Czy fale dźwiękowe. Dlaczego pojawia się fala dźwiękowa? Dźwiękowe sondowanie głębin

Dźwięk to fale dźwiękowe, które powodują wibracje drobnych cząstek powietrza, innych gazów oraz mediów ciekłych i stałych. Dźwięk może powstać tylko tam, gdzie znajduje się substancja, niezależnie od tego, w jakim stanie jest skupiona. W warunkach próżni, gdzie nie ma ośrodka, dźwięk nie rozchodzi się, ponieważ nie ma cząstek, które pełnią rolę dystrybutorów fal dźwiękowych. Na przykład w kosmosie. Dźwięk można modyfikować, zmieniać, zamieniać w inne formy energii. Dzięki temu dźwięk zamieniony na fale radiowe lub energię elektryczną może być przesyłany na duże odległości i rejestrowany na nośnikach informacji.

Fala dźwiękowa

Ruchy obiektów i ciał prawie zawsze powodują wahania w środowisku. Nie ma znaczenia, czy to woda, czy powietrze. Podczas tego procesu cząsteczki ośrodka, na który przenoszone są drgania ciała, również zaczynają wibrować. Powstają fale dźwiękowe. Ponadto ruchy wykonywane są w kierunku do przodu i do tyłu, stopniowo zastępując się nawzajem. Dlatego fala dźwiękowa jest podłużna. Nigdy nie ma w nim żadnego ruchu bocznego w górę i w dół.

Charakterystyka fal dźwiękowych

Jak każde zjawisko fizyczne, mają one swoje własne wielkości, za pomocą których można opisać właściwości. Głównymi cechami fali dźwiękowej są jej częstotliwość i amplituda. Pierwsza wartość pokazuje, ile fal powstaje na sekundę. Drugi określa siłę fali. Dźwięki o niskiej częstotliwości mają niskie wartości częstotliwości i odwrotnie. Częstotliwość dźwięku mierzona jest w hercach, a jeśli przekracza 20 000 Hz, pojawia się ultradźwięk. Istnieje wiele przykładów dźwięków o niskiej i wysokiej częstotliwości w przyrodzie i otaczającym nas świecie. Świergot słowika, grzmot piorunów, ryk górskiej rzeki i inne to różne częstotliwości dźwięku. Amplituda fali zależy bezpośrednio od głośności dźwięku. Głośność z kolei maleje wraz z odległością od źródła dźwięku. Odpowiednio, im dalej fala jest od epicentrum, tym mniejsza jest amplituda. Innymi słowy, amplituda fali dźwiękowej maleje wraz z odległością od źródła dźwięku.

Prędkość dźwięku

Ten wskaźnik fali dźwiękowej zależy bezpośrednio od charakteru ośrodka, w którym się ona rozchodzi. Dużą rolę odgrywa tutaj zarówno wilgotność, jak i temperatura powietrza. W przeciętnych warunkach pogodowych prędkość dźwięku wynosi około 340 metrów na sekundę. W fizyce istnieje coś takiego jak prędkość naddźwiękowa, która jest zawsze większa od prędkości dźwięku. Jest to prędkość, z jaką rozchodzą się fale dźwiękowe podczas ruchu samolotu. Samolot porusza się z prędkością ponaddźwiękową, a nawet wyprzedza wytwarzane przez siebie fale dźwiękowe. Ze względu na stopniowo rosnące ciśnienie za samolotem powstaje fala uderzeniowa dźwięku. Jednostka miary tej prędkości jest interesująca i niewiele osób ją zna. Nazywa się Mach. 1 Mach jest równy prędkości dźwięku. Jeśli fala przemieszcza się z prędkością Mach 2, to porusza się dwa razy szybciej niż prędkość dźwięku.

Hałasy

W życiu codziennym człowieka występuje ciągły hałas. Poziom hałasu mierzony jest w decybelach. Ruch samochodów, wiatr, szelest liści, przeplatanie się ludzkich głosów i inne dźwięki to nasi codzienni towarzysze. Ale ludzki analizator słuchowy ma zdolność przyzwyczajenia się do takiego hałasu. Istnieją jednak także zjawiska, z którymi nawet zdolności adaptacyjne ludzkiego ucha nie są w stanie sobie poradzić. Na przykład hałas przekraczający 120 dB może powodować ból. Najgłośniejszym zwierzęciem jest płetwal błękitny. Kiedy wydaje dźwięki, można go usłyszeć w promieniu ponad 800 kilometrów.

Echo

Jak powstaje echo? Tutaj wszystko jest bardzo proste. Fala dźwiękowa ma zdolność odbijania się od różnych powierzchni: od wody, od skały, od ścian w pustym pomieszczeniu. Fala ta wraca do nas, więc słyszymy dźwięk wtórny. Nie jest tak wyraźny jak oryginał, ponieważ część energii fali dźwiękowej jest rozpraszana w miarę jej przemieszczania się w stronę przeszkody.

Echolokacja

Odbicia dźwięku wykorzystywane są do różnych celów praktycznych. Na przykład echolokacja. Polega ona na tym, że za pomocą fal ultradźwiękowych można określić odległość do obiektu, od którego odbijają się te fale. Obliczeń dokonuje się na podstawie pomiaru czasu potrzebnego ultradźwiękom na dotarcie do określonego miejsca i powrót. Wiele zwierząt ma zdolność echolokacji. Na przykład nietoperze i delfiny wykorzystują go do poszukiwania pożywienia. Echolokacja znalazła kolejne zastosowanie w medycynie. Podczas badań ultrasonograficznych powstaje obraz narządów wewnętrznych człowieka. Podstawą tej metody jest to, że ultradźwięki, wchodząc do ośrodka innego niż powietrze, wracają, tworząc w ten sposób obraz.

Fale dźwiękowe w muzyce

Dlaczego instrumenty muzyczne wydają określone dźwięki? Brzdąkanie na gitarze, brzdąkanie na pianinie, niskie tony bębnów i trąbek, czarujący, cienki głos fletu. Wszystkie te i wiele innych dźwięków powstają w wyniku wibracji powietrza lub, innymi słowy, w wyniku pojawienia się fal dźwiękowych. Ale dlaczego brzmienie instrumentów muzycznych jest tak różnorodne? Okazuje się, że zależy to od kilku czynników. Pierwszym jest kształt narzędzia, drugim materiał, z którego jest wykonane.

Przyjrzyjmy się temu na przykładzie instrumentów smyczkowych. Stają się źródłem dźwięku po dotknięciu strun. W rezultacie zaczynają wibrować i wysyłać do otoczenia różne dźwięki. Niski dźwięk każdego instrumentu strunowego wynika z większej grubości i długości struny, a także słabości jej napięcia. I odwrotnie, im mocniej naciągnięta jest struna, im jest ona cieńsza i krótsza, tym wyższy dźwięk uzyskuje się w wyniku gry.

Akcja mikrofonu

Polega na konwersji energii fali dźwiękowej na energię elektryczną. W tym przypadku siła prądu i charakter dźwięku są bezpośrednio zależne. Wewnątrz każdego mikrofonu znajduje się cienka płytka wykonana z metalu. Pod wpływem dźwięku zaczyna wykonywać ruchy oscylacyjne. Spirala, do której jest połączona płyta, również wibruje, w wyniku czego wytwarza się prąd elektryczny. Dlaczego się pojawia? Dzieje się tak dlatego, że mikrofon ma również wbudowane magnesy. Kiedy spirala oscyluje między biegunami, powstaje prąd elektryczny, który przepływa wzdłuż spirali do kolumny dźwiękowej (głośnika) lub do urządzenia służącego do rejestracji na nośniku informacji (kaseta, dysk, komputer). Swoją drogą mikrofon w telefonie ma podobną konstrukcję. Ale jak działają mikrofony w telefonach stacjonarnych i komórkowych? Początkowa faza jest dla nich taka sama – dźwięk ludzkiego głosu przekazuje swoje wibracje na płytkę mikrofonu, następnie wszystko przebiega według scenariusza opisanego powyżej: spirala, która poruszając się, zamyka dwa bieguny, powstaje prąd. Co dalej? W telefonie stacjonarnym wszystko jest mniej więcej jasne – podobnie jak w mikrofonie, dźwięk przetworzony na prąd elektryczny przepływa przez przewody. Ale co z telefonem komórkowym lub na przykład krótkofalówką? W takich przypadkach dźwięk jest przekształcany w energię fali radiowej i uderza w satelitę. To wszystko.

Zjawisko rezonansu

Czasami powstają warunki, gdy amplituda wibracji ciała fizycznego gwałtownie wzrasta. Dzieje się tak na skutek zbieżności wartości częstotliwości drgań wymuszonych i częstotliwości drgań własnych obiektu (ciała). Rezonans może być zarówno korzystny, jak i szkodliwy. Na przykład, aby wyciągnąć samochód z dziury, należy go uruchomić i popchnąć tam i z powrotem, aby wywołać rezonans i nadać samochodowi bezwładność. Ale zdarzały się również przypadki negatywnych konsekwencji rezonansu. Na przykład w Petersburgu około sto lat temu zawalił się most pod maszerującymi zgodnie żołnierzami.

Ta lekcja obejmuje temat „Fale dźwiękowe”. Na tej lekcji będziemy kontynuować naukę akustyki. Najpierw powtórzmy definicję fal dźwiękowych, następnie rozważmy ich zakresy częstotliwości i zapoznajmy się z pojęciem fal ultradźwiękowych i infradźwiękowych. Omówimy także właściwości fal dźwiękowych w różnych ośrodkach i poznamy ich charakterystykę. .

Fale dźwiękowe - są to drgania mechaniczne, które rozprzestrzeniając się i oddziałując z narządem słuchu, są odbierane przez człowieka (ryc. 1).

Ryż. 1. Fala dźwiękowa

Dział fizyki zajmujący się tymi falami nazywa się akustyką. Zawód osób popularnie zwanych „słuchaczami” to akustycy. Fala dźwiękowa to fala rozchodząca się w ośrodku sprężystym, jest to fala podłużna, a gdy rozchodzi się w ośrodku sprężystym, następuje naprzemiennie kompresja i wyładowanie. Przenoszony jest w czasie na odległość (ryc. 2).

Ryż. 2. Propagacja fali dźwiękowej

Fale dźwiękowe obejmują wibracje występujące z częstotliwością od 20 do 20 000 Hz. Dla tych częstotliwości odpowiednie długości fal wynoszą 17 m (dla 20 Hz) i 17 mm (dla 20 000 Hz). Zakres ten będzie nazywany dźwiękiem słyszalnym. Te długości fal podano dla powietrza, którego prędkość dźwięku jest równa .

Istnieją również zakresy, którymi zajmują się akustycy – infradźwiękowe i ultradźwiękowe. Infradźwięki to te, które mają częstotliwość mniejszą niż 20 Hz. Natomiast ultradźwiękowe to te, które mają częstotliwość większą niż 20 000 Hz (ryc. 3).

Ryż. 3. Zasięgi fal dźwiękowych

Każdy wykształcony człowiek powinien znać zakres częstotliwości fal dźwiękowych i wiedzieć, że jeśli pójdzie na badanie USG, to obraz na ekranie komputera będzie skonstruowany z częstotliwością ponad 20 000 Hz.

USG – Są to fale mechaniczne podobne do fal dźwiękowych, ale o częstotliwości od 20 kHz do miliarda herców.

Nazywa się fale o częstotliwości większej niż miliard herców hiperdźwięk.

Do wykrywania wad części odlewanych wykorzystuje się ultradźwięki. Na badaną część kierowany jest strumień krótkich sygnałów ultradźwiękowych. W miejscach, w których nie ma defektów, sygnały przechodzą przez część bez rejestracji przez odbiornik.

Jeśli w części występuje pęknięcie, wnęka powietrzna lub inna niejednorodność, wówczas sygnał ultradźwiękowy odbija się od niej i po powrocie wchodzi do odbiornika. Ta metoda nazywa się ultradźwiękowe wykrywanie wad.

Inne przykłady zastosowań ultradźwięków to urządzenia ultradźwiękowe, urządzenia ultradźwiękowe, terapia ultradźwiękowa.

Infradźwięki – fale mechaniczne podobne do fal dźwiękowych, ale o częstotliwości mniejszej niż 20 Hz. Nie są one odbierane przez ludzkie ucho.

Naturalnymi źródłami fal infradźwiękowych są burze, tsunami, trzęsienia ziemi, huragany, erupcje wulkanów i burze.

Infradźwięki to także ważna fala wykorzystywana do wibrowania powierzchni (na przykład do niszczenia dużych obiektów). Wypuszczamy infradźwięki do gleby - i gleba się rozpada. Gdzie się to stosuje? Na przykład w kopalniach diamentów, gdzie pobiera się rudę zawierającą składniki diamentu i rozdrabnia ją na małe cząstki, aby znaleźć wtrącenia diamentu (ryc. 4).

Ryż. 4. Zastosowanie infradźwięków

Prędkość dźwięku zależy od warunków otoczenia i temperatury (rys. 5).

Ryż. 5. Prędkość propagacji fali dźwiękowej w różnych ośrodkach

Uwaga: w powietrzu prędkość dźwięku w jest równa , a w , prędkość wzrasta o . Jeśli jesteś badaczem, ta wiedza może Ci się przydać. Można nawet wymyślić jakiś czujnik temperatury, który będzie rejestrował różnice temperatur poprzez zmianę prędkości dźwięku w ośrodku. Wiemy już, że im gęstszy ośrodek, tym poważniejsze oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami ośrodka, tym szybciej rozchodzi się fala. W ostatnim akapicie omówiliśmy to na przykładzie suchego i wilgotnego powietrza. Dla wody prędkość rozchodzenia się dźwięku wynosi . Jeśli utworzysz falę dźwiękową (uderz w kamerton), wówczas prędkość jej propagacji w wodzie będzie 4 razy większa niż w powietrzu. Wodą informacja dotrze 4 razy szybciej niż drogą powietrzną. A w stali jest jeszcze szybciej: (ryc. 6).

Ryż. 6. Prędkość propagacji fali dźwiękowej

Z epopei wiecie, że Ilya Muromets (oraz wszyscy bohaterowie i zwykli Rosjanie oraz chłopcy z RVS Gajdara) zastosowali bardzo interesującą metodę wykrywania obiektu, który się zbliża, ale wciąż jest daleko. Dźwięk wydawany podczas ruchu nie jest jeszcze słyszalny. Ilja Muromiec z uchem przy ziemi ją słyszy. Dlaczego? Ponieważ dźwięk jest przesyłany po stałym podłożu z większą prędkością, co oznacza, że ​​szybciej dotrze do ucha Ilyi Murometsa, a on będzie mógł przygotować się na spotkanie z wrogiem.

Najciekawszymi falami dźwiękowymi są dźwięki i dźwięki muzyczne. Jakie obiekty mogą wytwarzać fale dźwiękowe? Jeśli weźmiemy źródło fali i ośrodek sprężysty, jeśli sprawimy, że źródło dźwięku wibruje harmonijnie, wówczas otrzymamy cudowną falę dźwiękową, którą nazwiemy dźwiękiem muzycznym. Źródłami fal dźwiękowych mogą być na przykład struny gitary lub fortepianu. Może to być fala dźwiękowa powstająca w szczelinie powietrznej piszczałki (organów lub piszczałki). Z lekcji muzyki znasz nuty: do, re, mi, fa, sol, la, si. W akustyce nazywane są tonami (ryc. 7).

Ryż. 7. Dźwięki muzyczne

Wszystkie obiekty, które mogą wytwarzać dźwięki, będą miały pewne funkcje. Czym się różnią? Różnią się długością fali i częstotliwością. Jeżeli te fale dźwiękowe nie są tworzone przez harmonijnie brzmiące ciała lub nie są połączone w jakiś wspólny utwór orkiestrowy, wówczas taka ilość dźwięków będzie nazywana hałasem.

Hałas– losowe oscylacje o różnej naturze fizycznej, charakteryzujące się złożonością ich struktury czasowej i widmowej. Pojęcie hałasu jest zarówno domowe, jak i fizyczne, są bardzo podobne, dlatego wprowadzamy je jako osobny ważny przedmiot rozważań.

Przejdźmy do ilościowych szacunków fal dźwiękowych. Jakie są cechy muzycznych fal dźwiękowych? Charakterystyki te dotyczą wyłącznie harmonicznych drgań dźwięku. Więc, głośność dźwięku. Jak określa się głośność dźwięku? Rozważmy rozchodzenie się fali dźwiękowej w czasie lub oscylacje źródła fali dźwiękowej (rys. 8).

Ryż. 8. Głośność dźwięku

Jednocześnie, jeśli nie dodaliśmy do systemu zbyt wiele dźwięku (np. cicho uderzymy w klawisz fortepianu), to dźwięk będzie cichy. Jeżeli głośno podniesiemy rękę wysoko, to poprzez uderzenie w klawisz wywołamy ten dźwięk, otrzymamy głośny dźwięk. Od czego to zależy? Cichy dźwięk ma mniejszą amplitudę wibracji niż głośny dźwięk.

Następną ważną cechą dźwięku muzycznego i każdego innego dźwięku jest wysokość. Od czego zależy wysokość dźwięku? Wysokość zależy od częstotliwości. Możemy sprawić, że źródło będzie oscylować często lub niezbyt szybko (to znaczy będzie wykonywać mniej oscylacji w jednostce czasu). Rozważmy przesunięcie w czasie wysokiego i niskiego dźwięku o tej samej amplitudzie (ryc. 9).

Ryż. 9. Skok

Można wyciągnąć ciekawy wniosek. Jeśli ktoś śpiewa głosem basowym, to jego źródło dźwięku (struny głosowe) wibruje kilka razy wolniej niż u osoby śpiewającej sopran. W drugim przypadku struny głosowe wibrują częściej, a co za tym idzie, częściej powodują kieszenie kompresji i wyładowań podczas propagacji fali.

Istnieje jeszcze jedna interesująca cecha fal dźwiękowych, której fizycy nie badają. Ten tembr. Znasz i łatwo rozróżniasz ten sam utwór wykonywany na bałałajce lub wiolonczeli. Czym różnią się te dźwięki lub to wykonanie? Na początku eksperymentu poprosiliśmy osoby wydające dźwięki, aby miały one mniej więcej tę samą amplitudę, tak aby głośność dźwięku była taka sama. To tak jak w przypadku orkiestry: jeśli nie ma potrzeby wyróżniania żadnego instrumentu, wszyscy grają mniej więcej tak samo, z tą samą siłą. Zatem barwa bałałajki i wiolonczeli jest inna. Gdybyśmy mieli narysować dźwięk wytwarzany przez jeden instrument z drugiego za pomocą diagramów, byłyby one takie same. Ale łatwo rozróżnić te instrumenty po ich brzmieniu.

Kolejny przykład znaczenia barwy. Wyobraź sobie dwóch śpiewaków, którzy ukończyli tę samą uczelnię muzyczną z tymi samymi nauczycielami. Uczyli się równie dobrze, z prostymi piątkami. Z jakiegoś powodu jeden zostaje wybitnym wykonawcą, drugi przez całe życie jest niezadowolony ze swojej kariery. Tak naprawdę decyduje o tym wyłącznie ich instrument, który powoduje wibracje wokali w otoczeniu, czyli ich głosy różnią się barwą.

Bibliografia

1. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizyka: podręcznik z przykładami rozwiązywania problemów. - Podział drugiej edycji. - X.: Vesta: wydawnictwo "Ranok", 2005. - 464 s.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fizyka. Klasa 9: podręcznik do kształcenia ogólnego. instytucje/A.V. Peryszkin, E.M. Gutnik. - wyd. XIV, stereotyp. - M.: Drop, 2009. - 300 s.

1. Portal internetowy „eduspb.com” ()
2. Portal internetowy „msk.edu.ua” ()
3. Portal internetowy „class-fizika.narod.ru” ()

Praca domowa

1. Jak rozchodzi się dźwięk? Co może być źródłem dźwięku?
2. Czy dźwięk może podróżować w przestrzeni?
3. Czy każda fala, która dociera do narządu słuchu danej osoby, jest przez nią odbierana?

18 lutego 2016 r

Świat rozrywki domowej jest dość zróżnicowany i może obejmować: oglądanie filmów na dobrym zestawie kina domowego; ekscytująca i ekscytująca rozgrywka lub słuchanie muzyki. Z reguły każdy znajduje w tym obszarze coś dla siebie lub łączy wszystko na raz. Ale niezależnie od celów danej osoby w zakresie organizacji czasu wolnego i jakiejkolwiek skrajności, wszystkie te linki są mocno połączone jednym prostym i zrozumiałym słowem - „dźwięk”. Rzeczywiście we wszystkich powyższych przypadkach dźwięk będzie nas prowadził za rękę. Ale to pytanie nie jest takie proste i trywialne, szczególnie w przypadkach, gdy istnieje potrzeba uzyskania wysokiej jakości dźwięku w pomieszczeniu lub w innych warunkach. Aby to zrobić, nie zawsze trzeba kupować drogie komponenty hi-fi lub hi-end (choć będzie to bardzo przydatne), ale wystarczy dobra znajomość teorii fizycznej, która może wyeliminować większość problemów, które pojawiają się dla każdego który stara się uzyskać wysokiej jakości aktorstwo głosowe.

Następnie teoria dźwięku i akustyki zostaną rozważone z punktu widzenia fizyki. W tym przypadku postaram się uczynić to jak najbardziej przystępnym dla zrozumienia każdej osoby, której być może daleko jest do znajomości praw fizycznych i wzorów, ale mimo to z pasją marzy o realizacji marzenia o stworzeniu idealnego systemu akustycznego. Nie ośmielę się twierdzić, że aby osiągnąć dobre rezultaty w tym zakresie w domu (lub np. w samochodzie) trzeba dokładnie poznać te teorie, jednak zrozumienie podstaw pozwoli uniknąć wielu głupich i absurdalnych błędów , a także pozwoli Ci osiągnąć maksymalny efekt dźwiękowy z systemu na dowolnym poziomie.

Ogólna teoria dźwięku i terminologia muzyczna

Co to jest dźwięk? Jest to wrażenie odbierane przez narząd słuchu "ucho"(samo zjawisko istnieje bez udziału „ucha” w tym procesie, ale jest to łatwiejsze do zrozumienia), które ma miejsce, gdy błona bębenkowa jest wzbudzana falą dźwiękową. Ucho w tym przypadku pełni rolę „odbiornika” fal dźwiękowych o różnych częstotliwościach.
Fala dźwiękowa jest to zasadniczo sekwencyjna seria zagęszczeń i wyładowań ośrodka (najczęściej powietrza w normalnych warunkach) o różnych częstotliwościach. Fale dźwiękowe mają charakter oscylacyjny, powodowany i wytwarzany przez wibracje dowolnego ciała. Powstawanie i propagacja klasycznej fali dźwiękowej możliwe jest w trzech ośrodkach sprężystych: gazowym, ciekłym i stałym. Kiedy fala dźwiękowa pojawia się w jednym z tego typu przestrzeni, w samym ośrodku nieuchronnie zachodzą pewne zmiany, na przykład zmiana gęstości lub ciśnienia powietrza, ruch cząstek masy powietrza itp.

Ponieważ fala dźwiękowa ma charakter oscylacyjny, ma taką cechę jak częstotliwość. Częstotliwość mierzona w hercach (na cześć niemieckiego fizyka Heinricha Rudolfa Hertza) i oznacza liczbę oscylacji w okresie czasu równym jednej sekundzie. Te. na przykład częstotliwość 20 Hz oznacza cykl 20 oscylacji w ciągu jednej sekundy. Subiektywne pojęcie jego wysokości zależy również od częstotliwości dźwięku. Im więcej wibracji dźwięku występuje na sekundę, tym „wyższy” wydaje się dźwięk. Fala dźwiękowa ma także inną ważną cechę, która ma swoją nazwę – długość fali. Długość fali Zwyczajowo bierze się pod uwagę odległość, jaką pokonuje dźwięk o określonej częstotliwości w czasie równym jednej sekundzie. Na przykład długość fali najniższego dźwięku w zakresie słyszalności człowieka przy 20 Hz wynosi 16,5 metra, a długość fali najwyższego dźwięku przy 20 000 Hz wynosi 1,7 centymetra.

Ucho ludzkie jest tak zaprojektowane, że jest w stanie odbierać fale jedynie w ograniczonym zakresie, około 20 Hz - 20 000 Hz (w zależności od cech konkretnej osoby, niektórzy są w stanie usłyszeć trochę więcej, inni mniej) . Nie oznacza to jednak, że dźwięki poniżej lub powyżej tych częstotliwości nie istnieją, po prostu nie są one odbierane przez ludzkie ucho, wykraczając poza zakres słyszalny. Dźwięk powyżej zakresu słyszalnego nazywa się ultradźwięk, nazywa się dźwięk poniżej zakresu słyszalnego infradźwięki. Niektóre zwierzęta potrafią odbierać dźwięki ultra i infra, inne wykorzystują ten zakres do orientacji w przestrzeni (nietoperze, delfiny). Jeżeli dźwięk przechodzi przez ośrodek, który nie ma bezpośredniego kontaktu z narządem słuchu człowieka, wówczas dźwięk ten może nie być słyszalny lub może zostać w późniejszym czasie znacznie osłabiony.

W muzycznej terminologii dźwięku istnieją tak ważne określenia, jak oktawa, ton i alikwot dźwięku. Oktawa oznacza przedział, w którym stosunek częstotliwości między dźwiękami wynosi 1 do 2. Oktawa jest zwykle bardzo rozpoznawalna dla ucha, podczas gdy dźwięki w tym przedziale mogą być do siebie bardzo podobne. Oktawę można również nazwać dźwiękiem, który wibruje dwa razy mocniej niż inny dźwięk w tym samym okresie czasu. Przykładowo częstotliwość 800 Hz to nic innego jak wyższa oktawa 400 Hz, a częstotliwość 400 Hz to z kolei kolejna oktawa dźwięku o częstotliwości 200 Hz. Oktawa z kolei składa się z tonów i podtekstów. Zmienne wibracje w harmonicznej fali dźwiękowej o tej samej częstotliwości są odbierane przez ludzkie ucho jako ton muzyczny. Wibracje o wysokiej częstotliwości można interpretować jako dźwięki o wysokiej częstotliwości, natomiast wibracje o niskiej częstotliwości można interpretować jako dźwięki o niskiej częstotliwości. Ucho ludzkie jest w stanie wyraźnie rozróżnić dźwięki z różnicą jednego tonu (w zakresie do 4000 Hz). Mimo to muzyka wykorzystuje niezwykle małą liczbę tonów. Wyjaśnia się to na podstawie rozważań o zasadzie współbrzmienia harmonicznego, wszystko opiera się na zasadzie oktaw.

Rozważmy teorię tonów muzycznych na przykładzie struny naciągniętej w określony sposób. Taka struna w zależności od siły naciągu zostanie „dostrojona” do jednej określonej częstotliwości. Kiedy struna ta zostanie wystawiona na działanie czegoś o określonej sile, co powoduje jej wibracje, będzie konsekwentnie obserwowany jeden konkretny ton dźwięku i usłyszymy pożądaną częstotliwość strojenia. Dźwięk ten nazywany jest tonem podstawowym. Częstotliwość nuty „A” pierwszej oktawy jest oficjalnie przyjęta jako ton podstawowy w dziedzinie muzyki i wynosi 440 Hz. Jednak większość instrumentów muzycznych nigdy nie odtwarza samych czystych tonów podstawowych; nieuchronnie towarzyszą im alikwoty zwane podteksty. W tym miejscu wypada przypomnieć ważną definicję akustyki muzycznej, czyli pojęcie barwy dźwięku. Tembr- jest to cecha dźwięków muzycznych, która nadaje instrumentom muzycznym i głosom ich niepowtarzalną, rozpoznawalną specyfikę brzmienia, nawet przy porównywaniu dźwięków o tej samej wysokości i głośności. Barwa każdego instrumentu muzycznego zależy od rozkładu energii dźwięku pomiędzy alikwotami w momencie pojawienia się dźwięku.

Alikwoty tworzą specyficzną kolorystykę tonu podstawowego, po której łatwo możemy zidentyfikować i rozpoznać konkretny instrument, a także wyraźnie odróżnić jego brzmienie od innego instrumentu. Istnieją dwa rodzaje podtekstów: harmoniczne i nieharmoniczne. Podteksty harmoniczne z definicji są wielokrotnościami częstotliwości podstawowej. Przeciwnie, jeśli podteksty nie są wielokrotnościami i zauważalnie odbiegają od wartości, wówczas nazywa się je nieharmoniczne. W muzyce operowanie wieloma alikwotami jest praktycznie wykluczone, dlatego termin ten sprowadza się do pojęcia „wydźwięku”, czyli harmonicznego. W przypadku niektórych instrumentów, takich jak fortepian, ton podstawowy nie ma nawet czasu się uformować, w krótkim czasie energia dźwiękowa alikwotów wzrasta, a następnie równie szybko maleje. Wiele instrumentów tworzy tak zwany efekt „tonu przejściowego”, w którym energia pewnych alikwotów jest najwyższa w pewnym momencie, zwykle na samym początku, ale potem zmienia się gwałtownie i przechodzi w inne alikwoty. Zakres częstotliwości każdego instrumentu można rozpatrywać osobno i zwykle ogranicza się do częstotliwości podstawowych, które dany instrument jest w stanie wytworzyć.

W teorii dźwięku istnieje również takie pojęcie jak HAŁAS. Hałas- jest to dźwięk powstały w wyniku połączenia źródeł, które są ze sobą niezgodne. Każdy zna dźwięk liści drzew kołysanych przez wiatr itp.

Co decyduje o głośności dźwięku? Oczywiście takie zjawisko zależy bezpośrednio od ilości energii przenoszonej przez falę dźwiękową. Aby określić ilościowe wskaźniki głośności, istnieje koncepcja - intensywność dźwięku. Intensywność dźwięku definiuje się jako przepływ energii przechodzący przez pewien obszar przestrzeni (na przykład cm2) na jednostkę czasu (na przykład na sekundę). Podczas normalnej rozmowy natężenie wynosi około 9 lub 10 W/cm2. Ucho ludzkie jest w stanie odbierać dźwięki w dość szerokim zakresie czułości, natomiast czułość częstotliwości jest niejednorodna w obrębie widma dźwięku. W ten sposób najlepiej odbierany jest zakres częstotliwości 1000 Hz - 4000 Hz, który najszerzej obejmuje mowę ludzką.

Ponieważ intensywność dźwięków jest bardzo zróżnicowana, wygodniej jest myśleć o niej jako o wielkości logarytmicznej i mierzyć ją w decybelach (według szkockiego naukowca Alexandra Grahama Bella). Dolny próg wrażliwości ucha ludzkiego wynosi 0 dB, górny 120 dB, nazywany także „progiem bólu”. Górna granica czułości również jest odbierana przez ludzkie ucho nie w ten sam sposób, ale w zależności od konkretnej częstotliwości. Dźwięki o niskiej częstotliwości muszą mieć znacznie większą intensywność niż dźwięki o wysokiej częstotliwości, aby wywołać próg bólu. Przykładowo próg bólu przy niskiej częstotliwości 31,5 Hz występuje przy natężeniu dźwięku na poziomie 135 dB, gdy przy częstotliwości 2000 Hz odczuwanie bólu będzie na poziomie 112 dB. Istnieje również koncepcja ciśnienia akustycznego, która w rzeczywistości poszerza zwykłe wyjaśnienie propagacji fali dźwiękowej w powietrzu. Ciśnienie akustyczne- jest to zmienne nadciśnienie powstające w ośrodku elastycznym w wyniku przejścia przez niego fali dźwiękowej.

Falowa natura dźwięku

Aby lepiej zrozumieć system generowania fali dźwiękowej, wyobraźmy sobie klasyczny głośnik umieszczony w rurze wypełnionej powietrzem. Jeśli głośnik wykona ostry ruch do przodu, powietrze w bezpośrednim sąsiedztwie dyfuzora zostanie na chwilę skompresowane. Następnie powietrze rozszerzy się, popychając obszar sprężonego powietrza wzdłuż rury.
Ten ruch falowy stanie się następnie dźwiękiem, gdy dotrze do narządu słuchu i „pobudzi” błonę bębenkową. Kiedy w gazie pojawia się fala dźwiękowa, powstaje nadciśnienie i nadmierna gęstość, a cząstki poruszają się ze stałą prędkością. Jeśli chodzi o fale dźwiękowe, należy pamiętać, że substancja nie przemieszcza się wraz z falą dźwiękową, a jedynie następuje chwilowe zaburzenie mas powietrza.

Jeśli wyobrazimy sobie tłok zawieszony w wolnej przestrzeni na sprężynie i wykonujący powtarzające się ruchy „w przód i w tył”, to takie oscylacje nazwiemy harmonicznymi lub sinusoidalnymi (jeśli wyobrazimy sobie falę jako wykres, to w tym przypadku otrzymamy czysty sinusoida z powtarzającymi się spadkami i wzrostami). Jeśli wyobrazimy sobie głośnik w rurze (jak w przykładzie opisanym powyżej) wykonujący oscylacje harmoniczne, to w momencie ruchu głośnika „do przodu” uzyskujemy dobrze znany efekt sprężania powietrza, a gdy głośnik porusza się „do tyłu” występuje odwrotny efekt rozrzedzenia. W takim przypadku przez rurę będzie rozchodzić się fala naprzemiennego ściskania i rozrzedzania. Nazywana będzie odległość wzdłuż rury pomiędzy sąsiednimi maksimami lub minimami (fazami). długość fali. Jeżeli cząstki oscylują równolegle do kierunku rozchodzenia się fali, wówczas nazywa się ją falą wzdłużny. Jeśli oscylują prostopadle do kierunku propagacji, wówczas nazywa się falę poprzeczny. Zazwyczaj fale dźwiękowe w gazach i cieczach mają charakter podłużny, ale w ciałach stałych mogą występować fale obu typów. Fale poprzeczne w ciałach stałych powstają w wyniku oporu zmiany kształtu. Główna różnica między tymi dwoma typami fal polega na tym, że fala poprzeczna ma właściwość polaryzacji (oscylacje występują w określonej płaszczyźnie), podczas gdy fala podłużna nie.

Prędkość dźwięku

Prędkość dźwięku zależy bezpośrednio od właściwości ośrodka, w którym się rozchodzi. Decydują o tym (zależne) dwie właściwości ośrodka: elastyczność i gęstość materiału. Prędkość dźwięku w ciałach stałych zależy bezpośrednio od rodzaju materiału i jego właściwości. Prędkość w ośrodkach gazowych zależy tylko od jednego rodzaju odkształcenia ośrodka: rozrzedzenia ściskającego. Zmiana ciśnienia fali dźwiękowej zachodzi bez wymiany ciepła z otaczającymi cząsteczkami i nazywa się ją adiabatyczną.
Prędkość dźwięku w gazie zależy głównie od temperatury – zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze spadkiem temperatury. Ponadto prędkość dźwięku w ośrodku gazowym zależy od wielkości i masy samych cząsteczek gazu - im mniejsza masa i rozmiar cząstek, tym większa „przewodność” fali i odpowiednio większa prędkość.

W ośrodkach ciekłych i stałych zasada propagacji i prędkość dźwięku są podobne do propagacji fali w powietrzu: poprzez wyładowanie sprężające. Ale w tych środowiskach, oprócz tej samej zależności od temperatury, dość ważna jest gęstość ośrodka i jego skład/struktura. Im niższa gęstość substancji, tym większa prędkość dźwięku i odwrotnie. Zależność od składu ośrodka jest bardziej złożona i jest określana w każdym konkretnym przypadku, biorąc pod uwagę lokalizację i interakcję cząsteczek/atomów.

Prędkość dźwięku w powietrzu w temperaturze t, °C 20: 343 m/s
Prędkość dźwięku w wodzie destylowanej w temperaturze t, °C 20: 1481 m/s
Prędkość dźwięku w stali w t, °C 20: 5000 m/s

Fale stojące i zakłócenia

Kiedy głośnik wytwarza fale dźwiękowe w ograniczonej przestrzeni, nieuchronnie pojawia się efekt odbicia fal od granic. W rezultacie zdarza się to najczęściej efekt interferencji- gdy dwie lub więcej fal dźwiękowych nakłada się na siebie. Szczególnymi przypadkami zjawisk interferencyjnych są powstawanie: 1) fal uderzeniowych lub 2) fal stojących. Fala bije- ma to miejsce w przypadku, gdy następuje dodanie fal o podobnych częstotliwościach i amplitudach. Obraz występowania dudnień: gdy dwie fale o podobnych częstotliwościach nakładają się na siebie. W pewnym momencie, przy takim nakładaniu się, szczyty amplitud mogą pokrywać się „w fazie”, a spadki mogą również pokrywać się w „przeciwfazie”. W ten sposób charakteryzują się uderzenia dźwiękowe. Należy pamiętać, że w przeciwieństwie do fal stojących, zbieżność faz szczytów nie występuje stale, ale w określonych odstępach czasu. Dla ucha ten wzór uderzeń jest dość wyraźny i słychać go odpowiednio jako okresowy wzrost i spadek głośności. Mechanizm powstawania tego efektu jest niezwykle prosty: gdy szczyty się pokrywają, objętość wzrasta, a gdy pokrywają się doliny, objętość maleje.

Stojące fale powstają w przypadku superpozycji dwóch fal o tej samej amplitudzie, fazie i częstotliwości, gdy podczas „spotykania się” takich fal jedna porusza się w kierunku do przodu, a druga w kierunku przeciwnym. W obszarze przestrzeni (w miejscu powstania fali stojącej) pojawia się obraz superpozycji dwóch amplitud częstotliwości, z naprzemiennymi maksimami (tzw. antywęzłami) i minimami (tzw. węzłami). Kiedy zachodzi to zjawisko niezwykle istotne są częstotliwość, faza i współczynnik tłumienia fali w miejscu odbicia. W przeciwieństwie do fal biegnących, w fali stojącej nie ma transferu energii, ponieważ fale do przodu i do tyłu tworzące tę falę przenoszą energię w równych ilościach zarówno w kierunku do przodu, jak i w kierunku przeciwnym. Aby dobrze zrozumieć występowanie fali stojącej, wyobraźmy sobie przykład z akustyki domowej. Załóżmy, że mamy podłogowe systemy głośników w ograniczonej przestrzeni (pokoju). Mając do zagrania coś z dużą ilością basu, spróbujmy zmienić położenie słuchacza w pomieszczeniu. Zatem słuchacz, który znajdzie się w strefie minimum (odejmowania) fali stojącej, odczuje efekt bardzo małej ilości basu, a jeśli słuchacz znajdzie się w strefie maksimum (dodania) częstotliwości, to odwrotnie uzyskuje się efekt znacznego zwiększenia zakresu basu. W tym przypadku efekt obserwuje się we wszystkich oktawach częstotliwości podstawowej. Na przykład, jeśli częstotliwość podstawowa wynosi 440 Hz, wówczas zjawisko „dodawania” lub „odejmowania” będzie obserwowane również przy częstotliwościach 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz itp.

Zjawisko rezonansu

Większość ciał stałych ma naturalną częstotliwość rezonansową. Efekt ten dość łatwo zrozumieć na przykładzie zwykłej rury, otwartej tylko z jednego końca. Wyobraźmy sobie sytuację, w której na drugim końcu rury podłączony jest głośnik, który może odtwarzać jedną stałą częstotliwość, którą można również później zmienić. Zatem, mówiąc najprościej, rura ma swoją własną częstotliwość rezonansową - jest to częstotliwość, z jaką rura „rezonuje” lub wydaje własny dźwięk. Jeżeli częstotliwość głośnika (w wyniku regulacji) pokrywa się z częstotliwością rezonansową rury, wówczas wystąpi efekt kilkukrotnego zwiększenia głośności. Dzieje się tak, ponieważ głośnik wzbudza drgania słupa powietrza w rurze ze znaczną amplitudą, aż do momentu znalezienia tej samej „częstotliwości rezonansowej” i wystąpienia efektu dodawania. Powstałe zjawisko można opisać w następujący sposób: fajka w tym przykładzie „pomaga” głośnikowi, rezonując z określoną częstotliwością, ich wysiłki sumują się i „skutkują” słyszalnym głośnym efektem. Na przykładzie instrumentów muzycznych zjawisko to można łatwo zaobserwować, ponieważ konstrukcja większości instrumentów zawiera elementy zwane rezonatorami. Nietrudno zgadnąć, co służy wzmocnieniu określonej częstotliwości lub tonu muzycznego. Przykładowo: korpus gitary z rezonatorem w formie otworu współpracującego z głośnością; Konstrukcja rury fletowej (i ogólnie wszystkich rur); Cylindryczny kształt korpusu bębna, który sam w sobie jest rezonatorem o określonej częstotliwości.

Spektrum częstotliwości dźwięku i charakterystyka częstotliwościowa

Ponieważ w praktyce praktycznie nie ma fal o tej samej częstotliwości, konieczne staje się rozbicie całego spektrum dźwiękowego zakresu słyszalnego na alikwoty lub harmoniczne. W tym celu istnieją wykresy przedstawiające zależność względnej energii drgań dźwięku od częstotliwości. Wykres ten nazywany jest wykresem widma częstotliwości dźwięku. Spektrum częstotliwości dźwięku Istnieją dwa typy: dyskretny i ciągły. Dyskretny wykres widma przedstawia poszczególne częstotliwości oddzielone spacjami. Widmo ciągłe zawiera wszystkie częstotliwości dźwięku jednocześnie.
W przypadku muzyki czy akustyki najczęściej stosuje się zwykły wykres Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa(w skrócie „AFC”). Wykres ten przedstawia zależność amplitudy drgań dźwięku od częstotliwości w całym spektrum częstotliwości (20 Hz - 20 kHz). Patrząc na taki wykres, łatwo jest zrozumieć na przykład mocne i słabe strony konkretnego głośnika lub systemu akustycznego jako całości, najsilniejsze obszary wyjściowej energii, spadki i wzrosty częstotliwości, tłumienie, a także prześledzić nachylenie spadku.

Propagacja fal dźwiękowych, faza i antyfaza

Proces rozprzestrzeniania się fal dźwiękowych zachodzi we wszystkich kierunkach od źródła. Najprostszym przykładem zrozumienia tego zjawiska jest kamyk wrzucony do wody.
Z miejsca, w którym spadł kamień, fale zaczynają rozprzestrzeniać się po powierzchni wody we wszystkich kierunkach. Wyobraźmy sobie jednak sytuację, w której używamy głośnika o określonej głośności, powiedzmy zamkniętego pudełka, które jest podłączone do wzmacniacza i odtwarza jakiś sygnał muzyczny. Łatwo zauważyć (zwłaszcza jeśli zastosujemy mocny sygnał o niskiej częstotliwości, np. bęben basowy), że głośnik wykonuje szybki ruch „do przodu”, a potem ten sam szybki ruch „do tyłu”. Pozostaje do zrozumienia, że ​​gdy głośnik porusza się do przodu, emituje falę dźwiękową, którą słyszymy później. Ale co się stanie, gdy głośnik cofnie się? I paradoksalnie dzieje się to samo, głośnik wydaje ten sam dźwięk, tyle że w naszym przykładzie rozchodzi się on całkowicie w obrębie objętości pudełka, nie wychodząc poza jego granice (pudełko jest zamknięte). Ogólnie rzecz biorąc, w powyższym przykładzie można zaobserwować całkiem sporo ciekawych zjawisk fizycznych, z których najważniejszym jest pojęcie fazy.

Fala dźwiękowa, którą głośnik będąc w głośności, emituje w kierunku słuchacza, jest „w fazie”. Fala odwrotna, która przechodzi do objętości pudełka, będzie odpowiednio przeciwfazowa. Pozostaje tylko zrozumieć, co oznaczają te pojęcia? Faza sygnału– jest to poziom ciśnienia akustycznego w bieżącym momencie w pewnym punkcie przestrzeni. Najłatwiej zrozumieć tę fazę na przykładzie odtwarzania materiału muzycznego przez konwencjonalną parę domowych zestawów głośnikowych stereo. Wyobraźmy sobie, że w pewnym pomieszczeniu zamontowane są dwa takie głośniki podłogowe i grają. W tym przypadku oba systemy akustyczne odtwarzają synchroniczny sygnał o zmiennym ciśnieniu akustycznym, a ciśnienie akustyczne jednego głośnika jest dodawane do ciśnienia akustycznego drugiego głośnika. Podobny efekt występuje dzięki synchroniczności odtwarzania sygnału odpowiednio z lewego i prawego głośnika, innymi słowy, szczyty i doliny fal emitowanych przez lewy i prawy głośnik pokrywają się.

Wyobraźmy sobie teraz, że ciśnienia akustyczne nadal zmieniają się w ten sam sposób (nie uległy zmianom), ale tylko teraz są do siebie przeciwne. Może się to zdarzyć, jeżeli podłączysz jeden z dwóch systemów głośnikowych w odwrotnej polaryzacji (kabel „+” od wzmacniacza do zacisku „-” zestawu głośnikowego, a kabel „-” od wzmacniacza do zacisku „+” zestawu głośnikowego). system głośników). W tym przypadku sygnał przeciwny spowoduje różnicę ciśnień, którą można przedstawić liczbowo w następujący sposób: lewy głośnik wytworzy ciśnienie „1 Pa”, a prawy głośnik wytworzy ciśnienie „minus 1 Pa”. W rezultacie całkowita głośność dźwięku w miejscu słuchania wyniesie zero. Zjawisko to nazywa się antyfazą. Jeśli dla zrozumienia przyjrzymy się przykładowi bardziej szczegółowo, okaże się, że dwa głośniki grające „w fazie” tworzą identyczne obszary zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza, pomagając sobie w ten sposób. W przypadku wyidealizowanej antyfazy, obszarowi przestrzeni sprężonego powietrza utworzonej przez jeden głośnik będzie towarzyszył obszar przestrzeni rozrzedzonego powietrza utworzonej przez drugi głośnik. Wygląda to w przybliżeniu na zjawisko wzajemnego synchronicznego znoszenia fal. Co prawda, w praktyce głośność nie spada do zera, a usłyszymy mocno zniekształcony i osłabiony dźwięk.

Najprościej opisać to zjawisko następująco: dwa sygnały o takich samych oscylacjach (częstotliwości), ale przesuniętych w czasie. W związku z tym wygodniej jest wyobrazić sobie te zjawiska przemieszczenia na przykładzie zwykłego okrągłego zegara. Wyobraźmy sobie, że na ścianie wisi kilka identycznych okrągłych zegarów. Kiedy wskazówki sekundowe tego zegarka działają synchronicznie, na jednym zegarku 30 sekund, a na drugim 30, to jest to przykład sygnału, który jest w fazie. Jeśli wskazówki sekundowe poruszają się z przesunięciem, ale prędkość jest nadal taka sama, na przykład na jednym zegarku jest to 30 sekund, a na innym 24 sekundy, to jest to klasyczny przykład przesunięcia fazowego. W ten sam sposób faza jest mierzona w stopniach w wirtualnym okręgu. W tym przypadku, gdy sygnały zostaną przesunięte względem siebie o 180 stopni (pół okresu), uzyskuje się klasyczną przeciwfazę. Często w praktyce występują niewielkie przesunięcia fazowe, które można również określić w stopniach i skutecznie wyeliminować.

Fale są płaskie i kuliste. Front fali płaskiej rozchodzi się tylko w jednym kierunku i jest rzadko spotykany w praktyce. Sferyczne czoło fali to prosty rodzaj fali, która ma swój początek w jednym punkcie i rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Fale dźwiękowe mają tę właściwość dyfrakcja, tj. umiejętność omijania przeszkód i obiektów. Stopień zgięcia zależy od stosunku długości fali dźwięku do wielkości przeszkody lub otworu. Dyfrakcja występuje również wtedy, gdy na drodze dźwięku znajduje się jakaś przeszkoda. W takim przypadku możliwe są dwa scenariusze: 1) Jeżeli rozmiar przeszkody jest znacznie większy niż długość fali, wówczas dźwięk zostaje odbity lub pochłonięty (w zależności od stopnia absorpcji materiału, grubości przeszkody itp.). ), a za przeszkodą tworzy się strefa „cienia akustycznego”. 2) Jeżeli wielkość przeszkody jest porównywalna z długością fali lub nawet mniejsza, wówczas dźwięk ugina się w pewnym stopniu we wszystkich kierunkach. Jeżeli fala dźwiękowa poruszając się w jednym ośrodku natrafi na powierzchnię styku z innym ośrodkiem (np. ośrodkiem powietrznym z ośrodkiem stałym), wówczas mogą wystąpić trzy scenariusze: 1) fala zostanie odbita od interfejsu 2) fala może przejść do innego ośrodka bez zmiany kierunku 3) fala może przejść do innego ośrodka ze zmianą kierunku na granicy, nazywa się to „załamaniem fali”.

Stosunek nadciśnienia fali dźwiękowej do objętościowej prędkości oscylacyjnej nazywany jest oporem fali. W prostych słowach, impedancja falowa ośrodka można nazwać zdolnością do pochłaniania fal dźwiękowych lub „przeciwstawiania się” im. Współczynniki odbicia i transmisji zależą bezpośrednio od stosunku impedancji falowych obu ośrodków. Opór fali w ośrodku gazowym jest znacznie niższy niż w wodzie lub ciałach stałych. Dlatego też, jeśli fala dźwiękowa w powietrzu uderza w stały przedmiot lub powierzchnię głębokiej wody, dźwięk jest albo odbijany od powierzchni, albo w dużym stopniu pochłaniany. Zależy to od grubości powierzchni (wody lub ciała stałego), na którą spada pożądana fala dźwiękowa. Gdy grubość ośrodka stałego lub ciekłego jest mała, fale dźwiękowe prawie całkowicie „przechodzą” i odwrotnie, gdy grubość ośrodka jest duża, fale częściej się odbijają. W przypadku odbicia fal dźwiękowych proces ten przebiega zgodnie ze znanym prawem fizycznym: „Kąt padania jest równy kątowi odbicia”. W tym przypadku, gdy fala z ośrodka o mniejszej gęstości trafi na granicę z ośrodkiem o większej gęstości, zachodzi zjawisko refrakcja. Polega na zagięciu (załamaniu) fali dźwiękowej po „natknięciu się” na przeszkodę, czemu towarzyszy koniecznie zmiana prędkości. Załamanie zależy również od temperatury ośrodka, w którym następuje odbicie.

W procesie rozchodzenia się fal dźwiękowych w przestrzeni ich intensywność nieuchronnie maleje, można powiedzieć, że fale słabną, a dźwięk słabnie. W praktyce napotkanie podobnego efektu jest dość proste: przykładowo, jeśli dwie osoby stoją na polu w niewielkiej odległości (metr lub bliżej) i zaczynają coś do siebie mówić. Jeśli później zwiększysz odległość między ludźmi (jeśli zaczną się od siebie oddalać), ten sam poziom głośności rozmowy będzie coraz mniej słyszalny. Przykład ten wyraźnie pokazuje zjawisko spadku natężenia fal dźwiękowych. Dlaczego to się dzieje? Powodem tego są różnorodne procesy wymiany ciepła, oddziaływania molekularne i tarcie wewnętrzne fal dźwiękowych. Najczęściej w praktyce energia dźwięku zamieniana jest na energię cieplną. Takie procesy nieuchronnie zachodzą w każdym z 3 ośrodków propagacji dźwięku i można je scharakteryzować jako: pochłanianie fal dźwiękowych.

Natężenie i stopień pochłaniania fal dźwiękowych zależy od wielu czynników, takich jak ciśnienie i temperatura ośrodka. Absorpcja zależy również od konkretnej częstotliwości dźwięku. Kiedy fala dźwiękowa rozchodzi się w cieczach lub gazach, pomiędzy różnymi cząsteczkami występuje efekt tarcia, nazywany lepkością. W wyniku tego tarcia na poziomie molekularnym następuje proces przemiany fali z dźwięku na ciepło. Innymi słowy, im wyższa przewodność cieplna ośrodka, tym niższy stopień absorpcji fal. Pochłanianie dźwięku w mediach gazowych zależy także od ciśnienia (ciśnienie atmosferyczne zmienia się wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza). Jeśli chodzi o zależność stopnia pochłaniania od częstotliwości dźwięku, biorąc pod uwagę powyższe zależności lepkości i przewodności cieplnej, im wyższa częstotliwość dźwięku, tym większe pochłanianie dźwięku. Na przykład w normalnej temperaturze i ciśnieniu powietrza pochłanianie fali o częstotliwości 5000 Hz wyniesie 3 dB/km, a pochłanianie fali o częstotliwości 50 000 Hz wyniesie 300 dB/m.

W ośrodkach stałych wszystkie powyższe zależności (przewodność cieplna i lepkość) są zachowane, ale dodaje się do tego jeszcze kilka warunków. Są one związane ze strukturą molekularną materiałów stałych, która może być różna, z własnymi niejednorodnościami. W zależności od tej wewnętrznej stałej struktury molekularnej, absorpcja fal dźwiękowych w tym przypadku może być różna i zależy od rodzaju konkretnego materiału. Kiedy dźwięk przechodzi przez ciało stałe, fala ulega szeregowi przekształceń i zniekształceń, co najczęściej prowadzi do rozproszenia i absorpcji energii dźwiękowej. Na poziomie molekularnym efekt dyslokacji może wystąpić, gdy fala dźwiękowa powoduje przemieszczenie płaszczyzn atomowych, które następnie powracają do swojego pierwotnego położenia. Albo też ruch dyslokacji prowadzi do zderzenia z prostopadłymi do nich dyslokacjami lub defektami w strukturze kryształu, co powoduje ich zahamowanie i w konsekwencji pewną absorpcję fali dźwiękowej. Jednak fala dźwiękowa może rezonować również z tymi defektami, co doprowadzi do zniekształcenia pierwotnej fali. Energia fali dźwiękowej w momencie oddziaływania z elementami struktury molekularnej materiału ulega rozproszeniu w wyniku procesów tarcia wewnętrznego.

W tym artykule postaram się przeanalizować cechy ludzkiej percepcji słuchowej oraz niektóre subtelności i cechy propagacji dźwięku.

Grzmoty, muzyka, szum fal, ludzka mowa i wszystko inne, co słyszymy, jest dźwiękiem. Co to jest „dźwięk”?

Źródło obrazu: pixabay.com

Tak naprawdę wszystko, co zwykliśmy uważać za dźwięk, jest tylko jednym z rodzajów wibracji (powietrza), które nasz mózg i narządy mogą odbierać.

Jaka jest natura dźwięku

Wszystkie dźwięki rozchodzące się w powietrzu są drganiami fali dźwiękowej. Powstaje poprzez wibrację obiektu i odbiega od źródła we wszystkich kierunkach. Wibrujący obiekt ściska cząsteczki w otoczeniu, a następnie tworzy rozrzedzoną atmosferę, powodując, że cząsteczki odpychają się coraz bardziej. W ten sposób zmiany ciśnienia powietrza rozchodzą się od obiektu, same cząsteczki pozostają dla siebie w niezmienionej pozycji.

Wpływ fal dźwiękowych na błonę bębenkową. Źródło obrazu: prd.go.th

Gdy fala dźwiękowa przemieszcza się w przestrzeni, odbija się od obiektów na swojej drodze, powodując zmiany w otaczającym powietrzu. Kiedy te zmiany dotrą do ucha i wpływają na błonę bębenkową, zakończenia nerwowe wysyłają sygnał do mózgu, a ty odbierasz te wibracje jako dźwięk.

Podstawowe właściwości fali dźwiękowej

Najprostszym kształtem fali dźwiękowej jest fala sinusoidalna. Fale sinusoidalne w czystej postaci rzadko występują w przyrodzie, ale to od nich należy zacząć studiować fizykę dźwięku, ponieważ wszelkie dźwięki można rozłożyć na kombinację fal sinusoidalnych.

Fala sinusoidalna wyraźnie pokazuje trzy główne kryteria fizyczne dźwięku - częstotliwość, amplitudę i fazę.

Częstotliwość

Im niższa częstotliwość wibracji, tym niższy dźwięk. Źródło obrazu: ReasonGuide.Ru

Częstotliwość to wielkość charakteryzująca liczbę drgań na sekundę. Mierzy się ją liczbą okresów oscylacji lub w hercach (Hz). Ludzkie ucho odbiera dźwięk w zakresie od 20 Hz (niskie częstotliwości) do 20 KHz (wysokie częstotliwości). Dźwięki powyżej tego zakresu nazywane są ultradźwiękami, a poniżej - infradźwiękami i nie są odbierane przez ludzki słuch.

Amplituda

Im większa amplituda fali dźwiękowej, tym głośniejszy jest dźwięk.

Pojęcie amplitudy (lub intensywności) fali dźwiękowej odnosi się do siły dźwięku, którą ludzki słuch odbiera jako głośność lub głośność dźwięku. Ludzie mogą odbierać dość szeroki zakres głośności dźwięku: od cieknącego kranu w cichym mieszkaniu po muzykę grającą na koncercie. Do pomiaru głośności stosuje się fonometry (mierzone w decybelach), które wykorzystują skalę logarytmiczną, aby pomiary były wygodniejsze.

Faza fali dźwiękowej

Fazy ​​fali dźwiękowej. Źródło obrazu: Muz-Flame.ru

Używany do opisu właściwości dwóch fal dźwiękowych. Jeżeli dwie fale mają tę samą amplitudę i częstotliwość, wówczas mówimy, że są w fazie. Fazę mierzy się w zakresie od 0 do 360, gdzie 0 to wartość wskazująca, że ​​dwie fale dźwiękowe są synchroniczne (w fazie), a 180 to wartość wskazująca, że ​​fale są do siebie przeciwne (przesunięte w fazie). Kiedy dwie fale dźwiękowe są w fazie, te dwa dźwięki nakładają się, a sygnały wzmacniają się nawzajem. Kiedy zostaną połączone dwa sygnały o różnej amplitudzie, z powodu różnicy ciśnień sygnały są tłumione, co prowadzi do wyniku zerowego, to znaczy dźwięku zanika. Zjawisko to znane jest jako „supresja fazy”.

Przy łączeniu dwóch identycznych sygnałów audio poważnym problemem może być zniesienie fazy, a ogromnym problemem jest także połączenie oryginalnej fali dźwiękowej z falą odbitą od powierzchni w pomieszczeniu akustycznym. Na przykład, gdy lewy i prawy kanał miksera stereo zostaną połączone w celu uzyskania harmonijnego nagrania, w sygnale może wystąpić zanik fazy.

Co to jest decybel?

Decybele mierzą poziom ciśnienia akustycznego lub napięcia elektrycznego. Jest to jednostka, która pokazuje stosunek dwóch różnych wielkości do siebie. Bel (nazwany na cześć amerykańskiego naukowca Alexandra Bella) to logarytm dziesiętny odzwierciedlający stosunek dwóch różnych sygnałów do siebie. Oznacza to, że dla każdego kolejnego belka skali odbierany sygnał jest dziesięciokrotnie silniejszy. Na przykład ciśnienie akustyczne głośnego dźwięku jest miliardy razy wyższe niż ciśnienie cichego dźwięku. Aby wyświetlić tak duże wartości, zaczęto stosować względną wartość decybeli (dB) - przy czym 1 000 000 000 to 109, czyli po prostu 9. Przyjęcie tej wartości przez fizyków i akustyków umożliwiło wygodniejszą pracę z ogromnymi liczbami .

Skala głośności dla różnych dźwięków. Źródło obrazu: Nauet.ru

W praktyce bel jest zbyt dużą jednostką do pomiaru poziomu dźwięku, dlatego zamiast tego zastosowano decybel, który stanowi jedną dziesiątą bela. Nie można powiedzieć, że używanie decybeli zamiast beli jest jak używanie, powiedzmy, centymetrów zamiast metrów do wskazania rozmiaru buta; bele i decybele to wartości względne.

Z powyższego jasno wynika, że ​​poziom dźwięku mierzy się zwykle w decybelach. Niektóre standardy poziomu dźwięku stosowane są w akustyce od wielu lat, od wynalezienia telefonu po dzień dzisiejszy. Większość z tych norm jest trudna do zastosowania w odniesieniu do nowoczesnego sprzętu; stosuje się je tylko do przestarzałych elementów sprzętu. Dziś w sprzęcie studiów nagraniowych i nadawczych stosowana jest jednostka taka jak dBu (decybel w stosunku do poziomu 0,775 V), a w sprzęcie gospodarstwa domowego – dBV (decybel mierzony w stosunku do poziomu 1 V). Cyfrowy sprzęt audio wykorzystuje dBFS (pełna skala decybeli) do pomiaru mocy akustycznej.

dBm– „m” oznacza miliwat (mW), jednostkę miary używaną do określenia mocy elektrycznej. Konieczne jest odróżnienie mocy od napięcia elektrycznego, chociaż te dwa pojęcia są ze sobą ściśle powiązane. Jednostka miary dBm zaczęła być stosowana u zarania wprowadzenia komunikacji telefonicznej, a dziś jest również stosowana w sprzęcie profesjonalnym.

dBu- w tym przypadku napięcie mierzone jest (zamiast mocy) w stosunku do zerowego poziomu odniesienia; za poziom odniesienia uważa się 0,75 V. Podczas pracy z nowoczesnym profesjonalnym sprzętem audio dBu zastępuje się dBm. W przeszłości wygodniejsze było stosowanie dBu jako jednostki miary w inżynierii audio, kiedy do oceny siły sygnału ważniejsze było zliczanie mocy elektrycznej niż napięcia.

dBV– ta jednostka miary również opiera się na referencyjnym poziomie zerowym (jak w przypadku dBu), jednakże za poziom odniesienia przyjmuje się 1 V, co jest wygodniejsze niż wartość 0,775 V. Tą jednostką miary dźwięku jest często używany w domowym i półprofesjonalnym sprzęcie audio.

dBFS– ta ocena poziomu sygnału jest szeroko stosowana w cyfrowej inżynierii dźwięku i bardzo różni się od powyższych jednostek miary. FS (pełna skala) to pełna skala, która jest używana, ponieważ w przeciwieństwie do analogowego sygnału audio, który ma optymalne napięcie, cały zakres wartości cyfrowych jest równie akceptowalny podczas pracy z sygnałem cyfrowym. 0 dBFS to maksymalny możliwy poziom cyfrowego sygnału audio, który można nagrać bez zniekształceń. Analogowe standardy pomiaru, takie jak dBu i dBV, nie mają zapasu zakresu dynamiki powyżej 0 dBFS.

Jeśli spodobał Ci się artykuł, tak jak I subskrybuj kanał NAUCHPOP . Bądźcie czujni, przyjaciele! Przed nami wiele ciekawych rzeczy!

Dźwięk to drgania mechaniczne, które rozchodzą się w ośrodku materiału sprężystego, głównie w postaci fal podłużnych.

W próżni dźwięk się nie rozchodzi, gdyż do jego przenoszenia potrzebny jest ośrodek materialny i kontakt mechaniczny pomiędzy cząsteczkami ośrodka materialnego.

W ośrodku dźwięk rozchodzi się w postaci fal dźwiękowych. Fale dźwiękowe to drgania mechaniczne przenoszone w ośrodku za pomocą jego cząstek warunkowych. Konwencjonalne cząstki ośrodka oznaczają jego mikroobjętości.

Podstawowe właściwości fizyczne fali akustycznej:

1. Częstotliwość.

Częstotliwość fala dźwiękowa to wielkość równa liczbie pełnych oscylacji w jednostce czasu. Oznaczone symbolem w (nagi) i zmierzone w hercach. 1 Hz = 1 liczba/s = [ s -1 ].

Skala wibracji dźwięku jest podzielona na następujące przedziały częstotliwości:

· infradźwięki (od 0 do 16 Hz);

· dźwięk słyszalny (od 16 do 16 000 Hz);

· ultradźwięki (ponad 16 000 Hz).

Częstotliwość fali dźwiękowej jest ściśle powiązana z jej odwrotną wielkością – okresem fali dźwiękowej. Okres Fala dźwiękowa to czas jednego pełnego oscylacji cząstek ośrodka. Wyznaczony T i jest mierzony w sekundach [s].

Ze względu na kierunek drgań cząstek ośrodka przenoszącego falę dźwiękową, fale dźwiękowe dzielą się na:

· wzdłużny;

· poprzeczny.

Dla fal podłużnych kierunek drgań cząstek ośrodka pokrywa się z kierunkiem propagacji fali dźwiękowej w ośrodku (rys. 1).

Dla fal poprzecznych kierunki drgań cząstek ośrodka są prostopadłe do kierunku propagacji fali dźwiękowej (rys. 2).

Ryż. 1 rys. 2

Fale podłużne rozchodzą się w gazach, cieczach i ciałach stałych. Poprzeczny - tylko w ciałach stałych.

3. Kształt drgań.

Ze względu na formę drgań fale dźwiękowe dzielą się na:

· proste fale;

złożone fale.

Wykresem fali prostej jest fala sinusoidalna.

Wykresem fali złożonej jest dowolna okresowa krzywa niesinusoidalna .

4. Długość fali.

Długość fali to ilość równa drodze, na jaką fala dźwiękowa przebywa w czasie równym jednemu okresowi. Jest oznaczony jako λ (lambda) i jest mierzony w metrach (m), centymetrach (cm), milimetrach (mm) i mikrometrach (µm).

Długość fali zależy od ośrodka, w którym rozchodzi się dźwięk.

5. Prędkość fali dźwiękowej.

Prędkość fali dźwiękowej jest prędkością rozchodzenia się dźwięku w ośrodku ze nieruchomym źródłem dźwięku. Oznaczone symbolem v, obliczane według wzoru:

Prędkość fali dźwiękowej zależy od rodzaju ośrodka i temperatury. Prędkość dźwięku jest najwyższa w ciałach stałych i elastycznych, mniejsza w cieczach, a najniższa w gazach.

powietrze, normalne ciśnienie atmosferyczne, temperatura - 20 stopni, v = 342 m/s;

woda, temperatura 15-20 stopni, v = 1500 m/s;

metale, v = 5000-10000 m/s.

Prędkość dźwięku w powietrzu wzrasta o około 0,6 m/s wraz ze wzrostem temperatury o 10 stopni.