Лекции по курсу Основы физики звука 8 Волновые

Лекции по курсу Основы физики звука 8 Волновые процессы 1

8. Волновые процессы 8. 1. Упругие волны Колебания, возбужденные в какой-либо точке среды, распространяются с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волновым процессом. Волна передает состояние колебательного движения и энергию. Перенос энергии без переноса вещества – это основное свойство всех волн. Волны бывают трех видов: на поверхности жидкости, электромагнитные и упругие. 2

Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве. Она представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей. Векторы электрического и магнитного полей направлены перпендикулярно направлению распространения волны. 3

Упругие волны (механические) бывают продольные и поперечные. - поперечная волна - продольная волна - наложение поперечной и продольной волн 4

Звуковые волны возникают благодаря упругим связям между частицами (молекулами или атомами) тела или среды. Упругие периодические механические колебания источника звука вызывают колебания близлежащих к источнику частиц упругой среды, что приводит к периодическому сжатию (сгущению) и разрежению среды. При совпадении направления колебаний частиц среды с направлением распространения волны возникают так называемые упругие продольные волны. 5

6

8. 2. Бегущие волны Бегущими волнами называются волны, которые переносят в пространстве энергию. Длина волны – расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одной фазе. 7

Перенос энергии волнами характеризуется вектором плотности потока энергии (вектор Умова). Модуль вектора равен энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны. Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t, называется волновым фронтом. 8

8. 3. Звуковые волны Звуковыми (акустическими) волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, частоты которых располагаются в пределах 16 - 20000 Гц. Источниками звука называют колеблющиеся тела (в любых агрегатных состояниях), излучающие звуковые волны. Это может быть струна, столб воздуха в трубе, мембрана и т. д. Звуки, издаваемые музыкальными инструментами, а также звуки человеческого голоса могут сильно различаться по высоте тона и по диапазону частот. Так, например, диапазон наиболее низкого мужского голоса – баса – простирается приблизительно от 80 до 400 Гц, а диапазон высокого женского голоса – сопрано – от 250 до 1050 Гц. Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Голос скрипки, например, перекрывает приблизительно три с половиной октавы (196– 2340 Гц), а звуки пианино – семь с лишним октав (27, 5– 4186 Гц). 9

8. 4. Основные параметры звуковых волн. Акустическая мощность может быть рассчитана по измеренным величинам звукового давления или интенсивности звука с учетом области, в которой измерения были сделаны. Вт Звуковое давление – это сила, действующая на единичную площадку: Н/м 2 Интенсивность (сила) звука – величина, определяемая средней энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны: Вт/м 2 10

При передаче звука происходит перенос энергии от источника до смежных молекул воздуха. Эта энергия передается отдаленным молекулам. Так энергия распространяется далеко от источника подобно волнам на водоеме. 11

Звуковое давление приблизительно 100 Па вызывает боль в ушах. Оно называется порогом болевого ощущения. Самый тихий звук, который может услышать человек, назван порогом слышимости. 12

8. 5. Длина волны и частота Длина волны, скорость звука и частота связаны формулой: Длина волны (м) Частота в (Гц) Согласно приведенной формуле, длина волны соответствует определенной частоте. 13

8. 6. Вторичные параметры звуковых волн Ощущение громкости звука или слуховое ощущение – психофизиологическое восприятие звука. Ощущение громкости звука зависит от частоты, величины звукового давления и длительности звукового сигнала. Закон Вебера-Фехнера: Прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых раздражений д. Б - уровень интенсивности звука – величина, оценивающая громкость звука. - интенсивность звука коэффициент - нижний порог слышимости (д. Б) Вт/м 2 14

На практике уровень интенсивности звука определяется в децибелах. Минимальный прирост громкости, воспринимаемый ухом равен 1 д. Б. Минимальный уровень звука, слышимого ухом, равен 0 д. Б. Отсюда: - акустическое сопротивление Кг/м 2 с Для воздуха: кг/м 2 с кг/м 3 С=331, 3 м/с 15

Порог звукового давления (порог слышимости) – наименьшее значение звукового давления, при котором звук воспринимается органами слуха. Н/м 2 Вт/м 2 Порог слышимости зависит от частоты, поэтому вводят понятие стандартный порог слышимости. Он соответствует частоте 1000 Гц. Закон суперпозиции Для нескольких источников звука справедлив закон суперпозиции (наложения): 16

8. 7. Кривые ровной громкости На основе закона Вебера-Фехнера построены кривые громкости звука. 17

По этой шкале измеряется не абсолютное значение громкости, а уровень громкости звука, который отсчитывается от условного нуля. За условный нуль громкости принимается громкость эталонного звука при частоте f=1000 Гц. Нижний порог уровня громкости звука меняется с изменением возраста человека. 18

Диаграмма слуховых восприятий, на которой приблизительно показаны области громкости речи и музыки, а также порог риска и болевой порог. 19

Представленные выше графики порога слышимости справедливы для полной тишины. В случае проведения опытов по измерению порога слышимости не в полной тишине, а при наличии какого-то постоянного фонового звука, графики окажутся другими. Чистый тон частоты fm создает маскирующий эффект и видоизменяет кривую порога слышимости в тишине. 20