Звук

Звук.

в широкому значенні - коливальний рух частин пружного середовища, який розповсюджується у вигляді хвиль в газаподібному, рідкому або твердому середовищі, у вузькому значенні - явище, яке суб'єктивно сприймається спеціальним органом чуття людини і тварин. Людина чує звук з частотою від 16 гц до 20 000 гц. Фізичне поняття про звук охоплює як чутні, так і нечутні звуки. Звук із частотою нижче 16 гц називається інфразвуком, вище 20 000 гц — ультразвукомнайбільш високочастотні пружні хвилі у діапазоні від 10⁹ до 10¹²−10¹³ гц відносять до гіперзвуку. Область інфразвукових частот знизу практично не обмежена — у природі зустрічаються інфразвукові коливання з частотою у десяті і соті долі гц. Частотний діапазон гіперзвукових хвиль зверху обмежується фізичним факторами, які характеризують атомний і молекулярний склад середовища: довжина пружної хвилі повинна бути значно більшої довжини вільного пробігу молекул у газах і більше міжатомних відстаней у рідинах та твердих тілах. Тому в повітрі не може поширюватися гіперзвук з частотою 10⁹ гц і вище, а у твердих тілах — з частотою більше 10¹²−10¹³ гц.

• сновні характеристики звуку. Основною характеристикою звуку є його спектр, який одержуємо в результаті розкладу звуку на прості гармонічні коливання. Спектр буває суцільний, коли енергія звукових коливань безперервно розподілена в більш чи менш широкій області частот, і лінійний, коли існує сукупність дискретних (переривних) частотних складових. Звук із суцільним спектром сприймається як шум, наприклад, шелест дерев під вітром, звуки прцюючих механізмів. Лінійним спектром з кратними частотами володіють музичні звукиосновна частота визначає при цьому висоту звуку, що сприймається на слух, а набір гармонічних складових — тембр звуку. Енергетичною характеристикою звукових коливань є інтенсивність звуку — енергія, яка переноситься звуковою хвилею через одиницю поверхні, перпендикулярно напрямку поширенню хвиль, за одиницю часу. Інтенсивність звуку залежить від амплітуди звукового тиску, а також від властивостей самого середовища і від форми хвилі. Суб'єктивною характеристикою звуку, пов’язаної з його інтенсивністю, є гучнісь звуку, яка залежить від частоти. Найбільшою чутливістю людське вухо володіє в області частот 1−5 кгц.

• id="a_Джерела_звуку_-_будь-які_явища__що_викликають_місцеву_зміну_тиску_або_механічну_напругу__Широко_поширені_джерела_звуку_у_вигляді_коливаючих_твердих_тіл_наприклад__диффузори_гучномовців_та_мембрани_телефонів__струни_і_деки_музичних_інструментів__в_ультразвуковому_діапазоні_частот_-_пластинки_та_стрижні_з_п'єзоелектричних_матеріалів_або_магнітострикційних_матеріалів___Джерелами_звуків_можуть_служити_і_коливання_в_обмежених_об'ємах_самого_середовища_наприклад__в_органних_трубах__духових_музичних_інструментах__свистках_і_т_д____Складною_коливаючою_системою_є_також_голосовий_вербальний__аппарат_людини_і_тварин__Збудження_коливань_джерел_звуків_може_здійснюватись_ударом_або_щипком_дзвона__струни___в_них_може_підтримуватись_режим_автоколивань_за_рахунок__наприклад__потоку_повітря_духові_інструменти___Обширний_клас_джерел_звуку_-_електроакустичні_перетворювачі__в_яких_механічні_коливання_створюються_шляхом_перетворення_коливань_електричного_струму_такої_ж_частоти__В_природі_звуки_породжуються_за_допомогою_потоків_повітря__наприклад__при_обдуванні_вітром_проводів__труб_і_т_д__звук_низьких_та_інфранизьких_частот_виникає_при_вибухах__обвалах__Різноманітні_джерела_акустичних_шумів__до_яких_відносяться_машини_і_механізми__газові_та_водяні_струмені__Дослідженню_джерел_промислових__транспортних_шумів_та_шумів_аеродинамічного_походження_приділяється_велика_увага_з_огляду_на_їх_шкідливий_вплив_на_людський_організм_та_технічне_обладнання_" >Джерела звуку — будь-які явища, що викликають місцеву зміну тиску або механічну напругу. Широко поширені джерела звуку у вигляді коливаючих твердих тіл (наприклад, диффузори гучномовців та мембрани телефонів, струни і деки музичних інструментівв ультразвуковому діапазоні частот — пластинки та стрижні з п'єзоелектричних матеріалів або магнітострикційних матеріалів). Джерелами звуків можуть служити і коливання в обмежених об'ємах самого середовища (наприклад, в органних трубах, духових музичних інструментах, свистках і т.д.). Складною коливаючою системою є також голосовий (вербальний) аппарат людини і тварин. Збудження коливань джерел звуків може здійснюватись ударом або щипком (дзвона, струни) — в них може підтримуватись режим автоколивань за рахунок, наприклад, потоку повітря (духові інструменти). Обширний клас джерел звуку — електроакустичні перетворювачі, в яких механічні коливання створюються шляхом перетворення коливань електричного струму такої ж частоти. В природі звуки породжуються за допомогою потоків повітря, наприклад, при обдуванні вітром проводів, труб і т.д. звук низьких та інфранизьких частот виникає при вибухах, обвалах. Різноманітні джерела акустичних шумів, до яких відносяться машини і механізми, газові та водяні струмені. Дослідженню джерел промислових, транспортних шумів та шумів аеродинамічного походження приділяється велика увага з огляду на їх шкідливий вплив на людський організм та технічне обладнання.

• риймачі звуку служать для прийняття звукової енергії та перетворення її в інші форми. До приймачів звуку відносяться, зокрема, слуховий апрат людини та тварин. В техніці для прийому звуку застосовуються головним чином електроакустичні перетворювачі: на повітрі - мікрофони, у воді - гідрофони та в земній корі - геофони. Разом з такими перетворювачами, існують приймачі, що вимірюють упосереднені по часі характеристики звукової хвилі, наприклад, диск Релея, радіометр.

Поширення звукових хвиль характеризуються в першу чергу швидкістю звуку. В газоподібних та рідинних середовищах поширюються повздовжні хвилі, швидкість яких визначається густиною або щільністю середовища. Швидкість звуку в сухому повітрі при температурі 0oС — 330м/сек., в прісній воді при 17oС — 1430м/сек. В твердих тілах, крім повздовжних, можуть поширюватися поперечні хвилі, з напрямком коливань, перпендикулярним поширенню хвилі, а також поперечні хвилі. Для більшості металів швидкість повздовжних хвиль лежить в межах від 4000м/сек до 7000м/сек, а поперечних — від 2000 до 3500м/сек.

При поширенні хвиль великої амплітуди фаза стиску поширюється з великою швидкістю, ніж фаза розрідження, завдяки чому синусоїдна форма хвилі поступово спотворюється і звукова хвиля перетворюється в ударну хвилю. В ряді випадків спостерігається дисперсія звуку тобто залежність швидкості поширення від частоти. Дисперсія звуку призводить до зміни форм складних акустичних сигналів, включаючих ряд гармонічних складових, зокрема до спотворення звукових імпульсів. При поширенні звукових хвиль мають місце звичайні для всіх типів хвиль явища інтерференції і дифракції. У випадку, коли розмір перешкод та неоднорідностей у середовищі великий порівняно з довжиною хвилі, поширення звуку підлягає звичайним законам відбиття і переломлення хвиль і може розглядуватись з позиції геометричної акустики.

При поширенні звукової хвилі у заданому напрямку відбувається поступове її згасання, тобто зменшення інтенсивності і амплітуди. Згасання обумовлюється рядом факторів, які проявляються в тій чи іншій мірі в залежності від характеристик самого звуку й всього середовища. Всі ті фактори можна поділити на дві великі групи. В першу входять фактори, пов’язані з законами хвильового поширення в середовищі. Так, при поширенні в необмеженому середовищі звуку інтенсивність його спадає обернено пропорційно квадрату відстані. На поширення звуку в атмосфері і в морі впливає розподіл температури і тиску, сили та швидкості вітру. Ці фактори викликають викривлення звукових променів, тобто рефракцію звуку, котра пояснює, зрештою, той факт, що за вітром звук чути далі, ніж проти вітру. Розподіл швидкості звуку з глибиною в океані пояснює наявність т.з. підводного звукового каналу, в якому спостерігається наддалеке поширення звуку, наприклад звук вибуху поширюється в такому каналі на відстані понад 5000 км.

Друга група факторів, визначаючих згасання звуку, пов’язана з фізичними процесами в речовині - неминучим переходом звукової енергії в інші форми (головним чином у тепло), тобто з поглинанням звуку, обумовленим в’язкістю і теплопровідністю середовища, а також переходом звукової енергії в енергію внутрішньомолекулярних процесів. Поглинання звуку помітно зростає з частотою. Тому високочастотний ультразвук та гіперзвук поширюються, як правило, на дуже малі відстані, частіше всього на кілька см. В атмосфері, у водяному середовищі та в земній корі найдалі поширюються інфразвукові хвилі, що відрізняються малим поглинанням та слабким розсіюванням. На високих ультразвукових та гіперзвукових частотах в твердому тілі виникає додаткове поглинання, обумовлене взаємодією хвилі з тепловими коливаннями кристалічної решітки, з електронами і з світловими хвилями.

Значення звукових хвиль та їх випромінювання, яким займається акустика, надзвичайно велике. Здавна звук служить засобом зв’язку та сигналізації. Вивчення всіх його характеристик дозволяє розробляти більш досконалі системи передачі інформації, підвищити дальність систем сигналізаціїї, створювати більш досконалі музичні інструменти. Звукові хвилі є практично єдиним видом сигналів, що поширюються у водному просторі, де вони служать для цілей підводного зв’язку, навігації, локації. Низькочастотний звук є інструментом дослідження земної кори. Практичне застосування ультразвука створило цілу галузь сучасної техніки — ультразвукову техніку. Ультразвук використовується в контрольно-вимірювальних цілях (дефектоскопія, УЗД), в цілях активного впливу на речовину (ультразвукове очищення, механічна обробка, зварка і т.д.). високочастотні звукові хвилі а особливо гіперзвук служать головним засобом досліджень у фізиці твердого тіла.