Лабораторная работа 51. Лабораторная работа 51. 2
 Скачать 1.41 Mb.
|
|
1.5. Волны. Характеристики волн. Волна- это процесс распространения колебаний в той или иной среде. Звуковые волны - это процесс распространения механических колебаний в упругой среде. Упругая среда может быть газообразная, жидкая, твердая. Частота колебаний определяется источником звука. Диапазон слышимых частот:16 Гц — 20000 Гц. Механические колебания в упругой среде, частота которых - за пределами диапазона слышимых (человеком) частот, имеют следующие наименования: частота менее 16 Гц - инфразвук; частота от 20 кГц до 1 ГГц — ультразвук; частота более 1ГГц - гиперзвук Фронт волны - это поверхность, разделяющая в данный момент времени уже охваченную и еще не охваченную колебаниями среду. Во всех точках фронта волны колебания начинаются одновременно. Поэтому в дальнейшем колебания во всех этих точках остаются синхронными, то есть одинаковыми по фазе. Сферическая волна - это волна, имеющая фронт в виде сферы непрерывно увеличивающегося радиуса. Плоская волна - это волна с плоским фронтом. Луч – это перпендикуляр к фронту волны. Более привычны для нас световые лучи, но в акустике понятие «луч» не менее продуктивно. Акустические лучи, подобно световым, подчиняются законам геометрической оптики: прямолинейны в однородной среде, отражаются и преломляются на границе раздела двух сред. Колебания, достигшие любого слоя среды, становятся причиной возникновения колебаний в слое соседнем, и так далее. Энергия, необходимая для возбуждения колебаний во все более отдаленных областях -это энергия источника: от источника вдоль лучей распространяются потоки энергии. Интенсивность излучения I (звука, ультразвука, света, и т. п.) - это мощность потока энергии, приходящаяся на один квадратный метр поперечного сечения потока. Единица измерения этой энергетической характеристики: 1 Вт/м2. Фронт волны не стоит на одном месте. Скорость звука – это скорость перемещения фронта звуковой волны. При этом важно понимать, что частицы вещества в среднем остаются там же, где и были до появления звука. Скорость звука – это, по сути, скорость передачи возмущения от одних частиц к другим, но не скорость переноса вещества. Звуковые волны в газах и жидкостях - это продольные волны. В продольной звуковой волне частицы (молекулы, атомы, ионы) совершают колебания вдоль луча, т.е. колеблются вдоль направления распространения звука. В твердых телах взаимодействие частиц друг с другом имеет более сложный характер: сдвинешь одну молекулу - она подтолкнет соседнюю, оказавшуюся на пути, а заодно потянет за собой и те, что выше, и те, что ниже, и левых соседок, и правых, и в итоге могут возникнуть как продольные, так и поперечные волны. В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном лучу (поперек луча). Заметим, что электромагнитные волны любых видов и в любых средах- это поперечные волны. Попытайтесь вспомнить, что именно в них колеблется поперек луча и распространяется в вакууме со скоростью 300 000 км/с. Длина волны – это расстояние λ, на которое смещается фронт волны за время, равное периоду колебаний Т: λ = VТ, где V- скорость звука. (1.8) На концах отрезка луча протяженностью λ происходят колебания, одинаковые по фазе, поскольку на одном конце такого отрезка они возникли на время Т раньше, чем на другом. Таким образом, длина волны λ характеризует периодичность волны в пространстве, а период колебаний Т - периодичность во времени. 1.6. Звуки с линейчатым спектром. Линейчатый спектр имеют гласные звуки нашей речи, все музыкальные инструменты, звуки сольного и хорового пения. Во многих случаях звук с линейчатым спектром становится таковым не сразу, он как бы вызревает в источнике. Как это происходит, разберем на примере звука скрипки. Само название этого прекрасного инструмента - скрипка - соответствует скрипу - звуку из категории шумов, возникающему при трении смычка о струну. Этот звук имеет непрерывный спектр; энергия распределена более-менее равномерно между колебаниями широкого диапазона частот. Но благодаря явлению акустического резонанса происходит перераспределение энергии возникших было колебаний в пользу собственных частот акустической системы «струна - корпус скрипки - воздушный столб в этом корпусе». Принципиально важно: резонанс не вносит новой энергии в акустическую систему! Он перераспределяет то, что было в начальном спектре шума (скрипа), поделив эти джоули между спектральными линиями окончательного звука, с его линейчатым спектром. Колебания одной гармоники мы воспринимаем как определенный тон. Тоны - это значения частоты, на которых происходят звуковые колебания в линейчатом спектре. Основной тон - это тон наименьшей частоты в обсуждаемом линейчатом спектре. Обертоны - общее название всех тонов, кроме основного. Принципиально важно: частота обертонов отличается от частоты основного тона в целое число раз: в 2, 3, 4, … и т. д. Этому ряду соответствует иерархия обертонов: второй обертон, третий, и т.д.; см. рис. 6 и 7.  Рис. 6. Основной тон и обертоны .  Рис. 7. У короля музыкальных инструментов - рояля может быть до 14 обертонов. Звуки человеческих голосов имеют большие различия в индивидуальных диапазонах частот. Мужские голоса обычно более низкие, а женские - более высокие. Основная причина - в том, что голосовые связки взрослых мужчин более толстые и длинные, а женские - более тонкие и короткие. Частотные диапазоны некоторых певческих голосов представлены, для общего развития, на рис. 8. Рис. 8. Диаграммы этого рисунка - мосты между физикой и психофизикой.  Границы каждого из семи прямоугольников устанавливают диапазон значений частоты, принятый для данного типа голоса. Частота может отсчитываться по шкале в нижней части рисунка; диапазон частот - характеристика, разумеется, физическая. Но точные измерения этих договорных частотных границ обычно не требуются, их принято определять «на слух», и это делает данные характеристики (их названия - внутри прямоугольников) характеристиками психофизическими. |