Śpiew ptaków, szum deszczu i wiatru, grzmot, muzyka – wszystko, co słyszymy, uważamy za dźwięk.

Z naukowego punktu widzenia dźwięk jest zjawiskiem fizycznym drgania mechaniczne rozchodzące się w ośrodku stałym, ciekłym i gazowym. Wywołują wrażenia słuchowe.

Jak powstaje fala dźwiękowa?

Kliknij na obrazek

Wszystkie dźwięki rozchodzą się w postaci fal sprężystych. A fale powstają pod działaniem sił sprężystych, które pojawiają się, gdy ciało jest zdeformowane. Siły te mają tendencję do przywracania ciała do pierwotnego stanu. Na przykład rozciągnięta struna w stanie stacjonarnym nie brzmi. Ale trzeba go tylko odłożyć na bok, gdyż pod wpływem siły sprężystości będzie dążył do przyjęcia swojej pierwotnej pozycji. Wibrując, staje się źródłem dźwięku.

Źródłem dźwięku może być dowolne oscylujące ciało, na przykład cienka stalowa płytka zamocowana z jednej strony, powietrze w muzycznym instrumencie dętym, struny głosowe osoba, dzwonek itp.

Co dzieje się w powietrzu, gdy dochodzi do wibracji?

Jak każdy gaz, powietrze ma elastyczność. Jest odporny na ściskanie i natychmiast zaczyna się rozszerzać, gdy ciśnienie spada. Równomiernie przenosi na nią wszelkie naciski różne strony.

Jeśli gwałtownie skompresujesz powietrze za pomocą tłoka, ciśnienie natychmiast wzrośnie w tym miejscu. Natychmiast zostanie przeniesiony do sąsiednich warstw powietrza. Będą się kurczyć, a ciśnienie w nich wzrośnie, aw poprzedniej warstwie spadnie. Tak więc wzdłuż łańcucha dalej przenoszone są naprzemienne strefy wysokiego i niskiego ciśnienia.

Zbaczając na przemian na boki, brzmiąca struna spręża powietrze, najpierw w jednym kierunku, a następnie w przeciwnym. W kierunku odchylenia struny ciśnienie staje się o pewną wartość wyższe od ciśnienia atmosferycznego. Z Przeciwna strona ciśnienie spada o tę samą wartość, ponieważ powietrze jest tam rozrzedzone. Kompresja i rozrzedzenie będą się zmieniać i rozprzestrzeniać w różnych kierunkach, powodując wibracje powietrza. Te wibracje to tzw fala dźwiękowa . I nazywa się różnicę między ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem w warstwie kompresji lub rozrzedzenia powietrza akustyczny, Lub ciśnienie akustyczne.

Kliknij na obrazek

Fala dźwiękowa rozchodzi się nie tylko w powietrzu, ale także w ośrodkach płynnych i stałych. Na przykład woda jest doskonałym przewodnikiem dźwięku. Słyszymy uderzenie skały pod wodą. Hałas śmigieł statku nawodnego odbiera akustykę łodzi podwodnej. Jeśli położymy zegarek na jednym końcu drewnianej deski, to przystawiając ucho do przeciwległego końca deski, usłyszymy, jak tyka.

Czy w próżni dźwięki będą inne? Żyjący w XVII wieku angielski fizyk, chemik i teolog Robert Boyle umieścił zegar w szklanym naczyniu, z którego wypompowywano powietrze. Nie słyszał tykania zegara. Oznaczało to, że fale dźwiękowe nie rozchodzą się w przestrzeni pozbawionej powietrza.

Charakterystyka fali dźwiękowej

Forma drgań dźwięku zależy od źródła dźwięku. Bardzo prosta forma mają drgania jednorodne lub harmoniczne. Można je przedstawić jako sinusoidę. Takie oscylacje charakteryzują się amplitudą, długością fali i częstotliwością propagacji oscylacji.

Amplituda

Amplituda ogólnie tzw maksymalne odchylenie ciała z położenia równowagi.

Ponieważ fala dźwiękowa składa się z naprzemiennych obszarów wysokiego i niskiego ciśnienia, często uważa się ją za proces propagacji fluktuacji ciśnienia. Dlatego mówią o amplituda ciśnienia powietrza w fali.

Głośność dźwięku zależy od amplitudy. Im więcej, tym głośniejszy dźwięk.

Każdy dźwięk ludzkiej mowy ma formę wibracji, charakterystycznych tylko dla niego. Stąd postać drgań dźwięku "a" różni się od postaci drgań dźwięku "b".

Częstotliwość i okres fali

Nazywa się liczbę drgań na sekundę częstotliwość fali .

f = 1/T

Gdzie T jest okresem oscylacji. Jest to czas potrzebny do wystąpienia jednej pełnej oscylacji.

Jak dłuższy okres, im niższa częstotliwość, i odwrotnie.

Jednostką częstotliwości w międzynarodowym systemie miar SI jest herc (Hz). 1 Hz to jedna oscylacja na sekundę.

1 Hz = 1 s -1 .

Na przykład częstotliwość 10 Hz oznacza 10 oscylacji w ciągu 1 sekundy.

1000 Hz = 1 kHz

Skok zależy od częstotliwości wibracji. Im wyższa częstotliwość, tym wyższy ton dźwięku.

Ludzkie ucho nie jest w stanie odbierać wszystkich fal dźwiękowych, a jedynie te, które mają częstotliwość od 16 do 20 000 Hz. To właśnie te fale są uważane za fale dźwiękowe. Fale o częstotliwości poniżej 16 Hz nazywane są infradźwiękami, a powyżej 20 000 Hz ultradźwiękami.

Osoba nie dostrzega ani fal infradźwiękowych, ani ultradźwiękowych. Ale zwierzęta i ptaki słyszą ultradźwięki. Na przykład zwykły motyl rozróżnia dźwięki o częstotliwości od 8 000 do 160 000 Hz. Zasięg postrzegany przez delfiny jest jeszcze szerszy, waha się od 40 do 200 tysięcy Hz.

Długość fali

Długość fali nazwij odległość między dwoma najbliższymi punktami fali harmonicznej, które znajdują się w tej samej fazie, na przykład między dwoma grzbietami. Oznaczony jako ƛ .

W czasie równym jednemu okresowi fala pokonuje odległość równą swojej długości.

Prędkość propagacji fali

w = ƛ /T

Ponieważ T = 1/f

To w = ƛ fa

Prędkość dźwięku

Próby określenia prędkości dźwięku za pomocą eksperymentów podjęto w pierwszej połowie XVII wieku. Angielski filozof Francis Bacon w swojej pracy The New Organon zaproponował własny sposób rozwiązania tego problemu, oparty na różnicy prędkości światła i dźwięku.

Wiadomo, że prędkość światła jest znacznie większa niż prędkość dźwięku. Dlatego podczas burzy najpierw widzimy błyskawicę, a dopiero potem słyszymy grzmot. Znając odległość między źródłem światła i dźwięku a obserwatorem oraz czas między błyskiem światła i dźwiękiem, można obliczyć prędkość dźwięku.

Pomysł Bacona wykorzystał francuski naukowiec Marin Marsenne. Obserwator znajdujący się w pewnej odległości od mężczyzny strzelającego z muszkietu rejestrował czas, jaki upłynął od błysku światła do odgłosu wystrzału. Następnie odległość podzielono przez czas, aby uzyskać prędkość dźwięku. Zgodnie z wynikami eksperymentu prędkość wynosiła 448 m/s. To był przybliżony szacunek.

W początek XIX wieku grupa naukowców z paryskiej Akademii Nauk powtórzyła to doświadczenie. Według ich obliczeń prędkość światła wynosiła 350-390 m/s. Ale ta liczba też nie była dokładna.

Teoretycznie Newton próbował obliczyć prędkość światła. Swoje obliczenia oparł na prawie Boyle'a-Mariotte'a, opisującym zachowanie się gazu w wodzie izotermiczny proces (w stałej temperaturze). A dzieje się tak, gdy objętość gazu zmienia się bardzo powoli, mając czas na podanie środowisko ciepło w nim.

Newton założył również, że pomiędzy obszarami kompresji i rozrzedzenia temperatura szybko się wyrównuje. Ale te warunki nie istnieją w fali dźwiękowej. Powietrze źle przewodzi ciepło, a odległość między warstwami kompresji i rozrzedzenia jest duża. Ciepło z warstwy kompresyjnej nie ma czasu na przejście do warstwy rozrzedzającej. I jest między nimi różnica temperatur. Dlatego obliczenia Newtona okazały się błędne. Podali liczbę 280 m/s.

Francuski naukowiec Laplace był w stanie wyjaśnić, że błąd Newtona polegał na tym, że fala dźwiękowa rozchodzi się w powietrzu adiabatyczny warunkach w różnych temperaturach. Według obliczeń Laplace'a prędkość dźwięku w powietrzu o temperaturze 0 o C wynosi 331,5 m/s. Co więcej, rośnie wraz ze wzrostem temperatury. A gdy temperatura wzrośnie do 20°C, będzie już równa 344 m/s.

Fale dźwiękowe rozchodzą się z różnymi prędkościami w różnych ośrodkach.

W przypadku gazów i cieczy prędkość dźwięku oblicza się ze wzoru:

Gdzie Z -prędkość dźwięku,

β - ściśliwość adiabatyczna ośrodka,

ρ - gęstość.

Jak widać ze wzoru, prędkość zależy od gęstości i ściśliwości ośrodka. W powietrzu jest mniejsza niż w cieczy. Na przykład w wodzie o temperaturze 20 ° C jest równa 1484 m / s. Co więcej, im większe zasolenie wody, tym szybciej rozchodzi się w niej dźwięk.

Po raz pierwszy prędkość dźwięku w wodzie zmierzono w 1827 roku. Eksperyment ten przypominał nieco pomiar prędkości światła przez Maren Marsenne. Dzwon został opuszczony do wody z boku jednej łodzi. W odległości ponad 13 km od pierwszej łodzi znalazła się druga. Na pierwszej łodzi uderzono w dzwon i jednocześnie podpalono proch strzelniczy. Na drugiej łodzi rejestrowano czas błysku, a następnie czas nadejścia dźwięku dzwonu. Dzieląc odległość przez czas, otrzymujemy prędkość fali dźwiękowej w wodzie.

Dźwięk ma największą prędkość w stałym ośrodku. Na przykład w stali osiąga ona ponad 5000 m/s.

18 lutego 2016 r

Świat rozrywki domowej jest dość zróżnicowany i może obejmować: oglądanie filmu na dobrym systemie kina domowego; wciągająca i wciągająca proces gry lub słuchając muzyki. Z reguły każdy znajduje w tej dziedzinie coś dla siebie lub łączy wszystko naraz. Ale bez względu na to, jakie cele dana osoba organizuje w czasie wolnym i bez względu na to, do jakiej skrajności się uda, wszystkie te powiązania są mocno połączone jednym prostym i zrozumiałym słowem - „dźwięk”. Rzeczywiście, we wszystkich tych przypadkach za uchwyt poprowadzi nas ścieżka dźwiękowa. Ale to pytanie nie jest takie proste i trywialne, szczególnie w przypadkach, gdy istnieje chęć uzyskania wysokiej jakości dźwięku w pomieszczeniu lub w innych warunkach. Aby to zrobić, nie zawsze trzeba kupować drogie komponenty hi-fi lub hi-end (choć bardzo się to przyda), ale wystarczy dobra znajomość teorii fizycznej, która może wyeliminować większość problemów, które pojawiają się u każdego który chce uzyskać wysokiej jakości aktorstwo głosowe.

Następnie teoria dźwięku i akustyka zostaną rozważone z punktu widzenia fizyki. W ta sprawa Postaram się uczynić go jak najbardziej przystępnym dla zrozumienia każdej osoby, której być może daleko do znajomości praw czy wzorów fizycznych, ale mimo to z pasją marzy o realizacji marzenia o stworzeniu idealnego systemu akustycznego. Nie ośmielam się twierdzić, że w celu osiągnięcia dobre wyniki w tej dziedzinie w domu (czy np. w samochodzie) te teorie trzeba znać dogłębnie, jednak zrozumienie podstaw pozwoli uniknąć wielu głupich i absurdalnych błędów, a także pozwoli osiągnąć maksymalny efekt dźwięk z dowolnego poziomu systemu.

Ogólna teoria dźwięku i terminologia muzyczna

Co jest dźwięk? Jest to wrażenie odbierane przez narząd słuchu. "ucho"(sam fenomen istnieje nawet bez udziału „ucha” w tym procesie, ale tak łatwiej to zrozumieć), który pojawia się, gdy błona bębenkowa zostaje wzbudzona przez falę dźwiękową. Ucho w tym przypadku działa jako „odbiornik” fal dźwiękowych o różnych częstotliwościach.
Fala dźwiękowa Jest to w istocie sekwencyjny ciąg uszczelnień i wyładowań ośrodka (najczęściej środowiska powietrza w normalnych warunkach) o różnych częstotliwościach. Natura fal dźwiękowych jest oscylacyjna, powodowana i wytwarzana przez wibracje dowolnych ciał. Powstanie i rozchodzenie się klasycznej fali dźwiękowej jest możliwe w trzech ośrodkach sprężystych: gazowym, ciekłym i stałym. Kiedy fala dźwiękowa pojawia się w jednym z tych typów przestrzeni, nieuchronnie zachodzą pewne zmiany w samym ośrodku, na przykład zmiana gęstości lub ciśnienia powietrza, ruch cząstek mas powietrza itp.

Ponieważ fala dźwiękowa ma charakter oscylacyjny, ma taką cechę jak częstotliwość. Częstotliwość mierzona w hercach (na cześć niemieckiego fizyka Heinricha Rudolfa Hertza) i oznacza liczbę drgań w okresie równym jednej sekundzie. Te. na przykład częstotliwość 20 Hz oznacza cykl 20 oscylacji w ciągu jednej sekundy. Subiektywne pojęcie jego wysokości zależy również od częstotliwości dźwięku. Im więcej wibracji dźwiękowych powstaje na sekundę, tym „wyższy” wydaje się dźwięk. Fala dźwiękowa ma również inną ważną cechę, która ma swoją nazwę - długość fali. Długość fali Zwyczajowo bierze się pod uwagę odległość, jaką pokonuje dźwięk o określonej częstotliwości w okresie równym jednej sekundzie. Na przykład długość fali najniższego dźwięku w zakresie słyszalności człowieka przy 20 Hz wynosi 16,5 metra, a długość fali najwyższego dźwięku przy 20 000 Hz wynosi 1,7 centymetra.

Ucho ludzkie jest tak skonstruowane, że jest w stanie odbierać fale tylko w ograniczonym zakresie, około 20 Hz - 20 000 Hz (w zależności od cech konkretnej osoby, ktoś jest w stanie usłyszeć trochę więcej, ktoś mniej) . Nie oznacza to zatem, że dźwięki poniżej lub powyżej tych częstotliwości nie istnieją, po prostu nie są one odbierane przez ludzkie ucho, wykraczając poza zakres słyszalności. Dźwięk powyżej zakresu słyszalności to tzw ultradźwięk, dźwięk poniżej zakresu słyszalności jest nazywany infradźwięki. Niektóre zwierzęta są w stanie odbierać dźwięki ultra i infra, niektóre nawet wykorzystują ten zakres do orientacji w przestrzeni (nietoperze, delfiny). Jeżeli dźwięk przechodzi przez ośrodek, który nie styka się bezpośrednio z narządem słuchu człowieka, to taki dźwięk może nie być słyszalny lub być później znacznie osłabiony.

W muzycznej terminologii dźwięku istnieją tak ważne oznaczenia, jak oktawa, ton i alikwot dźwięku. Oktawa oznacza przedział, w którym stosunek częstotliwości między dźwiękami wynosi 1 do 2. Oktawa jest zwykle bardzo słyszalna, podczas gdy dźwięki w tym przedziale mogą być do siebie bardzo podobne. Oktawę można również nazwać dźwiękiem, który wprawia w drgania dwa razy więcej niż inny dźwięk w tym samym okresie czasu. Na przykład częstotliwość 800 Hz to nic innego jak wyższa oktawa 400 Hz, a częstotliwość 400 Hz to z kolei kolejna oktawa dźwięku o częstotliwości 200 Hz. Oktawa składa się z tonów i alikwotów. Zmienne oscylacje w harmonicznej fali dźwiękowej o jednej częstotliwości są odbierane przez ludzkie ucho jako ton muzyczny. Wibracje o wysokiej częstotliwości można interpretować jako dźwięki o wysokiej częstotliwości, wibracje o niskiej częstotliwości jako dźwięki o niskiej częstotliwości. Ucho ludzkie jest w stanie wyraźnie rozróżnić dźwięki z różnicą jednego tonu (w zakresie do 4000 Hz). Mimo to w muzyce używa się niezwykle małej liczby tonów. Tłumaczy się to rozważaniami nad zasadą współbrzmienia harmonicznego, wszystko opiera się na zasadzie oktaw.

Rozważ teorię dźwięków muzycznych na przykładzie struny naciągniętej w określony sposób. Taka struna w zależności od siły naciągu będzie „nastrojona” na jedną określoną częstotliwość. Kiedy ta struna zostanie poddana działaniu czegoś z jedną określoną siłą, co spowoduje jej wibracje, będzie stale obserwowany jeden określony ton dźwięku, usłyszymy pożądaną częstotliwość strojenia. Dźwięk ten nazywany jest tonem podstawowym. Dla głównego tonu w dziedzinie muzycznej oficjalnie przyjęto częstotliwość nuty „la” pierwszej oktawy, równą 440 Hz. Jednak większość instrumentów muzycznych nigdy nie odtwarza samych czystych tonów podstawowych; nieuchronnie towarzyszą im alikwoty tzw podteksty. W tym miejscu należy przypomnieć ważną definicję akustyki muzycznej, pojęcie barwy dźwięku. Tembr- jest to cecha dźwięków muzycznych, która nadaje instrumentom muzycznym i głosom wyjątkową, rozpoznawalną specyfikę brzmienia, nawet przy porównywaniu dźwięków o tej samej wysokości i głośności. Barwa każdego instrumentu muzycznego zależy od rozkładu energii dźwięku w alikwotach w momencie pojawienia się dźwięku.

Podtony tworzą specyficzną barwę tonu podstawowego, dzięki której możemy łatwo zidentyfikować i rozpoznać dany instrument, a także wyraźnie odróżnić jego brzmienie od innego instrumentu. Istnieją dwa rodzaje alikwotów: harmoniczne i nieharmoniczne. Podteksty harmoniczne są z definicji wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. Przeciwnie, jeśli podteksty nie są wielokrotnościami i wyraźnie odbiegają od wartości, to są nazywane nieharmonijny. W muzyce działanie alikwotów niewielokrotnych jest praktycznie wykluczone, dlatego termin sprowadza się do pojęcia „alikwotu”, czyli harmonicznego. W przypadku niektórych instrumentów, na przykład fortepianu, ton główny nie ma nawet czasu na uformowanie się, w krótkim czasie energia dźwięku podtonów wzrasta, a następnie równie szybko następuje spadek. Wiele instrumentów tworzy tak zwany efekt „tonu przejściowego”, kiedy energia niektórych alikwotów jest maksymalna w określonym momencie, zwykle na samym początku, ale potem gwałtownie się zmienia i przechodzi do innych alikwotów. Zakres częstotliwości każdego instrumentu można rozpatrywać osobno i zwykle jest on ograniczony częstotliwościami tonów podstawowych, które dany instrument jest w stanie odtworzyć.

W teorii dźwięku istnieje też coś takiego jak HAŁAS. Hałas- jest to każdy dźwięk, który powstaje z połączenia źródeł, które są ze sobą niespójne. Każdy doskonale zdaje sobie sprawę z szumu liści drzew, kołysanych wiatrem itp.

Co decyduje o głośności dźwięku? Jest oczywiste, że takie zjawisko zależy bezpośrednio od ilości energii niesionej przez falę dźwiękową. Aby określić ilościowe wskaźniki głośności, istnieje koncepcja - intensywność dźwięku. Natężenie dźwięku definiuje się jako przepływ energii przechodzącej przez pewien obszar przestrzeni (na przykład cm2) na jednostkę czasu (na przykład na sekundę). W normalnej rozmowie intensywność wynosi około 9 lub 10 W/cm2. Ludzkie ucho jest zdolne do odbierania dźwięków szeroki zasięg czułość, podczas gdy wrażliwość częstotliwości nie jest jednolita w obrębie widma dźwięku. Tak więc najlepiej postrzegany zakres częstotliwości to 1000 Hz - 4000 Hz, który najszerzej obejmuje ludzką mowę.

Ponieważ dźwięki różnią się bardzo intensywnością, wygodniej jest myśleć o tym jako o wartości logarytmicznej i mierzyć ją w decybelach (za szkockim naukowcem Alexandrem Grahamem Bellem). Niższy próg wrażliwości słuchowej ludzkie ucho wynosi 0 dB, górna 120 dB, jest również nazywana „ próg bólu". Górna granica Czułość odbierana również przez ucho ludzkie nie jest taka sama, ale zależy od określonej częstotliwości. Dźwięki o niskiej częstotliwości muszą mieć znacznie większą intensywność niż dźwięki o wysokiej częstotliwości, aby wywołać próg bólu. Np. próg bólu przy niskiej częstotliwości 31,5 Hz występuje przy poziomie natężenia dźwięku 135 dB, gdy przy częstotliwości 2000 Hz odczuwanie bólu pojawia się już przy 112 dB. Istnieje również koncepcja ciśnienia akustycznego, która faktycznie rozszerza zwykłe wyjaśnienie propagacji fali dźwiękowej w powietrzu. Ciśnienie akustyczne- jest to zmienne nadciśnienie, które występuje w ośrodku sprężystym w wyniku przejścia przez niego fali dźwiękowej.

Falowa natura dźwięku

Aby lepiej zrozumieć system generowania fali dźwiękowej, wyobraź sobie klasyczny głośnik umieszczony w tubie wypełnionej powietrzem. Jeśli głośnik wykona ostry ruch do przodu, to powietrze w bezpośrednim sąsiedztwie dyfuzora zostanie na chwilę sprężone. Następnie powietrze rozszerzy się, popychając w ten sposób obszar sprężonego powietrza wzdłuż rury.
Ten ruch falowy będzie następnie słyszalny, gdy dotrze narząd słuchu i „ekscytować” bębenek. Gdy w gazie pojawia się fala dźwiękowa, powstaje nadciśnienie i gęstość, a cząstki poruszają się ze stałą prędkością. W przypadku fal dźwiękowych należy pamiętać, że substancja nie porusza się wraz z falą dźwiękową, a jedynie chwilowe zaburzenie mas powietrza.

Jeśli wyobrazimy sobie tłok zawieszony w wolna przestrzeń na sprężynie i wykonując powtarzalne ruchy „tam i z powrotem”, wówczas takie oscylacje będziemy nazywać harmonicznymi lub sinusoidalnymi (jeśli falę przedstawimy w postaci wykresu, to w tym przypadku otrzymamy czystą falę sinusoidalną z powtarzającymi się wzlotami i spadkami ). Jeśli wyobrazimy sobie głośnik w rurze (jak w przykładzie opisanym powyżej), wykonujący oscylacje harmoniczne, to w momencie, gdy głośnik porusza się „do przodu”, uzyskujemy znany już efekt sprężania powietrza, a gdy głośnik porusza się „do tyłu” , uzyskuje się odwrotny efekt rozrzedzenia. W takim przypadku przez rurę rozchodzi się fala naprzemiennych zagęszczeń i rozrzedzeń. Zostanie nazwana odległość wzdłuż rury między sąsiednimi maksimami lub minimami (fazami). długość fali. Jeśli cząstki oscylują równolegle do kierunku rozchodzenia się fali, wówczas fala nazywa się wzdłużny. Jeśli oscylują one prostopadle do kierunku propagacji, wówczas nazywa się falę poprzeczny. Zwykle fale dźwiękowe w gazach i cieczach są podłużne, podczas gdy w ciałach stałych mogą występować fale obu rodzajów. fale poprzeczne w ciała stałe ze względu na odporność na zmianę kształtu. Główna różnica między tymi dwoma rodzajami fal polega na tym, że fala poprzeczna ma właściwość polaryzacji (oscylacje zachodzą w określonej płaszczyźnie), podczas gdy fala podłużna nie.

Prędkość dźwięku

Prędkość dźwięku zależy bezpośrednio od charakterystyki ośrodka, w którym się rozchodzi. Jest ona zdeterminowana (zależna) od dwóch właściwości ośrodka: sprężystości i gęstości materiału. Prędkość dźwięku odpowiednio w ciałach stałych zależy bezpośrednio od rodzaju materiału i jego właściwości. Prędkość w ośrodkach gazowych zależy tylko od jednego rodzaju odkształcenia ośrodka: kompresji-rozrzedzenia. Zmiana ciśnienia w fali dźwiękowej zachodzi bez wymiany ciepła z otaczającymi cząstkami i nazywana jest adiabatyczną.
Prędkość dźwięku w gazie zależy głównie od temperatury - rośnie wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze spadkiem. Również prędkość dźwięku w ośrodku gazowym zależy od wielkości i masy samych cząsteczek gazu - im mniejsza masa i rozmiar cząstek, tym odpowiednio większa „przewodność” fali i większa prędkość.

W ośrodkach płynnych i stałych zasada propagacji i prędkość dźwięku są podobne do tego, jak fala rozchodzi się w powietrzu: przez sprężanie-wyładowanie. Ale w tych mediach, oprócz tej samej zależności od temperatury, dość ważna jest gęstość medium i jego skład/struktura. Im mniejsza gęstość substancji, tym większa prędkość dźwięku i odwrotnie. Zależność od składu ośrodka jest bardziej skomplikowana i jest ustalana w każdym konkretnym przypadku z uwzględnieniem lokalizacji i interakcji cząsteczek/atomów.

Prędkość dźwięku w powietrzu w temperaturze t, °C 20: 343 m/s
Prędkość dźwięku w wodzie destylowanej w temperaturze t, °C 20: 1481 m/s
Prędkość dźwięku w stali w temperaturze t, °C 20: 5000 m/s

Fale stojące i interferencja

Kiedy głośnik wytwarza fale dźwiękowe w ograniczonej przestrzeni, nieuchronnie występuje efekt odbicia fali od granic. W efekcie najczęściej efekt interferencyjny- gdy nakładają się na siebie dwie lub więcej fal dźwiękowych. Szczególnymi przypadkami zjawiska interferencji są powstawanie: 1) fal uderzeniowych lub 2) fal stojących. Uderzenie fal- tak jest w przypadku dodania fal o bliskich częstotliwościach i amplitudach. Schemat występowania uderzeń: gdy dwie fale o podobnej częstotliwości nakładają się na siebie. W pewnym momencie, przy takim nakładaniu się, piki amplitudy mogą pokrywać się „w fazie”, a także recesja w „przeciwfazie” może również pokrywać się. W ten sposób charakteryzują się uderzenia dźwiękowe. Należy pamiętać, że w przeciwieństwie do fal stojących, zbieżność faz pików nie występuje stale, ale w pewnych odstępach czasu. Ze słuchu taki układ uderzeń różni się dość wyraźnie i jest słyszalny odpowiednio jako okresowe zwiększanie i zmniejszanie głośności. Mechanizm powstawania tego efektu jest niezwykle prosty: w momencie zbiegu szczytów wolumen rośnie, w momencie zbiegu recesji wolumen maleje.

stojące fale powstają w przypadku nałożenia się dwóch fal o tej samej amplitudzie, fazie i częstotliwości, gdy przy „spotykaniu się” takich fal jedna porusza się w kierunku do przodu, a druga w kierunku przeciwnym. W obszarze przestrzeni (gdzie powstała fala stojąca) powstaje obraz superpozycji dwóch amplitud częstotliwości, z naprzemiennymi maksimami (tzw. antywęzłami) i minimami (tzw. węzłami). W przypadku wystąpienia tego zjawiska niezwykle istotna jest częstotliwość, faza oraz współczynnik tłumienia fali w miejscu odbicia. W przeciwieństwie do fal biegnących, w fali stojącej nie ma transferu energii, ponieważ fale do przodu i do tyłu, które tworzą tę falę, przenoszą energię w równych ilościach w kierunku do przodu iw przeciwnych kierunkach. Dla wizualnego zrozumienia występowania fali stojącej wyobraźmy sobie przykład z domowej akustyki. Powiedzmy, że mamy głośniki podłogowe w ograniczonej przestrzeni (pokoju). Każąc im zagrać jakąś piosenkę duża ilość bas, spróbujmy zmienić położenie słuchacza w pokoju. Tak więc słuchacz po wejściu w strefę minimum (odejmowania) fali stojącej odczuje efekt, że bas stał się bardzo mały, a jeśli słuchacz wejdzie w strefę maksimum (dodania) częstotliwości, to na odwrót uzyskuje się efekt znacznego podbicia basu. W tym przypadku efekt obserwuje się we wszystkich oktawach częstotliwości podstawowej. Na przykład, jeśli częstotliwość podstawowa wynosi 440 Hz, to zjawisko „dodawania” lub „odejmowania” będzie obserwowane również przy częstotliwościach 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz itd.

Zjawisko rezonansu

Większość ciał stałych ma swoją własną częstotliwość rezonansową. Zrozumienie tego efektu jest dość proste na przykładzie konwencjonalnej rury, otwartej tylko na jednym końcu. Wyobraź sobie sytuację, w której na drugim końcu rury podłączony jest głośnik, który może odtwarzać stała częstotliwość, można go również zmienić później. Teraz rura ma swoją własną częstotliwość rezonansową, mówiąc prosto, jest to częstotliwość, przy której rura „rezonuje” lub wydaje własny dźwięk. Jeżeli częstotliwość głośnika (w wyniku regulacji) pokrywa się z częstotliwością rezonansową rury, to wystąpi efekt kilkukrotnego zwiększenia głośności. Dzieje się tak, ponieważ głośnik wzbudza drgania słupa powietrza w rurze ze znaczną amplitudą, aż do znalezienia tej samej „częstotliwości rezonansowej” i wystąpienia efektu dodawania. Powstałe zjawisko można opisać w następujący sposób: Trąbka w tym przykładzie „pomaga” mówcy, rezonując z określoną częstotliwością, a ich wysiłki sumują się i „wlewają” w słyszalny głośny efekt. Na przykładzie instrumentów muzycznych zjawisko to można łatwo prześledzić, ponieważ konstrukcja większości zawiera elementy zwane rezonatorami. Nietrudno zgadnąć, co służy wzmocnieniu określonej częstotliwości lub tonu muzycznego. Np. korpus gitary z rezonatorem w postaci otworu, dopasowany do głośności; Projekt rury na flecie (i ogólnie wszystkich rur); Cylindryczny kształt korpusu bębna, który sam w sobie jest rezonatorem o określonej częstotliwości.

Widmo częstotliwości dźwięku i charakterystyka częstotliwościowa

Ponieważ w praktyce praktycznie nie ma fal o tej samej częstotliwości, konieczne staje się rozłożenie całego widma dźwiękowego zakresu słyszalnego na alikwoty lub harmoniczne. Do tych celów istnieją wykresy, które pokazują zależność względnej energii drgań dźwięku od częstotliwości. Taki wykres nazywany jest wykresem widma częstotliwości dźwięku. Widmo częstotliwości dźwięku Istnieją dwa typy: dyskretny i ciągły. Dyskretny wykres widma wyświetla częstotliwości pojedynczo, oddzielone spacjami. W widmie ciągłym obecne są jednocześnie wszystkie częstotliwości dźwięku.
W przypadku muzyki lub akustyki najczęściej stosuje się zwykły harmonogram. Charakterystyka szczytowa do częstotliwości(w skrócie „AFC”). Ten wykres pokazuje zależność amplitudy drgań dźwięku od częstotliwości w całym spektrum częstotliwości (20 Hz - 20 kHz). Patrząc na taki wykres, łatwo zrozumieć, na przykład, silny lub słabe strony konkretnego głośnika lub systemu głośników jako całości, najsilniejszych obszarów zwrotu energii, spadków i wzrostów częstotliwości, tłumienia, a także śledzenia stromości spadku.

Rozchodzenie się fal dźwiękowych, faza i antyfaza

Proces rozchodzenia się fal dźwiękowych zachodzi we wszystkich kierunkach od źródła. Najprostszy przykład zrozumieć to zjawisko: kamyk wrzucony do wody.
Od miejsca, w którym spadł kamień, fale zaczynają rozchodzić się po powierzchni wody we wszystkich kierunkach. Wyobraźmy sobie jednak sytuację z głośnikiem o określonej głośności, powiedzmy zamkniętej skrzynce, która jest podłączona do wzmacniacza i odtwarza jakiś sygnał muzyczny. Łatwo zauważyć (zwłaszcza jeśli dajesz mocny sygnał o niskiej częstotliwości, jak bęben basowy), że głośnik wykonuje szybki ruch „do przodu”, a potem ten sam szybki ruch „do tyłu”. Pozostaje zrozumieć, że gdy głośnik porusza się do przodu, emituje falę dźwiękową, którą później słyszymy. Ale co się stanie, gdy głośnik przesunie się do tyłu? Ale paradoksalnie dzieje się to samo, głośnik wydaje ten sam dźwięk, tyle że w naszym przykładzie rozchodzi się on całkowicie w objętości pudełka, nie wychodząc poza niego (pudełko jest zamknięte). Generalnie w powyższym przykładzie można zaobserwować całkiem sporo ciekawych rzeczy zjawiska fizyczne, z których najważniejszym jest pojęcie fazy.

Fala dźwiękowa, którą głośnik, będąc w głośności, promieniuje w kierunku słuchacza - jest „w fazie”. Fala odwrotna, która wchodzi do objętości pudełka, będzie odpowiednio przeciwfazowa. Pozostaje tylko zrozumieć, co oznaczają te pojęcia? Faza sygnału- jest to poziom ciśnienia akustycznego w danym momencie w pewnym punkcie przestrzeni. Fazę najłatwiej zrozumieć na przykładzie odtwarzania materiału muzycznego przez konwencjonalną parę stereofonicznych głośników podłogowych. Wyobraźmy sobie, że w pewnym pomieszczeniu stoją dwa takie głośniki podłogowe i grają. Oba głośniki w tym przypadku odtwarzają synchronicznie zmienny sygnał ciśnienia akustycznego, ponadto ciśnienie akustyczne jednego głośnika jest dodawane do ciśnienia akustycznego drugiego głośnika. Podobny efekt występuje dzięki synchronizacji odtwarzania sygnału odpowiednio lewego i prawego głośnika, innymi słowy szczyty i doliny fal emitowanych przez lewy i prawy głośnik pokrywają się.

Teraz wyobraźmy sobie, że ciśnienia akustyczne wciąż zmieniają się w ten sam sposób (nie zmieniły się), ale teraz są do siebie przeciwne. Może się to zdarzyć, jeśli podłączysz jeden z dwóch głośników z odwrotną polaryzacją (kabel „+” ze wzmacniacza do zacisku „-” zestawu głośnikowego i kabel „-” ze wzmacniacza do zacisku „+” głośnika system). W tym przypadku sygnał o przeciwnym kierunku spowoduje różnicę ciśnień, którą można przedstawić liczbowo w następujący sposób: lewy głośnik wytworzy ciśnienie „1 Pa”, a prawy głośnik wytworzy ciśnienie „minus 1 Pa” ". W efekcie sumaryczna głośność dźwięku w miejscu słuchacza będzie równa zeru. Zjawisko to nazywane jest antyfazą. Jeśli przyjrzymy się przykładowi bardziej szczegółowo dla zrozumienia, okaże się, że dwie dynamiki grające „w fazie” tworzą te same obszary kompresji i rozrzedzenia powietrza, które faktycznie pomagają sobie nawzajem. W przypadku wyidealizowanej antyfazy, obszarowi zagęszczenia przestrzeni powietrznej utworzonemu przez jeden głośnik będzie towarzyszyć obszar rozrzedzenia przestrzeni powietrznej utworzony przez drugi głośnik. Wygląda to mniej więcej tak, jak zjawisko wzajemnego synchronicznego tłumienia fal. To prawda, że ​​w praktyce głośność nie spada do zera, a usłyszymy mocno zniekształcony i stłumiony dźwięk.

W najbardziej przystępny sposób zjawisko to można opisać następująco: dwa sygnały o tych samych oscylacjach (częstotliwości), ale przesunięte w czasie. W związku z tym wygodniej jest przedstawić te zjawiska przemieszczeń na przykładzie zwykłych okrągłych zegarów. Wyobraźmy sobie, że na ścianie wisi kilka identycznych okrągłych zegarów. Kiedy wskazówki sekundowe tych zegarków działają synchronicznie, 30 sekund na jednym zegarku i 30 sekund na drugim, jest to przykład sygnału, który jest w fazie. Jeśli wskazówki sekundowe biegną z przesunięciem, ale prędkość jest nadal taka sama, na przykład na jednym zegarku 30 sekund, a na drugim 24 sekundy, to jest to klasyczny przykład przesunięcia fazowego (przesunięcia). W ten sam sposób faza jest mierzona w stopniach w wirtualnym okręgu. W tym przypadku, gdy sygnały są przesunięte względem siebie o 180 stopni (połowa okresu), uzyskuje się klasyczną antyfazę. Często w praktyce występują niewielkie przesunięcia fazowe, które również można określić w stopniach i skutecznie wyeliminować.

Fale są płaskie i kuliste. Płaskie czoło fali rozchodzi się tylko w jednym kierunku i jest rzadko spotykane w praktyce. Sferyczne czoło fali to prosty rodzaj fali, która promieniuje z jednego punktu i rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Fale dźwiękowe mają tę właściwość dyfrakcja, tj. umiejętność unikania przeszkód i obiektów. Stopień obwiedni zależy od stosunku długości fali dźwiękowej do wymiarów przeszkody lub otworu. Dyfrakcja występuje również wtedy, gdy na drodze dźwięku znajduje się przeszkoda. W takim przypadku możliwe są dwa scenariusze: 1) Jeżeli wymiary przeszkody są znacznie większe niż długość fali, to dźwięk jest odbijany lub pochłaniany (w zależności od stopnia pochłaniania materiału, grubości przeszkody itp. ), a za przeszkodą tworzy się strefa „cienia akustycznego”. 2) Jeżeli wymiary przeszkody są porównywalne z długością fali lub nawet mniejsze od niej, to dźwięk ugina się w pewnym stopniu we wszystkich kierunkach. Jeżeli fala dźwiękowa poruszając się w jednym ośrodku zderzy się z innym ośrodkiem (na przykład ośrodek powietrzny z ośrodkiem stałym), to mogą wystąpić trzy scenariusze: 1) fala zostanie odbita od interfejsu 2) fala może przejść do innego ośrodka bez zmiany kierunku 3) fala może przejść do innego ośrodka ze zmianą kierunku na granicy, nazywa się to „załamaniem fali”.

Stosunek nadciśnienia fali dźwiękowej do oscylacji prędkość objętościowa zwany odpornością na fale. w prostych słowach, opór falowy ośrodka można nazwać zdolnością pochłaniania fal dźwiękowych lub „oporu” im. Współczynniki odbicia i transmisji zależą bezpośrednio od stosunku impedancji falowych obu mediów. Opór falowania w ośrodku gazowym jest znacznie niższy niż w wodzie czy ciałach stałych. Dlatego, jeśli fala dźwiękowa w powietrzu pada na obiekt stały lub na powierzchnię głębokiej wody, to dźwięk albo odbija się od powierzchni, albo jest w dużym stopniu pochłaniany. Zależy to od grubości powierzchni (wody lub ciała stałego), na którą pada pożądana fala dźwiękowa. Przy małej grubości ośrodka stałego lub ciekłego fale dźwiękowe prawie całkowicie „przechodzą” i odwrotnie, przy dużej grubości ośrodka fale są częściej odbijane. W przypadku odbicia fal dźwiękowych proces ten zachodzi zgodnie ze znanym prawem fizycznym: „Kąt padania równy kątowi odbicie”. W tym przypadku, gdy fala z ośrodka o mniejszej gęstości uderza w granicę z ośrodkiem o większej gęstości, zjawisko refrakcja. Polega na załamaniu (załamaniu) fali dźwiękowej po „spotkaniu” z przeszkodą i koniecznie musi towarzyszyć jej zmiana prędkości. Refrakcja zależy również od temperatury ośrodka, w którym zachodzi odbicie.

W procesie propagacji fal dźwiękowych w przestrzeni ich intensywność nieuchronnie maleje, można powiedzieć tłumienie fal i osłabienie dźwięku. W praktyce dość łatwo o taki efekt: jeśli na przykład dwie osoby staną na polu w niewielkiej odległości (metr lub bliżej) i zaczną ze sobą rozmawiać. Jeśli następnie zwiększysz odległość między ludźmi (jeśli zaczną się od siebie oddalać), ten sam poziom głośności rozmowy będzie coraz mniej słyszalny. Podobny przykład wyraźnie pokazuje zjawisko zmniejszania natężenia fal dźwiękowych. Dlaczego to się dzieje? Powodem tego są różne procesy wymiany ciepła, interakcji molekularnych i tarcia wewnętrznego fal dźwiękowych. Najczęściej w praktyce następuje zamiana energii akustycznej na energię cieplną. Takie procesy nieuchronnie zachodzą w każdym z 3 ośrodków propagacji dźwięku i można je scharakteryzować jako pochłanianie fal dźwiękowych.

Intensywność i stopień pochłaniania fal dźwiękowych zależy od wielu czynników, takich jak ciśnienie i temperatura ośrodka. Również pochłanianie zależy od określonej częstotliwości dźwięku. Kiedy fala dźwiękowa rozchodzi się w cieczach lub gazach, występuje efekt tarcia między różnymi cząsteczkami, który nazywa się lepkością. W wyniku tego tarcia, Poziom molekularny i zachodzi proces przemiany fali z dźwięku w ciepło. Innymi słowy, im wyższa przewodność cieplna ośrodka, tym niższy stopień absorpcji fal. Pochłanianie dźwięku w ośrodkach gazowych zależy również od ciśnienia (ciśnienie atmosferyczne zmienia się wraz ze wzrostem wysokości względem poziomu morza). Jeśli chodzi o zależność stopnia pochłaniania od częstotliwości dźwięku, to biorąc pod uwagę powyższe zależności lepkości i przewodności cieplnej, pochłanianie dźwięku jest tym większe, im wyższa jest jego częstotliwość. Na przykład kiedy normalna temperatura i ciśnieniu, w powietrzu pochłanianie fali o częstotliwości 5000 Hz wynosi 3 dB/km, a pochłanianie fali o częstotliwości 50000 Hz będzie już 300 dB/m.

W ośrodkach stałych wszystkie powyższe zależności (przewodność cieplna i lepkość) są zachowane, ale dodano do tego jeszcze kilka warunków. Są one związane ze strukturą molekularną materiałów stałych, które mogą być różne, z własnymi niejednorodnościami. W zależności od tej wewnętrznej stałej struktury molekularnej pochłanianie fal dźwiękowych w tym przypadku może być różne i zależy od rodzaju konkretnego materiału. Kiedy dźwięk przechodzi przez ciało stałe, fala przechodzi szereg przekształceń i zniekształceń, co najczęściej prowadzi do rozproszenia i pochłonięcia energii dźwięku. Na poziomie molekularnym efekt dyslokacji może wystąpić, gdy fala dźwiękowa powoduje przemieszczenie płaszczyzn atomowych, które następnie wracają do swojego pierwotnego położenia. Lub też ruch dyslokacji prowadzi do zderzenia z prostopadłymi do nich dyslokacjami lub defektami w strukturze kryształu, co powoduje ich spowolnienie, aw efekcie pewną absorpcję fali dźwiękowej. Jednak fala dźwiękowa może również rezonować z tymi defektami, co doprowadzi do zniekształcenia pierwotnej fali. Energia fali dźwiękowej w momencie oddziaływania z elementami struktury molekularnej materiału ulega rozproszeniu w wyniku procesów tarcia wewnętrznego.

W postaram się przeanalizować cechy ludzkiej percepcji słuchowej oraz niektóre subtelności i cechy propagacji dźwięku.

Fale dźwiękowe (lub akustyczne) nazywane są falami sprężystymi rozchodzącymi się w ośrodku o częstotliwościach z zakresu 16-20 000 Hz. Fale o tych częstotliwościach, działając na aparat słuchowy człowieka, powodują wrażenie dźwięku. Fale z v< 16 Гц (ннфразвуковые) и v >20 kHz (ultradźwięki) nie są odbierane przez ludzki narząd słuchu.

Fale dźwiękowe w gazach i cieczach mogą być tylko podłużne, ponieważ media te są elastyczne tylko w odniesieniu do odkształceń ściskających (rozciągających). W ciałach stałych fale dźwiękowe mogą być zarówno podłużne, jak i poprzeczne, ponieważ ciała stałe są elastyczne pod względem odkształceń ściskających (rozciągających) i ścinających.

Natężenie dźwięku (lub siła dźwięku) to wartość określona przez uśrednioną w czasie energię przenoszoną przez falę dźwiękową w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni prostopadłą do kierunku propagacji fali:

Jednostką natężenia dźwięku w układzie SI jest wat na metr kwadratowy (W/m2).

Czułość ludzkiego ucha jest różna dla różnych częstotliwości. Aby wywołać wrażenie dźwiękowe, fala musi mieć pewną minimalną intensywność, ale jeśli ta intensywność przekroczy pewną granicę, wówczas dźwięk nie jest słyszalny i powoduje jedynie ból. Zatem dla każdej częstotliwości oscylacji istnieje najmniejsze (próg słyszalności) i największe (próg odczuwania bólu) natężenie dźwięku, które może powodować percepcję dźwięku. na ryc. 223 pokazuje zależność progów słyszenia i bólu od częstotliwości dźwięku. Obszar znajdujący się pomiędzy tymi dwiema krzywymi jest obszarem słyszalności.

Jeżeli natężenie dźwięku jest wielkością, która obiektywnie charakteryzuje falę nowy proces, to subiektywną cechą dźwięku związaną z jego natężeniem jest głośność dźwięku, która zależy od częstotliwości. Zgodnie z fizjologicznym prawem Webera-Fechnera, wraz ze wzrostem natężenia dźwięku głośność wzrasta zgodnie z prawem logarytmicznym. Na tej podstawie wprowadza się obiektywną ocenę głośności dźwięku według zmierzonej wartości jego natężenia:

gdzie I 0 - natężenie dźwięku na progu słyszalności, przyjmowane dla wszystkich dźwięków równe 10 -12 W/m 2 . Wartość L nazywana jest poziomem natężenia dźwięku i jest wyrażana w belach (na cześć wynalazcy telefonu Bell). Zwykle stosuje się jednostki 10 razy mniejsze - decybele (dB).

Charakterystyka fizjologiczna dźwięk to poziom głośności wyrażony w fonach (phon). Głośność dźwięku o częstotliwości 1000 Hz (częstotliwość standardowego czystego tonu) wynosi 1 fon, jeśli jego poziom natężenia wynosi 1 dB. Na przykład hałas w wagonie metra wysoka prędkość odpowiada „90 tłu i szeptowi w odległości 1 m -” 20 tłu.

Prawdziwy dźwięk to nakładka wibracje harmoniczne o dużym zestawie częstotliwości, czyli dźwięk ma widmo akustyczne, które może być ciągłe (w pewnym przedziale występują drgania o wszystkich częstotliwościach) i liniowe (istnieją drgania o pewnych częstotliwościach oddzielone od siebie).

Dźwięk charakteryzuje się oprócz głośności wysokością i barwą. Wysokość dźwięku - jakość dźwięku, określana przez osobę subiektywnie na podstawie ucha i w zależności od częstotliwości dźwięku. Wraz ze wzrostem częstotliwości wzrasta wysokość dźwięku, tj. dźwięk staje się „wyższy”. Charakter widma akustycznego i rozkład energii pomiędzy określonymi częstotliwościami decyduje o oryginalności doznań dźwiękowych, zwaną barwą dźwięku. Tak więc różni śpiewacy, którzy uderzają w tę samą nutę, mają różne spektrum akustyczne, to znaczy ich głosy mają różną barwę.

Źródłem dźwięku może być dowolne ciało oscylujące w ośrodku sprężystym z częstotliwością dźwięku (na przykład w instrumentach strunowych źródłem dźwięku jest struna połączona z korpusem instrumentu).

Wykonując oscylacje, ciało powoduje oscylacje sąsiadujących z nim cząstek ośrodka z tą samą częstotliwością. Stan ruchu oscylacyjnego jest sukcesywnie przenoszony na cząstki ośrodka coraz bardziej oddalone od ciała, tzn. fala rozchodzi się w ośrodku z częstotliwością oscylacji równą częstotliwości jej źródła iz pewną prędkością zależną od gęstości i sprężyste właściwości ośrodka. Szybkość propagacji fal dźwiękowych w gazach oblicza się według wzoru

(158.1)

gdzie R jest molową stałą gazową, M jest masa cząsteczkowa, g \u003d C p / C v - stosunek molowych pojemności cieplnych gazu przy stałym ciśnieniu i objętości, T - temperatura termodynamiczna. Ze wzoru (158.1) wynika, że ​​prędkość dźwięku w gazie nie zależy od ciśnienia R gazu, ale wzrasta wraz z temperaturą. Im większa masa molowa gazu, tym mniejsza prędkość dźwięku w nim. Na przykład przy T = 273 K prędkość dźwięku w powietrzu (M = 29×10-3 kg/mol) v = 331 m/s, w wodorze (M = 2×10-3 kg/mol) v = 1260 m/sek. Wyrażenie (158,1) odpowiada danym doświadczalnym.

Kiedy dźwięk rozchodzi się w atmosferze, należy wziąć to pod uwagę cała linia czynniki: prędkość i kierunek wiatru, wilgotność powietrza, struktura molekularna ośrodek gazowy, zjawiska załamania i odbicia dźwięku na granicy dwóch ośrodków. Ponadto każdy ośrodek rzeczywisty ma lepkość, więc obserwuje się tłumienie dźwięku, czyli spadek jego amplitudy, a co za tym idzie, natężenia fali dźwiękowej podczas jej propagacji. Tłumienie dźwięku wynika w dużej mierze z jego pochłaniania w ośrodku, związanego z nieodwracalnym przejściem energii akustycznej w inne formy energii (głównie ciepło).

Do akustyki pomieszczenia bardzo ważne ma pogłos dźwiękowy - proces stopniowego tłumienia dźwięku w pomieszczeniach zamkniętych po wyłączeniu jego źródła. Jeśli pokoje są puste, dźwięk zanika powoli i powstaje „bum” pomieszczenia. Jeśli dźwięki szybko zanikają (przy użyciu materiałów dźwiękochłonnych), są odbierane jako stłumione. Czas pogłosu to czas, w którym natężenie dźwięku w pomieszczeniu jest tłumione w milionach, a jego poziom o 60 dB. Pomieszczenie ma dobrą akustykę, jeśli czas pogłosu wynosi 0,5-1,5 s.

Grzmot, muzyka, szum fal, ludzka mowa i wszystko inne, co słyszymy, to dźwięk. Co to jest „dźwięk”?

Źródło obrazu: pixabay.com

W rzeczywistości wszystko, co zwykliśmy uważać za dźwięk, jest tylko jedną z odmian wibracji (powietrza), które nasz mózg i narządy mogą odbierać.

Jaka jest natura dźwięku

Wszystkie dźwięki rozchodzące się w powietrzu są drganiami fali dźwiękowej. Powstaje w wyniku wibracji obiektu i rozchodzi się od źródła we wszystkich kierunkach. Oscylujący obiekt ściska cząsteczki w środowisku, a następnie tworzy rozrzedzoną atmosferę, powodując, że cząsteczki odpychają się coraz dalej. W ten sposób zmiany ciśnienia powietrza rozchodzą się od obiektu, same cząsteczki pozostają w tej samej pozycji dla siebie.

Oddziaływanie fal dźwiękowych na błonę bębenkową. Źródło obrazu: prd.go.th

Gdy fala dźwiękowa rozchodzi się w przestrzeni, odbija się od obiektów na swojej drodze, powodując zmiany w otaczającym powietrzu. Kiedy te zmiany dotrą do ucha i wpłyną na błonę bębenkową, zakończenia nerwowe wysyłasz sygnał do mózgu, a odbierasz te wibracje jako dźwięk.

Główne cechy fali dźwiękowej

Najprostszą formą fali dźwiękowej jest fala sinusoidalna. Czyste fale sinusoidalne są rzadkie w naturze, ale to od nich powinieneś zacząć studiować fizykę dźwięku, ponieważ każdy dźwięk można rozłożyć na kombinację fal sinusoidalnych.

Sinusoida wyraźnie pokazuje trzy podstawowe fizyczne kryteria dźwięku - częstotliwość, amplitudę i fazę.

Częstotliwość

Im niższa częstotliwość oscylacji, tym niższy dźwięk Źródło zdjęcia: ReasonGuide.Ru

Częstotliwość to wartość charakteryzująca liczbę oscylacji na sekundę. Mierzy się ją w liczbie okresów oscylacji lub w hercach (Hz). Ucho ludzkie może odbierać dźwięki w zakresie od 20 Hz (niska częstotliwość) do 20 kHz (wysoka częstotliwość). Dźwięki powyżej tego zakresu nazywane są ultradźwiękami, a poniżej infradźwiękami i nie są odbierane przez ludzki narząd słuchu.

Amplituda

Im większa amplituda fali dźwiękowej, tym głośniejszy dźwięk.

Pojęcie amplitudy (lub natężenia) fali dźwiękowej odnosi się do siły dźwięku, którą ludzki narząd słuchu odbiera jako głośność lub głośność dźwięku. Ludzie mogą odbierać dość szeroki zakres głośności dźwięku: od cieknącego kranu w cichym mieszkaniu po muzykę grającą na koncercie. Głośność mierzy się za pomocą fonometrów (wskaźników w decybelach), które dla ułatwienia pomiarów wykorzystują skalę logarytmiczną.

Faza fali dźwiękowej

Fazy ​​fali dźwiękowej. Źródło obrazu: Muz-Flame.ru

Służy do opisu właściwości dwóch fal dźwiękowych. Jeśli dwie fale mają tę samą amplitudę i częstotliwość, to mówi się, że dwie fale dźwiękowe są w fazie. Faza jest mierzona od 0 do 360, gdzie 0 to wartość wskazująca, że ​​dwie fale dźwiękowe są zsynchronizowane (w fazie), a 180 to wartość wskazująca, że ​​fale są przeciwne (nie w fazie). Kiedy dwie fale dźwiękowe są w fazie, dwa dźwięki nakładają się, a sygnały wzmacniają się nawzajem. Kiedy dwa sygnały, które nie pasują do siebie pod względem amplitudy, są łączone, sygnały te są tłumione z powodu różnicy ciśnień, co prowadzi do wyniku zerowego, czyli dźwięku zanika. Zjawisko to znane jest jako „tłumienie fazy”.

Przy łączeniu dwóch identycznych sygnałów audio – poważnym problemem może być tłumienie fazy, podobnie jak ogromną uciążliwością jest łączenie oryginalnej fali dźwiękowej z falą odbitą od powierzchni w pomieszczeniu akustycznym. Na przykład, gdy lewy i prawy kanał miksera stereo są łączone w celu uzyskania harmonijnego nagrania, sygnał może cierpieć z powodu anulowania fazy.

Co to jest decybel?

Decybele mierzą poziom ciśnienia akustycznego lub napięcia elektrycznego. Jest to jednostka, która pokazuje stosunek stosunku dwóch różnych wielkości do siebie. Bel (nazwany na cześć amerykańskiego naukowca Alexandra Bella) jest logarytm dziesiętny, odzwierciedlając stosunek dwóch różnych sygnałów do siebie. Oznacza to, że dla każdego kolejnego bela na wadze odbierany sygnał jest dziesięciokrotnie silniejszy. Na przykład ciśnienie akustyczne głośnego dźwięku jest miliardy razy wyższe niż cichego. Aby wyświetlić tak duże wartości, zaczęli używać wartość względna decybel (dB) - podczas gdy 1 000 000 000 to 109, czyli zaledwie 9. Przyjęcie tej wartości przez fizyków akustyków umożliwiło wygodniejszą pracę z ogromnymi liczbami.

Skala głośności dla różnych dźwięków. Źródło obrazu: Nauet.ru

W praktyce okazuje się, że bel jest zbyt dużą jednostką do pomiaru poziomu dźwięku, dlatego zamiast niego zastosowano decybel, który stanowi jedną dziesiątą bela. Nie można powiedzieć, że używanie decybeli zamiast beli jest jak używanie, powiedzmy, centymetrów zamiast metrów do wskazania rozmiaru buta, bele i decybele to wartości względne.

Z powyższego wynika, że ​​poziom dźwięku jest zwykle mierzony w decybelach. Niektóre normy poziomu dźwięku stosowane są w akustyce od wielu lat, od czasu wynalezienia telefonu do dnia dzisiejszego. Większość z tych norm jest trudna do zastosowania w odniesieniu do nowoczesnego sprzętu, stosuje się je tylko do sprzętu przestarzałego. Obecnie sprzęt w studiach nagraniowych i nadawczych posługuje się taką jednostką jak dBu (decybel względem poziomu 0,775 V), aw sprzęcie gospodarstwa domowego - dBV (decybel, mierzony względem poziomu 1 V). Cyfrowy sprzęt audio wykorzystuje dBFS (pełna skala decybeli) do pomiaru mocy akustycznej.

dBm– „m” oznacza miliwaty (mW), które są jednostką miary używaną do przedstawiania energii elektrycznej. Moc należy odróżnić od napięcia elektrycznego, chociaż te dwa pojęcia są ze sobą ściśle powiązane. Jednostka miary dBm zaczęła być używana u zarania wprowadzenia łączności telefonicznej, dziś jest stosowana również w profesjonalnym sprzęcie.

dBu- w tym przypadku mierzone jest napięcie (zamiast mocy) względem zerowego poziomu odniesienia, za poziom odniesienia uważa się 0,75 V. W nowoczesnych profesjonalnych aplikacjach audio dBu zostało zastąpione przez dBm. Jako jednostki miary w dziedzinie inżynierii dźwięku wygodniej było używać dBu w przeszłości, kiedy do oceny poziomu sygnału ważniejsze było uwzględnianie mocy elektrycznej niż jej napięcia.

dBV- ta jednostka miary również opiera się na zerowym poziomie odniesienia (jak w przypadku dBu), jednak za poziom odniesienia przyjmuje się 1 V, co jest wygodniejsze niż wartość 0,775 V. Ta jednostka miary dźwięku jest często używana do domowego i półprofesjonalnego sprzętu audio.

dBFS – ta ocena Poziom sygnału jest szeroko stosowany w dźwięku cyfrowym i bardzo różni się od powyższych jednostek miary. FS (full scale) to pełna skala, która jest używana, ponieważ w przeciwieństwie do dźwięku analogowego, który ma optymalne napięcie, cały zakres wartości cyfrowych jest równie akceptowalny podczas pracy z sygnałem cyfrowym. 0 dBFS to maksymalny możliwy poziom dźwięku cyfrowego, który można nagrać bez zniekształceń. Analogowe standardy pomiarowe, takie jak dBu i dBV, nie mają zapasu powyżej 0 dBFS.

Jeśli podobał Ci się artykuł polub I zasubskrybuj kanał POP NAUKOWY . Zostańcie z nami przyjaciele! Wiele ciekawych rzeczy przed nami!

Dźwięk to sprężyste fale w ośrodku (często w powietrzu), które są niewidoczne, ale wyczuwalne dla ludzkiego ucha (fala oddziałuje na błonę bębenkową). Fala dźwiękowa jest podłużną falą kompresji i rozrzedzenia.

Czy jeśli stworzymy próżnię, będziemy w stanie rozróżniać dźwięki? Robert Boyle umieścił zegar w szklanym naczyniu w 1660 roku. Kiedy wypompował powietrze, nie usłyszał żadnego dźwięku. Doświadczenie to potwierdza medium jest potrzebne do propagacji dźwięku.

Dźwięk może się również rozchodzić w ośrodkach płynnych i stałych. Pod wodą wyraźnie słychać uderzenia kamieni. Umieść zegar na jednym końcu drewnianej deski. Przykładając ucho do drugiego końca, możesz wyraźnie usłyszeć tykanie zegara.

Fala dźwiękowa rozchodzi się w drewnie

Źródłem dźwięku jest z konieczności oscylujące ciało. Na przykład struna w gitarze Zwyczajny stan nie wydaje dźwięku, ale gdy tylko wprawiamy go w drgania, pojawia się fala dźwiękowa.

Jednak doświadczenie pokazuje, że nie każde wibrujące ciało jest źródłem dźwięku. Na przykład ciężarek zawieszony na nitce nie wydaje dźwięku. Faktem jest, że ucho ludzkie nie odbiera wszystkich fal, a jedynie te, które tworzą ciała oscylujące z częstotliwością od 16 Hz do 20 000 Hz. Takie fale nazywamy dźwięk. Drgania o częstotliwości mniejszej niż 16 Hz nazywamy infradźwięki. Drgania o częstotliwości większej niż 20 000 Hz nazywamy ultradźwięk.

Prędkość dźwięku

Fale dźwiękowe nie rozchodzą się natychmiast, ale z pewną skończoną prędkością (podobną do prędkości ruchu jednostajnego).

Dlatego podczas burzy najpierw widzimy błyskawicę, czyli światło (prędkość światła jest znacznie większa niż prędkość dźwięku), a dopiero potem słychać dźwięk.

Prędkość dźwięku zależy od ośrodka: w ciałach stałych i cieczach prędkość dźwięku jest znacznie większa niż w powietrzu. Są to stałe mierzone tabelarycznie. Wraz ze wzrostem temperatury ośrodka prędkość dźwięku wzrasta, a wraz ze spadkiem maleje.

Dźwięki są różne. Aby scharakteryzować dźwięk, wprowadza się specjalne wielkości: głośność, wysokość i barwę dźwięku.

Głośność dźwięku zależy od amplitudy oscylacji: im większa amplituda oscylacji, tym głośniejszy dźwięk. Ponadto percepcja głośności dźwięku przez nasze ucho zależy od częstotliwości drgań fali dźwiękowej. Fale o wyższej częstotliwości są postrzegane jako głośniejsze.

Częstotliwość fali dźwiękowej określa wysokość dźwięku. Im wyższa częstotliwość drgań źródła dźwięku, tym wyższy dźwięk przez nie wytwarzany. Głosy ludzkie są podzielone na kilka zakresów w zależności od ich wysokości.

Dźwięki z różnych źródeł są kombinacją drgań harmonicznych o różnych częstotliwościach. Składnik o najdłuższym okresie ( najniższa częstotliwość) nazywa się tonem podstawowym. Reszta składowych dźwięku to alikwoty. Zestaw tych elementów tworzy koloryt, barwę dźwięku. Suma alikwotów w głosach różni ludzie przynajmniej trochę, ale inaczej, to określa barwę konkretnego głosu.

Echo. Echo powstaje w wyniku odbicia dźwięku od różnych przeszkód - gór, lasów, ścian, dużych budynków itp. Echo pojawia się tylko wtedy, gdy odbity dźwięk jest odbierany oddzielnie od pierwotnie wypowiedzianego dźwięku. Jeśli powierzchni odbijających jest wiele i znajdują się one w różnych odległościach od człowieka, to odbite fale dźwiękowe dotrą do niego w różnym czasie. W takim przypadku echo będzie wielokrotne. Aby echo było słyszalne, przeszkoda musi znajdować się w odległości 11 m od osoby.

Odbicie dźwięku. Dźwięk odbija się od gładkich powierzchni. Dlatego podczas używania tuby fale dźwiękowe nie rozpraszają się we wszystkich kierunkach, ale tworzą wąską wiązkę, dzięki czemu moc dźwięku wzrasta i rozprzestrzenia się na większą odległość.

Niektóre zwierzęta (np. nietoperz, delfin) emitują wibracje ultradźwiękowe, a następnie postrzegają falę odbitą od przeszkód. Określają więc położenie i odległość do otaczających obiektów.

echolokacja. Jest to metoda określania położenia ciał na podstawie odbijanych od nich sygnałów ultradźwiękowych. Szeroko stosowany w nawigacji. Instalowane na statkach sonary- urządzenia do rozpoznawania obiektów podwodnych oraz określania głębokości i topografii dna. Nadajnik i odbiornik dźwięku są umieszczone na dnie naczynia. Nadajnik wysyła krótkie sygnały. Analizując czas opóźnienia i kierunek powracających sygnałów, komputer określa położenie i rozmiar obiektu, który odbijał dźwięk.

Ultradźwięki służą do wykrywania i określania różnych uszkodzeń w częściach maszyn (pustki, pęknięcia itp.). Urządzenie służące do tego celu to tzw defektoskop ultradźwiękowy. Na badaną część kierowany jest strumień krótkich sygnałów ultradźwiękowych, które odbijają się od znajdujących się w niej niejednorodności i wracając wpadają do odbiornika. W miejscach, gdzie nie ma defektów, sygnały przechodzą przez część bez znaczącego odbicia i nie są rejestrowane przez odbiornik.

Ultradźwięki są szeroko stosowane w medycynie do diagnozowania i leczenia niektórych chorób. w odróżnieniu prześwietlenia jego fale nie oddają szkodliwy wpływ na tkaninie. USG diagnostyczne (USA) pozwolić bez interwencja chirurgiczna rozpoznać zmiany patologiczne narządów i tkanek. Specjalne urządzenie wysyła fale ultradźwiękowe o częstotliwości od 0,5 do 15 MHz pewna część ciała, odbijają się od badanego narządu, a komputer wyświetla jego obraz na ekranie.

Infradźwięki charakteryzują się niską absorpcją w różne środowiska w rezultacie fale infradźwiękowe w powietrzu, wodzie i skorupie ziemskiej mogą rozprzestrzeniać się na bardzo duże odległości. Zjawisko to zostało znalezione praktyczne użycie Na ustalanie miejsc silne eksplozje lub położenie broni strzeleckiej. Umożliwia to rozchodzenie się infradźwięków na duże odległości w morzu prognozy klęsk żywiołowych- tsunami. Meduzy, skorupiaki itp. są w stanie odbierać infradźwięki i na długo przed nadejściem burzy wyczuwają jej zbliżanie się.