Звук и его объективные и субъективные характеристики

Размещено на http://allbest.ru/

Кубанский государственный университет

Факультет журналистики.

Контрольная работа

на тему: «Звук и его объективные и субъективные характеристики»

акустика звук частота механический

Краснодар 2011

Звук, в широком смысле - упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле - субъективное восприятие этих колебаний специальным органом чувств человека. Наше ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 17 до 20000 Гц. Если говорить о звуковых волнах, создаваемых при игре на рояле, то нижняя граница нашего слуха будет чуть ниже звучания самой басовой клавиши, а верхняя - намного выше самой высокой. Такие колебания называются акустическими. Отсюда:

Акустика - раздел физики, изучающий звук и законы его распространения.

Звук - продольные механические волны с частотой от 17 до 20 кГц.

Чаще всего звуковые волны достигают наших ушей по воздуху. Довольно редко мы оказываемся погруженными целиком в воду. Но, конечно, воздух не имеет каких-либо особых преимуществ по сравнению с другими средами в смысле возможности распространения в них звуковых волн. Звук превосходно распространяется в воде и твердых телах. В вакууме, разумеется, звуковые волны распространятся не могут.

Для того, чтобы уверенно ориентироваться в мире, наш мозг должен получать информацию о том, что происходит вокруг нас. Зрение и слух играют здесь главную роль. Осязание, обоняние и вкусовые ощущения менее существенны. Отраженные от предметов звуковые волны или сами звучащие предметы дают нам сведения об окружающем мире. Но не это главное. Главное - это речь. Мы создаем и воспринимаем звуковые волны и тем самым общаемся друг с другом. С помощью специальных устройств, например медицинского стетоскопа или фонендоскопа, можно получить важные сведения о работе сердца и других внутренних органов.

Для описания физических параметров звука существуют два подхода, которые опираются на две системы физических величин, между которыми существует определенная связь. Первый подход основан на исследовании так называемых объективных (не зависящих от восприятия звука человеком) характеристик при помощи физических приборов. Объективные характеристики - это частота и интенсивность звука. Второй подход базируется на восприятии звука слуховым аппаратом человека - ухом (субъективные характеристики). При рассмотрении энергии волнового движения была получена формула ? = с щ х 1 2 A , определяющая количество энергии, которая переносится за одну секунду через площадку в один квадратный метр, размещенную перпендикулярно направлению распространения волны. Эту величину в акустике называют интенсивностью звука или силой звука I A = с щ х.

Интенсивность звука связана с давлением звукового излучения (звуковым давлением). Давление звукового излучения представляет среднее по времени избыточное давление на препятствие, помещенное в звуковое поле. Это давление определяется импульсом, который передается волной в единицу времени на единицу площади препятствия.

Изменение звукового давления и акустической скорости частиц происходит в одинаковых фазах. Интенсивность звука обычно измеряется косвенным методом. Вначале измеряют звуковое давление и акустическую скорость частиц среды, а затем находят интенсивность. Среди механических приборов, которые служат для этой цели, наиболее часто используется диск Релея, представляющий собой легкий диск, подвешенный на тонкой кварцевой нити и снабженный зеркальцем для измерения его поворота вокруг вертикальной оси. Этот диск помещается в звуковое поле под углом 45° к направлению распространения волны .Поворот диска Релея в звуковой волне вызывается действием аэродинамических сил при обтекании потоком, которые стремятся поставить его перпендикулярно скорости потока. Момент аэродинамических сил, действующих на диск, направлен все время в одну и ту же сторону и поэтому в среднем за период отличается от нуля. Этот момент пропорционален квадрату амплитуды скорости частиц в звуковой волне. С помощью светового луча, падающего на зеркальце, можно найти угол поворота диска и вычислить пропорциональный ему крутильный момент. Диск Релея позволяет выполнять абсолютные измерения амплитуд в звуковой волне. Однако он обладает сравнительно малой чувствительностью и легко поддается воздействию побочных потоков воздуха. Главным образом этот диск используется для градуировки микрофонов, с помощью которых измеряется давление и интенсивность звука не только в воздухе и других газах, но и в воде. Другая объективная характеристика звуковой волны - частота - определяет спектральный состав звука. Линейчатые спектры имеют периодические колебания, сплошные - колебания, которые не имеют периода. К первым относятся музыкальные звуки, ко вторым - разного рода шумы.

По субъективному восприятию звуки отличаются высотой, тембром и громкостью. Высота звука определяется частотой колебаний: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Слуховой аппарат человека наиболее чувствителен к звукам средней частоты (около 1 кГц). Однако чистые звуковые тона, которым соответствуют монохроматические звуковые волны, можно возбудить только в специальных условиях. Реальные звуки представляют собой суперпозицию упругих волн разной частоты. Субъективная оценка спектрального состава звука определяет его тембр, или окраску. Тембр зависит от набора частот и отношений амплитуд составляющих колебаний. Один и тот же музыкальный тон, взятый на них инструментах, будет иметь одинаковую основную частоту, но разный тембр. Для оценки тембра звука имеет значение как количество, так и размещение составляющих частот в акустическом спектре. Тембровая окраска звука определяется распределением интенсивностей обертонов. Чем более сложный спектр, тем более богат тембр звука. Гласные звуки человеческой речи представляют собой колебания, близкие к периодическим, и содержат кроме основного тона гармонические обертоны. Согласные же звуки представляют собой колебания, далекие от периодических. Спектр этих звуков довольно сложен.

Громкость является субъективной оценкой интенсивности звука. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, которая называется порогом слышимости. Порог слышимости для разных людей несколько разный и зависит от частоты звука. Самый низкий порог слышимости по интенсивности равен примерно 10?Вт/см, а по звуковому давлению 10?Па в пределах 1-5 кГц.

Максимальная интенсивность, превышение которой вызывает в ухе болевые ощущения, называется порогом болевого ощущения. Максимальное его значение составляет приближенно 4 10?Вт/см. Порог болевого ощущения меньше зависит от частоты. Совокупность точек, соответствующих порогу слышимости, и точек, соответствующих порогу болевого ощущения, создает на диаграмме две кривые ( Й , н ), которые ограничивают область, называемую областью слышимости. Разговорная речь использует только небольшую ее часть.

Интенсивности звуков, воспринимаемые человеческим ухом, отличаются в 10 раз. Как показывает опыт, субъективно оцениваемая громкость увеличивается намного медленней, чем интенсивность звуковых волн. При возрастании интенсивности в геометрической прогрессии громкость увеличивается приблизительно линейно.

Возможность оценивать направление распространения звуковых волн слуховым аппаратом человека обусловлена главным образом одновременным воздействием звуковой волны на оба уха. Ощущение направления звуковых волн возникает благодаря способности мозга человека учитывать разность фаз колебаний, достигающих ушей. Влияние сдвига фаз волны, которая действует на оба уха, называется бинауральным эффектом. Длины волн звукового диапазона лежат в пределах от нескольких сантиметров до десятков метров. Волна частотой 20 кГц имеет в воздухе длину примерно 16 мм, а частотой 20 Гц - 16 м. Поэтому при распространении звуковых волн мы сталкиваемся с довольно сложной картиной. Если при распространении звуковая волна встречает преграду, то в случае, когда ее длина значительно меньше преграды, будет наблюдаться явление отражения волн. Если же размеры преграды намного меньше длины волны, будет наблюдаться явление дифракции: волны огибают преграду, заходя в область геометрической тени. В тех случаях, когда размеры преграды сравнимы с длиной волны, законы распространения звуковой волны становятся более сложными, потому что одновременно имеет место и некоторое отражение, и дифракция. Отметим, что преградой, от которой отражаются волны, является любая граница, на которой изменяется акустическое сопротивление среды сх . Например, звук может отразиться от более нагретого слоя воздуха, границы тумана, облака и т.п.При падении звуковой волны, распространяющейся в воздух е, на границу раздела двух сред часть ее энергии переходит в энергию отраженной волны, а часть проникает в другую среду. В этой среде начинают распространяться звуковые волны. Энергия отраженной волны зависит от того, намного ли отличаются акустические сопротивления рассматриваемых сред, на границу которых падают звуковые волны.

Поглощение звука - уменьшение интенсивности распространяющейся звуковой волны с расстоянием, обусловленное внутренним трением и теплопроводностью. В результате происходит необратимый переход части звуковой энергии в тепловую. У плоской звуковой волны такое ослабление звука на расстоянии x происходит по экспоненциальному закону . Таким образом, коэффициент поглощения - величина, обратная расстоянию x , на котором амплитуда волны при ее распространении уменьшается в e раз. Поглощение звука зависит от свойств среды, в которой распространяется звук, и от его частоты. Коэффициент поглощения обратно пропорционален квадрату длины волны или прямо пропорционален квадрату частоты звука. Звуки высоких тонов поглощаются в атмосфере значительно сильнее, чем низких. Поэтому звуки, представляющие собой суперпозицию волн разной частоты, резкие вблизи источника возникновения, по мере удаления от него становятся более глухими и низкими, потому что высокие тона, которым соответствуют большие частоты, быстро затухают.

Изменение температуры воздуха и скорости ветра с высотой делают атмосферу неоднородной средой с переменной скоростью звука. Это приводит к искривлению (рефракции) звуковых лучей. Поскольку скорость распространения звука зависит от температуры, в разных слоях атмосферы, температура слоев которых различна, звук будет иметь разную скорость. В среде с переменным показателем преломления звуковые волны будут распространяться по кривым линиям. При этом, как показывают многочисленные опыты, луч загибается всегда так, что расстояние от точки к точке волна проходит за самое короткое время. Данное положение носит название принципа Ферма. Иначе говоря, распространяющаяся в неоднородной среде волна изменяет направление так, чтобы продлить свой путь в среде с большей скоростью распространения и сократить его в слоях, где скорость распространения меньше.

Если температура понижается с высотой, что обычно бывает днем, то звуковые лучи при этом загибаются вверх В результате на некотором небольшом расстоянии от источника звук перестает быть слышимым. Если же с высотой температура увеличивается (температурная инверсия), звуковые лучи загибаются вниз и звук доходит до более отдаленных точек земной поверхности. Этим объясняется тот часто наблюдаемый факт, что ночью звук слышен на большем расстоянии, чем днем. При большой температурной инверсии звуковые лучи, испытав значительное преломление, возвращаются к поверхности земли, отражаются от нее и снова поднимаются вверх Таких отражений может быть несколько, звуковая энергия в этом случае концентрируется в некотором слое, который играет роль звукового канала. Дальность распространения при таких условиях значительно увеличивается. Особенно заметно это в тихую ночь над рекой, благодаря слабому поглощению звуковых волн водной поверхностью. Поэтому вдоль реки можно слышать даже слабые звуки на расстоянии нескольких километров. Если температура воздуха с высотой изменяется незначительно и ветра нет, то звук от источника распространяется, не испытывая заметного преломления. Так, в зимние морозные дни далеко слышен гудок поезда, скрип саней, стук топора в лесу и т. п. При наличии ветра его скорость и скорость звуковой волны складываются. Разный характер загибания звуковых лучей в этом случае объясняет тот факт, что по ветру звук слышен дальше, чем против ветра.

Многие источники звука (взрыв, шум двигателя, ветер и т.п.) излучают волны низких частот: инфразвуковые и близкие к ним. Такие низкочастотные звуки поглощаются слабо и в результате могут распространяться на сравнительно большие расстояния. Это можно объяснить следующим образом.

Рассмотрим звуковую волну, которая возникла в результате взрыва. Идущие вдоль поверхности земли звуки сильно поглощаются и рассеиваются благодаря неровностям земной поверхности, а также неоднородностям температуры и скорости ветра. Поэтому звук даже от мощного взрыва можно слышать на расстояниях, не превышающих 20-30 км. Однако этот звук становится снова слышимым на еще больших расстояниях. Объясняется это тем, что на высоте 50-70 км располагаются слои атмосферного озона с температурой 50-70 °C. Звук, который идет под некоторым углом к земной поверхности, достигнув этого слоя, описывает дугу и снова возвращается на землю. Поэтому после зоны молчания на расстоянии около 150-200 км и более можно снова услышать звук взрыва. Зон слышимости может быть несколько, поскольку звуковые волны, которые пришли сверху, могут многократно отражаться от земной поверхности, подниматься вверх и снова возвращаться к ней. При ядерных взрывах возникают ударные волны огромной силы, которые в результате затухания на некотором расстоянии переходят в мощные инфразвуковые волны, распространяющиеся на большие расстояния. Эти волны можно зарегистрировать инфразвуковыми приемниками. Таким образом, может быть обнаружен ядерный взрыв, совершенный в воздухе или воде на большом расстоянии от места наблюдения. Существенная особенность подводных звуков - их малое затухание, в результате чего под водой они могут распространяться на гораздо большие расстояния, чем в воздухе. Так, в области слышимых звуков дальность распространения под водой звуков средней интенсивности достигает 15-20 км, а в области ультразвука - 3-5 км.

Размещено на Allbest.ru