностные и пространственные, или одно-, двух- и трехмер­ные волны. Границу, отделяющую колеблющиеся частицы от частиц, еще не начавших колебаться, называют фронтом вол­ны. Все частицы волнового фронта колеблются с одинаковой фазой. Волновой фронт перпендикулярен лучу. Под лучом по­нимают направление распространения волны. Упругую вол­ну называют гармонической или синусоидальной, если коле­бания составляющих ее частиц являются гармоническими.

Независимо от продольного или поперечно­го характера волнового движения смещение каждой отдельной час­тицы в упругой среде можно выразить в виде функции времени. На рис. 15.1 представлена зависимость между смещением (x,t). частиц среды, участвую­щих в волновом процессе, и расстоянием х этих частиц от ис­точника колебаний для фиксированного момента времени t, с. Таким образом, график волны выражает зависимости смеще­ния всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени.

Вспомним, что график колебаний дает зависимость смещения данной частицы от времени. Для частицы В (рис. 15.1), запаздывающей в своем колебании от­носительно частицы О на время распространения колебаний от О до В, равное = x/v, уравнение колебания имеет вид

Любое из уравнений позволяет определить смещение лю­бой точки волны в любой момент времени и называется уравне­нием волны. Здесь: А - амплитуда волны, м; = 2 /Т - цикли­ческая (круговая) частота волны, рад/с; Т - период колеба­ний, с; t - х/ + = t - kх+ - фаза плоской волны, равная фазе колебаний в произвольной точке с координатой х, рад; - начальная фаза колебаний в точках координатной плоскости х = 0, рад; х / = T = - длина волны - расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, м; k = 2 / = 2 /( T) = / - волновое число (указывает, сколь­ко длин волн укладывается на отрезке длиной 2 , рад/м).

Скорость звука зависит от упругих свойств газа (и среды в целом) и от температуры.

Продольные механические волны, распространяющиеся в упругой среде в виде чередующихся сжатий и расширений с частотой от 20 до 20*10 3 Гц, называют звуковыми или акусти­ческими. Их воспринимают органы человеческого слуха. Вол­ны с более высокой частотой называют ультразвуком, с более низкой - инфразвуком: инфра- и ультразвук человеческое ухо не слышит.

Звуки классифицируют на музыкальный тон, созвучие (му­зыкальный звук), шум и взрыв. Ухо реагирует на механичес­кие колебания ощущением тона. Каждый тон (до, ре, ми, фа, соль, ля, си) имеет определенную высоту. Высота тона - это качество ощущения звука, и преимущественно зависит от дли­ны и частоты звуковой волны (рис. 15.2). Чем больше частота, тем выше звук, и наоборот.

Созвучиe- результат одновременного звучания несколь­ких музыкальных тонов.. Результирующее колебание при этом не может быть синусоидальным. На слух музыкальные звуки (созвучие) отличаются высотой и громкостью. Тон самой низ­кой частоты в созвучии называют основным. Частоту основно­го тона сложного звука мы воспринимаем как высоту звука. Остальные тона, называемые обертонами, придают звуку специфический оттенок, «окраску». Их называют также тембром звука. Именно тембром отличается тон «ля», издаваемый од­ним музыкальным инструментом, от тона «ля» другого музы­кального инструмента.

Шум - нерегулярные колебания, смесь многочисленных колебаний с примерно одинаковой амплитудой и с самыми разнообразными частотами. Взрыв же с акустической «точки зрения» представляет собой кратковременное и сильное зву­ковое действие.

Энергетической характеристикой звуковых волн является интенсивность (сила) звука, равная отношению количества энер­гии W, ежесекундно проходящей через поверхность, перпенди­кулярную направлению распространения волны, к площади s этой поверхности J = W/(st), Вт/м 2 . Поскольку полная энергия гармонического колебания тела равна W =0,5m 2 А 2 , Дж, то очевидно, что сила звука пропорциональна квадрату амплиту­ды. Ухо человека улавливает и опознает звуковую волну с ин­тенсивностью 2*10 -12 Вт/м 2 , но в то же время выдерживает зву­ковой удар в 110 Вт/м 2 . Подобным диапазоном восприятия силы звука не обладает, пожалуй, ни один физический прибор. Ми­нимальное значение интенсивности звука называют порогом слышимости. Таким образом, для того чтобы звуковая волна создала слуховое ощущение, необходимо, чтобы она обладала частотой звукового диапазона и соответствующей частоте интенсивностью, не меньшей минимального значения (рис.15.3). Максимальное значение силы звука называют болевым порогом.

Она приблизительно в 10 14 раз превышает порог 10 4 Гц слышимости. Значе­ния обоих порогов различны для разных частот и представлены на рис. 15.3. Область, охватываемая кри­выми, называется областью слышимости.

Силу звука мы оцениваем субъективно как громкость зву­ка. Громкость звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне (рис. 15.4). Громкость позволяет учесть раз­личную чувствительность человеческого слуха к звуковым вол­нам различной частоты, даже если они обладают одинаковой мощностью. Минимальный уровень громко­сти, воспринимаемый человеком, равен 1 дБ. Шепоту соответ­ствует уровень громкости 10 дБ, речи - 60, звуку самолетно­го двигателя - 120 дБ.

Пусть в упругой среде на некотором расстоянии от источ­ника звуковых волн располагается воспринимающее колеба­ния среды устройство, называемое приемником. Если источ­ник и приемник звука движутся относительно друг друга в сторону их сближения или удаления, то приемник будет вос­принимать частоту v пр, отличную от частоты источника v ист.

Это явление называют эффектом Доплера. (15.1)

где а - скорость распространения звуковой волны в рассмат­риваемой среде. Формула (15.1) является количественным опи­санием эффекта Доплера.

Интерференцией волн называют наложение в пространстве двух или нескольких когерентных волн, в результате которого в зависимости от соотношения между фазами этих волн про­исходит усиление или ослабление результирующей волны. Волны называют когерентными, если разность их фаз посто­янна во времени. У когерентных волн частота должна быть одинаковой. Это монохроматические волны.

Частным случаем интерференции являются стоячие волны. Они образуются при наложении двух обратимых, бегущих на­встречу друг другу, гармони­ческих волн с одинаковыми частотами и амплитудами (рис. 15.11). Стоячие волны распространяются с одной ско­ростью, но в противополож­ных направлениях. Уравнение стоячей волны м.

Диф­ракция - это явление непрямолинейного распространения волн через отверстия, соизмеримые с длиной волны. Энергия падаю­щей волны неравномерно распределяется по отдельным направ­лениям. Она тем меньше, чем больше угол дифракции.

Проживая в мире различных волн, человек постоянно испытывает на себе влияние звука. Звуковые колебания - это не просто явление, сопровождающее его повсеместно, но и источник получения удовольствия, а также мощное информационное средство. Выполняя самые разнообразные функции, звук способен предостеречь об опасности, доставить удовольствие, стать средством общения. Мы с восторгом слушаем пение птиц, приятную музыку, вступаем в разговор с другими людьми.

Звуковые колебания имеют важное значение не только для человека, но и для животных, которые используют звук, чтобы выжить.

По своей природе звук представляет собой механические упругие волны, которые способны распространятся в твердых телах, в жидкостях, в газах. Источники звука звуковые колебания вызывают вибрацией (механическим колебанием), которая зачастую глазу незаметна. К источникам звука можно отнести физические тела, осуществляющие колебания в секунду (дрожь или вибрацию) с частотой в 16-20000 раз. Звуковые колебания могут вызывать твёрдые тела (струна, земная кора), газообразные (струя воздуха), жидкие

Среди характеристик звука принято выделять два параметра: тембр - частота звуковых колебаний; громкость - амплитуды звуковой волны. Единицей громкости звука принято считать 1 Бел (её назвали по имени одного из изобретателя телефона - Александра Грэхема Белла). Практически один Бел не используется, удобнее пользоваться децибелами, равными одной десятой Бел. Чтобы иметь наглядное представление о размерности громкости следует принять во внимание, что 10 дБ - это шепот; 20-30 дБ соответствуют обычному шуму в жилом помещении; 50 дБ - это средней громкости разговор; с силой шума в 80 дБ работает двигатель грузовика; физиологический у человека наступает при 130 дБ; 180 дБ может привести к разрыву барабанной перепонки.

Рассматривая звуковые колебания различной частоты, к высокочастотным волнам относят пение птиц, к низким звукам можно отнести звук мотора грузового автомобиля. Обладая всем спектром свойств и характеристик, которыми отличаются волны различной природы, звуковые волны нашли широкое применение в различнейших сферах. Свойство жидкости проводить звук активно используется при разведке морских глубин. Всем известное эхо, например, применяется для определения расстояний в эхолокации. Ярким примером природных эхолокаторов можно назвать летучих мышей.

Особым видом звуковых колебаний является ультразвук, весьма эффективное средство в руках медиков и других исследователей. К таким колебаниям относятся волны с частотами за 20 000 Гц. Этот вид колебаний обладает целым рядом уникальных свойств. Проходя через воду, ультразвук вызывает её кипение (кавитацию) с возникновением С помощью ультразвука можно отрывать элементы от поверхности металла, дробить твердые тела. Ультразвук позволяет смешивать жидкости, которые в обычных условиях не смешиваются, к примеру, эмульсии с масляной основой. Ультразвук позволяет производить омыление жиров. Этот принцип лежит в устройстве стиральных машин. Свойство ультразвука производить дробящий эффект нашло применение в ультразвуковых паяльниках.

Особый вид колебаний до 16 Гц получил название инфразвук. Известно, что колебания этой частоты способны оказать болезненное влияние на организм человека. При частотах 4-8 Гц ощущается вибрация внутренних органов, частота в 12 Гц провоцирует приступ

Источниками инфразвука могут стать машины и механизмы с большими поверхностями, которые совершают механические колебания (механическое происхождение) или потоки жидкостей и газов с турбулентными свойствами (гидродинамическое или аэродинамическое происхождение).