Това, което се нарича звук. Звук, звукова вълна, инфразвук, ултразвук. Допустими нива на инфразвук в жилищни помещения

Когато правите музика, може да бъде много полезно да разберете като цяло какво е звук и как звукът се записва на компютър. Имайки такива знания, става много по-лесно да разберете какво е например компресията или как се получава изрязването. В музиката, както в почти всеки бизнес, познаването на основите улеснява напредъка.

Какво е звук?

Звукът е физически вибрации на среда, които се разпространяват под формата на вълни. Ние улавяме тези вибрации и ги възприемаме като звук. Ако се опитаме да изобразим графично звукова вълна, ще получим, изненадващо, вълна.

Синусоида

По-горе е синусоида, която може да се чуе от аналогови синтезатори или слушалкастационарен телефон, ако все още използвате такъв. Между другото, телефонът звучи, говорейки на технически, а не на музикален език.

Звукът има три важни характеристики, а именно: обем, височина и тембър. субективни усещания, но те имат своето отражение във физическия свят във формата физични свойствазвукова вълна.

Амплитуда

Това, което възприемаме като сила на звука, е силата на вибрациите или нивото на звуковото налягане, което се измерва в (dB).

Графично представени от вълни с различна височина:

Колкото по-висока е амплитудата (височината на вълната на графиката), толкова по-силен се възприема звукът и обратното, колкото по-ниска е амплитудата, толкова по-тих е звукът. Разбира се, възприемането на силата на звука също се влияе от честотата на звука, но това са характеристики на нашето възприятие.

Примери за различни обеми, в децибели:

Звук	Сила на звука (dB)	Ефект
Селски район далеч от пътища	25 dB	Почти не се чува
Шепнеш	30 dB	Много тих
Офис в работно време	50-60 dB	Нивото на шума остава комфортно до 60 dB
Прахосмукачка, сешоар	70 dB	Досадно; затруднява разговора по телефона
Кухненски робот, блендер	85-90 dB	Започвайки от сила на звука от 85 dB при продължително (8 часа) слушане, започва увреждане на слуха
Камион, бетонобъркачка, вагон на метрото	95-100 dB	За звуци между 90 и 100 dB се препоръчва излагане на незащитено ухо за не повече от 15 минути.
Моторен трион, ударен чук	110 dB	Редовното излагане на звуци, по-силни от 110 dB за повече от 1 минута, крие риск от трайна загуба на слуха
Рок концерт	110-140 dB	Прагът на болката започва около 125 dB

Честота

Когато казваме, че даден звук е „по-висок“ или „нисък“, разбираме какво имаме предвид, но графично той се показва не по височина, а по разстояние и честота:

Височината на нотата (звука) е честотата на звукова вълна.

Колкото по-малко е разстоянието между звуковите вълни, толкова по-висока е честотата на звука или просто толкова по-висок е звукът.

Мисля, че всеки знае това човешко ухоспособни да възприемат звуци с честота от приблизително 20 Hz до 20 kHz (в изключителни случаи - от 16 Hz до 22 kHz), а музикалните звуци са в диапазона от 16,352 Hz („C” subcontractave) до 7,902 kHz („B” пета октава).

Тембър

И последната важна характеристика за нас е тембърът на звука. На думи така се „оцветява“ звукът, а графично изглежда като различна сложност, сложността на звуковата вълна. Ето, например, графично представяне на звуковите вълни на цигулка и пиано:

Звуков тембър - сложност (комплексност) на звукова вълна

Синусоидите са по-сложни, нали?

Има няколко начина за запис на звук: нотиране, аналогов запис и цифров запис.

Нотни записи- това са просто данни за честотата, продължителността и силата на звуците, които трябва да бъдат възпроизведени на инструмент. В компютърния свят има аналог - MIDI данни. Но разглеждането на този въпрос е извън обхвата на тази статия, ще го разгледаме подробно друг път.

Аналогов запис- по същество записва физическите вибрации, каквито са на всеки носител: винилова плоча или магнитна лента. Трябва да започне веднага обилно слюноотделянелюбители на топъл лампов звук, но ние не сме от тези хора и че аналоговите устройства имат силна грешка и фундаментални ограничения, това внася изкривяване и влошава качеството на записа, а физическият носител се износва с времето, което допълнително намалява качеството на фонограмата, така че аналоговият запис вече е в миналото.

Цифров аудио запис- технология, която даде възможност на всеки да се пробва като звуков инженер или продуцент. И така, как работи? В края на краищата компютърът може да записва само числа и по-точно само нули и единици, в които са кодирани други цифри, букви и изображения. Как да запишете такива сложни данни като звука в числа?

Решението е съвсем просто - нарежете звуковата вълна на малки части, тоест преобразувайте непрекъсната функция (звукова вълна) в дискретна. Този процес се нарича вземане на проби, не от думата “кретин”, а от думата “дискретност” (лат. discretus - разделен, непостоянен). Всяко такова малко парче звукова вълна вече е много лесно да се опише в числа (ниво на сигнала в определен момент от време), което, когато цифров записи това се случва. Този процес се нарича аналогово-цифрово преобразуване(аналогово-цифрово преобразуване), а преобразуващото устройство (чип), съответно, е аналогово-цифров преобразувател (аналогово-цифров преобразувател) или ADC (ADC).

Ето пример за клип със звукова вълна от почти пет милисекунди от чинел за каране:

Виждате ли как всичко е съставено от карамфил? Това са дискретни малки парчета, на които се нарязва звуковата вълна, но при желание през тези зъби-колони може да се начертае непрекъсната извита линия, която ще бъде оригиналната звукова вълна. По време на възпроизвеждане това се случва в устройство (също микросхема), наречено цифрово-аналогов преобразувател или DAC. ADC и DAC са основните части на аудио интерфейс и неговото качество и възможности зависят от тяхното качество.

Честота на семплиране и битова дълбочина

Сигурно вече съм уморил и най-упоритите читатели, но не се отчайвайте, това е частта от статията, заради която е започната.

Процесът на преобразуване на аналогов сигнал в цифров сигнал (и обратно) има две важни свойства - честота на дискретизация (известна също като честота на дискретизация или скорост на дискретизация) и дълбочина на дискретизация (битова дълбочина).

Честота на вземане на проби- това е честотата, при която звуковият сигнал се нарязва на части (семплове). Не повтаряйте грешката ми: честотата на дискретизация е свързана с честотата на звука самочрез теоремата на Котелников, която казва: за да се възстанови еднозначно оригиналния сигнал, честотата на дискретизация трябва да бъде повече от два пъти най-високата честота в спектъра на сигнала. По този начин честотата на семплиране от 44,1 kHz се използва при запис на компактдискове и музикални корици
чуваем от човека честотен диапазон.

Битова дълбочинае дълбочината на дискретизация, измерена в битове, т.е. това е броят битове, използвани за запис на амплитудата на сигнала. При запис на CD се използват 16 бита, което е достатъчно за 96 dB, тоест можем да запишем звук, при който разликата между най-тихата и най-силната част е 96 dB, което почти винаги е достатъчно за запис на всякаква музика. Когато записват в студиа, те обикновено използват 24-битова битова дълбочина, което дава динамичен диапазон от 144 dB, но тъй като 99% от устройствата, които възпроизвеждат звук (касетофони, плейъри, звукови карти, включен в компютъра) може да обработва само 16-битово аудио, при изобразяване все пак ще трябва да загубите 48 dB (144 минус 96) динамичен диапазон, използвайки 16-битова резолюция.

И накрая, нека изчислим битрейта на музика на аудио компактдиск:
16 бита x 44 100 проби в секунда x 2 канала = 1 411 200 bps = 1 411,2 kbps.

Така една секунда запис на аудио компактдиск заема 172 килобайта или 0,168 мегабайта.

Това е всичко, което исках да ви кажа за записа на звук на компютър.
Е, или почти всичко.

Последният раздел е за хардкор читатели.

Трептене

При рендиране на проекти в звукови редактори, когато изберете 44 100 kHz 16 бита формат, понякога се появява квадратчето за отметка Dither. Какво е?
Това е смесването на псевдослучаен сигнал. Малко вероятно е тази формулировка да ви накара да се почувствате по-добре, но сега ще ви обясня.

По време на аналогово-цифровото преобразуване амплитудата се закръгля. Тоест, с 16-битова дълбочина на семплиране имаме 2 16 = 65 536 налични възможни вариантиамплитудно ниво. Но ако амплитудата на звука в една от пробите се окаже равна на 34 цели и 478 хилядни, тогава ще трябва да я закръглим до 34.

При ниски нива на амплитуда на входния сигнал такова закръгляване има отрицателни последици под формата на изкривяване, с което се бори трептене.

Това вече е сигурно. Благодаря ви, че прочетохте!

Не забравяйте да напишете коментар и да кликнете върху красивите бутони социални мрежив долната част на статията.

Звукови вълни или просто звукобикновено наричани вълни, възприемани от човешкото ухо. Аудио честотният диапазон е приблизително 20 Hz до 20 kHz. Наричат ​​се вълни с честота по-малка от 20 Hz инфразвук , и с честота над 20 kHz - ултразвук . Звуковите вълни могат да се разпространяват не само в газ, но и в течност (надлъжни вълни) и в твърдо тяло (надлъжни и напречни вълни). Особен интерес обаче представляват вълните в газовата среда - нашето местообитание. Разделът от физиката, който изучава звуковите явления, се нарича акустика .

Когато звукът се разпространява в газ, атомите и молекулите вибрират по посока на разпространение на вълната. Това води до промени в локалната плътност ρ и налягането стр. Звуковите вълни в газ често се наричат ​​вълни на плътност или вълни на налягане.

При прости хармонични звукови вълни, разпространяващи се по оста ОХ, промяна на налягането стр (х, T) зависи от координатата хи време Tв правото

Два знака в косинусния аргумент съответстват на две посоки на разпространение на вълната. Връзки между кръгова честота ω, вълново число к, дължина на вълната λ, скорост на звука υ са същите като за напречните вълни в струна или ластик (2.6):

Важна характеристика на звуковите вълни е скоростта на разпространението им . Определя се от инертните и еластични свойства на средата. Скоростта на разпространение на надлъжни вълни във всяка безгранична хомогенна среда се определя по формулата

Където б- модул на равномерно свиване, ρ - средна плътност на средата. Нютон също се опита да изчисли скоростта на звука във въздуха. Той приема, че еластичността на въздуха е просто равна на атмосферното налягане стр atm, тогава скоростта на звука във въздуха е по-малка от 300 m/s, докато истинската скорост на звука при нормални условия (т.е. при температура 0 °C и налягане 1 atm) е равна на 331,5 m/s, а скоростта на звука при температура 20 °C и налягане 1 atm е равна на 343 m/s. Само повече от сто години по-късно френският учен Пиер Лаплас показа, че предположението на Нютон е равносилно на предположението за бързо изравняване на температурата между областите на разреждане и компресия. Това предположение не е изпълнено поради лошата топлопроводимост на въздуха и малкия период на трептене в звуковата вълна. Всъщност възниква температурна разлика между областите на разреждане и компресия на газа, което значително влияе върху еластичните свойства. Лаплас предполага, че компресията и разреждането на газ в звукова вълна се случват според адиабатен закон, т.е. без влиянието на топлопроводимостта. Формулата на Лаплас (1816) има формата

Където стр- средно налягане в газа, ρ - средна плътност, γ - някаква константа в зависимост от свойствата на газа. За двуатомни газове γ = 1,4. Изчисляването на скоростта на звука по формулата на Лаплас дава стойността υ = 332 m/s (при нормални условия).

В термодинамиката е доказано, че коефициентът γ е равен на отношението на топлинните мощности при постоянно налягане ° Сстри при постоянен обем ° СV. Формулата на Лаплас може да бъде представена в друга форма, ако използваме уравнение на състоянието на идеалния газ. Ето крайния израз:

Където T - абсолютна температура, М - моларна маса , Р= 8,314 J/mol K - универсална газова константа. Скоростта на звука зависи до голяма степен от свойствата на газа. Колкото по-лек е газът, толкова по-голяма е скоростта на звука в този газ. Така например във въздуха ( М= 29·10 -3 kg/mol) при нормални условия υ = 331,5 m/s, в хелий ( М= 4·10 -3 kg/mol) υ = 970 m/s, във водород ( М= 2·10 -3 kg/mol) υ = 1270 m/s.

В течности и твърди вещества скоростта на звуковите вълни е още по-голяма. Във вода, например, υ = 1480 m/s (при 20 °C), в стомана υ = 5-6 km/s.

Когато възприема различни звуци, човешкото ухо ги оценява предимно по нивото им. сила на звука, в зависимост от енергийния поток или интензивност звукова вълна. Въздействие на звуковата вълна върху тъпанчезависи от звуково налягане, т.е. амплитуди стр 0 колебания на налягането във вълната. Човешкото ухо е съвършено творение на природата, способно да възприема звуци в огромен диапазон от интензитети: от слаб писък на комар до рев на вулкан. Праг на чуване съответства на стойността стр 0 е около 10 -10 atm, т.е. 10 -5 Pa. При такъв слаб звук молекулите на въздуха вибрират в звукова вълна с амплитуда само 10 -7 cm! Праг на болка съответства на стойността стр 0 е около 10 -4 atm или 10 Pa. Така човешкото ухо е способно да възприема вълни, в които звуковото налягане се променя милиони пъти. Тъй като интензитетът на звука е пропорционален на квадрата на звуковото налягане, обхватът на интензитета е около 10 12! Човешкото ухо, способно да възприема звуци в такъв огромен диапазон от интензитети, може да се сравни с инструмент, който може да се използва за измерване както на диаметъра на атом, така и на размера на футболно игрище.

За сравнение, нека посочим, че при обикновени разговори на хора в една стая интензитетът на звука е приблизително 10 6 пъти по-висок от прага на чуваемост, а интензитетът на звука на рок концерт се доближава до прага на болката.

Друга характеристика на звуковите вълни, която ги определя слухово възприятие, е стъпка . Вибрациите в хармонична звукова вълна се възприемат от човешкото ухо като музикален тон . трептения висока честотавъзприемани като звуци висок тон, нискочестотни вибрации - като звуци нисък тон. Звуците, произведени от музикални инструменти, както и звуците на човешкия глас, могат да варират значително по височина и честотен диапазон. Така например диапазонът на най-ниския мъжки глас е бас- се простира от приблизително 80 до 400 Hz, а диапазонът на високия женски глас е сопрано- от 250 до 1050 Hz.

Диапазонът от звукови вибрации, съответстващ на удвояване на честотата на вибрациите, се нарича октава. Гласът на цигулка, например, обхваща приблизително три и половина октави (196-2340 Hz), а звуците на пиано покриват седем и половина октави (27,5-4186 Hz).

Когато говорят за честотата на звука, произведен от струните на всеки струнен музикален инструмент, те имат предвид честотата f 1 основен тон. Но вибрациите на струните могат да съдържат и хармоници, честоти fнкоито удовлетворяват отношението:

fн = nf 1 , (н = 1, 2, 3...).

Следователно звучащата струна може да излъчва едно цяло диапазонвълни с множество честоти. Амплитуди Антези вълни зависят от метода на възбуждане на струната (лък, чук); определят музикалната окраска на звука или тембър . Подобно е положението и с духовите музикални инструменти. Тръби на духови инструменти са акустични резонатори, тоест акустични трептящи системи, способни да се възбуждат (резонират) от звукови вълни с определени честоти. При определени условия във въздуха вътре в тръбите възникват стоящи звукови вълни. На фиг. Фигура 2.7.1 показва няколко вида стоящи вълни (модове) в органна тръба, която е затворена в единия край и отворена в другия. Звуците, произвеждани от тръбите на духовите инструменти, се състоят от цял ​​спектър от вълни с множество честоти.

При настройка на музикални инструменти, устройство, наречено камертон. Състои се от дървен акустичен резонатор и прикрепена към него метална вилица, настроена на резонанс. Когато чукът удари вилицата, цялата система се възбужда и произвежда чист музикален тон.

Ларинксът на певеца също е акустичен резонатор. На фиг. 2.7.2 показва спектрите на звуковите вълни, излъчвани от камертон, струна на пиано и нисък женски глас (алт), звучащи на една и съща нота.

звукови вълни, честотни спектрикоито са показани на фиг. 2.7.2, имам същата височина, но различни тембри.

Нека сега разгледаме явлението, което възниква, когато се наслагват две хармонични звукови вълни с близки, но все пак малко различни честоти. Това явление се нарича удари . Получава се например, когато два камертона или две китарни струни, настроени на почти еднакви честоти, звучат едновременно. Тактът се възприема от ухото като хармоничен тон, чийто обем периодично се променя във времето. Нека звуковото налягане стр 1 и стр 2, действащи на ухото, променят се според законите

стр 1 = А 0 cos ω 1 TИ стр 2 = А 0 cos ω 2 T.

В съответствие със принцип на суперпозицияобщото налягане, причинено от двете вълни във всеки момент от времето, е равно на сумата от звуковите налягания, причинени от всяка вълна поотделно в един и същи момент от време.

Общото действие на двете вълни може да бъде представено чрез тригонометрични трансформации във формата

На фиг. 2.7.3(1) са показани зависимостите на налягането стр 1 и стр 2 от времето T. В даден момент T= 0 и двете трептения са във фаза и амплитудите им се сумират. Тъй като честотите на трептене са малко по-различни една от друга, след известно време T 1 трептения ще бъдат в противофаза. В този момент общата амплитуда ще достигне нула (колебанията се „отменят“ взаимно). По времето T 2 = 2T 1 трептенията отново ще са във фаза и т.н. (фиг. 2.7.3 (2)).

Нарича се минималният интервал между два момента от време с максимална (или минимална) амплитуда на трептенията период на биенеT b. Бавно променяща се амплитуда Аполученото трептене е равно на

Период T b промяна на амплитудата е равна на 2π / Δω. Това може да се покаже по друг начин, като се приеме, че периодите на колебания на налягането в звуковите вълни T 1 и T 2 са такива, че T 1 < T 2 (т.е. ω 1 > ω 2). По време на бийт периода T b среща се някакво число нпълни цикли на трептения на първата вълна и ( н- 1) цикли на трептения на втората вълна.

Звукът е звукови вълни, които причиняват вибрации на малки частици въздух, други газове и течни и твърди среди. Звукът може да възникне само там, където има вещество, без значение в какво агрегатно състояние е то. Във вакуумни условия, където няма среда, звукът не се разпространява, защото няма частици, които действат като разпределители на звукови вълни. Например в космоса. Звукът може да бъде модифициран, променен, превръщайки се в други форми на енергия. Така звукът, преобразуван в радиовълни или електрическа енергия, може да се предава на разстояние и да се записва на информационни носители.

Звукова вълна

Движенията на обекти и тела почти винаги причиняват колебания в околната среда. Няма значение дали е вода или въздух. По време на този процес започват да вибрират и частиците на средата, към която се предават вибрациите на тялото. Възникват звукови вълни. Освен това движенията се извършват в посоки напред и назад, като постепенно се заменят. Следователно звуковата вълна е надлъжна. В него никога няма странично движение нагоре и надолу.

Характеристики на звуковите вълни

Като всяко физическо явление, те имат свои собствени величини, с помощта на които могат да бъдат описани свойства. Основните характеристики на звуковата вълна са нейната честота и амплитуда. Първата стойност показва колко вълни се формират за секунда. Второто определя силата на вълната. Нискочестотните звуци имат ниска производителностчестоти и обратно. Честотата на звука се измерва в херци и ако надвишава 20 000 Hz, тогава се появява ултразвук. Има много примери за нискочестотни и високочестотни звуци в природата и света около нас. Чуруликане на славей, тътен на гръмотевици, рев на планинска река и други - всички те са различни аудио честоти. Амплитудата на вълната директно зависи от това колко силен е звукът. Силата на звука от своя страна намалява с разстоянието от източника на звук. Съответно, колкото по-далеч е вълната от епицентъра, толкова по-малка е амплитудата. С други думи, амплитудата на звуковата вълна намалява с разстоянието от източника на звук.

Скорост на звука

Този показател за звукова вълна е в пряка зависимост от естеството на средата, в която се разпространява. И влажността, и температурата на въздуха играят важна роля тук. При средни метеорологични условия скоростта на звука е приблизително 340 метра в секунда. Във физиката има такова нещо като свръхзвукова скорост, която винаги е по-голяма от скоростта на звука. Това е скоростта, с която се разпространяват звуковите вълни, когато самолетът се движи. Самолетът се движи със свръхзвукова скорост и дори изпреварва звуковите вълни, които създава. Поради постепенно нарастващото налягане зад самолета се образува ударна вълна от звук. Единицата за измерване на тази скорост е интересна и малко хора я знаят. Казва се Mach. Мах 1 е равен на скоростта на звука. Ако една вълна се движи с Мах 2, тогава тя се движи два пъти по-бързо от скоростта на звука.

Шумове

В човешкото ежедневие има постоянен шум. Нивото на шума се измерва в децибели. Движението на колите, вятърът, шумоленето на листата, преплитането на гласове на хора и други звукови шумове са наши ежедневни спътници. Но на такива шумове слухов анализаторчовек има способността да свикне с него. Има обаче и явления, с които дори адаптивните способности на човешкото ухо не могат да се справят. Например, шум над 120 dB може да причини болка. Най-шумното животно е синият кит. Когато издава звуци, се чува на над 800 километра.

Ехо

Как възниква ехото? Тук всичко е много просто. Звуковата вълна има способността да се отразява от различни повърхности: от вода, от камък, от стени в празна стая. Тази вълна се връща към нас, така че чуваме вторичен звук. Тя не е толкова ясна, колкото оригиналната, защото част от енергията в звуковата вълна се разсейва, докато пътува към препятствието.

Ехолокация

Отражението на звука се използва за различни практически цели. Например ехолокация. Основава се на факта, че с помощта ултразвукови вълниможете да определите разстоянието до обекта, от който се отразяват тези вълни. Изчисленията се правят чрез измерване на времето, необходимо на ултразвука за пътуване до дадено място и връщане. Много животни имат способността за ехолокация. Например прилепите и делфините го използват, за да търсят храна. Ехолокацията намери друго приложение в медицината. При изследване с ултразвук се образува картина вътрешни органичовек. Основата на този метод е, че ултразвукът, влизайки в среда, различна от въздух, се връща обратно, като по този начин образува изображение.

Звукови вълни в музиката

Защо музикалните инструменти издават определени звуци? Дрънкане на китара, дрънкане на пиано, ниски тонове на барабани и тромпети, очарователният тънък глас на флейта. Всички тези и много други звуци възникват поради вибрации на въздуха или, с други думи, поради появата на звукови вълни. Но защо звукът на музикалните инструменти е толкова разнообразен? Оказва се, че това зависи от няколко фактора. Първият е формата на инструмента, вторият е материалът, от който е направен.

Нека да разгледаме това като използваме струнни инструменти като пример. Те стават източник на звук при докосване на струните. В резултат на това те започват да трептят и да изпращат заобикаляща среда различни звуци. Ниският звук на всеки струнен инструмент се дължи на по-голямата дебелина и дължина на струната, както и на слабото й напрежение. И обратното, колкото по-здраво е опъната струната, колкото по-тънка и по-къса е тя, толкова по-висок е звукът, получен в резултат на свиренето.

Действие на микрофона

Основава се на преобразуването на енергията на звуковите вълни в електрическа. В този случай силата на тока и естеството на звука са пряко зависими. Във всеки микрофон има тънка метална пластина. Когато е изложен на звук, той започва да извършва осцилаторни движения. Спиралата, към която е свързана плочата, също вибрира, което води до електричество. Защо се появява? Това е така, защото микрофонът има и вградени магнити. Когато спиралата трепти между полюсите си, се генерира електрически ток, който преминава по спиралата и след това към звукова колона (високоговорител) или към оборудване за запис върху носител на информация (касета, диск, компютър). Между другото, микрофонът в телефона има подобна структура. Но как работят микрофоните на стационарни и мобилни телефони? Първоначалната фаза при тях е една и съща - звукът на човешкия глас предава вибрациите си на плочата на микрофона, след това всичко следва описания по-горе сценарий: спирала, която при движение затваря два полюса, създава се ток. Какво следва? С стационарен телефон всичко е повече или по-малко ясно - точно както в микрофона, звукът, преобразуван в електрически ток, преминава през проводниците. Но какво ще кажете за мобилен телефон или, например, уоки-токи? В тези случаи звукът се преобразува в енергия на радиовълните и удря сателита. Това е всичко.

Резонансно явление

Понякога се създават условия, когато амплитудата на трептенията физическо тялонараства рязко. Това се дължи на сближаването на стойностите на честотата на принудителните трептения и естествената честота на трептенията на обекта (тялото). Резонансът може да бъде както полезен, така и вреден. Например, за да извадите кола от дупка, тя се запалва и се бута напред-назад, за да предизвика резонанс и да даде на колата инерция. Но имаше и случаи негативни последицирезонанс. Например в Санкт Петербург преди около сто години мост се срути под маршируващи войници в унисон.

Звук (звукова вълна ) –това е еластична вълна, възприемана от слуховия орган на хора и животни. С други думи, звукът е разпространението на колебания в плътността (или налягането) на еластична среда, които възникват, когато частиците на средата взаимодействат една с друга.

Атмосферата (въздухът) е една от еластичните среди. Разпространението на звука във въздуха се подчинява на общите закони на разпространение на акустичните вълни в идеалните газове, а също така има особености, дължащи се на променливостта на плътността, налягането, температурата и влажността на въздуха. Скоростта на звука се определя от свойствата на средата и се изчислява по формулите за скоростта на еластична вълна.

Има изкуствени и естествени източници звук. Изкуствените излъчватели включват:

Вибрации на твърди тела (струни и звукови табла на музикални инструменти, дифузори на високоговорители, телефонни мембрани, пиезоелектрически плочи);

Въздушни вибрации в ограничен обем (органни тръби, свирки);

Перкусии (клавири на пиано, звънец);

Електрически ток (електроакустични преобразуватели).

Естествените източници включват:

Експлозия, колапс;

Въздушен поток около препятствия (вятър, издухващ ъгъла на сграда, гребен на морска вълна).

Има и изкуствени и естествени приемници звук:

Електроакустични преобразуватели (микрофон във въздуха, хидрофон във вода, геофон в земната кора) и други устройства;

Слухови апарати на хора и животни.

При разпространението на звукови вълни са възможни явления, характерни за вълни от всякакво естество:

Отражение от препятствие

Пречупване на границата на две среди,

Намеса (добавка),

Дифракция (огъване около препятствия),

Дисперсия (зависимост на скоростта на звука в веществото от честотата на звука);

Абсорбция (намаляване на енергията и интензитета на звука в среда поради необратимото преобразуване на звуковата енергия в топлина).

Обективни звукови характеристики

Честота на звука

Честотата на звука, чуваем от хората, варира от 16 Hz преди 16 - 20 kHz . Еластични вълни с честота По-долу звуков диапазон Наречен инфразвук (включително сътресение), с по-висок честота – ултразвук , а еластичните вълни с най-висока честота са хиперзвук .

Целият честотен диапазон на звука може да бъде разделен на три части (Таблица 1).

Шум има непрекъснат спектър от честоти (или дължини на вълните) в областта на нискочестотния звук (таблици 1, 2). Плътен спектър означава, че честотите могат да имат произволна стойност от даден интервал.

Музикален , или тонален , звуци имат линеен честотен спектър в областта на средночестотния и частично високочестотния звук. Останалата част от високочестотния звук е заета от свирене. Линейният спектър означава, че музикалните честоти имат само строго определени (дискретни) стойности от определен интервал.

Освен това интервалът от музикални честоти е разделен на октави. октава – това е честотният интервал, затворен между две гранични стойности, горната от които е два пъти по-голяма от долната(Таблица 3)

Общи октавни честотни ленти

Октавни честотни ленти	 мин , Hz	 макс , Hz	 ср , Hz

Примери за честотни интервали на звук, създаден от човешкия гласов апарат и възприет от човешкия слухов апарат, са дадени в таблица 4.

Контраалт, алт
Мецосопран
Колоратурен сопран

Примери за честотни диапазони на някои музикални инструменти са дадени в таблица 5. Те покриват не само звуковия диапазон, но и ултразвуковия диапазон.

Музикален инструмент	Честота Hz
Саксофон

Животните, птиците и насекомите създават и възприемат звука на другите честотни диапазони, а не човек (Таблица 6).

В музиката всяка синусоидална звукова вълна се нарича с прост тон,или тон.Височината зависи от честотата: колкото по-висока е честотата, толкова по-висок е тонът. Основен тон сложен музикален звук се нарича съответния тон най-ниска честота в неговия спектър. Извикват се тонове, съответстващи на други честоти обертонове. Ако обертонове кратничестота на основния тон, тогава се наричат ​​обертоновете хармоничен. Обертонът с най-ниска честота се нарича първи хармоник, този със следващия се нарича втори и т.н.

Музикалните звуци с еднакъв основен тон може да се различават тембър.Тембърът зависи от състава на обертоновете, техните честоти и амплитуди, естеството на тяхното покачване в началото на звука и спада в края.

Скорост на звука

За звук в различни медии са валидни общи формули (22) – (25). Трябва да се има предвид, че формула (22) е приложима в случай на сух атмосферен въздух и, като се вземат предвид числените стойности на коефициента на Поасон, моларната маса и универсалната газова константа, може да се запише като:

Истинският атмосферен въздух обаче винаги има влажност, която влияе върху скоростта на звука. Това се дължи на факта, че коефициентът на Поасон  зависи от съотношението на парциалното налягане на водната пара ( стр пара) до атмосферно налягане ( стр). Във влажен въздух скоростта на звука се определя по формулата:

.

От последното уравнение се вижда, че скоростта на звука във влажен въздух е малко по-голяма, отколкото в сух въздух.

Числените оценки на скоростта на звука, като се вземе предвид влиянието на температурата и влажността на атмосферния въздух, могат да се извършат с помощта на приблизителната формула:

Тези оценки показват, че когато звукът се разпространява в хоризонтална посока ( 0 х) с повишаване на температурата с 1 0 ° Сскоростта на звука се увеличава с 0,6 m/s. Под въздействието на водна пара с парциално налягане не повече от 10 Paскоростта на звука се увеличава с по-малко от 0,5 m/s. Но като цяло, при максималното възможно парциално налягане на водните пари на повърхността на Земята, скоростта на звука се увеличава с не повече от 1 m/s.

Звуково налягане

При липса на звук атмосферата (въздухът) е ненарушена среда и има статика Атмосферно налягане (
).

Когато звуковите вълни се разпространяват, допълнително променливо налягане се добавя към това статично налягане поради кондензация и разреждане на въздуха. В случай на равнинни вълни можем да напишем:

Където стр звук, макс– амплитуда на звуковото налягане,  - циклична честота на звука, k – вълново число. Следователно атмосферното налягане във фиксирана точка в даден момент става равно на сумата от тези налягания:

Звуково налягане е променливо налягане, равно на разликата между моментното действително атмосферно налягане в дадена точка по време на преминаването на звукова вълна и статичното атмосферно налягане при липса на звук:

Звуковото налягане променя стойността и знака си по време на периода на трептене.

Звуковото налягане почти винаги е много по-малко от атмосферното

То става голямо и сравнимо с атмосферното налягане, когато възникнат ударни вълни по време на мощни експлозии или по време на преминаването на реактивен самолет.

Единиците за звуково налягане са както следва:

- паскалв SI
,

- барв GHS
,

- милиметър живачен стълб,

- атмосфера.

На практика уредите не измерват моментната стойност на звуковото налягане, а т.нар ефикасен (или текущ )звук налягане . То е равно корен квадратен от средната стойност на квадрата на моментното звуково налягане в дадена точка от пространството в даден момент

(44)

и затова също се нарича средно квадратично звуково налягане . Замествайки израз (39) във формула (40), получаваме:

. (45)

Звуков импеданс

Звукова (акустична) устойчивост наречено амплитудно съотношениезвуково налягане и скорост на вибрациите на частиците на средата:

. (46)

Физическо значение на звукоустойчивостта: числено е равно на звуковото налягане, предизвикващо вибрации на частиците на средата с единица скорост:

SI единица за измерване на звуков импеданс – паскал секунда на метър:

.

В случай на плоска вълна скорост на трептене на частицитеравна на

.

Тогава формула (46) ще приеме формата:

. (46*)

Съществува и друго определение за съпротивление на звука като произведение на плътността на средата и скоростта на звука в тази среда:

. (47)

Тогава е физически смисъле, че числено е равна на плътността на средата, в която еластичната вълна се разпространява с единична скорост:

.

В допълнение към акустичното съпротивление, акустиката използва концепцията механична устойчивост (Р м). Механичното съпротивление е съотношението на амплитудите на периодичната сила и скоростта на колебание на частиците на средата:

, (48)

Където С– повърхност на излъчвателя на звука. Механичното съпротивление се измерва в нютон секунди на метър:

.

Енергия и сила на звука

Звуковата вълна се характеризира със същите енергийни количества като еластичната вълна.

Всеки обем въздух, в който се разпространяват звукови вълни, има енергия, която е сумата от кинетичната енергия на осцилиращите частици и потенциалната енергия на еластичната деформация на средата (виж формула (29)).

Интензитетът на звука обикновено се наричасилата на звука . То е равно

. (49)

Ето защо физическо значение на звуковата мощносте подобно на значението на плътността на енергийния поток: числено равно на средната стойност на енергията, която се пренася от вълна за единица време през напречната повърхност на единица площ.

Единицата за интензитет на звука е ват на квадратен метър:

.

Интензитетът на звука е пропорционален на квадрата на ефективното звуково налягане и обратно пропорционален на звуковото (акустично) налягане:

, (50)

или, като се вземат предвид изрази (45),

, (51)

Където Р ак – акустична устойчивост.

Звукът може да се характеризира и със звукова мощност. Сила на звука е общото количество звукова енергия, излъчена от източник за определено време през затворена повърхност, заобикаляща източника на звук:

, (52)

или, като се вземе предвид формула (49),

. (52*)

Звуковата мощност, както всяка друга, се измерва в ватове:

.

Среща се в газообразни, течни и твърди среди, които при достигане до слуховите органи на човека се възприемат от него като звук. Честотата на тези вълни варира от 20 до 20 000 вибрации в секунда. Нека да представим формули за звукова вълна и да разгледаме нейните свойства по-подробно.

Защо се появява звукова вълна?

Много хора се чудят какво е звукова вълна. Природата на звука се крие във възникването на смущение в еластична среда. Например, когато в определен обем въздух възникне нарушение на налягането под формата на компресия, този регион има тенденция да се разпространява в пространството. Този процес кара въздуха да се компресира в зони, съседни на източника, които също са склонни да се разширяват. Този процес обхваща все по-голяма част от пространството, докато стигне до някой приемник, например човешкото ухо.

Обща характеристика на звуковите вълни

Нека да разгледаме въпросите какво е звукова вълна и как тя се възприема от човешкото ухо. Звуковата вълна е надлъжна, когато навлезе в раковината на ухото, тя предизвиква вибрации на тъпанчето с определена честота и амплитуда. Можете също така да си представите тези колебания като периодични промени в налягането в микрообем въздух в съседство с мембраната. Първо се увеличава спрямо нормалното атмосферно налягане, а след това намалява, подчинявайки се на математическите закони на хармоничното движение. Амплитудата на промените в компресията на въздуха, тоест разликата между максималното или минималното налягане, създадено от звукова вълна с атмосферно налягане, е пропорционална на амплитудата на самата звукова вълна.

Много физически експерименти са показали това максимални налягания, която човешкото ухо може да възприеме, без да го нарани, е 2800 µN/cm 2 . За сравнение, нека кажем, че атмосферното налягане близо до земната повърхност е 10 милиона μN/cm2. Като се има предвид пропорционалността на налягането и амплитудата на колебанията, можем да кажем, че последната стойност е незначителна дори за най-силните вълни. Ако говорим за дължината на звуковата вълна, тогава за честота от 1000 вибрации в секунда тя ще бъде една хилядна от сантиметъра.

Най-слабите звуци създават колебания на налягането от порядъка на 0,001 μN/cm 2, съответната амплитуда на вълновите трептения за честота 1000 Hz е 10 -9 cm, докато средният диаметър на молекулите на въздуха е 10 -8 cm, т.е. човешкото ухо е изключително чувствителен орган.

Понятие за интензитет на звуковата вълна

От геометрична гледна точка звуковата вълна представлява вибрации с определена форма, но от физическа гледна точка основното свойство на звуковите вълни е способността им да пренасят енергия. Най-важният пример за пренос на вълнова енергия е слънцето, чиито излъчвани електромагнитни вълни осигуряват енергия на цялата ни планета.

Интензитетът на звукова вълна във физиката се определя като количеството енергия, пренесено от вълната през единица повърхност, която е перпендикулярна на разпространението на вълната, и за единица време. Накратко, интензитетът на вълната е нейната мощност, пренесена през единица площ.

Силата на звуковите вълни обикновено се измерва в децибели, които се основават на логаритмична скала, удобна за практически анализ на резултатите.

Интензитет на различни звуци

Следната скала в децибели дава представа за значението на различните и усещанията, които предизвиква:

• прагът на неприятни и дискомфортни усещания започва от 120 децибела (dB);
• чук за занитване създава шум от 95 dB;
• високоскоростен влак - 90 dB;
• улица с интензивен трафик - 70 dB;
• обемът на нормален разговор между хора е 65 dB;
• модерен автомобил, движещ се с умерена скорост, създава ниво на шум от 50 dB;
• среден обем на радиото - 40 dB;
• тих разговор - 20 dB;
• шум от листата на дърветата - 10 dB;
• Минималният праг на човешка звукова чувствителност е близо до 0 dB.

Чувствителността на човешкото ухо зависи от честотата на звука и е максимална за звукови вълни с честота 2000-3000 Hz. За звук в този честотен диапазон долният праг на човешка чувствителност е 10 -5 dB. По-високи и по-ниски честоти от определения интервал водят до повишаване на долния праг на чувствителност по такъв начин, че човек чува честоти близки до 20 Hz и 20 000 Hz само при интензитет от няколко десетки dB.

Що се отнася до горния праг на интензитет, след който звукът започва да причинява неудобство за хората и дори болезнени усещания, тогава трябва да се каже, че той е практически независим от честотата и е в диапазона 110-130 dB.

Геометрични характеристики на звукова вълна

Истинската звукова вълна е сложен колебателен пакет от надлъжни вълни, които могат да бъдат разложени на прости хармонични вибрации. Всяко такова колебание се описва от геометрична гледна точка чрез следните характеристики:

1. Амплитудата е максималното отклонение на всеки участък от вълната от равновесие. За това количество е прието обозначението А.
2. Месечен цикъл. Това е времето, през което една проста вълна завършва пълното си трептене. След това време всяка точка от вълната започва да повтаря своя колебателен процес. Периодът обикновено се обозначава с буквата T и се измерва в секунди в системата SI.
3. Честота. Това е физическа величина, която показва колко трептения прави дадена вълна за секунда. Тоест по смисъла си това е количество, реципрочно на периода. Означава се f. За честотата на звукова вълна формулата за определянето й чрез период е следната: f = 1/T.
4. Дължината на вълната е разстоянието, което изминава за един период на трептене. Геометрично, дължината на вълната е разстоянието между двата най-близки максимума или два най-близки минимума на синусоидална крива. Дължината на трептене на звукова вълна е разстоянието между най-близките области на компресия на въздуха или най-близките места на неговото разреждане в пространството, където се движи вълната. Обикновено се обозначава с гръцката буква λ.
5. Скоростта на разпространение на звукова вълна е разстоянието, върху което областта на компресия или областта на разреждане на вълната се разпространява за единица време. Тази стойност се обозначава с буквата v. За скоростта на звукова вълна формулата е: v = λ*f.

Геометрията на чистата звукова вълна, тоест вълна с постоянна чистота, се подчинява на синусоидалния закон. В общия случай формулата за звукова вълна има формата: y = A*sin(ωt), където y е координатната стойност на дадена точка от вълната, t е времето, ω = 2*pi*f е цикличната честота на трептенията.

Апериодичен звук

Много източници на звук могат да се считат за периодични, например звукът от музикални инструменти като китара, пиано, флейта, но има и голям бройзвуци в природата, които са апериодични, тоест звуковите вибрации променят своята честота и форма в пространството. Технически този тип звук се нарича шум. Ярки примери за апериодичен звук са градският шум, морският шум, звуците от ударни инструменти, например от барабан и др.

Среда за разпространение на звукови вълни

За разлика от електромагнитно излъчване, чиито фотони не се нуждаят от никаква материална среда за своето разпространение, природата на звука е такава, че е необходима определена среда за неговото разпространение, тоест според законите на физиката звуковите вълни не могат да се разпространяват във вакуум.

Звукът може да се разпространява в газове, течности и твърди вещества. Основните характеристики на звукова вълна, разпространяваща се в среда, са следните:

• вълната се разпространява линейно;
• той се разпространява еднакво във всички посоки в хомогенна среда, тоест звукът се отклонява от източника, образувайки идеална сферична повърхност.
• Независимо от амплитудата и честотата на звука, неговите вълни се разпространяват с еднаква скорост в дадена среда.

Скорост на звуковите вълни в различни среди

Скоростта на разпространение на звука зависи от два основни фактора: средата, в която се движи вълната, и температурата. Като цяло работи следващото правило: колкото по-плътна е средата и колкото по-висока е нейната температура, толкова по-бързо се движи звукът през нея.

Например, скоростта на разпространение на звукова вълна във въздуха близо до повърхността на земята при температура 20 ℃ и влажност 50% е 1235 km/h или 343 m/s. Във вода при дадена температура звукът се движи 4,5 пъти по-бързо, тоест около 5735 km/h или 1600 m/s. Що се отнася до зависимостта на скоростта на звука от температурата на въздуха, тя нараства с 0,6 m/s с повишаване на температурата за всеки градус по Целзий.

Тембър и тон

Ако една струна или метална пластина се остави да вибрира свободно, тя ще произвежда звуци различни честоти. Много рядко се среща тяло, което произвежда звук с една определена честота; обикновено звукът на обект има набор от честоти в определен интервал.

Тембърът на звука се определя от броя на присъстващите в него хармоници и техните съответни интензитети. Тембърът е субективна стойност, тоест това е възприемането на звучащ обект от конкретен човек. Тембърът обикновено се характеризира със следните прилагателни: висок, брилянтен, звучен, мелодичен и т.н.

Тонът е звуково усещане, което позволява да бъде класифицирано като високо или ниско. Тази стойност също е субективна и не може да бъде измерена с никакъв инструмент. Тонът се свързва с обективна величина - честотата на звуковата вълна, но между тях няма ясна връзка. Например, за едночестотен звук с постоянен интензитет, тонът се увеличава с увеличаване на честотата. Ако честотата на звука остане постоянна и интензитетът му се увеличи, тогава тонът става по-нисък.

Форма на източниците на звук

В съответствие с формата на тялото, което извършва механични вибрации и по този начин генерира вълни, има три основни вида:

1. Точков източник. Той произвежда сферични звукови вълни, които затихват бързо с разстоянието от източника (приблизително 6 dB, ако разстоянието от източника се удвои).
2. Линеен източник. Той създава цилиндрични вълни, чийто интензитет намалява по-бавно, отколкото от точков източник (при всяко увеличаване на разстоянието наполовина спрямо източника, интензитетът намалява с 3 dB).
3. Плосък или двуизмерен източник. Той генерира вълни само в определена посока. Пример за такъв източник би било бутало, движещо се в цилиндър.

Електронни източници на звук

За да създадат звукова вълна, електронните източници използват специална мембрана (говорител), която извършва механични вибрации, дължащи се на явлението електромагнитна индукция. Такива източници включват следното:

• плейъри на различни дискове (CD, DVD и други);
• касетофони;
• радиостанции;
• телевизори и някои други.