ЗВУК: ІСТОРІЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЯК ВОНО ВИРОБЛЯЄТЬСЯ, ТИПИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Звук визначається як обурення до розповсюджується в середовищі , такий як повітря, поперемінно виробляє стиснення і розрідження в ньому. Ці зміни тиску і щільності повітря досягають вуха і мозок трактується як слухові відчуття.

Звуки супроводжують життя з моменту його виникнення, складаючи частину інструментів, якими тварини мають спілкуватися між собою та зі своїм оточенням. Деякі люди стверджують, що рослини також слухають, але в будь-якому випадку вони могли сприймати коливання навколишнього середовища, навіть якщо у них немає слухового пристрою, як вищі тварини.

Рисунок 1. Розрив звукового бар'єру

Крім використання звуку для спілкування через мовлення, люди використовують його як художнє вираження через музику. Всі культури, давні та новітні, мають музичні прояви різного роду, завдяки яким вони розповідають свої історії, звичаї, релігійні вірування та почуття.

Історія

Завдяки своїй важливості людство зацікавилося вивченням його природи та створило акустику, галузь фізики, присвячену властивостям та поведінці звукових хвиль.

Відомо, що відомий математик Піфагор (569-475 рр. До н. Е.) Довго проводив вивчення перепадів висоти (частоти) між звуками. З іншого боку, Арістотель, який міркував над усіма аспектами природи, правильно стверджував, що звук полягає у розширеннях і стисканнях у повітрі.

Пізніше відомий римський інженер Вітрувій (80-15 рр. До н. Е.) Написав трактат про акустику та її застосування в будівництві театрів. Сам Ісаак Ньютон (1642-1727) вивчав поширення звуку в твердих носіях і визначив формулу його швидкості поширення.

З часом математичні засоби обчислення дозволили адекватно виразити всю складність поведінки хвиль.

Звукові характеристики (властивості)

У своїй найпростішій формі звукову хвилю можна охарактеризувати як синусоїдальну хвилю, що поширюється у часі та просторі, як та, зображена на малюнку 2. Там спостерігається, що хвиля періодична, тобто має спосіб, який повторюється в часі.

Будучи поздовжньою хвилею, напрям розповсюдження та напрямок, в якому рухаються частинки вібраційного середовища, однакові.

Параметри звукової хвилі

Малюнок 2. Звук - це поздовжня хвиля, збудження поширюється в тому ж напрямку, в якому молекули відчувають своє переміщення. Джерело: Wikimedia Commons.

Параметри звукової хвилі:

Період T: це час, необхідний для повторення фази хвилі. У Міжнародній системі він вимірюється в секундах.

Цикл : це частина хвилі, що міститься протягом періоду і охоплює від однієї точки до іншої, що має однакову висоту і однаковий нахил. Це може бути від однієї долини до другої, від однієї гряди до наступної або від однієї точки до іншої, яка відповідає описаній специфікації.

Довжина хвилі λ : це відстань між одним гребенем та іншою хвилі, між однією долиною та іншою, або взагалі між однією точкою та наступною з однаковою висотою та нахилом. Будучи довжиною, вона вимірюється в метрах, хоча інші одиниці є більш підходящими залежно від типу хвилі.

Частота f : визначається як кількість циклів за одиницю часу. Його одиниця - герц (Гц).

Амплітуда А: відповідає максимальній висоті хвилі щодо горизонтальної осі.

Як звук виробляється і поширюється?

Звук видається, коли предмет, занурений у матеріальне середовище, вібрує, як показано внизу на малюнку 2. Натягнута мембрана гучномовця зліва вібрує і передає збудження через повітря, поки доходить до слухача.

У міру поширення збурень енергія передається молекулам навколишнього середовища, які взаємодіють між собою за допомогою розширень і стиснення. Вам завжди потрібне матеріальне середовище для розповсюдження звуку, будь то тверде, рідке або газове.

Коли порушення повітря досягає вуха, коливання тиску повітря змушують вібрацію барабанної перетинки. Це породжує електричні імпульси, які передаються до мозку через слуховий нерв, і колись там імпульси переводяться на звук.

Швидкість звуку

Швидкість механічних хвиль у даному середовищі випливає з цього співвідношення:

Наприклад, при поширенні в такому газі, як повітря, швидкість звуку можна обчислити так:

Зі збільшенням температури зростає і швидкість звуку, оскільки молекули в середовищі готові вібрувати і передавати вібрацію своїми рухами. Тиск з іншого боку, не впливає на його значення.

Зв'язок між довжиною хвилі та частотою

Ми вже бачили, що час, необхідний хвилі для завершення циклу, - це період, тоді як відстань, пройдена за цей проміжок часу, дорівнює одній довжині хвилі. Тому швидкість v звуку визначається як:

З іншого боку, частота і період пов'язані між собою, один з яких є зворотним до іншого, як це:

Що призводить до:

Діапазон звукових частот у людини становить від 20 до 20000 Гц, тому довжина звукової хвилі становить від 1,7 см до 17 м при заміні значень у наведеному вище рівнянні.

Ці довжини хвилі - це розмір загальних об'єктів, який впливає на поширення звуку, оскільки, будучи хвилею, він відчуває відображення, заломлення та дифракцію, коли стикається з перешкодами.

Переживання дифракції означає, що на звук впливає, коли він стикається з перешкодами та отворами, схожими за розміром із довжиною хвилі чи меншою.

Басові звуки можуть краще поширюватися на великі відстані, через що слони використовують інфразвук (дуже низькі частоти, не чутні для людського вуха) для спілкування на своїх величезних територіях.

Крім того, коли в сусідній кімнаті є музика, бас чується краще, ніж високий звук, тому що його довжина хвилі приблизно розміром дверей і вікон. З іншого боку, виходячи з кімнати, високі звуки легко губляться і тому перестають чути.

Як вимірюється звук?

Звук складається з серії стиснення і розрідження повітря таким чином, що по мірі поширення звук викликає підвищення і зниження тиску. У Міжнародній системі тиск вимірюють у паскалях, що скорочено Па.

Що відбувається, так це те, що ці зміни дуже малі порівняно з атмосферним тиском, який коштує близько 101 000 Па.

Навіть найгучніші звуки створюють коливання всього 20-30 Па (больовий поріг), порівняно невелику кількість. Але якщо ви можете виміряти ці зміни, то у вас є спосіб вимірювання звуку.

Звуковий тиск - це різниця між атмосферним тиском зі звуком та атмосферним тиском без звуку. Як ми вже говорили, найгучніші звуки виробляють звуковий тиск 20 Па, тоді як найслабші викликають приблизно 0,00002 Па (звуковий поріг).

Оскільки діапазон звукових тисків охоплює кілька потужностей 10, для їх позначення слід використовувати логарифмічну шкалу.

З іншого боку, експериментально було встановлено, що люди сприймають зміни звуків низької інтенсивності помітніше, ніж зміни однакової величини, але при інтенсивних звуках.

Наприклад, якщо звуковий тиск збільшується на 1, 2, 4, 8, 16…, вухо сприймає збільшення на 1, 2, 3, 4… інтенсивності. З цієї причини зручно визначити нову кількість, що називається рівнем звукового тиску (Рівень звукового тиску) L _P , визначеним як:

Де P _o - опорний тиск, який приймається за поріг слуху, а P ₁ - середній ефективний тиск або тиск RMS. Цей RMS або середній тиск - це те, що вухо сприймає як середню енергію звукового сигналу.

Децибели

Результат вищенаведеного виразу для L _P , коли оцінюють різні значення P ₁ , наведено в децибелах, безрозмірна кількість. Виражати рівень звукового тиску дуже зручно, оскільки логарифми перетворюють великі числа в менші, більш керовані числа.

Однак у багатьох випадках перевагу використовувати інтенсивність звуку для визначення децибел, а не звуковий тиск.

Інтенсивність звуку - це енергія, яка протікає протягом однієї секунди (потужність) через одиничну поверхню, орієнтовану перпендикулярно напрямку, в якому поширюється хвиля. Як і звуковий тиск, він є скалярною величиною і позначається I. Одиницями I є Вт / м ² , тобто потужність на одиницю площі.

Можна показати, що інтенсивність звуку пропорційна квадрату звукового тиску:

У цьому виразі ρ - щільність середовища, а c - швидкість звуку. Тоді рівень інтенсивності звуку L _I визначається як:

Який також виражається в децибелах і іноді позначається грецькою літерою β. Опорне значення I _o становить 1 х 10 ^-12 Вт / м ² . Таким чином, 0 дБ являє нижню межу слуху людини, тоді як больовий поріг становить 120 дБ.

Оскільки це логарифмічна шкала, слід підкреслити, що невеликі відмінності в кількості децибел мають велику різницю в інтенсивності звуку.

Лічильник рівня звуку

Лічильник рівня звуку або децибелметр - це пристрій, що використовується для вимірювання звукового тиску, що вказує на вимірювання в децибелах. Він покликаний реагувати на нього так само, як і людське вухо.

Малюнок 3. Вимірювач рівня звуку або децибелметр використовується для вимірювання рівня звукового тиску. Джерело: Wikimedia Commons.

Він складається з мікрофона для збору сигналу, більшої кількості ланцюгів з підсилювачами і фільтрами, які відповідають за адекватне перетворення цього сигналу в електричний струм, і, нарешті, шкалою або екраном для відображення результату зчитування.

Вони широко використовуються для визначення впливу, який певні шуми мають на людей та навколишнє середовище. Наприклад, шум на заводах, в галузях промисловості, аеропортах, транспортний шум та багато інших.

Типи звуку (інфразвук, ультразвук, моно, стерео, поліфонічний, гомофонний, бас, високий)

Звук характеризується своєю частотою. Відповідно до тих, які людське вухо може захоплювати, усі звуки класифікуються на три категорії: ті, які ми можемо почути, або чутний спектр, ті, які мають частоту нижче нижньої межі чутного спектру чи інфразвуку, і ті, що вище чутного спектру. верхня межа, що називається ультразвуком.

У будь-якому випадку, оскільки звукові хвилі можуть лінійно накладатися, буденні звуки, які ми іноді трактуємо як унікальні, насправді складаються з різних звуків з різною, але близькою частотою.

Малюнок 4. Діапазон звукового спектру та частоти. Джерело: Wikimedia Commons.

Звуковий спектр

Людське вухо призначене для отримання широкого діапазону частот: від 20 до 20000 Гц, але не всі частоти в цьому діапазоні сприймаються з однаковою інтенсивністю.

Вухо чутливіше в діапазоні частот від 500 до 6000 Гц. Однак є й інші фактори, що впливають на здатність сприймати звук, наприклад, вік.

Інфразвук

Це звуки, частота яких менша за 20 Гц, але те, що людина їх не чує, не означає, що інші тварини не можуть. Наприклад, слони використовують їх для спілкування, оскільки інфразвук може проїхати великі відстані.

Інші тварини, наприклад тигр, використовують їх для оглушення здобичі. Інфразвук також використовується при виявленні великих предметів.

УЗД

Вони мають частоти більше 20 000 Гц і широко застосовуються в багатьох сферах. Одне з найпомітніших застосувань ультразвуку - як інструмент медицини, як діагностики, так і лікування. Зображення, отримані ультразвуком, не інвазивні і не використовують іонізуюче випромінювання.

Ультразвуки також використовуються для пошуку несправностей у структурах, визначення відстаней, виявлення перешкод під час навігації тощо. Тварини також використовують ультразвук, і саме так було відкрито його існування.

Кажани випускають звукові імпульси, а потім інтерпретують ехо, яке вони виробляють, щоб оцінити відстані та знайти здобич. Зі свого боку, собаки також можуть чути УЗД, і саме тому вони реагують на свист собаки, який їх власник не чує.

Монофонічний звук та стереофонічний звук

Малюнок 4. У студії звукозапису звук відповідно модифікується електронними пристроями. Джерело: Pixabay.

Монофонічний звук - це сигнал, записаний одним мікрофоном або аудіоканалом. Слухаючи навушники або звукові роги, обидва вуха чують абсолютно одне і те ж. Навпаки, стереофонічний звук записує сигнали двома незалежними мікрофонами.

Мікрофони розташовані в різних положеннях, щоб вони могли підбирати різний звуковий тиск того, що ви хочете записати.

Тоді кожне вухо отримує один із цих наборів сигналів, і коли мозок збирає та інтерпретує їх, результат набагато реалістичніший, ніж при прослуховуванні однотонних звуків. Тому він є кращим методом, коли мова йде про музику та кіно, хоча монофонічний або монофонічний звук все ще використовується в радіо, особливо для інтерв'ю та бесід.

Гомофонія та поліфонія

Музично кажучи, гомофонія складається з тієї ж мелодії, яку грають два або більше голосів чи інструментів. З іншого боку, в поліфонії є два або більше голосів або інструментів однакового значення, які слідують за мелодіями і навіть різними ритмами. Отриманий ансамбль цих звуків гармонійний, як, наприклад, музика Баха.

Басові та високі звуки

Людське вухо розмежовує звукові частоти як високі, низькі або середні. Це те, що відоме як висота звуку.

Найвищі частоти, між 1600 і 20000 Гц, вважаються гострими звуками, смуга між 400 і 1600 Гц відповідає звукам середнього тону і, нарешті, частоти в діапазоні від 20 до 400 Гц - це басові тони.

Басові звуки відрізняються від високих високими тим, що перші сприймаються як глибокі, темні та бурхливі, а другі - легкі, ясні, щасливі та пронизливі. Також вухо трактує їх як більш інтенсивні, на відміну від басових звуків, які виробляють відчуття меншої інтенсивності.

Список літератури

1. Фігероа, Д. 2005. Хвилі та квантова фізика. Серія: Фізика для науки та техніки. Під редакцією Д. Фігероа.
2. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6-й. Ед Прентіс Холл.
3. Рокамора, А. Нотатки про музичну акустику. Відновлено з: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Фізика для науки та техніки. Том 1. 7-е. За ред.
5. Вікіпедія. Акустика. Відновлено з: es.wikipedia.org.