>>Физика: Звук в различных средах

Для распространения звука необходима упругая среда. В вакууме звуковые волны распространяться не могут, так как там нечему колебаться. В этом можно убедиться на простом опыте. Если поместить под стеклянный колокол электрический звонок, то по мере выкачивания из-под колокола воздуха мы обнаружим, что звук от звонка будет становиться все слабее и слабее, пока не прекратится совсем.

Звук в газах . Известно, что во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через некоторое время слышим раскаты грома (рис. 52). Это запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе значительно меньше скорости света, идущего от молнии.

Скорость звука в воздухе впервые была измерена в 1636 г. французским ученым М. Мерсенном. При температуре 20 °С она равна 343 м/с, т.е. 1235 км/ч. Заметим, что именно до такого значения уменьшается на расстоянии 800 м скорость пули, вылетевшей из пулемета Калашникова (ПК). Начальная скорость пули 825 м/с, что значительно превышает скорость звука в воздухе. Поэтому человек, услышавший звук выстрела или свист пули, может не беспокоиться: эта пуля его уже миновала. Пуля обгоняет звук выстрела и достигает своей жертвы до того, как приходит этот звук.

Скорость звука зависит от температуры среды: с увеличением температуры воздуха она возрастает, а с уменьшением - убывает. При 0 °С скорость звука в воздухе составляет 331 м/с.

В разных газах звук распространяется с разной скоростью. Чем больше масса молекул газа, тем меньше скорость звука в нем. Так, при температуре 0 °С скорость звука в водороде 1284 м/с, в гелии - 965 м/с, а в кислороде - 316 м/с.

Звук в жидкостях . Скорость звука в жидкостях, как правило, больше скорости звука в газах. Скорость звука в воде впервые была измерена в 1826 г. Ж- Колладоном и Я. Штурмом. Свои опыты они проводили на Женевском озере в Швейцарии (рис. 53). На одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в колокол, опущенный в воду. Звук этого колокола с помощью специального рупора, также опущенного в воду, улавливался на другой лодке, которая находилась на расстоянии 14 км от первой. По интервалу времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука в воде. При температуре 8 °С она оказалась равной примерно 1440 м/с.

На границе между двумя разными средами часть звуковой волны отражается, а часть проходит дальше. При переходе звука из воздуха в воду 99,9 % звуковой энергии отражается назад, однако давление в прошедшей в воду звуковой волне оказывается почти в 2 раза больше. Слуховой аппарат рыб реагирует именно на это. Поэтому, например, крики и шумы над поверхностью воды являются верным способом распугать морских обитателей. Человека же, оказавшегося под водой, эти крики не оглушат: при погружении в воду в его ушах останутся воздушные "пробки", которые и спасут его от звуковой перегрузки.

При переходе звука из воды в воздух снова отражается 99,9 % энергии. Но если при переходе из воздуха в воду звуковое давление увеличивалось, то теперь оно, наоборот, резко уменьшается. Именно по этой причине, например, не доходит до человека в воздухе звук, возникающий под водой при ударе одним камнем о другой.

Такое поведение звука на границе между водой и воздухом дало основание нашим предкам считать подводный мир "миром молчания". Отсюда же и выражение: "Нем как рыба". Однако еще Леонардо да Винчи предлагал слушать подводные звуки, приложив ухо к веслу, опущенному в воду. Воспользовавшись таким способом, можно убедиться, что рыбы на самом деле довольно болтливы.

Звук в твердых телах . Скорость звука в твердых телах больше, чем в жидкостях и газах. Если вы приложите ухо к рельсу, то после удара по другому концу рельса вы услышите два звука. Один из них достигнет вашего уха по рельсу, другой - по воздуху.

Хорошей проводимостью звука обладает земля. Поэтому в старые времена при осаде в крепостных стенах помещали "слухачей", которые по звуку, передаваемому землей, могли определить, ведет ли враг подкоп к стенам или нет. Прикладывая ухо к земле, также следили за приближением вражеской конницы.

Твердые тела хорошо проводят звук. Благодаря этому люди, потерявшие слух, иной раз способны танцевать под музыку, которая доходит до их слуховых нервов не через воздух и наружное ухо, а через пол и кости.

1. Почему во время грозы мы сначала видим молнию и лишь потом слышим гром? 2. От чего зависит скорость звука в газах? 3. Почему человек, стоящий на берегу реки, не слышит звуков, возникающих под водой? 4. Почему "слухачами", которые в древние времена следили за земляными работами противника, часто были слепые люди?

Экспериментальное задание . Положив на один конец доски (или длинной деревянной линейки) наручные часы, приложите ухо к другому ее концу. Что вы слышите? Объясните явление.

С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс

Отослано читателями из интернет-сайтов

Планирование физики, планы конспектов уроков физики, школьная программа, учебники и книги по физике 8 класс, курсы и задание по физике для 8 класса

Предисловие.

Звук – это распространяющиеся в упругих средах – газах, жидкостях и твёрдых телах – механические колебания, воспринимаемые органами слуха.

Теперь немного поразмышляем. Если, например, в горах упал камень, а рядом не было никого, кто мог бы слышать звук его падения, существовал звук или нет? На вопрос можно ответить и положительно и отрицательно в равной степени, так как слово «звук» имеет двоякое значение. Поэтому нужно условиться, что же считать звуком – физическое явление в виде распространения звуковых колебаний в воздухе или ощущения слушателя. Первое по существу является причиной, второе следствием, при этом первое понятие о звуке – объективное, второе – субъективное.

В первом случае звук действительно представляет собой поток энергии, текущей подобно речному потоку. Такой звук может изменить среду, через которую он проходит, и сам изменяется ею. Во втором случае под звуком мы понимаем те ощущения, которые возникают у слушателя при воздействии звуковой волны через слуховой аппарат на мозг. Слыша звук, человек может испытывать различные чувства. Самые разнообразные эмоции вызывает у нас тот сложный комплекс звуков, который мы называем музыкой . Звуки составляют основу речи , которая служит главным средством общения в человеческом обществе. И, наконец, существует такая форма звука, как шум . Анализ звука с позиций субъективного восприятия более сложен, чем при объективной оценке.

Распространение звука в пространстве и его воздействие на органы слуха человека.

При достижении звуковой волной какой-либо точки пространства, частицы вещества, до того не совершавшие упорядоченных движений, начинают колебаться. Любое движущееся тело, в том числе и колеблющееся, способно совершать работу, то есть оно обладает энергией. Следовательно, распространение звуковой волны сопровождается распространением энергии. Источником этой энергии является колеблющееся тело, которое и излучает в окружающее пространство(вещество) энергию.

Органы слуха человека способны воспринимать колебания с частотой от 15-20 герц до 16-20 тысяч герц. Механические колебания с указанными частотами называются звуковыми или акустическими(акустика – учение о звуке)

Итак, звук – это волновой колебательный процесс, происходящий в упругой среде и вызывающий слуховое ощущение. Однако восприимчивость человека к звукам избирательна, поэтому мы говорим о слышимых и неслышимых звуках. Совокупность тех и других в общем напоминает спектр солнечных лучей, в котором есть видимая область – от красного до фиолетового цвета и две невидимые – инфракрасная и ультрафиолетовая. По аналогии с солнечным спектром звуки, которые не воспринимаются человеческим ухом, называются инфразвуками , ультразвуками и гиперзвуками .

Что же происходит в органах слуха с различными системами и процессами преобразования слуха? Рассмотрим строение слухового аппарата человека.

Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода, соединяющих её с барабанной перепонкой. Основная функция наружного уха – определение направления на источник звука. Слуховой проход представляющий сужающуюся внутрь трубку длиной в два сантиметра, предохраняет внутренние части уха и играет роль резонатора. Слуховой проход заканчивается барабанной перепонкой – мембраной, которая колеблется под действием звуковых волн. Именно здесь, на внешней границе среднего уха, и происходит преобразование объективного звука в субъективный. За барабанной перепонкой расположены три маленьких соединённых между собой косточки: молоточек, наковальня и стремя, с помощью которых колебания передаются внутреннему уху.

Там, в слуховом нерве, они преобразуются в электрические сигналы. Малая полость, где находится молоточек, наковальня и стремя, наполнена воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой трубой. Благодаря последней поддерживается одинаковое давление на внутреннюю и внешнюю сторону барабанной перепонки. Обычно евстахиева труба закрыта, а открывается лишь при внезапном изменении давления(при зевании, глотании) для выравнивания его. Если у человека евстахиева труба закрыта, например, в связи с простудным заболеванием, то давление не выравнивается, и человек ощущает боль в ушах.

Сила, действующая на барабанную перепонку, равна произведению давления на площадь барабанной перепонки.

Но настоящие таинства слуха начинаются с овального окна. Звуковые волны распространяются в жидкости (перилимфе ), которой наполнена улитка. Этот орган внутреннего уха, по форме напоминающий улитку, имеет длину три сантиметра и по всей длине разделён перегородкой на две части. Звуковые волны доходят до перегородки, огибают её и далее распространяются по направлению почти к тому же месту, где они впервые коснулись перегородки, но уже с другой стороны.

Перегородка улитки состоит из основной мембраны , очень толстой и тугой. Звуковые колебания создают на её поверхности волнообразную рябь, при этом гребни для разной частоты лежат в совершенно определённых участках мембраны.

Механические колебания преобразуются в электрические в специальном органе(органе Корти ), размещённом над верхней частью основной мембраны.

Над органом Корти расположена текториальная мембрана . Оба эти органа погружены в жидкость – эндолимфу и отделены от остальной части улитки мембраной Рейснера . Волоски, растущие из органа Корти почти пронизывают текториальную мембрану, и при возникновении звука они соприкасаются – происходит преобразование звука, теперь он закодирован в виде электрических сигналов.

Заметную роль в усилении нашей способности к восприятию звуков играет кожный покров и кости черепа, что обусловлено их хорошей проводимостью. Например, если приложить ухо к рельсу, то движение приближающегося поезда можно обнаружить задолго до его появления.

Свойства звука и его характеристики.

Основные физические характеристики звука – частота и интенсивность колебаний. Они и влияют на слуховое восприятие людей.

Периодом колебания называется время, в течение которого совершается одно полное колебание. Можно привести в пример качающийся маятник, когда он из крайнего левого положения перемещается в крайнее правое и возвращается обратно в исходное положение.

Частота колебаний – это число полных колебаний(периодов)за одну секунду. Эту единицу называют герцем (Гц). Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, то есть звук имеет более высокий тон . В соответствии с принятой международной системой единиц, 1000 Гц называется килогерцем (кГц), а 1.000.000 – мегагерцем (МГц).

Распределение по частотам: слышимые звуки – в пределах 15Гц-20кГц, инфразвуки – ниже 15Гц; ультразвуки – в пределах 1,5·10 4 – 10 9 Гц; гиперзвуки - в пределах 10 9 – 10 13 Гц.

Ухо человека наиболее чувствительно к звукам с частотой от 2000 до 5000 кГц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возраст 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается.

С периодом и частотой колебаний связано понятие о длине волны. Длиной звуковой волны называется расстояние между двумя последовательными сгущениями или разрежениями среды. На примере волн, распространяющихся на поверхности воды, - это расстояние между двумя гребнями.

Звуки различаются также по тембру . Основной тон звука сопровождается второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте(обертона). Тембр – это качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается на основной тон, тем «сочнее» звук в музыкальном отношении.

Вторая основная характеристика – амплитуда колебаний . Это наибольшее отклонение от положения равновесия при гармонических колебаниях. На примере с маятником – максимальное отклонение его в крайнее левое положение, либо в крайнее правое положение. Амплитуда колебаний определяет интенсивность(силу) звука.

Сила звука, или его интенсивность, определяется количеством акустической энергии, протекающей за одну секунду через площадь в один квадратный сантиметр. Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от величины акустического давления, создаваемого источником в среде.

С интенсивностью звука в свою очередь связана громкость . Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако эти понятия не равнозначны. Громкость – это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковое по своей громкости слуховое восприятие. Каждый человек обладает своим порогом слышимости.

Звуки очень большой интенсивности человек перестаёт слышать и воспринимает их как ощущение давления и даже боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения.

Шум. Музыка. Речь.

С точки зрения восприятия органами слуха звуков, их можно разделить в основном на три категории: шум , музыка и речь . Это разные области звуковых явлений, обладающие специфической для человека информацией.

Шум – это бессистемное сочетание большого количества звуков, то есть слияние всех этих звуков в один нестройный голос. Считается, что шум – это категория звуков, которая мешает человеку или раздражает.

Люди выдерживают лишь определённую дозу шума. Но если проходит час – другой, и шум не прекращается, то появляется напряжение, нервозность и даже боль.

Звуком можно убить человека. В средние века существовала даже такая казнь, когда человека сажали под колокол и начинали в него бить. Постепенно колокольный звон убивал человека. Но это было в средние века. В наше время появились сверхзвуковые самолёты. Если такой самолёт пролетит над городом на высоте 1000-1500 метров, то в домах лопнут стёкла.

Музыка – это особое явление в мире звуков, но, в отличие от речи, она не передаёт точных смысловых или лингвистических значений. Эмоциональное насыщение и приятные музыкальные ассоциации начинаются в раннем детстве, когда у ребёнка ещё словесного общения. Ритмы и напевы связывают его с матерью, а пение и танцы являются элементом общения в играх. Роль музыки в жизни человека настолько велика, что в последние годы медицина приписывает ей целебные свойства.

С помощью музыки можно нормализовать биоритмы, обеспечить оптимальный уровень деятельности сердечно-сосудистой системы.

А ведь стоит лишь вспомнить, как солдаты идут в бой. Испокон веков песня была непременным атрибутом солдатского марша.

Речь – важнейшее средство мышления и общения людей. Речь состоит из более или менее длительных шумов и тонов, составляющих группы. Овладение речью происходит еще в младенческом возрасте, когда ребёнок еще только слушает и пытается воспроизвести самые несложные и легко произносимые слова: «мама» и «папа».

Законы распространения звука.

К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.

На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.

От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.

Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.

Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу – угол отражения равен углу падения – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.

Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция , то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.

Инфразвук, ультразвук, гиперзвук.

Инфразвук – упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 15-4- Гц; такое определение условно, поскольку при достаточной интенсивности слуховое восприятие возникает и на частотах в единицы Гц, хотя при этом исчезает тональный характер ощущения, и делаются различимыми лишь отдельные циклы колебаний. Нижняя частотная граница инфразвука неопределённа. В настоящее время область его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц. Таким образом диапазон инфразвуковых частот охватывает около 15-ти октав.

Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной среде, а также в земной коре(в этом случае их называют сейсмическими и их изучает сейсмология). К инфразвукам относятся также низкочастотные колебания крупногабаритных конструкций, в частности транспортных средств, зданий.

Основная особенность инфразвука, обусловленная его низкой частотой, - это малое поглощение. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны частоты 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на несколько Дб (децибелл). Из-за большой длины волны на инфразвуковых частотах мало и рассеяние звука в естественных средах; заметное рассеяние создают лишь очень крупные объекты – холмы, горы, крупные здания и др.. Вследствие малого поглощения и рассеяния инфразвук может распространяться на очень большие расстояния. Известно, что звуки извержения вулканов, атомных взрывов могут многократно обходить вокруг земного шара, сейсмические волны могут пересекать всю толщу Земли. По этим же причинам инфразвук почти невозможно изолировать, и все звукопоглощающие материалы теряют свою эффективность на инфразвуковых частотах.

Источниками инфразвука, связанными с человеческой деятельностью, являются взрывы, орудийные выстрелы, ударные волны от сверхзвуковых самолётов, акустическое излучение реактивных двигателей и др.. Всякий очень громкий звук несёт с собой, как правило, и инфразвуковую энергию. Характерно, что излучением инфразвука сопровождается процесс речеобразования. Существенный вклад в инфразвуковое загрязнение среду дают транспортные шумы как аэродинамического, так и вибрационного происхождения.

Установлено, что инфразвук с высоким уровнем интенсивности(120Дб и более) оказывает вредное влияние на человеческий организм. Ещё более вредными являются инфразвуковые вибрации, поскольку при их воздействии могут возникать опасные резонансные явления отдельных органов. Мощный инфразвук может вызывать разрушение и повреждение конструкций, оборудования. Вместе с тем инфразвук вследствие большой дальности распространения находит полезное практическое применение при исследовании океанической среды, верхних слоёв атмосферы, при определении места извержения или взрыва. Инфразвуковые волны, излучаемые при подводных извержениях, позволяют предсказать возникновение цунами.

Ультразвук – упругие волны с частотами приблизительно от (1,5 – 2)·10 4 Гц (15 – 20 кГц) до 10 9 Гц(1ГГц); область частотных волн от 10 9 до 10 12 – 10 13 Гц принято называть гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно подразделять на 3 диапазона: ультразвук низких частот(1,5·10 4 – 10 5 Гц), ультразвук средних частот(10 5 – 10 7 Гц), область высоких частот ультразвука(10 7 – 10 9 Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.

Ввиду малой длины волны ультразвука, характер его определяется прежде всего молекулярной структурой среды. Ультразвук в газе, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, - затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования ультразвука средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и в газах применяют ультразвук только низких частот.

Ультразвуковым волнам было найдено больше всего применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см 2 .

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).

Гиперзвук – это упругие волны с частотами от 10 9 до 10 12 – 10 13 Гц. По физической природе гиперзвук ничем не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшей, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде – с электронами проводимости, тепловыми фононами и др.. Гиперзвук также часто представляют как поток квазичастиц – фононов.

Область частот гиперзвука соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов(так называемые сверхвысокие частоты).Частота 10 9 Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре должна быть одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих же условиях. Однако упругие волны могут распространяться в среде только при условии, что их длина волны заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах. Поэтому в газах (в частности в воздухе) при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание гиперзвука очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в твёрдых телах – монокристаллах, особенно при низкой температуре. Но даже в таких условиях гиперзвук способен пройти расстояние лишь в 1, максимум 15 сантиметров.

План.

1. Распространение звука в пространстве и его воздействие на органы слуха человека.

2. Свойства звука и его характеристики.

3. Шум. Музыка. Речь.

4. Законы распространения звука.

5. Инфразвук, ультразвук, гиперзвук.

Список использованной литературы.

1.Хорбенко Иван Григорьевич: «За пределами слышимого»;2-е издание,1986г..

2.Клюкин Игорь Иванович: «Удивительный мир звука»;2-е издание, 1986г..

3. Кошкин Н. И., Ширкевич М.Г.: «Справочник по элементарной физике»; 10-е изд., 1988г.

4. Интернет: онлайн-библиотека Мошкова( www . lib . ru ). Научно-популярная литература, Физика – онлайн-энциклопедия в 5 томах, «З», ультразвук, инфразвук, гиперзвук. http://www.physicum.narod.r u

5. Рисунок – интернет:

http://www.melfon.ru/TOMSK/kvz.htm

Министерство Культуры Российской Федерации

Санкт-Петербургский Государственный Университет Кино и Телевидения

Вечернее отделение.

Контрольная работа

по дисциплине Введение в специальность

«Исследование звука. Основные свойства слуха

человека».

Выполнила студентка группы № 7252:

Принял декан вечернего отделения, доцент:

Тарасов Б.Н.

Санкт-Петербург 2002г.

Распространение звуковых волн

§ 53. Скорость звука (с ) в воздухе составляет около 350 м/сек. или 1260 км/ч. Скорость звука относительно постоянна 47 и не зависит от его интенсивности – громкие и тихие звуки "путешествуют" с одинаковой скоростью (но громкие дальше, так как интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника). Сгущение или разрежение воздуха, возникшее около источника звука, с течением времени распространяется в пространстве. Если источник звука  колеблющееся тело, звуковая волна за время, равное периоду колебаний тела Т, успевает пройти расстояние, равное произведению скорости звука на длительность периода. Это расстояние называется длиной звуковой волны (см. рис. 10) и обозначается греческой буквой "лямбда" ( = с * Т). Поскольку Т = 1/f (см. выше § 52), то эту формулу можно записать в виде  =с/ f , то есть длина волны прямо пропорциональна скорости распространения волн в данной среде (с) и обратно пропорциональна частоте колебаний (f).

Рисунок 10. Длина звуковой волны (КОК П1).

Простой (чистый) тон гармоническое колебание

§ 54. Речевые звуки представляют собой комплексные колебания, т.Е. Сложнейшие сочетания простых или чистых тонов и/или шумов.

Простой тон – это периодическое колебание, которое имеет только одну частоту колебания. Иначе простое периодическое колебание называется гармоническим .

Звуков такого рода в природе не существует, хотя имеются звуки очень близкие чистому тону. К ним относится, например, звук, издаваемый камертоном. Если ударить по стеблю камертона, то его ножки начинают смещаться из нейтрального положения, затем возвращаются в исходное положение под воздействием силы эластичности, затем, вследствие инерции, продолжают движение через точку покоя, затем обратно и т.д. (см. рис. 1.2, 1.3; 3.2, 3.8). Силы инерции и эластичности противонаправленны и действуют в любой момент движения, при этом то одна сильнее, то другая.

Рисунок 11. Схематическое изображение смещения усов камертона за полтора колебательных цикла. Положение 1 – состояние покоя; положение 2 – смещение внутрь под действием внешней силы, действие силы эластичности; положение 3 – возвращение в состояние покоя, действие силы эластичности уменьшается, а силы инерции увеличивается; положение 4 – смещение наружу, действие силы эластичности увеличивается, а силы инерции уменьшается; положение 5 – возвращение в состояние покоя, действие силы эластичности уменьшается, а силы инерции увеличивается (конец первого колебательного цикла); положение 6 – смещение внутрь, действие силы эластичности увеличивается, а силы инерции уменьшается; положение 7 – возвращение в состояние покоя, действие силы эластичности уменьшается, а силы инерции увеличивается.

Рисунок 12. Схематическое изображение изменений воздушного давления, вызванных вибрацией камертона (1.2 или КОК П3)

Движение камертона вызывает движение окружающих его молекул воздуха, которое можно сравнить с колебанием обыкновенных качелей (см. рис. 13). Движущиеся молекулы вызывают движение соседних молекул (как бы "подталкивают" их  см. рис. 14), в результате образуются последовательные сгущения и разрежения воздуха – звуковые волны. Звуковые волны распространяются концентрическими кругами, как волны от камня, брошенного в воду: сжатия и разрежения воздушной среды чередуются (см. рис. 15). Эти чередования давления во времени (в одной и той же точке) могут быть представлены в виде графика (осциллограммы) 48 , на котором время откладывается по горизонтальной оси, а давление – по вертикальной (см. рис. 16). Графиком простого периодического (гармонического) колебания является синусоида.

Рисунок 13. Распространение звуковых волн.

Каждая линия показывает положение 13 частиц воздуха в момент времени, несколько более поздний, чем линия сверху от данной. Неподвижные частицы изображены черточками, а движущиеся – стрелочками (чем жирнее стрелка, тем выше скорость движения) (1.3)

Рисунок 14. Схематическое изображение десяти частиц воздуха в 14 разных моментов времени. Источник звука находится слева, звуковые волны распространяются слева направо, время изменяется сверху вниз. Заметьте, что хотя звуковые волны (отражающиеся в виде сближения трех частиц) смещаются слева направо, сами частицы почти не изменяют своего положения. (3.8)

Рисунок 15. Звуковые волны, распространяющиеся от источника звука. (В идеале зоны сгущения и разрежения воздуха должны окружать источник звука в виде сфер, что невозможно показать на двухмерном рисунке). (3.9)

Рисунок 16. Осциллограмма. Сверху звук изображен в виде движений частичек воздуха, вызванных источником звука с частотой колебаний 350 Гц. На диаграмме внизу видно, что пики воздушного давления расположены в метре друг от друга, то есть на пространство в 350 метров (которое звук проходит за одну секунду – см. § 53) приходится 350 пиков. (8.1)

Вследствие действия силы трения точки наибольшего смещения частиц воздуха все больше приближаются к точке покоя: амплитуда колебания уменьшается, происходит затухание колебания (damping – см. рис. 17 и Б10), однако частота колебаний (количество полных циклов в единицу времени) остается постоянной.

Рисунок 17. Осциллограмма затухающего колебания (2.2).

Гармонические колебания могут различаться по частоте, амплитуде и фазе (см. рис. Б10 в Приложении Б или КОК П4).

Одна и та же среда может передавать множество звуков одновременно. При этом колебания (например, при наличии нескольких источников) могут взаимодействовать друг с другом. Если их частота совпадает, то амплитуда просто суммируется (и это по-прежнему простой тон) 49 (см. рис. 18а).

Рисунок 18. Результаты взаимодействия двух гармоник (сигнал 1 и сигнал 2), совпадающих по частоте, но различающихся по амплитуде (а) или фазе (b, с). Во всех случаях исходная частота остается прежней; изменяется амплитуда (а) или фаза (b). Результатом наложения двух гармоник, находящихся в противофазе, является отсутствие сигнала (с). (3.11)

Интересные факты: где быстрее распространяется звук?

Во время грозы сначала видна вспышка молнии и лишь через некоторое время слышатся раскаты грома. Это запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе значительно меньше скорости света, идущего от молнии. Любопытно вспомнить, в какой среде звук распространяется быстрее всего, а где вообще не распространяется?

Опыты и теоретические расчеты скорости звука в воздухе предпринимались ещё с XVII века, но только через два столетия французский ученый Пьер-Симон де Лаплас вывел окончательную формулу для её определения. Скорость звука зависит от температуры: с увеличением температуры воздуха она растёт, а с уменьшением - падает. При 0° скорость звука составляет 331 м/с (1192 км/ч), при +20° она уже равна 343 м/с (1235 км/ч).

Скорость звука в жидкостях, как правило, больше скорости звука в воздухе. Опыты по определению скорости впервые провели на Женевском озере в 1826 году. Два физика сели в лодки и разъехались на 14 км. На одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в колокол, опущенный в воду. Звук колокола с помощью специального рупора, также опущенного в воду, улавливался на другой лодке. По интервалу времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука в воде. При температуре +8° она оказалась равной примерно 1440 м/с. Люди, работающие в подводных сооружениях, подтверждают, что под водой отчетливо слышны береговые звуки, а рыбаки знают, что рыба уплывает при малейшем подозрительном шуме на берегу.

Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях и газах. К примеру, если приложить ухо к рельсу, то после удара по другому концу рельса человек услышит два звука. Один из них «придёт» до уха по рельсу, другой – по воздуху. Хорошей проводимостью звука обладает земля. Поэтому в стародавние времена при осаде в крепостных стенах помещали «слухачей», которые по звуку, передаваемому землёй, могли определить, ведет ли враг подкоп к стенам или нет, мчится конница или нет. Кстати, благодаря этому люди, потерявшие слух, иной раз способны танцевать под музыку, которая доходит до их слуховых нервов не через воздух и наружное ухо, а через пол и кости.

Скорость звука – скорость распространения упругих волн в среде как в продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и в поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах), определяется упругостью и плотностью среды. Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях. В жидкостях, в том числе в воде, звук мчится в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе. Скорость звука в газах зависит от температуры среды, в монокристаллах - от направления распространения волны.

МОСКВА, 16 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Всем известно, что в каждом доме своя слышимость. В одних домах люди даже не подозревают о существовании по соседству шумного ребенка и огромной овчарки, а в других можно проследить маршрут передвижения по квартире даже маленькой кошки.

Звуковая волна представляет собой колебания частиц, при которых происходит перенос энергии. То есть частицы меняют свое положение относительно равновесия, вибрируя вверх-вниз или влево-вправо. В воздухе частицы, помимо колебаний, находятся в постоянном хаотическом движении. Когда мы говорим, то заставляем молекулы воздуха колебаться с определенной частотой, которую регистрирует наш орган слуха. Благодаря беспорядочному движению молекул они быстрее, чем их "собратья" в твердом теле, "теряют" частоту, в пределах которой двигались ранее.

А что насчет твердых тел? Если ударить молотком по стене или полу дома, звуковая волна побежит по твердой конструкции, заставляя колебаться атомы или молекулы, из которых она состоит. Однако следует помнить, что в твердых телах частицы "упакованы" более плотно, так как они располагаются ближе друг к другу. И скорость звука в плотных средах в несколько раз выше, чем скорость звука в воздухе. При 25 градусах Цельсия средняя скорость его распространения 346 метров в секунду. А в бетоне это значение достигает 4250-5250 метров в секунду. Разница более чем в 12 раз! Неудивительно, что звуковая волна способна передаваться на большие расстояния именно в твердых телах, а не в воздухе.

Колебания молекул воздуха довольно слабы, поэтому их может поглотить толстая, например, бетонная стена. Конечно, чем она толще, тем качественнее изолирует обитателей квартиры от знакомства с секретами соседей.

Но если движение молекул воздуха остановит стена, то внутри нее звук промчится без преград. Колебания молекул твердых тел намного более "энергичны", поэтому без труда передают энергию воздушным средам. Предположим, человек на пятом этаже решил прибить полочку к стене. Движение сверла дрели заставляет колебаться молекулы, из которых состоит вся твердая поверхность. Сам человек слышит как воздушный шум, так и ударный. А вот его соседи парой этажей выше слышат только ударный шум, возникающий вследствие распространения звуковой волны по конструкции здания.

Допустим, соседи сверху топают, прыгают, стучат мячом до середины ночи, а еще их крупный кот любит перескакивать с полки шкафа на пол как раз над вашей головой. В этом случае людям обычно рекомендуют делать звукоизоляцию потолка. Но чаще всего она не помогает или помогает очень слабо. Почему? Просто звуковая волна при ударе распространяется по материалу. Она успешно побежит не только по потолку, но и по стенам и даже по полу. Поэтому для эффективной борьбы с шумом необходимо делать изоляцию всех стен комнаты. Конечно, загасить звуковую волну в самом начале намного проще и эффективнее. Ведь в случае возгорания полотенца, неудачно положенного рядом с конфоркой, мы тушим сразу полотенце, а не ждем, пока загорится вся кухня. Поэтому лучше сразу выбирать соседей сверху с шумоизолированным полом. Или при ремонте придется делать полную изоляцию спальни.

Серии многоквартирных домов можно разделить на кирпичные, блочные и железобетонные. А вот последние конструкции по технологии строительства делятся на панельные, монолитные и сборно-монолитные.

Когда строится панельный дом, плиты изготавливаются на заводах и доставляются на стройку, где рабочим остается только собрать из них нужную конструкцию. При малейшей нестыковке плит между квартирами возникают щели, через которые проходит звук. Да и толщина таких панелей чаще всего составляет 10-12 сантиметров, поэтому эти дома считаются одними из самых плохих в плане звукоизоляции.

Для монолитных домов строится арматурный каркас, а бетон заливается в уже собранную с помощью прочных щитов форму. Толщина стен подобных домов в среднем 20-40 сантиметров, поэтому разговоры соседей практически не слышны, но ударный шум легко распространяется по перекрытиям из-за их монолитности.

Кирпичные дома традиционно считаются самыми тихими и теплыми. Правда, с мечтой о чисто кирпичных домах жители крупных городов могут попрощаться, так как работы по их возведению требуют очень больших временных затрат. Хотя для строительства монолитных домов иногда используют также и кирпич, обкладывая им внешние стены и перегородки. Но на общую звукоизоляцию это влияет мало, поэтому любые монолитные дома считаются довольно шумными.

"Звукоизоляция сильно зависит и от материала, и от технологии. Для поглощения звуков должны использоваться различные пористые материалы. Например, в старых панельных домах, где звукоизоляции вообще не было, часто вешали ковры на стену и клали их на пол. Сейчас потребности в этом меньше и ковры из моды вышли, так как сильно собирают пыль. Существуют добавки в бетон, которые могут существенно уменьшить передаваемый по стенам шум. Однако ГОСТы и предписания не обязывают строительные компании добавлять в бетон звукопоглощающие добавки", — говорит Иван Завьялов, научный сотрудник кафедры прикладной механики МФТИ.

Современные постройки далеки от идеалов шумоизоляции. Чтобы быть полностью уверенным в круглосуточном покое и не зависеть от увлечений соседей, пожалуй, остается только приобрести частный дом.

Главная » Информация » Особенности распространения звука в различных средах. Теория звука и акустики понятным языком