14.6. Звуковые волны

Колеблющееся тело приводит в движение окружающую среду, в которой распространяются продольные, упругие волны (звук). Ухо человека воспринимает звук в диапазоне частот 20 – 16000 Гц. Упругие волны с частотой ниже 20 Гц называют инфразвуком. Упругие волны с частотой более 16000 Гц называют ультразвуком. Звуковые волны распространяются только в среде. Например, в безвоздушном пространстве звук не распространяется. Минимальный уровень мощности звуковой волны в диапазоне частот 400-1000 Гц, который может услышать человек, равен 10^-16Вт.

Скорость распространения звука различна в различных средах и зависит от температуры:

воздух при 0⁰С 330м/с

вода при 8⁰С 1435м/с

сталь при 0⁰С 5000м/с

При восприятии звука человеком можно выделить три качественных понятия:

• Громкость – качество звука, связанное с амплитудой колебаний. Энергия, переносимая волной, пропорциональна квадрату амплитуды (, рис.14.1). Для объективной оценки громкости звука физиком Генрихом Белом была введена единица громкости, называемая белом (Б).На практике часто используется десятая доля этой единицы, называемая децибелом (дБ). Уровень громкости по норме для человека составляет 30-40 дБ, что соответствует уровню громкости при спокойной беседе. Условный порог звукового давления составляет 2*10^-5Па. Диапазон, воспринимаемых ухом человека звуковых волн, соответствует громкости от 0 до 130 дБ.

• Высота тона – качество звука, соответствующее звучанию на определенной частоте колебаний, называемой основным тоном. Настройку музыкальных инструментов, например, проводят с помощью камертона ( U-образное по форме, металлическое устройство, излучающее звук определенной частоты). Чем больше размер тела, тем ниже основной тон звука, излучаемого им. По частоте основного тона человеческие голоса делят на бас, баритон, тенор и т.д..

• Тембр –качество звука, определяемое амплитудой и частотой накладываемых на основной тон высокочастотных колебаний, называемых обертонами. Тембр – это качество звука, позволяющее определить источник его образования. Это качество индивидуально для каждого человека.

Рис. 14.13. Основной тон и тембр голоса. Х – смещение, t – время. 1-тенор, 2 – бас.

Шум –это наложение звуковых волн различной частоты и примерно одинаковой амплитуды колебаний. Основной тон в шуме отсутствует.

На границе раздела двух сред звуковые волны испытывают частичное или полное отражение. Возвращение звуковой волны после отражения называют эхом. Явление отражения звука используют в технике. Наиболее широко используется ультразвук, имеющий короткую длину волны и малое затухание при прохождении звука в среде.

Использование ультразвука:

• Гидролокация – обнаружение предметов и определение расстояний от предмета до источника звука. Например, определение рельефа дна, косяков рыбы, айсбергов, подводных лодок, мин и т.д..

• Дефектоскопия –измерение времени от момента отправления ультразвукового сигнала источником И до момента приёма его приемником П. Появление нескольких отраженных сигналов свидетельствует о наличии в детали области, имеющей другую плотность, например, воздушную раковину.

Рис. 14.14. Обнаружение дефекта изделия путем сравнения времени прохождения ультразвуковой волны через образцовую и исследуемую деталь.

• Поиск полезных ископаемых – определение времени появления отраженного сигнала и анализ частоты отраженного сигнала.

• Ультразвуковые источники основного тона – отпугивание птиц, крыс, акул или привлечение их к определённому месту

• Исследование внутренних органов – проведение сканирования посылаемого и отраженного сигнала. Более плотные образования создают контраст изображения.

• Медицина – разрушение камней в печени и почках путем фокусирования сигнала от двух источников ультразвука в заданной точке на заданной частоте; лечение язв при внесении лекарства с источником ультразвука; ультразвуковой массаж; ультразвуковая очистка медицинских инструментов.

• Бытовая техника – ультразвуковая стиральная машина