Какими свойствами обладает звуковая волна
Раскаты грома, музыка, шум прибоя, человеческая речь и все остальное, что мы слышим — это звук. А что такое «звук»?
Источник изображения: pixabay.com
В действительности все, что мы привыкли считаем звуком — это всего лишь одна из разновидностей колебаний (воздуха), которые могут воспринимать наш мозг и органы слуха.
Какая природа у звука
Все звуки, распространяемые в воздухе, представляют собой вибрации звуковой волны. Она возникает посредством колебания объекта и расходится от её источника во всех направлениях. Колеблющийся объект сжимает молекулы в окружающей среде, а затем создаёт разреженную атмосферу, заставляя молекулы отталкиваться друг от друга всё дальше и дальше. Таким образом, изменения в давлении воздуха распространяются от объекта, сами молекулы остаются в неизменной для себя позиции.
Воздействие звуковых волн на барабанную перепонку. Источник изображения:prd.go.th
По мере того, как звуковая волна распространяется в пространстве, она отражается от объектов, встречающихся на её пути, создавая изменения в окружающем воздухе. Когда эти изменения, достигая вашего уха, воздействуют на барабанную перепонку, нервные окончания подают сигнал в мозг, и вы воспринимаете эти колебания как звук.
Основные характеристики звуковой волны
Самой простой формой звуковой волны является синусоида. Синусоидные волны в чистом виде редко встречаются в природе, однако именно с них следует начинать изучение физики звука, так как любые звуки можно разложить на комбинацию синусоидных волн.
Синусоида чётко демонстрирует три основных физических критерия звука – частоту, амплитуду и фазу.
Частота
Чем реже частота колебаний, тем звук ниже, Источник изображения:ReasonGuide.Ru
Частота — это величина, характеризующая количество колебаний в секунду. Она измеряется в количестве периодов колебания либо в герцах (ГЦ). Человеческое ухо может воспринимать звук в диапазоне от 20 Гц (низкочастотные) и до 20 КГц (высокочастотные). Звуки, находящиеся выше данного диапазона называется ультразвуком, а ниже – инфразвуком, и человеческими органами слуха не воспринимаются.
Амплитуда
Чем больше амплитуда звуковой волны, тем громче звук.
Понятие амплитуды (или интенсивности) звуковой волны имеет отношение к силе звука, которую человеческие органы слуха воспринимают как объём или громкость звука. Люди могут воспринимать достаточно широкий спектр громкости звука: от капающего крана в тихой квартире, и до музыки, звучащей на концерте. Для измерения громкости используются фонометры (показатели в децибелах), в которых используется логарифмическая шкала чтобы сделать измерения более удобными.
Фаза звуковой волны
Фазы звуковой волны. Источник изображения: Muz-Flame.ru
Используется для того, чтобы описать свойства двух звуковых волн. Если две волны имеют одинаковую амплитуду и частотность, то говорят, что две звуковые волны находятся в фазе. Фаза измеряется в диапазоне от 0 до 360, где 0 – это значение, показывающее, что две звуковые волны синхронны (в фазе), а 180 – значение, означающее противоположность волн друг к другу (находятся в противофазе). Когда две звуковые волны находятся в фазе, то два звука накладываются и сигналы усиливают друг друга. При совмещении двух сигналов, не совпадающих по амплитуде, из-за разницы давления идёт подавление сигналов, что приводит к нулевому результату, то есть звук исчезает. Этот феномен известен как “подавление фазы”.
При совмещении двух одинаковых аудио сигналов – подавление фазы может стать серьёзной проблемой, так же огромной неприятностью является совмещение оригинальной звуковой волны с волной, отражённой от поверхностей в акустической комнате. Например, когда совмещают левый и правый каналы стерео микшера, чтобы получить гармоничную запись, сигнал может страдать от подавления фаз.
Что такое децибел?
В децибелах измеряется уровень звукового давления или электрического напряжения. Это такая единица, которая показывает коэффициент отношения двух разных величин друг к другу. Бел (названный в честь американского ученого Александра Белла) является десятичным логарифмом, отражающим соотношение двух разных сигналов друг к другу. Это означает, что для каждого последующего бела в шкале, принимаемый сигнал в десять раз мощнее. Например, звуковое давление громкого звука в миллиарды раз выше, чем у тихого. Для того чтобы отображать такие большие величины, стали использовать относительную величину децибел (дБ) – при этом 1.000.000.000 – это 109, или просто 9. Принятие физиками акустиками данной величины позволило сделать работу с огромными числами удобнее.
Шкала громкости различных звуков. Источник изображения: Nauet.ru
На практике получается так, что бел является слишком большой единицей для измерения уровня звука, поэтому вместо него стали использовать децибел, что составляет одну десятую от бела. Нельзя сказать, что применение децибелов вместо белов – это как использование, скажем, сантиметров вместо метров для обозначения размера обуви, белы и децибелы — относительные величины.
Из выше сказанного понятно, что уровень звука принято измерять в децибелах. Некоторые эталоны уровня звука используются в акустике на протяжении многих лет, начиная со времён изобретения телефона, и по сей день. Большинство этих эталонов сложно применить относительно современного оборудования, они используются только для устаревших единиц техники. На сегодняшний день на оборудовании в студиях звукозаписи и вещания используется такая единица, как дБu (децибел относительно уровня 0,775 В), а в бытовой аппаратуре – дБВ (децибел, отсчитываемый относительно уровня 1 В). В цифровой аудио аппаратуре для измерения мощности звука применяется дБFS (децибел полной шкалы).
дБм – “м” обозначает милливатты (мВт), данная единица измерения используется для обозначения электрической мощности. Следует отличать мощность от электрического напряжения, хотя эти два понятия тесно связаны друг с другом. Единицу измерения дБм начали использовать ещё на заре внедрения телефонных коммуникаций, на сегодняшний день её тоже используют в профессиональной аппаратуре.
дБu — в данном случае измеряется напряжение (вместо мощности) относительно эталонного нулевого уровня, за эталонный уровень принято считать 0,75 вольт. В работе с современной профессиональной аудио аппаратуре дБu заменён на дБм. В качестве единицы измерения в сфере звукотехники было удобнее использовать дБu раньше, когда для оценки уровня сигнала было важнее считать электрическую мощность, а не его напряжение.
дБВ – в основе данной единицы измерения так же лежит эталонный нулевой уровень (как и в случае с дБu), однако за эталонный уровень принимают 1 В, что является более удобным, чем цифра 0,775 В. Данная единица измерения звука часто используется для бытовой и полу профессиональной аудио аппаратуры.
дБFS – данная оценка уровня сигнала широко используется в цифровой звукотехнике и сильно отличается от указанных выше единиц измерения. FS (full scale) – полная шкала, которая используется из-за того, что, в отличие от аналогового звукового сигнала, которое имеет оптимальное напряжение, весь диапазон цифровых значений одинаково приемлем при работе с цифровым сигналом. 0 дБFS – это максимально возможный уровень цифрового звукового сигнала, который можно записать без искажения. У аналоговых стандартов измерения таких, как дБu и дБВ, после уровня 0 дБFS нет запаса по динамическому диапазону.
Если Вам понравилась статья , поставьте лайк и подпишитесь на канал НАУЧПОП . Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Свойства звуковой волны. Характеристики распространения волн.
Звуковые волны имеют несколько основных свойств:
• Распространение звуковых волн. Звуковые волны распространяются через воздух, жидкости и ткани человеческого организма почти исключительно в виде упругих волн. Последние представляют собой зоны, в которых молекулы, составляющие среду, попеременно разрежаются или уплотняются. Таким образом, звуковые волны могут распространяться через вещество и не распространяются в вакууме.
• Скорость распространения. Скорость звука при прохождении любых веществ относительно мала (для ткани около 1540 м/с). Следовательно, время прохождения звуковой волны может быть точно измерено и соотнесено с пройденным расстоянием с использованием принципа «время -расстояние».
• Отражение (частичное или полное) звуковых волн от поверхностей: степень отражения падающих на поверхность звуковых волн зависит от акустического сопротивления (импеданса):
Импеданс — отношение интенсивности падаюшей звуковой волны к той ее части, которая была пропущена средой.
Акустическое сопротивление — произведение плотности и скорости звука. Характеризует рассеяние энергии волн в веществе.
Эффект Допплера.
Согласно эффекту Допплера, частота отраженной звуковой волны изменяется при приближении или отдалении источника звука от принимающего устройства. В соответствии с законом «время-расстояние», произведение времени и скорости равняется пройденному расстоянию. Таким образом, для определения направления и скорости кровотока в сосудах и сердце могут быть проанализированы изменения частоты отражения звуковых волн от движущихся эритроцитов.
Качество ультразвукового исследования (УЗИ) зависит от двух критериев, связанных со свойствами звуковых волн:
• Максимально возможное разрешение (высшая частота передатчика).
• Адекватность глубины проникновения звука (низшая частота передатчика).
• Правило: звуковые волны меньшей длины дают большее разрешение, но меньшую глубину проникновения ультразвука
• Решение: диапазон оптимальных частот для ультразвуковой диагностики составляет 1-10 МГц. Диапазон оптимальной длины звуковых волн составляет 0.15-1,5 мм.
Скорость распространения звука. Этот показатель зависит от плотности среды (примерно 1500-1600 м/с в мягких тканях и жидкостях, 331 м/с в воздухе и 3500 м/с в костях). Ультразвуковые инструменты откалиброваны для средней скорости звука 1540 м/с.
Осевое разрешение. Звуковой импульс составляется двумя (или тремя) звуковыми волнами, выпущенными в продольном (осевом) направлении. Максимальная способность к различению двух отдельных точек в продольном направлении равняется 1/2 длины импульса, или приблизительно длине одной звуковой волны. Например, при рабочей частоте 3,5 МГц разрешение равно примерно 0,5 (- 1) мм.
Латеральное разрешение. С увеличением глубины ультразвуковой луч сначала сужается, а затем происходит его расширение со снижением интенсивности и разрешения. Фокусная зона луча («сужение») имеет ширину 3-4 длины звуковой волны и характеризуется максимальным латеральным разрешением. При частоте 3,5 МГц латеральное разрешение составляет примерно 2 мм, т.е. две соседние точки будут расценены как различные, если расстояние между ними не меньше 2 мм.
Учебное видео настройки аппарата УЗИ и параметров его работы
— Также рекомендуем «Фокусировка ультразвукового луча. Распространение ультразвуковых волн.»
Оглавление темы «УЗИ диагностика.»:
1. Свойства звуковой волны. Характеристики распространения волн.
2. Фокусировка ультразвукового луча. Распространение ультразвуковых волн.
3. Ультразвуковые методики. Режимы сканирования УЗИ.
4. Ультразвуковые передатчики. Виды УЗИ сканеров.
5. УЗИ с контрастированием. Настройка УЗИ аппарата.
6. Цветная дуплексная эхосонография. Цветное УЗИ.
7. Артефакты при УЗИ. Цветовые артефакты.
8. Помехи при УЗИ. Акустическое усиление УЗИ.
9. Реверберации при УЗИ. Боковые тени на УЗИ.
10. УЗИ органов брюшной полости. Виды плоскостей сканирования.
В общем случае звуковые волны физика рассматривает как распространение возмущений давления в упругих средах. Человеческое ухо улавливает аномалию, воспринимая звук.
Изучающая свойства явления наука называется акустикой. От греческого ἀκούω (слышать). Имеются в виду небольшие изменения параметров в отличие от физики ударных волн.
Звуковые волны
Процесс распространения связан с колебательным механическим движением частиц. Достаточно каким-либо образом создать скачок давления, и частицы «толкнут» соседние.
Уравнение звуковой волны в газе (гармоничные колебания) будет выглядеть так:
p0 – начальное давление (Па);
ω – круговая частота (Гц);
k – волновое число.
Формулы связи длины звуковой волны, скорости, иные характеристики:
v – скорость волны (м/с);
λ – длина волны (м);
T – период (с);
f – частота (Гц).
Источник звука
Под источником звука понимают вещь, спровоцировавшую волну. Например, динамик или музыкальный инструмент.
В громкоговорителе для извлечения шума используется подвижная мембрана. В духовых инструментах – движение воздуха по внутренним ходам различной геометрии.
Из струнных звук извлекают при помощи трения смычка или при помощи щипков, ударов. Человек выдает речь, вокал, при помощи голосовых связок.
Скорость звуковой волны
Скорость распространения акустической волны является важной физической характеристикой среды или материала, поскольку со скоростью звука передаются любые возмущения.
Величина зависит от упругих свойств среды. Например, от давления, температуры. Для атмосферного воздуха важна влажность.
В общем случае определяется отношением модуля всестороннего сжатия и номинальной плотностью.
Для практических целей замеряется опытным путем. В жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах.
Громкость
Зависит от перемещаемой волной энергии. Замеряют в Вт/м2. Но интенсивность принято измерять в децибелах.
Существует масса приложений для компьютеров, смартфонов. Специалисты вооружаются специализированными устройствами.
Бел – десятичный логарифм отношения текущего уровня интенсивности в фоновому, пороговому. Осталось умножить на 10 (поскольку децибел).
Вот примеры уровня шума для разных источников.
Высота и тембр звука
Считается, что человеческое ухо воспринимает с разным успехом частоты диапазона 20…20 000 Гц. Оптимальными для слуха является интервал 1 000…5 000 Гц.
Высота определяется частотой. В связанной с музыкальными инструментами акустике измеряется также в мелах.
В музыкальных колонках в зависимости от частот звук может разделяться на полосы (НЧ, СЧ, ВЧ). На каждый громкоговоритель поступает соответственно отфильтрованный звук.
Рассуждения корректны, если имеем гармоничные колебания (синусоида), определенный тон. Примером такого звучания может служить камертон. Реальные инструменты дают дополнительные гармоники (обертона), образующие тембр.
Так выглядит звук от разных источников на одной ноте.
Звуковые явления
Звук обладает ярко выраженными волновыми свойствами:
1. Интерференция или сложение. В зависимости от условий волны могут взаимно усиливаться или ослабляться.
При проведении крупных концертных мероприятий учитывается возможные «деформации» звука в некоторых участках помещения. Эффект связан с обильным отражением (рефракцией) волн от стен, потолка, пола. Особенно коварно поведение линейных массивов.
Рота бойцов разрушит мост, идя по нему «в ногу». Конструкции не выдерживает наступающего резонанса.
2. Дифракция. Огибание препятствия, если длина волны существенно больше.
3. Замеренная частота источника увеличивается в процессе сближения с последним (эффект Доплера).
Применение звуковых волн
Помимо ценности общения друг с другом, звук дает возможность наслаждаться музыкой и обогащать свое представление об окружающем мире. Кроме слышимого спектра существуют инфра- и ультразвук. Ниже и выше границ слышимости соответственно.
УЗИ (ультразвуковое исследование) позволяет «увидеть» внутренности пациента без скальпеля и небезопасного рентгеновского аппарата. Эхолокатор поставляет морякам информацию о глубинах и рельефе дна. Офицер-гидроакустик обнаружит спрятавшуюся подводную лодку. Характер отражения ультразвука поможет обнаружить скрытый дефект в ответственной детали.
Слабо затухающий в средах инфразвук предупредит о стихийном бедствии. Регистрирующие приборы обнаруживают и локализуют сотрясения почвы и скальных пород. Это важно для изучения и предсказания землетрясений. Таким же образом обнаруживаются запрещенные испытания ядерного оружия. Предупрежден – значит вооружен.
Свойства звуковой волны. Скорость звука
Подробности
Категория: Акустика
Опубликовано 14.09.2014 21:16
Просмотров: 8588
Пение птиц, шум дождя и ветра, раскаты грома, музыка – всё, что мы слышим, мы считаем звуком.
С научной точки зрения звук – это физическое явление, которое представляет собой механические колебания, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразной среде. Они и вызывают слуховые ощущения.
Как появляется звуковая волна
Нажать на картинку
Все звуки распространяются в виде упругих волн. А волны возникают под действием упругих сил, появляющихся, когда тело деформируют. Эти силы стремятся вернуть тело в исходное состояние. Например, натянутая струна в неподвижном состоянии не звучит. Но стоит только отвести её в сторону, как под действием силы упругости она будет стремиться занять своё первоначальное положение. Вибрируя, она становится источником звука.
Источником звука может быть любое колеблющееся тело, например, закреплённая с одной стороны тонкая стальная пластинка, воздух в музыкальном духовом инструменте, голосовые связки человека, колокольчик и т.д.
Что происходит в воздухе при возникновении колебания?
Как любой газ, воздух обладает упругостью. Он сопротивляется сжатию и тут же начинает расширяться, когда давление уменьшается. Любое давление на него он равномерно передаёт в разные стороны.
Если с помощью поршня резко сжать воздух, то в этом месте сразу же увеличится давление. Оно тут же передастся соседним слоям воздуха. Они будут сжиматься, и давление в них увеличится, а в предыдущем слое уменьшится. Так по цепочке чередующиеся зоны повышенного и пониженного давления передаются дальше.
Отклоняясь в стороны поочерёдно, звучащая струна сжимает воздух сначала в одном направлении, а затем в противоположном. В том направлении, куда отклонилась струна, давление становится выше атмосферного на какую-то величину. С противоположной стороны давление на такую же величину уменьшается, так как воздух там разрежается. Сжатия и разрежения будут чередоваться и распространяться в разные стороны, вызывая колебания воздуха. Эти колебания и называются звуковой волной. А разность между атмосферным давлением и давлением в слое сжатия или разрежения воздуха называют акустическим, или звуковым давлением.
Нажать на картинку
Звуковая волна распространяется не только в воздухе, но и в жидкой, и в твёрдой среде. Например, вода прекрасно проводит звук. Мы слышим под водой удар камня. Шум винтов надводного корабля улавливает акустик подводной лодки. Если на один конец деревянной доски положить наручные механические часы, то, приложив ухо к противоположному концу доски, мы услышим их тиканье.
Будут ли различаться звуки в вакууме? Английский физик, химик и богослов Роберт Бойль, живший в XVII веке, поместил часы в стеклянный сосуд, из которого откачал воздух. Тиканья часов он не услышал. Это означало, что звуковые волны в безвоздушном пространстве не распространяются.
Характеристики звуковой волны
Форма звуковых колебаний зависит от источника звука. Наиболее простую форму имеют равномерные, или гармонические колебания. Их можно представить в виде синусоиды. Такие колебания характеризуются амплитудой, длиной волны и частотой распространения колебаний.
Амплитуда
Амплитудой в общем случае называют максимальное отклонение тела от положения равновесия.
Так как звуковая волна состоит из чередующихся областей высокого и низкого давления, то её часто рассматривают как процесс распространения колебаний давления. Поэтому говорят об амплитуде давления воздуха в волне.
От амплитуды зависит громкость звука. Чем она больше, тем громче звук.
Каждый звук человеческой речи имеет форму колебаний, свойственную только ему. Так, форма колебаний звука «а» отличается от формы колебаний звука «б».
Частота и период волны
Количество колебаний в секунду называется частотой волны.
f = 1/Т
где Т – период колебаний. Это промежуток времени, за который совершается одно полное колебание.
Чем больше период, тем меньше частота, и наоборот.
Единица измерения частоты в международной системе измерений СИ – герц (Гц). 1 Гц – это одно колебание в секунду.
1 Гц = 1 с-1.
К примеру, частота в 10 Гц означает 10 колебаний в 1 секунду.
1 000 Гц = 1 кГц
От частоты колебаний зависит высота тона. Чем выше частота, тем выше тон звука.
Человеческое ухо способно воспринимать не все звуковые волны, а только лишь те, которые имеют частоту от 16 до 20 000 Гц. Именно эти волны и считаются звуковыми. Волны, частота которых ниже 16 Гц, называют инфразвуковыми, а свыше 20 000 Гц – ультразвуковыми.
Человек не воспринимает ни инфразвуковые, ни ультразвуковые волны. Но животные и птицы способны слышать ультразвук. Например, обыкновенная бабочка различает звуки, имеющие частоту от 8 000 до 160 000 Гц. Диапазон, воспринимаемый дельфинами, ещё шире, он колеблется от 40 до 200 тысяч Гц.
Длина волны
Длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими точками гармонической волны, находящимися в одинаковой фазе, например, между двумя гребнями. Обозначается как ƛ.
За время, равное одному периоду, волна проходит расстояние, равное её длине.
Скорость распространения волны
v= ƛ / T
Так как T = 1/f,
то v = ƛ·f
Скорость звука
Попытки определить скорость звука с помощью экспериментов предпринимались ещё в первой половине XVII века. Английский философ Фрэнсис Бэкон в своей работе «Новый органон» предложил свой способ решения этой задачи, основанный на разности скоростей света и звука.
Известно, что скорость света значительно выше скорости звука. Поэтому во время грозы сначала мы видим вспышку молнии, а уже затем слышим раскаты грома. Зная расстояние между источником света и звука и наблюдателем, а также время между вспышкой света и звуком, можно рассчитать скорость звука.
Идеей Бэкона воспользовался французский учёный Марен Марсенн. Наблюдатель, находящийся на некотором расстоянии от человека, стрелявшего из мушкета, зафиксировал время, прошедшее от световой вспышки до звука выстрела. Затем величину расстояния разделили на время и получили скорость звука. По результатам эксперимента скорость оказалась равной 448 м/с. Это был приблизительный расчёт.
В начале XIX века группа учёных Парижской академии наук повторила этот опыт. По их расчётам скорость света имела значение 350-390 м/с. Но и эта цифра не была точной.
Теоретически скорость света пытался вычислить Ньютон. В основу своих расчётов он положил закон Бойля-Мариотта, описывавший поведение газа в изотермическом процессе (при постоянной температуре). А так бывает, когда объём газа изменяется очень медленно, успевая отдать окружающей среде тепло, возникающее в нём.
Ньютон же предполагал, что между областями сжатия и разрежения температура выравнивается быстро. Но этих условий нет в звуковой волне. Воздух плохо проводит тепло, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Тепло из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения. И между ними возникает разность температур. Поэтому расчёты Ньютона оказались неверными. Они давали цифру в 280 м/с.
Французский учёный Лаплас сумел объяснить, что ошибка Ньютона заключалась в том, что звуковая волна распространяется в воздухе в адиабатических условиях, при изменяющейся температуре. Согласно расчётам Лапласа, скорость звука в воздухе при температуре 0о С равняется 331,5 м/с. Причём, она возрастает с возрастанием температуры. И при повышении температуры до 20о С она будет равна уже 344 м/с.
В разных средах звуковые волны распространяются с разной скоростью.
Для газов и жидкостей скорость звука вычисляется по формуле:
где с –скорость звука,
β — адиабатическая сжимаемость среды,
ρ – плотность.
Как видно из формулы, скорость зависит от плотности и сжимаемости среды. В воздушной среде она меньше, чем в жидкой. Например, в воде при температуре 20о С она равна 1484 м/с. Причём, чем выше солёность воды, тем с большей скоростью в ней распространяется звук.
Впервые скорость звука в воде измерили в 1827 г. Этот эксперимент чем-то напоминал измерение скорости света Мареном Марсенном. С борта одной лодки в воду спустили колокол. На расстоянии более 13 км от первой лодки находилась вторая. На первой лодке ударяли в колокол и одновременно поджигали порох. На второй лодке фиксировали время вспышки, а затем время прихода звука от колокола. Разделив расстояние на время, получили скорость звуковой волны в воде.
Самую высокую скорость звук имеет в твёрдой среде. Например, в стали она достигает более 5000 м/с.