Ce este o undă sonoră. Influența condițiilor de mediu. Parametrii acustici ai încăperilor normale

18 februarie 2016

Lumea divertismentului acasă este destul de variată și poate include: vizionarea de filme pe un sistem home theater bun; un joc interesant și incitant sau să asculte muzică. De regulă, fiecare găsește ceva propriu în acest domeniu sau combină totul deodată. Dar oricare ar fi obiectivele unei persoane pentru a-și organiza timpul liber și orice extremă ajunge, toate aceste legături sunt strâns legate printr-un singur cuvânt simplu și ușor de înțeles - „sunet”. Într-adevăr, în toate cazurile de mai sus, vom fi conduși de mână de sunet. Dar această întrebare nu este atât de simplă și trivială, mai ales în cazurile în care există dorința de a obține un sunet de înaltă calitate într-o cameră sau în orice alte condiții. Pentru a face acest lucru, nu este întotdeauna necesar să cumpărați componente hi-fi sau hi-end scumpe (deși va fi foarte util), dar o bună cunoaștere a teoriei fizice este suficientă, ceea ce poate elimina majoritatea problemelor care apar oricui. care își propune să obțină actorie vocală de înaltă calitate.

În continuare, teoria sunetului și acustica va fi luată în considerare din punct de vedere al fizicii. ÎN în acest caz, Voi încerca să fac acest lucru cât mai accesibil pentru înțelegerea oricărei persoane care, poate, este departe de a cunoaște legile sau formulele fizice, dar totuși visează cu pasiune să realizeze visul de a crea un sistem acustic perfect. Nu mă presupun să spun asta pentru a realiza rezultate buneîn acest domeniu, acasă (sau într-o mașină, de exemplu), trebuie să cunoașteți aceste teorii în detaliu, dar înțelegerea elementelor de bază vă va permite să evitați multe greșeli stupide și absurde și, de asemenea, vă va permite să obțineți efectul sonor maxim. dintr-un sistem de orice nivel.

Teoria generală a sunetului și terminologia muzicală

Ce este sunet? Aceasta este senzația pe care o percepe organul auditiv "ureche"(fenomenul în sine există fără participarea „urechii” la proces, dar acest lucru este mai ușor de înțeles), care apare atunci când timpanul este excitat de o undă sonoră. În acest caz, urechea acționează ca un „receptor” al undelor sonore frecvente diferite.
Unda de sunet este în esență o serie secvențială de compactări și evacuări ale mediului (cel mai adesea mediul aerian în condiții normale) de diferite frecvențe. Natura undelor sonore este oscilativă, cauzată și produsă de vibrația oricărui corp. Apariția și propagarea unei unde sonore clasice este posibilă în trei medii elastice: gazos, lichid și solid. Atunci când o undă sonoră apare într-unul dintre aceste tipuri de spațiu, unele schimbări apar inevitabil în mediul însuși, de exemplu, o schimbare a densității sau presiunii aerului, mișcarea particulelor de masă de aer etc.

Deoarece o undă sonoră are o natură oscilativă, are o caracteristică precum frecvența. Frecvență măsurată în herți (în onoarea fizicianului german Heinrich Rudolf Hertz) și denotă numărul de oscilații pe o perioadă de timp egală cu o secundă. Acestea. de exemplu, o frecvență de 20 Hz indică un ciclu de 20 de oscilații într-o secundă. Conceptul subiectiv al înălțimii sale depinde și de frecvența sunetului. Cu cât apar mai multe vibrații sonore pe secundă, cu atât sunetul apare mai „mai înalt”. O undă sonoră are și o altă caracteristică importantă, care are un nume - lungimea de undă. Lungime de undă Se obișnuiește să se ia în considerare distanța pe care o parcurge un sunet de o anumită frecvență într-o perioadă egală cu o secundă. De exemplu, lungimea de undă a celui mai mic sunet din domeniul audibil uman la 20 Hz este de 16,5 metri, iar lungimea de undă a celui mai înalt sunet la 20.000 Hz este de 1,7 centimetri.

Urechea umană este concepută astfel încât să fie capabilă să perceapă undele doar într-un interval limitat, aproximativ 20 Hz - 20.000 Hz (în funcție de caracteristicile unei anumite persoane, unii sunt capabili să audă puțin mai mult, alții mai puțin) . Astfel, asta nu înseamnă că sunetele sub sau deasupra acestor frecvențe nu există, pur și simplu nu sunt percepute de urechea umană, trecând dincolo de intervalul audibil. Se numește sunetul peste intervalul audibil ecografie, se apelează sunetul sub intervalul audibil infrasunete. Unele animale sunt capabile să perceapă sunete ultra și infra, unele chiar folosesc acest interval pentru orientarea în spațiu (lilieci, delfini). Dacă sunetul trece printr-un mediu care nu este în contact direct cu organul auditiv uman, atunci este posibil ca un astfel de sunet să nu fie auzit sau să fie foarte slăbit ulterior.

În terminologia muzicală a sunetului, există denumiri atât de importante precum octava, tonul și tonul sunetului. Octavăînseamnă un interval în care raportul de frecvență dintre sunete este de 1 la 2. O octavă este de obicei foarte distinsă după ureche, în timp ce sunetele din acest interval pot fi foarte asemănătoare între ele. O octavă poate fi numită și un sunet care vibrează de două ori mai mult decât un alt sunet în aceeași perioadă de timp. De exemplu, frecvența de 800 Hz nu este altceva decât o octavă mai mare de 400 Hz, iar frecvența de 400 Hz este, la rândul său, următoarea octavă de sunet cu o frecvență de 200 Hz. Octava, la rândul ei, este formată din tonuri și tonuri. Vibrațiile variabile într-o undă sonoră armonică de aceeași frecvență sunt percepute de urechea umană ca tonul muzical. Oscilații frecventa inalta pot fi interpretate ca sunete înalte, vibrațiile de joasă frecvență ca sunete joase. Urechea umană este capabilă să distingă clar sunetele cu o diferență de un ton (în intervalul de până la 4000 Hz). În ciuda acestui fapt, muzica folosește un număr extrem de mic de tonuri. Acest lucru este explicat din considerentele principiului consonanței armonice; totul se bazează pe principiul octavelor.

Să luăm în considerare teoria tonurilor muzicale folosind exemplul unei coarde întinse într-un anumit mod. Un astfel de șir, în funcție de forța de tensiune, va fi „acordat” la o anumită frecvență. Când acest șir este expus la ceva cu o forță specifică, care îl face să vibreze, un anumit ton de sunet va fi observat în mod constant și vom auzi frecvența de acordare dorită. Acest sunet se numește tonul fundamental. Frecvența notei „A” a primei octave este acceptată oficial ca ton fundamental în domeniul muzical, egală cu 440 Hz. Cu toate acestea, cele mai multe instrumente muzicale nu reproduc niciodată tonuri fundamentale pure; ele sunt în mod inevitabil însoțite de armături numite acorduri. Aici este oportun să amintim o definiție importantă a acusticii muzicale, conceptul de timbru sonor. Timbru- aceasta este o caracteristică a sunetelor muzicale care conferă instrumentelor muzicale și vocilor specificitatea lor unică, recunoscută a sunetului, chiar și atunci când se compară sunete de aceeași înălțime și volum. Timbrul fiecărui instrument muzical depinde de distribuția energiei sonore între tonuri în momentul în care sunetul apare.

Hartonurile formează o colorare specifică a tonului fundamental, prin care putem identifica și recunoaște cu ușurință un anumit instrument, precum și să distingem clar sunetul acestuia de un alt instrument. Există două tipuri de tonuri: armonice și non-armonice. Tonuri armonice prin definiţie sunt multipli ai frecvenţei fundamentale. Dimpotrivă, dacă tonurile nu sunt multiple și se abat semnificativ de la valori, atunci ele se numesc nearmonici. În muzică, operarea cu mai multe tonuri este practic exclusă, astfel încât termenul este redus la conceptul de „harmonic”, adică armonic. Pentru unele instrumente, cum ar fi pianul, tonul fundamental nici măcar nu are timp să se formeze; într-o perioadă scurtă de timp, energia sonoră a harmonicelor crește, iar apoi scade la fel de rapid. Multe instrumente creează ceea ce se numește efect de „ton de tranziție”, unde energia anumitor tonuri este cea mai mare la un anumit moment în timp, de obicei chiar la început, dar apoi se schimbă brusc și trece la alte tonuri. Gama de frecvență a fiecărui instrument poate fi luată în considerare separat și este de obicei limitată la frecvențele fundamentale pe care instrumentul respectiv este capabil să le producă.

În teoria sunetului există și un astfel de concept precum ZGOMOT. Zgomot- acesta este orice sunet care este creat de o combinație de surse care sunt inconsecvente între ele. Toată lumea este familiarizată cu sunetul frunzelor copacilor care se legănă de vânt etc.

Ce determină volumul sunetului? Evident, un astfel de fenomen depinde direct de cantitatea de energie transferată de unda sonoră. Pentru a determina indicatorii cantitativi ai zgomotului, există un concept - intensitatea sunetului. Intensitatea sunetului este definit ca fluxul de energie care trece printr-o zonă a spațiului (de exemplu, cm2) pe unitatea de timp (de exemplu, pe secundă). În timpul conversației normale, intensitatea este de aproximativ 9 sau 10 W/cm2. Urechea umană este capabilă să perceapă sunete într-o gamă destul de largă de sensibilitate, în timp ce sensibilitatea frecvențelor este eterogenă în spectrul sonor. În acest fel, intervalul de frecvență 1000 Hz - 4000 Hz, care acoperă cel mai larg vorbirea umană, este cel mai bine perceput.

Deoarece sunetele variază atât de mult ca intensitate, este mai convenabil să ne gândim la el ca la o cantitate logaritmică și să o măsuram în decibeli (după omul de știință scoțian Alexander Graham Bell). Pragul inferior al sensibilității auditive a urechii umane este de 0 dB, cel superior este de 120 dB, numit și „ pragul durerii„Limita superioară a sensibilității, de asemenea, nu este percepută în mod egal de urechea umană, ci depinde de frecvența specifică. Sunetele de joasă frecvență trebuie să aibă o intensitate mult mai mare decât cele înalte pentru a provoca un prag de durere. De exemplu, pragul de durere la nivelul o frecvență scăzută de 31,5 Hz apare la un nivel de putere a sunetului este de 135 dB, când la o frecvență de 2000 Hz senzația de durere apare deja la 112 dB. Există și conceptul de presiune sonoră, care extinde de fapt explicația obișnuită a propagarea undei sonore în aer. Presiunea sonoră- este un exces de presiune variabil care apare într-un mediu elastic ca urmare a trecerii unei unde sonore prin acesta.

Natura ondulatorie a sunetului

Pentru a înțelege mai bine sistemul de generare a undelor sonore, imaginați-vă un difuzor clasic situat într-o conductă plină cu aer. Dacă difuzorul face o mișcare bruscă înainte, aerul din imediata apropiere a difuzorului este momentan comprimat. Aerul se va extinde apoi, împingând astfel regiunea de aer comprimat de-a lungul țevii.
Această mișcare a undei va deveni ulterior sunet când ajunge la organul auditiv și „excită” timpan. Când apare o undă sonoră într-un gaz, se creează o presiune în exces și o densitate în exces, iar particulele se mișcă cu o viteză constantă. Despre undele sonore, este important să ne amintim faptul că substanța nu se mișcă odată cu unda sonoră, ci are loc doar o perturbare temporară a maselor de aer.

Dacă ne imaginăm un piston suspendat în spațiu liber pe un arc și făcând mișcări repetate „înainte și înapoi”, atunci astfel de oscilații vor fi numite armonice sau sinusoidale (dacă ne imaginăm unda ca un grafic, atunci în acest caz vom obține un pur sinusoid cu scăderi și creșteri repetate). Dacă ne imaginăm un difuzor într-o țeavă (ca în exemplul descris mai sus) care efectuează oscilații armonice, atunci în momentul în care difuzorul se mișcă „înainte” se obține binecunoscutul efect de compresie a aerului, iar atunci când difuzorul se mișcă „înapoi” apare efectul opus al rarefării. În acest caz, un val de compresie și rarefacție alternativă se va propaga prin conductă. Se va numi distanța de-a lungul conductei dintre maximele sau minimele (fazele) adiacente lungime de undă. Dacă particulele oscilează paralel cu direcția de propagare a undei, atunci unda se numește longitudinal. Dacă ele oscilează perpendicular pe direcția de propagare, atunci se numește unda transversal. De obicei, undele sonore în gaze și lichide sunt longitudinale, dar în solide pot apărea unde de ambele tipuri. Undele transversale în solide apar datorită rezistenței la schimbarea formei. Principala diferență dintre aceste două tipuri de unde este că o undă transversală are proprietatea de polarizare (oscilațiile au loc într-un anumit plan), în timp ce o undă longitudinală nu o are.

Viteza sunetului

Viteza sunetului depinde direct de caracteristicile mediului în care se propagă. Este determinată (dependentă) de două proprietăți ale mediului: elasticitatea și densitatea materialului. Viteza sunetului în solide depinde direct de tipul de material și de proprietățile acestuia. Viteza în mediile gazoase depinde doar de un singur tip de deformare a mediului: compresie-rarefacție. Modificarea presiunii într-o undă sonoră are loc fără schimb de căldură cu particulele din jur și se numește adiabatică.
Viteza sunetului într-un gaz depinde în principal de temperatură - crește odată cu creșterea temperaturii și scade odată cu scăderea temperaturii. De asemenea, viteza sunetului într-un mediu gazos depinde de dimensiunea și masa moleculelor de gaz în sine - cu cât masa și dimensiunea particulelor sunt mai mici, cu atât „conductivitatea” undei este mai mare și, în consecință, cu atât viteza este mai mare.

În mediile lichide și solide, principiul de propagare și viteza sunetului sunt similare cu modul în care o undă se propagă în aer: prin compresie-descărcare. Dar în aceste medii, pe lângă aceeași dependență de temperatură, densitatea mediului și compoziția/structura acestuia sunt destul de importante. Cu cât densitatea substanței este mai mică, cu atât viteza sunetului este mai mare și invers. Dependența de compoziția mediului este mai complexă și este determinată în fiecare caz specific, ținând cont de localizarea și interacțiunea moleculelor/atomilor.

Viteza sunetului în aer la t, °C 20: 343 m/s
Viteza sunetului în apa distilată la t, °C 20: 1481 m/s
Viteza sunetului în oțel la t, °C 20: 5000 m/s

Unde stătătoare și interferențe

Când un difuzor creează unde sonore într-un spațiu restrâns, are loc inevitabil efectul undelor reflectate de la granițe. Ca urmare, acest lucru se întâmplă cel mai adesea efect de interferență- când două sau mai multe unde sonore se suprapun. Cazuri speciale fenomenele de interferenţă sunt formarea de: 1) Unde bătătoare sau 2) Unde staţionare. Bataile valurilor- este cazul când are loc adăugarea undelor cu frecvențe și amplitudini similare. Imaginea apariției bătăilor: când două valuri de frecvențe similare se suprapun. La un moment dat, cu o astfel de suprapunere, vârfurile de amplitudine pot coincide „în fază”, iar scăderile pot coincide și în „antifază”. Așa sunt caracterizate bătăile sonore. Este important de reținut că, spre deosebire de undele staționare, coincidențele de fază ale vârfurilor nu apar în mod constant, ci la anumite intervale de timp. Pentru ureche, acest model de bătăi se distinge destul de clar și este auzit ca o creștere periodică și, respectiv, o scădere a volumului. Mecanismul prin care apare acest efect este extrem de simplu: când vârfurile coincid, volumul crește, iar când văile coincid, volumul scade.

Valuri stătătoare apar în cazul suprapunerii a două unde de aceeași amplitudine, fază și frecvență, atunci când astfel de unde „se întâlnesc” una se mișcă în direcția înainte și cealaltă în direcția opusă. În zona spațiului (unde s-a format unda staționară), apare o imagine a suprapunerii a două amplitudini de frecvență, cu maxime alternând (așa-numitele antinoduri) și minime (așa-numitele noduri). Când apare acest fenomen, frecvența, faza și coeficientul de atenuare al undei la locul de reflexie sunt extrem de importante. Spre deosebire de undele care călătoresc, nu există un transfer de energie într-o undă staționară datorită faptului că undele înainte și înapoi care formează această undă transferă energie în cantități egale atât în ​​direcția înainte, cât și în direcția opusă. Pentru o înțelegere clară a apariției val în picioare, să ne imaginăm un exemplu din acustica casei. Să presupunem că avem sisteme de difuzoare pe podea într-un spațiu limitat (cameră). Făcându-i să cânte o melodie cu o cantitate mare bas, să încercăm să schimbăm locația ascultătorului în cameră. Astfel, un ascultător care se află în zona de minim (scădere) a unui val staționar va simți efectul că există foarte puțin bas, iar dacă ascultătorul se află într-o zonă de maxim (adăugare) frecvențe, atunci invers. se obține efectul unei creșteri semnificative a regiunii basului. În acest caz, efectul este observat în toate octavele frecvenței de bază. De exemplu, dacă frecvența de bază este de 440 Hz, atunci fenomenul de „adunare” sau „scădere” va fi observat și la frecvențe de 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz etc.

Fenomen de rezonanță

Majoritatea solidelor au o frecvență de rezonanță naturală. Este destul de ușor de înțeles acest efect folosind exemplul unei țevi obișnuite, deschisă la un singur capăt. Să ne imaginăm o situație în care un difuzor este conectat la celălalt capăt al conductei, care poate reda o frecvență constantă, care poate fi, de asemenea, schimbată ulterior. Deci, țeava are o frecvență de rezonanță naturală, spunând într-un limbaj simplu este frecvența la care țeava „rezonează” sau își produce propriul sunet. Dacă frecvența difuzorului (ca urmare a ajustării) coincide cu frecvența de rezonanță a conductei, atunci va avea loc efectul de creștere a volumului de mai multe ori. Acest lucru se întâmplă deoarece difuzorul excită vibrațiile coloanei de aer din conductă cu o amplitudine semnificativă până când se găsește aceeași „frecvență de rezonanță” și apare efectul de adăugare. Fenomenul rezultat poate fi descris după cum urmează: conducta din acest exemplu „ajută” difuzorul rezonând la o anumită frecvență, eforturile acestora se adună și „rezultă” într-un efect sonor puternic. Folosind exemplul instrumentelor muzicale, acest fenomen poate fi observat cu ușurință, deoarece designul majorității instrumentelor conține elemente numite rezonatoare. Nu este greu de ghicit ce servește scopului de a îmbunătăți o anumită frecvență sau ton muzical. De exemplu: un corp de chitară cu un rezonator sub forma unei găuri care se potrivesc cu volumul; Designul tubului flaut (și a tuturor țevilor în general); Forma cilindrică a corpului tamburului, care în sine este un rezonator cu o anumită frecvență.

Spectrul de frecvență al sunetului și răspunsul în frecvență

Deoarece în practică nu există practic unde de aceeași frecvență, devine necesară descompunerea întregului spectru sonor al gamei audibile în tonuri sau armonice. În aceste scopuri, există grafice care arată dependența energiei relative a vibrațiilor sonore de frecvență. Acest grafic se numește grafic cu spectru de frecvență a sunetului. Spectrul de frecvență al sunetului Există două tipuri: discrete și continue. Un grafic de spectru discret afișează frecvențele individuale separate prin spații goale. Spectrul continuu conține toate frecvențele sonore simultan.
În cazul muzicii sau acusticii, cel mai des este folosit graficul obișnuit Caracteristici amplitudine-frecvență(abreviat ca „AFC”). Acest grafic arată dependența amplitudinii vibrațiilor sonore de frecvență pe întregul spectru de frecvență (20 Hz - 20 kHz). Privind la un astfel de grafic, este ușor de înțeles, de exemplu, puternic sau părțile slabe un difuzor specific sau un sistem acustic în ansamblu, cele mai puternice zone de ieșire de energie, scăderi și creșteri de frecvență, atenuare și, de asemenea, urmăriți abruptul declinului.

Propagarea undelor sonore, fază și antifază

Procesul de propagare a undelor sonore are loc în toate direcțiile de la sursă. Cel mai simplu exemplu pentru a înțelege acest fenomen este o pietricică aruncată în apă.
Din locul unde a căzut piatra, valurile încep să se răspândească pe suprafața apei în toate direcțiile. Cu toate acestea, să ne imaginăm o situație folosind un difuzor la un anumit volum, să zicem o cutie închisă, care este conectată la un amplificator și redă un fel de semnal muzical. Este ușor de observat (mai ales dacă aplicați un semnal puternic de joasă frecvență, de exemplu o tobă) că difuzorul face o mișcare rapidă „înainte”, iar apoi aceeași mișcare rapidă „înapoi”. Ceea ce rămâne de înțeles este că atunci când difuzorul se mișcă înainte, emite o undă sonoră pe care o auzim mai târziu. Dar ce se întâmplă când difuzorul se mișcă înapoi? Și în mod paradoxal, se întâmplă același lucru, difuzorul scoate același sunet, doar că în exemplul nostru se propagă în întregime în volumul cutiei, fără a depăși limitele acesteia (cutia este închisă). În general, în exemplul de mai sus se pot observa destul de multe fenomene fizice interesante, dintre care cel mai semnificativ este conceptul de fază.

Unda sonoră pe care difuzorul, fiind în volum, o emite în direcția ascultătorului este „în fază”. Unda inversă, care intră în volumul cutiei, va fi în mod corespunzător antifază. Rămâne doar să înțelegem ce înseamnă aceste concepte? Faza semnalului– acesta este nivelul presiunii acustice la momentul actual în timp într-un anumit punct din spațiu. Cel mai simplu mod de a înțelege faza este prin exemplul de reproducere a materialului muzical printr-o pereche convențională de difuzoare stereo pe podea. Să ne imaginăm că două astfel de difuzoare pe podea sunt instalate într-o anumită cameră și se joacă. În acest caz, ambele sisteme acustice reproduc un semnal sincron de presiune sonoră variabilă, iar presiunea sonoră a unui difuzor se adaugă la presiunea sonoră a celuilalt difuzor. Un efect similar apare datorită sincronicității reproducerii semnalului de la difuzoarele din stânga și din dreapta, respectiv, cu alte cuvinte, vârfurile și dedesubturile undelor emise de difuzoarele din stânga și din dreapta coincid.

Acum să ne imaginăm că presiunile sonore încă se schimbă în același mod (nu au suferit modificări), dar abia acum sunt opuse una față de cealaltă. Acest lucru se poate întâmpla dacă conectați un sistem de difuzoare din două în polaritate inversă cablu ("+" de la amplificator la terminalul "-" al sistemului de difuzoare și cablul "-" de la amplificator la terminalul "+" al sistem de boxe). În acest caz, semnalul opus va provoca o diferență de presiune, care poate fi reprezentată în cifre după cum urmează: difuzorul din stânga va crea o presiune de „1 Pa”, iar difuzorul din dreapta va crea o presiune de „minus 1 Pa”. Ca rezultat, volumul total al sunetului la locația ascultătorului va fi zero. Acest fenomen se numește antifază. Dacă ne uităm la exemplu mai detaliat pentru înțelegere, se dovedește că două difuzoare care joacă „în fază” creează zone identice de compactare și rarefacție a aerului, ajutându-se astfel reciproc. În cazul unei antifaze idealizate, zona de spațiu de aer comprimat creat de un difuzor va fi însoțită de o zonă de spațiu de aer rarefiat creat de al doilea difuzor. Acesta arată aproximativ ca fenomenul de anulare reciprocă sincronă a undelor. Adevărat, în practică volumul nu scade la zero și vom auzi un sunet foarte distorsionat și slăbit.

Cel mai accesibil mod de a descrie acest fenomen este următorul: două semnale cu aceleași oscilații (frecvență), dar deplasate în timp. Având în vedere acest lucru, este mai convenabil să ne imaginăm aceste fenomene de deplasare folosind exemplul unui ceas rotund obișnuit. Să ne imaginăm că există mai multe ceasuri rotunde identice atârnate pe perete. Când secundele acestui ceas rulează sincron, pe un ceas 30 de secunde și pe celălalt 30 de secunde, atunci acesta este un exemplu de semnal care este în fază. Dacă mâinile secundelor se mișcă cu o schimbare, dar viteza este în continuare aceeași, de exemplu, pe un ceas este de 30 de secunde, iar pe altul este de 24 de secunde, atunci acesta este un exemplu clasic de schimbare de fază. În același mod, faza este măsurată în grade, în cadrul unui cerc virtual. În acest caz, atunci când semnalele sunt deplasate unul față de celălalt cu 180 de grade (jumătate de perioadă), se obține antifaza clasică. Adesea, în practică, apar schimbări minore de fază, care pot fi, de asemenea, determinate în grade și eliminate cu succes.

Undele sunt plane și sferice. Un front de undă plan se propagă într-o singură direcție și este rar întâlnit în practică. Un front de undă sferic este un tip simplu de undă care provine dintr-un singur punct și călătorește în toate direcțiile. Unde sonore au proprietatea difracţie, adică capacitatea de a ocoli obstacole și obiecte. Gradul de îndoire depinde de raportul dintre lungimea de undă a sunetului și dimensiunea obstacolului sau găurii. Difracția apare și atunci când există un obstacol în calea sunetului. În acest caz, sunt posibile două scenarii: 1) Dacă dimensiunea obstacolului este mult mai mare decât lungimea de undă, atunci sunetul este reflectat sau absorbit (în funcție de gradul de absorbție a materialului, grosimea obstacolului etc. ), iar în spatele obstacolului se formează o zonă de „umbră acustică”. 2) Dacă dimensiunea obstacolului este comparabilă cu lungimea de undă sau chiar mai mică decât aceasta, atunci sunetul difractează într-o oarecare măsură în toate direcțiile. Dacă o undă sonoră, în timp ce se deplasează într-un mediu, lovește interfața cu un alt mediu (de exemplu, un mediu aerian cu un mediu solid), atunci pot apărea trei scenarii: 1) unda va fi reflectată de la interfață 2) unda poate trece într-un alt mediu fără a schimba direcția 3) o undă poate trece într-un alt mediu cu o schimbare de direcție la limită, aceasta se numește „refracția undei”.

Raportul dintre presiunea în exces a unei unde sonore și viteza volumetrică oscilativă se numește rezistență a undei. Cu cuvinte simple, impedanța de undă a mediului poate fi numită capacitatea de a absorbi undele sonore sau de a le „rezist”. Coeficienții de reflexie și transmisie depind direct de raportul impedanțelor de undă ale celor două medii. Rezistența undelor într-un mediu gazos este mult mai mică decât în ​​apă sau solide. Prin urmare, dacă o undă sonoră în aer lovește un obiect solid sau o suprafață apă adâncă, atunci sunetul este fie reflectat de la suprafață, fie absorbit într-o măsură semnificativă. Aceasta depinde de grosimea suprafeței (apă sau solid) pe care cade unda sonoră dorită. Când grosimea unui mediu solid sau lichid este mică, undele sonore „trec aproape complet” și invers, când grosimea mediului este mare, undele sunt mai des reflectate. În cazul reflectării undelor sonore, acest proces are loc conform unei legi fizice binecunoscute: „Unghiul de incidență egal cu unghiul reflexie". În acest caz, atunci când o undă dintr-un mediu cu o densitate mai mică lovește limita cu un mediu cu densitate mai mare, fenomenul are loc. refracţie. Constă în îndoirea (refracția) unei unde sonore după „întâlnirea” unui obstacol și este în mod necesar însoțită de o schimbare a vitezei. Refracția depinde și de temperatura mediului în care are loc reflexia.

În procesul de propagare a undelor sonore în spațiu, intensitatea acestora scade inevitabil; putem spune că undele se atenuează și sunetul slăbește. În practică, întâmpinarea unui efect similar este destul de simplă: de exemplu, dacă doi oameni stau pe un câmp la unii distanta scurta(un metru sau mai aproape) și începeți să vă spuneți ceva unul altuia. Dacă ulterior creșteți distanța dintre oameni (dacă încep să se îndepărteze unul de celălalt), același nivel de volum al conversației va deveni din ce în ce mai puțin audibil. Acest exemplu demonstrează clar fenomenul de scădere a intensității undelor sonore. De ce se întâmplă asta? Motivul pentru aceasta este diferitele procese de schimb de căldură, interacțiune moleculară și frecare internă a undelor sonore. Cel mai adesea, în practică, energia sonoră este transformată în energie termică. Astfel de procese apar inevitabil în oricare dintre cele 3 medii de propagare a sunetului și pot fi caracterizate ca absorbția undelor sonore.

Intensitatea și gradul de absorbție a undelor sonore depind de mulți factori, cum ar fi presiunea și temperatura mediului. Absorbția depinde și de frecvența specifică a sunetului. Când o undă sonoră se propagă prin lichide sau gaze, are loc un efect de frecare între diferitele particule, care se numește vâscozitate. Ca urmare a acestei frecări la nivel molecular are loc procesul de conversie a unei unde din sunet în căldură. Cu alte cuvinte, cu cât conductivitatea termică a mediului este mai mare, cu atât gradul de absorbție a undelor este mai scăzut. Absorbția sunetului în mediile gazoase depinde și de presiune (presiunea atmosferică se modifică odată cu creșterea altitudinii în raport cu nivelul mării). În ceea ce privește dependența gradului de absorbție de frecvența sunetului, ținând cont de dependențele de vâscozitate și conductivitate termică menționate mai sus, cu cât frecvența sunetului este mai mare, cu atât absorbția sunetului este mai mare. De exemplu, când temperatura normala si presiune, in aer absorbtia unei unde cu frecventa de 5000 Hz este de 3 dB/km, iar absorbtia unei unde cu frecventa de 50000 Hz va fi de 300 dB/m.

În mediile solide, toate dependențele de mai sus (conductivitatea termică și vâscozitatea) sunt păstrate, dar la aceasta se adaugă mai multe condiții. Ele sunt asociate cu structura moleculară a materialelor solide, care pot fi diferite, cu propriile neomogenități. În funcție de această structură moleculară solidă internă, absorbția undelor sonore în acest caz poate fi diferită și depinde de tipul de material specific. Când sunetul trece printr-un corp solid, unda suferă o serie de transformări și distorsiuni, ceea ce duce cel mai adesea la dispersia și absorbția energiei sonore. La nivel molecular, un efect de dislocare poate apărea atunci când o undă sonoră determină o deplasare a planurilor atomice, care apoi revin la poziția inițială. Or, mișcarea luxațiilor duce la o coliziune cu luxații perpendiculare pe acestea sau cu defecte ale structurii cristaline, ceea ce determină inhibarea acestora și, drept consecință, o oarecare absorbție a undei sonore. Cu toate acestea, unda sonoră poate rezona și cu aceste defecte, ceea ce va duce la distorsiunea undei originale. Energia undei sonore în momentul interacțiunii cu elementele structurii moleculare a materialului este disipată ca urmare a proceselor de frecare internă.

Voi încerca să rezolv caracteristicile perceptia auditiva uman și unele subtilități și caracteristici ale propagării sunetului.

Sunetul este unde sonore care provoacă vibrații ale particulelor minuscule de aer, ale altor gaze și ale mediilor lichide și solide. Sunetul poate apărea numai acolo unde există o substanță, indiferent în ce stare de agregare se află. În condiții de vid, unde nu există mediu, sunetul nu se propagă, deoarece nu există particule care să acționeze ca distribuitori ai undelor sonore. De exemplu, în spațiu. Sunetul poate fi modificat, alterat, transformându-se în alte forme de energie. Astfel, sunetul convertit în unde radio sau energie electrica, pot fi transmise la distanțe și înregistrate pe medii de informare.

Unda de sunet

Mișcările obiectelor și corpurilor provoacă aproape întotdeauna vibrații mediu inconjurator. Nu contează dacă este apă sau aer. În timpul acestui proces, încep să vibreze și particulele mediului către care sunt transmise vibrațiile corpului. Apar unde sonore. Mai mult, mișcările sunt efectuate în direcții înainte și înapoi, înlocuindu-se progresiv. Prin urmare, unda sonoră este longitudinală. Nu există niciodată nicio mișcare laterală în sus și în jos în el.

Caracteristicile undelor sonore

Ca orice fenomen fizic, ele au propriile lor cantități, cu ajutorul cărora pot fi descrise proprietăți. Principalele caracteristici ale unei unde sonore sunt frecvența și amplitudinea acesteia. Prima valoare arată câte valuri se formează pe secundă. Al doilea determină puterea undei. Sunetele de joasă frecvență au valori de joasă frecvență și invers. Frecvența sunetului se măsoară în Herți, iar dacă depășește 20.000 Hz, atunci apare ultrasunetele. Există o mulțime de exemple de sunete de joasă și înaltă frecvență în natură și în lumea din jurul nostru. Ciripitul unei privighetoare, bubuitul tunetelor, vuietul unui râu de munte și altele sunt toate frecvențe sonore diferite. Amplitudinea undei depinde direct de cât de puternic este sunetul. Volumul, la rândul său, scade odată cu distanța de la sursa de sunet. În consecință, cu cât valul este mai departe de epicentru, cu atât amplitudinea este mai mică. Cu alte cuvinte, amplitudinea unei unde sonore scade odată cu distanța de la sursa sonoră.

Viteza sunetului

Acest indicator al undei sonore depinde direct de natura mediului în care se propagă. Atât umiditatea, cât și temperatura aerului joacă un rol important aici. În condiții meteorologice medii, viteza sunetului este de aproximativ 340 de metri pe secundă. În fizică, există așa ceva ca viteza supersonică, care este întotdeauna mai mare decât viteza sunetului. Aceasta este viteza cu care se deplasează undele sonore atunci când o aeronavă se deplasează. Avionul se mișcă cu viteză supersonică și chiar depășește undele sonore pe care le creează. Datorită presiunii care crește treptat în spatele aeronavei, se formează o undă de șoc de sunet. Unitatea de măsură pentru această viteză este interesantă și puțini oameni o știu. Se numește Mach. Mach 1 este egal cu viteza sunetului. Dacă o undă se deplasează la Mach 2, atunci se deplasează de două ori mai repede decât viteza sunetului.

Zgomote

ÎN Viata de zi cu zi oamenii sunt prezenti zgomote constante. Nivelul de zgomot este măsurat în decibeli. Mișcarea mașinilor, vântul, foșnetul frunzelor, împletirea vocilor oamenilor și alte zgomote sonore sunt tovarășii noștri zilnici. Dar la asemenea zgomote analizor auditiv o persoană are capacitatea de a se obișnui. Cu toate acestea, există și fenomene cărora nici măcar abilitățile de adaptare ale urechii umane nu le pot face față. De exemplu, zgomotul care depășește 120 dB poate provoca durere. Cel mai tare animal este balena albastră. Când scoate sunete, se aude la peste 800 de kilometri distanță.

Ecou

Cum apare un ecou? Totul este foarte simplu aici. O undă sonoră are capacitatea de a fi reflectată de pe diferite suprafețe: de la apă, de pe o stâncă, de pe pereții unei încăperi goale. Acest val se întoarce la noi, așa că auzim sunet secundar. Nu este la fel de clar ca cel original, deoarece o parte din energia din unda sonoră este disipată pe măsură ce se deplasează spre obstacol.

Ecolocație

Reflexia sunetului este folosită în diverse scopuri practice. De exemplu, ecolocația. Se bazează pe faptul că cu ajutorul undelor ultrasonice se poate determina distanța până la obiectul de la care se reflectă aceste unde. Calculele sunt făcute prin măsurarea timpului necesar ultrasunetelor pentru a călători într-o locație și a se întoarce. Multe animale au capacitatea de ecolocație. De exemplu, liliecii și delfinii îl folosesc pentru a căuta hrană. Ecolocația și-a găsit o altă aplicație în medicină. La examinarea cu ultrasunete, se formează o imagine organe interne persoană. Baza acestei metode este că ultrasunetele, intrând într-un mediu altul decât aerul, revin înapoi, formând astfel o imagine.

Unde sonore în muzică

De ce instrumentele muzicale scot anumite sunete? Tocăt de chitară, pian, tonuri joase de tobe și trâmbițe, vocea subțire fermecătoare a unui flaut. Toate acestea și multe alte sunete apar din cauza vibrațiilor aerului sau, cu alte cuvinte, din cauza apariției undelor sonore. Dar de ce sunetul instrumentelor muzicale este atât de divers? Se pare că acest lucru depinde de mai mulți factori. Prima este forma instrumentului, a doua este materialul din care este fabricat.

Să ne uităm la asta folosind instrumente cu coarde ca exemplu. Ele devin o sursă de sunet atunci când sunt atinse corzile. Drept urmare, încep să vibreze și să trimită sunete diferite în mediu. Sunetul scăzut al oricărui instrument cu coarde se datorează grosimii și lungimii mai mari a coardei, precum și slăbiciunii tensiunii sale. Și invers, cu cât coarda este întinsă mai strâns, cu atât este mai subțire și mai scurtă, cu atât sunetul obținut în urma cântării este mai ridicat.

Acțiunea microfonului

Se bazează pe conversia energiei undelor sonore în energie electrică. În acest caz, puterea curentului și natura sunetului sunt direct dependente. În interiorul oricărui microfon există o placă subțire din metal. Când este expus la sunet, începe să efectueze mișcări oscilatorii. Spirala de care este conectată placa vibrează și ea, rezultând electricitate. De ce apare el? Acest lucru se datorează faptului că microfonul are și magneți încorporați. Când spirala oscilează între polii săi, se generează un curent electric, care merge de-a lungul spiralei și apoi către o coloană sonoră (difuzor) sau către echipamente pentru înregistrarea pe un suport de informare (casetă, disc, calculator). Apropo, microfonul din telefon are o structură similară. Dar cum funcționează microfoanele pe telefon fix și telefon mobil? Faza inițială este aceeași pentru ei - sunetul vocii umane își transmite vibrațiile pe placa microfonului, apoi totul urmează scenariul descris mai sus: o spirală, care, în mișcare, închide doi poli, se creează un curent. Ce urmeaza? Cu un telefon fix, totul este mai mult sau mai puțin clar - la fel ca într-un microfon, sunetul, transformat în curent electric, trece prin fire. Dar cum rămâne cu un telefon mobil sau, de exemplu, un walkie-talkie? În aceste cazuri, sunetul este convertit în energie unde radio și lovește satelitul. Asta e tot.

Fenomen de rezonanță

Uneori se creează condiții când amplitudinea vibrațiilor corpului fizic crește brusc. Acest lucru se întâmplă din cauza convergenței valorilor frecvenței oscilațiilor forțate și frecvenței naturale a oscilațiilor obiectului (corpului). Rezonanța poate fi atât benefică, cât și dăunătoare. De exemplu, pentru a scoate o mașină dintr-o gaură, aceasta este pornită și împinsă înainte și înapoi pentru a provoca rezonanță și a da mașinii inerție. Dar au fost și cazuri consecințe negative rezonanţă. De exemplu, în Sankt Petersburg, în urmă cu aproximativ o sută de ani, un pod s-a prăbușit sub soldații care marșau la unison.

DEFINIȚIE

Sunet- acestea se propagă într-un mediu elastic (gaz, lichid, solid) și au o gamă de frecvență pe care urechea umană o poate percepe (de la 16 Hz la 20 kHz).

Se numesc vibrațiile particulelor care provoacă apariția undelor mecanice de o astfel de frecvență acusticși ramura fizicii care studiază proprietățile sunetului și caracteristicile propagării acestuia - acustică.

Propagarea sunetului în aer începe cu vibrațiile aerului la suprafața corpului oscilant. Un corp care creează o perturbare în densitatea mediului este numit sursa de sunet. Sursele de sunet pot fi corpuri solide (o coardă a unui instrument muzical, corzi vocale, crusta terestră, frunzele copacilor), lichide (jet de apă sau valuri la suprafața apei) și gaze (jeturi de aer în instrumentele muzicale, vânt). Fluctuațiile în densitatea aerului duc la deplasarea moleculelor în straturile învecinate, care, la rândul lor, afectează vecinii lor. Așa se transmite perturbarea inițială dintr-un punct al mediului în altul. Unda sonoră provoacă vibrații forțate în timpanul urechii umane, care sunt înregistrate de creier.

Caracteristicile sunetului

Sunetul călătorește de la capăt. Viteza sunetului depinde de mediul de propagare și de starea acestuia. De exemplu, viteza sunetului în aer la o temperatură este de 330 m/s, iar în apă la aceeași temperatură – 1500 m/s.

Sunetul produs se numește ton muzical. Zgomotul este un amestec haotic de tonuri muzicale.

Volumul sunetului determinată de amplitudinea vibraţiilor dintr-o undă sonoră.

Pas depinde de - cu cât frecvența este mai mare, cu atât sunetul este mai mare.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu	Un bloc mare de gheață s-a desprins din vârful aisbergului și a căzut în apă. Instrumentele instalate pe navă și care au primit sunet sub apă au înregistrat stropirea blocului care cădea cu 10 secunde mai devreme decât s-a auzit sunetul căderii care ajungea prin aer. Cât de departe era aisbergul de navă?
Soluţie	Într-un mediu omogen, sunetul se deplasează cu o viteză constantă, deci distanța parcursă de frontul unei unde sonore în aer este: și distanța parcursă de frontul undei sonore în apă: Intervalul de timp dintre înregistrarea sunetului de către instrumente și stropirea unui bloc în cădere: deci putem scrie: unde este distanța de la aisberg până la navă: Cu ajutorul tabelelor, determinăm viteza sunetului în aer la m/s și viteza sunetului în apă la aceeași temperatură, m/s. Să calculăm:
Răspuns	Aisbergul era situat la 4491 m de navă.

EXEMPLUL 2

Exercițiu

O piatră a căzut în mină. Bărbatul a auzit zgomotul căderii sale la 6 secunde după începutul căderii. Găsiți adâncimea minei. Viteza sunetului 332 m/s.

Soluţie

Să completăm desenul direcționând axa de coordonate în direcția de mișcare a pietrei. Piatra cade din . Adâncimea căderii pietrei (coordonatele acesteia) se modifică în timp conform legii: În momentul în care piatra cade pe fundul arborelui, adâncimea pietrei va fi egală cu adâncimea arborelui, așa că putem scrie: unde este momentul când piatra a căzut: Partea frontală a undei sonore se mișcă uniform, astfel încât timpul necesar pentru ca sunetul să ajungă la o persoană este: Timpul după care o persoană a auzit sunetul este egal cu suma momentelor în care piatra a căzut și mișcarea frontului undei sonore: Din această ecuație determinăm adâncimea arborelui. Să rescriem ecuația, izolând rădăcina pătrată: Să pătram ambele părți ale ecuației: Să rescriem ecuația ca: înmulțiți ambele părți ale ecuației cu:

Sunet (unda de sunet ) –aceasta este o undă elastică percepută de organul auditiv al oamenilor și animalelor. Cu alte cuvinte, sunetul este propagarea fluctuațiilor în densitatea (sau presiunea) unui mediu elastic care apar atunci când particulele mediului interacționează între ele.

Atmosfera (aerul) este unul dintre mediile elastice. Propagarea sunetului în aer se supune legilor generale de propagare a undelor acustice în gazele ideale și, de asemenea, are caracteristici datorate variabilității densității, presiunii, temperaturii și umidității aerului. Viteza sunetului este determinată de proprietățile mediului și se calculează folosind formulele pentru viteza unei unde elastice.

Există artificiale și naturale surse sunet. Emițătorii artificiali includ:

Vibrații ale corpurilor solide (corzi și plăci de sunet ale instrumentelor muzicale, difuzoare difuzoare, membrane telefonice, plăci piezoelectrice);

Vibrații ale aerului într-un volum limitat (țevi de organe, fluiere);

Percuție (clape pian, clopot);

Curentul electric (transductoare electroacustice).

Sursele naturale includ:

Explozie, prăbușire;

Fluxul de aer în jurul obstacolelor (vânt care suflă colțul unei clădiri, creasta unui val de mare).

Există, de asemenea, artificiale și naturale receptori sunet:

Traductoare electroacustice (microfon în aer, hidrofon în apă, geofon în Scoarta terestra) și alte dispozitive;

Aparate auditive ale oamenilor și animalelor.

Când undele sonore se propagă, sunt posibile fenomene caracteristice undelor de orice natură:

Reflecție de la un obstacol

Refracția la limita a două medii,

Interferență (adăugare),

Difracția (îndoirea în jurul obstacolelor),

Dispersia (dependența vitezei sunetului într-o substanță de frecvența sunetului);

Absorbție (o scădere a energiei și intensității sunetului într-un mediu datorită conversiei ireversibile a energiei sonore în căldură).

Caracteristicile obiective ale sunetului

Frecvența sunetului

Frecvența sunetului audibil de oameni variază de la 16 Hz inainte de 16 - 20 kHz . Unde elastice cu frecvență de mai jos interval audibil numit infrasunete (inclusiv comoție), cu superior frecvență – ecografie , iar undele elastice de cea mai mare frecvență sunt hipersunet .

Întregul interval de frecvență al sunetului poate fi împărțit în trei părți (Tabelul 1).

Zgomot are un spectru continuu de frecvențe (sau lungimi de undă) în regiunea sunetului de joasă frecvență (Tabelele 1, 2). Un spectru solid înseamnă că frecvențele pot avea orice valoare dintr-un interval dat.

Muzical , sau tonale , sunete au un spectru de frecvență liniar în regiunea sunetului de frecvență medie și parțial de înaltă frecvență. Porțiunea rămasă a sunetului de înaltă frecvență este ocupată de fluierat. Un spectru de linie înseamnă că frecvențele muzicale au doar valori strict definite (discrete) dintr-un interval specificat.

În plus, intervalul de frecvențe muzicale este împărțit în octave. Octavă – acesta este intervalul de frecvență cuprins între două valori limită, a cărora superioară este de două ori mai mare decât cea inferioară(Tabelul 3)

Benzile comune de frecvență de octave

Benzi de frecvență de octave	 min , Hz	 max , Hz	 mier , Hz

Exemple de intervale de frecvență ale sunetelor create de aparatul vocal uman și percepute de aparatul auditiv uman sunt date în Tabelul 4.

Contralto, alto
Mezzo-soprano
Coloratura soprană

Exemple de game de frecvență ale unor instrumente muzicale sunt date în Tabelul 5. Acestea acoperă nu numai domeniul audio, ci și domeniul ultrasonic.

Instrument muzical	Frecvența Hz
Saxofon

Animalele, păsările și insectele creează și percep sunetul altora intervale de frecvență, mai degrabă decât o persoană (Tabelul 6).

În muzică, fiecare undă sonoră sinusoidală este numită pe un ton simplu, sau ton. Tonul depinde de frecvență: cu cât frecvența este mai mare, cu atât tonul este mai mare. Tonul principal sunetul muzical complex se numește tonul corespunzător cea mai joasă frecvență în spectrul său. Sunt numite tonuri corespunzătoare altor frecvențe acorduri. Dacă acorduri multipli frecvența tonului fundamental, apoi se numesc armonizările armonic. Harmonimul cu frecvența cea mai joasă se numește prima armonică, cel cu următoarea se numește a doua etc.

Sunetele muzicale cu același ton fundamental pot diferi timbru. Timbrul depinde de compoziția tonurilor, de frecvențele și amplitudinile acestora, de natura creșterii lor la începutul sunetului și de declin la sfârșit.

Viteza sunetului

Pentru sunet în diverse medii sunt valabile formulele generale (22) – (25). Trebuie avut în vedere faptul că formula (22) este aplicabilă în cazul aerului atmosferic uscat și, ținând cont de valorile numerice ale raportului lui Poisson, masa molară și constanta universală a gazului, poate fi scrisă astfel:

Cu toate acestea, aerul atmosferic real are întotdeauna umiditate, ceea ce afectează viteza sunetului. Acest lucru se datorează faptului că raportul lui Poisson  depinde de raportul dintre presiunea parțială a vaporilor de apă ( p aburi) La presiune atmosferică (p). În aer umed, viteza sunetului este determinată de formula:

.

Din ultima ecuație se poate observa că viteza sunetului în aerul umed este puțin mai mare decât în ​​aerul uscat.

Estimările numerice ale vitezei sunetului, ținând cont de influența temperaturii și umidității aerului atmosferic, pot fi efectuate folosind formula aproximativă:

Aceste estimări arată că atunci când sunetul se propagă de-a lungul direcției orizontale ( 0 X) cu o creștere a temperaturii cu 1 0 C viteza sunetului crește cu 0,6 m/s. Sub influența vaporilor de apă cu o presiune parțială de cel mult 10 Pa viteza sunetului creste cu mai putin de 0,5 m/s. Dar, în general, la presiunea parțială maximă posibilă a vaporilor de apă la suprafața Pământului, viteza sunetului crește cu cel mult 1 m/s.

Presiunea sonoră

În absența sunetului, atmosfera (aerul) este un mediu netulburat și are presiune atmosferică statică (
).

Când undele sonore se propagă, la această presiune statică se adaugă o presiune suplimentară variabilă din cauza condensării și rarefării aerului. În cazul undelor plane putem scrie:

Unde p sunet, max- amplitudinea presiunii sonore,  - frecvența ciclică a sunetului, k – numărul de undă. În consecință, presiunea atmosferică într-un punct fix la un moment dat devine egală cu suma acestor presiuni:

Presiunea sonoră este o presiune variabilă egală cu diferența dintre presiunea atmosferică reală instantanee într-un punct dat în timpul trecerii unei unde sonore și presiunea atmosferică statică în absența sunetului:

Presiunea sonoră își schimbă valoarea și semnul în timpul perioadei de oscilație.

Presiunea sonoră este aproape întotdeauna mult mai mică decât cea atmosferică

Devine mare și proporțională cu atmosfera atunci când apare unde de socîn timpul exploziilor puternice sau când trece un avion cu reacție.

Unitățile de presiune sonoră sunt următoarele:

- pascalîn SI
,

- barîn GHS
,

- milimetru de mercur,

- atmosfera.

În practică, instrumentele nu măsoară valoarea instantanee a presiunii sonore, ci așa-numita eficient (sau actual )sunet presiune . Este egal rădăcina pătrată a valorii medii a pătratului presiunii acustice instantanee într-un punct dat din spațiu la un moment dat

(44)

și de aceea se mai numește presiunea sonoră medie pătrată . Înlocuind expresia (39) în formula (40), obținem:

. (45)

Impedanța sunetului

Rezistență sonoră (acustică). numit raport de amplitudinepresiunea sonoră și viteza de vibrație a particulelor din mediu:

. (46)

Semnificația fizică a rezistenței la sunet: este numeric egală cu presiunea sonoră care provoacă vibrații ale particulelor de mediu la o viteză unitară:

Unitatea de măsură SI a impedanței sunetului – pascal secundă pe metru:

.

În cazul unui val plan viteza de oscilație a particulelor egal cu

.

Atunci formula (46) va lua forma:

. (46*)

Există, de asemenea, o altă definiție a rezistenței la sunet, ca produsul dintre densitatea unui mediu și viteza sunetului în acest mediu:

. (47)

Atunci este sens fizic este că este numeric egală cu densitatea mediului în care unda elastică se propagă cu viteza unitară:

.

Pe lângă rezistența acustică, acustica folosește conceptul rezistenta mecanica (R m). Rezistența mecanică este raportul dintre amplitudinile forței periodice și viteza de oscilație a particulelor mediului:

, (48)

Unde S– suprafața emițătorului de sunet. Rezistența mecanică se măsoară în newton secunde pe metru:

.

Energia și puterea sunetului

O undă sonoră este caracterizată de aceleași cantități de energie ca o undă elastică.

Fiecare volum de aer în care se propagă undele sonore are energie care este suma energiei cinetice a particulelor oscilante și a energiei potențiale de deformare elastică a mediului (vezi formula (29)).

Intensitatea sunetului este de obicei numităputerea sunetului . Este egal

. (49)

De aceea sensul fizic al puterii sunetului este similar cu semnificația densității fluxului de energie: egală numeric cu valoarea medie a energiei care este transferată de o undă pe unitatea de timp prin suprafața transversală a unei unități de suprafață.

Unitatea de măsură a intensității sunetului este wați pe metru pătrat:

.

Intensitatea sunetului este proporțională cu pătratul presiunii sonore efective și invers proporțională cu presiunea sonoră (acustică):

, (50)

sau, luând în considerare expresiile (45),

, (51)

Unde R ak – rezistenta acustica.

Sunetul poate fi caracterizat și prin puterea sonoră. Puterea sunetului este cantitatea totală de energie sonoră emisă de o sursă într-un timp specificat printr-o suprafață închisă care înconjoară sursa de sunet:

, (52)

sau, ținând cont de formula (49),

. (52*)

Puterea sunetului, ca oricare alta, se măsoară în wați:

.

Sunetul este unde elastice într-un mediu (adesea aer) care sunt invizibile, dar perceptibile de urechea umană (unda acționează asupra timpanului). Unda sonoră este undă longitudinală compresie și rarefacție.

Dacă creăm un vid, vom putea distinge sunetele? Robert Boyle a pus un ceas într-un borcan de sticlă în 1660. După ce a pompat aerul, nu a auzit niciun sunet. Experiența demonstrează asta este nevoie de un mediu pentru propagarea sunetului.

Sunetul poate călători și prin medii lichide și solide. Impactul pietrelor poate fi auzit clar sub apă. Așezați ceasul pe un capăt al plăcii de lemn. Punând urechea la celălalt capăt, puteți auzi clar ticăitul ceasului.

Unda sonoră se deplasează prin lemn

Sursa sunetului este în mod necesar corpurile oscilante. De exemplu, o coardă de pe o chitară în stare normală nu sună, dar de îndată ce o facem să vibreze, apare o undă sonoră.

Cu toate acestea, experiența arată că nu orice corp oscilant este o sursă de sunet. De exemplu, o greutate suspendată pe un fir nu scoate niciun sunet. Cert este că urechea umană nu le percepe toate undele, ci doar pe cele care creează corpuri care oscilează cu o frecvență de la 16 Hz la 20.000 Hz. Astfel de unde sunt numite sunet. Se numesc oscilații cu o frecvență mai mică de 16 Hz infrasunete. Se numesc oscilații cu o frecvență mai mare de 20.000 Hz ecografie.

Viteza sunetului

Undele sonore nu se propagă instantaneu, ci cu o anumită viteză finită (asemănătoare cu viteza mișcării uniforme).

De aceea, în timpul unei furtuni vedem mai întâi fulgere, adică lumină (viteza luminii este mult mai mare decât viteza sunetului), apoi se aude sunet.

Viteza sunetului depinde de mediu: în solide și lichide viteza sunetului este mult mai mare decât în ​​aer. Acestea sunt constante măsurate tabelare. Pe măsură ce temperatura mediului crește, viteza sunetului crește, iar pe măsură ce scade, scade.

Sunetele sunt diferite. Pentru a caracteriza sunetul, se introduc cantități speciale: volumul, înălțimea și timbrul sunetului.

Volumul sunetului depinde de amplitudinea vibrațiilor: cu cât amplitudinea vibrațiilor este mai mare, cu atât sunetul este mai puternic. În plus, percepția volumului sunetului de către urechea noastră depinde de frecvența vibrațiilor în unda sonoră. Undele de frecvență mai înaltă sunt percepute ca fiind mai puternice.

Frecvența undei sonore determină înălțimea tonului. Cu cât frecvența de vibrație a unei surse de sunet este mai mare, cu atât sunetul pe care îl produce este mai mare. Vocile umane sunt împărțite în mai multe intervale de înălțime.

Sunetele din diferite surse sunt o combinație de vibrații armonice de diferite frecvențe. Componenta celei mai lungi perioade (frecvența cea mai joasă) se numește ton fundamental. Componentele rămase ale sunetului sunt tonuri. Setul acestor componente creează culoarea și timbrul sunetului. Setul de tonuri în voci oameni diferiti deși ușor diferit, acest lucru determină timbrul unei anumite voci.

Ecou. Un ecou se formează ca urmare a reflectării sunetului din diverse obstacole - munți, păduri, ziduri, clădiri mari etc. Un ecou apare numai atunci când sunetul reflectat este perceput separat de sunetul rostit inițial. Dacă există multe suprafețe reflectorizante și se află la distanțe diferite de o persoană, atunci undele sonore reflectate vor ajunge la el în momente diferite. În acest caz, ecoul va fi multiplu. Obstacolul trebuie să fie la 11 m distanță de persoană pentru ca ecoul să fie auzit.

Reflectarea sunetului. Sunetul se reflectă pe suprafețele netede. Prin urmare, atunci când se folosește un claxon, undele sonore nu sunt împrăștiate în toate direcțiile, ci formează un fascicul îngust direcționat, datorită căruia puterea sonoră crește și se răspândește pe o distanță mai mare.

Unele animale (de exemplu, liliac, delfin) emit vibrații ultrasonice, apoi percep valul reflectat de la obstacole. Acesta este modul în care determină locația și distanța față de obiectele din jur.

Ecolocație. Aceasta este o modalitate de a determina locația corpurilor prin semnale ultrasonice reflectate de ele. Folosit pe scară largă în transport maritim. Instalat pe nave sonarele- dispozitive pentru recunoașterea obiectelor subacvatice și determinarea adâncimii și topografiei fundului. Un emițător și un receptor de sunet sunt plasate în partea de jos a vasului. Emițătorul dă semnale scurte. Analizând timpul de întârziere și direcția semnalelor care revin, computerul determină poziția și dimensiunea obiectului care a reflectat sunetul.

Ultrasunetele sunt folosite pentru detectarea și determinarea diferitelor deteriorări ale pieselor mașinii (goluri, fisuri etc.). Dispozitivul folosit în acest scop se numește detector de defecte cu ultrasunete. Un flux de semnale ultrasonice scurte este trimis piesei studiate, care sunt reflectate de neomogenitățile situate în interiorul acesteia și, revenind, intră în receptor. În acele locuri în care nu există defecte, semnalele trec prin piesă fără reflexie semnificativă și nu sunt înregistrate de receptor.

Ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă în medicină pentru a diagnostica și trata anumite boli. Spre deosebire de razele X, undele sale nu influență nocivă pe tesatura. Diagnostic examinări cu ultrasunete(ecografie) permite fără intervenție chirurgicală recunoaşte modificări patologice organe și țesuturi. Un dispozitiv special direcționează undele ultrasonice cu o frecvență de la 0,5 la 15 MHz către o anumită parte corp, ele sunt reflectate de organul studiat și computerul își afișează imaginea pe ecran.

Infrasunetele se caracterizează printr-o absorbție scăzută în diverse medii, drept urmare undele infrasunetelor din aer, apă și scoarța terestră se pot propaga pe distanțe foarte mari. Acest fenomen constată uz practic la determinarea locaţiilor explozii puternice sau poziția armei de tragere. Propagarea infrasunetelor pe distanțe mari în mare face posibilă previziunile dezastrelor naturale- tsunami. Meduzele, crustaceele etc. sunt capabile să perceapă infrasunetele și să simtă apropierea acesteia cu mult înainte de apariția unei furtuni.