Зміст
Введення
Глава 1. Природа звуку та ультразвукової хвилі
Глава 2. Основні характеристики звукових хвиль
2.1. Швидкість звуку
2.2. Поширення звукових хвиль
2.3. Інтенсивність звуку
2.4. Об'єктивні характеристики звуку
2.5. Суб'єктивні характеристики звуку
Глава 3. Ефект Доплера
Глава 4. Ультразвук
Глава 5. Інфразвук
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Ми живемо у світі інформації, і головна її частина проходить через очі і слух людини. Згідно з дослідженнями фізіологів візуальна інформація займає перше місце, але і слухова не менш важлива.
Ми живемо в світі звуків, це і музика і шуми різної природи, і мова, і музика. Тому треба знати природу звуку, рівняння і закони, які описують його поширення і поглинання в різних середовищах. Це необхідно знати людям різних професій: музикантам і будівельникам, звукорежисерам і архітекторам, біологам і геологам, сейсмологам, військовим. Всі вони мають справу з різними сторонами практичного поширення звуку в різних середовищах. Поширення звуку в приміщеннях, "звучання" приміщень важливо для будівельників, музикантів. За звуковими сигналами зараз досліджують шляхи міграцій перелітних птахів біологи, знаходять косяки риб в океані рибалки. Геологи за допомогою ультразвуку досліджують земну кору в пошуках нових родовищ корисних копалин. Сейсмологи, вивчаючи поширення звуків в землі, вчаться передбачати землетруси та цунамі. Для військових велике значення має профіль корпусів військових кораблів і підводних човнів, адже це впливає на швидкість руху корабля і на видаваний їм шум, який для підводних човнів повинен бути мінімальним, всім цим і зумовлена актуальність моєї роботи. Розвиток фізики і математики зробило можливим розрахувати все це. Тому звукові явища були виділені в окрему науку, яка отримала назву акустики.
Метою моєї роботи є розгляд основних законів і правил розповсюдження звуку в різних середовищах, види звукових коливань та їх застосування в науці і техніці.
Глава 1. Природа звуку, рівняння звукової хвилі
Спочатку розглянемо природу звукових коливань. Як відомо з фізики джерелом будь-яких коливань: звукових, електромагнітних є хвиля.
Пружні хвилі, які розповсюджуються в суцільних середовищах, називають звуковими. До звуковим хвилям належать хвилі, частоти яких лежить в межах сприйняття органами слуху. Людина сприймає звуки тоді, коли на його органи слуху діють хвилі з частотами від 16 до 20 000 Гц. Пружні хвилі, частота яких менше 16 Гц, називають інфразвуковими, а хвилі, частота яких лежить в інтервалі від 2 Ч 104 до 1 Ч 109 Гц - ультразвуковими.
Розділ фізики, в якому вивчаються звукові хвилі (їх порушення, поширення, сприйняття і взаємодія їх з перешкодами і речовиною середовища) називають акустикою.
Будь-коливальний процес описується рівнянням. Виведено воно і для звукових коливань:
Розвиток техніки дозволило проводити і візуальне спостереження звуку. Для цього використовують спеціальні датчики і мікрофони і спостерігають звукові коливання на екрані осцилографа.
Глава 2. Основні характеристики звукових хвиль.
2.1. Швидкість звуку.
До основних характеристик звукових хвиль відносять швидкість звуку, його інтенсивність - це об'єктивні характеристики звукових хвиль, висоту тону, гучність відносять до суб'єктивних характеристиках. Суб'єктивні характеристики залежать у великій мірі від сприйняття звуку конкретною людиною, а не від фізичних характеристик звуку.
Вимірювання швидкості звуку в твердих тілах, рідинах і газах вказують на те, що швидкість не залежить від частоти коливань або довжини звукової хвилі, тобто для звукових хвиль не характерна дисперсія. У твердих тілах можуть поширюватися поздовжні і поперечні хвилі, швидкість поширення яких знаходять за допомогою формул:
де Е - модуль Юнга, G - модуль зсуву в твердих тілах. У твердих тілах швидкість поширення поздовжніх хвиль майже в два рази більше ніж швидкість розповсюдження поперечних хвиль.
У рідинах і газах можуть поширюватися лише поздовжні хвилі. Швидкість звуку у воді знаходять за формулою:
де K-модуль об'ємного стиску речовини.
У рідинах при зростанні температури швидкість звуку зростає, що пов'язано зі зменшенням коефіцієнта об'ємного стиснення рідини.
Для газів виведена формула, яка пов'язує їх тиск з щільністю:
вперше цю формулу для знаходження швидкості звуку в газах використовував І. Ньютон. З формули (1.1) видно, що швидкість поширення звуку в газах не залежить від температури, вона також не залежить від тиску, оскільки при зростанні тиску зростає і щільність газу. Формулою (1.1) можна додати і більш раціональний вигляд: на основі рівняння Менделєєва - Клапейрона
тоді швидкість звуку буде дорівнює:
Формула (1.2) носить назву формули Ньютона. Розрахована з її допомогою швидкість звуку в повітрі складає при 273К 280 м / с. Реальна ж експериментальна швидкість складає 330 м / с. Цей результат значно відрізняється від теоретичного і причину цього встановив Лаплас. Він показав, що поширення звуку в повітрі відбувається адіабатно. Звукові хвилі в газах поширюються так швидко, що, що створені локальні зміни об'єму і тиску в газовому середовищі відбуваються без теплообміну з навколишнім середовищем. Лаплас вивів рівняння для знаходження швидкості звуку в газах:
. Формула (1.3) отримала назву формули Лапласа.
2.2. Распространеніезвукових хвиль.
У процесі поширення звукових хвиль в середовищі відбувається їх згасання. Амплітуда коливань частинок середовища поступово зменшується при зростанні відстані від джерела звуку. Однією з основних причин загасання хвиль є дія сил внутрішнього тертя на частинки середовища. На подолання цих сил безперервно використовується механічна енергія коливального руху, що переноситься хвилею. Ця енергія перетворюється в енергію хаотичного теплового руху молекул і атомів середовища. Оскільки енергія хвилі пропорційна квадрату амплітуди коливань, то пріраспространеніі хвиль від джерела звуку разом зі зменшенням запасу енергії коливального руху зменшується і амплітуда коливань.
На поширення звуків в атмосфері впливає багато чинників: температура на різних висотах, потоки повітря. Ехо - це відбите від поверхні звук. Звукові хвилі можуть відбиватися від твердих поверхонь, від шарів повітря в яких температура відрізняється від температури сусідніх шарів.
2.3. Інтенсивність звуку
Для порівняння інтенсивності L звуку або звукового тиску використовують рівень інтенсивності. Рівнем інтенсивності називають помножений на 10 логарифм відносин двох інтенсивностей звуку. ВелічінаL вимірюється в децибелах.
Таблиця 1.
2.4. Об'єктивні характеристики звуку.
Будь-яке тіло, яке знаходиться в пружному середовищі і коливається зі звуковою частотою, є джерелом звуку. Джерела звуку можна поділити на дві групи: джерела, які працюють на власній частоті, і джерела, які працюють на вимушених частотах. До першої групи належать джерела, звуки в яких створюються коливаннями струн, камертонів, повітряних стовпів у трубах. До другої групи джерел звуку належать телефони. Здатність тел випромінювати звук залежить від розміру їх поверхні. Чим більша площа поверхні тіла, тим краще воно випромінює звук. Так, натягнута між двома точками струна або камертон створюють звук досить малої інтенсивності. Для посилення інтенсивності звуку струн і камертонів їх об'єднують з резонаторних ящиками, яким притаманний ряд резонансних частот. Звучання струнних та духових музичних інструментів грунтується освіті стоять хвиль в струнах і повітряних стовпах.
Інтенсивність звуку, який створюється джерелом, залежить не тільки від його характеристик, а і від приміщення, в якому знаходиться цей джерело. Після припинення дії джерела звуку розсіяний звук не зникає раптово. Це пояснюється відбиттям звукових хвиль від стін приміщення. Час, протягом якого після припинення дії джерела звук повністю зникає, називають часом реверберації. Умовно вважають, що час реверберації дорівнює проміжку часу, протягом якого інтенсивність звуку зменшиться в мільйон разів.
Час реверберації - це важлива характеристика акустичних властивостей концертних залів, кінозалів, аудиторій та ін При великому часі реверберації музика звучать досить голосно, але невиразно. При малому часу реверберації музика звучать слабо і глухо. Тому в кожному конкретному випадку домагаються найбільш оптимальних акустичних характеристик приміщень.
2.5. Суб'єктивні характеристики звуку.
Людина відчуває звуки, які лежать в діапазоні частот від 16 Гц до 20 кГц. Чутливість органів слуху людини до різних частот неоднакова. Для того, щоб людина реагувала на звук, необхідно, щоб його інтенсивність була не менше мінімальної величини, яка носить назву порогу чутності. Поріг чутності для різних частот неоднаковий. Людське вухо має найбільшу чутливість до коливань частотою від 1 до 3 кГц. Поріг чутності для цих частот становить близько
Звук як фізичне явище характеризують частотою, інтенсивністю або звуковим тиском, набором частот. Це об'єктивні характеристики звуку. Органи слуху людини сприймають звукза гучністю, висотою тону, тембром. Ці характеристики мають суб'єктивний характер.
Діаграма на якій представлені області частот та інтенсивності, що сприймаються людським вухом, називають діаграмою слуху.
Фізичній поняттю інтенсивності звуку відповідає гучність звуку. Суб'єктивну гучність звуку не можна точно кількісно виміряти.
Висота звуку визначається його частотою, чим більше частота, тим більшим буде висота звуку. Органи слуху людини досить точно відчувають зміна частоти. В області частот 2 кГц може сприймати два тони, частота яких відрізняється на 3 - 6 Гц.
Тембр звуку визначається його спектральних складом. Тембр - це відтінок складного звуку, яким відрізняються два звуки однакової сили і висоти.
Глава 3. Ефект Доплера для звуку
Швидкість поширення звукових хвиль в середовищі не залежить від руху джерела і приймача звуку. Досвід показує, що коли джерело і приймач звуку, нерухомі щодо середовища, у якій поширюються звукові хвилі, то частота звуку, яку генерує джерело, дорівнює частоті, яку реєструє приймач. Зовсім інша картина, коли джерело звуку і приймач знаходяться в русі щодо середовища в якому поширюється звук. При цьому частота звуку, яку реєструє приймач, відрізняється від частоти звуку, яку генерує джерело. Зміна частоти звуку, який сприймається при відносному русі джерела і приймача звуку, називається ефектом або явищем Доплера. Прикладом ефекту Доплера буде зміна частоти гудка тепловоза під час руху і в стані спокою.
Розглянемо спочатку випадок, коли джерело звуку нерухомий щодо середовища, у якій поширюються звукові хвилі. Якщо частота коливань звуку υ0 і швидкість його поширення в середовищі V, то довжина звукової хвилі
При русі приймача зі швидкістю
Звідси випливає, що приймач, який рухається до джерела звуку, реєструє велику частоту, ніж частота коливань джерела звуку. Якщо приймач звуку віддаляється від спочиваючого джерела звуку зі швидкістю
Якщо джерело і приймач звуку будуть рухатися одночасно, то довжина хвилі і швидкість їх розповсюдження щодо приймача звуку будуть змінюватися. При цьому частота, яку реєструє приймач буде:
Знак плюс у чисельнику виразу відповідає нагоди, коли приймач наближається до джерела звуку, знак мінус - коли віддаляється. У знаменнику знаки стоять навпаки, тобто знак мінус вказує на наближення джерела до приймача звуку, а знак плюс - на віддалення його від джерела звуку.
Якщо приймач або джерело звуку рухаються не вздовж прямої, яка з'єднує їх, то ефект Доплера визначається проекціями швидкостей руху на напрямок цієї прямої. Зауважимо, що всі швидкості, які входять у формулу (5.1), визначаються щодо того середовища, в якій поширюється звук. Ефект Доплера спостерігається і для електромагнітних хвиль.
Глава 4. Ультразвук
Як вже зазначалося, пружні хвилі, частоти яких лежать в інтервалі від 2Ч104 до 109 Гц, називають ультразвуком. Весь діапазон частот ультра звукових хвиль умовно поділяють на три піддіапазони: ультразвукові хвилі низьких (2 Ч 104-105 Гц), середніх (105 - 107 Гц) і високих частот (107 -109 Гц).
За фізичною природою ультразвукові хвилі такі, як і звукові хвилі будь-якої довжини. Тим не менше, внаслідок більш високих частот ультразвук має ряд специфічних особливостей при його розповсюдженні. У зв'язку з тим, що довжини ультразвукових хвиль досить малі, характер їх поширення визначається в першу чергу молекулярними властивостями речовини. Характерна особливість розповсюдження ультразвуку в багатоатомних газах і в рідинах - це існування інтервалів довжин хвиль, в межах яких проявляється залежність фазової швидкості поширення хвиль від їх частоти, тобто має місце дисперсія звуку. У цих інтервалах довжини хвиль також відбувається значне поглинання ультразвуку. Тому при поширенні його в повітрі відбувається більш значне його згасання, ніж звукових хвиль. У рідинах і твердих тілах (особливо монокристалів) згасання ультразвуку значно менше. Тому сфера застосування ультразвуку середніх і високих частот лежить в основному в рідких і твердих середовищах, а в повітрі і в газах застосовують тільки ультразвук низьких частот.
Ще одна особливість ультразвука - це можливість отримання великої інтенсивності навіть при порівняно невеликих амплітудах коливань, оскільки при певній амплітуді щільність потоку енергії пропорційна квадрату частоти.
До важливих явищ, які виникають в рідинах під час проходження ультразвуку, належить кавітація. Це отримання короткочасних імпульсів тиску при схлопиванії бульбашок повітря.
Для отримання ультра звукових хвиль використовують механічні та електромеханічні прилади. До механічних можна віднести повітряні та рідинні сирени і свистки. Багато речовин можуть генерувати ультразвук при приміщенні їх у високочастотне електричне поле, до таких речовин відносять кварц, сегнетову сіль, титанат барію.
Ультразвук використовують у багатьох галузях знань, науки і техніке.Его використовують для вивчення властивостей та будови речовини. З його допомогою отримують інформацію про будову морського дна, його глибині, знаходять косяки риб в океані. Ультра звукові хвилі можуть проникати через металеві вироби товщиною близько 10 метрів. Це їх властивість покладено в основу принципу роботи ультра звукового дефектоскопа, який допомагає знаходити дефекти і тріщини твердих тілах. У медицині це властивість ультразвуку покладено в основу роботи приладів ультразвукової діагностики, які дозволяють візуалізувати внутрішні органи, діагностувати хвороби на ранніх стадіях.
Дія ультразвукових коливань безпосередньо на розплави дає можливість отримати більш однорідну структуру металів. Ультразвукова кавітація застосовується для очищення від бруду поверхонь деталей (годинне виробництво, приладобудування, електронна техніка та ін.) На основі кавітації здійснюється металізація тіл і пайка, дегазація рідин. Кавітаційні ударні хвилі можуть диспергувати тверді тіла і рідини, утворюючи емульсії і суспензії.
Глава 5. Інфразвук
Інфразвуки - це пружні коливання, аналогічні звуковим коливанням, але з частотами нижче 20 Гц. Інфразвуки на перший погляд займають невеликий діапазон частот від 20 до 0 Гц. Насправді ця ділянка надзвичайно великий, оскільки «до нуля» означає практично нескінченний діапазон коливань. Цей діапазон менш вивчений порівняно зі звуковим і ультразвуковим діапазонами.
Інфразвукові хвилі виникають внаслідок обдування їх вітром будівель, дерев, телеграфних стовпів, металевих ферм; під час руху людини, тварини, транспорту; при роботі різних механізмів; при грозових розрядах, вибухи бомб, пострілах гармат. У земній корі спостерігаються коливання і вібрації інфразвукових частот внаслідок обвалів, руху різних видів транспорту, вулканічних вивержень і т.п. Іншими словами, ми живемо у світі інфразвуків, не підозрюючи про це. Такі звуки людина скоріше відчуває, ніж чує. Зареєструвати інфразвуки можна тільки особливими приладами. Характерною особливістю інфразвуку є незначна його поглинання в різних середовищах. Внаслідок цього інфразвукові хвилі в повітрі, воді і земній корі можуть розповсюджуватися на досить великі відстані (десятки тисяч кілометрів). У зв'язку з цим інфразвук образно називають «акустичним нейтрино». Так, інфразвукові хвилі (частота коливань 0,1 Гц), що утворилися при виверженні вулкана Кракатау (Індонезія) у 1883 р., кілька разів обійшли навколо земної кулі. Вони викликали такі флуктуації тиску, які можна було зареєструвати звичайними барометрами.
Деякі інфразвуки людина сприймає, але не органами слуху, а організмом в цілому. Справа в тому, що деякі внутрішні органи людини мають власну резонансну частоту коливань 6 - 8 Гц. При дії інфразвуку цієї частоти можливе виникнення резонансу коливань цих органів, який викликає неприємні відчуття.
Дослідженнями вчених різні країни встановлені, що інфразвук будь-яких частот і інтенсівностіпредставляет собою реальну загрозу для здоров'я людини. Отримані результати дають можливість зробити висновок, що інфразвук призводить до втрати чутливості органів рівноваги тіла, яке в свою чергу призводить до появи болю у вухах, хребті і пошкоджень мозку. Ще більш згубно впливає інфразвук на психіку людини.
Властивість ультразвукових коливань поширюватися на великі відстані в земній корі лежить в основі сейсмології - науки, яка вивчає землетруси і досліджує внутрішню будову Землі. Крім океанології і сейсмології, інфразвук застосовують у роботі деяких приладів та механізмів для різних практичних цілей. За допомогою таких приладів намагаються передбачити землетрусу, наближення цунамі.
Висновок
Людина живе в океані звуку, він обмінюється інформацією з допомогою звуку, сприймає її від оточуючих його людей. Тому знати основні характеристики звуку, його підвиди і їх використання просто необхідно. Використання звукових і ультра звукових хвиль знаходить все більше застосування в житті людини. Їх використовують у медицині та техніці, на їх використанні засновані багато приладів, особливо для дослідження морів і океанів. Де з - за сильного поглинання радіохвиль звукові та ультра звукові коливання є єдиним спосіб передачі інформації.
Як було сказано вище людина живе в океані звуку і нам також не потрібно забувати і про чистоту цього океану. Сильні шуми небезпечні для здоров'я людини і можуть призвести до сильних головних болів, розладу координації руху. Тому потрібно з повагою ставиться до такого складного і цікавого явища, яким є звук.
Список використаної літератури.
1. Дущенко В. П., Кучерук І. М. Загальна фізика. - К.: Вища школа, 1995. - 430 с.
2. Ісакович М. А. Загальна акустика. - М.: Наука, 1973. - 495 с.
3. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс загальної фізики. У 3 т. - М.: Наука, 1995. - 343 с.
4. Клюкін І. І. Дивовижний світ звуку. - Л.: Суднобудування, 1978. - 166 с.
5. Кухлінг Х. Довідник з фізики: Пер. з нім. - М.: Світ, 1983. - 520 с.
6. Лепендін Л. Ф. Акустика. - М.: Вища школа, 1978. - 448 с.
7. Яворський Б. М., Детлаф А. А. Довідник по фізиці. - М.: Наука, 1982. - 846 с.
8. Шебалін О. Д. Фізичні основи механіки й акустики. - М.: Вища школа, 1981. - 263 с.
Введення
Глава 1. Природа звуку та ультразвукової хвилі
Глава 2. Основні характеристики звукових хвиль
2.1. Швидкість звуку
2.2. Поширення звукових хвиль
2.3. Інтенсивність звуку
2.4. Об'єктивні характеристики звуку
2.5. Суб'єктивні характеристики звуку
Глава 3. Ефект Доплера
Глава 4. Ультразвук
Глава 5. Інфразвук
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Ми живемо у світі інформації, і головна її частина проходить через очі і слух людини. Згідно з дослідженнями фізіологів візуальна інформація займає перше місце, але і слухова не менш важлива.
Ми живемо в світі звуків, це і музика і шуми різної природи, і мова, і музика. Тому треба знати природу звуку, рівняння і закони, які описують його поширення і поглинання в різних середовищах. Це необхідно знати людям різних професій: музикантам і будівельникам, звукорежисерам і архітекторам, біологам і геологам, сейсмологам, військовим. Всі вони мають справу з різними сторонами практичного поширення звуку в різних середовищах. Поширення звуку в приміщеннях, "звучання" приміщень важливо для будівельників, музикантів. За звуковими сигналами зараз досліджують шляхи міграцій перелітних птахів біологи, знаходять косяки риб в океані рибалки. Геологи за допомогою ультразвуку досліджують земну кору в пошуках нових родовищ корисних копалин. Сейсмологи, вивчаючи поширення звуків в землі, вчаться передбачати землетруси та цунамі. Для військових велике значення має профіль корпусів військових кораблів і підводних човнів, адже це впливає на швидкість руху корабля і на видаваний їм шум, який для підводних човнів повинен бути мінімальним, всім цим і зумовлена актуальність моєї роботи. Розвиток фізики і математики зробило можливим розрахувати все це. Тому звукові явища були виділені в окрему науку, яка отримала назву акустики.
Метою моєї роботи є розгляд основних законів і правил розповсюдження звуку в різних середовищах, види звукових коливань та їх застосування в науці і техніці.
Глава 1. Природа звуку, рівняння звукової хвилі
Спочатку розглянемо природу звукових коливань. Як відомо з фізики джерелом будь-яких коливань: звукових, електромагнітних є хвиля.
Пружні хвилі, які розповсюджуються в суцільних середовищах, називають звуковими. До звуковим хвилям належать хвилі, частоти яких лежить в межах сприйняття органами слуху. Людина сприймає звуки тоді, коли на його органи слуху діють хвилі з частотами від 16 до 20 000 Гц. Пружні хвилі, частота яких менше 16 Гц, називають інфразвуковими, а хвилі, частота яких лежить в інтервалі від 2 Ч 104 до 1 Ч 109 Гц - ультразвуковими.
Розділ фізики, в якому вивчаються звукові хвилі (їх порушення, поширення, сприйняття і взаємодія їх з перешкодами і речовиною середовища) називають акустикою.
Будь-коливальний процес описується рівнянням. Виведено воно і для звукових коливань:
Розвиток техніки дозволило проводити і візуальне спостереження звуку. Для цього використовують спеціальні датчики і мікрофони і спостерігають звукові коливання на екрані осцилографа.
Глава 2. Основні характеристики звукових хвиль.
2.1. Швидкість звуку.
До основних характеристик звукових хвиль відносять швидкість звуку, його інтенсивність - це об'єктивні характеристики звукових хвиль, висоту тону, гучність відносять до суб'єктивних характеристиках. Суб'єктивні характеристики залежать у великій мірі від сприйняття звуку конкретною людиною, а не від фізичних характеристик звуку.
Вимірювання швидкості звуку в твердих тілах, рідинах і газах вказують на те, що швидкість не залежить від частоти коливань або довжини звукової хвилі, тобто для звукових хвиль не характерна дисперсія. У твердих тілах можуть поширюватися поздовжні і поперечні хвилі, швидкість поширення яких знаходять за допомогою формул:
де Е - модуль Юнга, G - модуль зсуву в твердих тілах. У твердих тілах швидкість поширення поздовжніх хвиль майже в два рази більше ніж швидкість розповсюдження поперечних хвиль.
У рідинах і газах можуть поширюватися лише поздовжні хвилі. Швидкість звуку у воді знаходять за формулою:
де K-модуль об'ємного стиску речовини.
У рідинах при зростанні температури швидкість звуку зростає, що пов'язано зі зменшенням коефіцієнта об'ємного стиснення рідини.
Для газів виведена формула, яка пов'язує їх тиск з щільністю:
вперше цю формулу для знаходження швидкості звуку в газах використовував І. Ньютон. З формули (1.1) видно, що швидкість поширення звуку в газах не залежить від температури, вона також не залежить від тиску, оскільки при зростанні тиску зростає і щільність газу. Формулою (1.1) можна додати і більш раціональний вигляд: на основі рівняння Менделєєва - Клапейрона
тоді швидкість звуку буде дорівнює:
Формула (1.2) носить назву формули Ньютона. Розрахована з її допомогою швидкість звуку в повітрі складає при 273К 280 м / с. Реальна ж експериментальна швидкість складає 330 м / с. Цей результат значно відрізняється від теоретичного і причину цього встановив Лаплас. Він показав, що поширення звуку в повітрі відбувається адіабатно. Звукові хвилі в газах поширюються так швидко, що, що створені локальні зміни об'єму і тиску в газовому середовищі відбуваються без теплообміну з навколишнім середовищем. Лаплас вивів рівняння для знаходження швидкості звуку в газах:
. Формула (1.3) отримала назву формули Лапласа.
2.2. Распространеніезвукових хвиль.
У процесі поширення звукових хвиль в середовищі відбувається їх згасання. Амплітуда коливань частинок середовища поступово зменшується при зростанні відстані від джерела звуку. Однією з основних причин загасання хвиль є дія сил внутрішнього тертя на частинки середовища. На подолання цих сил безперервно використовується механічна енергія коливального руху, що переноситься хвилею. Ця енергія перетворюється в енергію хаотичного теплового руху молекул і атомів середовища. Оскільки енергія хвилі пропорційна квадрату амплітуди коливань, то пріраспространеніі хвиль від джерела звуку разом зі зменшенням запасу енергії коливального руху зменшується і амплітуда коливань.
На поширення звуків в атмосфері впливає багато чинників: температура на різних висотах, потоки повітря. Ехо - це відбите від поверхні звук. Звукові хвилі можуть відбиватися від твердих поверхонь, від шарів повітря в яких температура відрізняється від температури сусідніх шарів.
2.3. Інтенсивність звуку
Для порівняння інтенсивності L звуку або звукового тиску використовують рівень інтенсивності. Рівнем інтенсивності називають помножений на 10 логарифм відносин двох інтенсивностей звуку. ВелічінаL вимірюється в децибелах.
Таблиця 1.
| Звук | L, Дб | Звук | L, Дб |
| Поріг чутності | 0 | Вуличний шум | 70 |
| Цокання годинника | 10 | Крик | 80 |
| Шепіт | 20 | Пневматична свердло | 90 |
| Тиха вулиця | 30 | Ковальський цех | 100 |
| Приглушений розмова | 40 | Клепальні молот | 110 |
| Розмова | 50 | Літаковий двигун | 120 |
| Друкарська машинка | 60 | Больовий поріг | 130 |
Будь-яке тіло, яке знаходиться в пружному середовищі і коливається зі звуковою частотою, є джерелом звуку. Джерела звуку можна поділити на дві групи: джерела, які працюють на власній частоті, і джерела, які працюють на вимушених частотах. До першої групи належать джерела, звуки в яких створюються коливаннями струн, камертонів, повітряних стовпів у трубах. До другої групи джерел звуку належать телефони. Здатність тел випромінювати звук залежить від розміру їх поверхні. Чим більша площа поверхні тіла, тим краще воно випромінює звук. Так, натягнута між двома точками струна або камертон створюють звук досить малої інтенсивності. Для посилення інтенсивності звуку струн і камертонів їх об'єднують з резонаторних ящиками, яким притаманний ряд резонансних частот. Звучання струнних та духових музичних інструментів грунтується освіті стоять хвиль в струнах і повітряних стовпах.
Інтенсивність звуку, який створюється джерелом, залежить не тільки від його характеристик, а і від приміщення, в якому знаходиться цей джерело. Після припинення дії джерела звуку розсіяний звук не зникає раптово. Це пояснюється відбиттям звукових хвиль від стін приміщення. Час, протягом якого після припинення дії джерела звук повністю зникає, називають часом реверберації. Умовно вважають, що час реверберації дорівнює проміжку часу, протягом якого інтенсивність звуку зменшиться в мільйон разів.
Час реверберації - це важлива характеристика акустичних властивостей концертних залів, кінозалів, аудиторій та ін При великому часі реверберації музика звучать досить голосно, але невиразно. При малому часу реверберації музика звучать слабо і глухо. Тому в кожному конкретному випадку домагаються найбільш оптимальних акустичних характеристик приміщень.
2.5. Суб'єктивні характеристики звуку.
Людина відчуває звуки, які лежать в діапазоні частот від 16 Гц до 20 кГц. Чутливість органів слуху людини до різних частот неоднакова. Для того, щоб людина реагувала на звук, необхідно, щоб його інтенсивність була не менше мінімальної величини, яка носить назву порогу чутності. Поріг чутності для різних частот неоднаковий. Людське вухо має найбільшу чутливість до коливань частотою від 1 до 3 кГц. Поріг чутності для цих частот становить близько
Звук як фізичне явище характеризують частотою, інтенсивністю або звуковим тиском, набором частот. Це об'єктивні характеристики звуку. Органи слуху людини сприймають звукза гучністю, висотою тону, тембром. Ці характеристики мають суб'єктивний характер.
Діаграма на якій представлені області частот та інтенсивності, що сприймаються людським вухом, називають діаграмою слуху.
Фізичній поняттю інтенсивності звуку відповідає гучність звуку. Суб'єктивну гучність звуку не можна точно кількісно виміряти.
Висота звуку визначається його частотою, чим більше частота, тим більшим буде висота звуку. Органи слуху людини досить точно відчувають зміна частоти. В області частот 2 кГц може сприймати два тони, частота яких відрізняється на 3 - 6 Гц.
Тембр звуку визначається його спектральних складом. Тембр - це відтінок складного звуку, яким відрізняються два звуки однакової сили і висоти.
Глава 3. Ефект Доплера для звуку
Швидкість поширення звукових хвиль в середовищі не залежить від руху джерела і приймача звуку. Досвід показує, що коли джерело і приймач звуку, нерухомі щодо середовища, у якій поширюються звукові хвилі, то частота звуку, яку генерує джерело, дорівнює частоті, яку реєструє приймач. Зовсім інша картина, коли джерело звуку і приймач знаходяться в русі щодо середовища в якому поширюється звук. При цьому частота звуку, яку реєструє приймач, відрізняється від частоти звуку, яку генерує джерело. Зміна частоти звуку, який сприймається при відносному русі джерела і приймача звуку, називається ефектом або явищем Доплера. Прикладом ефекту Доплера буде зміна частоти гудка тепловоза під час руху і в стані спокою.
Розглянемо спочатку випадок, коли джерело звуку нерухомий щодо середовища, у якій поширюються звукові хвилі. Якщо частота коливань звуку υ0 і швидкість його поширення в середовищі V, то довжина звукової хвилі
При русі приймача зі швидкістю
Звідси випливає, що приймач, який рухається до джерела звуку, реєструє велику частоту, ніж частота коливань джерела звуку. Якщо приймач звуку віддаляється від спочиваючого джерела звуку зі швидкістю
Якщо джерело і приймач звуку будуть рухатися одночасно, то довжина хвилі і швидкість їх розповсюдження щодо приймача звуку будуть змінюватися. При цьому частота, яку реєструє приймач буде:
Знак плюс у чисельнику виразу відповідає нагоди, коли приймач наближається до джерела звуку, знак мінус - коли віддаляється. У знаменнику знаки стоять навпаки, тобто знак мінус вказує на наближення джерела до приймача звуку, а знак плюс - на віддалення його від джерела звуку.
Якщо приймач або джерело звуку рухаються не вздовж прямої, яка з'єднує їх, то ефект Доплера визначається проекціями швидкостей руху на напрямок цієї прямої. Зауважимо, що всі швидкості, які входять у формулу (5.1), визначаються щодо того середовища, в якій поширюється звук. Ефект Доплера спостерігається і для електромагнітних хвиль.
Глава 4. Ультразвук
Як вже зазначалося, пружні хвилі, частоти яких лежать в інтервалі від 2Ч104 до 109 Гц, називають ультразвуком. Весь діапазон частот ультра звукових хвиль умовно поділяють на три піддіапазони: ультразвукові хвилі низьких (2 Ч 104-105 Гц), середніх (105 - 107 Гц) і високих частот (107 -109 Гц).
За фізичною природою ультразвукові хвилі такі, як і звукові хвилі будь-якої довжини. Тим не менше, внаслідок більш високих частот ультразвук має ряд специфічних особливостей при його розповсюдженні. У зв'язку з тим, що довжини ультразвукових хвиль досить малі, характер їх поширення визначається в першу чергу молекулярними властивостями речовини. Характерна особливість розповсюдження ультразвуку в багатоатомних газах і в рідинах - це існування інтервалів довжин хвиль, в межах яких проявляється залежність фазової швидкості поширення хвиль від їх частоти, тобто має місце дисперсія звуку. У цих інтервалах довжини хвиль також відбувається значне поглинання ультразвуку. Тому при поширенні його в повітрі відбувається більш значне його згасання, ніж звукових хвиль. У рідинах і твердих тілах (особливо монокристалів) згасання ультразвуку значно менше. Тому сфера застосування ультразвуку середніх і високих частот лежить в основному в рідких і твердих середовищах, а в повітрі і в газах застосовують тільки ультразвук низьких частот.
Ще одна особливість ультразвука - це можливість отримання великої інтенсивності навіть при порівняно невеликих амплітудах коливань, оскільки при певній амплітуді щільність потоку енергії пропорційна квадрату частоти.
До важливих явищ, які виникають в рідинах під час проходження ультразвуку, належить кавітація. Це отримання короткочасних імпульсів тиску при схлопиванії бульбашок повітря.
Для отримання ультра звукових хвиль використовують механічні та електромеханічні прилади. До механічних можна віднести повітряні та рідинні сирени і свистки. Багато речовин можуть генерувати ультразвук при приміщенні їх у високочастотне електричне поле, до таких речовин відносять кварц, сегнетову сіль, титанат барію.
Ультразвук використовують у багатьох галузях знань, науки і техніке.Его використовують для вивчення властивостей та будови речовини. З його допомогою отримують інформацію про будову морського дна, його глибині, знаходять косяки риб в океані. Ультра звукові хвилі можуть проникати через металеві вироби товщиною близько 10 метрів. Це їх властивість покладено в основу принципу роботи ультра звукового дефектоскопа, який допомагає знаходити дефекти і тріщини твердих тілах. У медицині це властивість ультразвуку покладено в основу роботи приладів ультразвукової діагностики, які дозволяють візуалізувати внутрішні органи, діагностувати хвороби на ранніх стадіях.
Дія ультразвукових коливань безпосередньо на розплави дає можливість отримати більш однорідну структуру металів. Ультразвукова кавітація застосовується для очищення від бруду поверхонь деталей (годинне виробництво, приладобудування, електронна техніка та ін.) На основі кавітації здійснюється металізація тіл і пайка, дегазація рідин. Кавітаційні ударні хвилі можуть диспергувати тверді тіла і рідини, утворюючи емульсії і суспензії.
Глава 5. Інфразвук
Інфразвуки - це пружні коливання, аналогічні звуковим коливанням, але з частотами нижче 20 Гц. Інфразвуки на перший погляд займають невеликий діапазон частот від 20 до 0 Гц. Насправді ця ділянка надзвичайно великий, оскільки «до нуля» означає практично нескінченний діапазон коливань. Цей діапазон менш вивчений порівняно зі звуковим і ультразвуковим діапазонами.
Інфразвукові хвилі виникають внаслідок обдування їх вітром будівель, дерев, телеграфних стовпів, металевих ферм; під час руху людини, тварини, транспорту; при роботі різних механізмів; при грозових розрядах, вибухи бомб, пострілах гармат. У земній корі спостерігаються коливання і вібрації інфразвукових частот внаслідок обвалів, руху різних видів транспорту, вулканічних вивержень і т.п. Іншими словами, ми живемо у світі інфразвуків, не підозрюючи про це. Такі звуки людина скоріше відчуває, ніж чує. Зареєструвати інфразвуки можна тільки особливими приладами. Характерною особливістю інфразвуку є незначна його поглинання в різних середовищах. Внаслідок цього інфразвукові хвилі в повітрі, воді і земній корі можуть розповсюджуватися на досить великі відстані (десятки тисяч кілометрів). У зв'язку з цим інфразвук образно називають «акустичним нейтрино». Так, інфразвукові хвилі (частота коливань 0,1 Гц), що утворилися при виверженні вулкана Кракатау (Індонезія) у 1883 р., кілька разів обійшли навколо земної кулі. Вони викликали такі флуктуації тиску, які можна було зареєструвати звичайними барометрами.
Деякі інфразвуки людина сприймає, але не органами слуху, а організмом в цілому. Справа в тому, що деякі внутрішні органи людини мають власну резонансну частоту коливань 6 - 8 Гц. При дії інфразвуку цієї частоти можливе виникнення резонансу коливань цих органів, який викликає неприємні відчуття.
Дослідженнями вчених різні країни встановлені, що інфразвук будь-яких частот і інтенсівностіпредставляет собою реальну загрозу для здоров'я людини. Отримані результати дають можливість зробити висновок, що інфразвук призводить до втрати чутливості органів рівноваги тіла, яке в свою чергу призводить до появи болю у вухах, хребті і пошкоджень мозку. Ще більш згубно впливає інфразвук на психіку людини.
Властивість ультразвукових коливань поширюватися на великі відстані в земній корі лежить в основі сейсмології - науки, яка вивчає землетруси і досліджує внутрішню будову Землі. Крім океанології і сейсмології, інфразвук застосовують у роботі деяких приладів та механізмів для різних практичних цілей. За допомогою таких приладів намагаються передбачити землетрусу, наближення цунамі.
Висновок
Людина живе в океані звуку, він обмінюється інформацією з допомогою звуку, сприймає її від оточуючих його людей. Тому знати основні характеристики звуку, його підвиди і їх використання просто необхідно. Використання звукових і ультра звукових хвиль знаходить все більше застосування в житті людини. Їх використовують у медицині та техніці, на їх використанні засновані багато приладів, особливо для дослідження морів і океанів. Де з - за сильного поглинання радіохвиль звукові та ультра звукові коливання є єдиним спосіб передачі інформації.
Як було сказано вище людина живе в океані звуку і нам також не потрібно забувати і про чистоту цього океану. Сильні шуми небезпечні для здоров'я людини і можуть призвести до сильних головних болів, розладу координації руху. Тому потрібно з повагою ставиться до такого складного і цікавого явища, яким є звук.
Список використаної літератури.
1. Дущенко В. П., Кучерук І. М. Загальна фізика. - К.: Вища школа, 1995. - 430 с.
2. Ісакович М. А. Загальна акустика. - М.: Наука, 1973. - 495 с.
3. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс загальної фізики. У 3 т. - М.: Наука, 1995. - 343 с.
4. Клюкін І. І. Дивовижний світ звуку. - Л.: Суднобудування, 1978. - 166 с.
5. Кухлінг Х. Довідник з фізики: Пер. з нім. - М.: Світ, 1983. - 520 с.
6. Лепендін Л. Ф. Акустика. - М.: Вища школа, 1978. - 448 с.
7. Яворський Б. М., Детлаф А. А. Довідник по фізиці. - М.: Наука, 1982. - 846 с.
8. Шебалін О. Д. Фізичні основи механіки й акустики. - М.: Вища школа, 1981. - 263 с.