Звуковые волны

Содержание Введение Глава 1. Природа звука и ультр азвуковой волны Глава 2. Основные характеристики звуковых волн 2.1. Скорость звука 2.2. Распространение звуковых волн Интенсивност ь звука Объективные характеристик и звука Субъективные характеристики звука Глава 3. Эффект До плера Глава 4. Ультразвук Глава 5. Инфразвук Заключение Список использованной литературы Введение Мы живем в ми ре информации, и главная ее часть проходит через глаза и слух человека. Со гласно исследованиям физиологов визуальная информация занимает перво е место, но и слуховая не менее важна. Мы живем в мире звуков, это и м узыка и шумы разной природы, и речь, и музыка. Поэтому надо знать природу з вука, уравнения и законы, которые описывают его распространения и поглощ ения в различных средах. Это необходимо знать людям различных профессий : музыкантам и строителям, звукорежиссерам и архитекторам, биологам и ге ологам, сейсмологам, военным. Все они имеют дело с различными сторонами п рактического распространения звука в разных средах. Распространение з вука в помещениях, „ звучание ” помещений важно для строителей, музыкант ов. За звуковыми сигналами сейчас исследуют пути миграций перелетных пт иц биологи, находят косяки рыб в океане рыбаки. Геологи с помощью ультраз вука исследуют земную кору в поисках новых месторождений полезных иско паемых. Сейсмологи, изучая распространение звуков в земле, учатся предск азывать землетрясения и цунами. Для военных большое значение имеет проф иль корпусов военных кораблей и подводных лодок, ведь это влияет на скор ость движения корабля и на издаваемый им шум, который для подводных лодо к должен быть минимальным, всем этим и обусловлена актуальность моей раб оты. Развитие физики и математики сделало возможным рассчитать все это. Поэтому звуковые явления были выделены в отдельную науку, которая получ ила название акустики. Целью моей работы является рассмотрение основны х законов и правил распространения звука в различных средах, виды звуков ых колебаний и их применение в науке и технике. Глава 1. Природа звука, уравнение звуковой волны Сначала рассмотрим природу звуковых колебаний. Как известно из физики источником любых колебаний: з вуковых, электромагнитных есть волна. Упругие волны, которые распространяются в сплош ных средах, называют звуковыми. К звуковым волнам принадлежат волны, час тоты которых лежит в пределах восприятия органами слуха. Человек воспри нимает звуки тогда, когда на его органы слуха действуют волны с частотами от 16 до 20 000 Гц. Упруг ие волны, частота которых меньше 16 Гц, называют инфразвуковыми, а волны, ча стота которых лежит в интервале от 2 Ч 104 до 1 Ч 109 Гц – ультразвуковыми . Раздел физики, в котором изучаются звуковые волны (их возбуждение, распространение, восп риятие и взаимодействие их с препятствиями и веществом среды ) называют акустикой. Любой колебательный процес с описывается уравнением. Выведено оно и для звуковых колебаний: . Развитие техники позволило и виз уальное наблюдение звука. Для этого используют специальные датчики и ми крофоны и наблюдают звуковые колебания на экране осциллографа. Глава 2. Основные характеристики звуковых волн. 2.1. Скорость звука. К основным характеристикам звуковых волн о тносят скорость звука, его интенсивность – это объективные характерис тики звуковых волн, высоту тона, громкость относят к субъективным характ еристикам. Субъективные характеристики зависят в большой мере от воспр иятия звука конкретным человеком, а не от физических характеристик звук а. Измерение скорости звука в твердых телах, жид костях и газах указывают на то, что скорость не зависит от частоты колеба ний или длины звуковой волны, т.е. для звуковых волн не характерна дисперс ия. В твердых телах могут распространяться продольные и поперечные волн ы, скорость распространения которых находят с помощью формул: , , где Е – модуль Юнга, G – модуль сдвига в тверды х телах. В твердых телах скорость распространения продольных волн почти в два раза больше чем скорость распространения поперечных волн. В жидкостях и газах могут ра спространяться лишь продольные волны. Скорость звука в воде находят за ф ормулой: , где K- модуль объемного сжатия вещества. В жидкостях при возрастании температуры скорость звука возрастает, что связано с уменьшением коэфф ициента объемного сжатия жидкости. Для газов выведена формула, которая связывает их давление с плотностью: ( 1.1 ), впервые эту формулу для нахождения скорост и звука в газах использовал И. Ньютон. Из формулы ( 1.1) видно, что скорость рас пространения звука в газах не зависит от температуры, она также не завис ит от давления, поскольку при возрастании давления возрастает и плотнос ть газа. Формуле ( 1.1 ) можно придать и более рациональный вид: на основе урав нения Менделеева – Клапейрона , тогда скорость звука будет равна: ( 1.2 ). Формула ( 1.2 ) носит название формулы Ньютона. Ра ссчитанная с ее помощью скорость звука в воздухе составляет при 273К 280 м/с. Р еальная же экспериментальная скорость составляет 330 м/с. Этот результат з начительно отличается от теоретического и причину этого установил Лап лас. Он показал, что распространение звука в воздухе происходит адиабатн о. Звуковые волны в газах распространяются так быстро, что, что созданные локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без те плообмена с окружающей средой. Лаплас вывел уравнение для нахождения ск орости звука в газах: ( 1.3 ) .Формула ( 1.3 ) получила название формулы Лапла са. 2.2. Распространениезвуковых волн. В процессе распространения звуковых волн в среде происходит их затухание. Амплитуда колебаний частиц среды постеп енно уменьшается при возрастании расстояния от источника звука. Одной и з основных причин затухания волн есть действие сил внутреннего трения н а частицы среды. На преодоление этих сил непрерывно используется механи ческая энергия колебательного движения, что переносится волной. Эта эне ргия превращается в энергию хаотического теплового движения молекул и атомов среды. Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплит уды колебаний, то прираспространении волн от источника звука вместе с ум еньшением запаса энергии колебательного движения уменьшается и амплит уда колебаний. На распространение звуков в атмосфере влияет много факторов: температура на разных высотам, потоки в оздуха. Эхо – это отраженный от поверхности звук. Звуковые волны могут о тражаться от твердых поверхностей, от слоев воздуха в которых температу ра отличается от температуры соседних слоев. 2.3. Интенсивность звука Для сравнения ин тенсивности L звука или звукового давления используют уровень интенсив ности. Уровнем интенсивности называют умноженный на 10 логарифм отношени й двух интенсивностей звука. ВеличинаL измеряется в децибелах. Для указания абсолютного уровня интенсивнос ти вводят стандартный порог слышимости І0 человеческого уха на частоте 1000 Гц, по отношению к которому указывается интенсивность. Порог слышимости равен: В таблице 1 представлены интенсивности различ ных природных и техногенных звуков и их интенсивности. Таблица 1. Звук L, Дб Звук L, Дб Порог слышимости 0 Уличный шум 70 Тиканье часов 10 Крик 80 Шепот 20 Пневматическое св ерло 90 Тихая улица 30 Кузнечный цех 100 Приглушенный разговор 40 Клепальный молот 110 Разговор 50 Самолетный двигатель 120 Пишущая машинка 60 Болевой порог 130 Объективны е характеристики звука. Любое тело, которое находитс я в упругой среде и колебл еться со звуковой частотой, является источником звука. Источника звука м ожно поделить на две группы: источники, которые работают на собственной частоте, и источники, которые работают на вынужденных частотах. К первой группе принадлежат источники, звуки в которых создаются колебаниями ст рун, камертонов, воздушных столбов в трубах. Ко второй группе источников звука принадлежат телефоны. Способность тел излучать звук зависит от ра змера их поверхности. Чем большая площадь поверхности тела, тем лучше он о излучает звук. Так, натянутая между двумя точками струна или камертон с оздают звук довольно малой интенсивности. Для усиления интенсивности з вука струн и камертонов их объединяют с резонаторными ящиками, которым п рисущий ряд резонансных частот. Звучание струнных и духовых музыкальны х инструментов основано на образовании стоящих волн в струнах и воздушн ых столбах. Интенсивность звука, который создается источник ом, зависит не только от его характеристик, а и от помещения, в котором нах одится этот источник. После прекращения действия источника звука рассе янный звук не исчезает внезапно. Это объясняется отбиванием звуковых во лн от стен помещения. Время, на протяжении которого после прекращения де йствия источника звук полностью исчезает, называют временами ревербер ации. Условно считают, что время реверберации равняется промежутку врем ени, на протяжении которого интенсивность звука уменьшится в миллион ра з. Время реверберации – это важная характеристи ка акустических свойств концертных залов, кинозалов, аудиторий и др. При большом времени реверберации музыка звучат довольно громко, но невыраз ительно. При малом времени реверберации музыка звучат слабо и глухо. Поэ тому в каждом конкретном случае добиваются наиболее оптимальных акуст ических характеристик помещений. Субъекти вные характеристики звука. Человек ощущает звуки, кот орые лежат в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Чувствительность органов слуха человека до разны х частот неодинаковая. Для того, чтобы человек реагировал на звук, необхо димо, чтобы его интенсивность была не меньше минимальной величины, котор ая носит название порога слышимости. Порог слышимости для разных частот неодинаковый. Людское ухо имеет наибольшую чувствительность к колебан иям частотой от 1 до 3 кГц. Порог слышимости для этих частот составляет око ло Дж/м2с. При значительном возрастании интенсивности звук а ухо перестает воспринимать колебания как звук. Такие колебания вызыва ют ощущение боли. Наибольшую интенсивность звука, при которой человек во спринимает колебания как звук, называют порогом болевого ощущения. Поро г болевых ощущений при указанных частотах отвечает интенсивности звук а 1 Дж/м2с. Звук как физическое явление характеризируют час тотой, интенсивностью или звуковым давлением, набором частот. Это объект ивные характеристики звука. Органы слуха человека воспринимают звукза громкостью, высотой тона, тембром. Эти характеристики имеют субъективны й характер. Диаграмма на которой представлены области часто т и интенсивности,воспринимаемые человеческим ухом, называют диаграмм ой слуха. Физическому понятию интенсивности звука отвеча ет громкость звука. Субъективную громкость звука нельзя точно количест венно измерить. Высота звука определяется его частотой, чем боль ше частота, тем большим будет высота звука. Органы слуха человека доволь но точно ощущают изменение частоты. В области частот 2 кГц может восприни мать два тона, частота которых отличается на 3 – 6 Гц. Тембр звука определяется его спектральных соста вом. Тембр – это оттенок сложного звука, которым отличаются два звука од инаковой силы и высоты. Глава 3. Эффект Доплера д ля звука Скорость распространения звуковых волн в среде не зависит от движения источника и приемника звука. Опыт показыв ает, что когда источник и приемник звука, неподвижны относительно среды, в которой распространяются звуковые волны, то частота звука, которую ген ерирует источник, равняется частоте, которую регистрирует приемник. Сов сем другая картина, когда источник звука и приемник находятся в движении относительно среды в которой распространяется звук. При этом частота зв ука, которую регистрирует приемник, отличается от частоты звука, которую генерирует источник. Изменение частоты звука, который воспринимается п ри относительном движении источника и приемника звука, называется эффе ктом или явлением Доплера. Примером эффекта Доплера будет изменение час тоты гудка тепловоза во время движения и в состоянии покоя. Рассмотрим сначала случа й, когда источник звука неподвижен относительно среды, в которой распрос траняются звуковые волны. Если частота колебаний звука х0 и скорость его распространения в среде V, то длина звуковой волны . При движении приемника со скоростью к источнику вдоль линии, которая их соединяет, скорость распространения звука относительно приемника будет равняться V + . Поскольку длина звуковой волны при этом не изменяется, то за единицу вре мени к подвижному приемнику придет большее количество волн, чем к недвиж имому. Частота колебаний, которую регистрирует подвижный приемник, буде т равна: . Отсюда вытекает, что приемник, который двиг ается к источнику звука, регистрирует большую частоту, чем частота колеб аний источника звука. Если приемник звука отдаляется от покоящегося ист очника звука со скоростью , то скорость звуковых волн относительно приемника бу дет V - . Приемник звука будет регистрировать при этом меньшу ю частоту, чемта, которую генерирует источник звука, а именно: Если источник и приемник звука будут двигатьс я одновременно , то длинна волны и скорость их распространения относительно приемника зв ука будут меняться . При этом частота , кото рую регистрирует приемник будет : ( 5.1 ). Знак плюс в числителе выражения отвечает сл учаю, когда приемник приближается к источнику звука , знак минус – когда отдаляется. В знам енателе знаки стоят наоборот, т.е. знак минус указывает на приближение ис точника к приемнику звука, а знак плюс – на отдаление его от источника звука. Если приемник или источник звука двигаются не вдоль прямой, которая соединяет их, то эф фект Доплера определяется проекциями скоростей движения на направлени е этой прямой. Заметим, что все скорости, которые входят в формулу ( 5.1 ) , определяются отно сительно той среды, в которой распространяется звук. Эффект Доплера набл юдается и для электромагнитных волн. Глава 4. Ультр азвук Как уже отмечалось, упругие волны, частоты которых лежат в интервале от 2Ч104 до 109 Гц, называют ультразвуком. Весь диапа зон частот ультра звуковых волн условно разделяют на три поддиапазона: ультразвуковые волны н изких (2 Ч 104-105 Гц), средних (105 - 107 Гц) и высоких частот (107 -109 Гц). За физической природой ульт развуковые волны такие, как и звуковые волны любой длинны. Тем не менее, вс ледствие более высоких частот ультразвук имеет ряд специфических особ енностей при его распространении. В связи с тем, что длины ультразвуковы х волн довольно малые, характер их распространения определяется в перву ю очередь молекулярными свойствами вещества. Характерная особенность распространения ультразвука в многоатомных газах и в жидкостях - это сущ ествование интервалов длин волн, в пределах которых проявляется зависи мость фазовой скорости распространения волн от их частоты, т.е. имеет мес то дисперсия звука. В этих интервалах длинны волн также происходит значи тельное поглощение ультразвука. Поэтому при распространении его в возд ухе происходит более значительное его затухание, чем звуковых волн. В жи дкостях и твердых телах (особенно монокристалах) затухание ультразвука значительно меньше. Поэтому область применения ультразвука средних и в ысоких частот лежит в основном в жидких и твердых средах, а в воздухе и в г азах применяют только ультразвук низких частот. Еще одна особенность ультразвука – это возможн ость получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, поскольку при определенной амплитуде плотность потока энергии пропорциональная квадрату частоты. До важных явлений, которые возникают в жидкостях при прохождении ультразвука, принадлежит кавитация. Это получение крат ковременных импульсов давления при схлопывании пузырьков воздуха. Для получения ультра звуковых волн используют м еханические и электромеханические приборы. К механическим можно отнес ти воздушные и жидкостные сирены и свистки. Многие вещества могут генери ровать ультразвук при помещении их в высокочастотное электрическое по ле, к таким веществам относят кварц, сегнетовую соль, титанат бария. Ультразвук используют во многих областях знаний , науке и технике.Его используют для изучения свойств и строения веществ а. С его помощью получают информацию о строении морского дна, его глубине, находят косяки рыб в океане. Ультра звуковые волны могут проникать через металлические изделия толщиной около 10 метров. Это их свойство положено в основу принципа работы ультра звукового дефектоскопа, который помога ет находить дефекты и трещиныв твердых телах. В медицине это свойство ул ьтразвука положено в основу работы приборов ультразвуковой диагностик и, которые позволяют визуализировать внутренние органы, диагностирова ть болезни на ранних стадиях. Действие ультразвуковых колебаний непосредств енно на расплавы дает возможность получить более однородную структуру металлов. Ультразвуковая кавитация применяется для очищения от грязи п оверхностей деталей (часовое производство, приборостроение, электронн ая техника и др.). На основе кавитации осуществляется металлизация тел и п айка, дегазация жидкостей. Кавитационные ударные волны могут диспергир овать твердые тела и жидкости, образовывая эмульсии и суспензии. Глава 5. Инфразвук Инфразвуки – это упругие колебания, аналогичные звуковым колебанием, н о с частотами ниже 20 Гц. Инфразвуки на первый взгляд занимают небольшой ди апазон частот от 20 до 0 Гц. На самом деле этот участок чрезвычайно большой, п оскольку «к нулю» означает практически бесконечный диапазон колебаний . Этот диапазон менее изучен сравнительно со звуковым и ультразвуковым д иапазонами. Инфразвуковые волны возник ают вследствие обдувания ветром зданий, деревьев, телеграфных столбов, м еталлических ферм; во время движения человека, животные, транспорта; при работе разных механизмов; при грозовых разрядах, взрывах бомб, выстрелах пушек. В земной коре наблюдаются колебание и вибрации инфразвуковых час тот вследствие обвалов, движения разных видов транспорта, вулканически х извержений и т.п. Другими словами, мы живем в мире инфразвуков, не подозр евая об этом. Такие звуки человек скорее ощущает, чем чует. Зарегистриров ать инфразвуки можно только особыми приборами. Характерной особенност ью инфразвука есть незначительное его поглощения в разных средах. Вслед ствие этого инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут расп ространяться на довольно большие расстояния (десятки тысяч километров). В связи с этим инфразвук образно называют «акустическим нейтрино». Так, инфразвуковые волны (частота колебаний 0,1 Гц), что образовались при изверж ении вулкана Кракатау (Индонезия) в 1883 г., несколько раз обошли вокруг земно го шара. Они вызвали такие флюктуации давления, которые можно было зарег истрировать обычными барометрами. Некоторые инфразвуки человек воспринимает, но н е органами слуха, а организмом в целом. Дело в том, что некоторые внутренни е органы человека имеют собственную резонансную частоту колебаний 6 – 8 Гц. При действии инфразвука этой частоты возможное возникновение резон анса колебаний этих органов, который вызывает неприятные ощущения. Исследованиями ученых разные страны установлен ы, что инфразвук любых частот и интенсивностипредставляет собой реальн ую угрозу для здоровья человека. Полученные результаты дают возможност ь сделать вывод, что инфразвук приводит к потере чувствительности орган ов равновесия тела, которое в свою очередь приводит к появлению боли в уш ах, позвоночнике и повреждений мозга. Еще более пагубно влияет инфразвук на психику человека. Свойство ультразвуковых колебаний распростран яться на большие расстояния в земной коре лежит в основе сейсмологии – науки, которая изучает землетрясения и исследует внутреннее строение З емли. Кроме океанологии и сейсмологии, инфразвук применяют в работе неко торых приборов и механизмов для разных практических целей. С помощью так их приборов стараются предусмотреть землетрясения, приближение цунами . Заключение Человек живет в океане звука, он обменивает ся информацией с помощью звука, воспринимает ее от окружающих его людей. Поэтому знать основные характеристики звука, его подвиды и их использов ание просто необходимо. Использование звуковых и ультра звуковых волн н аходит все большее применение в жизни человека. Их используют в медицине и технике, на их использовании основаны многие приборы, особенно для исс ледования морей и океанов. Где из – за сильного поглощения радиоволн зв уковые и ультра звуковые колебания есть единственным способ передачи и нформации. Как было сказано выше челове к живет в океане звука и нам также не нужно забывать и о чистоте этого океа на. Сильные шумы опасны для здоровья человека и могут привести к сильным головным болям, расстройству координации движения. Поэтому нужно с уваж ением относится к столь сложному и интересному явлению, каким есть звук. Список использованной литературы. Дущенко В. П., Ку черук И. М. Общая физика. – К.: Высшая школа, 1995. – 430 с. Исакович М. А.Общая акустика. – М.: Наука, 1973. – 495 с. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. – М.: На ука, 1995. – 343 с. Клюкин И. И. Удивительный мир звука. – Л.: Судострое ние, 1978. – 166 с. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. – М.: Мир , 1983. – 520 с. Лепендин Л. Ф. Акустика. – М.: Высшая школа, 1978. – 448 с. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. – М .: Наука, 1982. – 846 с. Шебалин О. Д. Физические основы механики и акустик и. – М.: Высшая школа, 1981. – 263 с.