Звуковые колебания: природа, свойства, применение

Звуковые колебания окружают нас повсюду - от тиканья часов до грохота грозы. Понимание природы звука помогает нам не только наслаждаться музыкой, но и создавать полезные технологии вроде ультразвука. Давайте разберемся, откуда берется звук и как мы можем им управлять.

1. Физическая природа звука

Звуковые колебания представляют собой распространяющиеся в среде (газе, жидкости или твердом теле) упругие волны с частотой колебаний от 16 Гц до 20 кГц. Этот диапазон частот воспринимается человеческим ухом.

Звуковые волны возникают при колебании частиц среды относительно положения равновесия. Например, когда колеблется мембрана громкоговорителя, она периодически сжимает и разрежает близлежащие слои воздуха. Возникают области повышенного и пониженного давления, которые распространяются в среде со скоростью звука:

• В воздухе при 20°С эта скорость составляет около 340 м/с;
• В воде 1500 м/с;
• В стали до 5000 м/с.

Основные параметры звуковой волны:

1. Амплитуда - определяет громкость звука.
2. Частота - определяет высоту тона.
3. Фаза - определяет текущее состояние колебаний.

Помимо продольных волн в твердых телах существуют также поперечные и сдвиговые звуковые волны.

2. Восприятие звука человеком

Диапазон частот звуковых колебаний, воспринимаемых человеком, составляет от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница слышимости снижается, а у детей может достигать 22-25 кГц.

Исследования показали, что человеческое ухо способно воспри¬нимать как звук механические колебания тел, происходящие с час¬тотой от 20 Гц до 20000 Гц.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний и воспринимается субъективно. Самые громкие звуковые волны на уровне 120-140 дБ вызывают болевые ощущения.

Высота тона определяется частотой, однако также зависит от амплитуды и формы сигнала. Различия по высоте тона позволяют определять мелодию и воспринимать речь.

Тембр звука зависит от набора и интенсивности обертонов. Благодаря тембру мы отличаем звуки разных музыкальных инструментов и голоса людей.

3. Источники звука звуковые колебания

Источниками звука в природе являются:

• Движение воздуха (ветер, вихри);
• Водопады и морской прибой;
• Некоторые физико-химические процессы.

Среди искусственных источников можно выделить:

• Механические колебания твердых тел и мембран;
• Колеблющиеся струи газов и жидкостей;
• Электроакустические преобразователи.

В музыкальных инструментах звук, как правило, возникает при колебаниях струн, мембран, столбов воздуха и твердых тел инструмента. Например, в скрипке колеблется смычок со струной, во флейте - столб воздуха, в барабане - мембрана.

4. Характеристики среды распространения звука

Скорость распространения звуковых волн зависит от упругих свойств среды и ее плотности. Чем выше модуль упругости и плотность среды, тем выше скорость звука:

• Воздух: 340 м/с;
• Вода: 1500 м/с;
• Сталь: 5000 м/с.

При распространении звуковых волн происходит также их затухание из-за поглощения энергии средой. Нагревание среды и трение о ее частицы приводят к потере энергии. Из-за затухания с расстоянием амплитуда волн уменьшается. Звукопоглощающие материалы, такие как пенопласт, активно используют для шумоизоляции.

На границе сред звуковые волны частично отражаются, а частично проходят дальше, преломляясь при этом согласно закону Снеллиуса. Этим обусловлено эхо.

5. Измерение параметров звука

Для измерения громкости и амплитуды колебаний используются шумомеры. Датчик шумомера измеряет колебания давления и преобразует их в электрический сигнал. Приборы отображают среднеквадратичное и пиковое значения звукового давления в децибелах или паскалях.

Для определения частоты звуковых колебаний используют анализаторы спектра. Они разлагают сигнал с микрофона на отдельные гармонические составляющие, отличающиеся частотой. Таким образом можно определять высоту тона, основные обертоны, тембр источника звука.

При проведении акустических измерений важную роль играет также оценка направленности источников звука. Для этих целей используются микрофонные решетки, позволяющие определять как амплитуду, так и направление распространения звуковых волн.

6. Защита от шума

Воздействие шума ухудшает здоровье и снижает производительность труда. Существуют следующие способы защиты от шума:

1. Уменьшение шума в источнике за счет демпфирования колебаний и вибраций;
2. Звукоизоляция источников шума с помощью звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов и конструкций;
3. Защита органов слуха при помощи наушников, берушей и других средств индивидуальной защиты.

Существуют санитарные нормы допустимого уровня шума для жилых и производственных помещений, соблюдение которых обязательно.

7. Звук в технических устройствах

Звук широко используется в различной звуковоспроизводящей, звукоусиливающей и звукозаписывающей аппаратуре. Рассмотрим принцип действия микрофона как пример.

Микрофон преобразует звуковые колебания воздуха в электрические колебания. Наиболее распространенным типом являются динамические микрофоны. В них под действием звуковой волны колеблется тонкая металлическая мембрана. К ней подводится постоянный магнит, поэтому в мембране наводится переменный электрический ток, который усиливается и передается на другие устройства.

Аналогично работает и громкоговоритель, только в обратную сторону - подаваемый на его катушку электрический сигнал заставляет колебаться мембрану, создавая звуковые волны в воздухе.

8. Цифровая обработка аудиосигналов

В современных звуковых устройствах сигналы после усиления чаще всего подвергаются оцифровке с помощью аналого-цифровых преобразователей. Это позволяет:

• Устранить накопление шумов и искажений при многократном копировании аналоговых сигналов;
• Легко реализовать различные цифровые эффекты и фильтрацию;
• Упростить хранение больших объемов цифровых аудиоданных.

После обработки сигнал вновь преобразуется в аналоговый для воспроизведения на громкоговорителях или наушниках.

9. Влияние звука на организм человека

Длительное воздействие шума оказывает вредное влияние на здоровье. Последствиями могут быть:

• Ухудшение слуха вплоть до глухоты;
• Повышение кровяного давления;
• Нарушения сна, раздражительность;
• Снижение иммунитета.

Доказана связь акустического загрязнения с ростом сердечно-сосудистых и нервно-психических заболеваний среди населения.

С другой стороны, музыка и приятные звуки положительно влияют на психоэмоциональное состояние, снижают тревожность и улучшают качество жизни.

10. Звук и окружающая среда

Акустическое загрязнение считается важной экологической проблемой современности наряду с химическим и световым. Основные источники шума:

• Транспорт (автомобили, поезда, самолеты);
• Производственное оборудование;
• Строительные работы.

Шум влияет на поведение животных, миграцию птиц, размножение рыб, опыление растений. Нормируются допустимые уровни шума для населенных пунктов и особо охраняемых природных территорий.

11. Использование ультразвука

Ультразвук находит широкое применение в различных областях благодаря своим уникальным свойствам:

• Высокая направленность и фокусировка ультразвуковых волн;
• Способность проникать на значительную глубину внутрь объектов;
• Возможность визуализации внутренней структуры объектов.

В медицине ультразвук используется для диагностики (УЗИ) и физиотерапии. В промышленности - для контроля качества сварных швов, чистки деталей, эмульгирования.

12. Генерация звука

Для создания звуковых волн с заданными параметрами используются разнообразные технические устройства, в том числе:

• Колеблющиеся механические системы (мембраны, струны);
• Электроакустические преобразователи;
• Генераторы ультразвуковых колебаний;
• Акустические лазеры.

Перспективным направлением является фокусировка ультразвука в заданной точке пространства с помощью фазированных антенных решеток.

13. Звукоизоляция и шумоглушение

Для снижения уровня шума в помещениях и технике применяются звукоизоляционные конструкции и материалы:

• Звукопоглощающие облицовки (минеральная вата, пенопласт);
• Плотные и массивные перегородки;
• Многослойные стеклопакеты;
• Глушители шума выхлопа в автомобилях.

Эффективная звукоизоляция позволяет снизить уровень шума на 20-60 дБ в зависимости от частоты.

14. Биоакустика

Биоакустика изучает взаимодействие звуковых волн с биологическими объектами:

• Влияние шума на здоровье и поведение животных и человека;
• Использование ультразвука для воздействия на клетки и ткани;
• Звуковая коммуникация в животном мире.

Перспективно применение ультразвука для адресной доставки лекарств в организме человека.