Презентація на тему "Звукові хвилі"

Звукові хвилі.

Звук — коливальний рух частинок середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газі, рідині чи твердому тілі (фізичний зміст) або сприйняття звуку (філософський сенс). У вузькому значенні терміном звук визначають коливання, які сприймаються сенсорною системою тварин і людини. Термін звук використовується для характеристики процесів поширення збурень в матеріальних середовищах, що мають пружні властивості. Прикладом таких середовищ є гази, рідини, тверді пружні тіла. В таких середовищах на будь-яку частинку, зміщену з положення рівноваги, діє сила пружності, яка намагається повернути її в вихідне положення. Характер руху частинок середовища при цьому може бути різним. При коротких збуреннях (постріл, плеск в долоні та ін.) здійснюють короткочасні рухи, після яких частинки повертаються до початкового рівноважного стану. При дії довготривалих, змінних у часі, збурень частинки середовища здійснюють коливальні рухи поблизу положення рівноваги.

Звукові хвилі при певних умовах можуть бути прикладом коливального процесу. Усяке коливання пов'язане з порушенням рівноважного стану системи й виражається у відхиленні її характеристик від рівноважних значень. При поширенні звукових хвиль в середовищі зазнають змін такі характеристики як густина,тиск, швидкість руху частинок, механічні (нормальні та дотичні) напруження, температура. Зміна положення частинок характеризується вектором швидкості, який є функцією координат і часу. Силові фактори взаємодії між частинками акустичного середовища в випадку рідин та газів характеризуються зміною величини тиску. Для пружних тіл силова взаємодія між частинками описується тензором напружень.

Звукові хвилі в повітрі — чергування областей стиснення й розрідження.

Класифікація звуків. Більшість звуків, які зустрічаються в природі складні, тобто є суперпозицією (сумою) хвиль різної частоти. Суперпозиція хвиль різної частоти надає чутному звуку забарвлення, яке називають тембром. За частотними характеристиками акустичної хвилі розрізняють:простий тон — синусоїдні коливання . Звукові коливання простого тону в достатньо хорошому наближенні випромінюють звукові генератори і камертон.складний тонгармонічний — визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та обертонів. Звуки такого спектрального складу дають музичні інструменти. Тембр звуку, тобто співвідношення обертонів та основного тону надає кожному музичному інструменту своє характерне звучання.негармонічний — приблизно визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та негармонічних обертонів .шумбілий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються рівномірно по всьому діапазону .кольоровий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються нерівномірно по всьому діапазону, як правило з поступовим зменшенням інтенсивності від низьких до високих частот.

Характеристики звуку. При описі звукових полів використовують такі фізичні характеристики, як частота, довжина хвилі, амплітуда, швидкість звуку, тиск та швидкість частинок середовища. У зв'язку з особливістю руху частинок середовища при поширенні звукових хвиль цю швидкість називають коливальною швидкістю. Коли мова йде про сприйняття звуків людиною використовують так звані фізіологічні характеристики звуку: тембр, гучність, висота тону. Звичайно середньостатистична людина чує коливання, передані по повітрю, у діапазоні частот від 16—20 Гц до 15—20 к. Гц. Звук нижче діапазону чутності людини називають інфразвуком; вище: до 1 ГГц, — ультразвуком, від 1 ГГц — гіперзвуком. Представники тваринного світу здатні сприймати звуки в значно ширшому діапазоні частот. Кажани для орієнтації та знаходження здобичі використовують звуки в діапазоні 20-120 к. Гц. Дельфіни, наприклад, використовують для орієнтації та полювання звуки з частотою понад 100 к. Гц Значно вищі 20 к. Гц частоти здатні сприймати і собаки..

Серед вловимих звуків варто особливо виділити фонетичні, мовні звуки й фонеми (з яких складається усне мовлення) і музичні звуки (з яких складається музика).

Розрізняють поздовжні й поперечні звукові хвилі залежно від співвідношення напрямку поширення хвилі й напрямки механічних коливань часток середовища поширення

Поздовжня хвиля

Поперечна хвиля

Модель утворення хвилі

Фізичні параметри звуку. В багатьох практично важливих випадках для вивчення процесів генерації, поширення звукових хвиль та їх взаємодії з перешкодами використовується модель ідеальної стисливої рідини (газу) або ідеального пружного тіла. В цьому випадку процес поширення хвиль описується силовими характеристиками (тиск або тензор напружень) та кінематичними характеристиками (вектор коливальної швидкості частинок середовища. Коливальна швидкість виміряється в м/с або см/с. Зміна температури в процесі адіабатичної деформації частинок середовища може бути обчислена додатково. Для врахування втрат енергії при деформації середовища слід використовувати моделі, що враховують в'язкість. При поширенні гармонічних хвиль в'язкі втрати часто враховуються введенням комплексних хвильових чисел чи комплексних модулів пружності.

Частота. Найпростішим типом звуку є звук, в якому тиск у кожній точці простору змінюється за синусоїдним законом, тобто здійснює гармонічні коливання з певною частотою. Частота — це кількість коливань певної точки середовища, в якому поширюються гармонічні звукової хвилі, в секунду. Одному циклу коливання в секунду відповідає величина 1 Гц (1/с). В загальному випадку довільних збурень зміна положення точки середовища в часі може характеризуватися набором дискретних значень частот, або неперервним інтервалом частот (скінченим чи нескінченним). В цьому випадку говорять про дискретний чи неперервний частотний спектр звуку. Людина чує звук з частотами від 16 Гц до 20 к. Гц. Границі чутності визначені не строго і змінюються від людини до людини. Деякі тварини можуть чути звуки з частотою, нижчою від 16 Гц, інші — з частотою понад 20 к. Гц. Діапазон від 16 Гц до 20 к. Гц називають чутним діапазоном. Звуки з частотами до 16 Гц називаються інфразвуком, понад 20000 Гц — ультразвуком. Звуки з частотою 109−1013 Гц називають гіперзвуком. Людське вухо сприймає та розрізняє частоту звукових коливань як висоту звуку або тон.

Швидкість звуку. Швидкість звуку — швидкість поширення звукових хвиль у середовищі. Як правило, в газах швидкість звуку менша, ніж в рідинах, а в рідинах швидкість звуку менша, ніж у твердих тілах, що пов'язано в основному зі зменшенням стисливості (зростанням об'ємного модуля пружності) речовин у цих фазових станах відповідно.

Швидкість звуку залежить від середовища, через яке проходять звукові хвилі і визначається його параметрами — модулями пружності. Швидкість звуку в газах залежить від температури, від маси молекули газу. Загалом вона дорівнює кореню квадратному похідної від модуля пружності середовища відносно густини. При великих інтенсивностях звуку вона залежить також від амплітуди. Швидкість звуку в середовищі, що не опирається зсуву, обчислюється за формулою:

Швидкість звуку в повітрі за нормальних умов становить 340 м/с. Вона дещо зростає з підвищенням температури і зменшується при її пониженні. Швидкість звуку в повітрі практично не залежить від частоти, тому звук розповсюджується на великі відстані без спотворень. В газах швидкість звуку складає декілька сотень метрів на секунду. Найвищу швидкість мають хвилі в водні (близько 1200 м/с). Для рідин швидкість звуку знаходиться в інтервалі 1-2 км/с. В прісній воді швидкість звуку близька до 1500 м/с. В більшості твердих пружних тіл швидкість звуку (поздовжніх хвиль) знаходиться в інтервалі 5-6 км/с. Так, наприклад, швидкість поздовжніх хвиль в сталі дорівнює 5900 м/с, в алюмінії — 6400 м/с. Відповідно, значення швидкості зсувних хвиль в цих матеріалах становить 3200 м/с та 3100 м/с. Рекордне значення швидкості поздовжніх хвиль в твердому тілі характерне для алмазу і становить 18 км/с.

Довжина хвиліДовжина гармонічної звукової хвилі визначається її частотою та швидкістю звуку: Довжини звукових хвиль чутного діапазону лежать у межах від, приблизно, 2 см до, приблизно, 20 м.

Гучність звуку. Гучність звуку  — суб'єктивне сприйняття сили звуку (абсолютна величина слухового відчуття). Гучність головним чином залежить від звукового тиску, амплітуди й частоти звукових коливань. Також на гучність звуку впливають його спектральний склад, локалізація в просторі, тембр, тривалість впливу звукових коливань, індивідуальна чутливість слухового аналізатора людини й інші фактори. Гучність звуку визначається амплітудою коливань, однак гучність — суб'єктивна характеристика інтенсивності звуку, тоді як об'єктивною фізичною характеристикою є звуковий тиск. Людське вухо сприймає гучність у приблизно логарифмічному масштабі за законом Вебера-Фехнера, тому гучність вимірюється в логарифмічних одиницях — децибелах, тоді як звуковий тиск вимірюється в паскалях. Логарифмічний масштаб сприйняття означає, що людина може почути новий звук на деякому звуковому тлі тільки тоді, коли його амплітуда перевищує амплітуду тла не на деяку певну абсолютну величину, а на певний множник, який залежить від частоти. Аналогічно, у логарифмічному масштабі людське вухо розрізняє тони.

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ