Полезно знать Звук Что такое звук и как он возник

Что такое звук и как он возник

возникновение звука

А теперь попробуем рассказать, что такое звук и как он возник.
Кому не приходилось качаться на качелях, когда вокруг цветут яблони, щебечут птички? Ты взлетаешь вверх-вниз, вверх-вниз, и, кажется, конца-края нет этому весеннему дню, этим яблоням и соловьям! А качели, кстати, не что иное, как маятник, который делает вынужденные колебания под действием ваших толчков. На этом маятнике легко проследить все этапы колебательного движения.


Количество колебаний в единицу времени v называют частотой продолжительность одного колебания Т - периодом. Самый разнообразный колебаний А, т.е. наибольшее отклонение от положения равновесия - это амплитуда. Любое положение колеблющегося тела в пространстве в каждое мгновение времени характеризуется фазой колебаний. Между амплитудой А, частотой v, фазой ? = 2пvt и координатой точки х существует простое соотношение:

 


х = А sin 2пvt,


которое называют уравнением колебаний.
Исследования показали, что колебания очень многих тел - маятника и камертона, струны и длинного тонкого стержня, напряженно и тока в осветительной электросети описываются этим простым уравнением. Все они называются синусоидальными в частности или гармоничными. Величину 2?v = ? называют круговой частотой. С вводом уравнения колебаний становится еще проще


х = А sin ?t.


Все эти определения приведены здесь потому, что не раз встречаться дальше. Напомним также, что частота измеряется в герцах (Гц)-единицах, которые получили имя выдающегося немецкого ученого Генриха Герца, который исследовал колебательные процессы. Один герц - это оде колебания в секунду.
Поскольку диапазон частот, с которым имеет дело техника, чрезвычайно широк, то пользуются также другими единицами - килогерц (кГц) и мегагерцами (МГц), причем 1 МГц = 100 кГц = 1000 ООО Гц.


Любое тело, колеблется в упругой среде, заставляет колебаться частицы этой среды и в нем возникают упругие волны.
Звуковые явления порождаются упругими волнами, распространяющимися в воздухе от источника звука по всем направлениям. Не следует путать движение звуковой волны в воздухе с движением самого воздуха. Волна быстро проходит большое расстояние в то время как частицы воздуха (молекулы) лишь немного смещаются от положения равновесия снова возвращаются обратно в это положение. Согните из жести небольшой желобок и поставьте его горизонтально. Положите рядом несколько одинаковых шариков, например, теннисных мячиков (рис. 1) Направьте легонько крайнюю шарик. Вы увидите, что движение вследствие соприкосновения передаваться от шарика к шарику. Каждая из них передаст движение следующей, а сама останется в покое. Лишь последняя отскочит немного вперед. Так и в звуковой волне движение передается от одной частицы воздуха в другую, пока достигнет барабанной перепонки уха и вызовет ощущение звука.

 

передача движения при вибрации

Рис. 1. Передача движения при вибрации


Поскольку звуковое оборудование передает звук упругими волнами, то он, конечно, не может распространяться в пустоте. Скорость распространения звуковых волн, или сокращенно скорость звука, зависит от свойств той среды, в которой он распространяется. Скорость звука в воздухе, в частности, зависит от температуры и давления, так как при их изменении меняется упругость воздуха.


Известно, что для определения скорости любой точки надо знать то расстояние, которое прошла точка за определенный промежуток времени. Впервые измерения скорости звука в воздухе сделал в 1630 году французский физик Марен Марсенн.
Через сто лет, в марте 1738 Парижская Академия наук провела более точные измерения. Вечером на Монмартре стреляли поочередно с двух пушек, расположенных друг от друга на заранее измеренном расстояния. Точные хронометры измеряли промежутки времени между вспышкой выстрела и его звуком. Оказалось, что скорость звука составляет 336 метров в секунду.


Как ведут себя молекулы воздуха, когда в нем распространяется звук?
Когда в какой момент времени в определенном слое воздуха происходит сжатие, то расстояние между молекулами несколько уменьшается. Так продолжается до тех пор, пока силы взаимного отталкивания молекул уравновесят силы сжатия. В этот момент сжатие прекращается и ему на смену приходит разрежения. Среднее расстояние между молекулами начинает увеличиваться, поскольку в настоящее время действуют силы отталкивания молекул. Затем силы разрежения в данном слое воздуха уравновесятся силами упругой противодействия, соседних слоев и все начнется сначала. Разрежения прекратится, а ему на смену вновь приходит сжатия. Во время распространения звуковых волн в воздухе процессы сжатия и разрежения последовательно чередуются.


Колебания движение молекул воздуха происходит в направлении распространения упругой волны, вдоль волны .. Вот почему звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, называются продольными.

Упругие волны переносят энергию, которую передает источник в окружающую среду. А поток энергии является мерой интенсивности звука, его силы. Сила же звука пропорциональна квадрату звукового давления, то есть того избыточного над атмосферным давления, которое возникает при сжатии слоя воздуха.
Поток энергии человеческого голоса так мал, что если бы удалось превратить энергию голосов ста тысяч человек в электрическую, ее едва хватило бы, чтобы засветить лампочку карманного фонарика!


Звук распространяется от источника во все стороны, поэтому поток энергии уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Вот почему любой силы звук на больших расстояниях становится тихим или совсем неслышным.


В древние времена, когда еще не умели усиливать звук и воспроизводить его мощными громкоговорителями, придумали средства передавать звуковую энергию в определенном направлении. Так возникли различные рупоры и Звукопроводы - переговорные трубы. Александр Македонский, по свидетельствам историков, подавал через рупор команды во время сражений. Сейчас рупоры используются в громкоговорителях и мегафонах также для подачи команд, главным образом на спортивных соревнованиях.


Подытоживая сказанное, отметим, что одной из важных характеристик звука является его интенсивность или сила. Интенсивность прямо пропорциональна излучения источника звука мощности и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. Измеряют интенсивность ваттами на квадратный метр (Вт/м2).


Человеческое ухо улавливает как звук колебания воздуха с частотами от 16 Гц до 16% 20 кГц (в зависимости от индивидуальных и возрастных особенностей). Но лучше слышим звуки, имеющие частоту колебаний 1-2 кГц. В тихом помещении можно услышать чрезвычайно слабые звуки этих частот, интенсивность которых составляет около 1.10-12 Вт/м2. Эту величину приняли условно за полгода. От нее отсчитывают интенсивности всех реальных звуков. Когда интенсивность достигает нескольких ватт на квадратный метр, мы перестаем воспринимать звук, и возникает боль в ушах. Поэтому и назвали такую интенсивность болевой границей. Интервал интенсивностей от 10-12 до 10 Вт/м2 составляет природный динамический диапазон слуха.


Для сравнения интенсивностей разных звуков пользуются специальными акустическими единицами - децибелами (дБ). Децибел составляет одну десятую часть бела (Б), равный десятичному логарифму отношения звуковых интенсивностей. Таким образом, уровень интенсивности / в децибелах N отсчитывается от начального уровня I0:

 

уровень интенсивности

 

Звуковое давление, создаваемое на барабанные перепонки ушей звуковыми волнами, измеряется в ньютонах на квадратный метр Н/м2 или, что то же в паскалях (Па). Один паскаль численно равно давлению силы один ньютон на площадь один квадратный метр, т.е.Паскаль численно равен. Когда звуковое давление, что соответствует стандартному порогу слышимости, обозначить через Р0 = 2.10-5Па, а звуковое давление при данной интенсивности И через Р, то отношение звуковых давлений можно выразить в децибелах:

 

децибелы

 

Минимальная интенсивность звуковых волн, которая воспринимается органами слуха как звук, зависит от частоты (рис. 2). Она самая низкая на частотах на 30-50 дБ. Это означает, что тихие звуки мы слышим хуже на низких и высоких частотах, чем на средних. Болевая граница меньшей степени зависит от частоты и составляет 120-130 дБ.
Природный динамический диапазон слуха достигает на средних частотах 130 дБ и приходит на концах звукового диапазона частот до 60-50 дБ.

природный диапазон слуха

Рис. 2. Природный диапазон слуха


Для сравнения некоторых источников звука с уровнем громкости отметим, что даже в специально заглушенной студии звукозаписи слабый шорох на расстоянии 1 м от слушателя соответствует звуковому давлению 10 дБ, тогда как в театре без зрителей он достигает .. 20 дБ, а когда зрители молчат - З0 дБ. В обычной жилой комнате с закрытыми окнами шум составляет около 40 дБ, а при открытой - 50 дБ. Разговор в комнате соответствует громкости 60% 70 дБ, a шум в салоне трамвая - 70% 80 дБ. Пневматическая машина, автомобильная сирена или гудок тепловоза на малом расстоянии создают звук до 100% 110 дБ, а удары грома или мотор реактивного самолета - даже 110% 120 дБ. Обо всем этом следует помнить, когда хотите что-то записать ты с микрофона на устройство звукозаписи.


Громкость звука, который мы слышим, зависит от мощности его источника и расстояния и определяется уровнем создаваемого на барабанной перепонке звукового давления и особенностями человеческого слуха. Один и тот же звуковое давление вызывает ощущение разной громкости на разных частотах. Даже па одной и той же частоте одинаковое уровень интенсивности воспринимается разными людьми, как разная громкость. Следовательно, восприятие звука каждым человеком с значительной степени индивидуальным. Качество любого звуковоспроизводящей системы оценивается не только измерением определенных объективных параметров, а также опросом больших групп слушателей.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Форма обратной связи

...