Всё о природном звуке

Звук – волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц упругой среды (воздуха, воды и т. д. ).

Звуком обозначается также специфическое ощущение, вызываемое действием звуковых волн на орган слуха. Ощущение звука возникает лишь при условии, что частоты и энергии, воздействующих на орган слуха колебаний, лежат в определённых границах слухового восприятия. Человеческое ухо воспринимает звук в области частот от 15-20 000 Гц. Колебания с частотами, лежащими вне этих границ, неслышимы, то есть не вызывают слуховых ощущений. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред; неслышимые колебания с частотами ниже 20 гц называется - инфразвук, а колебания с частотами выше 20 кгц – ультразвуком. Одной из важнейших физических характеристик звука является акустический спектр звука (совокупность гармонических колебаний). Распространяется звук в виде волн. От источника звука в среде возникают сгущения и разряжения (вызванные колебаниями источника и распространяющиеся благодаря возникновению упругих сил).

Общим для всех звуков является то, что порождающие их тела, т. е. источники звука, колеблются. В этом можно убедится на простых опытах.

Различные опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука обязательно колеблется (хотя чаще всего эти колебания незаметны для глаза). Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук серены, свист ветра, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.

Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издаёт звука колеблющиеся грузик, подвешенный на нити или пружине.

Источник звука

Источниками звука являются тела или системы тел, движения которых относительно окружающей среды периодически или импульсивно (резко) нарушают её равновесное состояние. Можно узнать на следующие основные типы источников звука:

1. Колебательные и автоколебательные системы.

2. Источники звукового вращения.

3. Источники вихревого звука

4. Электроакустический.

Колебательные и автоколебательные системы

Устройства, в которых возбуждаются либо затухающие собственные колебания, либо не затухающие автоколебания, поддерживаемые работой какого-нибудь источника энергии. К этому типу относятся все музыкальные инструменты и человеческий голос. Голосовой аппарат человека – сложная автоколебательная система; её основными частями являются лёгкие с дыхательными путями (бронхи, трахея), гортань с голосовыми связками и совокупность резонаторов (глотка, носоглотка, рот и нос). В некоторых случаях источник звука представляет собой электромеханическую систему, в которой автоколебания поддерживаются энергией источника тока (электрический звонок, электрические сигналы на транспорте).

Источники звукового вращения

Вращения - называют периодическое изменения давления и скорости среды, вблизи вращающихся тел (винт самолёта, гребные винты корабля).

Источники вихревого звука

Называют звуком возникающий при обтекании твердых тел постоянным потоком вследствие периодического отрыва вихрей (свист растяжек самолета или корабельных снастей, звучание проводов обдуваемых ветром, и т. п. ).

Электроакустический

Электроакустические излучатели – электроакустические преобразователи предназначен для преобразования электрических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты в вынужденные механические колебания. Электроакустические источники звука применяются либо для воспроизведения речи и музыки, либо для генерирования акустических сигналов.

Распространение звука

Мы воспринимаем звуки, находясь на расстоянии от их источников. Обычно звук доходит до нас по воздуху. Сжатие и разрежение воздуха (вызванные колебаниями источника и распространяющиеся благодаря возникновению упругих сил) достигают нашего уха и приводят барабанную перепонку в колебательное движение. В результате у нас возникают определённые звуковые ощущения.

Таким образом, воздух служит передающей средой, т. е. веществом, в котором воздух распространяется от источника к приёмнику, в частности к нашему уху.

Если между источником и приёмником удалить упругую звуко-передающую среду, то звук распространятся, не будет и, следовательно, приёмник не воспримет его.

Хорошо проводят звуки упругие вещества, например металлы, древесина, жидкости газы.

Жидкости хорошо проводят звук. Рыбы, например, хорошо слышат шаги, и голоса на берегу, это известно опытным рыболовам.

Мягкие и пористые тела – плохие проводники звука.

Будильник, стоящий на небольшой подушечке, поместим под колокол воздушного насоса. Его "тиканье" станет тише, но все же будет вполне различимо. Откачав из-под колокола воздух, мы перестанем слышать тиканье вообще. Следовательно, звук тикающих часов мы слышим потому, что в воздухе могут возникать волны. Они и доносят до нас энергию "тиканья" часов.

Итак, звук распространяется в любой упругой среде – твердой, жидкой и газообразной, но не может распространяться в пространстве, где нет вещества.

Приёмник

Приёмники звука – устройства, в которых под действием звука возникают вынужденные колебания. Приемником звука является, в частности, ухо. Для технических целей применяются электроакустические приёмники – устройства, преобразующие колебания упругой среды электрич. колебания. В зависимости от среды, в которой распространяется принимаемые звуки, в воздухе; гидрофоны, работающие в воде, и геофоны, реагирующие на звуковые волны в земной каре.

Характеристика звука

Одной из важнейших физических характеристик звука является акустический спектр звука. Общим для всех звуков является то, что порождающие их тела, т. е. источники звука, колеблются.

От чего зависит громкость звука? Она зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Характеристики звука делятся на: частоту, громкость, скорость, тембр.

Человеческое ухо воспринимает звук в области частот от 15-20 000 Гц. Колебания с частотами, лежащими вне этих границ, неслышимы, то есть не вызывают слуховых ощущений. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред; неслышимые колебания с частотами ниже 20 гц называется - инфразвук, а колебания с частотами выше 20 кгц – ультразвуком. Одной из важнейших физических характеристик звука является акустический спектр звука.

Общим для всех звуков является то, что порождающие их тела, т. е. источники звука, колеблются.

Громкость

Громкость звука зависит также от его длительности и от индивидуальных особенностей слушать

Громкость звука – это субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать все звуки по шкале от тихих до громких

В практических задачах громкость звука принято характеризовать уровнем громкости, измеряемым в фонах, или уровнем звукового давления,измеряемым в белах (Б) или в децибелах (дБ), составляющих десятую часть бела.

Скорость

Известно, что звук распространяется в пространстве только при наличии какой-либо упругой среды. Среда необходима для передачи колебаний от источника звука к приемнику, например к уху человека. Другими словами, колебания источника создают в окружающей его среде упругую волну звуковой частоты. Волна, достигая, уха, воздействует на барабанную перепонку, заставляя ее колебаться с частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожание барабанной перепонки передаются посредством системы косточек окончанием слухового нерва, раздражают их и тем вызывают ощущения звука.

В газах и жидкостях могут существовать только упругие продольные волны. Звук в воздухе, например, передаётся продольными волнами, т. е. чередующимися сгущениями разрежениями воздуха, идущими от источника звука.

Звуковая волна, как и любые другие механические волны, распространяется в пространстве не мгновенно, а с определенной скоростью. Простейшие наблюдения позволяют убедиться в этом. Например, когда мы издалека наблюдаем за стрельбой из ружья, то сначала видим огонь и дым, а потом через некоторое время слышим звук выстрела. Дым появляется в то же время, когда происходит первое звуковое колебание. Измерив, промежуток времени между моментом возникновения звука (момент появления дыма) и моментом, когда он доходит до уха, можно определить скорость распространения звука.

Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 0 0С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с.

Скорость звука в газах тем больше, чем выше их температура. Например, при 20 0С скорость звука в воздухе равна 343 м/с, при 60 0С – 366 м/с, при 100 0С – 387 м/с. Объясняется это тем, что с повышением температуры возрастает упругость газов, а чем больше упругие силы, возникающие в среде при её деформации, тем быстрее передаются колебания от одной точки к другой.

Скорость звука зависит также от свойств, среды, в которой распространяется звук. Например, при 0 0С скорость звука в водороде равна 1284 м/с, а в углекислом газе – 259 м/с. В настоящее время скорость звука может быть измерена в любой среде.

Скорость звука в различных средах, м/с (при t=20 0С)

Вода 1483 Дерево (ель) 5000

Гранит 3850 Сталь 5000 -6000

Медь 4700 Стекло 5500

Скорость распространения звуковых волн в разных средах неодинакова. Медленнее всего звук распространяется в газах. Именно поэтому гром сильно запаздывает после вспышки молнии. Если гроза от нас далеко, то раскат грома можно услышать даже спустя 10-20 секунд .

Тембр (Франц. Timbre) – Качество звука, по которому различаются тоны одной и той же высоты и благодаря которому звучание одного инструмента или голоса отличается от другого. Тембр звука, называемый иначе окраской звука, зависит от формы колебаний. «Окрашенный» звук можно представить как сумму простых синусоидальных колебаний (гармоник) с кратными частотами (например, 100, 200, 300, 400 герц и т. д. ) и с разными амплитудами. Фактически тембр определяется числом и интенсивностью составляющих гармоник, или т. н. Спектральным составом звука. На тембр низких звуков влияют до 20 и более гармоник, средних около 8 – 10, высоких 2 – 3. Тембр зависит также от формант звука. Влияние на тембр оказывают материал звучащего тела, способ звукоизвлечения.

Высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.

Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты.

Самая низкая (самая малая) частота такого сложного звука называется основной частотой, а соответствующий ей звук определенной высоты – основным тоном (иногда его называют просто тоном). Высота сложного звука определяется именно высотой его основного тона.

Все остальные тоны сложного звука называются обертонами. Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона (поэтому их называют также высшими гармоническими тонами).

Обертоны определяют тембр звука, т. е. Такое его качество, которое позволяет нам отличать звуки одних источников от звуков других. Например, мы легко отличаем звук рояля от звука скрипки даже в том случае, если эти звуки имеют одинаковую высоту, т. е. одну и ту же частоту основного тона. Отличие же этих звуков обусловлено разным набором обертонов (совокупность обертонов различных источников может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот).

Таким образом, высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук.

Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.

Свойства

Свойства делятся на звуковые явление:

1. Отражение звуковых волн, Эхо;

2. Преломление;

3. Поглощение;

4. Дифракция;

5. Интерференция;

6. Резонанс.

Эхо – отражение кратковременного звука (импульса) от различных препятствий (стены, леса и т. п. ), воспринимаемое наблюдателем. На слух эхо воспринимается как повторение первичного импульса лишь в том случаи, если время его запаздывания превышает 0,05 – 0,06 сек.

Существует несколько типов эхо:

Многократное эхо, получающееся: при наличии нескольких отражающих поверхностей, например в горных местностях.

Музыкальное эхо, возникающее на пустых стадионах или открытых с бетонными ступенями вследствие многих отражений, доходящих до наблюдателя через одинаковые временные сдвиги. При заполнении трибун зрителями эхо исчезает, т. к. поверхности, ранее отражавшие звук, становятся поглощающимися. В закрытых помещениях, как правило, не наблюдается, т. к. большое количество отражений, приходящих из разных направлений с самыми разнообразными временами запаздывания, сливаясь, образуют общее послезвучание помещения.

Зная скорость распространения звука и измеряя время запаздывания эхо, можно легко установить расстояние до места отражения. На этом основан ряд технических применений эффекта эхо, например эхолоты, позволяющие быстро и с большой точностью измерять глубины моря, измеряя отражение ультразвукового импульса от дна. Дальнейшим усовершенствованием эхолота явился гидроакустический локатор, позволяющий вести поиск препятствий (айсберги, подводные лодки и т. д. ) в горизонтальной плоскости. Эффект эхо получил также широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии, где источником отражения являются всякого рода вредные нарушения сплошности структуры, например трещины, раковины и др. Ряд животных (летучие мыши, дельфины и м. д. ) пользуются эхо локацией для ориентации в пространстве.

На явлении эхо построена вся современная радиолокация, с той разницей, что вместо звуковых волн применяются электромагнитные эхо электромагнитных волн наблюдаются также в длинных линиях связи, например в трансатлантических кабелях.

Преломление

Преломление – изменение направления распространения звуковых волн при переходе из одной среды в другую. Преломление возникает из-за различия скорости распространения волн в этих средах.

Поглощение

Поглощение – это ослабление интенсивности звука при прохождении его через какую-либо среду (или при отражении от поверхности раздела двух сред) вследствие превращения энергии звуковой волны теплую энергию. Поглощение звука зависит от свойств среды, в которой распространяется звук, и от частоты звуковых волн.

Дифракция

Дифракция (от лат. diffractus – разломанный) – огибание звуковыми волнами встречных препятствий.

Интерференция

Интерференция (от лат. inter – взаимно между собой и ferio – ударяю) – сложение в пространстве двух или несколько волн с одинаковыми частотами, вследствие чего в пространстве происходит усиление или ослабление волн.

Акустический резонанс

Мы знаем, что амплитуда установившихся вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынужденной силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. Это явление называется резонанс.

Название этого явления происходит от латинского слова "резоно" – откликаюсь. Познакомимся с ним на опыте. Расположим два камертона рядом повернув, их друг к другу теми сторонами ящичков, где нет стенок. Ударим один из камертонов молоточком. Через 5-10 секунд заглушим его рукой. Удивительно, но теперь будет звучать второй камертон, который мы не ударяли молоточком!

Объяснение этого опыта следующее. Ударив левый камертон, мы передали ему некоторое количество механической энергии. В результате камертон начал звучать, то есть излучать энергию в окружающее пространство в виде звуковых волн. Наиболее интенсивно они излучаются через открытую сторону ящичка-подставки. Попадая внутрь такого же ящичка-подставки второго камертона, волны возбуждают в ней (и ножках камертона) вынужденные колебания той же частоты. Через 5-10 секунд звуковые волны перенесут достаточное количество энергии, чтобы звук правого камертона стал достаточно громким. Однако он все же тише звука первого камертона, поэтому его и нужно заглушить, например, ладонью.

В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов. Например, в гитаре, скрипке и других подобных им струнных инструментах служат деки, которые усиливают издаваемые струнами звуки и придают звучанию инструмента характерную для него окраску – тембр. Тембр звука зависит не только от формы и размера резонатора, но и от того, из какого дерева он изготовлен, и даже от состава лака, покрывающего него. Тембр определяется также материалом, из которого сделана струна, и тем, гладкая она или витая.

Резонаторы имеются и в нашем голосовом аппарате. Источники звука, а голосовом аппарате – голосовые связки. Они приходят в колебание благодаря продуванию воздуха из легких и возбуждают звук, основной тон которого зависит от их напряжения. Этот звук богат обертонами. Гортань усиливает те из обертонов, частота колебаний которых близка к ее собственной частоте. Дальше звуковые волны попадают в полоть рта. Для произнесения каждой гласной необходимо особое положение губ, языка и определенная форма резонаторной полости во рту.

Вы видите графики колебаний воздуха около рта человека, поющего звуки "А" и "О". Заметьте, что колебания воздуха (и голосовых связок человека) являются довольно сложными, состоящими как бы из нескольких колебаний, накладывающихся друг на друга. Люди издают звуки благодаря голосовым связкам. Приложите руки к горлу, когда вы говорите, и почувствуете вибрацию. Благодаря тому, что у нас два уха, мы можем определить направление, откуда идет звук.

Проделаем опыт, подтверждающий, что источниками звука действительно являются колеблющиеся тела. Воспользуемся физическим прибором камертон. Он представляет собой металлическую "рогатку", укрепленную на ящичке, у которого нет одной стенки. Если специальным резиновым молоточком ударить по "ножкам" камертона, то он будет издавать звук, называемый музыкальным тоном (Рис. 8. ). Медленно придвинем звучащий камертон к теннисному шарику, висящему на нити. Как только они соприкоснутся, шарик сразу же, будто от сильного толчка, отскочит в сторону. Так происходит именно из-за частых колебаний ножек камертона.

Инфразвук

Механические колебания, происходящие с частотой менее 20 Гц, называются инфразвуком. Инфразвуки не воспринимаются человеческим ухом, т. е. мы просто не слышим их.

Инфразвук иногда порождается морем, в этом случае его называют «голос моря». Образуется он обычно во время шторма в результате периодических сжатий и разрежении воды.

Инфразвуковая волна, так же как и звук слышимого нами диапазон, распространяется в воде почти в 5 раз быстрее, чем в воздухе. Поэтому различные морские жители, способные воспринимать «голос моря», - медузы, ракообразные, морские блохи и др. – за долго до наступления шторма чувствуют его приближение.

Инфразвук по сравнению со слышимыми звуками мало поглощается как воздухом, так и водой, поэтому инфразвуковая волна распространяется на очень далекие расстояния (порядка нескольких сотен километров). Это дает возможность широко использовать его. Так, например, применение инфразвука имеет большое значение в военном деле. Улавливая его приборами, весьма точно определяют место, откуда действуют дальнобойная артиллерия. Используют инфразвук и в рыболовном промысле. Рыболовецкие суда, оснащенные соответствующими приемными установками, могут быстрее находить стаи рыб, издающие инфразвук или отражающие его.

Ультра звук

Механические колебания, происходящие с частотой более 20 000 Гц, называются ультразвуковыми. Ультразвуки не воспринимаются человеческим ухом, т. е. мы просто не слышим их.

Когда были созданы высокочувствительные приемники звуков для самых различных частот, обнаружилось, что ультразвуки распространены в природе так же широко, как и звуки слышимые. Выяснилось, что их излучают и воспринимают живые существа на суше, в воздухе и в воде и используют для своих «переговоров». Собаки, например, воспринимают ультразвуки с частотой до 40 кГц. Этим пользуются дрессировщики, чтобы подавать собаке команду, не слышимую людьми.

Установленные в море приемники ультразвука обнаруживают его при появлении «плавающих островов» планктона. Оказалось, что крохотные веслоногие рачки в этом планктоне создают ультразвуковые волны, потирая лапку о лапку.

Ультразвуком пользуются и летучие мыши. Исследования естествоиспытателей показали, что зрение у летучих мышей очень слабое – они почти слепы. Как же эти животные обнаруживают любые препятствия на своём пути и как они охотятся в полной темноте? Оказалось, что летучие мыши способны издавать и воспринимать ультразвуковые колебания. Изученные самой мышью ультразвуковые волны отражаются от препятствий и от разных насекомых и улавливаются мышью (у летучих мышей большие уши). По тому, откуда пришла отраженная волна, мышь автоматически оценивает, в каком направлении от нее находится препятствие. Эхо позволяет ей отлично ориентироваться и находить добычу. Подобным образом пользуется ультразвуком дельфины, глубоководные рыбы и некоторые другие живые существа.

Ультра звуковые волны можно получить с помощью специальных высококачественных излучателей. Узкий параллельный пучок ультразвуковых волн в процессе распространения очень мало расширяется. Благодаря этому ультразвуковую волну можно излучить в заданном направлении.

Направленные узкие пучки ультразвука применяются, в частности, измерения моря. Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приёмник ультразвука. Излучатель дает короткие сигналы (длительностью всего 0,001 с), которые посылаются по направлению ко дну. При этом время отправления каждого сигнала регистрируется прибором. Отражаясь от дна моря, ультразвуковой сигнал через некоторое время достигает приемника. Момент приёма сигнала тоже регистрируется. Таким образом, за время которое проходит с момента отправления сигнала до момента приёма, сигнал, распространяющийся со скорость, проходит путь, равный удвоенной глубине моря.

Описанный метод определения расстояния до объекта называется эхо локацией. Следует добавить, что ультразвуковая локация в воздухе малоэффективна, так как волна такой частоты в газах очень быстро затухает.

Ультразвук применяется и для обнаружения в литых деталях различных дефектов – трещин, воздушных полостей и м. д. Этот метод называется ультразвуковой дефектоскопией. Он заключается в том, что на исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник. В тех местах, где дефектов нет, сигналы походят сквозь деталь без существенного отражения и соответственно не регистрируются приемником.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознавать патологические изменения органов тканей. Эти исследования основаны на свойстве ультразвуковых волн с частотой от 0,5 до 15 МГц проходит через ткани организма, частично отражаясь от всех поверхностей, представляющих собой границы тканей разного состава и плотности. Кости, жир, и мышцы по-разному отражают ультразвук волны. Отраженные волны (эхо), преобразованные в электрические импульсы, и потом выявляются на мониторе компьютера у врача.

Ультразвуковая терапия основана на том, что ультразвуковые волны определенных частот оказывают механическое, тепловое физико-химическое воздействие на ткани, в результате чего в организме активируются обменные процессы и реакции иммунитета.

Благодаря материалам найденные мной (из учебников, энциклопедиях) я узнала как распространяется звук, почему мы слышим одни звуки а другие не слышим, узнала, что животные слышат больше звуков чем мы, и для них звук средство для охоты и ориентации в пространстве, с помощью ультразвука и инфразвука.