Какими свойствами обладают все источники звука
Источники звука. Звуковые колебания
Человек живёт в мире звуков. Звук для
человека является источником информации. Он предостерегает людей об опасности.
Звук в виде музыки, пения птиц доставляет нам удовольствие. Нам приятно слушать
человека с приятным голосом. Звуки важны не только для человека, но и для
животных, которым хорошее улавливание звука помогает выжить.
Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах,
жидкостях, твердых телах, которые невидимы, но воспринимаемые
человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая
волна является продольной волной сжатия и разрежения.
Причина звука – вибрация (колебания) тел, хотя эти
колебания зачастую незаметны для нашего глаза.
КАМЕРТОН – это U-образная металлическая пластина, концы которой могут
колебаться после удара по ней. Издаваемый камертоном звук очень слабый и
его слышно лишь на небольшом расстоянии. Резонатор – деревянный ящик, на
котором можно закрепить камертон, служит для усиления звука. Излучение звука
при этом происходит не только с камертона, но и с поверхности резонатора. Однако
длительность звучания камертона на резонаторе будет меньше, чем без него.
Если создать
вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы
в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для
распространения звука необходима среда.
Звук может также
распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней.
Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу,
можно ясно услышать тиканье часов.
Источник звука –
это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном
состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения,
как возникает звуковая волна.
Однако опыт
показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука.
Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Источники звука – физические тела, которые колеблются, т.е.
дрожат или вибрируют с частотой от 16 до 20000 раз в секунду. Такие
волны называются звуковыми. Вибрирующее
тело может быть твердым, например, струна или земная кора, газообразным,
например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах или жидким,
например, волны на воде.
Колебания с
частотой меньше 16 Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой
больше 20000 Гц называются ультразвуком.
Звуковая
волна (звуковые
колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул
вещества (например, воздуха). Давайте представим себе, каким образом происходит
распространение звуковых волн в пространстве. В результате каких-то возмущений
(например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной
струны), вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке
пространства, возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в
процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее
окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает
избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке,
происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в
другую. Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой
волны. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником
звука.
Привычное
для всех нас понятие «звук» означает всего лишь воспринимаемый слуховым
аппаратом человека набор звуковых колебаний. О том, какие колебания человек
воспринимает, а какие нет, мы поговорим позднее.
Характеристики звука.
Звуковые
колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики,
характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой.
Звуковая волна может проходить самые
различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и
лай собак – на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются
по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.
Приложив ухо к рельсам, можно услышать шум
приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит
металл проводит звук быстрее и лучше, чем воздух. Вода тоже хорошо проводит
звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни,
как шумит во время прибоя галька.
Свойство воды – хорошо проводить звук –
широко используется для разведки в море во время войны, а также для измерения
морских глубин.
Необходимое условие распространения звуковых
волн – наличие материальной среды. В вакууме звуковые волны не
распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от
источника колебаний.
Поэтому на Луне из-за отсутствия атмосферы
царит полная тишина. Даже падение метеорита на ее поверхность не слышно
наблюдателю.
В отношении
звуковых волн очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость
распространения.
В каждой среде звук распространяется с
разной скоростью.
Скорость звука в воздухе – приблизительно
340 м/с.
Скорость звука в воде — 1500 м/с.
Скорость звука в металлах, в стали — 5000
м/с.
В теплом воздухе скорость звука больше, чем
в холодном, что приводит к изменению направления распространения звука.
Высота, тембр и громкость
звука
Звуки бывают
разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость,
высота и тембр звука.
Громкость
звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем
громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от
частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются
как более громкие.
За единицу
громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра
Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его
мощность в 10 раз больше порога слышимости.
На практике
громкость измеряют в децибелах (дБ).
1 дБ = 0,1Б. 10 дБ – шепот; 20–30 дБ – норма шума в жилых
помещениях;
50 дБ – разговор
средней громкости;
70 дБ – шум
пишущей машинки;
80 дБ – шум
работающего двигателя грузового автомобиля;
120 дБ – шум
работающего трактора на расстоянии 1 м
130 дБ – порог
болевого ощущения.
Звук громкостью
свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной
перепонки.
Частота
звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника
звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на
несколько диапазонов.
Звуки от
разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний
разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется
основным тоном. Остальные составляющие звука – обертонами. Набор этих
составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах
разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного
голоса.
Согласно легенде,
Пифагор все музыкальные звуки расположил в ряд, разбив этот ряд на части – октавы,
– а
октаву – на 12 частей (7 основных тонов и 5 полутонов). Всего насчитывается
10 октав, обычно при исполнении музыкальных произведений используются 7–8
октав. Звуки частотой более 3000 Гц в качестве музыкальных тонов не
используются, они слишком резки и пронзительны.
Источник
Раскаты грома, музыка, шум прибоя, человеческая речь и все остальное, что мы слышим – это звук. А что такое “звук”?
Источник изображения: pixabay.com
В действительности все, что мы привыкли считаем звуком – это всего лишь одна из разновидностей колебаний (воздуха), которые могут воспринимать наш мозг и органы слуха.
Какая природа у звука
Все звуки, распространяемые в воздухе, представляют собой вибрации звуковой волны. Она возникает посредством колебания объекта и расходится от её источника во всех направлениях. Колеблющийся объект сжимает молекулы в окружающей среде, а затем создаёт разреженную атмосферу, заставляя молекулы отталкиваться друг от друга всё дальше и дальше. Таким образом, изменения в давлении воздуха распространяются от объекта, сами молекулы остаются в неизменной для себя позиции.
Воздействие звуковых волн на барабанную перепонку. Источник изображения:prd.go.th
По мере того, как звуковая волна распространяется в пространстве, она отражается от объектов, встречающихся на её пути, создавая изменения в окружающем воздухе. Когда эти изменения, достигая вашего уха, воздействуют на барабанную перепонку, нервные окончания подают сигнал в мозг, и вы воспринимаете эти колебания как звук.
Основные характеристики звуковой волны
Самой простой формой звуковой волны является синусоида. Синусоидные волны в чистом виде редко встречаются в природе, однако именно с них следует начинать изучение физики звука, так как любые звуки можно разложить на комбинацию синусоидных волн.
Синусоида чётко демонстрирует три основных физических критерия звука – частоту, амплитуду и фазу.
Частота
Чем реже частота колебаний, тем звук ниже, Источник изображения:ReasonGuide.Ru
Частота – это величина, характеризующая количество колебаний в секунду. Она измеряется в количестве периодов колебания либо в герцах (ГЦ). Человеческое ухо может воспринимать звук в диапазоне от 20 Гц (низкочастотные) и до 20 КГц (высокочастотные). Звуки, находящиеся выше данного диапазона называется ультразвуком, а ниже – инфразвуком, и человеческими органами слуха не воспринимаются.
Амплитуда
Чем больше амплитуда звуковой волны, тем громче звук.
Понятие амплитуды (или интенсивности) звуковой волны имеет отношение к силе звука, которую человеческие органы слуха воспринимают как объём или громкость звука. Люди могут воспринимать достаточно широкий спектр громкости звука: от капающего крана в тихой квартире, и до музыки, звучащей на концерте. Для измерения громкости используются фонометры (показатели в децибелах), в которых используется логарифмическая шкала чтобы сделать измерения более удобными.
Фаза звуковой волны
Фазы звуковой волны. Источник изображения: Muz-Flame.ru
Используется для того, чтобы описать свойства двух звуковых волн. Если две волны имеют одинаковую амплитуду и частотность, то говорят, что две звуковые волны находятся в фазе. Фаза измеряется в диапазоне от 0 до 360, где 0 – это значение, показывающее, что две звуковые волны синхронны (в фазе), а 180 – значение, означающее противоположность волн друг к другу (находятся в противофазе). Когда две звуковые волны находятся в фазе, то два звука накладываются и сигналы усиливают друг друга. При совмещении двух сигналов, не совпадающих по амплитуде, из-за разницы давления идёт подавление сигналов, что приводит к нулевому результату, то есть звук исчезает. Этот феномен известен как “подавление фазы”.
При совмещении двух одинаковых аудио сигналов – подавление фазы может стать серьёзной проблемой, так же огромной неприятностью является совмещение оригинальной звуковой волны с волной, отражённой от поверхностей в акустической комнате. Например, когда совмещают левый и правый каналы стерео микшера, чтобы получить гармоничную запись, сигнал может страдать от подавления фаз.
Что такое децибел?
В децибелах измеряется уровень звукового давления или электрического напряжения. Это такая единица, которая показывает коэффициент отношения двух разных величин друг к другу. Бел (названный в честь американского ученого Александра Белла) является десятичным логарифмом, отражающим соотношение двух разных сигналов друг к другу. Это означает, что для каждого последующего бела в шкале, принимаемый сигнал в десять раз мощнее. Например, звуковое давление громкого звука в миллиарды раз выше, чем у тихого. Для того чтобы отображать такие большие величины, стали использовать относительную величину децибел (дБ) – при этом 1.000.000.000 – это 109, или просто 9. Принятие физиками акустиками данной величины позволило сделать работу с огромными числами удобнее.
Шкала громкости различных звуков. Источник изображения: Nauet.ru
На практике получается так, что бел является слишком большой единицей для измерения уровня звука, поэтому вместо него стали использовать децибел, что составляет одну десятую от бела. Нельзя сказать, что применение децибелов вместо белов – это как использование, скажем, сантиметров вместо метров для обозначения размера обуви, белы и децибелы — относительные величины.
Из выше сказанного понятно, что уровень звука принято измерять в децибелах. Некоторые эталоны уровня звука используются в акустике на протяжении многих лет, начиная со времён изобретения телефона, и по сей день. Большинство этих эталонов сложно применить относительно современного оборудования, они используются только для устаревших единиц техники. На сегодняшний день на оборудовании в студиях звукозаписи и вещания используется такая единица, как дБu (децибел относительно уровня 0,775 В), а в бытовой аппаратуре – дБВ (децибел, отсчитываемый относительно уровня 1 В). В цифровой аудио аппаратуре для измерения мощности звука применяется дБFS (децибел полной шкалы).
дБм – “м” обозначает милливатты (мВт), данная единица измерения используется для обозначения электрической мощности. Следует отличать мощность от электрического напряжения, хотя эти два понятия тесно связаны друг с другом. Единицу измерения дБм начали использовать ещё на заре внедрения телефонных коммуникаций, на сегодняшний день её тоже используют в профессиональной аппаратуре.
дБu — в данном случае измеряется напряжение (вместо мощности) относительно эталонного нулевого уровня, за эталонный уровень принято считать 0,75 вольт. В работе с современной профессиональной аудио аппаратуре дБu заменён на дБм. В качестве единицы измерения в сфере звукотехники было удобнее использовать дБu раньше, когда для оценки уровня сигнала было важнее считать электрическую мощность, а не его напряжение.
дБВ – в основе данной единицы измерения так же лежит эталонный нулевой уровень (как и в случае с дБu), однако за эталонный уровень принимают 1 В, что является более удобным, чем цифра 0,775 В. Данная единица измерения звука часто используется для бытовой и полу профессиональной аудио аппаратуры.
дБFS – данная оценка уровня сигнала широко используется в цифровой звукотехнике и сильно отличается от указанных выше единиц измерения. FS (full scale) – полная шкала, которая используется из-за того, что, в отличие от аналогового звукового сигнала, которое имеет оптимальное напряжение, весь диапазон цифровых значений одинаково приемлем при работе с цифровым сигналом. 0 дБFS – это максимально возможный уровень цифрового звукового сигнала, который можно записать без искажения. У аналоговых стандартов измерения таких, как дБu и дБВ, после уровня 0 дБFS нет запаса по динамическому диапазону.
Если Вам понравилась статья , поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Источник
Подробности
Просмотров: 87
1. Что общего у всех источников звука? Какой вывод из них следует?
Все опыты свидетельствуют о том, что источники звука колеблются.
В тисках закреплена одним концом упругая металлическая линейка.
Если её свободную часть привести в колебательное движение, то линейка будет издавать звук.
Колебания источника звука видны.
Звучащая струна, концы которой закреплены, колеблется.
Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то полоска будет подпрыгивать от толчков струны.
Пока струна колеблется, слышен звук; струна остановится – звук прекращается.
Камертон – изогнутый металлический стержень на ножке,
укреплённый на резонаторном ящике.
Если по камертону ударить мягким молоточком, то камертон зазвучит.
Если поднести к звучащему камертону лёгкий шарик на нитке, то шарик будет отскакивать, что свидетельствует о колебаниях.
Можно «записать» колебания камертона.
К концу ветви камертона привинчена тонкая и узкая металлическая полоска, оканчивающаяся остриём.
Остриё загнуто вниз и касается закопчённой пластинки.
При быстром перемещении пластинки остриё оставляет на ней след в виде волнообразной линии.
2. Каким общим свойством обладают все источники звука?
Любой источник звука обязательно колеблется, хотя эти колебания чаще всего незаметны для глаза.
Например:
– звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок,
–
звучание духовых музыкальных инструментов – это колебания воздуха,
–
свист ветра, шелест листьев, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.
3. Механические колебания каких частот называются звуковыми и почему?
Не всякое колеблющееся тело является источником звука.
Человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц, передающиеся обычно через воздух.
Поэтому колебания этого диапазона частот называются звуковыми.
Границы звукового диапазона условны, так как зависят от индивидуальных особенностей слухового аппарата человека.
С возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков понижается – некоторые могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц.
Дети могут воспринимать звуки, частота которых даже больше 20 000 Гц.
4. Какие колебания называются ультразвуковыми? инфразвуковыми?
Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми.
Механические колебания с частотами менее 16 Гц называют инфразвуковыми.
Ультразвук и инфразвук распространены в природе так же широко, как и волны звукового диапазона.
Например:
Их излучают и используют для своих «переговоров» дельфины, летучие мыши и некоторые другие живые существа.
5. Как используют ультразвук в эхолокации?
Ультразвук используют в эхолокации для определения расстояния до объекта под водой.
Направленные узкие пучки ультразвука применяются для измерения глубины моря.
Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приёмник ультразвука.
Излучатель даёт короткие сигналы, которые доходят до дна и, отражаясь от него, достигают приёмника.
Моменты излучения и приёма сигнала регистрируются.
За время t, которое проходит с момента отправления сигнала до момента его приёма, сигнал, распространяющийся со скоростью v, проходит путь, равный удвоенной глубине моря, т. е. 2h:
2h = vt.
Отсюда глубина моря:
h = vt/2
Следующая страница – смотреть
Назад в “Оглавление” – смотреть
Источник
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.
Источник