Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Звуковыми(или акустическими) волнами



называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16—20000Гц. Волны указан­ных частот, воздействуя на слуховой аппа­рат человека, вызывают ощущение звука. Волны с v< 16 Гц (инфразвуковые) иv> >20 кГц (ультразвуковые)органами слу­ха человека не воспринимаются.

Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обла­дают упругостью по отношению к дефор­мациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Интенсивностью звука(или силой звука)называется величина, определяемая

средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

I=W/(St).

Единица интенсивности звука в СИ — ватт на метр в квадрате(Вт/м2).

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсив­ность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наимень­шая (порог слышимости)и наибольшая (порог болевого ощущения)интенсив­ность звука, которая способна вызвать звуковое восприятие. На рис. 223 пред­ставлена зависимость порогов слышимо­сти и болевого ощущения от частоты зву­ка. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слы­шимости.

Если интенсивность звука является ве­личиной, объективно характеризующей во­лновой процесс, то субъективной характе­ристикой звука, связанной с его интенсив­ностью, является громкость звука,за­висящая от частоты. По физиологическо­му закону Вебера — Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом ос­новании вводят объективную оценку гром­кости звука по измеренному значению его интенсивности:

L=lg(I/I0),

где I0 — интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех зву-

 

 

ков равной 10-12 Вт/м2. Величина L на­зывается уровнем интенсивности звука

и выражается в белах(в честь изобретате­ля телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими,— децибе­лами(дБ).

Физиологической характеристикой звука является уровень громкости,кото­рый выражается в фонах(фон). Гром­кость для звука в 1000 Гц (частота стан­дартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. На­пример, шум в вагоне метро при большой скорости соответствует »90 фон, а шепот на расстоянии 1 м— »20 фон.



Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим на­бором частот, т. е. звук обладает акустиче­ским спектром,который может быть сплошным(в некотором интервале при­сутствуют колебания всех частот) и ли­нейчатым(присутствуют отделенные друг от друга определенные частоты).

Звуковое ощущение характеризуется помимо громкости еще высотой и тембром. Высота звука— качество звука, определя­емое человеком субъективно на слух и за­висящее от частоты звука. С ростом часто­ты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Характер акустиче­ского спектра и распределения энергии между определенными частотами опреде­ляет своеобразие звукового ощущения, называемое тембром звука.Так, различ­ные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустический спектр, т. е. они имеют различный тембр.

Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инстру­мента).

Совершая колебания, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последователь­но передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е. в среде распро­страняется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с опреде­ленной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды. Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле

v=Ö(gRT/M), (158.1)

где R — молярная газовая постоянная, М — молярная масса, g= Cp/Cvотно­шение молярных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме, Т — термодинамическая температура. Из фор­мулы (158.1) вытекает, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука. Например, при T=273 К скорость звука в воздухе (M=29•10-3 кг/моль) v=331 м/с, в во­дороде (М=2•10-3 кг/моль) v=1260 м/с. Выражение (158.1) соответ­ствует опытным данным.



При распространении звука в атмос­фере необходимо учитывать целый ряд факторов: скорость и направление ветра, влажность воздуха, молекулярную струк­туру газовой среды, явление преломления и отражения звука на границе двух сред. Кроме того, любая реальная среда обла­дает вязкостью, поэтому наблюдается за­тухание звука, т. е. уменьшение его ампли­туды и, следовательно, интенсивности зву­ковой волны по мере ее распространения. Затухание звука обусловлено в значитель­ной мере его поглощением в среде, связан­ным с необратимым переходом звуковой энергии в другие формы энергии (в основ­ном в тепловую).

Для акустики помещений большое значение имеет реверберация звука— процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключе­ния его источника. Если помещения пустые, то происходит медленное затуха­ние звука и создается «гулкость» помеще­ния. Если звуки затухают быстро (при применении звукопоглощающих материа­лов), то они воспринимаются приглушен­ными. Время реверберации— это время, в течение которого интенсивность звука в помещении ослабляется в миллион раз, а его уровень— на 60 дБ. Помещение об­ладает хорошей акустикой, если время реверберации составляет 0,5—1,5с.

 

 

Эффект Доплера в акустике

Эффектом Доплера называется измене­ние частоты колебаний, воспринимаемой приемником, при движении источника этих колебаний и приемника друг относительно друга. Например, из опыта известно, что тон гудка поезда повышается по мере его приближения к платформе и понижается при удалении, т. е. движение источника колебаний (гудка) относительно приемни­ка (уха) изменяет частоту принимаемых колебаний.

Для рассмотрения эффекта Доплера предположим, что источник и приемник звука движутся вдоль соединяющей их прямой; vист и vпрсоответственно ско­рости движения источника и приемника, причем они положительны, если источ­ник (приемник) приближается к приемни­ку (источнику), и отрицательны, если уда­ляется. Частота колебаний источника рав­на v0.

1. Источник и приемник покоятся от­носительно среды,т.е.vист=vпр=0. Если v — скорость распространения звуковой волны в рассматриваемой среде, то длина волны l=vT=v/v0. Распространяясь в среде, волна достигнет приемника и вы­зовет колебания его звукочувствительного элемента с частотой

n=v/l=v/(vT)=n0

Следовательно, частота v звука, которую зарегистрирует приемник, равна частоте n0, с которой звуковая волна излучается источником.

2. Приемник приближается к источни­ку, а источник покоится,т.е. vпр>0, vист=0. В данном случае скорость распро­странения волны относительно приемника станет равной v+vпр. Так как длина во­лны при этом не меняется, то

т. е. частота колебании, воспринимаемых приемником, в (v+vпр)/v раз больше частоты колебаний источника.

3. Источник приближается к приемни­ку, а приемник покоится,т.е. vист>0, vпр=0. Скорость распространения колеба­ний зависит лишь от свойств среды, поэто­му за время, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направлении к приемнику расстояние vT (равное длине волны Я) независимо от того, движется ли источник или покоится. За это же время источник пройдет в на­правлении волны расстояние vистT (рис.224), т.е. длина волны в направле­нии движения сократится и станет равной l'=l-vистТ=(v-vист)Т, тогда

т. е. частота v колебаний, воспринимаемых приемником, увеличится в v/(v-vист)раз. В случаях 2 и 3, если vист<0 и vпр<0, знак будет обратным.

4. Источник и приемник движутся от­носительно друг друга.Используя резуль­таты, полученные для случаев 2 и 3, можно записать выражение для частоты колеба­ний, воспринимаемых источником:

причем верхний знак берется, если при движении источника или приемника про­исходит их сближение, нижний знак — в случае их взаимного удаления.

Из приведенных формул следует, что эффект Доплера различен в зависимости от того, движется ли источник или при­емник. Если направления скоростей vпр и vист не совпадают с проходящей через источник и приемник прямой, то вместо

 

 

этих скоростей в формуле (159.1) надо брать их проекции на направление этой прямой.

Ультразвук и его применение

По своей природе ультразвук представля­ет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука (см. §158). Однако ультразвук, обладая высокими частотами (n>20кГц) и, следовательно, малыми длинами волн, характеризуется особыми свойствами, что позволяет выделить его в отдельный класс явлений. Из-за малых длин волн ультразвуковые волны, как и свет, могут быть получены в виде строго направленных пучков.

Для генерации ультразвука использу­ются в основном два явления.

Обратный пьезоэлектрический эффект(см. также §91) — это возникновение де­формации в вырезанной определенным об­разом кварцевой пластинке (в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического по­ля. Если такую пластинку поместить в вы­сокочастотное переменное поле, то можно вызвать ее вынужденные колебания. При резонансе на собственной частоте пластинки получают большие амплитуды колебаний и, следовательно, большие ин­тенсивности излучаемой ультразвуковой волны. Идея кварцевого ультразвукового генератора принадлежит французскому физику П. Ланжевену (1872—1946).

Магнитострикция— это возникнове­ние деформации в ферромагнетиках под действием магнитного поля. Поместив ферромагнитный стержень (например, из никеля или железа) в быстропеременное магнитное поле, возбуждают его механи­ческие колебания, амплитуда колебаний которых максимальна в случае резонанса.

Ультразвуки широко используются

в технике, например для направленной подводной сигнализации, обнаружения подводных предметов и определения глу­бин (гидролокатор, эхолот). Например, в эхолоте от пьезокварцевого генератора, укрепленного на судне, посылаются на­правленные ультразвуковые сигналы, ко­торые, достигнув дна, отражаются от него и возвращаются обратно. Зная скорость их распространения в воде и определяя время прохождения (от подачи до воз­вращения) ультразвукового сигнала, мож­но вычислить глубину. Прием эха также производится с помощью пьезокварца. Звуковые колебания, дойдя до пьезоквар­ца, вызывают в нем упругие колебания, в результате чего на противоположных поверхностях кварца возникают электри­ческие заряды, которые измеряются.

Если пропускать ультразвуковой сиг­нал через исследуемую деталь, то можно обнаружить в ней дефекты по характерно­му рассеянию пучка и по появлению уль­тразвуковой тени. На этом принципе со­здана целая отрасль техники—ультра­звуковая дефектоскопия,начало кото­рой положено С. Я. Соколовым (1897— 1957). Применение ультразвука легло также в основу новой области акустики — акустоэлектроники,позволяющей на ее основе разрабатывать приборы для обра­ботки сигнальной информации в микрора­диоэлектронике.

Ультразвук применяют для воздейст­вия на различные процессы (кристаллиза­цию, диффузию, тепло- и массообмен в ме­таллургии и т. д.) и биологические объек­ты (повышение интенсивности процессов обмена и т.д.), для изучения физических свойств веществ (поглощения, структуры вещества и т.д.). Ультразвук использует­ся также для механической обработки очень твердых и очень хрупких тел, в ме­дицине (диагностика, ультразвуковая хи­рургия, микромассаж тканей) и т. д.

Контрольные вопросы

• Как объяснить распространение колебаний в упругой среде? Что такое вол

• Что называется поперечной волной? продольной? Когда они возникают?

• Что такое волновой фронт? волновая поверхность?

 

 

• Что называется длиной волны? Какова связь между длиной волны, скоростью и периодом?

• Какая волна является бегущей, гармонической, плоской, сферической? Каковы их уравнения?

• Что такое волновое число? фазовая и групповая скорости?

• В чем заключается физический смысл вектора Умова?

• При каких условиях возникает интерференция волн? Назовите условия интерференционных максимума и минимума.

• Две волны с одинаковым периодом распространяются в одном направлении. Разность хода равна четному числу полуволн. Что получится в результате интерференции?

• Две волны, распространяющиеся навстречу друг другу, отличаются только амплитудами. Образуют ли они стоячую волну?

• Чем стоячая волна отличается от бегущей?

• Чему равно расстояние между двумя соседними узлами стоячей волны? двумя соседними пучностями? соседними пучностью и узлом?

• Что такое звуковые волны? Звуковые волны в воздухе продольные или поперечные? Почему?

• Может ли звук распространяться в вакууме?

• От чего зависят громкость, высота и тембр звука?

• Что такое эффект Доплера? Чему будет равна частота колебаний, воспринимаемых покоящим­ся приемником, если источник колебаний от него удаляется?

• Какое влияние оказывает скорость ветра на эффект Доплера?

• Как определить частоту звука, воспринимаемую приемником, если источник звука и приемник движутся?

Задачи

19.1. Плоская гармоническая волна распространяется вдоль прямой, совпадающей с положитель­ным направлением оси х в среде, не поглощающей энергию, со скоростью v=12 м/с. Две точки, находящиеся на этой прямой на расстояниях х1=7 м и х2=12 м от источника колеба­ний, колеблются с разностью фаз Dj=5/6p. Амплитуда волны A = 6 см. Определить: 1) длину волны К; 2) уравнение волны; 3) смещение x2 второй точки в момент времени t=3 с. [1) 12 м; 2) x(х, t) =0,06cos(2pt-px/6); 3) 6 см]

19.2. Два динамика расположены на расстоянии 2 м друг от друга и воспроизводят один и тот же музыкальный тон на частоте 1000 Гц. Приемник находится на расстоянии 4 м от центра динамиков. Принимая скорость звука 340 м/с, определить, на какое расстояние от централь­ной линии параллельно динамикам надо отодвинуть приемник, чтобы он зафиксировал первый интерференционный минимум. [0,34 м]

19.3. Для определения скорости звука в воздухе методом акустического резонанса используется труба с поршнем и звуковой мембраной, закрывающей один из ее торцов. Расстояние между соседними положениями поршня, при котором наблюдается резонанс на частоте 1700 Гц, составляет 10 см. Определить скорость звука в воздухе. [340 м/с]

19.4. Средняя квадратичная скорость молекул двухатомного газа при некоторых условиях со­ставляет 461 м/с. Определить скорость распространения звука при тех же условиях. [315 м/с]

19.5. Поезд проходит со скоростью 54 км/ч мимо неподвижного приемника и подает звуковой сигнал. Приемник воспринимает скачок частоты Dn=54 Гц. Принимая скорость звука равной 340 м/с, определить частоту тона звукового сигнала гудка поезда. [611 Гц]

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!