Определение и свойства звуковых волн в физике

Звуковые волны — механические колебания мельчайших частиц, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразной среде.

Оглавление:

• Природа звука
• Физические характеристики
• Громкость звука
• Ультра- и инфразвук
• Методы обнаружения и регистрации

Они воспринимаются человеком при взаимодействии с органами слуха. Для изучения физики звуковой волны необходимо знать источники звука, его разновидности и основные параметры.

Природа звука

Источниками звуковых волн являются колеблющиеся тела. Они создают вибрации, распространяющиеся в атмосфере. Во время этого процесса колеблющиеся объекты сжимают молекулы и заставляют их отталкиваться друг от друга в разреженной среде. Генерировать звук при помощи колебаний могут тела с различной структурой.

Этот принцип генерации акустических волн лежит в основе работы большинства музыкальных инструментов. Исключением являются трубы, кларнеты, тромбоны, баяны и саксофоны. Эти инструменты генерируют акустические волны посредством взаимодействия потоков воздуха с неровными поверхностями.

Существуют 2 разновидности источников звука:

1. Естественные. К ним относятся объекты и явления природы. Примеры: журчание воды, жужжание пчелы.
2. Искусственные. К ним относятся предметы, созданные человеком. Одним из первых искусственных источников звука является камертон, изобретенный английским музыкантом Джоном Шором. Этот прибор представляет собой металлический стержень в виде 2 ветвей с держателем. Он предназначается для настройки музыкальных инструментов.

По мере распространения звука в акустическом пространстве происходят изменения в окружающем воздухе. Это обусловлено отражением молекул от сторонних объектов.

Отраженные волны оказывают воздействие на барабанную перепонку. Во время этого процесса нервные окончания подают сигналы в головной мозг, интерпретирующий колебания в звук.

Физические характеристики

Звуковые волны характеризуются следующими параметрами:

1. Частота. Эта величина показывает число колебаний в единицу времени. Она измеряется в герцах (ГЦ). Органы слуха человека способны воспринимать акустические звуки в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 КГц.
2. Амплитуда — модуль максимального отклонения молекул источника звука во время процесса колебания. Этот показатель определяет спектр громкости звука, воспринимаемый человеческим ухом.
3. Фаза — параметр, описывающий свойства 2 акустических волн. Она измеряется в диапазоне от 0 до 360. Значение 0 показывает, что звуковые волны находятся в фазе, 360 — в противофазе. Если источник звука перемещается, то этот параметр изменяется. При наложении волн происходит явление подавления фазы. В этом случае звук может полностью исчезнуть.
4. Длина волны — дистанция, преодолеваемая звуковым сигналом за 1 период колебаний. Этот показатель также определяет расстояние между 2 соседними повторяющимися зонами волнового процесса.
5. Скорость распространения. Эта величина определяет расстояние между областью сжатия и разряжения волны в единицы времени. Она определяется по формуле: V = λ * f. V — скорость распространения, λ - длина волны, f — частота колебаний.

Основные характеристики звука можно продемонстрировать при помощи синусоиды. Она является одной из самых простых форм акустической волны. При помощи комбинаций синусоид можно представить как естественные, так и искусственные звуки.

Громкость звука

Громкостью называется показатель, определяющий степень восприятия звуковых сообщений человеком.

Она зависит от давления, тембра, чувствительности человеческого уха, спектрального состава звука, амплитуды колебаний и частоты. Этот показатель является абсолютной величиной слухового ощущения.

В следующей таблице описывается влияние звуковых волн с разной громкостью на организм человека:

Основной единицей измерения громкости звука являются децибелы. С их помощью характеризуется соотношение 2 разных акустических сигналов.

Существуют следующие разновидности децибелов:

• дБм: используются для измерения электрической мощности звуковых сигналов;
• дБ u: предназначены для определения напряжения относительно эталонного уровня, составляющего 0,75 В;
• дБFS: необходимы для измерения мощности звука в звукотехнике по шкале FS;
• дБВ: применяются для расчета напряжения относительно эталонного нулевого уровня, составляющего 1 В.

Децибелы применяются для определения эталонов уровня звука в акустическом оборудовании. Они могут использоваться как для устаревших аппаратов, так и для электрических музыкальных инструментов.

Ультра- и инфразвук

Ультразвуком называются механические волны с частотой от 20 КГц. Его открыли в начале XIX столетия. С помощью ультразвуковых сигналов можно обнаружить внешние дефекты на деталях, определить удельную теплоемкость газов и исследовать внутриклеточные структуры. В медицине ультразвук применяется для визуализации внутренних органов и тканей человека.

По мере распространения ультразвука образуется тепловая энергия. Это приводит к изменению амплитуды и частоты звуковых колебаний. Среда, в которой распространяются ультразвуковые волны, поглощает тепловую энергию. Во время процесса поглощения уменьшается интенсивность звуковых колебаний. От этого параметра зависит глубина проникновения ультразвука. Чем сильнее среда поглощает тепловую энергию, тем быстрее снижается интенсивность колебаний.

Если ультразвук распространяется в среде, где присутствует большое количество неоднородностей, то он рассеивается. Это может изменить процесс поглощения тепла и вызывать затухание звуковых колебаний. Если ультразвуковые волны распространяются на границе раздела 2 сред с разной структурой, то они преломляются.

Инфразвук — акустические волны с частотой до 20 Гц. Он распространяется как в открытом пространстве, так и в закрытых помещениях. Человеческие органы слуха не могут воспринимать инфразвук. Источником инфразвуковых волн являются шторм, цунами, извержения вулканов и гроза. Инфразвук обладает следующими свойствами:

1. Высокая амплитуда колебаний.
2. Низкая скорость распространения в воздухе, потому что среда медленно поглощает энергию инфразвуковых волн.
3. Для инфразвука характерно явление дифракции. Инфразвуковые волны огибают препятствия. Поэтому звук быстро проникает в закрытые помещения. Явление дифракции происходит, если длина волны соответствует размерам огибаемого препятствия.
4. При взаимодействии инфразвука с крупными предметами возникают сильные вибрации. По этой причине происходит явления резонанса.

Инфразвук негативно воздействует на нервную систему и внутренние органы человека. Он может спровоцировать тканевую гипоксию и микроциркуляторные нарушения. Низкочастотные инфразвуковые волны способны вызывать головные боли, тошноту, головокружение и удушье. При длительном воздействии инфразвука с громкостью свыше 190 дБ повышается риск разрыва легочных альвеол.

Инфразвуковые волны применяются при проведении исследований в области географии. С помощью инфразвука ученые могут изучать и предсказывать землетрясения и иные природные катаклизмы.

На всех континентах расположено большое количество инфразвуковых станций. Они используются для получения данных о состоянии земной коры в сейсмоопасных районах.

Методы обнаружения и регистрации

Для обнаружения и регистрации звуковых волн используются следующие приспособления:

1. Конденсаторные микрофоны. Эти приборы состоят из тонкой мембраны, тонкой металлической пластины и спиралей. Они преобразуют энергию звуковой волны в электричество. Во время этого процесса тонкая пластина и спирали вибрируют. При этом они регистрируют частоту и амплитуду звуковых колебаний.
2. Микробарометры. Они состоят из небольшой трубки, наполненной жидкостью. Эти устройства фиксируют давление в зонах сжатия-разряжения звука. Микробарометры способны фиксировать высокочастотные сигналы, вызывающие колебания жидкости.

Процесс обнаружения и регистрации звука усложняется низкой частотой вибраций. Из-за этого волны смешиваются с иными колебаниями в упругих средах распространения. Крупные организации используются для обнаружения и регистрации звука станции мониторинга, работающие по принципу резонансного вибратора. Они отличаются высокой чувствительностью и широким диапазоном обнаруживаемых частот.

Станции мониторинга используются в системах оповещения о природных катаклизмах и на площадках для контроля ядерных взрывов.