Акустика. Физика звука

Понятие акустики в физике

Акустика. Физика звука

В целом акустика является наукой о звуках. Звуки во все времена играли особую роль в жизни любого человека, так как они позволяют людям ориентироваться в пространстве, общаться, смотреть фильмы и слушать любимую музыку.

Рисунок 1. Разновидности акустики.. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Использование акустики востребовано абсолютно всеми областями, начиная от строительства, заканчивая медициной. Данный научный раздел изучает колебания звуковых волн, принципы их формирования и распределения.

Определение 1

Акустика – обширная область физики, которая исследует упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких.

Человек начинает слышать звук при постоянных колебаниях, производимых с определенной частотой.

Одно из основных определений акустики – это звуковая волна, которая представляет собой вибрации, давление которых непосредственно зависит от источника.

Например, сигнал автомобильного клаксона осуществляется с более высоким колебанием, чем человеческий шепот. Сила звука всегда определяется в децибелах.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Современная акустика охватывает достаточно широкий круг вопросов, в ней выделяют ряд таких важных подразделов:

  • физическая акустика — изучает особенности распространения упругих волн в различных пространствах;
  • физиологическая акустика — описывает устройство и работу звукообразующих и звуковоспринимающих органов у человека и животных.

В более узком смысле слова под акустикой следует понимать учение о звуке, то есть об упругих вибрациях в газах, твердых телах и жидкостях, воспринимаемых человеческим ухом. Звуковая волна способна отражаться от поверхностей, рассеиваться в них или поглощаться. Параметр отражения силы звука определяется тем, какие акустические характеристики она имеет и что было пройдено звуковой волной.

Природа звука и его физические характеристики

Рисунок 2. Физические характеристики звука. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Звуковые волны и колебания — частный случай механических изменений. Однако в связи с важностью акустических определений для правильной оценки слуховых ощущений, а также из-за медицинского приложения целесообразно будет некоторые вопросы разобрать более детально.

На сегодняшний день принято различать следующие звуки:

  • тоны, или музыкальные звуки;
  • шумы;
  • звуковые удары.

Тоном представляет собой периодический процесс звука. Если этот процесс вполне гармонический, то тон называется чистым или полным, а соответствующая звуковая плоская волна описывается соответствующим уравнением.

Ключевой физической характеристикой такого вида звука является частота. Ангармоническому колебанию соответствует сложный тон.

Простой тон формирует, например, камертон, а вот сложный тон возможно услышать благодаря музыкальным инструментам.

Наименьшая частота разложения сложного тона на более простые структурные единицы соответствует основному тону, остальные обертоны в этом случае имеют частоты, равные $2νο$, $3νο$ и так далее.

Определение 2

Набор колебаний с указанием их конкретной интенсивности (амплитуды А) называется в физике акустическим спектром.

Спектр сложного тона всегда линейчатый. Таким образом, акустический спектр — одна из важнейших физических характеристик музыкальных звуков, так как она способна отличаться сложной неповторяющейся временной зависимостью.

К шуму исследователи относят звуки от вибрации автомобилей, аплодисменты, шорох, пламя горелки, скрип, согласные звуки речи и так далее. Этот звуковой вид можно рассматривать как сочетание хаотично изменяющихся сложных тонов

Определение 3

Звуковой удар — это кратковременное равномерное звуковое воздействие в виде взрыва или хлопка.

Не следует путать звуковой удар с ударной волной, частота которой значительно выше.

Волновая природа звука

Рисунок 3. Волновая природа звука. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Чтобы лучше определить систему появления звуковой волны, необходимо представить находящийся в трубе классический динамик, который до краев наполнен воздухом. Если это устройство совершит внезапное движение вперёд, то находящийся в непосредственной близости воздух на какое-то мгновение сжимается. После этого воздушная прослойка расширится, толкая собой сжатую область воздуха вдоль по трубе.

Вот такое волновое движение и станет впоследствии звуком, когда доберется до слухового органа и «взбудоражит» барабанную перепонку.

При возникновении звуковой волны в газе формируется избыточное внутреннее давление, ненужная плотность и происходит трансформация частиц с постоянной скоростью.

При изучении звука и его особенностей важно помнить то обстоятельство, что материальное вещество не перемещается пропорционально звуковой волне, а появляется только временное возмущение действующих воздушных масс.

Замечание 1

Если частицы вибрируют вдоль направления распределения волны, то волновой звук называется продольным, если же они колеблются прямо перпендикулярно направлению волнового распространения, то волна называется поперечной.

Обычно звуковые тоны в жидкостях и газах – продольные, в твердых же физических телах возможно формирование волн обоих типов. Поперечные волны в материальных телах возникают посредством сопротивления к изменению изначальной формы. Ключевая разница между указанными двумя типами волн состоит в том, что поперечная волна оснащена свойством поляризации, а продольная – нет.

Основные направления современной акустики

Многочисленные и многолетние научные труды по изучению природы шума и вопросам шумоизоляции были опубликованы некоторое время спустя после их проведения.

Первые работы в этой сфере касались только звуков, которые производятся авиационной техникой и наземным транспортом. Но постепенно границы звуковых исследований значительно расширились.

В настоящее время большинство промышленно-развитых государств имеют свои научно-исследовательские университеты, занимающиеся созданием новых устройств и разработкой решения данных проблем.

Ученые выделяют такие основные разделы акустики:

  • общая;
  • архитектурная;
  • геометрическая;
  • строительная;
  • музыкальная;
  • психологическая;
  • биологическая;
  • электрическая и авиационная;
  • медицинская;
  • квантовая.

Акустика изучает такие физические явления, как формирование, распространение, ощущение звуковых волн и различные эффекты, напрямую производимые звуком на органы слуха. Как и все прочие научные отрасли, акустика обладает собственным понятийным аппаратом. Вместе с тем она также считается междисциплинарным разделом, то есть имеет тесные взаимосвязи с другими сферами знаний.

Наиболее отчётливо и понятно прослеживается взаимодействие акустики с архитектурой, механикой, теорией музыки, электроникой и математикой. Основные формулы акустики непосредственно касаются характеристик распространения звуковых волн в условиях упругой постоянной среды: уравнения стоячей и плоской волн, формулы точного расчёта скорости волн.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanika_sploshnyh_sred/ponyatie_akustiki_v_fizike/

Лекции по акустике

Акустика. Физика звука

1. Акустика, ее разделы и задачи.

Медицинская акустика.

Акустика – это раздел физики, изучающий вопросы получения, распространения, свойств механических волн, а также их взаимодействие с физическими и биологическими объектами.

Акустика делится на:

—  общая акустика (исследует получение и распространение звука, методы звуковых измерений);

—  архитектурная акустика изучает вопросы защиты от шумов и получением хорошей слышимости;

—  техническая акустика разрабатывает вопросы практического применения звуков в технике;

—  биологическая акустика изучает применение звуков живыми организмами;

—  медицинская акустика – это физика и биофизика слуха и речи, условия и особенности восприятия человеком, возможности применения звука для диагностика и лечения (следует различать слышимый звук и ультразвук).

Задачей медицинской акустики является разработка гигиенических норм использования звука; разработка звуковых и УЗ-методов диагностики и лечения.

II.  Звук как физическое явление. Звуковые волны и их характеристика.

Последовательное отклонение колеблющейся точки от положения равновесия то в одну, то в другую сторону называется механическим колебанием. Распространяющееся в упругой среде механические колебания называются механической волной.

Среда является упругой, если между её частицами есть упругие взаимодействия. Для передачи механических колебаний от одной частицы к другой необходим механический контакт частиц меж собой.

По направлению колебаний условных частиц среды различают продольные и поперечные волны.

Продольная волна – возникает тогда, когда направление колебания частиц среды совпадает с направлением распространения волны (в твёрдых, жидких и газовых средах).

Поперечная волна – если направление колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны (в твёрдых телах).

Волновая характеристика звука:

1.  Амплитуда — это модуль наибольшего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия.

2.  Период — это время совершения частицей одного полного колебания.

3.  Частота — число колебания в единицу в единицу времени n = 1/Т [Гц, 1/с ,с-1 ]

4.  Длина волны — расстояние между двумя вершинами ближайших тел, колеблющихся в одной фазе [l].

5.  Скорость распространения звуковой волны при неподвижном источнике звука.

Наибольшей является скорость распространения магнитной волны в твердом теле (от 5000 до 10000мс), в воде 1400 мс, в воздухе при 20 С и при нормальном атмосферном давлении скорость распространения звука равна 340 мс, с увеличением температуры скорость распространения звука возрастает.

По частоте механические волны разделяются:

1.  Инфразвук (частота от 0 до 16 Гц)

2.  Слышимый звук (от 16 до 20000 Гц)

3.  Ультразвук (свыше 20000 Гц)

Инфразвук и ультразвук не слышны человеку, но воздействуют на человека. Слышимые звуки воспринимаются слуховыми анализаторами человека.

Звуковое поле и его характеристика.

Звуковым полем называется пространство, в котором распространяется звуковая волна. Характеристики звукового поля подразделяются на энергетические и линейные.

Линейные:

1.  Звуковое давление — переменное давление воздуха пропорциональное звуку в среде, является добавочным к атмосферному давлению [P, Па].

2.  Смещение частиц среды — это отклонение условных частиц от положения равновесия.

3.  Акустическое сопротивление — величина, равная отношению звукового давления к скорости колебания частиц среды.

Z = P/u [Па×с/м] Z = r/u

где — плотность среды.

Энергетические:

Интенсивность (сила звука) — величина, численно равная энергии, переносимой через единицу времени при распространении звука: [I]

I=E/s×t

Психофизические характеристики звука.

Психофизика изучает связь физического воздействия с возникновением ощущений. Поскольку звук вызывает слуховые ощущения, то они описываются не только объективно, но и субъективно. Звуки делятся на тоны, звуковые удары, шумы.

Простой тон — это звук определенной частоты.

Сложный тон — это состоящий их кратного количества простых тонов. Графиком сложного тона служит периодическая прямая, но не синус.

Шум — большое количество простых и сложных тонов. Их количество и интенсивность постоянно меняется.

Звуковой удар — это сильное звуковое действие, короткое по времени.

Психофизические характеристики:

1.  Высота тона. Ей соответствует объективная физическая характеристика — частота. Чем больше частота, тем сильнее звук.

2.  Громкость. Ей объективно соответствует амплитуда и сила звука. Чем больше амплитуда, тем громче звук. Воспринимаемая громкость субъективно зависит от частоты. При одной и той же интенсивности, с увеличением частоты от 16 до 1000 Гц, громкость возрастает. От 1000 до 3000 Гц громкость не меняется. При дальнейшем увеличении частоты громкость уменьшается и исчезает.

3.  Тембр. Определяется интенсивностью и количеством простых тонов, входящих в сложные звуки. Наименьшая частота — основная, а остальные овертоны.

Нарастание ощущений высоты и громкости идет по логарифмической шкале.

1.  Бел

NБ = lg(I2/I1)

2.  Децибел 1дБ=0,1Б

NдБ = 10×lg(I2I1)

3.  Октава — логарифмическая характеристика, применяемая для характеристики частоты.

Nокт = log2(f2/f1), где f — частота, f1, f2 — границы частотного интервала.

4.  Декада

Nдек = lg(t2/t1)

Условия и особенности восприятия звука человеком. Пороговые характеристики. Область слышимости.

Для того, чтобы услышать:

1. Орган слуха должен быть здоров

2. Частота звука от 16-20000 Гц.

3. Интенсивность звука должна находиться в пределах пороговой характеристики.

Пороговые характеристики определяют границу слухового ощущения на разных частотах.

Порог слышимости — это нижняя граница слухового ощущения, определяющаяся силой звука, который начинает улавливаться на данной частоте.

При частоте 1000 Гц звук становиться слышимым, при интенсивности I = 10-12 [квант/м2].

Порог боли — верхняя граница слухового ощущения, определяемая наименьшей силой звука, при которой на данной частоте возникает чувство боли. Для частоты 1000Гц,

I = 102 [ватт/м2].

Графики, характеризующие зависимость пороговых характеристик по частоте — пороговые кривые.

Область, ими ограниченная, называется областью слышимости.

С возрастом диапазон слышимости уменьшается.

Борьба с шумами.

Часть энергии, звуковой волны поглощается телами, а часть отражается. В закрытых помещениях звук полностью затухает только спустя какое-то время после прекращения действия источника звука. Это может ухудшать восприятие речи в помещении.

Реверберация — процесс затухания звука. Время реверберации учитывается при строительстве аудиторий, залов и т. д. шум при этом влияет на человека.

Устранение источников вредных шумов или ослабление их действия должно находиться под их контролем.

Борьба с шумами ведется путем применения звукопоглощающих материалов, озеленением улиц и т. д. норма громкости — 40-50 дБ. Предел шума для высоких частот — 80дБ, для низких частот — 100дБ. Контроль производится с помощью шумомера. В нем звуковые колебания преобразуются в электромагнитные колебания. Шкала проградуирована в децибеллах.

Звуковые методы исследования в клинике.

1)  Аускультация (выслушивание звуков) – мембрана фонендоскопа прикладывается к телу пациента. Колебания передаются в полую капсулу и там усиливаются за счёт резонанаса столба жидкости (выслушивают дыхательные шумы, хрипы, тоны и шумы сердца).

2)  Перкуссия (выстукивание) – здесь прослушивается звучание отдельных частей тела при их выстукивании. Тело человека представляет собой совокупность различных сред (газонаполненных, твёрдых, жидких). При ударе по поверхности тела возникают колебания, одни из которых затухают, а другие усиливаются. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и топографию внутренних органов.

3)  Фонокардиография – это метод графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностических интерпритаций.

4)  грамма – определение остроты слуха.

Тоны и шумы сердца. Фонокардиография.

Сердце – полый мышечный орган, предназначенный для перемещения крови по сосудам. При его работе возникают звуки: тоны и шумы. Они имеют различные частоты и возникают в определённый период сердечной деятельности.

По частоте они делятся на:

1)  Инфразвук (менее 16 Гц).

2)  Слышимые низкочастотные (16 – 400 Гц).

3)  Слышимые среднечастотные (400 – 1000 Гц).

Интенсивность инфразвука самая большая, далее идет слышимый низкочастотный и самая малая интенсивность у среднечастотного. Сердечные тоны возникают при переходе от одного цикла работы к другому. Они являются слышимыми низкочастотными и быстро затухают.

Сердечные шумы возникают при давлении крови в определённых периодах сердечного цикла (они относятся к 3й группе). Они более продолжительны, но менее интенсивны.

Тоны и шумы слышны примерно одинаково. Это связано с тем, что шумы приходятся на более чувствительную область слуховых восприятий. Для записи тонов и шумов используют фонокардиограф. Он состоит из:

1)  Специальный микрофон. Электродинамические конструкции с известной частотной характиристикой.

2)  Усилитель сигнала микрофона с системой электрофильтров. Полоса пропускания 10 – 1000 Гц, фильтры выделяют нужную полосу частот звуков сердца.

3)  Регистрирующее устройство. Запись производится на бумагу, пластину, магнитную ленту, информация выводится на экран осциллографа.

Принцип работы фонокардиографа:

На определённом участке грудной клетки устанавливается микрофон, преобразующий механические колебания в электромагнитные. Пройдя через фильтры колебания попадают в регистрирующее устройство, которое делает их видимыми.

Фонокардиограмма представляет собой периодическую кривую. Этот метод позволяет установить частоту и интенсивность тонов и шумов, определить характер их нарастания и убывания, установить соотношение во времени с отдельными фазами сердечного цикла.

метрия. метр. грамма.

метрия делится на

1)  тональную (основанную на определении порога слышимости тона различной частоты),

2)  речевую, в основе которой лежит определение порога разборчивости речи по отношению к стандартным словам, произносимым врачом,

3)  Объективную. Смысл её состоит в том, что при подаче звукового сигнала различной интенсивности и частоты одновременно записываются сигналы и головного мозга.

Прибор аудиометр состоит из:

1)  источника звукового сигнала (Это генератор звука синусоидальных колебаний с частотой 63 – 16000 Гц в октавном диапазоне.)

2)  Ламповый или полупроводниковый усилитель частот.

3)  Частотнонезависимый регулятор интенсивности сигнала. Он проградуирован с учётом снижения интенсивности звукового сигнала по отношению к стандартному порогу слышимости, который взят за «0».

4)  Телефон (воздушной или костной проводимости с известной частотной характеристикой).

Результатом исследования является получение аудиограммы – то есть графика зависимости порота слышимости от частоты.

График строится на специальном бланке, где по горизонтали откладывается частота в октавном диапазоне, а вниз по вертикали откладывается снижение остроты слуха в Дб по отношению к стандартному порогу слышимости. грамма строится отдельно для каждого уха.

Во время проведения процедуры пациент находится в изолированном помещении. грамма определяет чувствительность уха на различных частотах, понижение слуха. С её помощью судят о месте поражения слуха и результате лечения.

Источник: http://fiziku5.ru/uchebnye-materialy-po-fizike/1_03_04_akustika_lf

Физика звука

Акустика. Физика звука

У любого явления в нашем Мире, есть какие-либо количественные и качественные показатели, которые можно измерить, а значит изменить, получив предсказуемые, в большинстве случаев, последствия. И звук не стал исключением из правил!

Для него действуют те же параметры и показатели, что и для окружающего мира. Изучением этих параметров и показателей занимается наука «Акустика».

Звуковые колебания графически можно представить в виде графика движения тела, которое порождает звук. Если речь идёт о динамике, который воспроизводит звук, то график будет отображать движение диффузора.

 Если речь о струне, то график колебания струны. Если какой-либо духовой инструмент, то график колебания воздуха внутри трубки инструмента и т. д.

Чтобы описать такое явление, как звук, надо сперва понять – а что мы, собственно, слышим.

  • Ну, во-первых – громкость, мы различаем громкие и тихие звуки.
  • Во-вторых, звуковысотность, мы различаем звуки из которых складывается мелодия.
  • В-третьих, мы воспринимаем изменение громкости отдельных звуков.
  • В-четвёртых, мы различаем звук одного инструмента от другого, например, пианино от гитары, слышим их уникальный тембр.

Чтобы понять, как всё это работает, надо представить для себя всю картину.

Рассмотрим график движения диффузора в динамике.

Стоит оговориться, что он не может воспроизвести два звука одновременно, он движется линейно, в определённых пределах.

У движения диффузора есть амплитуда:

Грубо говоря – это расстояние на которое он может отклониться из состояния покоя.

Когда он воспроизводит аудиосигнал, он движется в этих пределах:

При движении он создаёт напряжение в воздухе, то сжимая его, то разряжая поочерёдно. Это воздействие диффузора на воздух, создаёт в воздухе «звуковое давление». Если сила сигнала, приходящего в динамик увеличивается, то амплитуда движения диффузора увеличивается:

Вслед за амплитудой увеличивается и скорость движения диффузора, так как большее расстояние ему нужно пройти за одно и то же время – волна-то одна, амплитуды разные.

 Так как увеличилась скорость, то, получается, что диффузор быстрее сжимает и разряжает воздух, а если воздух сжимается быстрее, то и давление, которое возникает в воздухе, становится больше.

 Соответственно, доходя до наших ушей, воздух сильнее раскачивает барабанную перепонку, от этого, возбуждение нервов становится больше и мы воспринимаем, что звук стал громче. Такие вот дела.

Из этого же примера можно заметить, что, не смотря на то, что амплитуда волны увеличилась, временные отрезки для обеих волн одинаковы, это обусловлено «частотой колебания», следующим параметром, который мы можем слышать.

 По сути, частота колебания – это звуковысотность, именно этот параметр отвечает за то, каким мы слышим звук – высоким или низким.

 Чем частота больше, тем и звук, который мы слышим, – выше, чем частота меньше, тем и звук ниже.

Частота измеряется в Герцах (Гц).

1 Герц – это одно колебание в секунду.

Порог слышимости человеческого слуха – от 20 до 20000 Гц.

Каждой ноте соответствует определённое количество колебаний. Таким образом, диффузор в динамике, который проигрывает какую-либо музыку раскачивает воздух не только с определённой амплитудой, влияя на громкость, слышимой музыки, но также и с определённой частотой.

 То есть, он совершает то большее, то меньшее количество колебаний, в зависимости от мелодии. Чтобы хоть немного представить скорость движения динамика, то можно сказать, что ноте «Ля» первой октавы соответствует частота в 440 Гц.

 То есть, если мы одну секунду будем слышать из динамика ноту «Ля», то за эту самую секунду, динамик совершит 440 колебаний.

Частота звука так же влияет на громкость, но это уже больше относится к разделу «психоакустики», так как затрагивает вопрос восприятия человеком звука.

Наш слуховой аппарат устроен таким образом, что мы воспринимаем высокие частоты громче, чем низкие, если говорить о «звуковом давлении».

 То есть, если мы возьмём два звука – низкий и высокий и настроим их громкость так, чтобы они создавали одинаковое звуковое давление, то высокий будет казаться гораздо громче.

Следующее, что мы можем различить в звуке – это его ADSR-огибающая. Понятие ADSR больше относится к одиночным звукам и чаще всего к звукам синтезаторов, при цифровом синтезе звука. ADSR – это аббревиатура от английский слов Attack (Атака), Decay (Спад), Sustaine (Звучание)и Release (Затухание).

 Чуть позже, мы отдельно поговорим об этом подробнее, но сейчас стоит вкратце объяснить, суть. Представьте себе, что вы взяли гитару и дёрнули на ней струну.

 Сперва,вы услышите, что звук появился очень быстро, буквально сразу (Атака), затем громкость немного уменьшится (Спад), немного подержится (Звучание) и затихнет (Затухание).

В большинстве случаев, под ADSRподразумевают именно данные стадии звукообразования и их настройку. При цифровом синтезе эти параметры задаются в миллисекундах, при игре на инструменте ими управляет исполнитель.

Ещё одним слышимым качеством звука является тембр инструмента и наша способность эти тембры между собой различать. 

Тема сложная и будет наиболее полно раскрыта во время нашего обзора различных инструментов. На тембр влияет практически всё, что есть в инструменте, в большей или меньшей мере. Первое и основное – это конечно способ звукообразования. То есть принцип работы инструмента.

 На скрипке по струнам водят смычком, на гитаре струны дергают, в клавишных по струнам ударяют молоточки, в духовые дуют, в результате, рождается звук инструмента. При этом, для каждого инструмента характерно своё, неповторимое звучание.

Так, две гитары не будут звучать одинаково, что-то будет различаться в их звучании, хоть это по-прежнему будет звук гитары.

Это очень интересная тема, которую мы ещё разберём более подробно.

Из самых очевидных звуковых явлений мы всё рассмотрели, остались не очевидные, но о них в другой раз.

Источник: http://soundtheory.ru/fizika-zvuka/

Booksm
Добавить комментарий