Физика звуковой волны

Звуковые волны, при  их падении на границу раздела  с другой средой, могут отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения – преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Энергия звуковой волны  в процессе ее распространения поглощается  средой. Этот эффект называют поглощением  звуковых волн. Важно отметить, что  степень поглощения звуковой энергии  зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота звуковых колебаний, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна.

Следует упомянуть также  явление волнового движения в  замкнутом объеме, суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука – изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как реверберация (от лат. «reverbero» – «отбрасываю»). Эффект реверберации широко используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств.

Способность огибать  препятствия – свойство звуковых волн, называемое в науке дифракцией. Степень огибания зависит от соотношения  между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия  или отверстия. Если размер препятствия  оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует.

Еще один эффект, связанный  с волновым движением – эффект резонанса. Звуковая волна, распространяясь  в пространстве, может переносить энергию колебаний другому телу (резонатору), которое, поглощая эту  энергию, начинает колебаться, и само становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук становится громче. В случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора и сказывается на длительности звучания.

Можно упомянуть и  эффект Допплера – заключается в  том, что длина волны изменяется соответственно изменению скорости движения слушателя относительно источника  волны. Чем быстрее слушатель приближается к источнику волны, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот.

Все эти явления учитываются  и широко используются в акустике, звукообработке и радиолокации.

 

2.1 Величины, характеризующие звук

К величинам, характеризующим звук, относятся: частота, амплитуда, громкость.

Частота - физическая величина, определяющая число колебаний в секунду (1 Гц = 1 с^-1).

Амплитуда - модуль максимального смещения тела от положения равновесия.

Другие характеристики звука:

1. Спектр – разложение на гармонические колебания по частотам. Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны. Шум - звуки, образующие набор частот, непрерывно заполняющих некоторый интервал (сплошной спектр частот). Музыкальные (тональные) звуки – звуки, образующие линейчатый спектр частот. Музыкальным звукам соответствуют периодические или почти периодические колебания. Каждая синусоидальная звуковая волна называется тоном.

Высота тона зависит  от частоты: чем больше частота, тем выше тон.  Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой Nu₀ называется первой гармоникой, обертон со следующей частотой 2Nu₀ - второй гармоникой и т. д.

Музыкальные звуки с  одним и тем же основным тоном  различаются тембром, который определяется наличием обертонов - их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

2. Звуковое давление – давление, оказываемое звуковой волной на препятствие.

3.Интенсивность звуковой волны – энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности за единицу времени  ( ).

4. Громкость звука  зависит от интенсивности звука, т. е. определяется амплитудой колебаний в звуковой волне. Наибольшей чувствительностью органы слуха обладают к звукам с частотами от 700 до 6000 Гц. В этом диапазоне ухо способно воспринимать звуки с интенсивностью около 10^-12-10^-11 Вт/м².

Громкость звука определяется амплитудой. Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости, измеряемому в децибелах (дБ). Сила воздействия звуковой волны на барабанную перепонку человеческого уха зависит от звукового давления. Звуковое давление - дополнительное давление, возникающее в газе или жидкости при прохождении звуковой волны Верхняя граница звукового давления, при достижении которого возникает ощущение боли в ушах, равна примерно 100 Па. Звуковые волны с большой амплитудой изменения звукового давления воспринимаются человеческим ухом как громкие звуки, с малой амплитудой изменения звукового давления - как тихие звуки.

Высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.

Порогом слышимости называется наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органами слуха. Стандартный порог слышимости принимается равным I₀=10^-12 Вт/м² при частоте n=1 кГц.

Порогом болевого ощущения называется наибольшая интенсивность звуковой волны, при которой восприятие звука не вызывает болевого ощущения. Порог болевого ощущения зависит от частоты звука (на частоте 1 кГц равен 1 Вт/м²).

Мерой чувствительности органов слуха к восприятию звуковых волн данной интенсивности является уровень интенсивности (громкости): . Единица измерения - децибел

 

 

 

2.2. Реакция организма человека на различное акустическое воздействие

Источник шума	Уровень шума, дБ	Реакция организма на длительное воздействие шума
Зимний лес в безветренную погоду	0-5	Успокаивающее
Шум листвы, прибоя, звуки  сельской местности, где не работают механизмы	20-30	Успокаивающее
Шум в читальном зале, человеческая речь	40	Гигиеническая норма
Средней силы звуки в  квартире, классе	40	Гигиеническая норма
Шум внутри здания, расположенного на магистрали;   телевизор;   шум в салоне едущего легкового автомобиля;  поезд в метро или на железной дороге; кричащий человек;  мотоцикл, работа отбойного молотка;  дизельный грузовик	60    70  70-75  80  80  90  90	Появляется чувство  раздражения, утомляемость, головная боль уровень шума до 80 дБ считается  допустимым
Летящий реактивный самолет (300 м);  шум станков;  шум от игры поп – группы возле сцены	95  110  110	Постепенное ослабление слуха, развитие нервно – психического стресса (угнетенность, возбужденность, агрессивность). Язвенная болезнь, гипертония
Звук плеера;   Раскаты грома над головой во время грозы;   взлет реактивного самолета;   шум на дискотеке	114  120  140  175	Вызывает шумовое опьянение, похожее на алкогольное, нарушение  сна   Межклеточный резонанс   Глухота   Нарушение психического здоровья

2.3 Формулы расчета

При распространении  звука в газе атомы и молекулы колеблются вдоль направления распространения волны. Это приводит к изменениям локальной плотности ρ и давления p. Звуковые волны в газе часто называют волнами плотности или волнами давления.

В простых гармонических  звуковых волнах, распространяющихся вдоль оси OX, изменение давления p (x, t) зависит от координаты x и времени t по закону

p (x, t) = p0 cos (ωt ± kx).

Два знака в аргументе  косинуса соответствуют двум направлениям распространения волны. Соотношения  между круговой частотой ω, волновым числом k, длиной волны λ, скоростью звука υ такие же, как и для поперечных волн в струне или резиновом жгуте:

 

Важной характеристикой  звуковых волн является скорость их распространения. Она определяется инертными и упругими свойствами среды. Скорость распространения продольных волн в любой безграничной однородной среде определяется по формуле:

 

где B – модуль всестороннего сжатия, ρ – средняя плотность среды. Французский ученый П. Лаплас предположил, что сжатие и разрежение газа в звуковой волне происходят по адиабатическому закону, т. е. без влияния теплопроводности. Формула Лапласа (1816 г.) имеет вид:

 

 

где p – среднее давление в газе, ρ – средняя плотность, γ – некоторая константа, зависящая от свойств газа. Для двухатомных газов γ = 1,4. Расчет скорости звука по формуле Лапласа дает значение υ = 332 м/с (при нормальных условиях).

В термодинамике доказывается, что  коэффициент γ равен отношению  теплоемкостей при постоянном давлении C_p и при постоянном объеме C_V. Формулу Лапласа можно представить в другом виде, если воспользоваться уравнением состояния идеального газа. Приведем окончательное выражение:

 

 

где T – абсолютная температура, M – молярная масса, R = 8,314 Дж/моль·К – универсальная газовая постоянная. Скорость звука сильно зависит от свойств газа. Чем легче газ, тем больше скорость звука в этом газе. Так, например, в воздухе (M = 29·10^–3 кг/моль) при нормальных условиях υ = 331,5 м/с, в гелии (M = 4·10^–3 кг/моль) υ = 970 м/с, в водороде (M = 2·10^–3 кг/моль) υ = 1270 м/с.

В жидкостях и твердых  телах скорость звуковых волн еще больше. В воде, например, υ = 1480 м/с (при 20 °С), в стали υ = 5–6 км/с.

 

Заключение

Таким образом, звук — это волнообразно распространяющиеся колебания частиц упругой среды. Человек живет в океане звука, он обменивается информацией с помощью звука, воспринимает ее от окружающих его людей. Их используют в медицине и технике, на их использовании основаны многие приборы, особенно для исследования морей и океанов. Поэтому знать основные характеристики звука, а также основные формулы расчета звука просто необходимо. Нельзя и забывать, что порой звуковые волны бывают вредны не только для нас, но и для окружающих предметов. И поэтому необходимо с уважением относится к столь сложному и интересному явлению как звук.

 

Список использованной литературы

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.
2. Насыров А. М. Волновые процессы. Часть 1. Основные понятия. Учебно-методическая разработка. - Казань, КГУ. - 1995 г. - 43 стр.
3. Платунов Е.С., Самолётов В.А, Буравой С.Е. Физика. Словарь – справочник. – СПБ.: Питер, 2005. – 495 с.: ил
4. Радзишевский А. Ю. Основы аналогового и цифрового звука. - Вильямс, 2006.
5. Яворский Б. М. Детлаф А. А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1982. – 846 с.
6. http://www.edu.delfa.net/CONSP/meh19.html
7. http://sfiz.ru/page.php?id=75
8. http://www.pppa.ru/additional/02phy/04/phy_kv_20.php