Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Звук



План:


Введення

Звук, в широкому сенсі - пружні хвилі, що поширюються у будь-якій пружною середовищі і створюють в ній механічні коливання; у вузькому сенсі - суб'єктивне сприйняття цих коливань спеціальними органами почуттів тварин або людини.

Як і будь-яка хвиля, звук характеризується амплітудою і спектром частот. Зазвичай людина чує звуки, що передаються по повітрю, в діапазоні частот від 16-20 Гц до 15-20 кГц [1]. Звук від діапазону чутності людини називають інфразвуком; вище: до 1 ГГц, - ультразвуком, від 1 ГГц - гіперзвуку. Серед чутних звуків слід також особливо виділити фонетичні, мовні звуки і фонеми (з яких складається усне мовлення) і музичні звуки (з яких складається музика).

Розрізняють поздовжні і поперечні звукові хвилі в залежності від співвідношення напрямку поширення хвилі і напрями механічних коливань частинок середовища поширення.


1. Поняття про звук

Звукові хвилі можуть служити прикладом коливального процесу. Будь-яке коливання пов'язане з порушенням рівноважного стану системи і виражається у відхиленні її характеристик від рівноважних значень з наступним поверненням до початкового значення. Для звукових коливань такою характеристикою є тиск в точці середовища, а її відхилення - звуковим тиском.

Якщо зробити різкий зсув частинок пружного середовища в одному місці, наприклад, за допомогою поршня, то в цьому місці збільшиться тиск. Завдяки пружним зв'язкам частинок тиск передається на сусідні частинки, які, в свою чергу, впливають на наступні, і область підвищеного тиску як би переміщається в пружному середовищі. За областю підвищеного тиску слід область зниженого тиску, і, таким чином, утворюється ряд чергуються областей стиснення і розрядки, що поширюються в середовищі у вигляді хвилі. Кожна частка пружного середовища в цьому випадку буде здійснювати коливальні рухи.

У рідких і газоподібних середовищах, де відсутні значні коливання густини, акустичні хвилі мають подовжній характер, тобто напрям коливання частинок збігається з напрямом переміщення хвилі. У твердих тілах, крім поздовжніх деформацій, виникають також пружні деформації зсуву, що зумовлюють порушення поперечних (зсувних) хвиль; в цьому випадку частинки скоюють коливання перпендикулярно напрямку поширення хвилі. Швидкість розповсюдження подовжніх хвиль значно більше швидкості розповсюдження зсувних хвиль.


2. Фізичні параметри звуку

Коливальна швидкість вимірюється в м / с або см / с. В енергетичному відношенні реальні коливальні системи характеризуються зміною енергії внаслідок часткової її витрати на роботу проти сил тертя і випромінювання в навколишній простір. У пружною середовищі коливання поступово загасають. Для характеристики затухаючих коливань використовуються коефіцієнт загасання (S), логарифмічний декремент (D) і добротність (Q).

Коефіцієнт загасання відображає швидкість убування амплітуди з часом. Якщо позначити час, протягом якого амплітуда зменшується в е = 2,718 рази, через τ , То:

S = \ frac {1} {\ tau} .

Зменшення амплітуди за один цикл характеризується логарифмічним декрементом. Логарифмічний декремент дорівнює відношенню періоду коливань до часу загасання τ :

D = \ frac {T} {\ tau}

Якщо на коливальну систему з втратами діяти періодичної силою, то виникають вимушені коливання, характер яких тією чи іншою мірою повторює зміни зовнішньої сили. Частота вимушених коливань не залежить від параметрів коливальної системи. Навпаки, амплітуда залежить від маси, механічного опору та гнучкості системи. Таке явище, коли амплітуда коливальної швидкості досягає максимального значення, називається механічним резонансом. При цьому частота вимушених коливань збігається з частотою власних коливань незатухающих механічної системи.

При частотах впливу, значно менших резонансною, зовнішня гармонійна сила врівноважується практично тільки силою пружності. При частотах збудження, близьких до резонансної, головну роль відіграють сили тертя. За умови, коли частота зовнішнього впливу значно більше резонансною, поведінка коливальної системи залежить від сили інерції або маси.

Властивість середовища проводити акустичну енергію, у тому числі і ультразвукову, характеризується акустичним опором. Акустичне опір середовища виражається ставленням звуковий щільності до об'ємної швидкості ультразвукових хвиль. Питомий акустичний опір середовища встановлюється співвідношенням амплітуди звукового тиску в середовищі до амплітуди коливальної швидкості її часток. Чим більше акустичний опір, тим вище ступінь стиснення і розрідження середовища при даній амплітуді коливання частинок середовища. Чисельно, питомий акустичний опір середовища (Z) знаходиться як добуток щільності середовища ( ρ ) На швидкість (с) розповсюдження в ній ультразвукових хвиль.

Z = ρ c

Питомий акустичний опір вимірюється в паскаль - секунда на метр (Па с / м) або дин с / см (СГС); 1 Па с / м = 10 -1 дин с / см .

Значення питомої акустичного опору середовища часто виражається в м / с см , причому 1 г / с см = 1 дин с / см . Акустичний опір середовища визначається поглинанням, заломленням і відбиттям ультразвукових хвиль.

Звукове або акустичний тиск в середовищі являє собою різницю між миттєвим значенням тиску в даній точці середовища за наявності звукових коливань і статичного тиску в тій же точці при їх відсутності. Іншими словами, звуковий тиск є змінний тиск у середовищі, обумовлене акустичними коливаннями. Максимальне значення змінного акустичного тиску (амплітуда тиску) може бути розраховане через амплітуду коливання частинок:

P = 2π f ρ c A

де Р - максимальне акустичний тиск (амплітуда тиску);

  • f - частота;
  • с - швидкість поширення ультразвуку;
  • ρ - Щільність середовища;
  • А - амплітуда коливання частинок середовища.

На відстані в половину довжини хвилі (λ / 2) амплітудне значення тиску з позитивного стає негативним, тобто різниця тисків у двох точках, віддалених один від одного на λ / 2 шляху поширення хвилі, дорівнює 2Р.

Для вираження звукового тиску в одиницях СІ використовується Паскаль (Па), рівний тиску в один ньютон на метр квадратний (Н / м ). Звуковий тиск в системі СГС вимірюється в дин / см , 1 дин / см = 10 -1 Па = 10 -1 Н / м . Поряд із зазначеними одиницями часто користуються позасистемними одиницями тиску - атмосфера (атм) і технічна атмосфера (ат), при цьому 1 ат = 0,98 10 6 дин / см = 0,98 10 5 Н / м . Іноді застосовується одиниця, звана баром або мікробар (акустичним баром); 1 бар = 10 червня дин / см .

Тиск, який чиниться на частинки середовища при поширенні хвилі, є результатом дії пружних і інерційних сил. Останні викликаються прискореннями, величина яких також зростає протягом періоду від нуля до максимуму (амплітудне значення прискорення). Крім того, протягом періоду прискорення змінює свій знак.

Максимальні значення величин прискорення і тиску, що виникають у середовищі при проходженні в ній ультразвукових хвиль, для даної частки не збігаються в часі. У момент, коли перепад прискорення досягає свого максимуму, перепад тиску стає рівним нулю. Амплітудне значення прискорення (а) визначається виразом:

a = ω2 A = (2π f) 2 A

Якщо біжать ультразвукові хвилі наштовхуються на перешкоду, воно випробовує не тільки змінний тиск, але і постійне. Виникаючі при проходженні ультразвукових хвиль ділянки згущування і розрядки середовища створюють додаткові зміни тиску в середовищі по відношенню до навколишнього її зовнішньому тиску. Таке додаткове зовнішнє тиск носить назву тиску випромінювання (радіаційного тиску). Воно служить причиною того, що при переході ультразвукових хвиль через кордон рідини з повітрям утворюються фонтанчики рідини і відбувається відрив окремих крапельок від поверхні. Цей механізм знайшов застосування в освіті аерозолів лікарських речовин. Радіаційний тиск часто використовується при вимірі потужності ультразвукових коливань в спеціальних вимірниках - ультразвукових вагах.


2.1. Швидкість звуку

засоби звукового спостереження, засновані на бінауральному ефекті

Швидкість звуку - швидкість розповсюдження звукових хвиль в середовищі.

Як правило, в газах швидкість звуку менше, ніж у рідинах, а в рідинах швидкість звуку менше, ніж у твердих тілах, що пов'язано в основному з спадання стисливості речовин у цих фазових станах відповідно.

У середньому, в ідеальних умовах, в повітрі швидкість звуку становить 340-344 м / с

Швидкість звуку в будь-якому середовищі обчислюється за формулою:

c = \ sqrt {\ frac {1} {\ beta \ rho}}

де β - адіабатичному стисливість середовища; ρ - Щільність.


3. Генерація звуку

Зазвичай для генерації звуку застосовуються коливні тіла різної природи, що викликають коливання навколишнього повітря. Прикладом такої генерації може служити використання голосових зв'язок, динаміків або камертона. Більшість музичних інструментів засновано на тому ж принципі. Винятком є духові інструменти, в яких звук генерується за рахунок взаємодії потоку повітря з неоднорідностями в інструменті. Для створення когерентного звуку застосовуються так звані звукові або фононні лазери [2].


4. Ультразвукова діагностика

4.1. Поширення ультразвуку

Поширення ультразвуку - це процес переміщення в просторі і в часі обурень, що мають місце в звуковій хвилі.

Звукова хвиля поширюється в речовині, що знаходиться в газоподібному, рідкому або твердому стані, у тому ж напрямку, в якому відбувається зсув частинок цієї речовини, тобто вона викликає деформацію середовища. Деформація полягає в тому, що відбувається послідовне розрядження і стиснення певних об'ємів середовища, причому відстань між двома сусідніми областями відповідає довжині ультразвукової хвилі. Чим більше питомий акустичний опір середовища, тим більше ступінь стиснення і розрядження середовища при даній амплітуді коливань.

Частинки середовища, які беруть участь у передачі енергії хвилі, коливаються біля положення своєї рівноваги. Швидкість, з якою частинки коливаються біля середнього положення рівноваги називається коливальної швидкістю. Коливальна швидкість частинок змінюється згідно рівняння:

V = U sin (2π f t + G) ,

де V - величина коливальної швидкості;

  • U - амплітуда коливальної швидкості;
  • f - частота ультразвуку;
  • t - час;
  • G - різниця фаз між коливальної швидкістю частинок і змінним акустичним тиском.

Амплітуда коливальної швидкості характеризує максимальну швидкість, з якою частинки середовища рухаються в процесі коливань, і визначається частотою коливань і амплітудою зміщення частинок середовища.

U = 2π f A ,

4.2. Дифракція, інтерференція

При поширенні ультразвукових хвиль можливі явища дифракції, інтерференції і віддзеркалення.

Дифракція (огібаніе хвилями перешкод) має місце тоді, коли довжина ультразвукової хвилі порівнянна (або більше) з розмірами знаходиться на шляху перешкоди. Якщо перешкода в порівнянні з довжиною акустичної хвилі велика, то явища дифракції немає.

При одночасному русі в середовищі декількох ультразвукових хвиль в кожній певній точці середовища відбувається суперпозиція (накладання) цих хвиль. Накладення хвиль однакової частоти один на одного називається інтерференцією. Якщо в процесі проходження через об'єкт ультразвукові хвилі перетинаються, то в певних точках середовища спостерігається посилення або ослаблення коливань. При цьому стан точки середовища, де відбувається взаємодія, залежить від співвідношення фаз ультразвукових коливань в даній точці. Якщо ультразвукові хвилі досягають певної ділянки середовища в однакових фазах (синфазно), то зміщення частинок мають однакові знаки і інтерференція в таких умовах призводить до збільшення амплітуди коливань. Якщо ж хвилі приходять до точки середовища в протифазі, то зсув частинок буде різноспрямованим, що призводить до зменшення амплітуди коливань.


4.3. Поглинання ультразвукових хвиль

Якщо середовище, в якому відбувається поширення ультразвуку, володіє в'язкістю і теплопровідністю або в ній є інші процеси внутрішнього тертя, то при поширенні хвилі відбувається поглинання звуку, тобто в міру віддалення від джерела амплітуда ультразвукових коливань стає менше, так само як і енергія, яку вони несуть. Середовище, в якому поширюється ультразвук, вступає у взаємодію з проходить через нього енергією і частина її поглинає. Переважна частина поглиненої енергії перетворюється в тепло, менша частина викликає в передавальному речовині незворотні структурні зміни. Поглинання є результатом тертя часток один про одного, в різних середовищах воно різне. Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань. Теоретично, поглинання пропорційно квадрату частоти.

Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку в облучаемой середовищі. Із зростанням частоти він збільшується. Інтенсивність ультразвукових коливань в середовищі зменшується за експоненціальним законом. Цей процес обумовлений внутрішнім тертям, теплопровідністю поглинаючого середовища та її структурою. Його орієнтовно характеризує величина полупоглощающего шару, яка показує на якій глибині інтенсивність коливань зменшується в два рази (точніше в 2,718 рази або на 63%). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань - 6,8 см; мышечная - 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе - 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот - это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.


4.4. Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

4.5. Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

4.6. Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн .

4.7. Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1-0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие её ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.


4.8. Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.


5. Инфразвук

Инфразвук - упругие волны с частотой менее 16 Гц.

5.1. Медузы и инфразвуки

На краю купола медузи розташовані примітивні очі, статоцисти і слухові колбочки. Розміри їх можна порівняти з розмірами шпилькової головки. З їх допомогою медузи сприймають інфразвуки з частотою 8-13 Гц.

Перед штормом посилюється вітер зриває гребені хвиль і захльостує їх. Кожне таке захлопування води на гребені хвилі породжує акустичний удар, створюються інфразвукові коливання, що розходяться на сотні кілометрів, їх уловлює медуза. Купол медузи посилює інфразвукові коливання як рупор, і передає на слухові колбочки. Сприйнявши цей сигнал, медузи йдуть на дно за 20 годин до початку шторму на даній місцевості.

Біоніки створили техніку, пророкують бурі, робота яких заснована на принципі роботи інфрауха медузи. Такий прилад може попередити про підготовку бурі за 15 годин, а не за два, як звичайний морський барометр.


6. Досліди і демонстрації

Для демонстрації стоячих хвиль звуку служить Труба Рубенса.

Різниця в швидкостях поширення звуку наочно, коли вдихають замість повітря гелій, і говорять що-небудь, видихаючи їм, - голос стає вищим. Якщо ж газ - гексафторид сірки SF 6, то голос звучить нижче. [3] Пов'язано це з тим, що гази приблизно однаково добре стискувані, тому в обладающем дуже низькою щільністю гелії в порівнянні з повітрям відбувається збільшення швидкості звуку, і зниження - в ​​гексафторид сірки з дуже високою для газів щільністю, розміри ж ротового резонатора людини залишаються незмінними, в результаті змінюється резонансна частота, тому що чим вище швидкість звуку, тим вище резонансна частота при інших незмінних умовах.

Про швидкість звуку у воді можна візуально отримати уявлення в досвіді дифракції світла на ультразвуку у воді. У воді в порівнянні з повітрям, швидкість звуку вище, так як навіть при істотно більш високої щільності води (що мало б привести до падіння швидкості звуку), вода настільки погано стисливість, що в результаті в ній швидкість звуку виявляється все-одно в кілька разів вище.


Примітки

  1. Слух - загальна інформація - www.zdo-rov.ru/sluh-obcshaja-informacija
  2. Jacob B. Khurgin Phonon Lasers Gain A Sound Foundation - dx.doi.org/10.1103/Physics.3.16 (Англ.) / / Physics. - 2010. - Т. 3. - С. 16.
  3. Демонстрація зміни голосу з гексафторидом сірки на youtube.com - youtube.com / watch? v = HIXEzj08MwE

Література

  • Радзишевський Олександр Юрійович. Основи аналогового і цифрового звуку - М .: Вільямс, 2006. - С. 288. - ISBN 5-8459-1002-1.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Музичний звук
Мовний звук
Англійська звук
Мовний звук
Об'ємний звук
Другий звук в рідкому гелії
Звук падаючого дерева в лісі
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru