Министерство образования и науки РФ

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ  им. В.В. Куйбышева)

Кафедра физики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

Звуковые волны. Их свойства и параметры. 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент: Синенко В.К. . с 1412 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Владивосток

2010

Оглавление

Введение 3

Глава 1. Общие понятия о  звуковых волнах 4

Глава 2. Свойства звуковой волны. Характеристики распространения волн. 6

2.1. Свойства 6

2.2. Эффект Допплера. 7

Глава 3. Физические параметры звука. 8

Заключение 11

Список использованной литературы. 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Что такое звук? На этот вопрос можно  дать различные ответы. Физик скажет, что это волна, возникающая в  воздушной среде в результате колебаний, и даст нам физические параметры звука: период колебаний, длину звуковой волны, амплитуду  и частоту колебаний.

     По  характеру колебательных движений звуки можно разделить на чистые тоны, сложные тоны и шумы. В природе  мы практически не встречаемся с  чистыми тонами, они подобны дистиллированной воде лабораторий, нас же окружает вода ручейков, речек, озер, прудов. Чистые тоны можно воспроизвести только с  помощью камертона. Окружающие нас  звуки – сложные. Помимо основного  тона, имеется масса добавочных тонов, или обертонов. Звуки, состоящие  из смеси тонов самых разных частот, в которых невозможно выделить основной тон, называются шумами.

     Мы  живем в мире шумов, шумы и шорохи доминируют в окружающем нас звуковом фоне. В лесу это – шелест листьев, в поле – шум ветра, на берегу моря – плеск волн. В природе  абсолютной тишины не бывает. Тем более  не бывает тишины в городе, здесь  мы можем говорить только о большем  или меньшем уровне шума. Поэтому  известный исследователь свойств звука Лангенбек писал: «Человек с детства должен тренироваться, чтобы слышать определенные звуки, несмотря на шум».

Распространению звуковой волны мешают препятствия, встречающиеся на ее пути. Способность  звуковой волны огибать препятствия  называется дифракцией. Низкие звуки  обладают лучшей дифракцией, чем высокие. Этим, например, объясняется тот  факт, что когда группа поющих людей  сворачивает за угол, то сначала  перестают быть слышны высокие голоса, а затем уже низкие.

       Волна может отражаться от большой поверхности, оказавшейся на ее пути. При этом возникает явление, называемое эхом. Каждый из нас встречался с ним  в лесу, в горах, где отражающими  поверхностями являются деревья, скалы. 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Общие понятия о звуковых волнах

     ЗВУКОВЫЕ  ВОЛНЫ - механические колебания, частоты которых лежат в пределах звуковых частот. Могут распространяться в любой среде. Они излучаются телом, находящимся в этой среде и совершающим звуковые колебания. 
Для гармонической звуковой волны длина волны λ определяется соотношением 
λ=νT, 
где ν - скорость звуковых волн в среде, а Т - период волны. Скорость ν зависит от свойств среды: она тем больше, чем больше упругость среды и чем меньше её плотность. Значение ν достигает для упругих твердых тел 5000 м/с, а для газов - сотен метров в секунду, в частности для воздуха ν = 330 м/с (при температуре 0⁰). Следовательно, длины звуковых волн в воздухе лежат в пределах от 16 м до 2 см и соответствуют диапазону звуковых частот от 20 Гц до 15 кГц.

     Колебательный процесс, к которому относится звук, характеризуется длиной волны λ, скоростью ее распространения с, частотой f и периодом колебаний Т. Между собой они связаны простой зависимостью λ =c/f = сТ.

     Пространство, в котором распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

     Непрерывная поверхность, все точки которой  одновременно находятся в одинаковой фазе колебательной скорости, называется фронтом волны.

     В зависимости от фронта волны различают  шаровые, плоские, цилиндрические и  другие типы волн. Это различие зависит  от формы источника и соотношения  размеров источника и длины излучаемой им волны.

     Плоские волны образуются в тех случаях, когда размеры плоской колеблющейся поверхности в несколько раз  больше, чем длина излучаемой ею звуковойволны. Плоские звуковые волны образуются также и на значительных расстояниях от источника иных видов волн.

     Сферические волны создают точечные источники  звука, у которых геометрические размеры значительно меньше длины  излучаемой ими звуковой волны. Цилиндрические волны образуются, например, за большим  экраном с щелью при падении на него плоских звуковых волн, если щель имеет ширину намного меньше и длину намного больше длины этих волн. 

      В газообразных и жидких средах, характеризующихся  лишь одной упругой постоянной (модулем  упругости или обратной ему величиной—коэффициентом  сжимаемости), звук распространяется в  виде продольных волн. В твердых телах, характеризующихся двумя упругими постоянными: коэффициентом сжимаемости — деформацией сжатия (растяжения) и упругостью формы (деформацией сдвига или изгиба), могут возникать, кроме продольных волн, еще и поперечные волны сдвига, изгиба и т. п. При этом у продольных волн направление колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения звуковых волн, а у поперечных волн — перпендикулярно этому направлению.

     Скорость  распространения звуковых волн в  звуковом поле зависит от свойств среды (упругости и плотности). В воздухе при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении скорость звука равна 344 м/с, в воде — примерно 1500 м/с, стали —5000 м/с, стекле — 5200 м/с, дереве — 3500 м/с вдоль волокон и 1200 м/с поперек волокон, пробке — 500 м/с, резине — от 40 до 150 м/с и в тканях человека— 1500—1600 м/с.

     Произведение  скорости звука на плотность среды (ρс), в которой распространяется этот звук, называют акустическим или волновым сопротивлением среды. Оно характеризует сопротивление среды при распространении в ней звуковых волн. Для воздуха (при t = 20° С и ρ₀ = 10330 кг/м³) ρс = 42 кг*с/м³ ≈ 420 Нс/м³.

Акустическое  сопротивление имеет важную роль при рассмотрении явлений распространения, отражения и поглощения звука.

     Распространение, отражение и поглощение звука. В свободном пространстве звуковые волны распространяются от источника звука с одинаковой скоростью во все стороны. При этом фронт волны увеличивается, а звуковая энергия рассеивается за счет распределения ее на все увеличивающейся поверхности. Этим объясняется одна из причин ослабления шума в воздухе с удалением от источника его образования. Сила звука в таком случае убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Вместе с тем, в процессе распространения звуковых волн их энергия рассеивается и теряется на преодоление внутреннего трения в среде (молекулярное поглощение и т. п.). Потери звуковой энергии возрастают с увеличением частоты.

     При одновременном распространении  нескольких звуковых волн одинаковой частоты происходит их наложение (интерференция). При этом происходит либо усиление звука (при совпадении фаз результирующая амплитуда равна сумме амплитуд колебаний), либо его ослабление (если фазы противоположны). Явление интерференции  может быть использовано для местного ослабления звука в звукозащитной  технике.

     При падении звуковой волны на какую-либо преграду часть звуковой энергии  отражается (рис. 26), часть поглощается  преградой, превращаясь в тепло, а остаток излучается по другую сторону  преграды. В замкнутом пространстве звуковые волны, многократно отражаясь  от предметов и ограждающих поверхностей, увеличивают громкость звуков в помещении и создают в них гулкость, эхо и области концентрации звуковой энергии.

     Интенсивность (сила) звука. К числу важных характеристик  колебательных процессов относитсяинтенсивность или сила звука. Под этой величиной подразумевается количество звуковой энергии, проходящей в одну секунду через поверхность в 1 см² или 1 м² перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. Интенсивность звука (шума) измеряется либо в кгм/с*м² или кг/с*м, либо в Вт/м². Она зависит от места расположения точки измерения, направленности излучения и условий распространения звуковых волн.

     Звуковая (акустическая) мощность. Для характеристики источника звука (шума) часто служит акустическая мощность, т. е. общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени. Звуковая мощность измеряется в ваттах или килограммометрах в секунду.

Глава 2. Свойства звуковой волны. Характеристики распространения  волн.

2.1. Свойства

• Распространение звуковых волн. Звуковые волны распространяются через воздух, жидкости и ткани человеческого организма почти исключительно в виде упругих волн. Последние представляют собой зоны, в которых молекулы, составляющие среду, попеременно разрежаются или уплотняются. Таким образом, звуковые волны могут распространяться через вещество и не распространяются в вакууме.

• Скорость распространения. Скорость звука при  прохождении любых веществ относительно мала (для ткани около 1540 м/с). Следовательно, время прохождения звуковой волны  может быть точно измерено и соотнесено с пройденным расстоянием с использованием принципа «время -расстояние».

• Отражение (частичное или полное) звуковых волн от поверхностей: степень отражения  падающих на поверхность звуковых волн зависит от акустического сопротивления (импеданса):

     Импеданс – отношение интенсивности падающей звуковой волны к той ее части, которая была пропущена средой.

     Акустическое  сопротивление - произведение плотности и скорости звука. Характеризует рассеяние энергии волн в веществе.

2.2. Эффект Допплера.

Согласно  эффекту Допплера, частота отраженной звуковой волны изменяется при приближении или отдалении источника звука от принимающего устройства. В соответствии с законом «время-расстояние», произведение времени и скорости равняется пройденному расстоянию. Таким образом, для определения направления и скорости кровотока в сосудах и сердце могут быть проанализированы изменения частоты отражения звуковых волн от движущихся эритроцитов.

Качество  ультразвукового  исследования (УЗИ) зависит от двух критериев, связанных со свойствами звуковых волн:  
• Максимально возможное разрешение (высшая частота передатчика).  
• Адекватность глубины проникновения звука (низшая частота передатчика).  
• Правило: звуковые волны меньшей длины дают большее разрешение, но меньшую глубину проникновения ультразвука  
• Решение: диапазон оптимальных частот для ультразвуковой диагностики составляет 1-10 МГц. Диапазон оптимальной длины звуковых волн составляет 0.15-1,5 мм.

Скорость  распространения  звука. Этот показатель зависит от плотности среды (примерно 1500-1600 м/с в мягких тканях и жидкостях, 331 м/с в воздухе и 3500 м/с в костях). Ультразвуковые инструменты откалиброваны для средней скорости звука 1540 м/с.

Осевое  разрешение. Звуковой импульс составляется двумя (или тремя) звуковыми волнами, выпущенными в продольном (осевом) направлении. Максимальная способность к различению двух отдельных точек в продольном направлении равняется 1/2 длины импульса, или приблизительно длине одной звуковой волны. Например, при рабочей частоте 3,5 МГц разрешение равно примерно 0,5 (- 1) мм.

Латеральное разрешение. С увеличением глубины ультразвуковой луч сначала сужается, а затем происходит его расширение со снижением интенсивности и разрешения. Фокусная зона луча («сужение») имеет ширину 3-4 длины звуковой волны и характеризуется максимальным латеральным разрешением. При частоте 3,5 МГц латеральное разрешение составляет примерно 2 мм, т.е. две соседние точки будут расценены как различные, если расстояние между ними не меньше 2 мм. 
 

Глава 3. Физические параметры  звука.

     Колебательная скорость измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).

     Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через τ, то:

       .

     Уменьшение  амплитуды за один цикл характеризуется  логарифмическим декрементом. Логарифмический  декремент равен отношению периода  колебаний ко времени затухания τ:

     Если  на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы.

     При частотах воздействия, значительно  меньших резонансной, внешняя гармоническая  сила уравновешивается практически  только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

     Свойство  среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды (ρ) на скорость (с) распространения в ней ультразвуковых волн.

     Z = ρc

     Удельное  акустическое сопротивление измеряется в паскаль-секунда на метр (Па·с/м) или дин•с/см³ (СГС); 1 Па·с/м = 10⁻¹ дин • с/см³.

Значение  удельного акустического сопротивления  среды часто выражается в г/с·см², причём 1 г/с·см² = 1 дин•с/см³. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн.

     Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:

P = 2πfρcA

где Р — максимальное акустическое давление (амплитуда давления);

f — частота;

с — скорость распространения ультразвука;

ρ — плотность среды;

А — амплитуда колебания частиц среды.

     На  расстоянии в половину длины волны (λ/2) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на λ/2 пути распространения волны, равна 2Р.

     Для выражения звукового давления в  единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/м²). Звуковое давление в  системе СГС измеряется в дин/см²; 1 дин/см² = 10⁻¹Па = 10⁻¹Н/м². Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98×10⁶ дин/см² = 0,98×10⁵ Н/м². Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 10⁶ дин/см².

     Давление, оказываемое на частицы среды  при распространении волны, является результатом действия упругих и  инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак.

     Максимальные  значения величин ускорения и  давления, возникающие в среде  при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают  во времени. В момент, когда перепад  ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением:

     a = ω2A = (2πf)2A

     Если  бегущие ультразвуковые волны наталкиваются  на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении  ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее  давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу  жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных  капелек от поверхности. Этот механизм нашёл применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях — ультразвуковых весах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

     Человек живет в океане звука, он обменивается информацией с помощью звука, принимает её от окружающих его людей. Поэтому знать главные свойства звука, его подвиды и их внедрение  просто нужно. Внедрение звуковых и  ультра звуковых волн находит все большее применение в жизни человека. Их употребляют в медицине и технике, на их использовании основаны многие приборы, в особенности для исследования морей и океанов. Где из - за мощного поглощения радиоволн звуковые и ультра звуковые колебания есть единственным метод передачи информации.

     Как было сказано выше, человек живет в океане звука и нам также не необходимо забывать и о чистоте этого океана. Сильнейшие шумы опасны для здоровья человека и могут привести к мощным головным болям, расстройству координации движения. Поэтому необходимо с уважением относится к столь сложному и увлекательному явлению, каким есть звук. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы.

1. Зисман  Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. - М.: Наука, 1995. - 343 с
2. Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общественная физика. - К.: Высшая школа, 1995. - 430 с.
3. Шебалин О. Д. Физические базы механики и акустики. - М.: Высшая школа, 1981. - 263 с.
4. Свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://ru.wikipedia.org/wiki/Звук - загл. с экрана