Звуковые волны

( 1.3 ).Формула ( 1.3 ) получила название  формулы Лапласа.  

     4.Распространение звуковых волн.

В процессе распространения звуковых волн в  среде происходит их затухание. Амплитуда  колебаний частиц среды постепенно уменьшается при возрастании  расстояния от источника звука. Одной  из основных причин затухания волн есть действие сил внутреннего трения на частицы среды. На преодоление  этих сил непрерывно используется механическая энергия колебательного движения, что  переносится волной. Эта энергия  превращается в энергию хаотического теплового движения молекул и  атомов среды. Поскольку энергия  волны пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то прираспространении волн от источника звука вместе с  уменьшением запаса энергии колебательного движения уменьшается и амплитуда колебаний. На распространение звуков в атмосфере влияет много факторов: температура на разных высотам, потоки воздуха. Эхо – это отраженный от поверхности звук. Звуковые волны могут отражаться от твердых поверхностей, от слоев воздуха в которых температура отличается от температуры соседних слоев.

5.Громкость звука

Громкость звука — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.                                            Единицей абсолютной шкалы громкости является сон. Громкость в 1 сон — это громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа.                                                                        Уровень громкости звука — относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах — дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку).

Зависимость уровня громкости от звукового давления и частоты

На рисунке  справа изображено семейство кривых равной громкости, называемых также  изофонами. Они представляют собой графики стандартизированных (международный стандарт ISO 226) зависимостей уровня звукового давления от частоты при заданном уровне громкости. С помощью этой диаграммы можно определить уровень громкости чистого тона какой-либо частоты, зная уровень создаваемого им звукового давления.

средства звукового  наблюдения

Например, если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие  этим значениям на диаграмме, находим  на их пересечении изофону, соответствующую  уровню громкости 50 фон. Это значит, что данный звук имеет уровень  громкости 50 фон.

Изофона «0 фон», обозначенная пунктиром, характеризует  порог слышимости звуков разной частоты для нормального слуха.

На практике часто представляет интерес не уровень  громкости, выраженный в фонах, а  величина, показывающая, во сколько  данный звук громче другого. Представляет интерес также вопрос о том, как  складываются громкости двух разных тонов. Так, если имеются два тона разных частот с уровнем 70 фон каждый, то это не значит, что суммарный  уровень громкости будет равен 140 фон.

Зависимость громкости  от уровня звукового давления (и интенсивности звука) является сугубо нелинейной кривой, она имеет логарифмический характер. При увеличении уровня звукового давления на 10 дБ (т. е. в 10 раз) громкость звука возрастёт в 2 раза. Это значит, что уровням громкости 40, 50 и 60 фон соответствуют громкости 1, 2 и 4 сона.

 
 

Объективные характеристики звука.

Любое тело, которое находится в упругой  среде и колеблеться со звуковой частотой, является источником звука. Источника звука можно поделить на две группы: источники, которые работают на собственной частоте, и источники, которые работают на вынужденных частотах. К первой группе принадлежат источники, звуки в которых создаются колебаниями струн, камертонов, воздушных столбов в трубах. Ко второй группе источников звука принадлежат телефоны. Способность тел излучать звук зависит от размера их поверхности. Чем большая площадь поверхности тела, тем лучше оно излучает звук. Так, натянутая между двумя точками струна или камертон создают звук довольно малой интенсивности. Для усиления интенсивности звука струн и камертонов их объединяют с резонаторными ящиками, которым присущий ряд резонансных частот. Звучание струнных и духовых музыкальных инструментов основано на образовании стоящих волн в струнах и воздушных столбах.

Интенсивность звука, который создается источником, зависит не только от его характеристик, а и от помещения, в котором  находится этот источник. После прекращения  действия источника звука рассеянный звук не исчезает внезапно. Это объясняется  отбиванием звуковых волн от стен помещения. Время, на протяжении которого после  прекращения действия источника  звук полностью исчезает, называют временами реверберации. Условно  считают, что время реверберации равняется промежутку времени, на протяжении которого интенсивность звука уменьшится в миллион раз.

     Время реверберации – это важная характеристика акустических свойств концертных залов, кинозалов, аудиторий и др. При большом времени реверберации музыка звучат довольно громко, но невыразительно. При малом времени реверберации музыка звучат слабо и глухо. Поэтому в каждом конкретном случае добиваются наиболее оптимальных акустических характеристик помещений. 
 
 

Субъективные  характеристики звука. 

     Человек ощущает звуки, которые лежат  в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Чувствительность органов слуха человека до разных частот неодинаковая. Для того, чтобы человек реагировал на звук, необходимо, чтобы его интенсивность была не меньше минимальной величины, которая носит название порога слышимости. Порог слышимости для разных частот неодинаковый. Людское ухо имеет наибольшую чувствительность к колебаниям частотой от 1 до 3 кГц. Порог слышимости для этих частот составляет около Дж/м2с. При значительном возрастании интенсивности звука ухо перестает воспринимать колебания как звук. Такие колебания вызывают ощущение боли. Наибольшую интенсивность звука, при которой человек воспринимает колебания как звук, называют порогом болевого ощущения. Порог болевых ощущений при указанных частотах отвечает интенсивности звука 1 Дж/м2с.

     Звук  как физическое явление характеризируют  частотой, интенсивностью или звуковым давлением, набором частот. Это объективные  характеристики звука. Органы слуха  человека воспринимают звукза громкостью, высотой тона, тембром. Эти характеристики имеют субъективный характер.

     Диаграмма на которой представлены области  частот и интенсивности,воспринимаемые человеческим ухом, называют диаграммой слуха.

     Физическому понятию интенсивности звука  отвечает громкость звука. Субъективную громкость звука нельзя точно  количественно измерить.

     Высота  звука определяется его частотой, чем больше частота, тем большим  будет высота звука. Органы слуха  человека довольно точно ощущают  изменение частоты. В области  частот 2 кГц может воспринимать два тона, частота которых отличается на 3 – 6 Гц.

     Тембр звука определяется его спектральных составом. Тембр – это оттенок  сложного звука, которым отличаются два звука одинаковой силы и высоты.

6. Эффект Доплера

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн (например, звука), распространяющихся в какой-либо среде, нужно принимать во внимание движение как источника, так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, в вакууме имеет значение только относительное движение источника и приёмника^[1].

Эффект был  впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году.

Также важен  случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

Сущность  явления.

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина  волны) зависит от скорости и направления  движения. Если источник движется по направлению  к приёмнику, то есть догоняет испускаемую  им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается:

где ω₀ — частота, с которой источник испускает волны, c — скорость распространения волн в среде, v — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и  движущегося приёмника

где u — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив вместо ω₀ в формуле (2) значение частоты ω из формулы (1), получим формулу для общего случая:

 
 

7.Вывод

Человек живет в океане звука, он обменивается информацией с помощью звука, воспринимает ее от окружающих его  людей. Поэтому знать основные характеристики звука, его подвиды и их использование  просто необходимо. Сильные шумы опасны для здоровья человека и могут  привести к сильным головным болям, расстройству координации движения. Поэтому нужно с уважением  относится к столь сложному и  интересному явлению, каким есть звук.