Елементи акустики Природа звуку

Розповсюджуючись у повітрі пружні хвилі, досягнув людського вуха, викликають специфічні відчуття звуку. Якщо частота цих хвиль лежить у межах від 16(20) до 20 000 Гц, то такі хвилі називаються звуковими.

Акустикою називається вчення про звук. Звукові хвилі або звук – це коливання пружного середовища, що сприймаються нашими органами слуху.

Акустика також займається і такими хвилями, які не сприймаються вухом звичайної людини. Пружні хвилі з частотою менше 20 Гц, називаються інфразвуком. Хвилі з частотою, що перевищує 20 000 Гц, називаються ультразвуком.

Звукові хвилі в рідинах і газах можуть бути тільки повздовжніми; в твердих тілах ще й поперечними. Для виникнення і поширення звукових хвиль необхідна наявність пружного середовища (тверде тіло, повітря, вода). Розріджене повітряне середовище не може передавати звукові коливання, так як молекули, що отримали від джерела звуку деяку кількість руху, не можуть передавати його направлено сусіднім молекулам, а розсіюють при випадкових співударах, котрими обмінюються в хаотичному тепловому русі.

У відсутності середовища (вакуум) – відсутні матеріальні частинки відповідальні за розповсюдження звукових хвиль.

Виникнення хвилі можливе, якщо середовище здійснює пружний опір деформаціям і має інерцію. Тіло здійснює опір деформаціям як повздовжнім – розтягу та стисненню, так і зсуву.

Звукові хвилі в середовищі створюються коливальним тілом. Коливання мембрани мікрофону (телефону) в прилягаючому шарі повітря створюють послідовність розрідження й стиснення розповсюджуючись у всі сторони.

Швидкість звуку в твердих тілах, рідинах, газах і її вимірювання.

У твердих тілах можуть поширюватися повздовжні та поперечні хвилі, швидкість поширення яких знаходиться відповідно за формулами:

де Е – модуль Юнга; – густина;– модуль зсуву.

У рідинах і газах можуть поширюватися тільки повздовжні хвилі. Швидкість звуку у рідинах визначається формулами

,

де – модуль об’много стиску;– адіабатичний коефіцієнт об’много стиску.

Залежність швидкості звуку від температури в газах (повітрі) приймає вид:

де відношення теплоємностей приp = const, V = const;

µ – молярна маса, R – універсальна газова стала.

Швидкість звуку в газах з підвищенням температури зростає, а також залежить віл величини , молекулярної маси, відсоткового складу та його вологості.

Найбільші швидкості звуку в твердих тілах, найменші – в газах. Швидкість звуку в твердих тілах для повздовжніх та поперечних хвиль різко відрізняється.

E > ,

Методи вимірювання швидкості звуку:

1. за допомогою ехо;

2. резонансні методи (метод стоячих хвиль);

3. метод фігур Ліссажу.

Об’єктивні і суб’єктивні характеристики звуку

Звук може бути охарактеризований двома системами фізичних величин: характеристик, які не залежать від особливостей фізіологічного сприйняття звуку людиною – об’єктивними і характеристиками, які спираються на фізіологічне сприйнятя звуку – суб’єктивними.

а) Об’єктивні характеристики звуку – це фізичні величини, які описують будь-який хвильовий процес:

1) частота звуку , вимірюється числом коливань за одиницю часу, частинок середовища, які беруть участь у хвильовому процесі;

2) густина потоку звукової енергії (інтенсивність звуку або сила звуку) – кількість енергії, яка переноситься звуковою хвилею за одиницю часу через одиничну ділянку в напрямку розповсюдження хвилі:

або

3) довжина звукової хвилі

4) швидкість звукової хвилі

б) Суб’єктивні характеристики звуку – це висота тону, гучність, тембр.

1) Висота тону – це суб’єктивна характеристика (оцінка) частоти звуку. Чим більша частота, тим вище тон сприйняття звуку.

2) Гучність – є суб’єктивною оцінкою інтенсивності (сили) звуку. Сприйняття інтенсивності залежить від частоти і амплітуди звуку, а також від природи середовища.

Досліди показують, що для кожної частоти в області чутних звуків (20 – 20·10³ Гц) має місце так званий поріг чутності. Це мінімальна інтенсивність, менше якої вухо не реагує на звук.

Гучність прийнято знаходити як lg відношення інтенсивності звуку деякої інтенсивності, прийнятої за вихідну:

I₀ – нульовий рівень гучності.

Одиниця гучності L називається белом. Звичайно на практиці гучність звуку виражається в децибелах (дб) – називається фоном.

(5-30)

3) Тембр – суб’єктивна оцінка спектрального складу звуку. Найбільш простим звуком є чистий тон (звук) – це слухове відчуття, отримане від простого гармонічного коливання.

Більш складні звуки являють собою суміш тонів, результатом суперпозиції чистих звуків з частотами ,,, …

Висота звуку визначається основною частотою .

Гармоніки з частотою ,, …створюють тембр звуку.