Материал: реферат физика

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ -

МСХА ИМЕНИ К.А. ТИМИРЯЗЕВА»

Реферат по дисциплине: «Физика» Тема: «Звуковые колебания, громкость тон, высота тона, шум. Акустический резонанс».

Выполнила: студентка гр. 101 ф-та ПАЭ Проверил: Лёвкин Иван Вячеславович

Москва

2014

Содержание:

Введение

1. Звуковые колебания

2. Громкость тона, высота тона, шум

а) Классификация шумов

б) Цвета шумов

3. Акустический резонанс

Заключение

Список использованных материалов

Введение

Мы живем в мире, полном информации, и основная её часть проходит через наши глаза и уши. Считается, что визуальная информация наиболее значимая, но и слуховая не менее важна. Нас окружает мир звуков, это и музыка и шумы разной природы, и речь человека. Поэтому необходимо изучать природу звука, законы и уравнения, которые описывают его происхождение и распространение. Эти знания нужны людям различных профессий: военным, музыкантам, биологам, строителям, звукорежиссерам и архитекторам, геологам, сейсмологам. Все они так или иначе сталкиваются с различными сторонами практического распространения звука. С помощью звуковых сигналов биологи исследуют пути миграции перелётных птиц, находят стаи рыб в океане. Распространение звука важно для музыкантов и строителей. Геологи постоянно используют ультразвук для поиска полезных ископаемых, сейсмологи, на основе распространения звука, предсказывают землетрясения и цунами. Военные, с помощью звука умеют определять, например, тип подводных лодок. Всё это только лишний раз доказывает важность изучения природы звука.

1. Звуковые колебания

Звук – это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах – газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны.

Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). Каким образом происходит распространение звуковых волн в пространстве? В результате каких-то возмущений (например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке пространства, возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке, происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой волны. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Так же звуковые колебания- это колебания с частотой от 20 Гц до 20кГц, которое способно воспринимать человеческое ухо.

Звуковым волнам присущи различные явления, связанные с распространением волн в пространстве. Основные из них:

Интерференция - усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн. Когда мы слышим звуки разных, но достаточно близких частот сразу от двух источников, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени.

Рефракция

Звуковая волна, при ее падении на границу раздела с другой средой, может отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения - преломиться от границы раздела, поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Поглощение звуковых волн

Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается средой. Существование эффекта поглощения обусловлено процессами теплообмена и межмолекулярного взаимодействия в среде. Степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота звуковых колебаний, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна.

Реверберация (от лат. « reverbero » - «отбрасываю»).

Явление волнового движения в замкнутом объеме, суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука- изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как звук, сопровождающийся специфическим гулом. Такой гул называется реверберацией.

Дифракция

Способность огибать препятствия – еще одно ключевое свойство звуковых волн. Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если размер препятствия оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует.

Резонанс

Суть звукового эффекта в том, что звуковая волна, создаваемая некоторым колеблющимся телом, распространяясь в пространстве, может переносить энергию колебаний другому телу (резонатору), которое, поглощая эту энергию, начинает колебаться, и, фактически, само становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук становится громче. В случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора, что соответственно сказывается на длительности звучания.

ω₀ - циклическая частота собственных колебаний системы

ω - циклическая частота вынуждающей силы

Эффект Допплера

Еще один звуковой эффект, связанный с распространением звуковых волн в пространстве. Эффект заключается в том, что длина волны изменяется соответственно изменению скорости движения слушателя относительно источника волны. Чем быстрее слушатель (регистрирующий датчик) приближается к источнику волны, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот.

2. Громкость тона, высота тона, шум

Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, интенсивность звука и другими. Но. кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это — громкость звука, высота тона и тембр.

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое ощущение.

Громкость звука - качество слухового ощущения, которое позволяет располагать все звуки по шкале от тихих до громких.

Сон - единица громкости звука.

1 сон - эта примерная громкость приглушенного разговора, а громкость самолета - 264 сон. Звуки, обладающие еще большей громкостью, будут вызывать болевые ощущения.

Уровень звукового давления измеряется в белах (Б) или в децибелах (Д) - 1/10 часть бела (Б), и равен уровню громкости звука, который выражается в фонах.

Громкость выше 180 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки.

Акустика - раздел физики, который изучает звуковые явления.

Звуки бывают двух видов: естественные и искусственные.

Естественные - голос, шум моря, звуки животных и т. д.

Искусственные - струна, колокол, дудочка.

Высота тона — качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон звука.

Высота тона звука — это величина, пропорциональная частоте той составляющей звукового сигнала, которая слышна как наиболее громкая. Если одновременно происходят интенсивные звуковые колебания на разных частотах, то человек различает в них звуки с разными высотами тона.

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Звук, который мы слышим тогда, когда источник его совершает гармоническое колебание, называется музыкальным тоном или, коротко, тоном. Во всяком музыкальном тоне мы можем различить на слух два качества: громкость и высоту.

Высота тона зависит от того , как часто колеблются источники звука. Чем больше частота колебаний тем громче звук. Самым простой вид колебаний - гармонические колебания. Чистым тоном является звук камертона.

Чистый тон - это звук , совершающий гармонические колебания одинаковой частоты. В музыкальном тоне можно на звук различит два качества - громкость и высоту.

Звуки разных источников ( например разные музыкальные инструменты , человеческий голос , звуки посторонних предметов и т.д ) вместе состовляют совокупность гармонических колебаний разных частот.

Основной частотой называется самая маленькая частота этого многосоставного звука , а звук который ей соответствует и он определенной высоты называется основным тоном.

Обертонами называются все остальные составляющие этого многосоставного звука ( его частота может быть в несколько раз больше частоты основного тона).

Обертоны определяют тембр звука - это то , что нам позволяет различать звуки , например , мы очень легко сможем различить звук телевизора и стиральной машинки , звуки гитары и барабана и т.п.

Высоту звука еще измеряют в мелах - это шкала высот, которая позволяет устанавливать равенство высот двух звуков.

Тоном Шепарда ( акустические иллюзии) называется звук , с кажущейся , то повышающейся , то понижающейся высотой.

Высота звука определяется частотой его основного тона , если частота основного тона больше, то звук громче , если частота основного тона меньше , то и звук будет тише.

Шумы — это звуки, образующие сплошной спектр, состоящий из набора частот, т.е. в шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Источником шума является любой процесс, вызывающий местное изменение давления или механические колебания в твердых, жидких или газообразных средах.

Шум имеет определенную частоту, или спектр, выражаемый в герцах, и интенсивность – уровень звукового давления, измеряемый в децибелах. Для человека область слышимых звуков определяется в интервале от 16 до 20 000 Гц. Наиболее чувствителен слуховой анализатор к восприятию звуков частотой 1000—3000 Гц (речевая зона).

Измерение, анализ и регистрация спектра шума производятся специальными приборами — шумомерами и вспомогательными приборами (самописцы уровней шума, магнитофон, осциллограф, анализаторы статистического распределения, дозиметры и др.). Поскольку ухо менее чувствительно к низким и более чувствительно к высоким частотам, для получения показаний, соответствующих восприятию человека, в шумомерах используют систему корректированных частотных характеристик — шкалы А, В, С, D и линейную шкалу, которые отличаются по восприятию. В практике применяется в основном шкала А.

Для шумов характерна сильная не периодичность формы колебаний: либо это – длительное колебание, но очень сложное по форме (шипение, скрип), либо отдельные выбросы (щелчки, стуки). С этой точки зрения шумам следует отнести и звуки, выражаемые согласными (шипящими, губными и т.д.).

Во всех случаях шумовые колебания состоят из огромного количества гармонических колебаний с разными частотами.

Таким образом, у гармонического колебания спектр состоит из одной-единственной частоты. У периодического колебания спектр состоит из набора частот – основной и кратных ей. У консонирующих созвучий мы имеем спектр, состоящий из нескольких таких наборов частот, причем основные относятся как небольшие целые числа. У диссонирующих созвучий основные частоты уже не находятся в таких простых отношениях. Чем больше в спектре разных частот, тем ближе мы подходим к шуму. Типичные шумы имеют спектры, в которых присутствуют чрезвычайно много частот.

Термин “шум” применяется ко всему,что маскирует полезный сигнал,поэтому шумом может оказаться какой-нибудь другой сигнал(“помеха”);но чаще всего этот термин означает “случайный” шум физической(чаще всего тепловой) природы. Шум характеризуется своим частотным спектром,распределением амплитуды и источником(происхождением).

а) Классификация шумов

По спектру:

стационарные и нестационарные.

По характеру спектра:

• широкополосный шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы;

• тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тона. Выраженным тон считается, если одна из третьоктавных полос частот превышает остальные не менее, чем на 7 дБ.

По частоте (Гц):

• низкочастотный (<400 Гц)

• среднечастотный (400-1000 Гц)

• высокочастотный (>1000 Гц)

По временны́м характеристикам:

• постоянный;

• непостоянный, который делится на:

• колеблющийся, прерывистый и импульсный.

По природе возникновения:

• Механический

• Аэродинамический

• Гидравлический

• Электромагнитный

б) Цвета шумов

Цвета шумов— система терминов, приписывающая некоторым видам шумовых сигналов определённые цвета исходя из аналогии между спектром сигнала произвольной природы (точнее, его спектральной плотностью или, говоря математически, параметрами распределения случайного процесса) и спектрами различных цветов видимого света. Эта абстракция широко используется в отраслях техники, имеющих дело с шумом(акустика,электроника,физика и т. д.).

Белый шум— стационарный шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот. Примерами белого шума являются шум близкого водопада(отдаленный шум водопада— розовый, так как высокочастотные составляющие звука затухают в воздухе сильнее низкочастотных), или шум Шоттки на клеммах большого сопротивления. Название получил от белого света, содержащего электромагнитные волны частот всего видимого диапазона электромагнитного излучения.

В природе и технике «чисто» белый шум (то есть белый шум, имеющий одинаковую спектральную мощность на всех частотах) не встречается (ввиду того, что такой сигнал имел бы бесконечную мощность), однако под категорию белых шумов попадают любые шумы, спектральная плотность которых одинакова (или слабо отличается) в рассматриваемом диапазоне частот.