Реферат: Звуковые волны
Содержание
Введение
Глава 1. Природа звука и ультразвуковой волны
Глава 2. Основные характеристики звуковыхволн
2.1. Скорость звука
2.2. Распространение звуковых волн
2.3. Интенсивность звука
2.4. Объективные характеристикизвука
2.5. Субъективные характеристикизвука
Глава 3. Эффект Доплера
Глава 4. Ультразвук
Глава 5. Инфразвук
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Мы живем в мире информации,и главная ее часть проходит через глаза и слух человека. Согласно исследованиямфизиологов визуальная информация занимает первое место, но и слуховая не менее важна.
Мы живем в мире звуков, этои музыка и шумы разной природы, и речь, и музыка. Поэтому надо знать природу звука,уравнения и законы, которые описывают его распространения и поглощения в различныхсредах. Это необходимо знать людям различных профессий: музыкантам и строителям,звукорежиссерам и архитекторам, биологам и геологам, сейсмологам, военным. Все ониимеют дело с различными сторонами практического распространения звука в разных средах.Распространение звука в помещениях, „ звучание ” помещений важно для строителей,музыкантов. За звуковыми сигналами сейчас исследуют пути миграций перелетных птицбиологи, находят косяки рыб в океане рыбаки. Геологи с помощью ультразвука исследуютземную кору в поисках новых месторождений полезных ископаемых. Сейсмологи, изучаяраспространение звуков в земле, учатся предсказывать землетрясения и цунами. Длявоенных большое значение имеет профиль корпусов военных кораблей и подводных лодок,ведь это влияет на скорость движения корабля и на издаваемый им шум, который дляподводных лодок должен быть минимальным, всем этим и обусловлена актуальность моейработы. Развитие физики и математики сделало возможным рассчитать все это. Поэтомузвуковые явления были выделены в отдельную науку, которая получила название акустики.
Целью моей работы являетсярассмотрение основных законов и правил распространения звука в различных средах,виды звуковых колебаний и их применение в науке и технике.
Глава 1.Природа звука, уравнение звуковой волны
Сначала рассмотрим природузвуковых колебаний. Как известно из физики источником любых колебаний: звуковых,электромагнитных есть волна.
Упругие волны, которыераспространяются в сплошных средах, называют звуковыми. К звуковым волнампринадлежат волны, частоты которых лежит в пределах восприятия органами слуха.Человек воспринимает звуки тогда, когда на его органы слуха действуют волны с частотами от 16 до 20 000 Гц. Упругиеволны, частота которых меньше 16 Гц, называют инфразвуковыми, а волны, частота которыхлежит в интервале от 2 × 104 до 1 × 109 Гц – ультразвуковыми.
Раздел физики,в котором изучаются звуковые волны (их возбуждение, распространение, восприятиеи взаимодействие их с препятствиями и веществом среды ) называют акустикой.
Любой колебательныйпроцесс описывается уравнением. Выведено оно и для звуковых колебаний:
/>.
Развитиетехники позволило проводить и визуальное наблюдение звука. Для этого используютспециальные датчики и микрофоны и наблюдают звуковые колебания на экране осциллографа.
Глава 2.Основные характеристики звуковых волн.
2.1. Скорость звука.
К основным характеристикамзвуковых волн относят скорость звука, его интенсивность – это объективные характеристикизвуковых волн, высоту тона, громкость относят к субъективным характеристикам. Субъективныехарактеристики зависят в большой мере от восприятия звука конкретным человеком,а не от физических характеристик звука.
Измерениескорости звука в твердых телах, жидкостях и газах указывают на то, что скоростьне зависит от частоты колебаний или длины звуковой волны, т.е. для звуковыхволн не характерна дисперсия. В твердых телах могут распространяться продольныеи поперечные волны, скорость распространения которых находят с помощью формул:
/>, />,
где Е –модуль Юнга, G – модуль сдвига в твердых телах. В твердыхтелах скорость распространения продольных волн почти в два раза больше чем скоростьраспространения поперечных волн.
В жидкостяхи газах могут распространяться лишь продольные волны. Скорость звука в воде находятза формулой:
/>,
где K- модуль объемного сжатия вещества.
В жидкостяхпри возрастании температуры скорость звука возрастает, что связано с уменьшениемкоэффициента объемного сжатия жидкости.
Для газоввыведена формула, которая связывает их давлениес плотностью:
/> ( 1.1 ),
впервые этуформулу для нахождения скорости звука в газах использовал И. Ньютон. Из формулы( 1.1) видно, что скорость распространения звука в газах не зависит от температуры,она также не зависит от давления, поскольку при возрастании давления возрастаети плотность газа. Формуле ( 1.1 ) можно придать и более рациональный вид: на основеуравнения Менделеева – Клапейрона
/>,
тогда скоростьзвука будет равна:
/>( 1.2 ).
Формула ( 1.2 ) носитназвание формулы Ньютона. Рассчитанная с ее помощью скорость звука в воздухе составляетпри 273К 280 м/с. Реальная же экспериментальная скорость составляет 330 м/с. Этотрезультат значительно отличается от теоретического и причину этого установил Лаплас.Он показал, что распространение звука в воздухе происходит адиабатно. Звуковые волныв газах распространяются так быстро, что, что созданные локальные изменения объемаи давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой.Лаплас вывел уравнение для нахождения скорости звука в газах:
/> ( 1.3 )
.Формула( 1.3 ) получила название формулы Лапласа.
2.2.Распространениезвуковых волн.
В процессе распространениязвуковых волн в среде происходит их затухание. Амплитуда колебаний частиц средыпостепенно уменьшается при возрастании расстояния от источника звука. Одной из основныхпричин затухания волн есть действие сил внутреннего трения на частицы среды. Напреодоление этих сил непрерывно используется механическая энергия колебательногодвижения, что переносится волной. Эта энергия превращается в энергию хаотическоготеплового движения молекул и атомов среды. Поскольку энергия волны пропорциональнаквадрату амплитуды колебаний, то прираспространении волн от источника звука вместес уменьшением запаса энергии колебательного движения уменьшается и амплитуда колебаний.
На распространениезвуков в атмосфере влияет много факторов: температура на разных высотам, потокивоздуха. Эхо – это отраженный от поверхности звук. Звуковые волны могут отражатьсяот твердых поверхностей, от слоев воздуха в которых температура отличается от температурысоседних слоев.
2.3. Интенсивность звука
Для сравненияинтенсивности L звука или звукового давления используютуровень интенсивности. Уровнем интенсивности называют умноженный на 10 логарифмотношений двух интенсивностей звука. ВеличинаL измеряется в децибелах./>Для указания абсолютного уровня интенсивностивводят стандартный порог слышимости І0 человеческого ухана частоте 1000 Гц, по отношению к которому указывается интенсивность. Порог слышимостиравен: />В таблице1 представлены интенсивности различных природных и техногенных звуков и их интенсивности.
Таблица1.
Звук L, Дб Звук L, Дб Порог слышимости Уличный шум 70 Тиканье часов 10 Крик 80 Шепот 20 Пневматическое сверло 90 Тихая улица 30 Кузнечный цех 100 Приглушенный разговор 40 Клепальный молот 110 Разговор 50 Самолетный двигатель 120 Пишущая машинка 60 Болевой порог 1302.4. Объективныехарактеристики звука.
Любоетело, которое находится в упругой среде и колеблеться со звуковой частотой, является источником звука. Источниказвука можно поделить на две группы: источники, которые работают на собственнойчастоте, и источники, которые работают на вынужденных частотах. К первой группепринадлежат источники, звуки в которых создаются колебаниями струн, камертонов,воздушных столбов в трубах. Ко второй группе источников звука принадлежаттелефоны. Способность тел излучать звук зависит от размера их поверхности. Чембольшая площадь поверхности тела, тем лучше оно излучает звук. Так, натянутая междудвумя точками струна или камертон создают звук довольно малой интенсивности.Для усиления интенсивности звука струн и камертонов их объединяют срезонаторными ящиками, которым присущий ряд резонансных частот. Звучаниеструнных и духовых музыкальных инструментов основано на образовании стоящихволн в струнах и воздушных столбах.
Интенсивностьзвука, который создается источником, зависит не только от его характеристик, аи от помещения, в котором находится этот источник. После прекращения действияисточника звука рассеянный звук не исчезает внезапно. Это объясняетсяотбиванием звуковых волн от стен помещения. Время, на протяжении которого послепрекращения действия источника звук полностью исчезает, называют временамиреверберации. Условно считают, что время реверберации равняется промежуткувремени, на протяжении которого интенсивность звука уменьшится в миллион раз.
Времяреверберации – это важная характеристика акустических свойств концертных залов,кинозалов, аудиторий и др. При большом времени реверберации музыка звучатдовольно громко, но невыразительно. При малом времени реверберации музыказвучат слабо и глухо. Поэтому в каждом конкретном случае добиваются наиболееоптимальных акустических характеристик помещений.
2.5. Субъективныехарактеристики звука.
Человек ощущает звуки, которыележат в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Чувствительность органов слуха человека до разных частот неодинаковая.Для того, чтобы человек реагировал на звук, необходимо, чтобы его интенсивностьбыла не меньше минимальной величины, которая носит название порога слышимости. Порогслышимости для разных частот неодинаковый. Людское ухо имеет наибольшую чувствительностьк колебаниям частотой от 1 до 3 кГц. Порог слышимости для этих частот составляетоколо /> Дж/м2с.При значительном возрастании интенсивности звука ухо перестает воспринимать колебаниякак звук. Такие колебания вызывают ощущение боли. Наибольшую интенсивность звука,при которой человек воспринимает колебания как звук, называют порогом болевого ощущения.Порог болевых ощущений при указанных частотах отвечает интенсивности звука 1Дж/м2с.
Звук как физическое явлениехарактеризируют частотой, интенсивностью или звуковым давлением, набором частот.Это объективные характеристики звука. Органы слуха человека воспринимают звукзагромкостью, высотой тона, тембром. Эти характеристики имеют субъективный характер.
Диаграмма на которой представленыобласти частот и интенсивности, воспринимаемые человеческим ухом, называют диаграммойслуха.
Физическому понятию интенсивностизвука отвечает громкость звука. Субъективную громкость звука нельзя точно количественноизмерить.
Высота звука определяетсяего частотой, чем больше частота, тем большим будет высота звука. Органы слуха человекадовольно точно ощущают изменение частоты. В области частот 2 кГц может восприниматьдва тона, частота которых отличается на 3 – 6 Гц.
Тембр звука определяется егоспектральных составом. Тембр – это оттенок сложного звука, которым отличаются двазвука одинаковой силы и высоты.
Глава3. Эффект Доплерадля звука
Скоростьраспространения звуковых волн в среде не зависит от движения источника иприемника звука. Опыт показывает, что когда источник и приемник звука,неподвижны относительно среды, в которой распространяются звуковые волны, точастота звука, которую генерирует источник, равняется частоте, которуюрегистрирует приемник. Совсем другая картина, когда источник звука и приемникнаходятся в движении относительно среды в которой распространяется звук. Приэтом частота звука, которую регистрирует приемник, отличается от частоты звука,которую генерирует источник. Изменение частоты звука, который воспринимаетсяпри относительном движении источника и приемника звука, называется эффектом илиявлением Доплера. Примером эффекта Доплера будет изменение частоты гудка тепловозаво время движения и в состоянии покоя.
Рассмотримсначала случай, когда источник звука неподвижен относительно среды, в которой распространяютсязвуковые волны. Если частота колебаний звука υ0 и скорость егораспространения в среде V, то длина звуковой волны
/> .
Придвижении приемника со скоростью /> к источнику вдоль линии, котораяих соединяет, скорость распространения звука относительно приемника будетравняться V +/>. Поскольку длина звуковой волныпри этом не изменяется, то за единицу времени к подвижному приемнику придетбольшее количество волн, чем к недвижимому. Частота колебаний, которуюрегистрирует подвижный приемник, будет равна:
/>.
Отсюдавытекает, что приемник, который двигается к источнику звука, регистрируетбольшую частоту, чем частота колебаний источника звука. Если приемник звукаотдаляется от покоящегося источника звука со скоростью />, то скорость звуковых волнотносительно приемника будет V — />. Приемник звука будетрегистрировать при этом меньшую частоту, чемта, которую генерирует источникзвука, а именно:
/>
Если источник и приемник звука будут двигаться одновременно, тодлинна волны и скорость их распространения относительно приемника звука будут меняться.При этом частота, которую регистрирует приемник будет:
/> ( 5.1 ).
Знак плюс в числителе выражения отвечает случаю, когдаприемник приближается к источнику звука, знак минус – когдаотдаляется. Взнаменателе знаки стоят наоборот, т.е. знак минус указывает на приближениеисточника к приемнику звука, а знак плюс – на отдаление его от источника звука.
Еслиприемник или источник звука двигаются не вдоль прямой, которая соединяет их, тоэффект Доплера определяется проекциями скоростей движения на направление этойпрямой. Заметим, что все скорости, которые входят в формулу ( 5.1 ), определяются относительно тойсреды, в которой распространяется звук. Эффект Доплера наблюдается и дляэлектромагнитных волн.
Глава 4. Ультразвук
Как ужеотмечалось, упругие волны, частоты которых лежат в интервале от 2×104 до109 Гц, называют ультразвуком. Весь диапазон частот ультра звуковых волн условно разделяют на три поддиапазона: ультразвуковые волны низких (2 ×104-105 Гц), средних (105 — 107 Гц) и высоких частот (107 -109 Гц).
Зафизической природой ультразвуковые волны такие, как и звуковые волны любойдлинны. Тем не менее, вследствие более высоких частот ультразвук имеет ряд специфическихособенностей при его распространении. В связи с тем, что длины ультразвуковыхволн довольно малые, характер их распространения определяется в первую очередьмолекулярными свойствами вещества. Характерная особенность распространенияультразвука в многоатомных газах и в жидкостях — это существование интерваловдлин волн, в пределах которых проявляется зависимость фазовой скоростираспространения волн от их частоты, т.е. имеет место дисперсия звука. В этихинтервалах длинны волн также происходит значительное поглощение ультразвука.Поэтому при распространении его в воздухе происходит более значительное егозатухание, чем звуковых волн. В жидкостях и твердых телах (особенномонокристалах) затухание ультразвука значительно меньше. Поэтому областьприменения ультразвука средних и высоких частот лежит в основном в жидких итвердых средах, а в воздухе и в газах применяют только ультразвук низкихчастот.
Еще однаособенность ультразвука – это возможность получения большой интенсивности дажепри сравнительно небольших амплитудах колебаний, поскольку при определеннойамплитуде плотность потока энергии пропорциональная квадрату частоты.
До важныхявлений, которые возникают в жидкостях при прохождении ультразвука, принадлежиткавитация. Это получение кратковременных импульсов давления при схлопывании пузырьковвоздуха.
Для полученияультра звуковых волн используют механические и электромеханические приборы. К механическимможно отнести воздушные и жидкостные сирены и свистки. Многие вещества могут генерироватьультразвук при помещении их в высокочастотное электрическое поле, к таким веществамотносят кварц, сегнетовую соль, титанат бария.
Ультразвукиспользуют во многих областях знаний, науке и технике.Его используют для изучениясвойств и строения вещества. С его помощью получают информацию о строении морскогодна, его глубине, находят косяки рыб в океане. Ультра звуковые волны могут проникатьчерез металлические изделия толщиной около 10 метров. Это их свойство положено воснову принципа работы ультра звукового дефектоскопа, который помогает находитьдефекты и трещиныв твердых телах. В медицине это свойство ультразвука положено воснову работы приборов ультразвуковой диагностики, которые позволяют визуализироватьвнутренние органы, диагностировать болезни на ранних стадиях.
Действиеультразвуковых колебаний непосредственно на расплавы дает возможность получитьболее однородную структуру металлов. Ультразвуковая кавитация применяется дляочищения от грязи поверхностей деталей (часовое производство, приборостроение,электронная техника и др.). На основе кавитации осуществляется металлизация тели пайка, дегазация жидкостей. Кавитационные ударные волны могут диспергировать твердыетела и жидкости, образовывая эмульсии и суспензии.
Глава 5. Инфразвук
Инфразвуки – это упругие колебания, аналогичные звуковым колебанием, но с частотами ниже20 Гц. Инфразвуки на первый взгляд занимают небольшой диапазон частот от 20 до0 Гц. На самом деле этот участок чрезвычайно большой, поскольку «к нулю»означает практически бесконечный диапазон колебаний. Этот диапазон менее изученсравнительно со звуковым и ультразвуковым диапазонами.
Инфразвуковыеволны возникают вследствие обдувания ветром зданий, деревьев, телеграфныхстолбов, металлических ферм; во время движения человека, животные, транспорта;при работе разных механизмов; при грозовых разрядах, взрывах бомб, выстрелахпушек. В земной коре наблюдаются колебание и вибрации инфразвуковых частотвследствие обвалов, движения разных видов транспорта, вулканических изверженийи т.п. Другими словами, мы живем в мире инфразвуков, не подозревая об этом.Такие звуки человек скорее ощущает, чем чует. Зарегистрировать инфразвуки можнотолько особыми приборами. Характерной особенностью инфразвука естьнезначительное его поглощения в разных средах. Вследствие этого инфразвуковыеволны в воздухе, воде и земной коре могут распространяться на довольно большиерасстояния (десятки тысяч километров). В связи с этим инфразвук образноназывают «акустическим нейтрино». Так, инфразвуковые волны (частота колебаний0,1 Гц), что образовались при извержении вулкана Кракатау (Индонезия) в 1883г., несколько раз обошли вокруг земного шара. Они вызвали такие флюктуациидавления, которые можно было зарегистрировать обычными барометрами.
Некоторыеинфразвуки человек воспринимает, но не органами слуха, а организмом в целом. Делов том, что некоторые внутренние органы человека имеют собственную резонанснуючастоту колебаний 6 – 8 Гц. При действии инфразвука этой частоты возможноевозникновение резонанса колебаний этих органов, который вызывает неприятныеощущения.
Исследованиямиученых разные страны установлены, что инфразвук любых частот и интенсивностипредставляетсобой реальную угрозу для здоровья человека. Полученные результаты даютвозможность сделать вывод, что инфразвук приводит к потере чувствительностиорганов равновесия тела, которое в свою очередь приводит к появлению боли вушах, позвоночнике и повреждений мозга. Еще более пагубно влияет инфразвук напсихику человека.
Свойствоультразвуковых колебаний распространяться на большие расстояния в земной корележит в основе сейсмологии – науки, которая изучает землетрясения и исследуетвнутреннее строение Земли. Кроме океанологии и сейсмологии, инфразвук применяютв работе некоторых приборов и механизмов для разных практических целей. Спомощью таких приборов стараются предусмотреть землетрясения, приближениецунами.
Заключение
Человек живет в океане звука,он обменивается информацией с помощью звука, воспринимает ее от окружающих его людей.Поэтому знать основные характеристики звука, его подвиды и их использование простонеобходимо. Использование звуковых и ультра звуковых волн находит все большее применениев жизни человека. Их используют в медицине и технике, на их использовании основанымногие приборы, особенно для исследования морей и океанов. Где из – за сильногопоглощения радиоволн звуковые и ультра звуковые колебания есть единственным способпередачи информации.
Как было сказано выше человекживет в океане звука и нам также не нужно забывать и о чистоте этого океана. Сильныешумы опасны для здоровья человека и могут привести к сильным головным болям, расстройствукоординации движения. Поэтому нужно с уважением относится к столь сложному и интересномуявлению, каким есть звук.
Список использованнойлитературы.
1. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика.– К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.
2. Исакович М. А.Общая акустика. – М.: Наука, 1973. – 495 с.
3. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики.В 3 т. – М.: Наука, 1995. – 343 с.
4. Клюкин И. И. Удивительный мир звука.– Л.: Судостроение, 1978. – 166 с.
5. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер.с нем. – М.: Мир, 1983. – 520 с.
6. Лепендин Л. Ф. Акустика. – М.: Высшаяшкола, 1978. – 448 с.
7. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочникпо физике. – М.: Наука, 1982. – 846 с.
8. Шебалин О. Д. Физические основы механикии акустики. – М.: Высшая школа, 1981. – 263 с.