Что является источником звука

1. Источники звука. Звуковые колебания

Рис. 6. Указание авторства не требуется: обои/рельефы, 2017-08-30, https://clck.ru/Uu6tj, бесплатно для коммерческого использования.
Рис. 7. Указание авторства не требуется: Летучая Мышь Черный Птицы Полет Крылья Большие, https://pixabay.com/images/id-34722/, бесплатно для коммерческого использования.

Рис. 8. Изображение корабля, измеряющего глубину моря с помощью ультразвука. © ЯКласс.

Физические основы строительной акустики

Источником звука может служить любое колеблющееся твердое тело или область газа или жидкости, в которой под действием внешних сил возникают изменения давления. Колебания, совершаемые источником звука, вызывают движение частиц окружающей среды, непосредственно соприкасающихся с источником. Из-за упругой связи между частицами среды эти колебания передаются все дальше и дальше от источника, то есть распространяется звуковая волна.

Законы распространения звуковых волн от данного источника определяются как параметрами самого источника (формой, размерами, амплитудой и спектральным составом его колебаний), так и свойствами окружающей среды (скоростью звука в ней, ее волновым сопротивлением, однородностью и так далее).

Если размеры источника звука малы по сравнению с длиной излучаемой звуковой волны ( L ист << λ), то такой источник можно считать точечным . В однородной среде от него будут распространяться сферические волны. Если размеры источника велики по сравнению с длиной волны ( L ист >> λ), то вследствие процессов дифракции его излучение будет направленным.

Скорость звука в воздухе примерно равна 340 м/с. Максимальная длина волны, соответствующая низкочастотной границе слышимого звука ( 16 Гц), λ mах = 22 м , а минимальная длина волны (при частоте 20 кГц) λ min = 0,017 м . Поэтому для получения направленного звукового пучка на речевых частотах (300 – 2000 Гц) применяют рупоры с диаметром выходного сечения порядка 1 м .

Кроме направленности излучения к основным характеристикам источников звука относятся частотный спектр и мощность излучаемого звука.

Приемники звука – это акустические приборы для восприятия звуковых сигналов и преобразования их с целью измерения, анализа, усиления, записи, передачи или воспроизведения.

Источник звука — что это? Что является источником звука?

Человек щедро наделен природой, для того чтобы комфортно существовать и познавать окружающий мир. Он способен видеть яркие краски, слышать различные звуки, улавливать запахи и наслаждаться вкусом пищи. Одним из самых сложных органов чувств является орган слуха, благодаря которому человек общается и получает большую часть информации.

Человек обитает в постоянном мире звуков, благодаря чему получает незаменимый источник информации о мире, который его окружает. Рокот морского прибоя и гул ветра, щебетание птиц, разговоры людей и рычание животных, раскаты грома — источники звука в природе, которые помогают человеку адаптироваться в окружающих условиях.

Каким образом человек слышит?

Если рассматривать человеческое ухо изнутри, можно увидеть мембрану, которая называется барабанная перепонка. Она тянется вдоль тоннеля, ведущего внутрь уха. Вибрации воздуха, исходящие от источника звука, бьют по барабанной перепонке, заставляя ее также вибрировать. За барабанной перепонкой находится костяное пространство, заполненное тремя двигающимися косточками, которые называются молоточком, наковальней и стремечком, которые были названы так из-за своей формы. Эти косточки подхватывают вибрации от барабанной перепонки и начинают колебаться.

Откуда появляется звук?

Что является источником звука? Любое физическое тело или явление, колеблющееся со звуковой частотой, так как в окружающей среде возникают исходящие от него волны. Люди издают звуки с помощью голосовых связок. Если приложить руки к горлу во время разговора, то можно почувствовать вибрацию. Практически всегда возможно определение источников звука. Звуковые волны подобны волнам на пшеничном поле в ветреную погоду. Молекулы воздуха наталкиваются друг на друга и расходятся, а волна, проходящая сквозь воздух, является просто ритмическим сжатием и распространением потока воздушных молекул – видом вибрации. Но и другие материалы переносят звуковые волны, например, дерево, что является источником звука также. Если крикнуть с одной стороны закрытой деревянной двери, сначала будут вибрировать голосовые связки кричащего человека, они, в свою очередь, заставят вибрировать воздух. Воздух заставляет вибрировать дерево двери, а затем от двери вибрация передается в воздух и дальше, к человеку, стоящему по другую сторону двери. В пещере стены не поглощают и не передают звуки, как это делают двери. Они откидывают их рикошетом обратно, как зеркальце свет. Некоторые долины в Европе известны своим эхом. Например, один звук из охотничьего рожка может повториться 100 раз, пока, наконец, не утихнет.

Естественные источники

К естественным источникам звука причисляются жужжание пчелы или мухи, писк комара, голосовые связки человека и животных. Если приложить большую морскую ракушку к уху, можно услышать отдаленный шум, напоминающий рокот морского прибоя, недаром, возвратившись с моря, многие везут домой ракушку с живой памятью о море. Какой бы привлекательной ни казалась эта идея, шум, который слышится, ничего общего с морем не имеет. Вместо этого ухо слышит многократное эхо всех звуков снаружи раковины. К естественным источникам звука относится шелест листьев и пение птиц, журчание родника, гром во время грозы, стрекотание кузнечиков и скрип снега под ногами — перечисление природных источников звуковых волн можно продолжать бесконечно.

Механизм звуковых волн

Эхо – это звуковые волны, которые отталкиваются от гладкой поверхности и доходят до уха. Например, если крикнуть в пещере, можно на долю секунды позже услышать свой голос, который отбился от стен пещеры и возвратился назад. Таким образом действует и морская раковина. Самыми лучшими примерами источников звука будут те раковины, у которых множество пустых камер. Они напоминают комнаты в пустом доме. Стенки у раковины гладенькие, значит, звуки поблизости раковины, даже самые тихие, повторяются в камерах. Все эхо — от разговоров людей, музыки или природных звуков – превращается в рокот. К нему также может добавиться стук сердца, который подхватывает и отбивает раковина. Прекрасный эффект, образуемый множеством эхо, слышится шумом морского прибоя.

Преобразование звука

Как громко бы ни кричал человек, через 100-200 метров уже никто его не услышит, разве что будет кричать по телефону. Слово «телефон» переводится с греческого языка как «дальний звук». Во время телефонного разговора звуковые волны превращаются в электрический ток. Во время приема происходит обратный процесс. Такой ток может преодолевать любые расстояния, распространяясь в воздушной среде подобно звуковым волнам. В телефонную трубку вмонтирован микрофон, который реагирует на колебания воздуха, возникающие во время разговора. Микрофон превращает эти колебания в переменный ток. Он распространяется по проводам телефонной линии и достигает абонента на другом конце линии. Но, так как человек не ощущает колебания переменного тока, необходимо превратить их в звуковые колебания, которые можно услышать. Такую функцию выполняет небольшой громкоговоритель, вмонтированный в телефонную трубку. Электрические волны влияют на магнитное поле, изменяя его мощность. Это заставляет мембрану вибрировать, образуя звуковые волны, определяемые как голос звонящего человека.

Какие волны слышит человек?

Только волны, улавливаемые слухом человека, именуются звуковыми волнами.

Звук – это различаемые человеком механические волны определенного диапазона. Исследования доказывают, что человеческие органы слуха принимают волны диапазоном от 16 Гц до 20000 Гц. Кроме них бывают волны, частота которых ниже 16 Гц (инфразвук) и выше 20000 Гц (ультразвук). Но они в диапазон слышимости не входят и человеком не ощущаются.

На рисунке указан диапазон слышимости человека.

Ин­фра­звук Звук Уль­тра­звук

0 16–20 20000 Гц

Другие частоты различимы отдельными животными или насекомыми, среди которых рыбы, бабочки, собаки и кошки, летучие мыши, дельфины.

Как определить источник звука? Источниками являются всякие тела, создающие колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)

Искусственные источники

Все что создано человеком, а не природой, можно отнести к искусственным источникам звука, примеры: камертон, колокол, трамвай, радио, компьютер. Можно провести эксперимент, как создается звуковая волна. Для опыта понадобится линейка из металла, зажатая в тиски. Если воздействовать на линейку, то можно замечать колебания, но при этом звука не будет слышно. Но около линейки при этом формируется механическая волна. Диапазон колебаний линейки при этом ниже звуковой частоты, поэтому человек не слышит звука. На таком опыте в конце 19 века был изобретен прибор, называемый камертоном.

Звук образуется только при колебании тела со звуковой частотой. Расходятся волны в разные стороны. Между ухом и источником звука непременно должна находиться среда. Она может быть газом, жидкостью, твердой поверхностью, но это непременно должны быть частицы, передающие волны. Передача звуковых колебаний осуществляется только там, где есть такая среда. Если вещества нет, не будет и звука.

Условия, требуемые для получения звука

Для создания звуковой волны должны быть:

1. Источник.
2. Среда.
3. Слуховой аппарат.
4. Частота 16–20000 Гц.
5. Интенсивность.

Восприятие звука – процесс субъективный, который зависит от состояния слухового органа и самочувствия человека. Микрофоны работают по такому же принципу, как и уши, только вместо барабанной перепонки в микрофоне содержится маленькая, тонкая металлическая пластинка, прикрепленная к магниту. С изменением давления воздуха на пластинку магнит покачивается, и производятся электрические колебания.

Достижения акустики

В прошлом люди сберегали звучание различными способами: на виниловых пластинках, фотокинопленках или в виде магнитных частиц на магнитной ленте. Компьютер как источник звука сохраняет информацию об уровне тока, регулярно считывает уровень напряжения и сохраняет каждое значение как число. В наше время практически все компьютеры имеют звуковую плату, что позволяет записывать и воспроизводить звуковые сообщения и музыку от внешних устройств (микрофон, магнитофон, компакт-диски) или обрабатывать цифровые звуковые данные, записанные на цифровом источнике звука, носителях информации (жесткие диски, DVD, CD, Blu-ray диски) с выводом их на динамики.

Развитие цифровой технологии не стоит на месте. Всего за 100 лет прогресс звука продвинулся от эры механической звукозаписи, начиная от музыкальных шкатулок, до эры цифровой звукозаписи. Достижения в области акустики уже сейчас потрясают.

Ученые нашли способ передавать данные с компьютера на компьютер, используя только звук. Создан акустический скальпель, способный отделять даже одну клетку, нанотехнологи уже разрабатывают способ подзарядки мобильного телефона с помощью голоса. В будущем человечество ждут невероятные открытия, в которых непосредственное участие будет принимать звук.

Физика

Источники звука. Звуковые колебания. Ультразвук и инфразвук

Звук – это механические волны, которые являются колебаниями среды. А у колебаний среды обязательно должен быть источник – колеблющееся тело. Значит, источник звука – это колеблющееся тело.

Действительно, можно вспомнить много примеров для подтверждения этого факта. Один из них – школьная забава, когда металлическую или пластмассовую линейку кладут на край стола так, чтобы один конец ее был на столе (его нужно придерживать), а второй свисал с него (см. рисунок 1). Если по свободному концу линейки ударить пальцем, она начнет колебаться и издавать звук, высота которого будет зависеть от длины свободного конца линейки.

Рисунок 1 – Опыт с линейкой

За частоту звука считается частота колебаний источника звука.

Однако не каждое тело, совершающее колебания в среде, может служить источником звука. Например, нитяной маятник при колебаниях звуков не издает. Пружинный тоже.

Экспериментальным путем было установлено, что человеческое ухо может воспринимать колебания в диапазоне частот от 16 Гц до 20 000 Гц. Поэтому колебания из этого диапазона называют звуковыми колебаниями или просто звуком.

Стоит заметить, что границы этого диапазона не такие уж четкие. Например, дети имеют слух острее и могут воспринимать колебания с частотой свыше 20 кГц, а вот у стариков наоборот диапазон восприятия звука заметно снижается.

Итак, 16 Гц – 20 кГц – это звуковой диапазон частот, а что с остальными?

Механические колебания, частота которых менее 16 Гц называются инфразвуком, а колебания с частотой более 20 000 Гц – ультразвуком.

И ультразвук, и инфразвук широко используются в технике, а также часто встречаются в дикой природе (например, дельфины общаются друг с другом с помощью ультразвука).

Высота и тембр звука. Чистый тон, основной тон. Камертон

Высота звука прямо пропорциональна его частоте (и, следовательно, частоте источника). То есть, чем больше частота, тем выше будет звук (можно в домашних условиях провести упомянутый ранее опыт с линейкой – чем короче конец линейки, свисающей над полом, тем больше будет частота колебаний и выше звук — и убедиться в сказанном самостоятельно).

Если источник звука колеблется с неизменной частотой по гармоническому закону, говорят, что он издает чистый тон.

Чистый тон – звук источника, совершающего гармонические колебания, в которых присутствует только одна частота.

Одним из самых распространенных источников чистого тона является такое устройство, как камертон (см. рисунок 2). Он состоит из изогнутого U-образного металлического стержня на ножке, установленном на коробочке, называемом резонаторном ящиком. При ударе молоточком по металлическому стержню, тот начинает колебаться и издавать звук. Колебания камертона являются гармоническими, а звук камертона имеет в своем составе колебания только одной частоты.

Рисунок 2 – Камертон

Но чаще всего окружающие человека звуки представляет собой сумму колебаний нескольких частот. Любой из этих звуков можно представить в виде нескольких чистых тонов (фактически, разложить звук на составляющие его части). Из этих чистых тонов, составляющих звук,звуковую волну с самой низкой частотой называют основным тоном, а соответствующую ему частоту – основной частотой. А все остальные тона называются обертонами.

Важно отметить, что частота составного звука определяется именно по частоте его основного тона.

А вот обертона отвечают за такую характеристику, как тембр звука. По нему человек отличает друг от друга звуки различных источников (например, звук музыкального инструмента и голос человека можно отличить, даже если они имеют примерно одинаковую частоту).

Громкость. Амплитуда звуковых колебаний

Громкость звука – понятие, постоянно употребляемое в жизни. Действительно, все когда-нибудь слышали фразы «Слишком громко, сделай тише!» или наоборот «Говори громче, не слышно!». А что же такое громкость звука?

Громкость – это характеристика силы звука. В случае с человеческим ухом – это субъективная величина, ведь кто-то слышит лучше, кто-то хуже.

Для объективности была введена универсальная единица измерения громкости – сон. Однако в практических задачах соны почти не используются. Вместо громкости звука на практике чаще всего используется величина, называемая уровнем звукового давления. Он измеряется в белах (Б) или дБ (децибелах).

Уровни звукового давления, соответствующие звукам различных предметов или ситуаций, представлены на диаграмме рисунка 3. Звуки с уровнем звукового давления свыше 140 дБ крайне болезненны для человека, они разорвать барабанную перепонку. А звук с характеристикой свыше 200 дБ смертельно опасен.

Рисунок 3 – Диаграмма уровней звукового давления

От чего же зависит уровень громкости?

На самом деле она зависит от нескольких факторов, но основной из них – амплитуда звуковых колебаний. Если представить струну гитары и гитариста, который сначала аккуратно и не сильно дергает струну, а потом резко и сильно бьет по той же струне. Во втором случае звук будет явно сильнее, потому что струна будет колебаться с большей амплитудой.

Громкость увеличивается с увеличением амплитуды.

Однако следует помнить, что в восприятии звука человеческим ухом есть свои особенности: помимо амплитуды на него влияет так же частота звуковой волны (более высокие звуки будут восприниматься как более громкие), длительность, тембр и многое другое.

Распространение звука. Звуковые волны. Скорость звука

Звук, распространяющийся в газах и жидкостях, представляет собой продольную волну (так как в неупругих средах могут распространяться только такой вид волн). То есть звуковая волна – это чередование областей уплотнения и разряжения частиц среды, идущих от источника.

Как и любой другой вид волн, звуковые волны характеризуются скоростью распространения. Например, во время грозы человек сначала видит вспышку молнии, а потом уже слышит гром. Причем интересно, что скорость распространения звука в разных средах будет различна.

Экспериментально измерить скорость звука можно, например, в эксперименте со стрелком, делающим выстрел в воздух. Если встать от стрелка на расстоянии 500 метров и засечь время между вспышкой, которую мы видим при выстреле и звуком, который до нас доходит с опозданием, можно рассчитать скорость по формуле:

где v – скорость звука в среде, S – расстояние до стрелка, t – время между вспышкой и звуком.

По экспериментальным данным скорость звука в воздухе равна примерно 330 м/с.

Однако это величина не постоянная. Скорость звука в газах зависит от температуры: при увеличении температуры молекулы газа начинают двигаться быстрее и, тем самым, увеличивается степень из взаимодействия (то есть молекулы чаще сталкиваются друг с другом), а значит и скорость распространения волн тоже увеличится.

330 м/с — это скорость звука при нормальном атмосферном давлении и 0° по шкале Цельсия.

График зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры воздуха представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 — График зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры воздуха

А что же насчет распространения звуков в других средах – жидкостях или твердых телах? Жидкости и твердые тела имеют плотность больше, чем газы, значит, молекулы в них взаимодействуют друг с другом активнее. А чем сильнее взаимодействуют молекулы вещества, тем быстрее распространяется волна в нем. Значит, звук распространяется в жидкостях и твердых телах быстрее, чем в газах.

И стоит помнить, что для звуковых волн, как и для любых других, действуют формулы:

Где v – частота звуковых колебаний, T– период звуковой волны, – длина колебаний звуковой волны, v – скорость распространения звуковых колебаний.

Отражение звука. Эхо

Каждый человек когда-либо сталкивался с таким явлением, как эхо – когда произнесенное слово или звук слышатся не один раз, а несколько. Это происходит потому, что звуковые волны отражаются от различных поверхностей (рис.5).

Рисунок 5 – Схема отражения звуковых волн от различных поверхностей (1 – источник звука, 2 – направление исходной звуковой волны, 3 – отражающий предмет, 4 – направление отраженной волны)

Эхо можно услышать, например, в пустой комнате, если она достаточно просторная, или просто в очень большом помещении. Почему же мы не слышим эха, находясь в любом помещении? Чтобы услышать эхо, человеческий мозг должен воспринять отраженный сигнал отдельно от исходного. В маленьких помещениях отраженный звуковой сигнал доходит до уха почти одновременно с исходным, поэтому мозг не успевает их различить.

Например, если ученик стоит на расстоянии 2-х метров от стены, отраженная звуковая волна достигнет его уха через:

Для того, чтобы мозг воспринял исходный и отраженный сигналы отдельно друг от друга, необходимо, чтобы разница во времени была не менее 0,6 секунды.

На возникновение эха так же влияют предметы, находящиеся в комнате: гладкие стены хорошо отражают звук, а вот мягкая мебель и ткани – поглощают звуковые волны, тем самым препятствуя их распространению.

Явление отражения волн часто используется в технике. Например, корабли могут измерять глубин моря используя отражение ультразвука. На дне судна располагают источник и приемник ультразвука. Источник порождает сигналы, которые доходят до дна, а затем отражается от него и доходят до приемника, фиксирующего их (см. рисунок 6). В этом случае глубину моря можно рассчитать по формуле:

где h– глубина измеряемого участка, v_звука – скорость звука в воде, t–время с момента отправления сигнала до его фиксации приемником.

*Данная формула выводится из закона равномерного движения:

где – перемещение при равномерном движении, – скорость движения, – время. Число 2 в знаменателе появляется потому, что за время t в данном случае сигнал успевает пройти путь до дна и обратно до корабля – то есть двойной путь.

Рисунок 6 – Измерение глубины с помощью явления отражения ультразвука от дна (1 – корабль, 2 – источник ультразвука, 3 – приемник ультразвука, 4 – испускаемая источником волна, 5 – отраженная от дна волна)

Звуковой резонанс

Резонанс – это явление резкого усиления амплитуды вынужденных колебаний при совпадении (равенстве) собственной частоты колебаний и частоты вынуждающей силы.

Звуковые волны тоже могут вызвать резонанс, и это явление часто используется в музыкальных инструментах. Например, в гитаре корпус играет роль резонаторного ящика. Звук от колеблющейся струны многократно отражается в полом корпусе гитары и, тем самым, звуковые колебания усиливаются.

В камертоне (см. рисунок 2) резонаторный ящик тоже предназначен именно для усиления звука.

В теле человека роль резонатора играет гортань, а роль источника звука – голосовые связки.