звуковая волна
- звуковая волна
-
звуковой волной называют процесс распространения переменного возмущения в упругой среде, а звуковыми колебаниями называют колебательные движения частиц среды под действием этого возмущения
Русский индекс к Англо-русскому словарь по музыкальной терминологии.
2015.
Смотреть что такое «звуковая волна» в других словарях:
-
звуковая волна — Упругая волна, частота которой лежит в звуковом диапазоне (условно от 16 Гц до 20 кГц). [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Термины и определения (справочное пособие). Москва 2003 г.] Тематики… … Справочник технического переводчика
-
звуковая волна — rus звуковая волна (ж) eng sound wave fra onde (f) sonore deu Schallwelle (f) spa onda (f) sonora … Безопасность и гигиена труда. Перевод на английский, французский, немецкий, испанский языки
-
звуковая волна — garso banga statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. sound wave vok. Schallwelle, f rus. звуковая волна, f pranc. onde acoustique, f; onde sonore, f … Fizikos terminų žodynas
-
звуковая волна — garso galia statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Garso bangų energija, per laiko vienetą praeinanti per visą bangų fronto paviršių. atitikmenys: angl. sound power vok. Schallkraft, f rus. звуковая волна, f; сила звука, f … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas
-
Звуковая волна — Паттерн изменений давления воздуха во времени, представленный графически в виде серий пиков и «подошв» … Психология ощущений: глоссарий
-
ВОЛНА — ВОЛНА, ы, мн. волны, волн, волнам и волнам, жен. 1. Водяной вал, образуемый колебанием водной поверхности. Шум волн. Гребень волны. Цвет морской волны (зеленовато голубой). 2. Колебательное движение в физической среде, а также распространение… … Толковый словарь Ожегова
-
Ударная волна — Течение жидкостей и газа Ползучее течение Ламинарное течение Потенциальное течение Отрыв течения Вихрь Неустойчивость … Википедия
-
Взрывная волна — Течение жидкостей и газа Ползучее течение Ламинарное течение Потенциальное течение Отрыв течения Вихрь Неустойчивость Турбулентность … Википедия
-
продольная волна — волна, у которой направление характеризующей её векторной величины (например, смещения колеблющихся частиц среды) параллельно направлению распространения. К продольным волнам относятся, в частности, звуковые волны в газах и жидкостях. * * *… … Энциклопедический словарь
-
Стоячая волна — Стоячая волна. Распределение давлений и скоростей в стоячей звуковой волне при открытом и закрытом концах трубы. СТОЯЧАЯ ВОЛНА, волна, в разных участках которой колебания происходят в одной и той же фазе, но с различной амплитудой. В стоячей… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
В вестернах часто встречается персонаж-индеец, который, приложив ухо к земле, может определить, как далеко находятся его противники. Он слышит вибрацию земли, вызванную копытами лошадей. Подобным образом мы производим и воспринимаем звуки, совершая и принимая колебания молекул воздуха.
Когда вы слышите термин «звук» или «звуковая волна», вы, конечно, понимаете, о чем идет речь. В этой статье вы узнаете, что такое звук на самом деле и как вы воспринимаете окружающий мир своими ушами.
Звук — это волна. Эти звуковые волны достигают вашего уха и позволяют вам воспринимать звуки и шумы через систему «ухо-мозг». Как правило, существует два различия: полезный звук и звук помех. Полезный звук включает музыку или голоса во время разговора. Звук помех включает в себя, например, шум строительной площадки или шум транспорта.
В физике звук — это вибрация. Эта вибрация распространяется как механическая волна (также акустическая волна) в среде. Такой средой является, например, воздух. Но вы, вероятно, также слышали звуки под водой или сквозь стены. Звуковые волны в воздухе возникают из-за колебаний давления и плотности.
Что такое звук (звуковая волна)?
Какое-то событие, например, произнесение слов, заставляет воздух вибрировать. Затем это возбуждение распространяется в виде волнового движения. Помимо воздуха, возбуждаться могут и другие упругие среды, например, вода.
Итак, звук — это колебательное двuжение частиц упругой среды, которое распространяется от источника звука в виде волн в различных средах.
Можно дать и другое определение:
Звук — это механическая волна, распространяющаяся в пространстве из-за изменения давления и плотности воздуха.
Необходимым условием распространения звуковых волн является наличие упругой среды. Если вокруг источника звука нет упругой среды, то звук распространяться не будет. Например, в вакууме механические волны не могут распространяться.
Скорость звука
Звуковая волна, как и любые другие механические волны , распространяется в пространстве не мгновенно, а с определённой скоростью. Скорость распространения звука в различных средах имеет различные значения.
Скорость звука в значительной степени зависит от среды, ее температуры и давления. В сухом воздухе при температуре 20 °C скорость звука составляет 1236 км/ч (343,2 м/с метров в секунду). В следующей таблице приведены некоторые справочные значения скорости звука в различных средах.
| Среда | Скорость в м/с |
| Воздух | 343 |
| Водяной пар (при 100 °C) | 477 |
| Вода | 1484 |
| Вода (при 0 °C) | 1407 |
| Морская вода | 1500 |
В нашей статье о скорости звука мы объяснили, как быстро распространяется звук в различных веществах. Здесь важную роль играют свойства твердых тел, жидкостей или газов.
Свойства и характеристики звука
Поскольку звук — это механическая волна, он также обладает свойствами волны, такими как частота и интенсивность. Однако среда, через которую она передается, также придает ей свои свойства.
Здесь мы рассмотрим общие свойства звука в воздухе. Как правило, их можно переносить и на другие газы и жидкости. Волны в воздухе или других газах также называются продольными волнами. Они колеблются в направлении распространения волны. Напротив, существуют поперечные волны, которые возникают, например, в некоторых твердых телах. Их колебания перпендикулярны направлению распространения.
Как возникает звук?
Звук создается источниками звука. Источник звука — это все, что заставляет воздух вибрировать. Таким источником звука может быть, например, бубен. Когда вы ударяете по бубну, вы деформируете его поверхность. Она имеет натяжение и ускоренно возвращается в исходное положение.
В общем случае, источниками звука являются тела, совершающие колебания с частотами звукового диапазона. Такие колебания совершают, например, голосовые связки человека. В результате мы слышим голоса людей. Если звук исходит от струнного музыкального инструмента, то источником звука служит колеблющаяся струна.
Частицы воздуха ускоряются, что приводит к изменению давления и плотности. Поскольку все пространство вокруг бубна заполнено воздухом, то это приводит к движению (распространению) атомов воздуха. Результирующая механическая волна достигает приемника звука, например, вашего слуха. Эта механическая волна является звуковой волной.
Как распространяется звук?
Звук распространяется, как уже указывалось в примере с бубном, через изменения давления и плотности. При ударе воздух сжимается в одной точке. Это увеличивает давление в этой области. Плотность увеличивается именно в этой точке, но уменьшается вокруг нее.
Но поскольку нет стенок, удерживающих сжатый воздух вместе, сжатые частицы снова отталкиваются друг от друга. При этом они сталкиваются с соседними атомами воздуха, которые заняли место атомов сжатого воздуха, и таким образом снова сталкивают их в другом месте. Это изменение давления воздуха и называется волной. Затем она передается на приемник.
Частота.
Как и любая волна, звуковые волны также имеют частоту. С его помощью вы разделяете звуковой спектр на различные категории.
- Инфразвук. Это низкочастотный звук, который уже не воспринимается человеческим ухом. < 16 Гц (Герц)
- Слышимый звук. Это звук, который может быть воспринят человеком. Диапазон от 16 Гц до 20 кГц (килогерц).
- Ультразвук. Это высокочастотный звук, который не воспринимается человеческим ухом. Диапазон от 20 кГц до 1,6 ГГц (гигагерц).
- Гиперзвук. Это звуковые волны, которые могут распространяться только в ограниченном объеме. > 1 ГГц .
В таблице 2 ниже приведены примеры верхних границ частот механических колебаний, воспринимаемых органам и чувств некоторых живых организмов.
| Живые организмы | Верхняя граница частот, кГц |
| Чайки | 8 |
| Человек в возрасте 20 лет | 20 |
| Человек в возрасте 50 лет | 12 |
| Дети | 22 |
| Собаки | 60 |
| Кошки | 100 |
| Бабочки | 160 |
| Дельфины | 200 |
Интенсивность и уровень звука.
В разговорной речи уровень звука также означает громкость. Это относится к силе звука в определенном месте. Она физически измеряется как звуковое давление. Начиная от источника, уровень звука обычно уменьшается логарифмически. Для обозначения в математических формулах используется единица децибел (дБ).
Опыты показывают, что чем больше амплитуда колебаний ветвей камертона , тем громче звук. Постепенно звук ослабевает, так как свободные колебания ветвей камертона являются затухающими.
Интенсивность звука описывает мощность звука, проходящего через проницаемую для звуковой волны поверхность. Вы вычисляете это, измеряя, сколько звука проходит через самые маленькие участки этой поверхности, и интегрируя его по всей поверхности.
Различные типы звука
Как вы узнали в самом начале, звук делится на полезный и мешающий (не полезный). Это разделение можно уточнить, дополнительно вводя в качестве категорий тон, звон, шум и взрыв (удар).
Тон — это синусоидальное колебание, т.е. синусоидальный сигнал. Если вы, например, ударите по вилочному камертону, то получите один гармонический тон. Он показывает, является ли звук высоким, как у скрипки, или низким , как звук большого барабана. Физической величиной, характеризующей высоту тона, является частота колебаний звуковой волны. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Отметим, что связь между высотой звука и частотой звуковой волны впервые установил Г. Галилей.
Звон производит периодический, но несинусоидальный сигнал. Когда вы играете песню на гитаре, вы издаете такой звон.
Шум — это непериодический и несинусоидальный сигнал. Например, шум создают машины и транспортные средства. Шумы создаются в результате накопления колебаний разных частот. Источниками шумов могут быть промышленные предприятия, бытовые приборы, различные машины. Шумы вредно влияют на здоровье человека и животных. Длительное воздействие шумов приводит к нарушению работы центральной нервной системы, вызывает головокружение, влияет на работу сердца.
В результате удара возникает сильный амплитудный максимум, который затем быстро затухает. Если вы выстрелите фейерверком в воздух или выстрелите из пистолета-пулемета, вы услышите такой удар.
Наше ухо постоянно слышит различные звуки. Чаще всего звук распространяется по воздуху, но может распространяться и в других средах. Эти среды называют упругими.
Если между ухом и источником звука удалить звукопередающую среду, то мы ничего не услышим. Это означает, что для передачи звука на расстояние необходима звукопередающая среда.
Пример:
Чтобы изолировать источник звука (будильник) от звукопередающей среды (воздуха), поместим его в установку, где сможем откачать воздух (рис. (1)).
Рис. (1). Эксперимент с будильником в вакууме
Для чистоты эксперимента послушаем будильник в воздушной среде под колоколом воздушного насоса. Звук слышен очень хорошо. Постепенно начнём откачивать воздух. Громкость звука уменьшается. При достижении вакуума под колоколом звук перестаёт передаваться — будильник не слышно. Этим экспериментом мы подтвердили утверждение о том, что в отсутствие упругой среды звук не передаётся.
Звуковые волны распространяются в упругой среде. Чем больше плотность вещества, тем лучше оно проводит звук.
Проведём эксперимент с доской из древесины (рис. (2)). Сможем ли мы расслышать тиканье часов на расстоянии, приложив ухо к одному концу доски, а к другому — наручные часы? Звук хорошо передаётся по доске.
Рис.(2). Эксперимент с доской из древесины
Если подвесить металлическую ложку на верёвочке (рис. (3)) и привязать другой конец к пальцам, то вибрация будет им передаваться. Проволока из металла будет лучше проводить звук.
Рис. (3). Эксперимент с ложкой и верёвочкой
Тела с низкой плотностью, не обладающие упругостью, содержащие звукоизолирующие слои (например, прослойку воздуха) проводят звук в меньшей степени. Например, пробка, поролон, вата.
Чтобы изолировать помещение от посторонних или ненужных звуков, необходимо облицевать потолок, стены и даже пол различными звукопоглощающими материалами. Для этих целей используют минеральную, базальтовую или хлопковую вату, а также газостекло, пенобетон, вспененный полиуретан и меламин и др. Все эти материалы в порах содержат воздух, что и способствует поглощению звука.
Таким образом,
звук может распространяться в любой среде (твёрдой, жидкой и газообразной), где есть молекулы. И не может распространяться там, где молекул нет, т.е. в вакууме.
Колебания источника звука создают в окружающей среде волну звуковой частоты, которая является упругой волной.
Восприятие звука слуховым аппаратом (рис. 4):
- Волна, достигая наружного уха, воздействует на барабанную перепонку, что заставляет её колебаться с точно такой же частотой, с какой колеблется источник звука.
- Колебания барабанной перепонки передаются на слуховые косточки в среднем ухе, далее — во внутреннее ухо.
- Во внутреннем ухе колебания воздействуют на улитку, в которой есть волосковые клетки, которые преобразуют механические колебания в электрические нервные импульсы.
- Слуховой нерв передаёт электрические нервные импульсы от улитки в головной мозг.
- Мозг анализирует сигналы: распознаёт, сравнивает, интерпретирует.
Рис. (4). Строение слухового аппарата
В газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие волны. Поэтому звук в воздухе передаётся продольными волнами, то есть чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука.
Звуковая волна распространяется в пространстве с определённой скоростью.
Наблюдая за стрельбой из оружия (например, из пушки), мы сначала видим вспышку и только потом (через некоторое время) слышим звук выстрела.
Измерив промежуток времени (t) между моментом появления вспышки и моментом, когда звук доходит до уха, а также расстояние между источником звука и наблюдателем, можно определить скорость распространения звука по формуле:
По опытным данным, при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха (0) °С скорость звука составляет (332) м/с.
В газах скорость звука прямо пропорциональна температуре.
Например, при (20) °С скорость звука в воздухе равна (343) м/с, при (60) °С — (366) м/с, при (100) °С — (387) м/с.
При повышении температуры среды увеличивается скорость движения молекул (или атомов) среды, что повышает интенсивность взаимодействия частиц среды. Значит, увеличивается передача энергии колебательного движения.
На скорость распространения звука оказывает влияние среда, в которой распространяется звук. Это связано не только с плотностью среды, но и расположением частиц этой среды относительно друг друга.
При решении задач скорость звука в воздухе обычно считают равной (340) м/с.
При температуре (0) °С скорость звука в водороде равна (1284) м/с, а в углекислом газе — (259) м/с. Это различие связано с массой молекул газов, в которых распространяется звук. Масса молекул водорода меньше массы молекул углекислого газа.
Для измерения скорости звука существуют специальные устройства, принцип действия которых связан с определением времени, за которое звук проходит определенное расстояние.
Плотности жидкостей и твёрдых тел значительно больше плотностей газов. Поэтому молекулы в этих средах находятся значительно ближе друг к другу, а следовательно, взаимодействие между ними более сильное. Это способствует более быстрому распространению звука.
Формулы для расчёта скорости механической волны
(upsilon) — скорость движения фронта волны:
1. звук распространяется равномерно:
υ=st
;
2. скорость пропорциональна длине волны:
υ=λT
;
3. скорость пропорциональна частоте колебаний:
υ=λν
.
Источники:
Рис. 1. Эксперимент с будильником в вакууме. © ЯКласс.
Рис. 2. Эксперимент с доской из древесины. © ЯКласс.
Рис. 3. Эксперимент с ложкой и верёвочкой. © ЯКласс.
Рис. 4. Строение слухового аппарата. © ЯКласс.
Звуковые волны
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 201.
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 201.
Наиболее частым видом механических волн в жизни человека являются звуковые волны. Рассмотрим кратко их особенности, а также механизм образования и распространения.
Возникновение звуковых волн
Большинство веществ и сред в Природе являются в той или иной мере упругими. Упругость среды выражается в том, что она «сопротивляется» внешнему возмущающему воздействию, и стремится вернуться в свое исходное состояние. Поскольку таким свойством обладает любая точка среды, то возникают хорошие условия для распространения возмущений.
Для иллюстрации схемы возникновения звуковой волны, представим себе кристалл упругого вещества, по которому нанесен внешний удар. В результате удара возникнет некоторая деформация кристаллической решетки.
Возникают силы, которые, во-первых, деформируют более далекие области кристалла, а во-вторых, стремятся вернуть деформированные области к исходному состоянию.
Исходная область возвращается в состояние равновесия, однако, при этом приобретает некоторую скорость и кинетическую энергию. В результате атомы кристалла проходят некоторое расстояние дальше точки равновесия, пока снова не возникнут силы, направленные обратно.
Таким образом, атомы области, в которую был нанесен удар, начинают колебаться. Более далекие области кристалла испытывают воздействие, и также приходят в колебательное движение с некоторой задержкой, и, в свою очередь, передают колебания дальше. В среде возникает упругая волна сжатий и растяжений, распространяющаяся с некоторой скоростью, которая имеет все характеристики, присущие волновым процессам, и описывается теми же формулами.
Такая волна называется звуковой волной или просто звуком.
Звуковые волны в воздухе и в других средах
Чаще всего, когда речь идет о звуке, имеются ввиду звуковые волны в воздухе. Примерами звуковых волн могут являться звуки грома, шум листьев, наш голос – любой звук, который мы можем слышать – является звуковой волной.
Однако, звук может распространяться не только по воздуху, но и по любой среде, в которой есть силы упругости. И скорость его распространения зависит от величины этих сил.
Для газов силы упругости возникают из-за локальных колебаний давления. Для кристаллов силами упругости являются межмолекулярные взаимодействия. Поскольку силы, возникающие во втором случае, гораздо больше, то и передача колебаний в кристалле происходит с гораздо большей скоростью, чем в воздухе. В жидкостях силы упругости имеют обе описанных составляющих, поэтому скорость звука в них больше, чем в газах, но меньше, чем в кристаллах.
Интересное явление происходит на границе разделения двух сред с различными упругостями. Из-за разности упругих свойств на границе передача колебаний происходит не полностью. Часть колебаний передается дальше, а часть – возвращается в среду, и начинает движение в обратном направлении. В среде возникает волна, имеющие характеристики, близкие к исходной, но имеющая более низкую мощность, и движущаяся в обратном направлении – эхо.
Особенности звуковых волн
Из представленного описания можно отметить следующие особенности звуковых волн.
- Звук – это упругие колебания среды, распространяющиеся с некоторой скоростью.
- Звук не может распространяться в отсутствие упругой среды. Вакуум не проводит звук.
- Скорость звука тем выше, чем более упруга среда. Наименьшая скорость звука в разреженных газах при низкой температуре. Наибольшая скорость звука в кристаллах с высокой упругостью (металлы, стекло).
- Звуковые колебания представляют собой продольную волну.
- Звуковые волны могут отражаться от границы сред, и возвращаться в виде эха.
Скорость звука в воздухе составляет около 300 метров в секунду. Это позволяет примерно оценить расстояние до удаленных источников, например, по задержке между молнией и громом можно оценить расстояние до молнии.
Что мы узнали?
Звуковые волны – это механические колебания, распространяющиеся в упругой среде. Звуковые волны представляют собой продольную волну. В различных средах скорость звуковых волн различна.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
-
Егор Князев
10/10
Оценка доклада
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 201.
А какая ваша оценка?
Звуковые волны
Источниками звука являются колеблющиеся тела. Но не все колеблющиеся тела издают звуки. Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц (передающиеся обычно через воздух). Поэтому колебания в этом диапазоне частот называются звуковыми.
Примеры звуковых колебаний:
звуки голосов людей и животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, шелест листьев, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.
Механические колебания, частота колебаний которых превышает 20000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 16 Гц – инфразвуковыми.
Ультразвук и инфразвук широко распространены в природе, например, их используют для «переговоров» летучие мыши и дельфины. Ультразвук также используют в технике, например, для измерения глубины моря.
Высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.
Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты.
Пример чистого тона:
звук камертона
Звуки от других источников (например, голоса людей, звуки музыкальных инструментов и т.д.) представляют собой совокупность гармонических колебаний разных частот, т.е. совокупность чистых тонов.
Самая низкая (самая малая) частота такого сложного звука называется основной частотой, а соответствующий ей звук определенной высоты – основным тоном (или тоном). Высота сложного звука определяется именно высотой его основного тона.
Все остальные тоны сложного звука называются обертонами. Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона, поэтому их называют также высшими гармоническими тонами.
Обертоны определяют тембр звука, то есть, такое его качество, которое позволяет нам отличать звуки одних источников от других.
Высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук.
Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.
Громкость звука зависит также от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя.
Единица громкости звука – сон. Громкость звука характеризуют уровнем звукового давления, измеряемым в белах(Б) и децибелах(дБ), составляющих 1/10 часть бела.
Звук распространяется в любой упругой среде – твердой, жидкой или газообразной, но не может распространяться в пространстве, где нет вещества.
Скорость звука зависит от свойств среды, в которой распространяется звук.
Звук – это волна, поэтому формулы скорости волны действительны для звуковой волны.
где ν – частота звуковых колебаний, λ — длина звуковой волны, Т — период звуковых колебаний.
При решении задач скорость звуковой волны считают равной 340 м/с.
В результате отражения звука от различных преград (например, стен большого пустого помещения) возникает эхо.
Конспект составлен на основании теоретического материала учебника «Физика 9 класс» А.В. Перышкин, Е.М. Гутник.
Скачать конспект:
Похожие записи:
Звуковая волна – период, длина, частота и скорость распространения
Калькуляторы онлайн перевода длины звуковой, инфразвуковой или ультразвуковой
волны в частоту и наоборот. Таблица соответствия
нот полного звукоряда частотам.
Звуковая волна – это механические колебания, которые в результате колебаний молекул вещества распространяются в какой-либо
среде (в газе, жидкости или твёрдом теле) и, достигнув органов слуха человека, воспринимаются им как звук. Источник, создающий
возмущение (колебания воздуха), называется источником звука.
Как уже было сказано, для распространения звука необходима какая-либо упругая среда. Поэтому в вакууме ори, не ори – тебя никто не
услышит, по причине того, что звуковые волны распространяться не смогут, так как там нечему колебаться.., да и слушать там, по большому
счёту, тоже некому.
Так же, как и в случае с электромагнитными волнами, соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний,
в общем случае выглядит следующим образом:
λ (м) = V (м/сек) / F (Гц), где V (м/сек) — это скорость распространения
звука в среде.
Период колебаний также не претерпел никаких изменений и по-прежнему равен:
T(сек) = 1 / F (Гц) = λ (м) / V (м/сек).
Частота колебаний звукового сигнала F (Гц) – это параметр стабильный, практически не зависящий от среды распространения.
А вот скорость звука V (м/сек), а соответственно и длина звуковой волны – это величины, которые зависят
не только от плотности вещества, но и от его упругости, а в случае с жидкостями и газами ещё – и от температуры, и атмосферного
давления.
Зависимость скорости звуковой волны от свойств упругой среды легко прослеживается по следующей формуле:
V (м/сек) = √Eупр (паскаль) / ρ (кг/м3)
,
где Eупр представляет собой модуль объёмной упругости среды, а ρ – плотность среды.
Модуль упругости, так же как и плотность – это справочные величины, прописанные для конкретных материалов.
В качестве примера, ниже приведена таблица величины скорости распространения звука в различных средах:
| Среда | Скорость звука, м/сек |
| Воздух при 0° | 331 |
| Воздух при 30° | 350 |
| Вода | 1450 |
| Медь | 3800 |
| Дерево | 4800 |
| Железо | 4900 |
| Сталь | 5600 |
Для газов параметры модуля объёмной упругости и плотности имеют ярко выраженную зависимость от температуры и атмосферного давления.
Если углубиться, то скорость звука в газах можно вычислить по следующей формуле:
V (м/сек) = √γ*Ратм / ρ ,
где
γ = cp/сv – это отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении
к удельной теплоёмкости при постоянном объёме, а Pатм – атмосферное давление,
которое связано с температурой газообразной среды.
Поэтому, чтобы никого сильно не грузить, приведу и приближённую зависимость скорости звука (при нормальном
атмосферном давлении) от температуры среды:
V (м/сек) = (331 + 0,6 * T°), где 331 м/сек – это скорость звука при 0°С,
а T° – температура в градусах Цельсия.
Теперь можно совместить формулы и получить простое соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний с учётом
температуры среды:
λ (м) = (331 + 0,6 * T°) / F (Гц).
Всё это без лишнего напряга несложно посчитать при помощи листа бумаги или деревянных счёт, ну а для пущего упрощения жизни человека,
приведу и пару он-лайн считалок для перевода одного из параметров в другой.
Калькуляторы предполагают расчёты длины и частоты звуковой волны для воздушной среды при нормальном атмосферном
давлении (760 мм ртутного столба).
Онлайн калькулятор расчёта длины звуковой волны по частоте
|
Частота звуковых колебаний f |
||
Температура Т(°С) (по умолчанию 20°) |
||
Длина волны |
Онлайн калькулятор расчёта частоты по длине звуковой волны
|
Длина волны λ при заданной Т |
||
Температура Т(°С) (по умолчанию 20°) |
||
Частота колебаний |
Полный диапазон звуковых частот условно находится в пределах:
16…20 000 Гц.
Ниже ( 0,001…16Гц ) – инфразвук.
Выше ( 20…100кГц ) – низкочастотный ультразвук,
ещё выше (100кГц…1МГц) – высокочастотный ультразвук.
А для интересующихся приведу таблицу соответствия нот стандартного музыкального звукоряда частотам.
| Частота (Гц) | ||||||||||||
| Октава | Нота | |||||||||||
| До | До — диез | Ре | Ми — бемоль | Ми | Фа | Фа — диез | Си | Си- диез | Ля | Соль-бемоль | Соль | |
| C | C# | D | Eb | E | F | F# | G | G# | A | Bb | B | |
| 0 | 16.35 | 17.32 | 18.35 | 19.45 | 20.60 | 21.83 | 23.12 | 24.50 | 25.96 | 27.50 | 29.14 | 30.87 |
| 1 | 32.70 | 34.65 | 36.71 | 38.89 | 41.20 | 43.65 | 46.25 | 49.00 | 51.91 | 55.00 | 58.27 | 61.74 |
| 2 | 65.41 | 69.30 | 73.42 | 77.78 | 82.41 | 87.31 | 92.50 | 98.00 | 103.8 | 110.0 | 116.5 | 123.5 |
| 3 | 130.8 | 138.6 | 146.8 | 155.6 | 164.8 | 174.6 | 185.0 | 196.0 | 207.7 | 220.0 | 233.1 | 246.9 |
| 4 | 261.6 | 277.2 | 293.7 | 311.1 | 329.6 | 349.2 | 370.0 | 392.0 | 415.3 | 440.0 | 466.2 | 493.9 |
| 5 | 523.3 | 554.4 | 587.3 | 622.3 | 659.3 | 698.5 | 740.0 | 784.0 | 830.6 | 880.0 | 932.3 | 987.8 |
| 6 | 1047 | 1109 | 1175 | 1245 | 1319 | 1397 | 1480 | 1568 | 1661 | 1760 | 1865 | 1976 |
| 7 | 2093 | 2217 | 2349 | 2489 | 2637 | 2794 | 2960 | 3136 | 3322 | 3520 | 3729 | 3951 |
| 8 | 4186 | 4435 | 4699 | 4978 | 5274 | 5588 | 5920 | 6272 | 6645 | 7040 | 7459 | 7902 |
В общем случае звуковые волны физика рассматривает как распространение возмущений давления в упругих средах. Человеческое ухо улавливает аномалию, воспринимая звук.
Изучающая свойства явления наука называется акустикой. От греческого ἀκούω (слышать). Имеются в виду небольшие изменения параметров в отличие от физики ударных волн.
Звуковые волны
Процесс распространения связан с колебательным механическим движением частиц. Достаточно каким-либо образом создать скачок давления, и частицы «толкнут» соседние.
Уравнение звуковой волны в газе (гармоничные колебания) будет выглядеть так:
-
p0 – начальное давление (Па);
-
ω – круговая частота (Гц);
-
k – волновое число.
Формулы связи длины звуковой волны, скорости, иные характеристики:
-
v – скорость волны (м/с);
-
λ – длина волны (м);
-
T – период (с);
-
f – частота (Гц).
Источник звука
Под источником звука понимают вещь, спровоцировавшую волну. Например, динамик или музыкальный инструмент.
В громкоговорителе для извлечения шума используется подвижная мембрана. В духовых инструментах – движение воздуха по внутренним ходам различной геометрии.
Из струнных звук извлекают при помощи трения смычка или при помощи щипков, ударов. Человек выдает речь, вокал, при помощи голосовых связок.
Скорость звуковой волны
Скорость распространения акустической волны является важной физической характеристикой среды или материала, поскольку со скоростью звука передаются любые возмущения.
Величина зависит от упругих свойств среды. Например, от давления, температуры. Для атмосферного воздуха важна влажность.
В общем случае определяется отношением модуля всестороннего сжатия и номинальной плотностью.
Для практических целей замеряется опытным путем. В жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах.
Громкость
Зависит от перемещаемой волной энергии. Замеряют в Вт/м2. Но интенсивность принято измерять в децибелах.
Существует масса приложений для компьютеров, смартфонов. Специалисты вооружаются специализированными устройствами.
Бел – десятичный логарифм отношения текущего уровня интенсивности в фоновому, пороговому. Осталось умножить на 10 (поскольку децибел).
Вот примеры уровня шума для разных источников.
Высота и тембр звука
Считается, что человеческое ухо воспринимает с разным успехом частоты диапазона 20…20 000 Гц. Оптимальными для слуха является интервал 1 000…5 000 Гц.
Высота определяется частотой. В связанной с музыкальными инструментами акустике измеряется также в мелах.
В музыкальных колонках в зависимости от частот звук может разделяться на полосы (НЧ, СЧ, ВЧ). На каждый громкоговоритель поступает соответственно отфильтрованный звук.
Рассуждения корректны, если имеем гармоничные колебания (синусоида), определенный тон. Примером такого звучания может служить камертон. Реальные инструменты дают дополнительные гармоники (обертона), образующие тембр.
Так выглядит звук от разных источников на одной ноте.
Звуковые явления
Звук обладает ярко выраженными волновыми свойствами:
1. Интерференция или сложение. В зависимости от условий волны могут взаимно усиливаться или ослабляться.
При проведении крупных концертных мероприятий учитывается возможные «деформации» звука в некоторых участках помещения. Эффект связан с обильным отражением (рефракцией) волн от стен, потолка, пола. Особенно коварно поведение линейных массивов.
Рота бойцов разрушит мост, идя по нему «в ногу». Конструкции не выдерживает наступающего резонанса.
2. Дифракция. Огибание препятствия, если длина волны существенно больше.
3. Замеренная частота источника увеличивается в процессе сближения с последним (эффект Доплера).
Применение звуковых волн
Помимо ценности общения друг с другом, звук дает возможность наслаждаться музыкой и обогащать свое представление об окружающем мире. Кроме слышимого спектра существуют инфра- и ультразвук. Ниже и выше границ слышимости соответственно.
УЗИ (ультразвуковое исследование) позволяет «увидеть» внутренности пациента без скальпеля и небезопасного рентгеновского аппарата. Эхолокатор поставляет морякам информацию о глубинах и рельефе дна. Офицер-гидроакустик обнаружит спрятавшуюся подводную лодку. Характер отражения ультразвука поможет обнаружить скрытый дефект в ответственной детали.
Слабо затухающий в средах инфразвук предупредит о стихийном бедствии. Регистрирующие приборы обнаруживают и локализуют сотрясения почвы и скальных пород. Это важно для изучения и предсказания землетрясений. Таким же образом обнаруживаются запрещенные испытания ядерного оружия. Предупрежден – значит вооружен.