Звук

Наше ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 17 до 20000 Гц. Если говорить о звуковых волнах, создаваемых при игре на рояле, то нижняя граница нашего слуха будет чуть ниже звучания самой басовой клавиши, а верхняя - намного выше самой высокой. Такие колебания называются акустическими. Отсюда:

Акустика - раздел физики, изучающий звук и законы его распространения.

Звук - продольные механические волны с частотой от 17 до 20 кГц.

Чаще всего звуковые волны достикают наших ушей по воздуху. Довольно редко мы оказываемся погруженными целиком в воду. Но, конечно, воздух не имеет каких-либо особых преимуществ по сравнению с другими средами в смысле возможности распространения в них звуковых волн. Звук превосходно распространяется в воде и твердых телах. В вакууме, разумеется, звуковые волны распространятся не могут.

Для того, чтобы уверенно ориентироваться в мире, наш мозг должен получать информацию о том, что происходит вокруг нас. Зрение и слух играют здесь главную роль. Осязание, обоняние и вкусовые ощущения менее существенны. Отраженные от предметов звуковые волны или сами звучащие предметы дают нам сведения об окружающем мире. Но не это главное. Главное - это речь. Мы создаем и воспринимаем звуковые волны и тем самым общаемся друг с другом. С помощью специальных устпройств, например медицинского стетоскопа или фонендоскопа, можно получить важные сведения о работе сердца и других внутренних органов.


Скорость звука:

Звуковые волны подобно всем другим волнам, распространяются с конечной скоростью. Обнаружить это можно так. Свет распространяется с огромной скоростью - 300000 км/с. Поэтому вспышка от выстрела почти мгновенно достигает глаз. Звук же выстрела приходит с заметным запаздыванием. Скорость звука в воздухе при 00 C равна 331 м/с. Эта скорость довольно велика. Лишь совсем недавно самолеты начали летать со скоростями, превышающими скорость звука.

Первые измерения скорости звука были проведены немецким естествоиспытателем, географом и путешественником Александром Гумбольдтом в 1822 году. Время распространения звука определялось им как время между вспышкой при выстреле из пушки и моментом прихода звука. Скорость звука в воздухе не зависит от его плотности. Она приблизительно равна средней скорости теплового движения молекул и, подобно ей, пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры. Чем больше масса молекул газа, тем меньше скорость звука в нем. Так, при 00 C скорость звука в водороде равна 1270 м/с, а в углекислом газе - 258 м/с.

В воде скорость звука больше, чем в воздухе. Впервые она была измерена на Женевском озере в Швейцарии физиками Штурмом и Колладоном. На одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в подводный колокол. Другая лодка находилась на расстоянии 14 км от первой. Звук улавливался с помощью рупора, опущенного в воду. По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определялась скорость звука. При температуре 80 C скорость звука в воде равна 1435 м/с.

В 1832 году Жан Батист Био определил скорость звука в чугуне, используя чугунную водопроводную трубу. В твердых телах скорость звука еще больше, чем в жидкостях. В чугуне скорость звука приблизительно равна 5000 м/с. В стали скорость звука при 150 C равна 4980 м/с.


Рассотрим основные характаристики звука:

1) Субъективные характеристики звука - характеристики, зависящие от свойств приемника:

- громкость. Громкость звука опеределяется амплитудой колебаний в звуковой волне.

- тон (высота тона). Определяется частотой колебаний.

- тембр (окраска звука).

2) Объективные характеристики звука - характеристики, не зависящие от свойств приемника:

- интенсивность (сила звука) - энергия, проносимая звуковой волной за единицу времени через единицу площади, установленной перпендикулярно волне звука.

- частота основного тона.

- спектр звука - количество обертонов.

спектр звука



При частотах ниже 17 и выше 20000 Гц колебания давления уже не воспринимаются человеческим ухом. Продольные механические волны с частотой менее 17 Гц получили название инфразвука. Продольные механические волны с частотой, превышающей 20000 Гц, называют ультразвуком.


1.Инфразвук

Человек не слышит инфразвук, по каким-то образом эти звуки воспринимаются. Опыты показали, что инфразвук вызывает неприятные тревожные ощущения. Причины этого не вполне ясны. Возможно, дело в том, что инфразвук в природе возникает почти всегда при опасных или катастрофических событиях: землетрясениях, цунами, ураганах. Вероятно, в процессе естесственного отбора у людей и животных появилась способность улавливать подобные сигналы тревоги.

В технике использовать инфразвук пока не научились.


2.Ультразвук

Основными свойствами ультразвука являются:

1) ультразвук хорошо поглощается воздухом;

2) чем больше размеры излучателя по сравнению с длиной волны, тем уже ультразвуковой пучок;

3) кавитация.


Для получения ультразвука с малыми частотами (до 200 кГц) используют явление магнитострикции (изменение формы и размеров ферромагнетика помещенного в переменное магнитное поле).

схема устройства для получения ультразвука

Кварцевая пластина, помещенная внутрь плоского конденсатора, к которому приложено переменное напряжение, совершает вынужденные колебания. Любое упругое тело, в том числе и кварцевая пластина, обладает собственными частотами. При совпадении частоты переменного электрического поля с собственной частотой кварцевой пластины наступает резонанс и амплитуда колебаний сильно возрастает. Такая пластина в воде может излучать волны мощностью до нескольких киловатт с каждого квадратного сантиметра поверхности. Существенно, что с помощью коротких волн можно создать остронаправленные пучки, незначительно расширяющиеся по мере распространения.

Мощная ультразвуковая волна способна дробить тела, помещенные в жидкость (кусочки металла превращаются в тонкую взвесь). С его помощью можно дробить камни в желчном пузыре и почках. Ультразвук оказывает сильное биологическое воздействие. Микробы в поле ультразвука погибают. С помощью ультразвука можно стерилизовать молоко и другие продукты.

В жидкостях ультразвуковые волны затухают слабее, чем в воздухе. Поэтому ультразвук применяется в гидроакустике. Наиболее важным прибором в гидроакустике является эхолот, или гидролокатор. Посылая короткие импульсы ультразвуковых волн, можно уловить импульсы, отраженные от дна или других твердых предметов. По времени запаздывания отраженного сигнала можно судить о расстоянии до препятствия. Так измеряют глубину моря, обнаруживают косяки рыб, встречный айсберг или подводную лодку. С помощью эхолота отечественными учеными был открыт подводный хребет в Северном Ледовитом океане.

По отражению ультразвука от раковины или трещины в металлической отливке можно судить о дефектах в изделиях.

Ультразвук применяется в технике и играет большую роль в жизни многих животных. Чрезвычайно совершенные ультразвуковые локаторы имеют дельфины и летучие мыши. Дельфины в мутной воде уверенно ориентируются, посылая ультразвуковые импульсы и улавливая импульсы, отраженные от предметов или добычи. В полной темноте летучие мыши способны летать в комнате, в которой по всевозможным направлениям натянуто множество веревок, не задевая их. Уши с успехом заменяют им глаза. Летучая мышь испускает импульсы ультразвуковых колебаний. Частота колебаний в импульсе составляет 25000 - 50000 Гц. Длительность каждого импульса не превышает 0,015 секунд.

Любопытно, что ультразвук воспринимают собаки. Можно сделать ультразвуковой свисток и подавать команды своей собаке. Никто, кроме вашей и других собак, эти команды не услышит.

Назад