Теория звука

Звук, в широком смысле – колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах. В узком смысле – явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит звук с частотой от 16 Гц до 20000 Гц. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звуки с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком, выше 20000 Гц – ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 109 до 1012-1013 Гц относят к гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена – в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли герц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами, характеризующими атомное и молекулярное строение среды: длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстоянии в жидкостях и в твёрдых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 109 Гц и выше, а в твёрдых телах – с частотой более 1012-1013 Гц.

Основные характеристики звука. Важной характеристикой звука является его спектр, получаемый в результате разложения звука на простые гармонические колебания (т. н. частотный звука анализ). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. Звук со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные звуки; основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих – тембр звука. В спектре звука речи имеются форманты – устойчивые группы частотных составляющих, соответствующие определённым фонетическим элементам. Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука – энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность звука зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны. Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1-5 кГц. В этой области порог слышимости, т. е. интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна 10-12вм/м2, а соответствующее звуковое давление – 10-5н/м2. Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом З. характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вм/м2. В ультразвуковой технике достигаются значительно большие интенсивности (до 104 квм/м2).

Источники звука – любые явления, вызывающие местное изменение давления или механическое напряжение. Широко распространены источники звука в виде колеблющихся твёрдых тел (например, диффузоры громкоговорителей и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов; в ультразвуковом диапазоне частот – пластинки и стержни из пьезоэлектрических материалов или магнитострикционных материалов). Источниками звука могут служить и колебания ограниченных объёмов самой среды (например, в органных трубах, духовых музыкальных инструментах, свистках и т.п.). Сложной колебательной системой является голосовой аппарат человека и животных. Возбуждение колебаний источников звука может производиться ударом или щипком (колокола, струны); в них может поддерживаться режим автоколебаний за счёт, например, потока воздуха (духовые инструменты). Обширный класс источников звука – электроакустические преобразователи, в которых механические колебания создаются путём преобразования колебаний электрического тока той же частоты. В природе звук возбуждается при обтекании твёрдых тел потоком воздуха за счёт образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром проводов, труб, гребней морских волн. Звуки низких и инфранизких частот возникает при взрывах, обвалах. Многообразны источники акустических шумов, к которым относятся применяемые в технике машины и механизмы, газовые и водяные струи. Исследованию источников промышленных, транспортных шумов и шумов аэродинамического происхождения уделяется большое внимание ввиду их вредного действия на человеческий организм и техническое оборудование.

Приёмники звука служат для восприятия звуковой энергии и преобразования её в др. формы. К приёмникам звука относится, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для приёма звука применяются главным образом электроакустические преобразователи: в воздухе – микрофоны, в воде – гидрофоны и в земной коре – геофоны. Наряду с такими преобразователями, воспроизводящими временную зависимость звукового сигнала, существуют приёмники, измеряющие усреднённые по времени характеристики звуковой волны, например диск Рэлея, радиометр.

Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. В газообразных и жидких средах распространяются продольные волны (направление колебательного движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость которых определяется сжимаемостью среды и её плотностью. Скорость звука в сухом воздухе при температуре 0°С составляет 330 м/сек, в пресной воде при 17°С – 1430 м/сек. В твёрдых телах, кроме продольных, могут распространяться поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным распространению волны, а также поверхностные волны (Рэлея волны). Для большинства металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/сек до 7000 м/сек, а поперечных – от 2000 м/сек до 3500 м/сек.

При распространении волн большой амплитуды фаза сжатия распространяется с большей скоростью, чем фаза разрежения, благодаря чему синусоидальная форма волны постепенно искажается и звуковая волна превращается в ударную волну. В ряде случаев наблюдается дисперсия звука, т. е. зависимость скорости распространения от частоты. Дисперсия звука приводит к изменению формы сложных акустических сигналов, включающих ряд гармонических составляющих, в частности – к искажению звуковых импульсов. При распространении звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции и дифракции. В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде велик по сравнению с длиной волны, распространение звука подчиняется обычным законам отражения и преломления волн и может рассматриваться с позиций геометрической акустики.

При распространении звуковой волны в заданном направлении происходит постепенное её затухание, т. е. уменьшение интенсивности и амплитуды. Знание законов затухания практически важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала. Затухание обусловливается рядом факторов, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от характеристик самого звука (и в первую очередь, его частоты) и от свойств среды. Все эти факторы можно подразделить на две большие группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового распространения в среде. Так, при распространении в неограниченной среде звука от источника конечных размеров интенсивность его убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению её в первоначальном направлении, например рассеяние звука на пузырьках в воде, на взволнованной поверхности моря, в турбулентной атмосфере, рассеяние высокочастотного ультразвука в поликристаллических металлах, на дислокациях в кристаллах. На распространение звука в атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т. е. рефракцию звука, которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру звук слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости звука с глубиной в океане объясняет наличие т. н. подводного звукового канала, в котором наблюдается сверхдальнее распространение звука, например звук взрыва распространяется в таком канале на расстояние более 5000 км.

Вторая группа факторов, определяющих затухание звука, связана с физическими процессами в веществе – необратимым переходом звуковой энергии в др. формы (главным образом в тепло). Т. е. с поглощением звука, обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды, а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов (молекулярное или релаксационное поглощение). Поглощение звука заметно возрастает с частотой. Поэтому высокочастотный ультразвук и гиперзвук распространяются, как правило, лишь на очень малые расстояния, часто всего на несколько см. В атмосфере, в водной среде и в земной коре дальше всего распространяются инфразвуковые волны, отличающиеся малым поглощением и слабо рассеиваемые. На высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах в твёрдом теле возникает дополнительное поглощение, обусловленное взаимодействием волны с тепловыми колебаниями кристаллической решётки, с электронами и со световыми волнами. Это взаимодействие при определённых условиях может вызвать и “отрицательное поглощение”, т. е. усиление звуковой волны.

Значение звуковых волн, а следовательно, и их изучение, которым занимается акустика, чрезвычайно велико. С давних пор звук служит средством связи и сигнализации. Изучение всех его характеристик позволяет разработать более совершенные системы передачи информации, повысить дальность систем сигнализации, создать более совершенные музыкальные инструменты. Звуковые волны являются практически единственным видом сигналов, распространяющихся в водной среде, где они служат для целей подводной связи, навигации, локации. Низкочастотный звук является инструментом исследования земной коры. Практическое применение ультразвука создало целую отрасль современной техники – ультразвуковую технику. Ультразвук используется как для контрольно-измерительных целей (в частности, в дефектоскопии), так и для активного воздействия на вещество (ультразвуковая очистка, механическая обработка, сварка и т.п.). Высокочастотные звуковые волны и особенно гиперзвук служат важнейшим средством исследований в физике твёрдого тела.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *