Субъективные и объективные характеристики звука сообщение

Обновлено: 30.06.2024

Звуковыми волнами называют упругие волны с частотами от 16 до 20000 Гц, воспринимаемые органами слуха человека.

Звуковые волны в жидких и газообразных телах являются продольными. В твердых телах могут распространяться как продольные, так и поперечные звуковые волны.

Упругие волны с частотой   16 Гц называют инфразвуком, а с частотой   2000 Гц — ультразвуком.

Благодаря упругим связям между частицами среды, колебания какой-нибудь частицы передаются соседней. Скорость передачи колебаний в упругой среде представляет собой скорость звука. Скорость звука в сухом воздухе при t = 0 °C v=331,6 м/с. С повышением температуры скорость звука в воздухе возрастает:

При распространении звуковых волн частицы среды совершают колебательные движения с определенной скоростью. Если эти колебания гармонические, то максимальная колебательная скорость

а эффективная колебательная скорость

Звуковые ощущения принято характеризовать громкостью, высотой и тембром. Эти характеристики являются субъективными. Соответствующие объективные характеристики даны в табл. 23.1.

Таблица 23.1

№№	Характеристики
№№	субъективные	объективные
1	Громкость звука	Интенсивность (сила) звука
2	Высота	Частота
3	Тембр	Форма звуковых колебаний

Интенсивность звуковой волны, как следует из формулы (22.10), пропорциональна квадрату амплитуды и частоты колебаний. Диапазон слышимости человека: 10 -6 . 10 6 мкВт/м 2 .

Физиологическая особенность восприятия звука человеком состоит в том, что если интенсивность звуковых волн возрастает в геометрической прогрессии, то громкость звука — в арифметической, т.е. приближенно справедлив закон: громкость звука, ощущаемая ухом, пропорциональна логарифму интенсивности звуковой волны.

Для сравнения интенсивности звука различной громкости пользуются единицей уровня звука — бел. Если интенсивность одного звука в 10 раз больше другого, то его громкость на 1 бел выше. Громкость звука связана с его интенсивностью законом Вебера-Фехнера:

где I₀ = 10 -12 Вт/м 2 — порог слышимости.

Высота звука, воспринимаемая человеком, определяется частотой звуковой волны. Звуки разной частоты воспринимаются человеком по-разному (рис. 23.1). На рис. 23.1 кривая 1 ограничивает область восприятия звуковых колебаний любого типа, кривая 2 — музыкальных звуков, кривая 3 — речи. Лучше всего воспринимаются звуковые волны частотой в несколько тысяч Герц.

Тембр звука определяется формой звукового сигнала или (что то же) числом одновременно звучащих музыкальных гармоник (тонов) — рис. 23.2. На этом рисунке а — музыкальная гармоника, б — созвучие (музыкальный звук) — наложение нескольких гармоник; в — шум — нерегулярное колебание, возникающее в результате сложения большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами, г — взрыв.

Частотный состав звука определяют с помощью его спектра. Спектр звука представляют обычно на координатной плоскости, где по оси абсцисс откладывается частота , а по оси ординат — амплитуда A соответствующей гармоники. Чистые тона, звуки с периодической формой волны, а также звуки, полученные при сложении нескольких волн, обладают линейчатым спектром (рис. 23.3). Акустические шумы, одиночные импульсы, затухающие звуки имеют сплошной спектр (рис. 23.4).


Рис. 23.3	Рис. 23.4

2. Распространение звуковых волн

Звуковые волны при своем распространении подчиняются тем же закономерностям, что и световые. В частности, они могут огибать препятствия, (явление дифракции), для них выполняются законы отражения и преломления. На границе раздела двух сред (например, воздух-вода) направление распространения звуковых волн изменяется. На основании закона преломления

можно сделать вывод, что если v₂ ^ I — интенсивность звука, прошедшего слой среды толщиной x ; I₀ — начальная интенсивность звука;  — коэффициент поглощения.

Особенность распространения звуковых волн в воде — их слабое затухание. Никакие виды электромагнитных волн, в том числе световые, не распространяются в воде на сколько-нибудь значительные расстояния, поэтому звуковые волны — это единственно возможное средство получения информации и связи под водой. Для этих целей используют как звуковые, так и ультразвуковые частоты. Наиболее широко в гидроакустике применяются эхолоты и гидролокаторы, которые используют для навигационных целей (плавание вблизи скал, рифов); для рыбопромысловой разведки, поисковых работ; для решения военных задач (поиск подводных лодок противника, безперископная торпедная атака и т.д.). Пассивным средством подводного наблюдения служат шумопеленгаторы.

3. Ультразвук

Ультразвуком называют звуковые волны с частотами от 210 4 до 10 13 Гц. Верхний предел частот ультразвука в данной среде определяется межмолекулярным расстоянием (или длиной свободного пробега в газе): в кристаллах и жидкостях он равен 10 12 -10 13 Гц, а в газах — 10 9 Гц.

Из-за большой частоты (малой длины волны) ультразвук характеризуется особыми свойствами. Так, ультразвуковые волны подобно световым могут образовывать строго направленные пучки. Отражение и преломление этих пучков на границе двух сред подчиняется законам геометрической оптики. С помощью вогнутых зеркал ультразвуковые волны можно направлять от источника в строго определенном направлении.

Ультразвуковые волны большой интенсивности можно получать даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде I   2 (формула (22.10)). Поэтому высоким частотам ультразвука соответствуют большие интенсивности (до 20 Вт/см 2 ). Это приводит к нагреву тел, подвергающихся воздействию ультразвука, к образованию в жидкостях пустот в виде мельчайших пузырьков с кратковременным возрастанием давления до сотен и тысяч атмосфер (явление кавитации).

Ультразвуковые волны ускоряют протекание процессов диффузии, существенно влияют на растворимость веществ и в целом на ход химических реакций в жидкой фазе. Ультразвук применяют в технике для ускорения процессов тепло- и массообмена; получения металлов с мелкокристаллической структурой; очистки (с помощью кавитации) от загрязнений различных деталей (часовое производство, электронная техника и т.д.); пайки алюминиевых деталей; сварки пластмассовых изделий и т.д.; ультразвуковой дефектоскопии; звуковидения (преобразования по схеме: ультразвук  электрические колебания  световые колебания).
^

4. Эффект Доплера в акустике

Эффект Доплера состоит в изменении частоты звуковых колебаний при движении источника или приемника относительно среды, в которой распространяются звуковые волны.

Обозначим: c — скорость звука в данной среде; u и v — скорость соответственно источника и приемника относительно среды. Различные частные случаи движения источника и приемника приведены в табл. 23.2.

Сделаем необходимые комментарии.

В случае 2 приемник движется навстречу источнику; скорость звука относительно приемника становится c+v. Формула (23.2) получается из (23.1) заменой в числителе с  с+v.

В случае 3 источник движется навстречу приемнику. Пока волна проходит по направлению к приемнику расстояние, равное длине волны ₀, источник успевает сместиться на расстояние uT, где T — период колебаний. Источник как бы сжимает волну в направлении своего движения и ее длина будет.

В формуле (23.4) (общий случай) верхний знак берется в случае сближения приемника и источника, а нижний — в случае удаления.

Эффект Доплера используется для определения скорости различных движущихся тел, начиная от астрономических объектов (звезд и галактик) и заканчивая судами и автотранспортом.

Молекулярная физика – это раздел физической науки, исследующий физические свойства и агрегатные состояния физических тел в зависимости от их молекулярного строения, характера теплового движения молекул и сил взаимодействия между ними.

Все физические тела состоят из отдельных частиц – молекул или атомов, между которыми имеются пустоты.
Частицы находятся в состоянии непрерывного хаотического (теплового) движения, интенсивность которого возрастает с температурой.
Между частицами (молекулами) действуют силы межмолекулярного взаимодействия, которые сложным образом зависят от вида частиц и расстояний между ними.

Состояние системы из небольшого числа частиц можно в принципе описать, используя динамический подход. Для этого, зная начальные координаты и импульсы частиц, необходимо решить уравнения динамики для каждой из них. При составлении таких уравнений необходимо знать конкретный характер взаимодействия между частицами. Если число частиц составляет N, то в общем случае необходимо решить 6N уравнений. В результате можно установить значения координат и импульсов всех частиц в любой момент времени.

Физические тела, исследуемые в молекулярной физике, представляют собой системы с очень большим числом частиц (например, при нормальных условиях в 1 см 3 газа находится 10 19 молекул). Для таких систем динамический подход совершенно неприменим, поскольку невозможно ни решить такое число уравнений, ни получить информацию о начальных значениях координат и скоростей всех молекул. Однако именно большое число частиц в макроскопических телах приводит появлению новых статистических закономерностей в поведении таких тел.

Все молекулы движутся в соответствии с законами Ньютона, обладая в определенный момент времени определенными значениями координат и импульсов.
При взаимодействии молекул выполняются законы сохранения импульса, момента импульса и энергии.
Выполняется принцип различимости молекул, т.е. можно проследить за движением отдельно взятой молекулы (траекторией, импульсом и т.д.).

Термодинамический метод состоит в изучении свойств систем взаимодействующих тел исследованием превращений энергии в них. В основе термодинамики лежат два установленных экспериментально принципа – законы термодинамики (см. § 9.2 и 9.8). Использование этих общих принципов позволяет отказаться от рассмотрения молекулярного строения конкретных тел, поэтому выводы термодинамики характеризуются чрезвычайно большой общностью. Однако термодинамический метод не дает сведений о механизме протекания конкретных физических процессов, что является его слабостью.

1.Важным видом продольных волн являются звуковые волны. Так называются волны с частотами 17 – 20000 Гц. Учение о звуке называется акустикой. В акустике изучаются волны, которые распространяются не только в воздухе, но и в любой другой среде. Упругие волны с частотой ниже 17 Гц называются инфразвуком, а с частотой выше 20000 Гц – ультразвуком.

Звуковые волны – упругие колебания, распространяющиеся в виде волнового процесса в газах, жидкостях, твердых телах.

2. Избыточное звуковое давление. Уравнение звуковой волны.

Уравнение упругой волны позволяет вычислить смещение любой точки пространства, по которому проходит волна, в любой момент времени. Но как говорить о смещении частиц воздуха или жидкости от положения равновесия? Звук, распространяясь в жидкости или газе , создает области сжатия и разряжение среды, в которых давление соответственно повышается или понижается по сравнению с давлением невозмущенной среды.

Если - давление и плотность невозмущенной среды (среды, по которой не проходит волна), а - давление и плотность среды при распространении в ней волнового процесса, то величина называется избыточным давлением. Величина есть максимальное значение избыточное давление (амплитуда избыточного давления).

Изменение избыточного давления для плоской звуковой волны (т.е. уравнение плоской звуковой волны) имеет вид:

где y – расстояние от источника колебаний точки, избыточное давление в которой мы определяем в момент времени t. Если ввести величину избыточной плотности и ее амплитуды так же, как мы вводили величину избыточного звукового давления, то уравнение плоской звуковой волны можно было бы записать так:

3. Объективные и субъективные характеристики звука.

К объективным (физическим ) характеристикам звука относятся характеристики, которые описывают любой волновой процесс: частота, интенсивность и спектральный состав. В таблицу 3 включены сравнительные данные объективных и субъективных характеристик.

Эффект Доплера - изменение частоты волны, воспринимаемой наблюдателем (приемником) благодаря относительному движению источника волн и наблюдателя. Если источник волн приближается к наблюдателю, число волн, прибывающих к наблюдателю волн, каждую секунду превышает испускаемое источником волн. Если источник волн удаляется от наблюдателя, то число испускаемых волн больше, чем прибывающих к наблюдателю.

Аналогичный эффект следует в случае, если наблюдатель перемещается относительно неподвижного источника.

Примером эффекта Доплера является изменение частоты гудка поезда при его приближении и удалении от наблюдателя.

Общее уравнение для эффекта Доплера имеет вид

Здесь ν_источн - частота волн, испускаемых источником, и ν_приемн - частота волн, воспринятая наблюдателем. ν₀ - скорость волн в неподвижной среде, ν_приемн и ν_источн - скорости наблюдателя и источника волн соответственно. Верхние знаки в формуле относятся к случаю, когда источник и наблюдатель перемещаются друг к другу. Нижние знаки относятся к случаю удаления друг от друга источника и наблюдателя волн.

Изменение частоты волн вследствие эффекта Доплера называют доплеровским сдвигом частоты. Этот феномен используется для измерения скорости перемещения различных тел, включая эритроциты в кровеносных сосудах.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

Рассмотрим несколько случаев проявления акустическогоэффекта Доплера:

1) Пусть приемник звуковых волн П в газообразной (или жидкой) среде неподвижен относительно нее, а источник И удаляется от приемника со скоростью вдоль соединяющей их прямой (рис.2, а).

Источник смещается в среде за время, равное периоду его колебаний, на расстояние , где – частота колебаний источника.

Поэтому при движении источника длина волны в среде отлична от ее значения при неподвижном источнике:

, где – фазовая скорость волны в среде.

Частота волны, регистрируемая приемником,

2) Если вектор скорости источника направлен под произвольным углом к радиус-вектору , соединяющему неподвижный приемник с источником (рис. 2, б), то частота волны будет равна:

3) Если источник неподвижен, а приемник приближается к нему со скоростью вдоль соединяющей их прямой (рис.2, в), то длина волны в среде . Однако, скорость распространения волны относительно приемника равна ,

так что частота волны, регистрируемая приемником

4) В том случае, когда скорость направлена под произвольным углом к радиус-вектору , соединяющему движущийся приемник с неподвижным источником (рис. 2, г), имеем:

5) В самом общем случае, когда и приемник и источник звуковых волн движутся относительно среды с произвольным скоростями (рис.2, д), частота волны

Эту формулу можно также представить в виде (если )

где – скорость источника волны относительно приемника, а – угол между векторами и . Величина , равная проекции на направление , называетсялучевой скоростью источника.

С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию ультразвука на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа).

Поскольку человеческое тело состоит сплошь из жидкостей, скорость которых можно измерить, эффект Доплера широко используется и в медицине, чтобы измерять скорость кровотока, скорость движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.

Во всем мире данное явление используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.

Радиолокация – это определение местоположения объекта, обычно самолета или ракеты, путем облучения его высокочастотными радиоволнами и последующей регистрации отраженного сигнала. Если объект движется с большой скоростью в направлении радиолокатора или от него, то сигнал будет принят со значительным доплеровским сдвигом частоты, и по этому сдвигу можно вычислить скорость объекта. Точно так же доплеровский сдвиг частоты ультразвукового сигнала используется для определения скорости движения подводных лодок.

Эффект Доплера также лежит в основе работы автосигнализации, которая действует для обнаружения движущихся объектов вблизи и внутри автомобиля.

Эффект Доплера в акустике объясняется тем, что частота колебаний, воспринимаемых приемником, определяется скоростями движения источника колебаний и приемника относительно среды, в которой происходит распространение звуковых волн. Эффект Доплера наблюдается также и при движении относительно друг друга источника и приемника электромагнитных волн. Так как особой среды, служащей носителем электромагнитных волн, не существует, то частота световых волн, воспринимаемых приемником (наблюдателем), определяется только относительной скоростью источника и приемника (наблюдателя). Закономерности эффекта Доплера для электромагнитных волн устанавливаются на основе специальной теории относительности .

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны λ) 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 — круговая частота, с которой источник испускает волны, — скорость распространения волн в среде, — 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 — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

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

Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

Ультразвук и его отражение на границе раздела биологических сред

Скорость распространения ультразвука прямо пропорциональна длине волны и частоты колебаний:

В мягких тканях тела человека она составляет примерно 1540 м/с. Частота колебаний, которая используется в клинических исследованиях, составляет 2.25 МГц. Таким образом, длина волны ультразвука составляет 0.6 мм. При такой длине волны ультразвук легко фокусируется в луч, что очень важно при проведении диагностического исследования. Зная скорость распространения ультразвука (с), можно определить размеры исследуемых объектов и глубину залегания отражающих ультразвук структур, так как путь, проходимый ультразвуком (S), вычисляется по формуле:
,
где t - время, в течение которого луч проходит через исследуемый объект.
При определении глубины залегания отражающей структуры путь, проходимый ультразвуком, делят пополам, так как расстояние до структуры луч проходит дважды:

Мощность ультразвуковой энергии характеризует амплитуда колебаний ультразвуковой волны при одной и той же частоте колебаний.

Интенсивность колебаний определяется количеством энергии, проходящей за одну секунду через один квадратный сантиметр площадью, расположенной перпендикулярно к направлению распространения ультразвукового луча, и измеряется в ваттах на квадратный сантиметр. В медицинской практике интенсивность ультразвуковых колебаний подразделяется на три основных вида: малая (до 1, 5 Вт/см2), средняя (1,5 - 3 Вт/см2) и большая (3 - 10 Вт/см2).

Поглощение ультразвуковых колебаний и их рассеивание характеризует глубину проникновения ультразвука в ткани. Потери энергии ультразвука при прохождении через среду возрастают с увеличением частоты колебаний, вязкости среды и её теплопроводность. Для определения степени поглощения и ослабления ультразвука в ткани введён термин “глубина полупоглощения”, отражающий расстояние, которое должен пройти ультразвук в данной среде, пока его энергия не уменьшится вдвое:

Ткань	Частота, Мгц	Глубина полупоглащения, см
Мышца	0,8	2,1
Жировая ткань	0,8	3,3
Костная ткань	0,8	0,23
Кровь	1,0	35,0

1.2.1. Распространение ультразвуковых колебаний.
Если длина волны значительно превышает диаметр пластины излучателя, то звуковые волны распространяются во все стороны от источника в форме так называемых сферических волн. Если же длина волны уменьшается, то ультразвуковая энергия концентрируется в луч. Ультразвуковые колебания имеют очень малую длину волны и могут быть получены в виде узких пучков, распространяющихся аналогично световым лучам по законам оптики. Параллельное прохождение луча определяется радиусом датчика (r) и длиной волны (?):

Например, если выбрать датчик диаметром r = 12 см и при частоте ультразвука 2.25 МГц луч будет оставаться параллельным на расстоянии 6 см. На глубине 10 см ширина луча уже будет вдвое больше диаметра датчика. При диаметре датчика 1 мм l= 0.4 мм. Для уменьшения степени расхождения луча применяют датчики с фокусирующими ультразвуковыми линзами:

Схема фокусированного ультразвукового датчика.
Вогнутая линза делает луч сходящимся в начальном отделе и значительно уменьшает степень его расхождения в дальнейшем. Использование линз с разной степенью кривизны позволяет создать фокусную линзу а различном расстояние от датчика.
1.2.2. Отражение ультразвука.
Характер прохождения ультразвукового луча через ту или иную среду зависит от её сопротивления (Z). Сопротивление ткани зависит от её плотности (?) и скорости распространения (с):

Когда луч проходит через гомогенную среду, его ход представляет прямую линию. Достигнув границы раздела сред с различным ультразвуковым сопротивлением, часть ультразвука отражается, а другая часть продолжает свой путь через среду. Коэффициент отражения (K) зависит от разности ультразвукового сопротивления на границе раздела среды:

где, , соответственно акустические сопротивления сред.
При этом чем больше разность, тем сильнее степень отражения:

Схема отражения ультразвука на границе раздела сред с малым (1-2) и большим (3-4) ультразвуковым сопротивлением.
При этом степень отражения зависит от угла падения луча на поверхность раздела сред: чем больше угол приближается к прямому, тем сильнее степень отражения. Чем выше частота ультразвука (т.е., чем короче длина волны), тем меньше допустимое расстояние между двумя границами раздела сред, от которых возможно отражение (т.е., тем выше разрешающая способность). Распространение и отражение ультразвука - два основных принципа, на которых основано действие всей диагностической ультразвуковой аппаратуры.
1.2.3. Получение ультразвуковых колебаний.
Основой генерирования и регистрацией ультразвуковых колебаний является прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Для получения ультразвуковых колебаний используют обратный пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что при создании электрических зарядов на поверхности граней кристалла, последний начинает сжиматься и растягиваться, генерируя акустические колебания. Большим преимуществом пьезоэлектрических преобразователей является то, что источник ультразвука может служить одновременно и его приёмником. При этом в действие вступает прямой пьезоэлектрический эффект, когда при деформации пьезокристалла воспринимаемым ультразвуковым сигналом на его гранях образуются разностные электрические потенциалы, которые регистрируются. Длина волны генерируемого ультразвука зависит от толщины пластинки кристалла, соответствующей в грубом приближении половине генерируемой волны. Для получения ультразвуковых колебаний чаще всего используется кристалл титаната циркония, сегнетова соль, дигидрофосфат калия и др. Коэффициент полезного действия достигает 60 -90 %.

На границе раздела двух сред образуются отражённые волны, амплитуда которых (А) зависит от акустического сопротивления соприкасающихся сред и амплитуды излучающей волны.

где Аотр - амплитуда отраженной волны, Аизл- амплитуда излучающей волны,к - коэф-фициент отражения.

Источники ультразвука
Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титаната бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

Глава 1. Природа звука и ультразвуковой волны

Глава 2. Основные характеристики звуковых волн

2.1. Скорость звука

2.2. Распространение звуковых волн

2.3. Интенсивность звука

2.4. Объективные характеристики звука

2.5. Субъективные характеристики звука

Глава 3. Эффект Доплера

Глава 4. Ультразвук

Глава 5. Инфразвук

Список использованной литературы

Введение

Мы живем в мире информации, и главная ее часть проходит через глаза и слух человека. Согласно исследованиям физиологов визуальная информация занимает первое место, но и слуховая не менее важна.

Мы живем в мире звуков, это и музыка и шумы разной природы, и речь, и музыка. Поэтому надо знать природу звука, уравнения и законы, которые описывают его распространения и поглощения в различных средах. Это необходимо знать людям различных профессий: музыкантам и строителям, звукорежиссерам и архитекторам, биологам и геологам, сейсмологам, военным. Все они имеют дело с различными сторонами практического распространения звука в разных средах. Распространение звука в помещениях, „ звучание ” помещений важно для строителей, музыкантов. За звуковыми сигналами сейчас исследуют пути миграций перелетных птиц биологи, находят косяки рыб в океане рыбаки. Геологи с помощью ультразвука исследуют земную кору в поисках новых месторождений полезных ископаемых. Сейсмологи, изучая распространение звуков в земле, учатся предсказывать землетрясения и цунами. Для военных большое значение имеет профиль корпусов военных кораблей и подводных лодок, ведь это влияет на скорость движения корабля и на издаваемый им шум, который для подводных лодок должен быть минимальным, всем этим и обусловлена актуальность моей работы. Развитие физики и математики сделало возможным рассчитать все это. Поэтому звуковые явления были выделены в отдельную науку, которая получила название акустики.

Целью моей работы является рассмотрение основных законов и правил распространения звука в различных средах, виды звуковых колебаний и их применение в науке и технике.

Глава 1. Природа звука, уравнение звуковой волны

Сначала рассмотрим природу звуковых колебаний. Как известно из физики источником любых колебаний: звуковых, электромагнитных есть волна.

Упругие волны, которые распространяются в сплошных средах, называют звуковыми. К звуковым волнам принадлежат волны, частоты которых лежит в пределах восприятия органами слуха. Человек воспринимает звуки тогда, когда на его органы слуха действуют волны с частотами от 16 до 20 000 Гц. Упругие волны, частота которых меньше 16 Гц, называют инфразвуковыми, а волны, частота которых лежит в интервале от 2 Ч 104 до 1 Ч 109 Гц - ультразвуковыми.

Раздел физики, в котором изучаются звуковые волны (их возбуждение, распространение, восприятие и взаимодействие их с препятствиями и веществом среды ) называют акустикой.

Любой колебательный процесс описывается уравнением. Выведено оно и для звуковых колебаний:

Развитие техники позволило проводить и визуальное наблюдение звука. Для этого используют специальные датчики и микрофоны и наблюдают звуковые колебания на экране осциллографа.

Глава 2. Основные характеристики звуковых волн.

2.1. Скорость звука.

К основным характеристикам звуковых волн относят скорость звука, его интенсивность - это объективные характеристики звуковых волн, высоту тона, громкость относят к субъективным характеристикам. Субъективные характеристики зависят в большой мере от восприятия звука конкретным человеком, а не от физических характеристик звука.

Измерение скорости звука в твердых телах, жидкостях и газах указывают на то, что скорость не зависит от частоты колебаний или длины звуковой волны, т.е. для звуковых волн не характерна дисперсия. В твердых телах могут распространяться продольные и поперечные волны, скорость распространения которых находят с помощью формул:

где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига в твердых телах. В твердых телах скорость распространения продольных волн почти в два раза больше чем скорость распространения поперечных волн.

В жидкостях и газах могут распространяться лишь продольные волны. Скорость звука в воде находят за формулой:

где K- модуль объемного сжатия вещества.

В жидкостях при возрастании температуры скорость звука возрастает, что связано с уменьшением коэффициента объемного сжатия жидкости.

Для газов выведена формула, которая связывает их давление с плотностью:

впервые эту формулу для нахождения скорости звука в газах использовал И. Ньютон. Из формулы ( 1.1) видно, что скорость распространения звука в газах не зависит от температуры, она также не зависит от давления, поскольку при возрастании давления возрастает и плотность газа. Формуле ( 1.1 ) можно придать и более рациональный вид: на основе уравнения Менделеева - Клапейрона

тогда скорость звука будет равна:

Формула ( 1.2 ) носит название формулы Ньютона. Рассчитанная с ее помощью скорость звука в воздухе составляет при 273К 280 м/с. Реальная же экспериментальная скорость составляет 330 м/с. Этот результат значительно отличается от теоретического и причину этого установил Лаплас. Он показал, что распространение звука в воздухе происходит адиабатно. Звуковые волны в газах распространяются так быстро, что, что созданные локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой. Лаплас вывел уравнение для нахождения скорости звука в газах:

.Формула ( 1.3 ) получила название формулы Лапласа.

2.2. Распространениезвуковых 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.

2.3. Интенсивность звука

Для сравнения интенсивности L звука или звукового давления используют уровень интенсивности. Уровнем интенсивности называют умноженный на 10 логарифм отношений двух интенсивностей звука. ВеличинаL измеряется в децибелах. Для указания абсолютного уровня интенсивности вводят стандартный порог слышимости І0 человеческого уха на частоте 1000 Гц, по отношению к которому указывается интенсивность. Порог слышимости равен: В таблице 1 представлены интенсивности различных природных и техногенных звуков и их интенсивности.

2.4. 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.

2.5. 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.

Глава 3. Эффект Доплера для звука

Скорость распространения звуковых волн в среде не зависит от движения источника и приемника звука. Опыт показывает, что когда источник и приемник звука, неподвижны относительно среды, в которой распространяются звуковые волны, то частота звука, которую генерирует источник, равняется частоте, которую регистрирует приемник. Совсем другая картина, когда источник звука и приемник находятся в движении относительно среды в которой распространяется звук. При этом частота звука, которую регистрирует приемник, отличается от частоты звука, которую генерирует источник. Изменение частоты звука, который воспринимается при относительном движении источника и приемника звука, называется эффектом или явлением Доплера. Примером эффекта Доплера будет изменение частоты гудка тепловоза во время движения и в состоянии покоя.

Рассмотрим сначала случай, когда источник звука неподвижен относительно среды, в которой распространяются звуковые волны. Если частота колебаний звука х0 и скорость его распространения в среде V, то длина звуковой волны

При движении приемника со скоростью к источнику вдоль линии, которая их соединяет, скорость распространения звука относительно приемника будет равняться V +. Поскольку длина звуковой волны при этом не изменяется, то за единицу времени к подвижному приемнику придет большее количество волн, чем к недвижимому. Частота колебаний, которую регистрирует подвижный приемник, будет равна:

Отсюда вытекает, что приемник, который двигается к источнику звука, регистрирует большую частоту, чем частота колебаний источника звука. Если приемник звука отдаляется от покоящегося источника звука со скоростью , то скорость звуковых волн относительно приемника будет V - . Приемник звука будет регистрировать при этом меньшую частоту, чемта, которую генерирует источник звука, а именно:

Если источник и приемник звука будут двигаться одновременно, то длинна волны и скорость их распространения относительно приемника звука будут меняться. При этом частота, которую регистрирует приемник будет:

Знак плюс в числителе выражения отвечает случаю, когда приемник приближается к источнику звука, знак минус - когда отдаляется. В знаменателе знаки стоят наоборот, т.е. знак минус указывает на приближение источника к приемнику звука, а знак плюс - на отдаление его от источника звука.

Если приемник или источник звука двигаются не вдоль прямой, которая соединяет их, то эффект Доплера определяется проекциями скоростей движения на направление этой прямой. Заметим, что все скорости, которые входят в формулу ( 5.1 ), определяются относительно той среды, в которой распространяется звук. Эффект Доплера наблюдается и для электромагнитных волн.

Глава 4. Ультразвук

Как уже отмечалось, упругие волны, частоты которых лежат в интервале от 2Ч104 до 109 Гц, называют ультразвуком. Весь диапазон частот ультра звуковых волн условно разделяют на три поддиапазона: ультразвуковые волны низких (2 Ч 104-105 Гц), средних (105 - 107 Гц) и высоких частот (107 -109 Гц).

За физической природой ультразвуковые волны такие, как и звуковые волны любой длинны. Тем не менее, вследствие более высоких частот ультразвук имеет ряд специфических особенностей при его распространении. В связи с тем, что длины ультразвуковых волн довольно малые, характер их распространения определяется в первую очередь молекулярными свойствами вещества. Характерная особенность распространения ультразвука в многоатомных газах и в жидкостях - это существование интервалов длин волн, в пределах которых проявляется зависимость фазовой скорости распространения волн от их частоты, т.е. имеет место дисперсия звука. В этих интервалах длинны волн также происходит значительное поглощение ультразвука. Поэтому при распространении его в воздухе происходит более значительное его затухание, чем звуковых волн. В жидкостях и твердых телах (особенно монокристалах) затухание ультразвука значительно меньше. Поэтому область применения ультразвука средних и высоких частот лежит в основном в жидких и твердых средах, а в воздухе и в газах применяют только ультразвук низких частот.

Еще одна особенность ультразвука - это возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, поскольку при определенной амплитуде плотность потока энергии пропорциональная квадрату частоты.

До важных явлений, которые возникают в жидкостях при прохождении ультразвука, принадлежит кавитация. Это получение кратковременных импульсов давления при схлопывании пузырьков воздуха.

Для получения ультра звуковых волн используют механические и электромеханические приборы. К механическим можно отнести воздушные и жидкостные сирены и свистки. Многие вещества могут генерировать ультразвук при помещении их в высокочастотное электрическое поле, к таким веществам относят кварц, сегнетовую соль, титанат бария.

Ультразвук используют во многих областях знаний, науке и технике.Его используют для изучения свойств и строения вещества. С его помощью получают информацию о строении морского дна, его глубине, находят косяки рыб в океане. Ультра звуковые волны могут проникать через металлические изделия толщиной около 10 метров. Это их свойство положено в основу принципа работы ультра звукового дефектоскопа, который помогает находить дефекты и трещиныв твердых телах. В медицине это свойство ультразвука положено в основу работы приборов ультразвуковой диагностики, которые позволяют визуализировать внутренние органы, диагностировать болезни на ранних стадиях.

Действие ультразвуковых колебаний непосредственно на расплавы дает возможность получить более однородную структуру металлов. Ультразвуковая кавитация применяется для очищения от грязи поверхностей деталей (часовое производство, приборостроение, электронная техника и др.). На основе кавитации осуществляется металлизация тел и пайка, дегазация жидкостей. Кавитационные ударные волны могут диспергировать твердые тела и жидкости, образовывая эмульсии и суспензии.

Глава 5. Инфразвук

Некоторые инфразвуки человек воспринимает, но не органами слуха, а организмом в целом. Дело в том, что некоторые внутренние органы человека имеют собственную резонансную частоту колебаний 6 - 8 Гц. При действии инфразвука этой частоты возможное возникновение резонанса колебаний этих органов, который вызывает неприятные ощущения.

Исследованиями ученых разные страны установлены, что инфразвук любых частот и интенсивностипредставляет собой реальную угрозу для здоровья человека. Полученные результаты дают возможность сделать вывод, что инфразвук приводит к потере чувствительности органов равновесия тела, которое в свою очередь приводит к появлению боли в ушах, позвоночнике и повреждений мозга. Еще более пагубно влияет инфразвук на психику человека.

Свойство ультразвуковых колебаний распространяться на большие расстояния в земной коре лежит в основе сейсмологии - науки, которая изучает землетрясения и исследует внутреннее строение Земли. Кроме океанологии и сейсмологии, инфразвук применяют в работе некоторых приборов и механизмов для разных практических целей. С помощью таких приборов стараются предусмотреть землетрясения, приближение цунами.

Заключение

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. Использование звуковых и ультра звуковых волн находит все большее применение в жизни человека. Их используют в медицине и технике, на их использовании основаны многие приборы, особенно для исследования морей и океанов. Где из - за сильного поглощения радиоволн звуковые и ультра звуковые колебания есть единственным способ передачи информации.

Как было сказано выше человек живет в океане звука и нам также не нужно забывать и о чистоте этого океана. 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.

Список использованной литературы.

1. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. - К.: Высшая школа, 1995. - 430 с.

2. Исакович М. А.Общая акустика. - М.: Наука, 1973. - 495 с.

3. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. - М.: Наука, 1995. - 343 с.

4. Клюкин И. И. Удивительный мир звука. - Л.: Судостроение, 1978. - 166 с.

5. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1983. - 520 с.

6. Лепендин Л. Ф. Акустика. - М.: Высшая школа, 1978. - 448 с.

7. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1982. - 846 с.

8. Шебалин О. Д. Физические основы механики и акустики. - М.: Высшая школа, 1981. - 263 с.

К Субъективным характеристикам звука относят громкость звука, высоту (тона), тембр.

Громкость определяется интенсивностью. Громкость звука измеряется в фонах. Наибольшая интенсивность звука-порог болевого ощущения(I=1Вт/м2). Высота звука связана с частотой - более высокочастотные колебания - высокие, более низкочастотные - низкие. Тембр определяется спектральным составом звука. Тембр-оттенок сложного звука, которым отличаются 2 звука одинаковой силы и высоты.

Закон Вебера — Фехнера

Психофизический закон Вебера – Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии, то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии.

E=k ln I/Io, где I-значение интенсивности раздражителя, Io -порог слышимости: если I -12 Вт/м 2 , р = 0,00002 Па(звуковое давление), L= 0 дБ(ур-нь громкости звука для частоты 1кГц). Порог болевого ощущения- величина звукового давления, при котором в слуховом органе возникают боли. I = 10, р=64, L = 130.

Аудиограмма. Аудиометрия. Графики, пояснения, применение в медицине

Аудиометрия – метод измерения остроты слуха. Аудиограмма-график,отражающий состояние слуха человека. (х-частота, у-пороги слышимости на соотв.частотах (L)дб). При аудиометрии на специальном приборе аудиометре определяют порог слухового ощущения на разных частотах. Сравнивание аудиограммы больного с с нормальной кривой порога слышимости помогает диагностировать заболевание органов слуха(в норме аудиограмма плоская)

Инфразвук, диапазон частот; эффекты и механизмы воздействия инфразвука на организм человека

Инфразвуком называют механические упругие волны с частотой ниже 20 Гц.

Инфразвук вызывает усталость, головную боль, сонливость, раздражение и т.д. Первичный механизм действия ИЗ имеет резонансную природу. Резонанс наступает при близких значения частоты вынуждающей силы и частоты собственных колебаний. Длина волны больше чем

Ультразвук; шкала интенсивностей ультразвука; особенности ультразвука; воздействие ультразвука на организм, применение в медицине.

Ультразвуком называют продольные механические волны с частотами колебаний выше 20 КГц.

Действие ультразвука на ткани организма.

Степень воздействия того или другого вида определяется интенсивностью. В связи с этим в медицине различают три уровня интенсивностей ультразвуков:

1 уровень - до 1,5 Вт / см 2 ,

2 уровень - от 1,5 до 3 Вт / см 2 ,

3 уровень - от 3 до 10 Вт / см 2 .

Механические действие обусловлено переменным акустическим давлением, вызывает микровибрацию, что приводит к изменению функционального состояния клеток: повыш. Проницаемость мембран, усиливаются пр-сы диффузии и осмоса. Тепловое действие: переход механическй энергии в тепловую, интенсификация пр-сов. Физико – химическое действие: Пространственная перестройка внутриклеточных м-лярных комплесов, повышение активности ряда ферментов.

6.Особенности тока крови по крупным сосудам, средним и мелким сосудам, капиллярам;
ток крови при сужении сосуда, звуковые эффекты.

Скорость кровотока в разных сосудах различна. В дальнейшем, когда капилляры сливаются в венулы, в вены, вплоть до полой вены, суммарный просвет сосудов опять уменьшается и, скорость течения крови снова увеличивается. В капиллярах и венах кровоток постоянен, в других отделах сердечно-сосудистой системы наблюдаются пульсовые волны. Распространяющуюся по аорте и артериям волну повышенного давления, вызванную выбросом крови из левого желудочка сердца в период систолы, называют пульсовой волной. Если бы стенки этих сосудов были жесткими, то давление, возникающее в крови на выходе из сердца, со скоростью звука передалось бы к периферии. Однако упругость стенок сосудов приводит к тому, что во время систолы кровь, выталкиваемая сердцем, растягивает аорту, артерии и артериолы. Крупные сосуды воспринимают за время систолы больше крови, чем ее оттекает к периферии. Во время расслабления сердца (диастола) растянутые кровеносные сосуды спадаются.

Чем дальше от сердца находится артерия, тем колебания давления в сосудах всё более сглаживаются (рис. 2.8).

1 - в аорте 2 - в артериолах

У человека с возрастом модуль упругости сосудов возрастает, поэтому, становится больше и скорость пульсовой волны.

Медицинская вискозиметрия. Принцип работы медицинского вискозиметра.

Вязкость (внутреннее трение) жидкости - свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой. Медицинский вискозиметр (вискозиметр Гесса) используется для определения вязкости крови. Принцип его действия основан на том, что скорости продвижения жидкостей в капиллярах с одинаковыми сечениями при равных температурах и давлениях зависят от вязкости этих жидкостей. Из формулы Пуазейля следует, что объемы жидкостей, протекающих за равные промежутки времени по одинаковым капиллярам, обратно пропорциональны вязкостям этих жидкостей. Медицинский вискозиметр состоит из двух одинаковых градуированных капилляров. В один капилляр набирают определенный объем дистиллированной воды и перекрывают кран. Это позволяет набрать в другой капилляр исследуемую жидкость, не изменяя уровень воды. Если теперь, открыв кран, создать разрежение в вискозиметре, то перемещения жидкостей за одно и то же время будут обратно пропорциональны их вязкости.Если вязкость воды принять равной единице, а путь, пройденный кровью, составляет одно деление вискозиметра, то относительная вязкость крови численно равна пути l_Н2О, пройденному при этом водой.Вязкость крови человека в норме 4 - 5 мПа·с, при патологии колеблется от 1,7 - 22,9 мПа·с, что сказывается на скорости оседания эритроцитов (СОЭ). Венозная кровь обладает несколько большей вязкостью, чем артериальная. При тяжелой физической работе увеличивается вязкость крови. Некоторые инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие же, например брюшной тиф и туберкулез, - уменьшают.

Работа и мощность сердца.

Функция сердца состоит в нагнетании им крови в артериальную часть сосудистого русла. Это небходимо для создания некоторой разности давлений в большом и малом кругах кровообращения. Указанная разность давлений должна обеспечить необходимую скорость течения крови, что в свою очередь определяется интенсивностью обменных процессов. Работа сердца идет на увеличение потенциальной энергии растягивающихся сосудов в момент систолы.Аппарат искусственного кровообращения.При операциях на сердце, которые требуют временного выключения его из сичтемы кровообращения, пользуются специальными аппаратами иск кровообращ. Этот аппарат явл сочетанием искусственного сердца (насосная система) с искусственными легкими (оксигенератор – система, обеспечивающая насыщение крови кислородом)

Центрифугирование.

Это методика, используемая в мед и биологич. исследованиях для разделения (сепарации) частиц друг от друга, содержащихся в жидкости, а также от самой жидкости.

Скорость оседания эритроцитов является простейшим примером сепарации за счет гравитационного поля. Условие, при котором частицы (тело) погружается в жидкости за счет гравитационного поля: плотность частиц больше плотности жидкости

Это соотношение вытекает из рассмотрения сил, действующих на тело, погруженное в жидкость. Разность обычно достаточно мала, поэтому оседание частиц происходит в этих условиях медленно. Чтобы увеличить скорость сепарации применяют медодику центрифугирования

Субъективные характеристики звука, их связь с объективными

К Субъективным характеристикам звука относят громкость звука, высоту (тона), тембр.

Закон Вебера — Фехнера

Читайте также: