Что такое громкость в физике определение. Физика звуковой волны
Звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой материальной среде преимущественно в виде продольных волн.
B вакууме звук не распространяется, так как для передачи звука необходима материальная среда и механический контакт между собой частиц материальной среды.
В среде звук распространяется в виде звуковых волн. Звуковые волны представляют собой механические колебания, которые передаются в среде при помощи её условных частиц. Под условными частицами среды понимают её микрообъёмы.
Основные физические характеристики акустической волны:
1. Частота.
Частота звуковой волны - это величина, равная числу полных колебаний в единицу времени. Обозначается символом v (ню) и измеряется в герцах. 1 Гц =1 кол/сек = [ с -1 ].
Шкала звуковых колебаний делится на следующие частотные интервалы:
· инфразвук (от 0 до 16 Гц);
· слышимый звук (от 16 до 16 000 Гц);
· ультразвук (свыше 16 000 Гц).
С частотой звуковой волны тесно связана обратная величина – период звуковой волны. Период звуковой волны - это время одного полного колебания частиц среды. Обозначается Т и измеряется в секундах [ с ].
По направлению колебаний частиц среды, переносящих звуковую волну, звуковые волны делятся на:
· продольные;
· поперечные.
У продольных волн направления колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения в среде звуковой волны (Рис. 1).
У поперечных волн направления колебаний частиц среды перпендикулярны направлению распространения звуковой волны (Рис. 2).
Рис. 1 Рис. 2
Продольные волны распространяются в газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные - только в твердых телах.
3. Форма колебаний.
По форме колебаний звуковые волны делятся на:
· простые волны;
· сложные волны.
Графиком простой волны является синусоида.
Графиком сложной волны является любая периодическая несинусоидальная кривая.
4. Длина волны.
Длина волны - величина, равная расстоянию, на которое распространяется звуковая волна за время, равное одному периоду. Обозначается λ (лямбда) и измеряется в метрах (м), сантиметрах (см), миллиметрах (мм), микрометрах (мкм).
Длина волны зависит от среды, в которой распространяется звук.
5. Скорость звуковой волны.
Скорость звуковой волны - это скорость распространения звука в среде при неподвижном источнике звука. Обозначается символом v, вычисляется по формуле:
Скорость звуковой волны зависит от вида среды и температуры. Наибольшая скорость звука в твёрдых упругих телах, меньше - в жидкостях, и самая малая - в газах.
воздух, нормальное атмосферное давление, температура - 20 градусов, v = 342 м/с;
вода, температура 15-20 градусов, v = 1500 м/с;
металлы, v = 5000-10000 м/с.
Скорость звука в воздухе с увеличением температуры на 10 градусов возрастает примерно на 0,6 м/с.
ЛЕКЦИЯ 3 АКУСТИКА. ЗВУК
1. Звук, виды звука.
2. Физические характеристики звука.
3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения.
4. Прохождение звука через границу раздела сред.
5. Звуковые методы исследования.
6. Факторы, определяющие профилактику шума. Защита от шума.
7. Основные понятия и формулы. Таблицы.
8. Задачи.
Акустика. В широком смысле - раздел физики, изучающий упругие волны от самых низких частот до самых высоких. В узком смысле - учение о звуке.
Звук в широком смысле - упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.
В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается:
Звук с частотой ниже 16-20 Гц называется инфразвуком, выше 20 кГц -ультразвуком, а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 Гц - гиперзвуком.
Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.
Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).
Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).
Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).
Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.
Акустический спектр тона - это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.
Наименьшая частота в спектре (ν) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2ν, 3ν, 4ν, ...
Обычно наибольшая амплитуда спектра соответствует основному тону. Именно он воспринимается ухом как высота звука (см. ниже). Обертоны создают «окраску» звука. Звуки одной и той же высоты, созданные разными инструментами, воспринимаются ухом по-разному именно из-за различного соотношения между амплитудами обертонов. На рисунке 3.1 показаны спектры одной и той же ноты (ν = 100 Гц), взятой на рояле и кларнете.
Рис. 3.1.
Спектры ноты рояля (а) и кларнета (б)
Акустический спектр шума является сплошным.
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 до 16 - 20 кГц . Упругие волны с частотой ниже слышимого диапазона называют инфразвуком (в т. ч. сотрясение), с более 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)
Мы сталкиваемся со звуком каждый день. По сути, наши уши ни когда не слышали тишины, потому как в естественных условиях её практически не существует (примеры тишины и источников громких звуков). Однако, что такое звук?
Звук – это колебательный процесс, возникающий в воздухе (или другой упругой среде) под действием каких либо колеблющихся предметов.
Источниками звука могут быть, например, голосовые связки человека, струны музыкальных инструментов или любой другой вибрирующий предмет, заставляющий колебаться окружающие его частицы. При этом плотность воздуха (или другой среды) начинает то увеличиваться, то уменьшаться в соответствии с этими колебаниями. Воздух является упругой средой и оказывает некоторое обратное сопротивление колебательному процессу, именно таким образом происходит сжатие и разряжение воздушного пространства.
Звуки образованные синусоидальными сигналами называются простыми, «чистыми», к ним можно отнести камертон и флейту. Звуки других инструментов (голосов, шумов) имеют более сложные по форме колебания и могут содержать в себе целое созвучие простых тонов.
Однако чтоб понять принцип воздействия звука на наши слуховые ощущения достаточно рассмотреть элементарный звук. Его можно описать графиком изменения во времени давления воздуха в определенной точке. При этом в фазу сжатия среды принято называть положительной, а фазу разряжения – отрицательной.
Распределяясь в стороны со скоростью ~340 м/сек. звуковые колебания образуют звуковую волну.
Эта волна воздействует на барабанную перепонку уха, приводит её в движение, которые передаются далее по внутреннему уху, вызывая слуховые ощущения.
Звук ограничен рамками пространства – стенами, преградами. Воздух состоит из частиц, которые тоже являются преградой на пути следования звука. Энергия, передаваемая этими частицами со временем угасает, таким образом, ограничивая пространство в котором звучит тот или иной объект. Чтобы достичь наибольшего пространства звучания необходима бо́льшая энергия его источника. Таким образом появляется некое «звуковое поле» звучания того или иного источника (гром, комар)
Звуковое поле – это область распределения звуковых волн.
Полный цикл изменения звукового давления называется периодом. Количество этих периодов в одну секунду определяет частоту звука, которая измеряется в Герцах (Гц).
Другими словами это наименьшее расстояние между точками с одинаковыми фазами колебания, длину которого можно измерить в метрах на условной оси распределения звука.
Формула длины звуковой волны: ,(м.)
(пример применения значений длин волн, λ=340/100=3,4 м.)
Понятие о длине звуковой волны поможет в дальнейшем объяснить закономерности интерференции (сложении) и дифракции (распределении) звуковых волн в пространстве, помещении студий залов и т.д. Так же необходимо понимать каким размером должен обладать источник звука, что бы создавать, достаточное для восприятия, звуковое давление.
Однако стоит помнить том, что звук в воздушной среде совершенно отличается от звука в воде, в разряженном воздухе. Частицы окружающего пространства передают энергию, строго подчиняясь законам физики. Чем плотнее среда, тем лучше происходит передача звука, чем разреженней пространство, тем меньше передается энергия. Например, в вакууме звук не распространяется, в воде передается со скоростью 1485 м/сек., а в твердых телах скорость звука составляет 2000-6500 м/с.
Источники звука.
Наиболее простым источником звука является камертон – небольшой источник точно и ясно издающий звук определённой высоты . Его усы, колеблясь, в пространстве вызывают простые, синусоидальные колебания. Обычно частота издаваемого камертоном звука 440 Гц, что соответствует ноте «ля» первой октавы.
Струна – весьма распространенный источник звука, однако следует учесть, что звук изданный струной почти не слышим нашими ушами, это объясняется её толщиной. Плоскость струны настолько мала, что колебаний воздушной среды не достаточно, чтобы возникло возбуждение барабанной перепонки и слуховых ощущений. Для того что бы звук струны был слышим необходим значительный по размерам резонатор, который предоставляет струне большую плоскость, тем самым усиливая громкость звучания. Частота звука струны определяется её длиной, это её собственная частота возбуждения. При наличии механизмов и устройств, способных сократить струну (лады на гитаре, кулачки в арфе) на определенный отрезок, появляется возможность изменить частоту её возбуждения (примеры).