Звукова вълна: формула, свойства. Източници на звукови вълни

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Звуковата вълна е вълнов процес, протичащ в газообразни, течни и твърди среди, които, когато достигнат до органите на слуха на човека, се възприемат от тях като звук. Честотата на тези вълни е в диапазона от 20 до 20 000 трептения в секунда. Даваме формули за звукова вълна и разглеждаме нейните свойства по-подробно.

Защо има звукова вълна?

Много хора се чудят какво е звукова вълна. Природата на звука се крие в появата на смущения в еластична среда. Например, когато възникне смущение на налягането под формата на компресия в определен обем въздух, тази област има тенденция да се разпространява в пространството. Този процес води до компресиране на въздуха в съседни на източника зони, които също са склонни да се разширяват. Този процес обхваща все повече и повече от пространството, докато достигне някакъв приемник, например човешкото ухо.

Общи характеристики на звуковите вълни

Нека разгледаме какво е звукова вълна и как се възприема от човешкото ухо. Звукова вълнае надлъжен, той, когато влезе в ушната черупка, предизвиква вибрации на тъпанчето с определена честота и амплитуда. Можете също да представите тези флуктуации като периодични промени в налягането в микрообема на въздуха, съседен на мембраната. Първо, то се увеличава спрямо нормалното атмосферно налягане и след това намалява, подчинявайки се на математическите закони на хармоничното движение. Амплитудата на промените във въздушната компресия, тоест разликата между максималното или минималното налягане, създадено от звукова вълна, с атмосферното налягане е пропорционална на амплитудата на самата звукова вълна..

Много физически експерименти показват, че максималното налягане, което човешкото ухо може да възприеме, без да го увреди, е 2800 µN/cm². За сравнение, да кажем, че атмосферното налягане близо до земната повърхност е 10 милиона µN/cm^{2. Като се има предвид пропорционалността на налягането и амплитудата на трептене, можем да кажем, че последната стойност е незначителна дори за най-силните вълни. Ако говорим за дължината на звуковата вълна, тогава за честота от 1000 вибрации в секунда тя ще бъде хилядна от сантиметъра.}

Най-слабите звуци създават колебания на налягането от порядъка на 0,001µN/cm², съответната амплитуда на трептене на вълната за честота от 1000 Hz е 10^{- 9}cm, докато средният диаметър на въздушните молекули е 10^{-8 cm, тоест човешкото ухо е изключително чувствителен орган.}

Концепцията за интензитета на звуковите вълни

С геометричниОт гледна точка на звуковата вълна, това е вибрация с определена форма, от физическа гледна точка основното свойство на звуковите вълни е способността им да пренасят енергия. Най-важният пример за пренос на вълнова енергия е слънцето, чиито излъчвани електромагнитни вълни осигуряват енергия на цялата ни планета.

Интензитетът на звуковата вълна във физиката се определя като количеството енергия, пренесено от вълна през единична повърхност, която е перпендикулярна на разпространението на вълната и за единица време. Накратко, интензитетът на вълната е нейната мощност, пренесена през единица площ.

Силната на звуковите вълни обикновено се измерва в децибели, които се основават на логаритмична скала, удобна за практически анализ на резултатите.

Интензивност на различни звуци

Следната децибелна скала дава представа за значението на различните интензитети на звука и усещанията, които причинява:

прагът за неприятни и неудобни усещания започва от 120 децибела (dB);
чукът за занитване генерира 95 dB шум;
високоскоростен влак - 90 dB;
трафик улица - 70 dB;
силата на нормален разговор между хората е 65 dB;
Модерен автомобил, движещ се с умерена скорост, генерира 50 dB шум;
средна сила на радиото - 40 dB;
тих разговор - 20 dB;
шум от дървесна зеленина - 10 dB;
Минималният праг на звукова чувствителност при човека е близо до 0 dB.

Чувствителността на човешкото ухо зависи отчестота на звука и е максималната стойност за звукови вълни с честота 2000-3000 Hz. За звук в този честотен диапазон долният праг на човешката чувствителност е 10-5 dB. Все по-високи и по-ниски честоти от посочения интервал водят до повишаване на долния праг на чувствителност по такъв начин, че човек чува честоти близо до 20 Hz и 20 000 Hz само при интензитета им от няколко десетки dB.

Що се отнася до горния праг на интензивност, след който звукът започва да причинява неудобство за човек и дори болка, трябва да се каже, че той практически не зависи от честотата и се намира в диапазона от 110-130 dB.

Геометрични характеристики на звукова вълна

Истинската звукова вълна е сложен осцилаторен пакет от надлъжни вълни, които могат да бъдат разложени на прости хармонични вибрации. Всяко такова трептене се описва от геометрична гледна точка със следните характеристики:

Амплитуда - максималното отклонение на всеки участък от вълната от равновесието. За тази стойност, обозначението A.
Период. Това е времето, необходимо на една обикновена вълна да завърши пълното си трептене. След това време всяка точка от вълната започва да повтаря своя осцилаторен процес. Периодът обикновено се обозначава с буквата T и се измерва в секунди в системата SI.
Честота. Това е физическа величина, която показва колко трептения прави дадена вълна в секунда. Тоест по смисъла си той е стойност, обратна на периода. Обозначава се с латинската буква f. За честотата на звуковата вълна формулата за определянето й през период е както следва: f=1/T.
Дължината на вълната е разстоянието, което изминава за един период на трептене. Геометрично, дължината на вълната е разстоянието между два най-близки максимума или два най-близки минимума на синусоидална крива. Дължината на трептене на звукова вълна е разстоянието между най-близките зони на въздушна компресия или най-близките места на нейното разреждане в пространството, където се движи вълната. Обикновено се обозначава с гръцката буква λ.
Скоростта на разпространение на звуковата вълна е разстоянието, през което зоната на компресия или зоната на разреждане на вълната се разпространява за единица време. Тази стойност се обозначава с буквата v. За скоростта на звукова вълна формулата е: v=λf.

Геометрията на чиста звукова вълна, тоест вълна с постоянна чистота, се подчинява на синусоидален закон. В общия случай формулата на звукова вълна е: y=Asin(ωt), където y е стойността на координатата на дадена точка от вълната, t е времето, ω=2pif е честотата на цикличните трептения.

Апериодичен звук

Много източници на звук могат да се считат за периодични, например звукът от музикални инструменти като китара, пиано, флейта, но има и голям брой звуци в природата, които са апериодични, тоест звуковите вибрации се променят тяхната честота и форма в пространството. Технически този вид звук се нарича шум. яръкпримери за апериодичен звук са градски шум, шумът на морето, звуци от ударни инструменти, като барабан, и други.

Среда за разпространение на звук

За разлика от електромагнитното излъчване, чиито фотони не се нуждаят от материална среда за разпространението си, природата на звука е такава, че за разпространението му е необходима определена среда, тоест според законите на физиката звуковите вълни не могат разпространява се във вакуум.

Звукът може да пътува през газове, течности и твърди тела. Основните характеристики на звукова вълна, разпространяваща се в среда, са както следва:

вълната се разпространява линейно;
разпръсква се еднакво във всички посоки в хомогенна среда, тоест звукът се отклонява от източника, образувайки перфектна сферична повърхност.
независимо от амплитудата и честотата на звука, неговите вълни се разпространяват със същата скорост в дадена среда.

Скоростта на звуковите вълни в различни медии

Скоростта на разпространение на звука зависи от два основни фактора: средата, в която се движи вълната и температурата. Като цяло важи следното правило: колкото по-плътна е средата и колкото по-висока е нейната температура, толкова по-бързо се движи звукът в нея.

Например, скоростта на разпространение на звукова вълна във въздуха близо до земната повърхност при температура 20 ℃ и влажност 50% е 1235 km/h или 343 m/s. Тогава във вода при дадена температура звукът се движи 4,5 пъти по-бързоима около 5735 км/ч или 1600 м/с. Що се отнася до зависимостта на скоростта на звука от температурата във въздуха, тя се увеличава с 0,6 m/s с повишаване на температурата за всеки градус по Целзий.

Тембър и тон

Ако се остави струна или метална плоча да вибрират свободно, тя ще произведе звуци с различни честоти. Много рядко е да се намери тяло, което да излъчва звук с една определена честота, обикновено звукът на обект има набор от честоти в определен интервал.

Тембърът на звука се определя от броя на присъстващите в него хармоници и съответните им интензитети. Тембърът е субективна стойност, тоест това е възприемането на звучащ обект от конкретно лице. Тембърът обикновено се характеризира със следните прилагателни: висок, блестящ, звучен, мелодичен и така нататък.

Тонът е звуково усещане, което позволява да се класифицира като висок или нисък. Тази стойност също е субективна и не може да бъде измерена с никакъв инструмент. Тонът се свързва с обективна величина – честотата на звукова вълна, но между тях няма еднозначна връзка. Например, за едночестотен звук с постоянна интензивност, тонът се повишава с увеличаване на честотата. Ако честотата на звука остане постоянна, но интензитетът му се увеличава, тогава тонът става по-нисък.

Форма на източниците на звук

Според формата на тялото, което вибрира механично и по този начин генерира звук, има три основни типа източници на звукови вълни:

Точков източник. Той произвежда звукови вълни, които имат сферична форма и бързо затихват с разстояние от източника (приблизително 6 dB, ако разстоянието от източника се удвои).
Източник на линия. Той създава цилиндрични вълни, чийто интензитет намалява по-бавно, отколкото от точков източник (при всяко удвояване на разстоянието от източника, интензитетът намалява с 3 dB).
Плосък или двуизмерен източник. Той генерира вълни само в определена посока. Пример за такъв източник би било бутало, движещо се в цилиндър.

Електронни източници на звук

За да създадат звукова вълна, електронните източници използват специална мембрана (говорител), която извършва механични вибрации, дължащи се на феномена на електромагнитната индукция. Тези източници включват следното: