Печатать книгуПечатать книгу

§ 6. Звуковые волны

Сайт: Профильное обучение
Курс: Физика. 11 класс
Книга: § 6. Звуковые волны
Напечатано:: Гость
Дата: Воскресенье, 24 Ноябрь 2024, 08:54

Оглавление

Звуковые волны (звук) окружают человека с первых дней его жизни. Звуки позволяют людям общаться между собой, выражать эмоции, наслаждаться музыкальными шедеврами. Как это происходит? Каковы основные свойства звуковых волн? 

Упругие волны, вызывающие у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком. Человеческое ухо воспринимает в виде звуковых ощущений колебания от 16 до 20 000 Гц.
Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.
Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом (рис. 41):

инфразвук (ν < 16 Гц) ; слышимый человеком звук (16 Гц  < ν < 2,0 times 10 to the power of 4 space end exponent Гц); ультразвук (2 comma 0 space times 10 to the power of 4 space Гц space less than italic space nu space less than thin space 1 comma 0 space times 10 to the power of 9 space Гц); гиперзвук (10 to the power of 9 space Гц space less than thin space v italic space less than space 10 to the power of 12 space Гц space divided by 10 to the power of 13 space Гц).

Звуки (звуковые волны) приносят человеку жизненно важную информацию — с их помощью мы общаемся, наслаждаемся музыкой, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

Что представляет собой звук и каким образом он возникает?
Рассмотрим в качестве источ­ни­ка звука барабан (рис. 42). Де­фор­мированная в результате удара мем­брана барабана будет совершать колебания с некоторой частотой. В результате этого мембрана создает попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ней области воздуха, и образуется продольная волна, которая распространяется в воздухе с течением времени.

Наглядную информацию о звуковой волне в некоторый момент времени дает график зависимости плотности воздуха от координаты (рис. 43). Горбы на этом графике соответствуют сжатию, а впадины — разряжению воздуха. В процессе распространения звуковой волны с течением времени изменяются такие характе­ристики среды, как плотность и давление (см. рис. 43).
Для распространения звуковых волн необходима среда с упругими свойствами. Они хорошо распространяются в упругих средах, таких как газ, жидкость, металлы, стекло, кристаллические материалы. Однако звуковые волны быстро затухают в пористых материалах (поролон, вой­лок, вата). Такие материалы используют для звукоизоляции. Лучшим изолятором звука является вакуум (пустота), так как результаты экспериментов показывают, что звуковые волны в пустоте (вакууме) не распространяются.
Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).

Понятие интенсивность звука  характеризует энергию,  переносимую волной.  Интенсивность звука (I) равна энергии (W), переносимой волной за единицу времени () через поверхность площадью , расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны . Другими словами, интенсивность звука равна мощности , переносимой волнами через поверхность единичной площади (), перпендикулярно к направлению распространения волны. 

В соответствии с определением единицей интенсивности в СИ является ватт на метр в квадрате (). 

Диаграмма восприятия звука ухом человека приведена на рисунке 43-1.

Интенсивность звука, улавливаемого ухом человека, лежит в огромных пределах: от  tilde 10 to the power of negative 12 space end exponent Вт over straight м squared (порог слышимости) до tilde 1 space Вт over straight м squared (порог болевого ощущения). Человек может слышать и более интенсивные звуки, но при этом он будет испытывать боль. Звуки еще большей интенсивности могут привести к травме.

Минимальная интенсивность, при которой ухо человека перестает воспринимать звук, называется порогом слышимости. Наиболее чувствительно наше ухо к волнам частотой примерно 3 кГц, так как при этой частоте интенсивности порядка 10 to the power of negative 12 end exponent Вт over straight м squared уже достаточно, чтобы ухо восприняло звук. А для того чтобы услышать звук на частоте 50 Гц, его интенсивность должна быть примерно в 100 000 раз больше, т. е. быть порядка 10 to the power of negative 7 end exponent Вт over straight м squared.

Реактивный самолет может создать звук интенсивностью порядка , мощные усилители на концерте в закрытом помещении —  до  , поезд метро .

В науке и технике уровни интенсивности звука  определяют обычно, используя шкалу, единицей которой является бел (Б) или ее дольная единица — децибел (дБ) (одна десятая бела). Уровень интенсивности самого слабого звука, который воспринимает наше ухо, соответствует 1 бел (1Б). Она названа в честь изобретателя телефона А. Г. Белла.

При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 10 дБ. Вследствие этого, звук в 50 дБ оказывается в 100 раз интенсивнее звука в 30 дБ (см. рис. 43-1).

Поезд метро создает уровень интенсивности звука 100 дБ, мощные усилители — 120 дБ, а реактивный самолет — 150 дБ. Тем, кто при работе подвергается воздействию шума свыше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Таким образом, для возникновения звуковых ощущений необходимо:

• наличие источника звука;
• наличие упругой среды между источником звука и ухом. При этом частота колебаний источника звука должна находиться в пределах 16—20 000 Гц;
• мощность звуковых волн должна быть достаточной для того, чтобы вызвать ощущение звука.
Еще одной основной характеристикой звука является его спектр. Спектром называется набор частот звуков различных колебаний, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.
Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.
Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.
По типу спектра звуки разделяются на музыкальные тона и шумы.
Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты. Спектр гармонического колебания представляет собой одну вертикальную линию (рис. 44).
Шум — совокупность множества разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т. п.) — представляет собой нало­жение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр) (рис. 45).

Шумы по частотной характеристике разделяются на низкочастотные

(), среднечастотные (), высокочастотные ().

Длительное воздействие шумов на человека приводит к повреждению центральной нервной системы, повышению кровяного и внутричерепного давления, нарушению нормальной работы сердца, головокружению. Вредное воздействие сильных шумов на человека было замечено давно (рис. 45-1).

В Китае еще 2000 лет назад в качестве наказания заключенные подвергались непрерывному воздействию звуков флейт, барабанов и крикунов, пока не падали замертво. При мощности шума 3 кВт и частоте 800 Гц нарушается способность глаза к фокусировке. Мощность шума 5—8 кВт дезорганизует работу скелетной мускулатуры, вызывает паралич, потерю памяти. Мощность шума около 200 кВт приводит к смерти. Поэтому в больших городах запрещено использование резких и громких сигналов. Значительно снижают шумы деревья, кустарники, которые их поглощают. Поэтому вдоль дорог с интенсивным автомобильным движением необходимы зеленые насаждения. Тишина значительно повышает остроту слуха.

Для определения уровня шума используют шумомеры (рис. 45-2).

Физическим характеристикам звука соответствуют его субъективные характеристики, связанные с его восприятием ухом человека. Это обусловлено тем, что восприятие звука — процесс не только физический, но и физиологический. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей по-разному, в зависимости от чувствительности органов слуха.

Основными физиологическими характеристиками звука являются громкость, высота и тембр.
Громкость (степень слышимости звука) определяется как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц. 

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.

Для музыкального звука (созвучия) основной тон соответствует наименьшей частоте (рис. 46). Все остальные тоны называют обертонами.

Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота.
По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, органа и флейты, голоса людей и т.д.

Таблица 3. Частота ν колебаний различных источников звука (табл. 3)

Источник звука ν, Гц Источник звука ν, Гц
Мужской голос: 80-500 Орган 22-16000

бас

 80-350 Флейта 260-15000
Баритон 100-400 Скрипка 260-15000
тенор 130-500 Арфа 30-15000
Женский голос: 170-1400 Барабан 90-14000
контральто 170-780 Контрабас 60-8000
меццо-сопрано 200-1000 Виолончель 70-8000
сопрано 250-1300 Труба 60-6000
колоратурное сопрано 260-1400 Саксофон 80-8000
Рояль 90-9000

Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твердых телах (табл. 4).

Таблица 4. Скорость звука в различных средах

Среда t comma space straight C presuperscript degree v, straight м over straight c
Воздух 0 331
Воздух 20 343
Вода 20 1490
Глицерин 20 1920
Ртуть 20 1450
Лед 0 3280
Сталь 20 5050
Стекло  20 5300
Чугун 20 3850

Скорость звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально, square root of T, где Т — абсолютная температура. В воздухе скорость звука begin mathsize 20px style upsilon equals 331 straight м over straight с end style при температуре t = 0 °C и  begin mathsize 20px style upsilon equals 343 straight м over straight с end style при температуре t = 20 °C. В жидкостях и металлах скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение — вода).

На основе музыкальных тонов создана музыкальная азбука — ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах.

Интервал частот музыкальных звуков, на границах которого звуки по частоте отличаются в 2 раза, называют октавой (рис. 46).

Музыкальный звук (созвучие) — результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов. Основной тон называется также первой гармоникой. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр (рис. 47).

Многие животные могут воспринимать звуки ультразвуковых частот. Например, собаки могут слышать звуки до 50  000 Гц , а летучие мыши — 100  000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и другим морским животным ориентироваться в толще воды

Отношение скорости движения объекта к скорости звука в среде, в которой перемещается объект, называется «числом Маха», названным в честь австрийского физика Эрнста Маха (1838—1916). Поэтому говорят, что объект, движущийся со скоростью звука, перемещается со скоростью в один мах. При этом все волновые поверхности звуковой волны концентрируются в одной точке (рис. 47-1, б). 14 декабря 1947 г. летательный аппарат впервые преодолел звуковой барьер (рис. 47-1, г). 

Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией, а соответствующие приборы — эхолокаторами.

Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образовано из начальных букв трех английских слов: sound — звук; navigation — навигация; range — дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой.

Эхолокацию используют многие животные: китообразные (дельфины), летучие мыши, птицы гуахаро, гнездящиеся в глубоких пещерах Венесуэлы и на острове Тринидад, стрижи-салаганы, живущие в пещерах Юго-Восточной Азии.

Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях, например УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека.

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля. Он основан на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотами 0,5—25 кГц в контролируемых изделиях с использованием специальной аппаратуры —  ультразвукового преобразователя и дефектоскопа.

 

Вопросы к параграфу

1. Какова природа звука и каковы его источники?
2. Как классифицируются звуки?
3. Какой диапазон звуковых частот воспринимает ухо человека?
4. Чему равна скорость распространения звука в воздухе?
5. Как зависит высота звука от частоты?
6. В каких пределах находятся частоты инфразвуковых и ультразвуковых волн?
7. Полет каких птиц и насекомых мы слышим, а каких нет? Используя данные таблицы 5, определите, у какого насекомого самый высокий звук.

Таблица 5. Частота колебаний крыльев насекомых и птиц в полете, Гц
 Аист  2
Ворона 3-4
Бабочка  до 9
Воробей до 13
Стрекоза 38-100
Оса 100-110
Шмель 180-240
Муха (комнатная) 190-330
Пчела (с ношей) 200-250
Комар 300-600


8. Как по звукам, издаваемым мухой и комаром, определить, кто из них в полете чаще машет крыльями?
9. Почему бабочки летают бес­шум­но?
10. Назовите основные физические и физиологические характеристики звука.
11. Что такое порог слышимости? Болевой порог?
12. На какой частоте человеческое ухо обладает наилучшей чувствительностью?
13. Почему понижается высота звука циркулярной пилы, когда к ней прижимают доску?
14. Всегда ли отраженный звук имеет такую же высоту тона, как и падающий?
15. Почему голос становится высоким, если человек вдохнет гелий?
16. Почему, когда мы прикладываем к уху раковину, нам слышится «шум моря»?
17. Могут ли космонавты при выходе в открытый космос общаться между собой при помощи звуковой речи?

 

Пример решения задачи

Стальные детали проверяются ультразвуковым дефектоскопом (рис. 48). Определите толщину d детали и глубину h расположения дефекта, если после излучения ультразвукового сигнала получены два отраженных сигнала через промежутки времени τ1= 0,15 мс и τ2= 0,10 мс. Модуль скорости распространения ультразвука в детали v = 5 comma 2 space times space 10 cubed straight м over straight c.

Дано:

τ1 = 0 comma 15 space мc space equals space 1 comma 5 space times 10 to the power of negative 4 end exponent straight c

τ2 = 0 comma 10 space мc space equals space 1 comma 0 space times space 10 to the power of negative 4 end exponent straight c

v = 5 comma 2 space times 10 cubed straight м over straight c.


  d - ?  h - ?

Решение

Первый отраженный сигнал прошел путь от источника ультразвука до стенки детали и обратно, равный 2d.
Следовательно, толщина детали:

.

Глубину нахождения дефекта находим аналогично:

.

Ответ: d = 0,39 м, h = 0,26 м.

Упражнение 6

1. Расстояние между двумя железнодорожными станциями l = 10 км. Сколько времени распространяется звук от одной станции к другой по воздуху (Δt1) и по стальным рельсам (Δt2)? Температура воздуха t = 0,0 °C.
2. Дельфины испускают ультразвуковые импульсы частотой ν = 250 кГц. Определите длину волны такого ультразвука в воде (λ1) и в воздухе (λ2) при температуре t = 20 °C.
3. Определите расстояние l до преграды, если мальчик слышит эхо через промежуток времени τ = 2,0 c. Скорость звука в воздухе v = 340 straight м over straight c.
4. Определите глубину моря H в данном месте, если ультразвуковой импульс возвратился на судно через промежуток времени Δt = 0,20 c после посылки. Модуль скорости ультразвука в морской воде v  = 1 comma 5 space times space 10 cubed space straight м over straight c.

5. Турист подошел к горному озеру. Он крикнул и услышал звук эха, отраженного от скалы, находящейся на противоположном берегу. Определите расстояние l до противоположного берега озера, если турист услышал эхо через промежуток времени τ = 1,5 c.
6. Мальчик видит, как тяжелый камень упал на бетонный тротуар. Некоторое время спустя он слышит два звука от удара камня: один пришел по бетону, а другой распространялся по воздуху. Промежуток времени между ними Δt = 1,2 c. На каком расстоянии l от человека упал камень, если модуль скорости звука в бетоне vб = 4500 space straight м over straight c ?
7. Стальную деталь проверяют ультразвуковым дефектоскопом. Определите глубину h нахождения дефекта в детали и ее толщину d, если первый отраженный сигнал получен через промежуток времени τ1 = 8,0 мкс, а второй — через τ1 = 20 мкс. Определите толщину детали, если скорость звука в стали составляет v = 5 comma 0 space times space 10 cubed straight м over straight c.
8. Длина звуковой волны в первой среде втрое больше, чем во второй. Во сколько раз k изменится модуль скорости распространения звуковой волны при переходе из первой среды во вторую?
9. С башни высотой  производят горизонтальный выстрел из орудия. Снаряд имеет начальную скорость, модуль которой . Через какой промежуток времени  после выстрела  артиллерист на башне услышит звук от разрыва снаряда на земле? Скорость распространения звука в воздухе ,