ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ Звуковые волны упругие волны в

ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ Звуковые волны — упругие волны в среде, вызывающие у человека слуховые ощущения. Колебания источника звука (например, струны или голосовых связок) вызывают в воздухе волны сжатия и разрежения. Изучению звука посвящена специальная область физики акустика. Общая акустика изучает вопросы 1

Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последние десятилетия охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). При этом она широко пользуется разнообразными методами превращения механических колебаний в электрические и обратно. Электроакустика, или техническая акустика, занимается получением, передачи, приемом и записью звуков при помощи электрических приборов. 2

3

Музыкальная акустика исследует природу музыкальных звуков, а также музыкальные настрой и системы. Мы различаем, например, музыкальные звуки (пение, свист, звон, звучание струн) и шумы (треск, стук, скрип, шипение, гром). Музыкальные звуки более простые, чем шумы. Комбинация музыкальных звуков может вызвать ощущение шума, но никакая комбинация не даст музыкального звука. 4

Высота тона определяется частотой колебаний источника звука: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Звуки человеческого голоса по высоте делят на несколько диапазонов: бас – 80– 350 Гц, баритон – 110– 149 Гц, тенор – 130– 520 Гц, дискант – 260– 1000 Гц, сопрано – 260– 1050 Гц, колоратурное сопрано – до 1400 Гц. 5

Гидроакустика (морская акустика) занимается изучением явлений, происходящих в водной среде, связанных с излучением, приемом и распространением акустических волн. Она включает вопросы разработки и создания акустических приборов, предназначенных для использования в водной среде. Атмосферная акустика изучает звуковые процессы в атмосфере, в частности распространение звуковых волн, условие сверхдальнего 6

7

Физиологическая акустика исследует возможности органов слуха, их устройство и действие. Она изучает образование звуков органами речи и восприятие звуков органами слуха, а также вопросы анализа и синтеза речи. Создание систем, способных анализировать человеческую речь важный этап на пути проектирования машин, в особенности роботовманипуляторов и электронновычислительных машин, послушным устным распоряжениям оператора. 8

Достигнув человеческого уха, звуковые волны заставляют барабанную перепонку совершать им вынужденные колебания с частотой, равной частоте колебаний источника. Свыше 20 ООО нитевидных рецепторных окончаний, находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы. 9

Строение уха 10

Ухо человека состоит из наружного уха (ушной раковины и слухового прохода), среднего и внутреннего уха. Среднее ухо представляет собой замкнутую полость объемом около 1 кубического сантиметра, расположенную в толще височной кости. От слухового прохода ее отделяет тоненькая барабанная перепонка. Барабанная перепонка представляет собой гибкое и в то же время достаточно прочное образование. Звуковые волны вызывают колебания этой туго натянутой, как 11

При передаче импульсов по нервным волокнам в головной мозг у человека возникают определенные слуховые ощущения. Слуховые ощущения у человека вызывают звуковые волны с частотой колебаний, лежащей в пределах от 16 Гц до 20000 Гц. 12

Биологическая акустика рассматривает вопросы звукового и ультразвукового общения животных и изучает механизм локации, которым они пользуются, исследует так же проблемы шумов, вибрации и борьбы сними за оздоровление окружающей среды. 13

14

Бабочка 8 000 - 160 000 Гц Дельфин 40 - 200 000 Гц Кошка 250 - 100 000 Гц Кузнечик 50 - 50 000 Гц Летучая мышь 2 000 - 150 000 Гц Медведь 300 - 70 000 Гц Попугай 300 - 15 000 Гц Собака 200 - 50 000 Гц Человек 16 - 20 000 Гц 15

16

Интенсивность (сила) звука – это величина средней по времени энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную распространению волны. [Вт/м 2] 17

Интенсивность – объективная характеристика волнового процесса. Громкость звука – субъективная характеристика, определяющая зависимость от частоты. Единицей измерения громкости (по интенсивности) является Бел. 18

Единица громкости звука - 1 Бел – названа в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона. Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости. На практике громкость измеряют в децибелах (д. Б). 1 д. Б = 0, 1 Б. 19

10 д. Б – шепот; 20– 30 д. Б – норма шума в жилых помещениях; 50 д. Б – разговор средней громкости; 70 д. Б – шум пишущей машинки; 80 д. Б – шум работающего двигателя грузового автомобиля; 120 д. Б – шум работающего трактора на расстоянии 1 м 130 д. Б – порог болевого ощущения. Звук громкостью свыше 180 д. Б может даже вызвать разрыв барабанной 20

Уровень громкости выражается в фонах. Громкость для звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности 1 д. Б. Шум в вагоне метро при большой скорости ~ 90 фон, а шепот на расстоянии 1 м ~ 20 фон. 21

Реальный звук – наложение гармонических колебаний с большим набором частот, что представляет собой акустический спектр, который может быть сплошным или линейчатым. 22

Высота звука зависит от частоты волны низкий высокий 23

Громкость звука зависит от амплитуды волны. тихий громкий 24

Комнатная муха делает в секунду 352 взмаха крылышками. Шмель взмахивает 220 раз в секунду. Пчела взмахивает крыльями 440 раз в секунду, когда она летит свободно, и всего 330 раз, когда летит нагруженная медом. Жуки, порождающие при полете более низкие тона, движут крыльями менее проворно. Комар делает крылышками 500 — 600 колебаний в секунду. Пропеллер самолета делает в среднем около 25 оборотов в секунду Звук издаваемый синим китом громче, чем звук выстрела рядом стоящего тяжелого орудия, или громче, чем звук стартующей ракеты. Звук храпа может достигать 25 69

При двоичном кодировании непрерывный звуковой сигнал заменяется серией его отдельных выборок – отсчетов. Каждая выборка фиксирует реальную амплитуду сигнала (256)присваивает ей, наиболее близкое, и A 65 536 дискретное значение. t 1 26

Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования (I) частотой дискретизации (v). Современные звуковые карты обеспечивают 16–битную или 32 битную глубину кодирования звука. N = 2 I = 216 = 65536; N= 232 =4294967296 Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, то есть частоты 27 дискретизации. Чем больше количество

Оценим информационный объем звукового стереофайла длительностью 5 с при частоте 11 к. Гц и глубине дискретизации 8 бит. V = 2*5 c*11000 Гц*8 бит = 880 000 бит 28

Контрольные вопросы 1. Характеристики звука: громкость, интенсивность, высота тона. 2. Частоты звуковых волн, которые слышит человек. 3. Использование звуковых волн. 4. Дискретизация звука. 5. Расчет размера файла. 29