Звукът е еластични вълни в среда (често въздух), които са невидими, но се възприемат от човешкото ухо (вълната засяга тъпанчеухо). Звуковата вълна е надлъжна вълна на компресия и разреждане.
Ако създадем вакуум, ще можем ли да различаваме звуци? Робърт Бойл поставил часовник в стъклен буркан през 1660 г. След като изпомпва въздуха, не чу звук. Опитът го доказва необходима е среда за разпространение на звука.
Звукът може да преминава и през течни и твърди среди. Под водата ясно се чуват ударите на камъните. Поставете часовника в единия край на дървената дъска. Като поставите ухото си на другия край, можете ясно да чуете тиктакането на часовника.
Звуковата вълна преминава през дърво
Източникът на звука непременно са трептящи тела. Например една струна на китара в нормално състояние не звучи, но щом я накараме да вибрира, се появява звукова вълна.
Опитът обаче показва, че не всяко трептящо тяло е източник на звук. Например тежест, окачена на нишка, не издава звук. Факт е, че човешкото ухо не възприема всички вълни, а само тези, които създават тела, трептящи с честота от 16 Hz до 20 000 Hz. Такива вълни се наричат звук. Наричат се трептения с честота по-малка от 16Hz инфразвук. Наричат се трептения с честота по-голяма от 20 000 Hz ултразвук.
Скорост на звука
Звуковите вълни не се разпространяват моментално, а с определена крайна скорост (подобна на скоростта на равномерното движение).
Ето защо по време на гръмотевична буря първо виждаме светкавица, тоест светлина (скоростта на светлината е много по-голяма от скоростта на звука), а след това се чува звук.
Скоростта на звука зависи от средата: в твърди вещества и течности скоростта на звука е много по-голяма, отколкото във въздуха. Това са таблично измерени константи. С повишаване на температурата на средата скоростта на звука се увеличава, а с понижаване намалява.
Звуците са различни. За характеризиране на звука се въвеждат специални величини: обем, височина и тембър на звука.
Силата на звука зависи от амплитудата на вибрациите: колкото по-голяма е амплитудата на вибрациите, толкова по-силен звук. В допълнение, възприемането на силата на звука от нашето ухо зависи от честотата на вибрациите в звуковата вълна. Вълните с по-висока честота се възприемат като по-силни.
Честотата на звуковата вълна определя височината на тона. Колкото по-висока е честотата на вибрациите на източника на звук, толкова по-висок е звукът, който произвежда. Човешките гласове са разделени на няколко диапазона по височина.
Звуците от различни източници са комбинация от хармонични вибрации с различни честоти. Компонентът на най-дългия период (най-ниската честота) се нарича основен тон. Останалите компоненти на звука са обертонове. Наборът от тези компоненти създава цвета и тембъра на звука. Набор от обертонове в гласовете различни хорамакар и малко по-различен, това определя тембъра на даден глас.
Ехо. Ехото се образува в резултат на отразяването на звук от различни препятствия – планини, гори, стени, големи сгради и др. Ехо възниква само когато отразеният звук се възприема отделно от първоначално изговорения звук. Ако има много отразяващи повърхности и те са на различно разстояние от човек, тогава отразените звукови вълни ще достигнат до него по различно време. В този случай ехото ще бъде многократно. Препятствието трябва да е на 11 м от човека, за да се чуе ехото.
Отражение на звука.Звукът се отразява от гладки повърхности. Следователно при използване на клаксон звуковите вълни не се разпръскват във всички посоки, а образуват тясно насочен лъч, поради което силата на звука се увеличава и се разпространява на по-голямо разстояние.
Някои животни (например прилеп, делфин) излъчват ултразвукови вибрации, след което възприемат отразената вълна от препятствия. Така определят местоположението и разстоянието до околните обекти.
Ехолокация. Това е начин за определяне на местоположението на телата чрез ултразвукови сигнали, отразени от тях. Широко използван в корабоплаването. Инсталирани на кораби сонари- уреди за разпознаване на подводни обекти и определяне на дълбочината и топографията на дъното. На дъното на съда са поставени излъчвател и приемник на звук. Излъчвателят дава кратки сигнали. Анализирайки времето на забавяне и посоката на връщащите се сигнали, компютърът определя позицията и размера на обекта, отразил звука.
Ултразвукът се използва за откриване и определяне на различни повреди в машинните части (кухини, пукнатини и др.). Устройството, което се използва за тази цел, се нарича ултразвуков дефектоскоп. Към изследваната част се изпраща поток от кратки ултразвукови сигнали, които се отразяват от нехомогенностите, разположени вътре в нея и, връщайки се, влизат в приемника. В тези места, където няма дефекти, сигналите преминават през детайла без значително отражение и не се регистрират от приемника.
Ултразвукът се използва широко в медицината за диагностика и лечение на определени заболявания. За разлика от рентгеновите лъчи, неговите вълни не го правят вредно влияниевърху плат. Диагностика ултразвукови изследвания(ултразвук)позволи без хирургична интервенцияразпознава патологични промениоргани и тъкани. Специално устройство насочва ултразвукови вълни с честота от 0,5 до 15 MHz към определена част от тялото, те се отразяват от изследвания орган и компютърът показва изображението му на екрана.
Инфразвукът се характеризира с ниско поглъщане в различни среди, в резултат на което инфразвуковите вълни във въздуха, водата и земната кора могат да се разпространяват на много големи разстояния. Това явление намира практическа употребапри определяне на местоположениясилни експлозии или позицията на стрелящото оръжие. Разпространението на инфразвука на големи разстояния в морето го прави възможно прогнози за природни бедствия- цунами. Медузите, ракообразните и др. са способни да възприемат инфразвуци и да усетят приближаването му много преди началото на буря.
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, че човешкото ухо е в състояние да възприема 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 („преди“ subcontractave) до 7,902 kHz („B“ от петата 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 от звукова вълна вече е много лесно да се опише в числа (нивото на сигнала в определен момент от времето), което се случва при цифровия запис. 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 зъбци-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 честота 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 студия, те обикновено използват 24-битова битова дълбочина, което дава динамичен диапазон от 144 dB, но тъй като 99% от устройствата, които възпроизвеждат звук (магнетофони, 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.
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? Началната фаза при тях е една и съща – здрава човешки гласпредава вибрациите си на плочата на микрофона, тогава 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 радиовълни 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). Непрекъснатият 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 звук в различни честотни диапазони от хората (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) Да се 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 статично 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, - цикличен честота на звука, k– вълново число. Следователно атмосферното налягане във фиксирана точка в този моментвремето 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:
.
Звуковите вълни във въздуха са редуващи се области на компресия и разреждане.
Звуковите вълни могат да служат като пример за колебателен процес. Всяко колебание е свързано с нарушаване на равновесното състояние на системата и се изразява в отклонението на нейните характеристики от равновесните стойности с последващо връщане към първоначалната стойност. За звуковите вибрации тази характеристика е налягането в точка на средата, а нейното отклонение е звуковото налягане.
Ако направите рязко изместване на частици от еластична среда на едно място, например с помощта на бутало, тогава налягането на това място ще се увеличи. Благодарение на еластичните връзки на частиците, налягането се предава на съседните частици, които от своя страна действат върху следващите и площта високо кръвно наляганесякаш се движат в еластична среда. Зоната на високо налягане е последвана от зона ниско кръвно наляганеи по този начин се образуват серия от редуващи се области на компресия и разреждане, разпространяващи се в средата под формата на вълна. Всяка частица от еластичната среда в този случай ще извършва осцилаторни движения.
В течни и газообразни среди, където няма значителни колебания в плътността, акустичните вълни са надлъжни по природа, т.е. посоката на вибрациите на частиците съвпада с посоката на движение на вълната. В твърдите тела, в допълнение към надлъжните деформации, възникват и еластични деформации на срязване, предизвикващи възбуждане на напречни (срязващи) вълни; в този случай частиците осцилират перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната. Скоростта на разпространение на надлъжните вълни е много по-голяма от скоростта на разпространение на срязващите вълни.
Физически параметри на звука
Генериране на звук
Обикновено за генериране на звук се използват трептящи тела от различно естество, предизвикващи вибрации в околния въздух. Пример за такова генериране е използването на гласни струни, високоговорители или камертон. Повечето музикални инструменти се основават на същия принцип. Изключение правят духовите инструменти, при които звукът се генерира от взаимодействието на въздушния поток с нееднородностите в инструмента. За създаване на кохерентен звук се използват така наречените звукови или фононни лазери.
Ултразвукова диагностика
Ултразвук- еластични звукови вибрации с висока честота. Човешко уховъзприема еластични вълни, разпространяващи се в средата с честота приблизително до 16 Hz-20 kHz; колебания с повече висока честотапредставляват ултразвук (извън границата на чуваемост).
Разпространение на ултразвук
Разпространението на ултразвук е процесът на движение в пространството и времето на смущенията, възникващи в звукова вълна.
Звуковата вълна се разпространява в вещество в газообразно, течно или твърдо състояние в същата посока, в която се изместват частиците на това вещество, т.е. причинява деформация на средата. Деформацията се състои в това, че се получава последователно изхвърляне и компресиране на определени обеми от средата, като разстоянието между две съседни зони съответства на дължината на ултразвуковата вълна. Колкото по-голямо е специфичното акустично съпротивление на средата, толкова по-голяма е степента на компресия и разреждане на средата при дадена амплитуда на вибрациите.
Частиците на средата, участващи в преноса на вълновата енергия, осцилират около своето равновесно положение. Скоростта, с която частиците осцилират около средното равновесно положение, се нарича осцилаторна скорост. Вибрационната скорост на частиците се променя според уравнението:
,където V е големината на скоростта на колебание;
- U е амплитудата на трептящата скорост;
- f - ултразвукова честота;
- t - време;
- G е фазовата разлика между вибрационната скорост на частиците и променливото акустично налягане.
Амплитудата на колебателната скорост характеризира максималната скорост, с която частиците на средата се движат по време на процеса на колебание, и се определя от честотата на колебанията и амплитудата на изместване на частиците на средата.
,Дифракция, интерференция
Когато ултразвуковите вълни се разпространяват, са възможни явления на дифракция, интерференция и отражение.
Дифракция (вълни, огъващи се около препятствия) възниква, когато дължината на ултразвуковата вълна е сравнима (или по-голяма) с размера на препятствието по пътя. Ако препятствието се съпостави с дължината акустична вълнае голям, тогава няма феномен на дифракция.
Когато няколко ултразвукови вълни се движат едновременно в среда, се получава суперпозиция (припокриване) на тези вълни във всяка конкретна точка в средата. Наслагването на вълни с еднаква честота една върху друга се нарича интерференция. Ако ултразвуковите вълни се пресичат, докато преминават през обект, тогава в определени точки на средата се наблюдава увеличаване или намаляване на вибрациите. В този случай състоянието на точката в средата, където възниква взаимодействието, зависи от съотношението на фазите на ултразвуковите вибрации в тази точка. Ако ултразвуковите вълни достигнат определена област от средата в същите фази (във фаза), тогава преместванията на частиците имат същите знаци и намесата при такива условия води до увеличаване на амплитудата на трептенията. Ако вълните пристигнат в точка от средата в противофаза, тогава изместването на частиците ще бъде в различни посоки, което води до намаляване на амплитудата на трептенията.
Абсорбция на ултразвукови вълни
Ако средата, в която се разпространява ултразвукът, има вискозитет и топлопроводимост или в нея има други процеси на вътрешно триене, тогава поглъщането на звука възниква, когато вълната се разпространява, т.е. когато се отдалечава от източника, амплитудата на ултразвуковите вибрации става по-малка, както и енергията, която носят. Средата, в която се разпространява ултразвукът, взаимодейства с преминаващата през нея енергия и поглъща част от нея. Преобладаващата част от погълнатата енергия се превръща в топлина, по-малката част предизвиква необратими структурни изменения в предаващото вещество. Абсорбцията е резултат от триенето на частиците една срещу друга, тя е различна в различните среди. Абсорбцията също зависи от честотата на ултразвуковите вибрации. Теоретично абсорбцията е пропорционална на квадрата на честотата.
Степента на абсорбция може да се характеризира с коефициента на абсорбция, който показва как се променя интензитетът на ултразвука в облъчената среда. Увеличава се с нарастваща честота. Интензитетът на ултразвуковите вибрации в средата намалява експоненциално. Този процес се дължи на вътрешното триене, топлопроводимостта на абсорбиращата среда и нейната структура. Грубо се характеризира с размера на полупоглъщащия слой, който показва на каква дълбочина интензитетът на вибрациите намалява наполовина (по-точно 2,718 пъти или с 63%). Според Pahlman, при честота от 0,8 MHz, средните стойности на полу-абсорбиращия слой за някои тъкани са както следва: мастна тъкан- 6,8 см; мускулест - 3,6 см; мастна и мускулна тъкан заедно - 4,9 см. С увеличаване на ултразвуковата честота размерът на полуабсорбиращия слой намалява. И така, при честота от 2,4 MHz, интензитетът на ултразвука, преминаващ през мастната и мускулна тъкан, намалява наполовина на дълбочина 1,5 cm.
Освен това е възможно ненормално поглъщане на енергията на ултразвуковите вибрации в някои честотни диапазони - това зависи от характеристиките на молекулярната структура на дадена тъкан. Известно е, че 2/3 от ултразвуковата енергия се отслабва на молекулярно ниво и 1/3 на ниво микроскопични тъканни структури.
Дълбочина на проникване на ултразвукови вълни
Дълбочината на проникване на ултразвук се отнася до дълбочината, при която интензитетът е намален наполовина. Тази стойност е обратно пропорционална на абсорбцията: колкото по-силно средата абсорбира ултразвук, толкова по-късо е разстоянието, на което ултразвуковият интензитет намалява наполовина.
Разсейване на ултразвукови вълни
Ако има нехомогенности в средата, тогава възниква разсейване на звука, което може значително да промени простия модел на разпространение на ултразвука и в крайна сметка също да доведе до отслабване на вълната в първоначалната посока на разпространение.
Пречупване на ултразвукови вълни
Тъй като акустичното съпротивление на човешките меки тъкани не се различава много от съпротивлението на водата, може да се предположи, че пречупването на ултразвуковите вълни ще се наблюдава на границата между медиите (епидермис - дерма - фасция - мускул).
Отражение на ултразвукови вълни
Въз основа на феномена на отражението ултразвукова диагностика. Отражението възниква в граничните зони на кожата и мазнините, мазнините и мускулите, мускулите и костите. Ако ултразвукът, докато се разпространява, срещне препятствие, тогава възниква отражение; ако препятствието е малко, тогава ултразвукът изглежда обтича около него. Хетерогенностите на тялото не причиняват значителни отклонения, тъй като в сравнение с дължината на вълната (2 mm) техните размери (0,1-0,2 mm) могат да бъдат пренебрегнати. Ако ултразвукът по пътя си срещне органи, чиито размери са по-големи от дължината на вълната, тогава възниква пречупване и отразяване на ултразвука. Най-силно отражение се наблюдава на границите кост - околна тъкан и тъкан - въздух. Въздухът има ниска плътност и се наблюдава почти пълно отразяване на ултразвука. Отражението на ултразвуковите вълни се наблюдава на границата мускул - надкостница - кост, на повърхността на кухите органи.
Пътуващи и стоящи ултразвукови вълни
Ако, когато ултразвуковите вълни се разпространяват в среда, те не се отразяват, се образуват пътуващи вълни. В резултат на загубите на енергия осцилаторните движения на частиците на средата постепенно отслабват и колкото по-далеч са разположени частиците от излъчващата повърхност, толкова по-малка е амплитудата на техните трептения. Ако по пътя на разпространение на ултразвукови вълни има тъкани с различни специфични акустични съпротивления, тогава в една или друга степен ултразвуковите вълни се отразяват от граничната повърхност. Суперпозицията на падащи и отразени ултразвукови вълни може да доведе до стоящи вълни. За да възникнат стоящи вълни, разстоянието от повърхността на емитера до отразяващата повърхност трябва да бъде кратно на половината от дължината на вълната.
Инфразвук
Генерираният в морето инфразвук се нарича един от възможни причиниоткриване на кораби, изоставени от екипажа
Експерименти и демонстрации
Тромпетът на Рубенс се използва за демонстриране на стоящи звукови вълни.
Разликата в скоростта на разпространение на звука е ясна: когато вдишат хелий вместо въздух и кажат нещо, докато издишват с него, гласът става по-висок. Ако газът е серен хексафлуорид SF 6, тогава гласът звучи по-ниско. Това се дължи на факта, че газовете са приблизително еднакво добре компресирани, следователно в хелия, който има много ниска плътност в сравнение с въздуха, скоростта на звука се увеличава и намалява в серен хексафлуорид, който има много висока плътност за газове, докато размерите на човешкия орален резонатор остават непроменени, в резултат на това резонансната честота се променя, тъй като колкото по-висока е скоростта на звука, толкова по-висока е резонансната честота, като другите условия остават непроменени.
Скоростта на звука във вода може да бъде получена визуално в експеримента за дифракция на светлината от ултразвук във вода. Във водата, в сравнение с въздуха, скоростта на звука е по-висока, тъй като дори и при значително повече висока плътноствода (което би трябвало да доведе до спад в скоростта на звука), водата е толкова слабо компресируема, че в резултат на това скоростта на звука в нея все още е няколко пъти по-висока.
Бележки
Литература
- // Енциклопедичен речник на Брокхаус и Ефрон: В 86 тома (82 тома и 4 допълнителни). - Санкт Петербург. , 1890-1907.
- Радзишевски Александър Юриевич.Основи на аналоговото и цифровото аудио. - М.: Уилямс, 2006. - С. 288. -