Физическая природа звука
Звук является спутником человека в течение всей его жизни, но мало кто задумывается, что он собой представляет. С физической точки зрения звук можно определить как колебательные движения частиц в упругой среде, вызванные каким-либо источником, коротко — упругие волны. Скорость звука зависит от свойств среды, в которой он распространяется: в газах скорость звука растет с ростом температуры и давления, в жидкостях при росте температуры наоборот снижается (исключением является вода, в которой скорость звука достигает максимума при 74°С и начинает снижаться только при увеличении данной температуры). Для воздуха такая зависимость выглядит так:
где tc — температура окружающей среды, °С.
Таблица 1. Скорость звука в газах, при температуре 0 °С и давление 1 атм.
| Азот | 334 м/с |
| Кислород | 316 м/с |
| Воздух | 332 м/с |
| Гелий | 965 м/с |
| Водород | 1284 м/с |
| Метан | 430 м/с |
| Аммиак | 415 м/с |
Таблица 2. Скорость звука в жидкостях при температуре 20 °С.
| Вода | 1490 м/с |
| Бензол | 1324 м/с |
| Спирт этиловый | 1180 м/с |
| Ртуть | 1453 м/с |
| Глицерин | 1923 м/с |
В твердых телах скорость звука определяется модулем упругости вещества и его плотностью, при этом в продольном и поперечном направлении в неограниченных изотропных твердых телах она различается.
Таблица 3. Скорость звука в твердом теле.
| Вид твердого тела | Скорость продольной волны, м/с | Скорость поперечной волны, м/с |
|---|---|---|
| Плавленый кварц | 5970 | 3762 |
| Бетон | 4200–5300 | — |
| Плексиглас | 2675 | 1110 |
| Стекло | 3760–4800 | 2380–2560 |
| Тефлон | 1340 | — |
| Полистирол | 2350 | 1120 |
| Сталь | 5740 | 3092 |
| Золото | 3220 | 1200 |
| Мрамор | 3810 | — |
| Алюминий | 6400 | 3130 |
| Полиэтилен | 2000 | — |
| Серебро | 3650–3700 | 1600–1690 |
| Дуб | 4100 | — |
| Сосна | 3600 | — |
Из таблиц наглядно видно, что скорость звука в газах значительно ниже, чем в твердых телах, именно поэтому в приключенческих фильмах часто можно увидеть, как люди прикладывают ухо к земле, чтобы определить наличие погони за собой, также это явление заметно рядом с железной дорогой, когда звук приходящего поезда, слышится дважды — в первый раз он передается по рельсам, а второй — по воздуху.
Процесс колебательного движения звуковой волны в упругой среде, можно описать на примере колебания частицы воздуха:
— на частицу воздуха, вынужденную сдвинуться со своей начальной позиции, из-за воздействия источника звука, действуют упругие силы воздуха, которые пытаются вернуть ее на свое первоначальное место, но из-за действия сил инерции, возвращаясь, частица не останавливается, а начинает удаляться от начальной позиции в противоположную сторону, где в свою очередь на нее также действуют упругие силы и процесс повторяется.
Рисунок 1. Процесс колебания частицы воздуха
На рисунке (рисунок №2) маленькими точками образно представлены молекулы воздуха (в кубометре воздуха их более миллиона). Давление в области компрессии несколько превышает атмосферное, а в области разрежения, наоборот, — ниже атмосферного. Направление малых стрелочек показывает, что, в среднем, молекулы движутся направо из области высокого давления и налево из области низкого. Любая из представленных молекул сначала проходит определенное расстояние в правую сторону, а затем такое же расстояние в левую, относительно своей первоначальной позиции, в то время как звуковая волна двигается равномерно в правую сторону.
Рисунок 2. Перемещение звуковой волны
Логично задать вопрос — почему звуковая волна перемещается вправо? Ответ можно найти при внимательном рассмотрении стрелочек на предыдущем рисунке: в месте, где стрелочки сталкиваются с друг другом образуется новое скопление молекул, которое будет находится с правой стороны от первоначальной области компрессии, при удалении от места столкновения стрелочек плотность молекул снижается и образуется новая область разрежения, следовательно постепенное перемещение области высокого и низкого давления приводит к движению звуковой волны в правую сторону.
Рисунок 3. Процесс перемещения звуковой волны
Волновое движение такого рода называется гармоническими или синусоидальными колебаниями, которое описывается следующим образом:
Простая гармоническая или синусоидальная волна изображена на рисунке (Рисунок №4):
Рисунок 4. Синусоидальная волна
Длина волны зависит от частоты и скорости звука:
Длина волны (м) = Скорость волны (м/с) / Частота (Гц)
Cоответственно частота определяется следующим образом:
Частота (Гц) = Скорость волны (м/с) / Длина волны (м)
Из этих уравнений видно, что с увеличением частоты — длина волны уменьшается.
Таблица 4. Длина волны в зависимости от частоты звука (при температуре воздуха 20 °С)
| Частота, Гц | 31,5 | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 16000 |
| Длина волны, м | 10,9 | 5,44 | 2,74 | 1,37 | 0,69 | 0,34 | 0,17 | 0,084 | 0,043 | 0,021 |
Интенсивность звука снижается по мере увеличения расстояния от источника звука. Если звуковая волна на своем пути не встречает преград, то звук из источника распространяется во всех направлениях. На рисунке (рисунок №5) изображен характер изменения интенсивности звука — сила звука остается постоянной, но площадь воздействия увеличивается, именно поэтому в отдельно взятой точке интенсивность звука снижается.
Рисунок 5. Процесс распространения звуковой волны
В зависимости от вида источника звука — существует несколько видов звуковых волн: плоские, сферические и цилиндрические.
Рисунок 6. Виды источников звука и схематическое изображение фронта волны
а — протяженная пластина; б — точечный источник; в — линейный источник.
Плоские волны при распространении не меняют форму и амплитуду, сферические не меняют форму (амплитуда уменьшается как 1/r), цилиндрические меняют и форму, и амплитуду (убывает как 1/№r).
Источник
Природа звука.
Источником звука является тело любой природы, находящейся в колебательном движении обычно в результате каких-либо механических воздействий, т.е. для возбуждения звука всегда требуется энергия. При колебаниях тело образует в окружающей среде, например, в воздухе, упругую продольную волну, которая достигая уха, вызывает слуховое ощущение.
Звук распространяется в любых средах. Скорость его распространения не зависит от частоты колебаний, она зависит от упругости и плотности среды, а также от ее температуры. В воздухе скорость звука при 0 0 С составляет 331,5 м/сек; при повышении температуры на 1 0 С она увеличивается примерно на 0,5 м/сек. В твердых и жидких средах скорость звука значительно выше, в воде ,например, около 1500 м/сек. Эта скорость звука может быть принята как средняя и для мягких тканей тела человека.
Тоны и шумы. Физические характеристики звука.
Звуки разделяются на тоны и шумы.
Тоном называется звук, который представляет колебание с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой. В зависимости от формы колебания частиц среды тоны разделяются на простые (гармонические) и сложные. Сложный тон может быть разложен на простые, получающийся набор частот с амплитудами называется акустическим спектром. Спектр сложного тона линейчатый. Простой тон может быть получен с помощью камертона или звукового генератора. К сложным относятся звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека и др.
Звуковой тон характеризуется частотой (или периодом), амплитудой и формой колебания или его гармоническим спектром, а также величинами, относящимися к звуковой волне: интенсивностью, или силой звука, и звуковым давлением.
Интенсивностью, или силой звука, называют плотность потока энергии звуковой волны; единицы измерения: эрг/сексм 2 , вт/м 2 , мквт/см 2 .
Звуковым, или акустическим, давлением p называют добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды), образующееся в участках сгущения частиц в звуковой волне. Оно измеряется в ньютонах на квадратный метр (Н/м 2 ) или динах на квадратный сантиметр (дин/см 2 , или акустический бар).
Для плоской гармонической волны звуковое давление p связано интенсивностью «I» звука соотношением
или 
,
где p0 — амплитудное, а pэф — эфективное (среднеквадратичное) значение, которое обычно и учитывается на практике.
Произведение скорости «c» звука в данной среде на плотность « » среды называется удельным акустическим сопротивлением среды (волновым сопротивлением среды).
Удельный акустический импеданс Z : 
, гдеp — звуковое давление, V — колебательная скорость частицы среды. (Он аналогичен электрическому импедансу Z, где 
).
Так как интесивность звука 
, для плоской волны
, где V — средняя скорость смещения частиц в волне, сравнение обеих формул — 
, илиp = cV, то 
— характеристический импеданс.
и является основной характеристикой ее акустических свойств, определяющей условия отражения и преломления звука на границе среды. Для воздуха (при нормальных условиях) = 430 кг/м 2 сек, для воды примерно 145 10 4 , для железа 4 10 7 и т.д.
Звуковая волна оказывает на тело, помещенное на пути ее распространения, некоторое давление, называемое давлением звука.
Шумом называют звук, отличающийся сложной, неповторяющейся временной зависимостью. К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т.п. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. Спектр шума — сплошной.
Шумом называют самые различные звуки, представляющие сочетание множества различных тонов, частота, форма, интенсивность и продолжительность которых беспорядочно меняются.
Шум является вредным явлением; длительное действие шума на орган слуха вызывают ослабление чувствительности уха, может привести к частичной или полной потере слуха. Действуя на нервную систему, шум вызывает повышенную утомляемость, снижение работоспособности, различные нервные заболевания.
Вредность шума зависит от его громкости и спектрального состава. Нормально допустимым уровнем шума считается 40 — 50 дБ.
Для объективного измерения громкости шума применяются приборы, называемые шумомерами. Шумомер содержит микрофон, который преобразует звуковые колебания в электрические. Эти колебания затем усиливаются и средняя мощность их измеряется при помощи микроамперметра со шкалой, градуированной в децибелах громкости.
Источник