Kas yra garso banga. Aplinkos sąlygų įtaka. Įprastų patalpų akustiniai parametrai

2016 m. vasario 18 d

Namų pramogų pasaulis yra gana įvairus ir gali apimti: filmų žiūrėjimą naudojant gerą namų kino sistemą; jaudinantis ir jaudinantis žaidimas arba klausantis muzikos. Paprastai kiekvienas šioje srityje randa kažką savo arba viską derina iš karto. Tačiau kad ir kokie būtų žmogaus tikslai organizuojant laisvalaikį ir į kokį kraštutinumą jie bebūtų, visas šias sąsajas tvirtai sieja vienas paprastas ir suprantamas žodis – „garsas“. Iš tiesų visais aukščiau minėtais atvejais mus už rankos ves garsas. Tačiau šis klausimas nėra toks paprastas ir trivialus, ypač tais atvejais, kai norima pasiekti aukštos kokybės garsą kambaryje ar bet kokiomis kitomis sąlygomis. Norėdami tai padaryti, ne visada būtina pirkti brangius hi-fi ar hi-end komponentus (nors tai bus labai naudinga), tačiau pakanka gerų fizinės teorijos žinių, kurios gali pašalinti daugumą bet kam kylančių problemų. kuris siekia gauti aukštos kokybės balso vaidybą.

Toliau bus nagrinėjama garso ir akustikos teorija fizikos požiūriu. IN tokiu atveju Pasistengsiu, kad tai būtų kuo labiau prieinama kiekvienam žmogui, kuris galbūt toli gražu nepažįsta fizinių dėsnių ar formulių, bet vis dėlto aistringai svajoja įgyvendinti svajonę sukurti tobulą akustinę sistemą. Nesiimu to sakyti, kad pasiekčiau gerų rezultatųšioje srityje, namuose (ar, pavyzdžiui, automobilyje), šias teorijas reikia gerai išmanyti, tačiau supratimas pagrindus leis išvengti daugybės kvailų ir absurdiškų klaidų, o taip pat leis pasiekti maksimalų garso efektą iš bet kokio lygio sistemos.

Bendroji garso teorija ir muzikos terminija

Kas tai garsas? Tai pojūtis, kurį suvokia klausos organas "ausis"(pats reiškinys egzistuoja be „ausies“ dalyvavimo procese, bet tai lengviau suprantama), kuris atsiranda, kai ausies būgnelis sužadinamas garso banga. Ausis šiuo atveju veikia kaip garso bangų „imtuvas“. skirtingus dažnius.
Garso banga iš esmės tai yra nuosekli įvairaus dažnio terpės (dažniausiai oro terpės normaliomis sąlygomis) sutankinimų ir išmetimų serija. Garso bangos yra svyruojančios, kurias sukelia ir sukuria bet kurio kūno vibracija. Klasikinės garso bangos atsiradimas ir sklidimas galimas trijose tampriose terpėse: dujinėje, skystoje ir kietoje. Kai vienoje iš šių erdvės tipų atsiranda garso banga, pačioje terpėje neišvengiamai įvyksta kai kurie pokyčiai, pavyzdžiui, keičiasi oro tankis arba slėgis, oro masės dalelių judėjimas ir kt.

Kadangi garso banga turi virpesių pobūdį, ji turi tokią charakteristiką kaip dažnis. Dažnis matuojamas hercais (vokiečių fiziko Heinricho Rudolfo Hertzo garbei), ir žymi svyravimų skaičių per tam tikrą laikotarpį, lygų vienai sekundei. Tie. pavyzdžiui, 20 Hz dažnis rodo 20 svyravimų ciklą per vieną sekundę. Subjektyvi jos aukščio samprata priklauso ir nuo garso dažnio. Kuo daugiau garso virpesių atsiranda per sekundę, tuo garsas pasirodo „aukštesnis“. Garso banga turi ir kitą svarbią savybę, kuri turi pavadinimą – bangos ilgis. Bangos ilgisĮprasta atsižvelgti į atstumą, kurį tam tikro dažnio garsas nukeliauja per laikotarpį, lygų vienai sekundei. Pavyzdžiui, žemiausio garso bangos ilgis žmogaus girdimo diapazone esant 20 Hz yra 16,5 metro, o aukščiausio garso bangos ilgis esant 20 000 Hz – 1,7 centimetro.

Žmogaus ausis sukurta taip, kad gebėtų suvokti bangas tik ribotame diapazone, maždaug 20 Hz - 20 000 Hz (priklausomai nuo konkretaus žmogaus savybių, kai kurie girdi šiek tiek daugiau, kiti mažiau) . Taigi, tai nereiškia, kad garsai, esantys žemiau ar virš šių dažnių, neegzistuoja, jie tiesiog nesuvokiami žmogaus ausimi, išeinantys už girdimo diapazono. Garsas virš girdimo diapazono vadinamas ultragarsu, vadinamas garsas žemiau girdimo diapazono infragarsas. Kai kurie gyvūnai sugeba suvokti ultra ir infra garsus, kai kurie netgi naudoja šį diapazoną orientuotis erdvėje (šikšnosparniai, delfinai). Jei garsas praeina per terpę, kuri tiesiogiai nesiliečia su žmogaus klausos organu, toks garsas gali būti negirdimas arba vėliau gali labai susilpnėti.

Muzikinėje garso terminologijoje yra tokių svarbių pavadinimų kaip oktava, tonas ir garso obertonas. oktava reiškia intervalą, kuriame dažnių santykis tarp garsų yra 1:2. Oktavą paprastai labai galima atskirti pagal klausą, o garsai šiame intervale gali būti labai panašūs vienas į kitą. Oktava taip pat gali būti vadinamas garsas, kuris per tą patį laiką suvibruoja dvigubai stipriau nei kitas garsas. Pavyzdžiui, 800 Hz dažnis yra ne kas kita, kaip aukštesnė 400 Hz oktava, o 400 Hz dažnis savo ruožtu yra kita garso oktava, kurios dažnis yra 200 Hz. Savo ruožtu oktava susideda iš tonų ir obertonų. Kintamus virpesius tokio paties dažnio harmoninėje garso bangoje žmogaus ausis suvokia kaip muzikinis tonas. Virpesiai aukštas dažnis gali būti interpretuojami kaip aukšti garsai, žemo dažnio vibracijos kaip žemo tono garsai. Žmogaus ausis geba aiškiai atskirti garsus, kurių skirtumas yra vieno tono (iki 4000 Hz diapazone). Nepaisant to, muzikoje naudojamas itin mažas tonų skaičius. Tai paaiškinama harmoninio sąskambio principo svarstymais, viskas remiasi oktavų principu.

Panagrinėkime muzikos tonų teoriją tam tikru būdu ištemptos stygos pavyzdžiu. Tokia styga, priklausomai nuo įtempimo jėgos, bus „suderinta“ į vieną konkretų dažnį. Kai ši styga yra veikiama kažko viena specifine jėga, dėl kurios ji vibruoja, bus nuosekliai stebimas vienas konkretus garso tonas ir išgirsime norimą derinimo dažnį. Šis garsas vadinamas pagrindiniu tonu. Pirmosios oktavos natos „A“ dažnis oficialiai priimtas kaip pagrindinis muzikos lauko tonas, lygus 440 Hz. Tačiau dauguma muzikos instrumentų niekada neatkuria vien grynų pagrindinių tonų, juos neišvengiamai lydi obertonai, vadinami obertonai. Čia dera priminti svarbų muzikinės akustikos apibrėžimą, garso tembro sampratą. Tembras- tai muzikos garsų ypatybė, suteikianti muzikos instrumentams ir balsams unikalų, atpažįstamą garso specifiškumą, net ir lyginant vienodo aukščio ir garsumo garsus. Kiekvieno muzikos instrumento tembras priklauso nuo garso energijos pasiskirstymo tarp obertonų tuo metu, kai skamba garsas.

Obertonai sudaro specifinį pagrindinio tono koloritą, pagal kurį galime lengvai atpažinti ir atpažinti konkretų instrumentą, taip pat aiškiai atskirti jo skambesį nuo kito instrumento. Yra dviejų tipų obertonai: harmoniniai ir neharmoniniai. Harmoniniai obertonai pagal apibrėžimą yra pagrindinio dažnio kartotiniai. Priešingai, jei obertonai nėra kartotiniai ir pastebimai nukrypsta nuo reikšmių, tada jie vadinami neharmoniškas. Muzikoje operavimas su keliais obertonais praktiškai neįtraukiamas, todėl terminas redukuojamas iki sąvokos „obertonas“, reiškiantis harmoniką. Kai kuriems instrumentams, pavyzdžiui, fortepijonui, net nespėja susiformuoti pagrindinis tonas, per trumpą laiką obertonų garso energija padidėja, o vėliau lygiai taip pat greitai mažėja. Daugelis instrumentų sukuria vadinamąjį „pereinamojo tono“ efektą, kai tam tikrų obertonų energija yra didžiausia tam tikru momentu, dažniausiai pačioje pradžioje, bet vėliau staigiai pasikeičia ir pereina prie kitų obertonų. Kiekvieno instrumento dažnių diapazonas gali būti nagrinėjamas atskirai ir paprastai apsiriboja pagrindiniais dažniais, kuriuos gali sukurti tas konkretus instrumentas.

Garso teorijoje taip pat yra tokia sąvoka kaip TRIUKŠMAS. Triukšmas- tai bet koks garsas, sukurtas derinant vienas su kitu nesuderinamus šaltinius. Visiems pažįstamas vėjo siūbuojančių medžių lapų garsas ir pan.

Kas lemia garso stiprumą? Akivaizdu, kad toks reiškinys tiesiogiai priklauso nuo garso bangos perduodamos energijos kiekio. Norint nustatyti kiekybinius garsumo rodiklius, yra sąvoka – garso intensyvumas. Garso intensyvumas apibrėžiamas kaip energijos srautas, einantis per tam tikrą erdvės plotą (pavyzdžiui, cm2) per laiko vienetą (pavyzdžiui, per sekundę). Įprasto pokalbio metu intensyvumas yra maždaug 9 arba 10 W/cm2. Žmogaus ausis geba suvokti garsus per gana platų jautrumo diapazoną, o dažnių jautrumas garso spektre yra nevienalytis. Taip geriausiai suvokiamas 1000 Hz – 4000 Hz dažnių diapazonas, kuris plačiausiai apima žmogaus kalbą.

Kadangi garsai labai skiriasi intensyvumu, patogiau laikyti jį logaritminiu dydžiu ir matuoti decibelais (pagal škotų mokslininką Alexanderį Grahamą Bellą). Apatinis žmogaus ausies klausos jautrumo slenkstis yra 0 dB, viršutinis - 120 dB, dar vadinamas " skausmo slenkstis"Viršutinė jautrumo riba žmogaus ausis taip pat nėra suvokiama vienodai, o priklauso nuo konkretaus dažnio. Žemo dažnio garsai turi būti daug didesnio intensyvumo nei aukšti, kad sukeltų skausmo slenkstį. Pavyzdžiui, skausmo slenkstis žemas 31,5 Hz dažnis atsiranda esant 135 dB garso stiprumo lygiui, kai 2000 Hz dažniu skausmo pojūtis pasireiškia jau 112 dB. Taip pat yra garso slėgio sąvoka, kuri iš tikrųjų praplečia įprastą garso stiprumo paaiškinimą. garso bangos sklidimas ore. Garso slėgis- tai kintamas perteklinis slėgis, atsirandantis elastingoje terpėje dėl garso bangos pratekėjimo per ją.

Garso banginė prigimtis

Norėdami geriau suprasti garso bangų generavimo sistemą, įsivaizduokite klasikinį garsiakalbį, esantį vamzdyje, pripildytame oro. Jei garsiakalbis staigiai juda į priekį, oras, esantis šalia difuzoriaus, akimirksniu suspaudžiamas. Tada oras išsiplės, taip stumdamas suspausto oro sritį išilgai vamzdžio.
Šis bangos judėjimas vėliau taps garsus, kai pasieks klausos organą ir „sujaudins“ ausies būgnelis. Kai dujose atsiranda garso banga, susidaro perteklinis slėgis ir perteklinis tankis, o dalelės juda pastoviu greičiu. Kalbant apie garso bangas, svarbu prisiminti faktą, kad medžiaga nejuda kartu su garso banga, o tik laikinai sutrikdo oro mases.

Jei įsivaizduosime stūmoklį, pakabintą laisvoje erdvėje ant spyruoklės ir kartojantį judesius „pirmyn ir atgal“, tai tokie svyravimai bus vadinami harmoniniais arba sinusiniais (jei bangą įsivaizduosime kaip grafiką, tokiu atveju gausime gryną sinusoidinis su pasikartojančiu kritimu ir pakilimu). Jei įsivaizduotume garsiakalbį vamzdyje (kaip aukščiau aprašytame pavyzdyje), atliekantį harmoninius virpesius, tai šiuo metu garsiakalbis juda „į priekį“ gaunamas gerai žinomas oro suspaudimo efektas, o kai garsiakalbis juda „atgal“ atsiranda priešingas retėjimo efektas. Tokiu atveju vamzdžiu pasklis kintamo suspaudimo ir retėjimo banga. Bus vadinamas atstumas išilgai vamzdžio tarp gretimų maksimumų arba minimumų (fazių). bangos ilgis. Jeigu dalelės svyruoja lygiagrečiai bangos sklidimo krypčiai, tai banga vadinama išilginis. Jeigu jie svyruoja statmenai sklidimo krypčiai, vadinasi banga skersinis. Paprastai garso bangos dujose ir skysčiuose yra išilginės, tačiau kietose medžiagose gali atsirasti abiejų tipų bangos. Skersinės bangos kietose medžiagose atsiranda dėl atsparumo formos pokyčiams. Pagrindinis skirtumas tarp šių dviejų bangų tipų yra tas, kad skersinė banga turi poliarizacijos savybę (svyravimai atsiranda tam tikroje plokštumoje), o išilginė – ne.

Garso greitis

Garso greitis tiesiogiai priklauso nuo terpės, kurioje jis sklinda, savybių. Jį lemia (priklauso) dvi terpės savybės: medžiagos elastingumas ir tankis. Garso greitis kietose medžiagose tiesiogiai priklauso nuo medžiagos tipo ir jos savybių. Greitis dujinėse terpėse priklauso tik nuo vieno terpės deformacijos tipo: suspaudimo-retėjimo. Slėgio pokytis garso bangoje vyksta be šilumos mainų su aplinkinėmis dalelėmis ir vadinamas adiabatiniu.
Garso greitis dujose daugiausia priklauso nuo temperatūros – didėja didėjant temperatūrai ir mažėja, kai temperatūra mažėja. Taip pat garso greitis dujinėje terpėje priklauso nuo pačių dujų molekulių dydžio ir masės - kuo mažesnė dalelių masė ir dydis, tuo didesnis bangos „laidumas“ ir, atitinkamai, greitis.

Skystose ir kietose terpėse garso sklidimo principas ir greitis yra panašūs į tai, kaip banga sklinda ore: suspaudimo-iškrovimo būdu. Tačiau šiose aplinkose, be tos pačios priklausomybės nuo temperatūros, gana svarbus yra terpės tankis ir jos sudėtis/struktūra. Kuo mažesnis medžiagos tankis, tuo didesnis garso greitis ir atvirkščiai. Priklausomybė nuo terpės sudėties yra sudėtingesnė ir nustatoma kiekvienu konkrečiu atveju, atsižvelgiant į molekulių/atomų vietą ir sąveiką.

Garso greitis ore esant t, °C 20: 343 m/s
Garso greitis distiliuotame vandenyje esant t, °C 20: 1481 m/s
Plieno garso greitis esant t, °C 20: 5000 m/s

Stovinčios bangos ir trukdžiai

Kai garsiakalbis sukuria garso bangas uždaroje erdvėje, neišvengiamai atsiranda bangų, kurios atsispindi nuo ribų, efektas. Dėl to dažniausiai taip nutinka trukdžių efektas- kai dvi ar daugiau garso bangų persidengia viena su kita. Ypatingi atvejai trukdžių reiškiniai yra: 1) plakančių bangų arba 2) stovinčių bangų susidarymas. Banga plaka- taip yra, kai atsiranda panašaus dažnio ir amplitudės bangų pridėjimas. Beats atsiradimo paveikslas: kai dvi panašaus dažnio bangos persidengia viena su kita. Tam tikru momentu, esant tokiam persidengimui, amplitudės smailės gali sutapti „fazėje“, o sumažėjimas taip pat gali sutapti „antifazėje“. Taip apibūdinami garso ritmai. Svarbu atsiminti, kad skirtingai nuo stovinčių bangų, smailių fazių sutapimai vyksta ne nuolat, o tam tikrais laiko intervalais. Ausiai šis dūžių modelis yra gana aiškiai išskiriamas ir girdimas atitinkamai kaip periodiškas garsumo padidėjimas ir sumažėjimas. Šio efekto atsiradimo mechanizmas yra itin paprastas: kai sutampa smailės, tūris didėja, o kai sutampa slėniai – mažėja.

Stovinčios bangos atsiranda dviejų tos pačios amplitudės, fazės ir dažnio bangų superpozicijos atveju, kai tokioms bangoms „susitikti“ viena juda į priekį, o kita – priešinga kryptimi. Erdvės srityje (kur susidarė stovinčioji banga) atsiranda dviejų dažnių amplitudių superpozicijos vaizdas su kintamomis maksimumais (vadinamaisiais antimazgais) ir minimumais (vadinamaisiais mazgais). Kai atsiranda šis reiškinys, bangos dažnis, fazė ir slopinimo koeficientas atspindžio vietoje yra nepaprastai svarbūs. Skirtingai nei keliaujančiose bangose, stovinčioje bangoje energijos perdavimas nevyksta dėl to, kad šią bangą formuojančios bangos pirmyn ir atgal perduoda energiją vienodais kiekiais tiek į priekį, tiek į priešingą pusę. Kad būtų aiškus įvykio supratimas stovinti banga, įsivaizduokime pavyzdį iš namų akustikos. Tarkime, kad kurioje nors ribotoje erdvėje (kambaryje) turime ant grindų statomų garsiakalbių sistemas. Priversdami juos groti kokią nors dainą didelė suma bosas, pabandykime pakeisti klausytojo vietą patalpoje. Taigi klausytojas, atsidūręs stovinčios bangos minimumo (atėmimo) zonoje, pajus efektą, kad boso yra labai mažai, o jei klausytojas atsidurs maksimalių (sudėtinių) dažnių zonoje, tada priešingai. gaunamas reikšmingo žemųjų dažnių regiono padidėjimo efektas. Šiuo atveju poveikis pastebimas visose bazinio dažnio oktavose. Pavyzdžiui, jei bazinis dažnis yra 440 Hz, tada „sudėties“ arba „atimties“ reiškinys taip pat bus stebimas esant 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz ir kt.

Rezonanso reiškinys

Dauguma kietųjų medžiagų turi natūralų rezonanso dažnį. Gana lengva suprasti šį efektą naudojant įprasto vamzdžio, atidaryto tik viename gale, pavyzdį. Įsivaizduokime situaciją, kai prie kito vamzdžio galo prijungtas garsiakalbis, kuris gali groti vienu pastoviu dažniu, kurį vėliau taip pat galima keisti. Taigi, vamzdis turi natūralų rezonanso dažnį, sakydamas paprasta kalba yra dažnis, kuriuo vamzdis „rezonuoja“ arba sukuria savo garsą. Jei garsiakalbio dažnis (dėl reguliavimo) sutampa su vamzdžio rezonanso dažniu, tada kelis kartus padidėja garsumo efektas. Taip atsitinka todėl, kad garsiakalbis sužadina oro stulpelio virpesius vamzdyje su didele amplitude, kol randamas tas pats „rezonansinis dažnis“ ir atsiranda papildymo efektas. Gautą reiškinį galima apibūdinti taip: vamzdis šiame pavyzdyje „padeda“ garsiakalbiui rezonuodamas konkrečiu dažniu, jų pastangos sumuojasi ir „pasiekia“ girdimą garsų efektą. Naudojant muzikos instrumentų pavyzdį, šį reiškinį galima nesunkiai pastebėti, nes daugumos instrumentų konstrukcijoje yra elementų, vadinamų rezonatoriais. Nesunku atspėti, kas padeda sustiprinti tam tikrą dažnį ar muzikinį toną. Pavyzdžiui: gitaros korpusas su rezonatoriumi skylės pavidalu, susiliejančiu su garsu; Fleitos vamzdžio (ir apskritai visų vamzdžių) konstrukcija; Cilindrinė būgno korpuso forma, kuri pati yra tam tikro dažnio rezonatorius.

Garso dažnių spektras ir dažnio atsakas

Kadangi praktikoje to paties dažnio bangų praktiškai nėra, reikia išskaidyti visą girdimo diapazono garso spektrą į obertonus arba harmonikas. Šiems tikslams yra grafikai, rodantys santykinės garso virpesių energijos priklausomybę nuo dažnio. Šis grafikas vadinamas garso dažnių spektro grafiku. Garso dažnių spektras Yra du tipai: diskretiniai ir nuolatiniai. Diskretaus spektro diagrama rodo atskirus dažnius, atskirtus tuščiomis erdvėmis. Ištisiniame spektre vienu metu yra visi garso dažniai.
Muzikos ar akustikos atveju dažniausiai naudojamas įprastas grafikas Amplitudės-dažnio charakteristikos(sutrumpintai kaip „AFC“). Šis grafikas parodo garso virpesių amplitudės priklausomybę nuo dažnio visame dažnių spektre (20 Hz - 20 kHz). Žiūrint į tokį grafiką nesunku suprasti, pavyzdžiui, stiprus arba silpnosios pusės konkretus garsiakalbis arba visa akustinė sistema, stipriausios energijos išėjimo sritys, dažnio kritimai ir padidėjimai, slopinimas, taip pat atsekti nuosmukio staigumą.

Garso bangų sklidimas, fazė ir antifazė

Garso bangų sklidimo procesas vyksta visomis kryptimis nuo šaltinio. Paprasčiausias pavyzdys šiam reiškiniui suprasti – į vandenį įmestas akmenukas.
Nuo tos vietos, kur nukrito akmuo, bangos pradeda sklisti vandens paviršiumi į visas puses. Tačiau įsivaizduokime situaciją naudojant garsiakalbį tam tikru garsu, tarkime, uždara dėžute, kuri yra prijungta prie stiprintuvo ir groja kažkokį muzikinį signalą. Nesunku pastebėti (ypač jei naudojate galingą žemo dažnio signalą, pvz., bosinį būgną), kad garsiakalbis greitai juda „pirmyn“, o paskui tą patį greitą judesį „atgal“. Belieka suprasti, kad kai garsiakalbis juda į priekį, jis skleidžia garso bangą, kurią išgirstame vėliau. Bet kas atsitinka, kai garsiakalbis pasislenka atgal? Ir paradoksalu, bet nutinka tas pats, garsiakalbis skleidžia tą patį garsą, tik mūsų pavyzdyje jis sklinda visiškai dėžutės tūrio ribose, neperžengdamas jo ribų (dėžutė uždaryta). Apskritai aukščiau pateiktame pavyzdyje galima pastebėti gana daug įdomių fizikinių reiškinių, iš kurių reikšmingiausias yra fazės samprata.

Garso banga, kurią garsiakalbis, būdamas garsu, skleidžia klausytojo kryptimi, yra „fazėje“. Atvirkštinė banga, kuri patenka į dėžutės tūrį, bus atitinkamai priešfazė. Belieka tik suprasti, ką reiškia šios sąvokos? Signalo fazė– tai garso slėgio lygis esamu laiko momentu tam tikrame erdvės taške. Paprasčiausias būdas suprasti fazę yra muzikinės medžiagos atkūrimo naudojant įprastą ant grindų stovinčią stereofoninę namų garsiakalbių sistemų porą. Įsivaizduokime, kad tam tikroje patalpoje sumontuotos dvi tokios ant grindų statomos kolonėlės ir groja. Šiuo atveju abi akustinės sistemos atkuria sinchroninį kintamo garso slėgio signalą, o vieno garsiakalbio garso slėgis pridedamas prie kito garsiakalbio garso slėgio. Panašus efektas atsiranda dėl signalo atkūrimo sinchroniškumo atitinkamai iš kairiojo ir dešiniojo garsiakalbių, kitaip tariant, kairiojo ir dešiniojo garsiakalbių skleidžiamų bangų smailės ir dugneliai sutampa.

Dabar įsivaizduokime, kad garso slėgiai vis dar kinta vienodai (nepasikeitė), bet tik dabar jie yra priešingi vienas kitam. Taip gali nutikti, jei vieną garsiakalbių sistemą iš dviejų prijungiate atvirkštiniu poliškumu („+“ laidas nuo stiprintuvo prijungiamas prie garsiakalbių sistemos „-“ gnybto, o „-“ laidas nuo stiprintuvo prie „+“ gnybto. garsiakalbių sistema). Tokiu atveju priešingas signalas sukels slėgio skirtumą, kurį skaičiais galima pavaizduoti taip: kairysis garsiakalbis sukurs „1 Pa“ slėgį, o dešinysis – „minus 1 Pa“. Dėl to bendras garso stiprumas klausytojo vietoje bus lygus nuliui. Šis reiškinys vadinamas antifaze. Jei pažvelgsime į pavyzdį išsamiau, kad suprastume, paaiškės, kad du garsiakalbiai, grojantys „fazėje“, sukuria identiškas oro sutankinimo ir retėjimo sritis, taip iš tikrųjų padėdami vienas kitam. Esant idealizuotai antifazei, vieno garsiakalbio sukurtą suspausto oro erdvės plotą lydės antrojo garsiakalbio sukurta retesnio oro erdvė. Tai atrodo maždaug kaip abipusio sinchroninio bangų panaikinimo reiškinys. Tiesa, praktiškai garsumas nenukrenta iki nulio, o girdėsime labai iškraipytą ir susilpnėjusį garsą.

Labiausiai prieinamas būdas apibūdinti šį reiškinį yra toks: du signalai su vienodais virpesiais (dažniu), bet pasislinkę laike. Atsižvelgiant į tai, patogiau įsivaizduoti šiuos poslinkio reiškinius naudojant įprasto apvalaus laikrodžio pavyzdį. Įsivaizduokime, kad ant sienos kabo keli vienodi apvalūs laikrodžiai. Kai antros šio laikrodžio rodyklės veikia sinchroniškai, viename laikrodyje 30 sekundžių, o kitame 30, tai yra fazinio signalo pavyzdys. Jei antros rodyklės juda su poslinkiu, bet greitis vis tiek išlieka toks pat, pavyzdžiui, viename laikrodyje jis yra 30 sekundžių, o kitame - 24 sekundės, tai yra klasikinis fazės poslinkio pavyzdys. Lygiai taip pat fazė matuojama laipsniais virtualiame apskritime. Tokiu atveju, kai signalai pasislenka vienas kito atžvilgiu 180 laipsnių (pusė periodo), gaunama klasikinė antifazė. Dažnai praktikoje atsiranda nedideli fazių poslinkiai, kuriuos taip pat galima nustatyti laipsniais ir sėkmingai pašalinti.

Bangos yra plokščios ir sferinės. Plokštumos bangos frontas sklinda tik viena kryptimi ir praktiškai sutinkamas retai. Sferinis bangos frontas yra paprastas bangų tipas, kilęs iš vieno taško ir sklindantis visomis kryptimis. Garso bangos turėti turtą difrakcija, t.y. gebėjimas apeiti kliūtis ir objektus. Lenkimo laipsnis priklauso nuo garso bangos ilgio santykio su kliūties ar skylės dydžiu. Difrakcija atsiranda ir tada, kai garso kelyje yra kokia nors kliūtis. Šiuo atveju galimi du scenarijai: 1) Jei kliūties dydis yra daug didesnis nei bangos ilgis, tai garsas atsispindi arba sugeriamas (priklausomai nuo medžiagos sugerties laipsnio, kliūties storio ir kt.). ), o už kliūties susidaro „akustinio šešėlio“ zona. 2) Jei kliūties dydis yra panašus į bangos ilgį arba net mažesnis už jį, tada garsas tam tikru mastu difraktuoja visomis kryptimis. Jei garso banga, judėdama vienoje terpėje, atsitrenkia į sąsają su kita terpe (pavyzdžiui, oro terpę su kietąja terpe), gali įvykti trys scenarijai: 1) banga atsispindės nuo sąsajos 2) banga. gali pereiti į kitą terpę nekeičiant krypties 3) banga gali pereiti į kitą terpę pasikeitus krypčiai ties riba, tai vadinama „bangų lūžiu“.

Garso bangos perteklinio slėgio ir virpesių tūrinio greičio santykis vadinamas bangos pasipriešinimu. Paprastais žodžiais, terpės banginė varža gali būti vadinamas gebėjimu sugerti garso bangas arba joms „atsispirti“. Atspindžio ir perdavimo koeficientai tiesiogiai priklauso nuo dviejų terpių bangų varžų santykio. Atsparumas bangoms dujinėje terpėje yra daug mažesnis nei vandenyje ar kietose medžiagose. Todėl, jei garso banga ore atsitrenkia į kietą objektą ar paviršių gilus vanduo, tada garsas arba atsispindi nuo paviršiaus, arba gerokai sugeriamas. Tai priklauso nuo paviršiaus storio (vandens ar kieta medžiaga), ant kurio krenta norima garso banga. Kai kietos ar skystos terpės storis mažas, garso bangos beveik visiškai „praeina“, ir atvirkščiai, kai terpės storis didelis, bangos dažniau atsispindi. Garso bangų atspindžio atveju šis procesas vyksta pagal gerai žinomą fizikinį dėsnį: „Nukritimo kampas lygus kampui atspindys". Tokiu atveju, kai banga iš mažesnio tankio terpės atsitrenkia į didesnio tankio terpės ribą, atsiranda reiškinys refrakcija. Jį sudaro garso bangos lenkimas (lūžis) „susitikus“ su kliūtimi, ir jį būtinai lydi greičio pasikeitimas. Refrakcija taip pat priklauso nuo terpės, kurioje vyksta atspindys, temperatūros.

Garso bangoms sklindant erdvėje neišvengiamai mažėja jų intensyvumas, galima sakyti, kad bangos susilpnėja, o garsas silpnėja. Praktiškai susidurti su panašiu efektu yra gana paprasta: pavyzdžiui, jei du žmonės stovi lauke artimas nuotolis(metras ar arčiau) ir pradėkite ką nors vienas kitam sakyti. Jei vėliau padidinsite atstumą tarp žmonių (jei jie pradės tolti vienas nuo kito), tas pats pokalbio garsumo lygis bus vis mažiau girdimas. Šis pavyzdys aiškiai parodo garso bangų intensyvumo mažėjimo reiškinį. Kodėl tai vyksta? To priežastis – įvairūs šilumos mainų procesai, molekulinė sąveika ir garso bangų vidinė trintis. Dažniausiai praktikoje garso energija paverčiama šilumine energija. Tokie procesai neišvengiamai kyla bet kurioje iš 3 garso sklidimo terpių ir gali būti apibūdinami kaip garso bangų sugertis.

Garso bangų sugerties intensyvumas ir laipsnis priklauso nuo daugelio veiksnių, tokių kaip terpės slėgis ir temperatūra. Sugertis taip pat priklauso nuo konkretaus garso dažnio. Kai garso banga sklinda per skysčius ar dujas, tarp skirtingų dalelių atsiranda trinties efektas, kuris vadinamas klampumu. Dėl šios trinties molekuliniame lygmenyje vyksta bangos konvertavimo iš garso į šilumą procesas. Kitaip tariant, kuo didesnis terpės šilumos laidumas, tuo mažesnis bangų sugerties laipsnis. Garso sugertis dujinėse terpėse taip pat priklauso nuo slėgio (atmosferos slėgis kinta didėjant aukščiui jūros lygio atžvilgiu). Kalbant apie sugerties laipsnio priklausomybę nuo garso dažnio, tai atsižvelgiant į minėtas klampos ir šilumos laidumo priklausomybes, kuo didesnis garso dažnis, tuo didesnis garso sugertis. Pavyzdžiui, kada normali temperatūra ir slėgį, ore 5000 Hz dažnio bangos sugertis yra 3 dB/km, o 50 000 Hz dažnio bangos sugertis bus 300 dB/m.

Kietoje terpėje visos aukščiau nurodytos priklausomybės (šilumos laidumas ir klampumas) išsaugomos, tačiau prie to pridedamos dar kelios sąlygos. Jie siejami su kietų medžiagų molekuline struktūra, kuri gali būti skirtinga, su savo nehomogeniškumu. Priklausomai nuo šios vidinės kietos molekulinės struktūros, garso bangų sugertis šiuo atveju gali būti skirtinga ir priklauso nuo konkrečios medžiagos tipo. Kai garsas praeina per kietą kūną, banga patiria daugybę transformacijų ir iškraipymų, o tai dažniausiai lemia garso energijos sklaidą ir absorbciją. Molekuliniame lygmenyje gali atsirasti dislokacijos efektas, kai garso banga sukelia atominių plokštumų poslinkį, kuris vėliau grįžta į pradinę padėtį. Arba išnirimų judėjimas sukelia susidūrimą su joms statmenomis dislokacijomis arba kristalinės struktūros defektais, dėl kurių atsiranda jų slopinimas ir dėl to tam tikras garso bangos sugertis. Tačiau garso banga taip pat gali rezonuoti su šiais defektais, o tai sukels pradinės bangos iškraipymą. Garso bangos energija sąveikos su medžiagos molekulinės struktūros elementais momentu išsisklaido dėl vidinių trinties procesų.

Pabandysiu išsiaiškinti savybes klausos suvokimasžmogaus ir kai kurių garso sklidimo subtilybių bei ypatybių.

Garsas yra garso bangos, sukeliančios mažų oro dalelių, kitų dujų, skystų ir kietų terpių virpesius. Garsas gali kilti tik ten, kur yra medžiaga, nesvarbu, kokioje jos agregacijos būsenoje. Vakuuminėmis sąlygomis, kur nėra terpės, garsas nesklinda, nes nėra dalelių, kurios veiktų kaip garso bangų skirstytojai. Pavyzdžiui, erdvėje. Garsą galima modifikuoti, keisti, paversti kitomis energijos formomis. Taigi, garsas paverčiamas radijo bangomis arba elektros energija, gali būti perduodami dideliais atstumais ir įrašomi į informacines laikmenas.

Garso banga

Daiktų ir kūnų judesiai beveik visada sukelia vibracijas aplinką. Nesvarbu, ar tai vanduo, ar oras. Šio proceso metu pradeda vibruoti ir terpės dalelės, kurioms perduodamos kūno vibracijos. Kyla garso bangos. Be to, judesiai atliekami į priekį ir atgal, palaipsniui keičiant vienas kitą. Todėl garso banga yra išilginė. Jame niekada nėra šoninio judėjimo aukštyn ir žemyn.

Garso bangų charakteristikos

Kaip ir bet kuris fizikinis reiškinys, jie turi savo kiekius, kurių pagalba galima apibūdinti savybes. Pagrindinės garso bangos charakteristikos yra jos dažnis ir amplitudė. Pirmoji reikšmė rodo, kiek bangų susidaro per sekundę. Antrasis nustato bangos stiprumą. Žemo dažnio garsai turi žemo dažnio reikšmes ir atvirkščiai. Garso dažnis matuojamas hercais, o jei jis viršija 20 000 Hz, tada atsiranda ultragarsas. Gamtoje ir mus supančiame pasaulyje yra daugybė žemo ir aukšto dažnio garsų pavyzdžių. Lakštingalos čiulbėjimas, griaustinio griaustinis, kalnų upės ošimas ir kiti – tai skirtingi garso dažniai. Bangos amplitudė tiesiogiai priklauso nuo garso stiprumo. Garsas savo ruožtu mažėja didėjant atstumui nuo garso šaltinio. Atitinkamai, kuo toliau banga yra nuo epicentro, tuo mažesnė amplitudė. Kitaip tariant, garso bangos amplitudė mažėja tolstant nuo garso šaltinio.

Garso greitis

Šis garso bangos indikatorius tiesiogiai priklauso nuo terpės, kurioje ji sklinda, pobūdžio. Didelį vaidmenį čia vaidina ir drėgmė, ir oro temperatūra. Vidutinėmis oro sąlygomis garso greitis yra maždaug 340 metrų per sekundę. Fizikoje yra toks dalykas kaip viršgarsinis greitis, kuris visada yra didesnis už garso greitį. Tai greitis, kuriuo sklinda garso bangos, kai orlaivis juda. Lėktuvas juda viršgarsiniu greičiu ir netgi lenkia sukuriamas garso bangas. Dėl palaipsniui didėjančio slėgio už orlaivio susidaro smūginė garso banga. Šio greičio matavimo vienetas yra įdomus ir mažai žmonių tai žino. Jis vadinamas Mach. Mach 1 yra lygus garso greičiui. Jei banga sklinda 2 machų greičiu, ji sklinda dvigubai greičiau nei garso greitis.

Triukšmai

IN Kasdienybėžmonių yra nuolatiniai triukšmai. Triukšmo lygis matuojamas decibelais. Automobilių judėjimas, vėjas, lapų ošimas, besipynantys žmonių balsai ir kiti garsiniai garsai – mūsų kasdieniai palydovai. Bet į tokius garsus klausos analizatoriusžmogus turi savybę prie to priprasti. Tačiau yra ir reiškinių, su kuriais negali susidoroti net žmogaus ausies prisitaikymo gebėjimai. Pavyzdžiui, triukšmas, viršijantis 120 dB, gali sukelti skausmą. Garsiausias gyvūnas yra mėlynasis banginis. Kai jis skleidžia garsus, jis girdimas daugiau nei už 800 kilometrų.

Aidas

Kaip atsiranda aidas? Čia viskas labai paprasta. Garso banga turi galimybę atsispindėti nuo skirtingų paviršių: nuo vandens, nuo uolos, nuo sienų tuščioje patalpoje. Ši banga grįžta pas mus, todėl girdime antrinį garsą. Jis nėra toks aiškus kaip pradinis, nes dalis garso bangos energijos išsisklaido, kai ji keliauja kliūties link.

Echolokacija

Garso atspindys naudojamas įvairiems praktiniams tikslams. Pavyzdžiui, echolokacija. Jis pagrįstas tuo, kad ultragarso bangų pagalba galima nustatyti atstumą iki objekto, nuo kurio šios bangos atsispindi. Skaičiavimai atliekami matuojant laiką, per kurį ultragarsas nukeliauja į vietą ir grįžta atgal. Daugelis gyvūnų turi galimybę atlikti echolokaciją. Pavyzdžiui, šikšnosparniai ir delfinai jį naudoja ieškodami maisto. Echolokacija rado kitą pritaikymą medicinoje. Tiriant ultragarsu susidaro vaizdas Vidaus organai asmuo. Šio metodo pagrindas yra tai, kad ultragarsas, patekęs į kitą terpę nei oras, grįžta atgal, taip suformuodamas vaizdą.

Garso bangos muzikoje

Kodėl muzikos instrumentai skleidžia tam tikrus garsus? Gitaros, fortepijono, žemų būgnų ir trimitų tonai, žavus plonas fleitos balsas. Visi šie ir daugelis kitų garsų kyla dėl oro virpesių arba, kitaip tariant, dėl garso bangų atsiradimo. Tačiau kodėl muzikos instrumentų skambesys toks įvairus? Pasirodo, tai priklauso nuo kelių veiksnių. Pirmasis yra įrankio forma, antrasis - medžiaga, iš kurios jis pagamintas.

Pažvelkime į tai naudodami styginius instrumentus kaip pavyzdį. Palietus stygas, jos tampa garso šaltiniu. Dėl to jie pradeda vibruoti ir siųsti į aplinką skirtingus garsus. Žemą bet kurio styginio instrumento garsą lemia didesnis stygos storis ir ilgis, taip pat jos įtempimo silpnumas. Ir atvirkščiai, kuo tvirčiau ištempta styga, kuo ji plonesnė ir trumpesnė, tuo didesnis garsas gaunamas grojant.

Mikrofono veiksmas

Jis pagrįstas garso bangos energijos pavertimu elektros energija. Šiuo atveju srovės stiprumas ir garso pobūdis yra tiesiogiai priklausomi. Bet kurio mikrofono viduje yra plona metalinė plokštė. Veikiamas garso, jis pradeda atlikti svyruojančius judesius. Spiralė, prie kurios prijungta plokštė, taip pat vibruoja, todėl elektros. Kodėl jis pasirodo? Taip yra todėl, kad mikrofone taip pat yra įmontuoti magnetai. Spiralei svyruojant tarp savo polių susidaro elektros srovė, kuri eina spirale, o po to į garso kolonėlę (garsiakalbį) arba į įrangą, skirtą įrašymui į informacinę laikmeną (kasetę, diską, kompiuterį). Beje, panašios struktūros yra ir telefone esantis mikrofonas. Bet kaip mikrofonai veikia fiksuotoje ir Mobilusis telefonas? Pradinė fazė jiems tokia pati – žmogaus balso garsas perduoda savo virpesius į mikrofono plokštelę, vėliau viskas vyksta pagal aukščiau aprašytą scenarijų: spiralė, kuriai judant užsidaro du poliai, susidaro srovė. Kas toliau? Su laidiniu telefonu viskas daugmaž aišku – kaip ir mikrofone garsas, paverstas elektros srove, eina per laidus. Bet kaip su mobiliuoju telefonu ar, pavyzdžiui, racija? Tokiais atvejais garsas paverčiamas radijo bangų energija ir patenka į palydovą. Tai viskas.

Rezonanso reiškinys

Kartais susidaro sąlygos, kai fizinio kūno vibracijų amplitudė smarkiai padidėja. Taip nutinka dėl priverstinių svyravimų dažnio ir objekto (kūno) natūralaus virpesių dažnio verčių konvergencijos. Rezonansas gali būti naudingas ir žalingas. Pavyzdžiui, norint ištraukti automobilį iš duobės, jis užvedamas ir stumdomas pirmyn ir atgal, kad sukeltų rezonansą ir suteiktų automobiliui inerciją. Bet buvo ir atvejų neigiamų pasekmių rezonansas. Pavyzdžiui, Sankt Peterburge maždaug prieš šimtą metų po vieningai žygiuojančių karių sugriuvo tiltas.

APIBRĖŽIMAS

Garsas- jie sklinda elastingoje terpėje (dujinėje, skystoje, kietoje) ir turi žmogaus ausies suvokiamą dažnių diapazoną (nuo 16 Hz iki 20 kHz).

Dalelių virpesiai, sukeliantys tokio dažnio mechaninių bangų atsiradimą, vadinami akustinis, ir fizikos šaka, tirianti garso savybes ir jo sklidimo ypatybes – akustika.

Garso sklidimas ore prasideda nuo oro virpesių svyruojančio kūno paviršiuje. Kūnas, sukeliantis terpės tankio sutrikimą, vadinamas garso šaltinis. Garso šaltiniai gali būti kieti kūnai (muzikos instrumento styga, balso stygos, žemės pluta, medžių lapai), skysčiai (vandens srovė ar bangos vandens paviršiuje) ir dujos (oro čiurkšlės muzikos instrumentuose, vėjas). Dėl oro tankio svyravimų kaimyniniuose sluoksniuose pasislenka molekulės, o tai savo ruožtu paveikia jų kaimynus. Taip pradinis trikdymas perduodamas iš vieno terpės taško į kitą. Garso banga sukelia priverstines vibracijas žmogaus ausies būgnelyje, kurią registruoja smegenys.

Garso charakteristikos

Garsas keliauja iš galo. Garso greitis priklauso nuo sklidimo terpės ir jos būsenos. Pavyzdžiui, garso greitis ore esant temperatūrai yra 330 m/s, o vandenyje tokios pat temperatūros – 1500 m/s.

Gaminamas garsas vadinamas muzikiniu tonu. Triukšmas yra chaotiškas muzikinių tonų mišinys.

Garso garsumas nustatoma pagal garso bangos virpesių amplitudę.

Pikis priklauso nuo – kuo didesnis dažnis, tuo didesnis garsas.

Problemų sprendimo pavyzdžiai

1 PAVYZDYS

Pratimas	Nuo ledkalnio viršūnės nulūžo didelis ledo luitas ir įkrito į vandenį. Laive sumontuoti ir po vandeniu garsą priimantys instrumentai užfiksavo krentančio bloko purslą 10 sekundžių anksčiau, nei pasigirdo per orą pasiekęs kritimo garsas. Kokiu atstumu buvo ledkalnis nuo laivo?
Sprendimas	Homogeninėje terpėje garsas sklinda pastoviu greičiu, todėl atstumas, kurį ore nukeliauja garso bangos priekis: ir atstumas, kurį nuvažiuoja garso bangos priekis vandenyje: Laiko intervalas nuo garso įrašymo instrumentais iki krentančio bloko purslų: kad galėtume parašyti: koks yra atstumas nuo ledkalnio iki laivo: Naudodami lenteles nustatome garso greitį ore esant m/s ir garso greitį tos pačios temperatūros vandenyje, m/s. Paskaičiuokime:
Atsakymas	Ledkalnis buvo 4491 m atstumu nuo laivo.

2 PAVYZDYS

Pratimas

Į kasyklą įkrito akmuo. Kritimo garsą vyras išgirdo praėjus 6 s nuo kritimo pradžios. Raskite kasyklos gylį. Garso greitis 332 m/s.

Sprendimas

Užbaikime brėžinį nukreipdami koordinačių ašį akmens judėjimo kryptimi. Akmuo krenta nuo. Akmens kritimo gylis (jo koordinatė) laikui bėgant kinta pagal įstatymą: Šiuo metu akmuo krenta į koto dugną, akmens gylis bus lygus koto gyliui, todėl galime rašyti: kur yra laikas, kai nukrito akmuo: Garso bangos priekis juda tolygiai, todėl laikas, per kurį garsas pasiekia žmogų: Laikas, po kurio žmogus išgirdo garsą, yra lygus akmens kritimo kartų ir garso bangos fronto judėjimo sumai: Iš šios lygties nustatome veleno gylį. Perrašykime lygtį, išskirdami kvadratinę šaknį: Padėkime abi lygties puses kvadratu: Perrašykime lygtį taip: padauginkite abi lygties puses iš:

Garsas (garso banga ) –tai elastinga banga, kurią suvokia žmonių ir gyvūnų klausos organas. Kitaip tariant, garsas – elastingos terpės tankio (arba slėgio) svyravimų, atsirandančių terpės dalelėms sąveikaujant tarpusavyje, sklidimas.

Atmosfera (oras) yra viena iš tamprių terpių. Garso sklidimas ore paklūsta bendriesiems akustinių bangų sklidimo idealiose dujose dėsniams, taip pat turi savybių dėl oro tankio, slėgio, temperatūros ir drėgmės kintamumo. Garso greitis nustatomas pagal terpės savybes ir apskaičiuojamas naudojant tampriosios bangos greičio formules.

Yra dirbtinių ir natūralių šaltiniai garsas. Dirbtiniai skleidėjai apima:

Kietųjų kūnų vibracijos (muzikos instrumentų stygos ir garso plokštės, garsiakalbių difuzoriai, telefonų membranos, pjezoelektrinės plokštės);

Oro virpesiai riboto tūrio (vargonų vamzdžiai, švilpukai);

Perkusija (fortepijono klavišai, varpas);

Elektros srovė (elektroakustiniai keitikliai).

Natūralūs šaltiniai apima:

Sprogimas, griūtis;

Oro srautas aplink kliūtis (vėjas pučia pastato kampą, jūros bangos keterą).

Taip pat yra dirbtinių ir natūralių imtuvai garsas:

Elektroakustiniai keitikliai (mikrofonas ore, hidrofonas vandenyje, geofonas in Žemės pluta) ir kitus įrenginius;

Žmonių ir gyvūnų klausos aparatai.

Kai garso bangos sklinda, galimi bet kokio pobūdžio bangoms būdingi reiškiniai:

Atspindys nuo kliūties

Refrakcija ties dviejų terpių riba,

trukdžiai (papildymas),

difrakcija (lenkimas aplink kliūtis),

Sklaida (garso greičio medžiagoje priklausomybė nuo garso dažnio);

Sugertis (garso energijos ir intensyvumo sumažėjimas terpėje dėl negrįžtamo garso energijos pavertimo šiluma).

Objektyvios garso charakteristikos

Garso dažnis

Žmonėms girdimo garso dažnis svyruoja nuo 16 Hz prieš 16 - 20 kHz . Elastinės bangos su dažniu žemiau girdimas diapazonas paskambino infragarsas (įskaitant smegenų sukrėtimą), su aukštesnė dažnis – ultragarsu , o didžiausio dažnio tampriosios bangos yra hipergarsas .

Visą garso dažnių diapazoną galima suskirstyti į tris dalis (1 lentelė).

Triukšmas turi nuolatinį dažnių (arba bangų ilgių) spektrą žemo dažnio garso srityje (1, 2 lentelės). Nepertraukiamas spektras reiškia, kad dažniai gali turėti bet kokią reikšmę iš tam tikro intervalo.

Muzikinis , arba toninis , garsai turi tiesinį dažnių spektrą vidutinio dažnio ir iš dalies aukšto dažnio garso srityje. Likusią aukšto dažnio garso dalį užima švilpimas. Linijų spektras reiškia, kad muzikiniai dažniai turi tik griežtai apibrėžtas (atskiras) vertes nuo nurodyto intervalo.

Be to, muzikos dažnių intervalas yra padalintas į oktavas. oktava – tai dažnio intervalas, esantis tarp dviejų ribinių verčių, kurių viršutinė yra dvigubai didesnė už apatinę(3 lentelė)

Bendrosios oktavos dažnių juostos

Oktavos dažnių juostos	 min , Hz	 maks , Hz	 trečia , Hz

Garso, kurį sukuria žmogaus balso aparatas ir suvokia žmogaus klausos aparatas, dažnių intervalų pavyzdžiai pateikti 4 lentelėje.

Kontraltas, altas
Mecosopranas
Koloratūrinis sopranas

Kai kurių muzikos instrumentų dažnių diapazonų pavyzdžiai pateikti 5 lentelėje. Jie apima ne tik garso, bet ir ultragarso diapazoną.

Muzikinis instrumentas	Dažnis Hz
saksofonas

Gyvūnai, paukščiai ir vabzdžiai kuria ir suvokia kitų garsus dažnių diapazonus, o ne asmuo (6 lentelė).

Muzikoje kiekviena sinusoidinė garso banga vadinama paprastu tonu, arba tonas. Aukštis priklauso nuo dažnio: kuo didesnis dažnis, tuo aukštesnis tonas. Pagrindinis tonas sudėtingas muzikos garsas vadinamas atitinkamu tonu žemiausias dažnis savo spektre. Vadinami kitus dažnius atitinkantys tonai obertonai. Jei obertonai kartotiniai pagrindinio tono dažnis, tada vadinami obertonai harmoninė. Žemiausio dažnio obertonas vadinamas pirmąja harmonika, kitas su sekančia – antruoju ir pan.

Muzikos garsai su tuo pačiu pagrindiniu tonu gali skirtis tembras. Tembras priklauso nuo obertonų kompozicijos, jų dažnių ir amplitudių, jų kilimo garso pradžioje ir nuosmukio pabaigoje pobūdžio.

Garso greitis

Garsui įvairiose laikmenose galioja bendrosios formulės (22) – (25). Reikėtų atsižvelgti į tai, kad formulė (22) taikoma esant sausam atmosferos orui ir, atsižvelgiant į Puasono santykio, molinės masės ir universalios dujų konstantos skaitines reikšmes, gali būti parašyta taip:

Tačiau tikras atmosferos oras visada turi drėgmės, o tai turi įtakos garso greičiui. Taip yra dėl to, kad Puasono koeficientas  priklauso nuo vandens garų dalinio slėgio santykio ( p garai) Į Atmosferos slėgis (p). Drėgname ore garso greitis nustatomas pagal formulę:

.

Iš paskutinės lygties matyti, kad garso greitis drėgname ore yra šiek tiek didesnis nei sausame.

Skaitmeninius garso greičio įvertinimus, atsižvelgiant į atmosferos oro temperatūros ir drėgmės įtaką, galima atlikti naudojant apytikslę formulę:

Šie įvertinimai rodo, kad kai garsas sklinda horizontalia kryptimi ( 0 x) temperatūrai padidėjus 1 0 C garso greitis padidėja 0,6 m/s. Veikiant vandens garams, kurių dalinis slėgis ne didesnis kaip 10 Pa garso greitis padidėja mažiau nei 0,5 m/s. Tačiau apskritai esant didžiausiam galimam daliniam vandens garų slėgiui Žemės paviršiuje, garso greitis padidėja ne daugiau kaip 1 m/s.

Garso slėgis

Nesant garso, atmosfera (oras) yra netrikdoma terpė ir turi statinį atmosferos slėgį (
).

Kai garso bangos sklinda, prie šio statinio slėgio pridedamas papildomas kintamasis slėgis dėl kondensacijos ir oro retėjimo. Plokščiųjų bangų atveju galime rašyti:

Kur p garsas, maks- garso slėgio amplitudė,  - ciklinis garso dažnis, k – bangos skaičius. Vadinasi, atmosferos slėgis fiksuotame taške tam tikru metu tampa lygus šių slėgių sumai:

Garso slėgis yra kintamasis slėgis, lygus skirtumui tarp momentinio tikrojo atmosferos slėgio tam tikrame garso bangos sklidimo taške ir statinio atmosferos slėgio nesant garso:

Garso slėgis svyravimo periodo metu keičia savo reikšmę ir ženklą.

Garso slėgis beveik visada yra daug mažesnis nei atmosferos

Atsiradus jis tampa didelis ir proporcingas atmosferai smūginės bangos galingų sprogimų metu arba kai praskrieja reaktyvinis lėktuvas.

Garso slėgio vienetai yra tokie:

- paskalį SI
,

- baras GHS
,

- gyvsidabrio milimetro,

- atmosfera.

Praktikoje instrumentai matuoja ne momentinę garso slėgio vertę, o vadinamąjį efektyvus (arba srovė )garsas spaudimas . Tai lygu kvadratinė šaknis iš vidutinės momentinio garso slėgio kvadrato vertės tam tikrame erdvės taške tam tikru laiku

(44)

ir todėl dar vadinamas vidutinis kvadratinis garso slėgis . Pakeitę išraišką (39) į formulę (40), gauname:

. (45)

Garso varža

Garso (akustinis) atsparumas vadinamas amplitudės santykiuterpės dalelių garso slėgis ir vibracijos greitis:

. (46)

Fizinė garso pasipriešinimo reikšmė: skaičiais lygus garso slėgiui, sukeliančiam terpės dalelių virpesius vienetiniu greičiu:

SI garso varžos matavimo vienetas – paskalio sekundės vienam metrui:

.

Plokštumos bangos atveju dalelių virpesių greitis lygus

.

Tada (46) formulė bus tokia:

. (46*)

Taip pat yra dar vienas garso pasipriešinimo apibrėžimas, kaip terpės tankio ir garso greičio šioje terpėje sandauga:

. (47)

Tada tai fizinę reikšmę yra tai, kad jis skaičiais lygus terpės, kurioje tamprioji banga sklinda vienetiniu greičiu, tankiui:

.

Be akustinio atsparumo, akustika naudoja šią koncepciją mechaninis atsparumas (R m). Mechaninė varža yra periodinės jėgos amplitudės ir terpės dalelių virpesių greičio santykis:

, (48)

Kur S– garso skleidėjo paviršiaus plotas. Mechaninis atsparumas matuojamas niutonų sekundžių vienam metrui:

.

Garso energija ir galia

Garso bangai būdingi tokie pat energijos kiekiai kaip ir elastinei bangai.

Kiekvienas oro tūris, kuriame sklinda garso bangos, turi energiją, kuri yra svyruojančių dalelių kinetinės energijos ir terpės tampriosios deformacijos potencialios energijos suma (žr. (29) formulę).

Garso intensyvumas paprastai vadinamasgarso galia . Tai lygu

. (49)

Štai kodėl fizinė garso galios reikšmė yra panašus į energijos srauto tankio reikšmę: skaitinis lygus vidutinei energijos vertei, kurią banga per laiko vienetą perduoda skersiniu ploto vieneto paviršiumi.

Garso stiprumo vienetas yra vatas kvadratiniam metrui:

.

Garso intensyvumas yra proporcingas efektyvaus garso slėgio kvadratui ir atvirkščiai proporcingas garso (akustiniam) slėgiui:

, (50)

arba, atsižvelgiant į išraiškas (45),

, (51)

Kur R ak – akustinis atsparumas.

Garsą taip pat galima apibūdinti garso galia. Garso galia – bendras garso energijos kiekis, kurį šaltinis skleidžia per tam tikrą laiką per uždarą garso šaltinį supantį paviršių:

, (52)

arba, atsižvelgiant į (49) formulę,

. (52*)

Garso galia, kaip ir bet kuri kita, matuojama vatų:

.

Garsas – tai tamprios bangos terpėje (dažnai ore), kurios žmogaus ausiai nematomos, bet juntamos (banga veikia ausies būgnelį). Garso banga yra išilginė banga suspaudimas ir retinimas.

Jei sukursime vakuumą, ar sugebėsime atskirti garsus? Robertas Boyle'as 1660 metais įdėjo laikrodį į stiklinį indelį. Išsiurbęs orą jis negirdėjo jokio garso. Patirtis tai įrodo garsui sklisti reikalinga terpė.

Garsas taip pat gali sklisti per skystą ir kietą terpę. Akmenų smūgiai aiškiai girdimi po vandeniu. Padėkite laikrodį ant vieno medinės lentos galo. Padėję ausį prie kito galo, aiškiai girdėsite laikrodžio tiksėjimą.

Garso banga sklinda per medieną

Garso šaltinis būtinai yra svyruojantys kūnai. Pavyzdžiui, įprastos gitaros styga neskamba, bet kai tik priverčiame ją vibruoti, atsiranda garso banga.

Tačiau patirtis rodo, kad ne kiekvienas svyruojantis kūnas yra garso šaltinis. Pavyzdžiui, ant sriegio pakabintas svarelis neskleidžia garso. Faktas yra tas, kad žmogaus ausis suvokia ne visas bangas, o tik tas, kurios sukuria kūnus, svyruojančius nuo 16 Hz iki 20 000 Hz dažniu. Tokios bangos vadinamos garsas. Vadinami virpesiai, kurių dažnis mažesnis nei 16 Hz infragarsas. Vadinami virpesiai, kurių dažnis didesnis nei 20 000 Hz ultragarsu.

Garso greitis

Garso bangos sklinda ne akimirksniu, o tam tikru baigtiniu greičiu (panašiu į tolygaus judėjimo greitį).

Štai kodėl per perkūniją pirmiausia matome žaibą, tai yra šviesą (šviesos greitis daug didesnis už garso greitį), o tada pasigirsta garsas.

Garso greitis priklauso nuo terpės: kietose medžiagose ir skysčiuose garso greitis yra daug didesnis nei ore. Tai lentelėse išmatuotos konstantos. Didėjant terpės temperatūrai, garso greitis didėja, o mažėjant – mažėja.

Garsai skirtingi. Garsui apibūdinti įvedami specialūs dydžiai: garsumas, aukštis ir garso tembras.

Garso stiprumas priklauso nuo virpesių amplitudės: kuo didesnė virpesių amplitudė, tuo garsesnis. Be to, mūsų ausies garso stiprumo suvokimas priklauso nuo garso bangos virpesių dažnio. Aukštesnio dažnio bangos suvokiamos kaip garsesnės.

Garso bangos dažnis lemia tono aukštį. Kuo didesnis garso šaltinio vibracijos dažnis, tuo didesnį garsą jis sukuria. Žmogaus balsai yra suskirstyti į keletą garsų diapazonų.

Įvairių šaltinių garsai yra skirtingų dažnių harmoninių virpesių derinys. Ilgiausio periodo (žemiausio dažnio) komponentas vadinamas pagrindiniu tonu. Likę garso komponentai yra obertonai. Šių komponentų rinkinys sukuria garso spalvą ir tembrą. Balsų obertonų rinkinys skirtingi žmonės nors ir šiek tiek skiriasi, tai lemia konkretaus balso tembrą.

Aidas. Aidas susidaro dėl garso atspindžio nuo įvairių kliūčių – kalnų, miškų, sienų, didelių pastatų ir kt. Aidas atsiranda tik tada, kai atsispindėjęs garsas suvokiamas atskirai nuo iš pradžių pasakyto garso. Jei atspindinčių paviršių yra daug ir jie yra skirtingais atstumais nuo žmogaus, tai atsispindėjusios garso bangos jį pasieks skirtingu laiku. Tokiu atveju aidas bus daugkartinis. Kad aidas būtų girdimas, kliūtis turi būti 11 m atstumu nuo žmogaus.

Garso atspindys. Garsas atsispindi nuo lygių paviršių. Todėl naudojant ragelį garso bangos nėra išsklaidytos į visas puses, o formuoja siaurai nukreiptą spindulį, dėl kurio garso galia didėja ir jis pasklinda didesniu atstumu.

Kai kurie gyvūnai (pavyzdžiui, šikšnosparnis, delfinas) skleidžia ultragarso virpesius, tada suvokia nuo kliūčių atsispindėjusią bangą. Taip jie nustato vietą ir atstumą iki aplinkinių objektų.

Echolokacija. Tai būdas nustatyti kūnų vietą pagal nuo jų atsispindinčius ultragarso signalus. Plačiai naudojamas siuntime. Montuojamas laivuose sonarai- prietaisai povandeniniams objektams atpažinti ir dugno gyliui bei topografijai nustatyti. Garso skleidėjas ir imtuvas yra indo apačioje. Emiteris duoda trumpus signalus. Analizuodamas vėlavimo laiką ir grįžtančių signalų kryptį, kompiuteris nustato garsą atspindėjusio objekto padėtį ir dydį.

Ultragarsu aptinkami ir nustatomi įvairūs mašinos dalių pažeidimai (tuštumos, įtrūkimai ir kt.). Šiam tikslui naudojamas prietaisas vadinamas ultragarsinis defektų detektorius. Į tiriamąją dalį siunčiamas trumpų ultragarsinių signalų srautas, kuris atsispindi nuo jos viduje esančių nehomogeniškumo ir grįžęs patenka į imtuvą. Tose vietose, kur nėra defektų, signalai praeina per detalę be reikšmingo atspindžio ir imtuvo neregistruojami.

Ultragarsas plačiai naudojamas medicinoje diagnozuojant ir gydant tam tikras ligas. Skirtingai nuo rentgeno spindulių, jo bangos ne žalingas poveikis ant audinio. Diagnostinis ultragarso tyrimai(ultragarsas) leisti be chirurginė intervencija atpažinti patologiniai pokyčiai organai ir audiniai. Specialus prietaisas nukreipia ultragarso bangas, kurių dažnis nuo 0,5 iki 15 MHz iki tam tikra dalis kūno, jie atsispindi nuo tiriamo organo ir kompiuteris rodo jo vaizdą ekrane.

Infragarsui būdingas mažas sugertis įvairiose terpėse, dėl to infragarso bangos ore, vandenyje ir žemės plutoje gali sklisti labai dideliais atstumais. Šis reiškinys nustato praktinis naudojimas adresu vietų nustatymas stiprūs sprogimai arba šaudymo ginklo padėtis. Tai leidžia infragarso sklidimas dideliais atstumais jūroje stichinių nelaimių prognozės- cunamis. Medūzos, vėžiagyviai ir kt. geba suvokti infragarsus ir pajusti jų artėjimą dar gerokai prieš prasidedant audrai.