Звук (что такое примеры формула)

Звук это механическое явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных.

Этот термин часто употребляется в более широком смысле, под ним подразумевают механические колебания и волны в упругих средах.

Исследованием звуковых волн занимается часть физики, называемая акустикой.

Источником звуковых волн может быть любой процесс, вызывающий местные изменения давления или механическое напряжение в среде.

Что такое звук

Интервал частот от 16 до 20000 Гц называется звуковым диапазоном.

Неслышимые механические колебания с частотами ниже звукового диапазона, то есть ниже 16 Гц, называют инфразвуками, а с частотами выше звукового диапазона, то есть более 20000 Гц, называют ультразвуками.

Необходимые условия для возникновения ощущения звука — упругая среда между источником звука и ухом и достаточная мощность звуковых волн (чтобы вызвать колебания барабанной перепонки).

Звук передается упругой средой в виде волны. Скорость его распространения зависит от свойств среды, в которой возникают звуковые колебания.

Скорость звука зависит от упругих свойств среды, ее плотности и температуры. Скорость звука в однородной газовой или жидкой среде определяют по формуле

υ = √(Ɣ(р/ρ)

где р — давление в среде, ρ — плотность среды (зависит от температуры), Ɣ—числовой коэффициент, значение которого для воздуха равно 1,4.

Скорость распространения звука

Скорость звука в воздухе в зависимости от температуры (v = f (t))

0 = 332м

15 = 342

100 = 386

Скорость звука в различных средах при t = 0° С

Воздух = 332

Железо = 4900

Стекло =5600

Вода = 1450

СО₂ = 260

Н₂ = 1280

В различных газах скорость звука различна: чем тяжелее газ, тем скорость звука меньше.

Вид звуковой волны

В зависимости от характера возбуждения звуковой волны источником звука меняется вид звуковой волны и характер слухового ощущения; поэтому звуковые волны подразделяются:

1. Удар — единичное колебание. Возникает при кратковременном непериодическом действии источника звука, например: выстрел, удар молота и т. д.;
2. Шум — непериодическая последовательность ударов. Возникает при долговременном действии источника звука, например, шум дождя, шум моря и т. д.;
3. Музыкальные звуки — периодические колебания, длящиеся непрерывно и переходящие друг в друга. Возникают при периодическом колебательном движении источника звука, например, при колебании струны музыкального инструмента. Музыкальные звуки характеризуются высотой тона, громкостью и тембром. Опыт показывает, что колебания большей частоты соответствуют высокому тону и, наоборот, чем ниже частота, тем ниже тон.

Сила звука

Сила звука — это объективная физическая величина. Сила звука измеряется количеством звуковой энергии, проходящей через единичную площадку за 1 с в направлении, перпендикулярном к поверхности этой площадки

I = W/St

где I— сила звука, W — энергия звуковой волны, S — площадь, t — время. В единицах СИ сила звука измеряется в Дж/м²с.

Громкость звука

Громкость — субъективное качество воспринимаемого звука. Сила звука и громкость взаимосвязаны, так как с увеличением силы возрастает и громкость.

Опыт показывает, что сила звука тем больше чем больше амплитуда колебания и наоборот.

Пример зависимости силы звука

Рассмотрим зависимость силы звука от амплитуды колебания. Полная энергия W_полн звучащего тела равна сумме потенциальной энергии W_п и кинетической W_к : W_полн = W_п + W_к. 

Пусть в какой-то момент времени потенциальная энергия W_п = 0, а кинетическая будет максимальна W_к = (W_к)_макс, тогда W_полн = (W_к)_макс = mυ²/2 

подставив в выражение полной энергии значение линейной скорости

υ = ωA = 2πvA,

где v — частота, A — амплитуда, получим

W_полн = (m4π²v²A²)/2 = 2π²v²A²m.

Следовательно, энергия звуковой волны прямо пропорциональна квадрату частоты и квадрату амплитуды, а значит, и сила звука

I ~ А² и I ~ v².

Покажем, что сила звука зависит от расстояния до источника колебания.

В изотропной среде поверхность распространяющейся волны будет сферой с центром, практически совпадающим с источником звука.

Тогда I = W/St = E/S = E/4πR2 (площадь поверхности сферы S — 4nR²).

Здесь E/4π = const, следовательно,

I ~ 1/R²

то есть сила звука обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника.

Что такое тембр

Тембр это своеобразная «окраска» звука, позволяющая различать голоса людей, музыкальные инструменты и т. д.

Музыкальный звук — сложное периодическое колебание. Его всегда можно разложить на простые (гармонические), частоты которых для музыкальных тонов относятся, как последовательные числа натурального ряда

v₁ : v₂ : v₃ : • • • =1:2:3:• • •

Колебание с наименьшей частотой задает высоту музыкального тона и называется основным тоном, или первой гармоникой.

Колебания с более высокими частотами определяют тембр звука и называются обертонами. Чем больше обертонов содержит музыкальный звук, тем «ярче» его окраска.

 Отражение звука

Звук обладает способностью отражаться от преград. В закрытых помещениях происходит многократное отражение звука. При каждом падении на отражающую поверхность звук ослабляется.

Время ослабления звука при многократном отражении до неслышимого предела называется временем реверберации и обозначается τ.

Если время реверберации очень мало, то звук кажется глухим блеклым. Если время реверберации большое, то на звук не успевший отзвучать, накладывается последующая звуковая волна звуки смешиваются, в результате чего звук получается громкий, но не четкий.

Для малых помещений наилучшее время реверберации составляет около 1 с. Время реверберации зависит от формы, размеров материалов и отделки, а также от заполняемости помещения.

Звуковой резонанс

Явление звукового резонанса характерно для колебаний любой частоты в том числе и звуковых.

Звуковой резонанс можно наблюдать с помощью открытой с обоих концов стеклянной трубки.

Соединим ее нижний конец при помощи резиновой трубки с воронкой и нальем воду до верхнего края стеклянной трубки.

Поднесем звучащий камертон к отверстию стеклянной трубки. Опуская воронку, можно подобрать длину l столба воздуха в трубке так, что услышим резкое усиление звука, значит наступил звуковой резонанс.

Пример условия звукового резонанса

Выясним условия резонанса. Когда ножка камертона наиболее приближена к трубке, звуковая волна движется к поверхности жидкости.

За то время, пока ножка камертона удаляется от первоначального положения (это время равно T/2), колебание при резонансе должно возвратиться обратно, то есть за время Т/2 звуковая волна должна пройти расстояние 2l, но за половину периода колеблющаяся ножка камертона проходит путь λ/2 поэтому 2l = λ/2

откуда

l = λ/4.

При высоте столба воздуха l = λ/4 будет иметь место резонанс.

Поэтому длину резонаторного ящика, на который устанавливается камертон, обычно выбирают равной λ/4 или числу, кратному λ/4(2(λ/4); 3(λ/4) и т.д).

Статья на тему звук