Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 78
Текст из файла (страница 78)
й 158. Характеристика звуковых воли Звуковыми (илн акустическими) волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16 — 20000 Гц. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука. Волны с э~16 Гц (инфразвуковые) и т) )20 кГц (ультразвуковые) органами слуха человека не воспринимаются.
Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.
Интеисивнпстью звука (или силой звука) называетея величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны: /= (й'/(5(). Единица интенсивности звука в СИ— ватт на метр в квадрате (Вт/и'). Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта кнтенснвность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое восприятие.
На рис. 223 представлена зависимость порогов слышимости н болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривымн, является областью слышимости. Если интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей волновой процесс, то субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, заинсящая от частоты. По физиологическому закону Вебера — Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. Нв этом основании вводят объективную оценку громкости внука по измеренному значению его интенсивности: ( =(к (У/(о) где (и — интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех зву- Лпа/цг гп' о гп гп гп иг п,гц Рнс.
223 4. Колебания я волны ков равной 10 " Вт/м'. Величина 1. называется уровнем интенсивности звука и выражается в белах (в честь изобретателя телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими,— децибеламн (дБ). Физиологической характеристикой звука является уровень громкости, который выражается в фонах (фон). Громкость для звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. Например, шум в вагоне метро при большой скорости соответствует ж90 фон, а шепот на расстоянии ! м — -20 фон. Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим набором частот, т. е. звук обладает акустичеаким спектром, который может быть сплошным (в некотором интервале присутствуют колебания всех частот) и линейчатым (присутствуют отделенные друг от друга определенные частоты).
Звуковое ощущение характеризуется помимо громкости еще высотой и тембром. Высота звука — качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Характер акустического спектра и распределения энергии между определенными частотамн определяет своеобразие звукового ощущения, называемое тембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустический спектр, т, е, они имеют различный тембр. Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента).
Совершая колебании, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последовательно передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е. в среде распространяется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с определенной скоростью, зависящей от плотно- сти и упругих свойств среды. Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле о=)/уИ7М, (158.1) где )г — молярная газовая постоянная, М вЂ” малярная масса, у=С»/Ср — отношение молярных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме, Т— термодинамическая температура.
Из формулы (158.1) вытекает, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука. Например, при Т= 273 К скорость звука в воздухе (М =29 10 ' кг/моль) о=ЗЗ! м/с, в водороде (М=2 10 ' кг/моль) о= =1260 и/с.
Выражение (158.1) соответствует опытным данным. При распространении звука и атмосфере необходимо учитывать целый ряд факторов: скорость и направление ветра, влажность воздуха, молекулярную структуру газовой среды, явление преломления и отражения звука на границе двух сред. Кроме того, любая реальная среда обладает вязкостью, поэтому наблюдается затухание звука, т. е.
уменьшение его амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание звука обусловлено в значительной мере его поглощением в среде, связанным с необратимым переходом звуковой энергии в другие формы энергии (в основном в тепловую). Для акустики помещений большое значение имеет реверберация звука— процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника.
Если помещения пустые, то происходит медленное затухание звука и создается «гулкость» помещения. Если звуки затухают быстро (при применении звукопоглощающих матерна. лов), то они воспринимаются приглушенными. Время реверберации — зто время, в течение которого интенсивность звука в помещении ослабляется в миллион раз, а его уровень — на 60 дБ. Помещение обладает хорошей акустикой, если время реверберации составляет 0,5 в 1,5 с. Г л а н з !9. Упругие волны 25! Рнс. 224 т = и /Л = о/(оТ) = то. 2 159. Эффект Доплера в. акустике Эффектом Доплера' называется изменение частоты колебаний, воспринимаемой приемником, при движении источника этих колебаний и приемника друг относительно друга. Например, нз опыта известно, что тон гудка поезда повышается по мере его приближения к платформе и понижается при удалении, т.
е. движение источника колебаний (гудка) относительно приемника (уха) изменяет частоту принимаемых колебаний, Для рассмотрения эффекта Доплера предположим, что источник и приемник звука движутся вдоль соединяющей нх прямой; оны и опр — соответственно скорости движения источника и приемника, причем онн положительны, если источник (приемник) приближается к прнемни.
ку (источнику), и отрицательны, если удаляется. Частота колебаний источника равна чп. 1, Источник н приемник покоятся относительно среды, т. е. о„ = о.,=О. Если о — скорость распространения звуковой волны в рассматриваемой среде, то длина волны Л= иТ=и/то, Распространяясь в среде, волна достигнет приемника и вызовет колебания его звукочувствительного элемента с частотой Следовательно, частота т звука, которую зарегистрирует приемник, равна частоте чз, с которой звуковая волна излучается источником. 2. Приемник приближается к источнику, а источник покоится, т. е. п,р)0, о, =О. В данном случае скорость распространения волны относительно приемника станет равной и +о.р.
Так как длина волны прн этом не меняется„ то о+ и,р о+ о,р (о+ опр) чп т Л пт т. е, частота колебаний, воспринимаемых приемником, в (о+о„)/о раз больше частоты колебаний источника. * Х Доплер (!803 в !853) — австрийский физик, математик н астроном. 3. Источник приближается к приемнику, а преемник покоится, т.е. онгг)0, о„р — — О. Скорость распространения колебаний зависит лишь от свойств среды, поэтому за время, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направлении к приемнику расстояние иТ (равное длине волны Л) независимо от того, движется ли источник или покоится.
За это же время источник пройдет в направлении волны расстояние и„Т (рнс. 224), т, е, длина волны в направлении движения сократится и станет равной Л'=Л вЂ” о„Т=(п — о,) Т, тогда о отп т — и/Лг— (о — и„„) Т и — а„„ т. е. частота т колебаний, воспринимаемых приемником, увеличится в и/(о — о„,) раз. В случаях 2 и 3, если омг(0 и о.,<0, знак будет обратным. 4. Источник и приемник движутся относительно друг друга. Используя результаты, полученные для случаев 2 и 3, можно записать выражение для частоты колебаний, воспринимаемых источником: (о ~ опр) чп ъ= причем верхний знак берется, если при движении источника илн приемника происходит их сближение, нижний знак— в случае их взаимного удаления.
Из приведенных формул следует, что эффект Доплера различен в зависимости от того, движется лн источник или приемник. Если направления скоростей озр и о„„не совпадают с проходящей через источник и приемник прямой, то вместо 4. Колебания и волны 252 $160. Ультразвук и его применение Контрольные вопросы в Как объяснить распространение колебаний в упругой среде? Что такое волна? ° Что называется поперечной волной? продолыюй? Когда онн возникают? ° Что такое волновой фронт? волновая поверхность? этих скоростей в формуле (!59.!) надо брать их проекцки на направление этой прямой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
