Звуковые волны

Звуковая волна

Звуковые волны – это механические колебания, перемещающиеся в упругих средах. Таковыми становятся газы, жидкости и твёрдые тела. Среда передачи звука имеет важное значение, в её отсутствие ничего услышать невозможно.

Принцип распространения звуков

Распространение звуковых волн осуществляется с использованием таких элементов:

  • Источник (голос человека, струны, динамики, движение воздуха);
  • Упругая среда (газ, жидкость или твёрдые предметы);
  • Приёмник (ухо, микрофон).

Звуковые волны не распространяются без упругой среды. Доказательством этого становится простой эксперимент. Под колокол воздушного насоса помещается акустический динамик, проигрывающий музыку. В начале звук будет слышен хорошо, но по мере откачивания воздуха он становится тише. Когда воздух будет полностью откачен из-под колокола, никаких звуков слышно.

Звук

О хорошей проводимости звука в твёрдых телах можно также убедиться при помощи эксперимента. Надо взять деревянную линейку, на один конец положить наручные часы, а другой поднести к уху. Тиканье часов станет превосходно слышно, хотя до них довольно большое расстояние. Когда в качестве среды выступает воздух, человек не сможет услышать тиканье часов на таком же расстоянии.

Человеческий слух умеет улавливать звуковые волны с частотой от 16 до 20 000 колебаний в секунду (Гц). Люди не могут слышать инфразвук (0,1 – 16 Гц), ультразвук (20 000 Гц — 109 ГГц) и гиперзвук (109 ГГц — 1013 ГГц). Не слышимые человеком звуки находят широкое применение во множестве областей человеческой деятельности.

Физические характеристики

Изучением звуковых волн занимается раздел физики, который называется акустика. Она выделяется физические и физиологические свойства звука. К физическим свойствам относятся характеристики источника звука, их можно назвать объективными параметрами. Важной характеристикой является форма звуковых колебаний. Самой простой формой обладают гармонические колебания, их можно изобразить в виде синусоиды. Колебания имеют следующие характеристики – амплитуда, длина волны и частота.

Частота звука является физической величиной, которая равна отношению количества колебаний ко времени, когда они были зафиксированы. Этот показатель позволяет увидеть, какое количество колебания произошло за ту или иную единицу времени.

Длиной волны называют расстояние между двумя точками, в которых колебание принимает одинаковое значение. Измерение волны осуществляется в метрах. Амплитуда представляет собой половину разницы между наиболее высоким и низким значением плотности. Этот показатель легко найти на графике, он будет представлять расстояние от горизонтальной оси графика до самой отдалённой от неё точки.

Ещё одной характеристикой звуковых волн становится период звуковых колебаний. Он показывает отношение времени полных колебаний к их числу, в результате можно узнать, сколько времени потребуется для совершения одного колебания.

Звуковые волны

Скорость распространения звука показывает, какое расстояние преодолевает звуковая волна в той или иной среде за определённую единицу времени. Ниже всего скорость звука в газе, наибольший показатель у водорода (1 284 м/с), наименьший – у хлора (206 м/с). В воздухе звук распространяется со скоростью 331 м/с. В жидкости звук распространяется чуть быстрее, в воде со скоростью 1 403 м/с, в ртути – 1 383 м/с. Наибольших показателей скорость звука достигает в твёрдых телах, для алмаза этот показатель равен 12 000 м/с.

Важное значение для человека имеет интенсивность звука. Она демонстрирует, какое количество энергии перенесено звуковой волной через определённую площадь за определённый временной промежуток. Самый маленький уровень интенсивности, различаемой человеческим ухом, составляет 1 децибел (дБ).

Нормой для человеческого слуха в спокойных условиях является уровень громкости, составляющий 20 дБ. При интенсивности 50 децибел у человека начинаются головные боли, при 60 и выше повышается утомляемость. Человек с большой долей вероятности может встретиться со следующими источниками шумового давления:

  • 10 дБ – шелест листвы, тиканье часов;
  • 30 дБ – тихий разговор;
  • 50 дБ – громкий разговор;
  • 80 дБ – работающий мотор крупного грузового автомобиля;
  • 100 дБ – автомобильная сирена (на этом уровне начинается шумовая болезнь);
  • 140 дБ – аварийный газовый фонтан.

Уровень шума 140 дБ представляет собой болевой порог, после которого происходит разрыв барабанной перепонки. Громкость 170 дБ приводит к глухоте, 180 дБ – к смерти.

Физиологические характеристики

Физиологические характеристики представляют собой субъективные показатели, они описывают приёмник звука. Одной из таких характеристик является громкость звука, она показывает ощущение силы звука, которое возникает у слушателя. Она зависит от амплитуды колебаний, громкость повышается по мере её увеличения. На громкость оказывают влияние условия распространения звука и продолжительность времени, когда слушатель находится под его воздействием.

Громкость становится абсолютной величиной, её единицей измерения становится 1 сон. 1 сон составляет громкость чистого тона частотой 1 кГц, создающее звуковое давление 2 мПа. Уровень громкости является относительной величиной. Его единицей измерения становится 1 фон, он представляет собой уровень давления, которое создаётся тоном частотой 1 кГц громкости, как замеряемый звук. На частоте 1000 Гц громкость (в фонах) соответствует уровню интенсивности (в дБ).

Ещё одной субъективной характеристикой является частота звука. На неё влияет частота основного тона, также влияние оказывают интенсивность и сложность волны. Ухо человека воспринимает частоту, если основной тон характеризуется определённой периодичностью. Примером звука, у которого невозможно оценить высоту, является выстрел. Единицей измерения является мел, он соответствует ощущениям при частоте 1000 Гц и уровне шума 40 дБ.

Особым параметром музыкального звука является тембр, представляющий собой обертоновую окраску звука. На тембр звука влияет наличие в нём частичных тонов, то есть обертонов. В нём может отсутствовать основной тон, то есть звук определённой высоты. Важной характеристикой является длительность звука. Обычно она составляет от 0,015 секунд до нескольких минут. Наиболее длительным звуком характеризуется органная педаль.

Особенности работы слухового аппарата

Ухо человека улавливает упругие волны, которые создаются в результате колебаний источника звука. Восприятие звука слуховым аппаратом осуществляется в несколько этапов. Сначала звуковая волна касается наружного уха, где действует на барабанную перепонку. В результате барабанная перепонка вырабатывает колебания той же частоты, что были у источника звука.

Звуковая волна

Следующим шагом становится передача колебаний с барабанной перепонки на слуховые косточки среднего уха, после этого колебания поступают во внутреннее ухо. Там присутствует специальная улитка, на ней находятся волосковые клетки. Они необходимы для преобразования механических колебаний в нервные импульсы. На этом этапе колебания превращаются в нечто понятное для головного мозга.

Передача сформированных улиткой электрических нервных импульсов в головной мозг осуществляется при помощи слухового нерва. В головном мозге происходит обработка поступающего сигнала – распознавание, сравнивание, интерпретация. В этот момент человек начинает осознавать получение слуховой информации.

Применение звуковых волн

Звуковые волны характеризуются широкое применение. Чаще всего в обыденной жизни люди встречаются с вещами, которые используют слышимый диапазон (от 16 до 20 000 Гц). К таким изобретениям относятся гитары, пианино, скрипка и другие инструменты, громкоговорители, различные средства связи, развлекательные системы. Сюда можно отнести любое оборудование, использующее способность людей слышать.

Звуковые волны

Типичным примером инфразвука (0,1 – 16 Гц) является вибрация. В природе она возникает в результате бурь, лавин, извержений вулканов и других опасных явлений. Люди научились использовать во благо её разрушительную силу, она применяется для разрушения различных объектов, дробления почвы и руды. Установки для выполнения этих задач способны оказывать негативное влияние на человека, работающего за ними, поэтому при работе используются определённые меры предосторожности.

Ультразвук (20 000 Гц — 109 ГГц) широко применяется в медицине для выполнения диагностических и лечебных процедур. Ультразвук используется в приборах, которые определяют глубину. С помощью него можно обеззаразить и очистить детали и ювелирные украшения. С помощью ультразвука выполняется гомогенизация молока и другие процедуры по измельчению твёрдых веществ в жидкостях. Ультразвук помогает обнаружить дефекты швов сварки в различных отраслях промышленности (автомобилестроение, авиастроение).

Гиперзвук (109 ГГц — 1013 ГГц) используется в меньшем количестве областей, но всё же обладает большой востребованностью. С помощью него исследуется состояние вещества, часто это касается твердых тел. Гиперзвук позволяет создавать линии задержки в микроволновом излучении. Гиперзвук применяется для создания устройств акустоэлектроники.

Звуковые волны играют важную роль в жизни. Люди научились применять их для решения массы практических задач, используя те или иные свойства и характеристики звука.

Комментарии читателей:
  • Комментариев пока нет. Ваш комментарий сможет стать первым.
Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Звуковые волны
Наверх