В какой среде могут возникать звуковые волны. Что такое звук и какими характеристиками обладает звуковая волна? Медные духовые инструменты

ЯГМА

Медицинская физика

Педиатрический факультет

Курс

Семестр

Лекция № 4

«Медицинская акустика»

Составил:

Бабенко Н.И.

2010 г.
1. Акустика и её виды. Медицинская акустика, её разделы и задачи.

Дословно "акустика" переводится как учение о слухе. Современное определение термина "акустика" следующее:

Акустика - это наука о получении, свойствах и распространении механических волн в различных средах и взаимодействии этих волн с физическими и биологическими объектами.

Акустика состоит из следующих разделов :

· общая акустика, изучает наиболее общие вопросы, связанные с получением и распространением звука, методами звуковых измерений.

· архитектурная акустика , изучает звуковые явления с точки зрения получения хорошей слышимости и речи в разных помещениях, или защиты помещений от нежелательных звуков.

· техническая акустика, изучает практическое применение звука в разных областях техники.

· биологическая акустика, изучает получение и применение звука живыми организмами (летучие мыши, рыбы, дельфины).

· медицинская акустика , изучает физику и биофизику слуха и речи, условия и особенности восприятия звука человеком, применение звука для диагностики заболеваний и их лечения.

Применение акустики в медицине включает в себя практическое использование свойств слышимого звука и ультразвука:

Основными задачами медицинской акустики являются:

· изучение звуковых явлений, возникающих при работе сердца;

· разработка методов диагностики заболеваний при помощи звука и ультразвука;

· разработка звуковых методов лечения;

· разработка гигиенических норм и норм безопасного использования звука в промышленности, медицине и народном хозяйстве.

Вук как физическое явление.

Виды звуковых волн и их характеристика.

Звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой материальной среде преимущественно в виде продольных волн.

B вакууме звук не распространяется, так как для передачи звука необходима материальная среда и механический контакт между собой частиц материальной среды.

В среде звук распространяется в виде звуковых волн. Звуковые волны представляют собой механические колебания, которые передаются в среде при помощи её условных частиц. Под условными частицами среды понимают её микрообъёмы.

Основные физические характеристики акустической волны:

1. Частота.

Частота звуковой волны - это величина,равная числу полных колебаний в единицу времени. Обозначается символом v (ню)и измеряетсяв герцах. 1 Гц =1 кол/сек = [ с -1 ].

Шкала звуковых колебаний делится на следующие частотные интервалы:

· инфразвук (от 0 до 16 Гц);

· слышимый звук (от 16 до 16 000 Гц);

· ультразвук (свыше 16 000 Гц).

С частотой звуковой волны тесно связана обратная величина – период звуковой волны. Период звуковой волны - это время одного полного колебания частиц среды. Обозначается Т и измеряется в секундах [ с ].

По направлению колебаний частиц среды, переносящих звуковую волну, звуковые волны делятся на:

· продольные;

· поперечные.

У продольных волн направления колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения в среде звуковой волны (Рис. 1).

У поперечных волн направления колебаний частиц среды перпендикулярны направлению распространения звуковой волны (Рис. 2).

Рис. 1 Рис. 2

Продольные волны распространяются в газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные - только в твердых телах.

3. Форма колебаний.

По форме колебаний звуковые волны делятся на:

· простые волны;

· сложные волны.

Графиком простой волны является синусоида.

Графиком сложной волны является любая периодическая несинусоидальная кривая.

4. Длина волны.

Длина волны - величина, равная расстоянию, на которое распространяется звуковая волна за время, равное одному периоду. Обозначается λ (лямбда) и измеряется в метрах (м), сантиметрах (см), миллиметрах (мм), микрометрах (мкм).

Длина волны зависит от среды, в которой распространяется звук.

5. Скорость звуковой волны.

Скорость звуковой волны - это скорость распространения звука в среде при неподвижном источнике звука. Обозначается символом v, вычисляется по формуле:

Скорость звуковой волны зависит от вида среды и температуры. Наибольшая скорость звука в твёрдых упругих телах, меньше - в жидкостях, и самая малая - в газах.

воздух,нормальное атмосферное давление, температура - 20 градусов, v = 342 м/с;

вода, температура 15-20 градусов, v = 1500 м/с;

металлы, v = 5000-10000 м/с.

Скорость звука в воздухе с увеличением температуры на 10 градусов возрастает примерно на 0,6 м/с.

Происходящий в газообразных, жидких и твердых средах, который при достижении органов слуха человека воспринимается им как звук. Частота этих волн лежит в пределах от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Приведем формулы для звуковой волны и рассмотрим подробнее ее свойства.

Почему появляется звуковая волна?

Многие люди задаются вопросом, что такое звуковая волна. Природа звука заключается в возникновении возмущения в упругой среде. Например, когда в некотором объеме воздуха происходит возмущение давления в виде сжатия, то данная область стремится распространиться в пространстве. Этот процесс приводит к сжатию воздуха в соседних от источника областях, которые также стремятся расшириться. Данный процесс охватывает все большую и большую часть пространства до тех пор, пока не достигнет какого-либо приемника, например, уха человека.

Общая характеристика звуковых волн

Рассмотрим вопросы, что такое звуковая волна и как она воспринимается человеческим ухом. Звуковая волна является продольной, она при попадании в раковину уха вызывает колебания ушной перепонки с определенной частотой и амплитудой. Также можно представлять эти колебания как периодические изменения давления в микрообъеме воздуха, прилегающего к перепонке. Сначала оно увеличивается относительно нормального атмосферного давления, а затем уменьшается, подчиняясь математическим законам гармонического движения. Амплитуда изменений сжатия воздуха, то есть разница максимального или минимального прессинга, создаваемого звуковой волной, с атмосферным давлением пропорционально амплитуде самой звуковой волны.

Многие физические эксперименты показали, что максимальные давления, которые может воспринимать человеческое ухо без нанесения ему вреда, составляют 2800 мкН/см 2 . Для сравнения скажем, что атмосферное давление вблизи поверхности земли равно 10 млн мкН/см 2 . Учитывая пропорциональность давления и амплитуды колебаний, можно сказать, что последняя величина даже для самых сильных волн является незначительной. Если говорить о длине звуковой волны, то для частоты в 1000 колебаний в секунду она будет составлять тысячную долю сантиметра.

Самые слабые звуки создают колебания давления порядка 0,001мкН/см 2 , соответствующая амплитуда колебаний волны для частоты 1000 Гц составляет 10 -9 см, при этом средний диаметр молекул воздуха составляет 10 -8 см, то есть ухо человека является чрезвычайно чувствительным органом.

Понятие интенсивности звуковых волн

С геометрической точки зрения звуковая волна представляет собой колебания определенной формы, с физической же - главным свойством звуковых волн является их способность переносить энергию. Самым важным примером переноса энергии волной является солнце, излученные электромагнитные волны которого обеспечивают энергией всю нашу планету.

Интенсивность звуковой волны в физике определяется как количество энергии, переносимой волной через единицу поверхности, которая перпендикулярна распространению волны, и за единицу времени. Говоря более коротко, интенсивность волны - это ее мощность, переносимая через единицу площади.

Силу звуковых волн принято измерять в децибелах, которые основываются на логарифмической шкале, удобной для практического анализа результатов.

Интенсивность различных звуков

Следующая шкала в децибелах дает представление о значении различной и ощущениях, которые она вызывает:

порог неприятных и некомфортных ощущений начинается со 120 децибел (дБ);
клепальный молоток создает шум в 95 дБ;
скоростной поезд - 90 дБ;
улица с интенсивным автомобильным движением - 70 дБ;
громкость обычного разговора между людьми - 65 дБ;
современный автомобиль, движущийся с умеренными скоростями, создает шум в 50 дБ;
средняя громкость радиоприемника - 40 дБ;
тихий разговор - 20 дБ;
шум листвы деревьев - 10 дБ;
минимальный порог звуковой чувствительности человека близок к 0 дБ.

Чувствительность человеческого уха зависит от частоты звука и составляет максимальное значение для звуковых волн с частотой 2000-3000 Гц. Для звука, находящегося в этом интервале частот, нижний порог чувствительности человека составляет 10 -5 дБ. Более высокие и более низкие частоты, чем указанный интервал, приводят к увеличению нижнего порога чувствительности таким образом, что близкие к 20 Гц и к 20 000 Гц частоты человек слышит только при их интенсивности в несколько десятков дБ.

Что касается верхнего порога интенсивности, после которого звук начинает вызывать неудобства для человека и даже болевые ощущения, то следует сказать, что он практически не зависит от частоты и лежит в пределах 110-130 дБ.

Геометрические характеристики звуковой волны

Реальная звуковая волна представляет собой сложный колебательный пакет продольных волн, который можно разложить на простые гармонические колебания. Каждое такое колебание описывается с геометрической точки зрения следующими характеристиками:

Амплитуда - максимальное отклонение каждого участка волны от равновесия. Для этой величины принято обозначение A.
Период. Это время, за которое простая волна совершает свое полное колебание. Через это время каждая точка волны начинает повторять свой колебательный процесс. Период принято обозначать буквой T и измерять в секундах в системе СИ.
Частота. Это физическая величина, которая показывает, сколько колебаний данная волна совершает за секунду. То есть по своему смыслу она является величиной, обратной к периоду. Обозначается она f. Для частоты звуковой волны формула ее определения через период выглядит следующим образом: f = 1/T.
Длина волны - это расстояние, которое она пробегает за один период колебаний. Геометрически длина волны представляет собой расстояние между двумя ближайшими максимумами или двумя ближайшими минимумами на синусоидальной кривой. Длина колебаний звуковой волны - это расстояние между ближайшими областями сжатия воздуха или ближайшими местами его разрежения в пространстве, где движется волна. Обозначается она обычно греческой буквой λ.
Скорость распространения звуковой волны - это расстояние, на которое распространяется область сжатия или область разряжения волны за единицу времени. Обозначается эта величина буквой v. Для скорости звуковой волны формула имеет вид: v = λ*f.

Геометрия чистой звуковой волны, то есть волны постоянной чистоты, подчиняется синусоидальному закону. В общем случае формула звуковой волны имеет вид: y = A*sin(ωt), где y - значение координаты данной точки волны, t - время, ω = 2*pi*f - циклическая частота колебаний.

Апериодический звук

Многие источники звука можно считать периодическими, например, звук от таких музыкальных инструментов, как гитара, пианино, флейта, но также существует большое количество звуков в природе, которые являются апериодическими, то есть звуковые колебания изменяют свою частоту и форму в пространстве. Технически такой вид звука называется шумом. Яркими примерами апериодического звука является городской шум, шум моря, звуки от ударных инструментов, например, от барабана и другие.

Среда распространения звуковых волн

В отличие от электромагнитного излучения, фотоны которого для своего распространения не нуждаются в какой-либо вещественной среде, природа звука такова, что для его распространения нужна определенная среда, то есть, согласно законам физики, звуковые волны не могут распространяться в вакууме.

Звук может распространяться в газах, в жидкостях и в твердых телах. Основными характеристиками распространяющейся в среде звуковой волны являются следующие:

волна распространяется линейно;
она распространяется одинаково по всем направлениям в гомогенной среде, то есть от источника звук расходится, образуя идеальную сферическую поверхность.
независимо от амплитуды и частоты звука, его волны распространяются с одинаковой скоростью в данной среде.

Скорость звуковых волн в различных средах

Скорость распространения звука зависит от двух основных факторов: от среды, в которой движется волна, и от температуры. В общем случае действует следующее правило: чем более плотной является среда, и чем выше ее температура, тем быстрее в ней движется звук.

Например, скорость распространения в воздухе звуковой волны вблизи поверхности земли при температуре 20 ℃ и влажности 50% составляет 1235 км/ч или 343 м/с. В воде же при данной температуре звук движется быстрее в 4,5 раза, то есть около 5735 км/ч или 1600 м/с. Что касается зависимости скорости звука от температуры в воздухе, то она увеличивается на 0,6 м/с с увеличением температуры на каждый градус Цельсия.

Тембр и тон

Если позволить струне или металлической пластине вибрировать свободно, то она будет производить звуки различной частоты. Очень редко можно встретить тело, которое бы издавало звук одной конкретной частоты, обычно звук какого-либо объекта обладает набором частот в некотором интервале.

Тембр звука определяется количеством гармоник, присутствующих в нем, и их соответствующими интенсивностями. Тембр является субъективной величиной, то есть это восприятие звучащего объекта конкретным человеком. Тембр обычно характеризуют следующими прилагательными: высокий, блестящий, звучный, мелодичный и так далее.

Тон является звуковым ощущением, которое позволяет его классифицировать как высокий или низкий. Данная величина является также субъективной и не может быть измерена каким-либо инструментом. Тон связан с объективной величиной - частотой звуковой волны, но между ними не существует однозначной связи. Например, для одночастотного звука постоянной интенсивности тон растет при увеличении частоты. Если же частота звука остается постоянной, а увеличивается его интенсивность, то тон становится более низким.

Форма источников звука

В соответствии с формой тела, которое совершает механические колебания и тем самым порождает волн бывают трех основных типов:

Точечный источник. Он создает звуковые волны сферической формы, которые быстро убывают при удалении от источника (приблизительно на 6 дБ, если расстояние от источника увеличивается вдвое).
Линейный источник. Он создает волны цилиндрической формы, интенсивность которых убывает медленнее, чем от точечного источника (при каждом увеличении расстояния вдвое относительно источника интенсивность уменьшается на 3 дБ).
Плоский или двумерный источник. Он порождает волны только в определенном направлении. Примером такого источника может быть поршень, двигающийся в цилиндре.

Электронные источники звука

Для создания звуковой волны электронные источники используют специальную мембрану (динамик), которая совершает механические колебания за счет явления электромагнитной индукции. К таким источникам можно отнести следующие:

проигрыватели различных дисков (CD, DVD и другие);
кассетные магнитофоны;
радиоприемники;
телевизоры и некоторые другие.

Свойства звуковых волн делятся на звуковые явления: отражение звуковых волн, эхо; преломление; поглощение; дифракция; интерференция; резонанс.

1.ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА - явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, из к-рой пришла падающая волна.

2.Эхо - физическое явление, заключающееся в принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны (электромагнитной, звуковой и др.)

3.Преломление (рефракция ) - изменение направления распространения волн (лучей) электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами, в частности – в которых скорость распространения неодинакова.

4.ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА - явление необратимого перехода энергии звуковой волны в др. виды энергии, в основном в теплоту.

5. Дифракция волн - явление, которое проявляет себя, как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.

6. Интерференция волн -взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.

7.Резонанс - явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты собственных колебаний с частотой колебаний вынуждающей силы.

19. Классическая теория тяготения Ньютона (Закон всемирного тяготения Ньютона) - закон, описывающий гравитационное взаимодействие в рамках классической механики. Этот закон был открыт Ньютоном около 1666 года. Он гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы и , разделёнными расстоянием , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними - то есть:

Сила тяжести - сила, действующая на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела.

По определению, сила тяжести на поверхности планеты складывается из гравитационного притяжения планеты и центробежной силы инерции, вызванной суточным вращением планеты.

20. Искусственные спутники Земли.

Искусственный спутник Земли (ИСЗ) - космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите.

Изучив ряд научных книг и статей по теме проекта , мы узнали, что такое звук, его свойства и характеристики. Звук - это то, что мы слышим: нежная мелодия скрипки, тревожный звон колокола, грохот водопада, слова, произносимые человеком, грозовые раскаты грома, землетрясения.

С точки зрения физики , звук как физическое явление представляет собой механическое колебание упругой среды (воздушной, жидкой и твердой) в диапазоне слышимых частот. Ухо человека воспринимает колебания с частотой от 16 до 20000 Герц (Гц). Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, называют воздушным звуком. Колебания звуковых частот, распространяющиеся в твердых телах, называют структурным звуком или звуковой вибрацией. Волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, с частотами более 20 кГц - ультразвуком.

Мы выяснили, что источником звука всегда служит какое-либо колеблющееся тело. Это тело приводит в движение окружающий воздух, в котором начинают распространяться упругие продольные волны. Когда эти волны достигают уха, они заставляют колебаться барабанную перепонку, и мы ощущаем звук. Механические волны, действие которых на ухо вызывает ощущение звука, называются звуковыми. Если бы на Луне были живые существа, слух им не понадобился бы: на Луне нет атмосферы, и в безвоздушном пространстве нечему колебаться, там нет звука.

Раздел физики, изучающий возникновение, распространение и свойства звуковых волн, называется акустикой. Акустика - далеко не завершённая наука.

Проанализировав энциклопедические издания , авторы проекта обнаружили, что ещё ждут своего объяснения тайны человеческого слуха. До сих пор не раскрыты секреты скрипок, изготовленных в XVII-XVIII столетиях итальянскими мастерами Амати, Страдивари и Гварнери. Почему они так чарующе звучат? Почему, слегка изменив форму у корпуса скрипки можно немного усилить её звук? Почему в одном помещении игра оркестра завораживает своей звучностью и красотой, а в другом таком же некоторые звуковые оттенки пропадают? В акустике ещё много важных, нерешённых и даже загадочных проблем.

Наука доказала, что рыбы вовсе не немы и не глухи, они тоже издают звуки и слышат их, потому что они воспринимают колебания, возникающие в воде. Людям же удаётся «услышать» их только с помощью специальных приборов.

В твёрдых телах тоже возникают и распространяются колебания. Землетрясения ощущаются не только в том месте, где возникло, но за десятки, сотни и даже тысячи километров.

Звуковые волны создают в среде области переменного сжатия и разряжения с соответствующим изменением давления?р в сравнении с давлением в невозмущенной среде р0.

Переменная составляющая давления ±?р называется акустическим давлением и определяет восприятие человеком звука.

Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волны должны обладать некоторой минимальной интенсивностью, которая называется порогом слышимости. Он бывает различен для разных людей и сильно зависит от частоты звука. Человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам от 1000 до 6000 Гц .

Следовательно, чтобы вызвать ощущение звука, необходимо выполнить три условия: 1) источник колебаний должен быть таким, чтобы его частота изменялась в определенном (звуковом) интервале частот; 2) среда должна быть упругой; 3) мощность звуковой волны должна быть достаточной, чтобы вызвать ощущение звука.

Звуковые волны распространяются со скоростью, которая зависит от среды. Известно, что вспышка молнии всегда опережает раскаты грома. Если гроза далеко, то запаздывание грома может достичь нескольких десятков секунд.

Работая над теоретической частью проекта, мы узнали , что точно произвёл расчёт скорости звука французский учёный Лаплас в 1822 году. Вблизи Парижа был поставлен эксперимент. В нём приняли участие известные учёные - Гей-Люссак, Араго, Гумбольдт и др. Было подтверждено, что скорость звука возрастает с повышением температуры. В сухом воздухе, при 0?С, она равна 331,5 м/с, а при 20?С - 344 м/с. А в алюминии и стали - примерно 5000 м/с. Например, колокольчики излучают звуковые волны с одинаковой частотой, но длина волны оказывается большей в той среде, где она распространяется с большей скоростью.

Если сказать точнее, то при 0?С скорость звука равна 330 м/с, в воде при 8?С она равна 1435 м/с, в стали - 5000 м/с. Так, звук от идущего поезда значительно быстрее распространяется по рельсам, чем по воздуху, поэтому, приложив ухо к рельсам, можно обнаружить приближение поезда значительно раньше.

Звук распространяется от звучащего тела равномерно во все стороны, если на его пути нет никаких препятствий. Но не всякое препятствие может ограничить его распространение. От звука нельзя загородиться, скажем, небольшим листом картона, как от пучка света. Звуковые волны, как и всякие волны, способны огибать препятствия, «не замечать» их, если их размеры меньше, чем длина волны. Длина слышимых в воздухе звуковых волн колеблется от 15 м до 0,015 м. если у препятствий на их пути меньшие размеры (например, у древесных стволов в редколесье), то волны их просто огибают. Препятствие же больших размеров (стена, дома, скала) отражает звуковые волны по тому же закону, что и световые: угол падения равен углу отражения. Именно так образуется эхо. Его можно услышать и в горах, и на равнинах, окаймленных лесом, причём в горах найти эхо гораздо труднее.

Через тонкие стенки звук слышен потому, что он заставляет их колебаться, и они как бы воспроизводят звук уже в другой комнате, поэтому он будет несколько искажён. Хорошие звукоизоляционные материалы - вата, ворсистые ковры, стены из пенобетона или пористой сухой штукатурки - как раз тем и отличаются, что в них очень много поверхностей раздела между воздухом и твёрдым телом. Проходя через каждую из таких поверхностей, звук многократно отражается. Но, кроме того, и сама среда, в которой звук распространяется, поглощает его. Один и тот же звук слышен лучше и дальше в чистом воздухе, чем в тумане, где его поглощают поверхности раздела между воздухом и капельками воды.

По-разному поглощаются в воздухе звуковые волны различной частоты. Сильнее - звуки высокие, меньше - низкие, такие, например, как бас. Именно поэтому пароходный гудок издаёт такой низкий звук (частота его, как правило, не более 50 Гц): низкий звук слышен на большом расстоянии. Ещё меньше поглощаются инфразвуки, особенно в воде: рыбы слышат их за десятки и сотни километров. А вот ультразвук поглощается очень быстро: ультразвук с частотой 1 МГц ослабляется в воздухе вдвое уже на расстоянии 2 см.

Физически мы способны различать высоту тона, тембр, громкость звука.

Первое различимое качество звука - это его громкость. Для разных людей один и тот же звук может казаться громким и тихим. Но одному и тому же человеку более громкими кажутся те звуки, у которых амплитуда колебаний звуковой волны больше. Любое изменение громкости звука вызывается изменением амплитуды колебаний.

Вторым качеством звука является высота его тона. Звук, соответствующий строго определенной частоте колебаний, называется тоном. Понятие звуковой тон ввёл в акустику Галилео Галилей. Тон звука определяется частотой, с которой изменяется давление в звуковой волне. Чем больше частота звука, тем более высоким является тон. Получить звуки различных тонов можно с помощью прибора, называемого камертоном.

Ударив молоточком по одной из ножек камертона, можно слышать звук определенного тона. Камертоны различных размеров воспроизводят звуки различных тонов. Звуковые волны возбуждаются колеблющимися ножками камертонов.

Если бы вибрирующие тела создавали при звучании в каждый момент только один тон, мы не смогли бы отличать голос одного человека от голоса другого, а все музыкальные инструменты звучали бы для нас одинаково. Всякое вибрирующее тело создаёт одновременно звуки нескольких тонов и при этом различной силы. Самый низкий из них называют основным тоном; более высокие тона, сопровождающие основной, - обертонами. В совместном звучании основной тон и обертоны создают тембр звука. Каждому музыкальному инструменту, каждому человеческому голосу присущ свой тембр, своя «окраска» звука. Один тембр отличается от другого числом и силой обертонов. Чем больше их в звучании основного тона, тем приятнее тембр звука.

Данный урок освещает тему «Звуковые волны». На этом уроке мы продолжим изучать акустику. Вначале повторим определение звуковых волн, затем рассмотрим их частотные диапазоны и познакомимся с понятием ультразвуковых и инфразвуковых волн. Мы также обсудим свойства, присущие звуковым волнам в различных средах, и узнаем, какие им присущи характеристики.

Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1).

Рис. 1. Звуковая волна

Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).

Рис. 2. Распространение звуковой волны

К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .

Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).

Рис. 3. Диапазоны звуковых волн

Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.

Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.

Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком .

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.

Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией .

Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.

Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.

Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.

Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).

Рис. 4. Применение инфразвука

Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).

Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах

Обратите внимание: в воздухе скорость звука при равна , при скорость увеличивается на . Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания. Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее: (рис. 6).

Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны

Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.

Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).

Рис. 7. Музыкальные тоны

У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.

Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.

Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука . Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).

Рис. 8. Громкость звука

При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .

Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого - высота . От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).

Рис. 9. Высота звука

Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.

Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр . Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.

Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.

Список литературы

Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.