18. februar 2016

Hjemmeunderholdningsverdenen er ganske variert og kan omfatte: se filmer på et godt hjemmekinoanlegg; spennende og spennende spilling eller lytte til musikk. Som regel finner alle noe eget i dette området, eller kombinerer alt på en gang. Men uansett hva en persons mål for å organisere fritiden sin og hvilken ekstreme de går til, er alle disse koblingene fast forbundet med en enkel og med et klart ord- "lyd". Faktisk, i alle de ovennevnte tilfellene, vil vi bli ledet av hånden av lyd. Men dette spørsmålet er ikke så enkelt og trivielt, spesielt i tilfeller der det er et ønske om å oppnå høykvalitetslyd i et rom eller andre forhold. For å gjøre dette er det ikke alltid nødvendig å kjøpe dyre hi-fi- eller hi-end-komponenter (selv om det vil være veldig nyttig), men god kunnskap er tilstrekkelig fysisk teori, som kan eliminere de fleste problemene som oppstår for alle som ønsker å oppnå stemmeskuespill av høy kvalitet.

Deretter vil teorien om lyd og akustikk vurderes fra et fysikksynspunkt. I i dette tilfellet Jeg vil prøve å gjøre dette så tilgjengelig som mulig for forståelsen til enhver person som kanskje er langt fra å kunne fysiske lover eller formler, men likevel lidenskapelig drømmer om å realisere drømmen om å skape et perfekt akustisk system. Jeg antar ikke å si at for å oppnå gode resultater på dette området hjemme (eller i en bil, for eksempel), må du kjenne disse teoriene grundig, men å forstå det grunnleggende vil tillate deg å unngå mange dumme og absurde feil , og vil også tillate deg å oppnå maksimal lydeffekt fra systemet uansett nivå.

Generell teori om lyd og musikalsk terminologi

Hva er det lyd? Dette er følelsen som hørselsorganet oppfatter "øre"(selve fenomenet eksisterer uten "ørets" deltagelse i prosessen, men dette er lettere å forstå), som oppstår under spenning trommehinnen lydbølge. Øret i dette tilfellet fungerer som en "mottaker" av lydbølger forskjellige frekvenser.
Lydbølge det er i hovedsak en sekvensiell serie av komprimeringer og utslipp av mediet (oftest luftmediet under normale forhold) med forskjellige frekvenser. Naturen til lydbølger er oscillerende, forårsaket og produsert av vibrasjoner fra enhver kropp. Fremveksten og forplantningen av en klassisk lydbølge er mulig i tre elastiske medier: gassformig, flytende og fast. Når en lydbølge oppstår i en av disse typer rom, skjer det uunngåelig noen endringer i selve mediet, for eksempel en endring i lufttetthet eller trykk, bevegelse av luftmassepartikler, etc.

Siden en lydbølge har en oscillerende natur, har den en slik karakteristikk som frekvens. Frekvens målt i hertz (til ære for den tyske fysikeren Heinrich Rudolf Hertz), og angir antall svingninger over en tidsperiode lik ett sekund. De. for eksempel indikerer en frekvens på 20 Hz en syklus på 20 svingninger på ett sekund. Det subjektive konseptet om høyden avhenger også av lydens frekvens. Jo flere lydvibrasjoner som oppstår per sekund, jo høyere vises lyden. En lydbølge har også en annen viktig egenskap, som har et navn - bølgelengde. Bølgelengde Det er vanlig å vurdere avstanden som en lyd av en viss frekvens reiser i en periode lik ett sekund. For eksempel er bølgelengden til den laveste lyden i det menneskelige hørbare området ved 20 Hz 16,5 meter, og bølgelengden til den høyeste lyden ved 20 000 Hz er 1,7 centimeter.

Det menneskelige øret er utformet på en slik måte at det bare er i stand til å oppfatte bølger i et begrenset område, omtrent 20 Hz - 20 000 Hz (avhengig av egenskapene til en bestemt person, noen er i stand til å høre litt mer, noen mindre) . Dermed betyr ikke dette at lyder under eller over disse frekvensene ikke eksisterer, de blir rett og slett ikke oppfattet av det menneskelige øret, og går utover det hørbare området. Lyd over det hørbare området kalles ultralyd, kalles lyd under det hørbare området infralyd. Noen dyr er i stand til å oppfatte ultra- og infralyder, noen bruker til og med dette området for orientering i verdensrommet (flaggermus, delfiner). Hvis lyd passerer gjennom et medium som ikke er i direkte kontakt med det menneskelige høreorganet, kan det hende at slik lyd ikke blir hørt eller kan bli sterkt svekket senere.

I musikalsk terminologi lyd det er så viktige betegnelser som oktav, tone og overtone av lyd. Oktav betyr et intervall der frekvensforholdet mellom lydene er 1 til 2. En oktav er vanligvis svært forskjellig på gehør, mens lyder innenfor dette intervallet kan være svært like hverandre. En oktav kan også kalles en lyd som vibrerer dobbelt så mye som en annen lyd i samme tidsrom. For eksempel er frekvensen på 800 Hz ikke mer enn en høyere oktav på 400 Hz, og frekvensen på 400 Hz er igjen den neste oktav av lyd med en frekvens på 200 Hz. Oktaven består på sin side av toner og overtoner. Variable vibrasjoner i en harmonisk lydbølge med samme frekvens oppfattes av det menneskelige øre som musikalsk tone. Høyfrekvente vibrasjoner kan tolkes som høye lyder, mens lavfrekvente vibrasjoner kan tolkes som lavfrekvente lyder. Det menneskelige øret er i stand til tydelig å skille lyder med en forskjell på én tone (i området opptil 4000 Hz). Til tross for dette bruker musikk et ekstremt lite antall toner. Dette er forklart fra betraktninger av prinsippet om harmonisk konsonans; alt er basert på prinsippet om oktaver.

La oss vurdere teorien om musikalske toner ved å bruke eksemplet med en streng strukket på en bestemt måte. En slik streng, avhengig av strekkkraften, vil bli "innstilt" til en bestemt frekvens. Når denne strengen utsettes for noe med én spesifikk kraft, som får den til å vibrere, vil en spesifikk tone av lyd bli observert konsekvent, og vi vil høre ønsket tuning frekvens. Denne lyden kalles grunntonen. Frekvensen til tonen "A" i den første oktaven er offisielt akseptert som grunntonen i det musikalske feltet, lik 440 Hz. Imidlertid gjengir de fleste musikkinstrumenter aldri rene grunntoner alene; de ​​er uunngåelig akkompagnert av overtoner kalt overtoner. Det er på sin plass å huske her viktig definisjon musikalsk akustikk, konseptet klangfarge. Timbre- dette er en egenskap ved musikalske lyder som gir musikkinstrumenter og stemmer deres unike, gjenkjennelige spesifisitet av lyd, selv når man sammenligner lyder med samme tonehøyde og volum. Klangen til hvert musikkinstrument avhenger av fordelingen av lydenergi mellom overtoner i det øyeblikket lyden vises.

Overtoner danner en spesifikk farging av grunntonen, som vi lett kan identifisere og gjenkjenne et spesifikt instrument, samt tydelig skille lyden fra et annet instrument. Det er to typer overtoner: harmoniske og ikke-harmoniske. Harmoniske overtoner per definisjon er multipler av grunnfrekvensen. Tvert imot, hvis overtonene ikke er multipler og merkbart avviker fra verdiene, kalles de ikke-harmonisk. I musikk er det praktisk talt utelukket å operere med flere overtoner, så begrepet er redusert til begrepet "overtone", som betyr harmonisk. For noen instrumenter, som pianoet, rekker ikke grunntonen engang å dannes, i løpet av kort tid øker lydenergien til overtonene, og avtar deretter like raskt. Mange instrumenter skaper det som kalles en "overgangstone"-effekt, der energien til visse overtoner er høyest på et bestemt tidspunkt, vanligvis helt i begynnelsen, men så endres brått og går videre til andre overtoner. Frekvensområdet til hvert instrument kan vurderes separat og er vanligvis begrenset til de grunnleggende frekvensene som det aktuelle instrumentet er i stand til å produsere.

I lydteori er det også et slikt konsept som NOISE. Bråk- dette er enhver lyd som er skapt av en kombinasjon av kilder som er inkonsistente med hverandre. Alle er kjent med lyden av treblader som svaier av vinden osv.

Hva bestemmer lydvolumet?Åpenbart avhenger et slikt fenomen direkte av mengden energi som overføres av lydbølgen. For å bestemme kvantitative indikatorer for lydstyrke, er det et konsept - lydintensitet. Lydintensitet er definert som strømmen av energi som passerer gjennom et område i rommet (for eksempel cm2) per tidsenhet (for eksempel per sekund). Under normal samtale er intensiteten omtrent 9 eller 10 W/cm2. Det menneskelige øret er i stand til å oppfatte lyder over et ganske bredt følsomhetsområde, mens følsomheten til frekvenser er heterogen innenfor lydspekteret. På denne måten oppfattes frekvensområdet 1000 Hz - 4000 Hz, som mest dekker menneskelig tale, best.

Fordi lyder varierer så mye i intensitet, er det mer praktisk å tenke på det som en logaritmisk størrelse og måle det i desibel (etter den skotske forskeren Alexander Graham Bell). Den nedre terskelen for hørselsfølsomhet for det menneskelige øret er 0 dB, den øvre er 120 dB, også kalt "smerteterskelen". Øvre grense Sensitivitet oppfattes heller ikke av det menneskelige øret på samme måte, men avhenger av en bestemt frekvens. Lavfrekvente lyder må ha mye større intensitet enn høyfrekvente lyder for å trigge smerteterskelen. For eksempel oppstår smerteterskelen ved en lav frekvens på 31,5 Hz ved et lydintensitetsnivå på 135 dB, når smertefølelsen ved en frekvens på 2000 Hz vil vises ved 112 dB. Det er også begrepet lydtrykk, som faktisk utvider den vanlige forklaringen på forplantningen av en lydbølge i luften. Lydtrykk- dette er et variabelt overtrykk som oppstår i et elastisk medium som følge av at en lydbølge passerer gjennom det.

Bølge natur av lyd

For bedre å forstå systemet for lydbølgegenerering, se for deg en klassisk høyttaler plassert i et rør fylt med luft. Hvis høyttaleren gjør en skarp bevegelse fremover, blir luften i umiddelbar nærhet av diffusoren et øyeblikk komprimert. Luften vil da utvide seg, og derved skyve trykkluftområdet langs røret.
Denne bølgebevegelsen vil senere bli lyd når den når hørselsorgan og "begeistrer" trommehinnen. Når en lydbølge oppstår i en gass, dannes overtrykk og overskytende tetthet og partikler beveger seg med konstant hastighet. Om lydbølger er det viktig å huske på at stoffet ikke beveger seg sammen med lydbølgen, men det oppstår bare en midlertidig forstyrrelse av luftmassene.

Hvis vi ser for oss et stempel hengt i ledig plass på en fjær og gjør gjentatte bevegelser "frem og tilbake", vil slike svingninger bli kalt harmoniske eller sinusformete (hvis vi forestiller oss bølgen som en graf, vil vi i dette tilfellet få en ren sinusoid med gjentatte fall og stigninger). Hvis vi ser for oss en høyttaler i et rør (som i eksemplet beskrevet ovenfor) som utfører harmoniske svingninger, vil i øyeblikket høyttaleren beveger seg "fremover" oppnås den allerede kjente effekten av luftkomprimering, og når høyttaleren beveger seg "bakover" omvendt effekt utflod. I dette tilfellet vil en bølge av vekslende kompresjon og sjeldneri forplante seg gjennom røret. Avstanden langs røret mellom tilstøtende maksima eller minima (faser) vil bli kalt bølgelengde. Hvis partiklene svinger parallelt med bølgens utbredelsesretning, kalles bølgen langsgående. Hvis de svinger vinkelrett på forplantningsretningen, kalles bølgen tverrgående. Vanligvis er lydbølger i gasser og væsker langsgående, men i faste stoffer kan det forekomme bølger av begge typer. Tverrbølger i faste stoffer oppstår på grunn av motstand mot endring i form. Hovedforskjellen mellom disse to bølgetypene er at en tverrbølge har egenskapen til polarisering (svingninger forekommer i et visst plan), mens en langsgående bølge ikke har det.

Lydhastighet

Lydens hastighet avhenger direkte av egenskapene til mediet den forplanter seg i. Det bestemmes (avhengig) av to egenskaper til mediet: elastisitet og tetthet av materialet. Lydhastigheten i faste stoffer avhenger direkte av typen materiale og dets egenskaper. Hastigheten i gassformige medier avhenger av bare én type deformasjon av mediet: kompresjon-sjeldenhet. Endringen i trykk i en lydbølge skjer uten varmeveksling med omgivende partikler og kalles adiabatisk.
Lydhastigheten i en gass avhenger hovedsakelig av temperatur - den øker med økende temperatur og avtar med synkende temperatur. Lydhastigheten i et gassformig medium avhenger også av størrelsen og massen til selve gassmolekylene - jo mindre massen og størrelsen på partiklene er, desto større er "ledningsevnen" til bølgen og følgelig jo større hastighet.

I flytende og faste medier er prinsippet om forplantning og lydhastighet lik hvordan en bølge forplanter seg i luft: ved kompresjonsutladning. Men i disse miljøene, i tillegg til den samme avhengigheten av temperatur, er tettheten til mediet og dets sammensetning/struktur ganske viktig. Jo lavere tetthet stoffet har, jo høyere er lydhastigheten og omvendt. Avhengigheten av sammensetningen av mediet er mer kompleks og bestemmes i hvert enkelt tilfelle, under hensyntagen til plasseringen og interaksjonen mellom molekyler/atomer.

Lydhastighet i luft ved t, °C 20: 343 m/s
Lydhastighet i destillert vann ved t, °C 20: 1481 m/s
Lydhastighet i stål ved t, °C 20: 5000 m/s

Stående bølger og forstyrrelser

Når en høyttaler lager lydbølger i et begrenset rom, oppstår uunngåelig effekten av at bølger reflekteres fra grensene. Som et resultat skjer dette oftest interferenseffekt- når to eller flere lydbølger overlapper hverandre. Spesielle tilfeller interferensfenomener er dannelsen av: 1) Bankende bølger eller 2) Stående bølger. Bølgeslag- dette er tilfellet når tillegg av bølger med lignende frekvenser og amplituder forekommer. Bildet av forekomsten av slag: når to bølger med lignende frekvenser overlapper hverandre. På et tidspunkt, med en slik overlapping, kan amplitudetoppene falle sammen "i fase", og nedgangene kan også falle sammen i "motfase". Slik karakteriseres lydbeats. Det er viktig å huske at, i motsetning til stående bølger, forekommer ikke fasesammenfall av topper konstant, men med bestemte tidsintervaller. For øret skilles dette mønsteret av beats ganske tydelig ut, og høres som henholdsvis en periodisk økning og reduksjon i volum. Mekanismen for denne effekten er ekstremt enkel: når toppene faller sammen, øker volumet, og når dalene faller sammen, synker volumet.

Stående bølger oppstår i tilfelle av superposisjon av to bølger med samme amplitude, fase og frekvens, når når slike bølger "møtes" en beveger seg i foroverretningen og den andre i motsatt retning. I romområdet (hvor den stående bølgen ble dannet), vises et bilde av superposisjonen av to frekvensamplituder, med alternerende maksima (de såkalte antinodene) og minima (de såkalte nodene). Når dette fenomenet oppstår, er frekvensen, fasen og dempningskoeffisienten til bølgen på refleksjonsstedet ekstremt viktig. I motsetning til vandrende bølger, er det ingen energioverføring i en stående bølge på grunn av at forover- og bakoverbølgene som danner denne bølgen overfører energi i like store mengder i både forover og motsatte retninger. For å tydelig forstå forekomsten av en stående bølge, la oss forestille oss et eksempel fra hjemmeakustikk. La oss si at vi har gulvstående høyttalersystemer i et begrenset rom (rom). Få dem til å spille en sang med stort beløp bass, la oss prøve å endre plasseringen til lytteren i rommet. En lytter som befinner seg i sonen med minimum (subtraksjon) av en stående bølge vil føle effekten av at det er veldig lite bass, og hvis lytteren befinner seg i en sone med maksimum (tillegg) av frekvenser, så er det motsatte effekten av en betydelig økning i bassområdet oppnås. I dette tilfellet observeres effekten i alle oktaver av basisfrekvensen. For eksempel, hvis basisfrekvensen er 440 Hz, vil fenomenet "addisjon" eller "subtraksjon" også bli observert ved frekvenser på 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz, etc.

Resonansfenomen

De fleste faste stoffer har en naturlig resonansfrekvens. Det er ganske enkelt å forstå denne effekten ved å bruke eksemplet med et vanlig rør, åpent i bare den ene enden. La oss forestille oss en situasjon der en høyttaler er koblet til den andre enden av røret, som kan spille en konstant frekvens, som også kan endres senere. Så, røret har sin egen resonansfrekvens, enkelt sagt - dette er frekvensen der røret "resonerer" eller lager sin egen lyd. Hvis frekvensen til høyttaleren (som et resultat av justering) faller sammen med resonansfrekvensen til røret, vil effekten av å øke volumet flere ganger oppstå. Dette skjer fordi høyttaleren eksiterer vibrasjoner av luftsøylen i røret med en betydelig amplitude inntil samme "resonansfrekvens" er funnet og tilleggseffekten oppstår. Det resulterende fenomenet kan beskrives som følger: røret i dette eksemplet "hjelper" høyttaleren ved å resonere ved en spesifikk frekvens, deres innsats summerer seg og "resulterer" i en hørbar høy effekt. Ved å bruke eksemplet med musikkinstrumenter, kan dette fenomenet lett sees, siden utformingen av de fleste instrumenter inneholder elementer som kalles resonatorer. Det er ikke vanskelig å gjette hva som tjener formålet med å forsterke en viss frekvens eller musikalsk tone. For eksempel: en gitarkropp med en resonator i form av et hull som passer med volumet; Utformingen av fløyterøret (og alle rør generelt); Den sylindriske formen på trommelkroppen, som i seg selv er en resonator med en viss frekvens.

Frekvensspekter av lyd og frekvensrespons

Siden det i praksis praktisk talt ikke er noen bølger med samme frekvens, blir det nødvendig å dekomponere hele lydspekteret til det hørbare området til overtoner eller harmoniske. For disse formålene er det grafer som viser avhengigheten av den relative energien til lydvibrasjoner av frekvens. Denne grafen kalles en lydfrekvensspektrumgraf. Frekvensspekter av lyd Det er to typer: diskret og kontinuerlig. Et diskret spektrumplott viser individuelle frekvenser atskilt med tomme mellomrom. Det kontinuerlige spekteret inneholder alle lydfrekvenser samtidig.
Når det gjelder musikk eller akustikk, brukes oftest vanlig graf Amplitude-frekvenskarakteristikk(forkortet som "AFC"). Denne grafen viser avhengigheten av amplituden til lydvibrasjoner av frekvens gjennom hele frekvensspekteret (20 Hz - 20 kHz). Ser man på en slik graf er det lett å forstå, for eksempel sterk eller svake sider en spesifikk høyttaler eller et akustisk system som helhet, de sterkeste områdene av energiutgang, frekvensfall og -stigninger, demping, og spore også brattheten til nedgangen.

Forplantning av lydbølger, fase og motfase

Prosessen med forplantning av lydbølger skjer i alle retninger fra kilden. Det enkleste eksemplet for å forstå dette fenomenet er en rullestein kastet i vann.
Fra stedet hvor steinen falt, begynner bølger å spre seg over vannoverflaten i alle retninger. La oss imidlertid forestille oss en situasjon med en høyttaler i et visst volum, si en lukket boks, som er koblet til en forsterker og spiller et slags musikalsk signal. Det er lett å legge merke til (spesielt hvis du bruker et kraftig lavfrekvent signal, for eksempel en basstromme) at høyttaleren gjør en rask bevegelse "forover", og deretter den samme raske bevegelsen "bakover". Det som gjenstår å forstå er at når høyttaleren beveger seg fremover, sender den ut en lydbølge som vi hører senere. Men hva skjer når høyttaleren beveger seg bakover? Og paradoksalt nok skjer det samme, høyttaleren lager den samme lyden, bare i vårt eksempel forplanter den seg helt innenfor volumet til boksen, uten å gå utover grensene (boksen er lukket). Generelt kan man i eksemplet ovenfor observere ganske mange interessante fysiske fenomener, hvorav det viktigste er konseptet fase.

Lydbølgen som høyttaleren, som er i volumet, sender ut i retning av lytteren er "i fase". Den omvendte bølgen, som går inn i volumet av boksen, vil være tilsvarende motfase. Det gjenstår bare å forstå hva disse begrepene betyr? Signalfase– dette er lydtrykknivået på det aktuelle tidspunktet på et tidspunkt i rommet. Den enkleste måten å forstå fasen på er ved å bruke eksemplet med reproduksjon av musikkmateriale av et konvensjonelt gulvstående stereopar med hjemmehøyttalersystemer. La oss forestille oss at to slike gulvhøyttalere er installert i et bestemt rom og leker. I dette tilfellet gjengir begge akustiske systemene et synkront signal med variabelt lydtrykk, og lydtrykket til en høyttaler legges til lydtrykket til den andre høyttaleren. En lignende effekt oppstår på grunn av synkronisiteten til signalgjengivelse fra henholdsvis venstre og høyre høyttaler, med andre ord faller toppene og bunnene til bølgene som sendes ut av venstre og høyre høyttaler sammen.

La oss nå forestille oss at lydtrykket fortsatt endres på samme måte (ikke har gjennomgått endringer), men først nå er de motsatte av hverandre. Dette kan skje hvis du kobler ett høyttalersystem av to i motsatt polaritet ("+"-kabelen fra forsterkeren til "-"-terminalen på høyttalersystemet, og "-"-kabelen fra forsterkeren til "+"-terminalen på høyttalersystem). I dette tilfellet vil det motsatte signalet forårsake en trykkforskjell, som kan representeres i tall som følger: venstre høyttaler vil skape et trykk på "1 Pa", og høyre høyttaler vil skape et trykk på "minus 1 Pa". Som et resultat vil det totale lydvolumet på lytterens plassering være null. Dette fenomenet kalles antifase. Hvis vi ser på eksemplet mer detaljert for å forstå, viser det seg at to høyttalere som spiller "i fase" skaper identiske områder med luftkomprimering og sjeldnere, og dermed faktisk hjelper hverandre. I tilfelle av en idealisert motfase, vil området med komprimert luftrom skapt av en høyttaler bli ledsaget av et område med sjeldne luftrom skapt av den andre høyttaleren. Dette ser omtrent ut som fenomenet med gjensidig synkron kansellering av bølger. Riktignok synker ikke volumet i praksis til null, og vi vil høre en svært forvrengt og svekket lyd.

Den mest tilgjengelige måten å beskrive dette fenomenet på er som følger: to signaler med samme oscillasjoner (frekvens), men forskjøvet i tid. I lys av dette er det mer praktisk å forestille seg disse forskyvningsfenomenene ved å bruke eksemplet med en vanlig rund klokke. La oss tenke oss at det henger flere like runde klokker på veggen. Når sekundviserne på denne klokken går synkront, på den ene klokken 30 sekunder og på den andre 30, så er dette et eksempel på et signal som er i fase. Hvis sekundviserne beveger seg med et skift, men hastigheten fortsatt er den samme, for eksempel på en klokke er den 30 sekunder, og på en annen er den 24 sekunder, så er dette et klassisk eksempel på faseskift. På samme måte måles fase i grader, innenfor en virtuell sirkel. I dette tilfellet, når signalene forskyves i forhold til hverandre med 180 grader (en halv periode), oppnås klassisk antifase. Ofte i praksis oppstår mindre faseskift, som også kan bestemmes i grader og med hell elimineres.

Bølger er plane og sfæriske. En plan bølgefront forplanter seg i bare én retning og treffes sjelden i praksis. En sfærisk bølgefront er en enkel type bølge som kommer fra et enkelt punkt og beveger seg i alle retninger. Lydbølger har eiendommen diffraksjon, dvs. evne til å gå rundt hindringer og gjenstander. Graden av bøyning avhenger av forholdet mellom lydbølgelengden og størrelsen på hindringen eller hullet. Diffraksjon oppstår også når det er en hindring i lydens vei. I dette tilfellet er to scenarier mulig: 1) Hvis størrelsen på hindringen er mye større enn bølgelengden, blir lyden reflektert eller absorbert (avhengig av absorpsjonsgraden til materialet, tykkelsen på hindringen, etc.). ), og en "akustisk skygge"-sone dannes bak hindringen. . 2) Hvis størrelsen på hindringen er sammenlignbar med bølgelengden eller enda mindre enn den, så diffrakterer lyden til en viss grad i alle retninger. Hvis en lydbølge, mens den beveger seg i ett medium, treffer grensesnittet med et annet medium (for eksempel et luftmedium med et fast medium), kan tre scenarier oppstå: 1) bølgen vil bli reflektert fra grensesnittet 2) bølgen kan passere inn i et annet medium uten å endre retning 3) en bølge kan passere inn i et annet medium med en retningsendring ved grensen, dette kalles "bølgebrytning".

Forholdet mellom overtrykket av lydbølgen og den vibrerende volumetrisk hastighet kalt bølgeimpedans. Med enkle ord, bølgeimpedansen til mediet kan kalles evnen til å absorbere lydbølger eller "motstå" dem. Refleksjons- og overføringskoeffisientene avhenger direkte av forholdet mellom bølgeimpedansene til de to mediene. Bølgemotstanden i et gassformig medium er mye lavere enn i vann eller faste stoffer. Derfor, hvis en lydbølge i luft treffer en fast gjenstand eller overflaten av dypt vann, blir lyden enten reflektert fra overflaten eller absorbert i stor grad. Dette avhenger av tykkelsen på overflaten (vann eller faststoff) som den ønskede lydbølgen faller på. Når tykkelsen på et fast eller flytende medium er lav, "passerer" lydbølgene nesten fullstendig, og omvendt, når tykkelsen på mediet er stor, reflekteres bølgene oftere. Når det gjelder refleksjon av lydbølger, skjer denne prosessen i henhold til en velkjent fysisk lov: "Innfallsvinkelen er lik refleksjonsvinkelen." I dette tilfellet, når en bølge fra et medium med lavere tetthet treffer grensen til et medium med høyere tetthet, oppstår fenomenet brytning. Den består i bøying (brytning) av en lydbølge etter å ha "møte" en hindring, og er nødvendigvis ledsaget av en endring i hastighet. Refraksjon avhenger også av temperaturen på mediet der refleksjon oppstår.

I prosessen med forplantning av lydbølger i rommet, reduseres deres intensitet uunngåelig; vi kan si at bølgene demper og lyden svekkes. I praksis er det ganske enkelt å møte en lignende effekt: for eksempel hvis to personer står i et felt på en kort avstand (en meter eller nærmere) og begynner å si noe til hverandre. Hvis du deretter øker avstanden mellom mennesker (hvis de begynner å bevege seg bort fra hverandre), vil det samme nivået av samtalevolum bli mindre og mindre hørbart. Dette eksemplet demonstrerer klart fenomenet med en reduksjon i intensiteten til lydbølger. Hvorfor skjer dette? Grunnen til dette ulike prosesser varmeoverføring, molekylær interaksjon og intern friksjon av lydbølger. Oftest blir lydenergi i praksis omdannet til termisk energi. Slike prosesser oppstår uunngåelig i hvilket som helst av de 3 lydformidlingsmediene og kan karakteriseres som absorpsjon av lydbølger.

Intensiteten og graden av absorpsjon av lydbølger avhenger av mange faktorer, som trykk og temperatur på mediet. Absorpsjon avhenger også av den spesifikke lydfrekvensen. Når en lydbølge forplanter seg gjennom væsker eller gasser, oppstår det en friksjonseffekt mellom ulike partikler, som kalles viskositet. Som et resultat av denne friksjonen på molekylært nivå, oppstår prosessen med å konvertere en bølge fra lyd til varme. Med andre ord, jo høyere termisk ledningsevne til mediet, desto lavere grad av bølgeabsorpsjon. Lydabsorpsjon i gassformige medier avhenger også av trykk (atmosfærisk trykk endres med økende høyde i forhold til havnivå). Når det gjelder avhengigheten av absorpsjonsgraden av lydfrekvensen, med tanke på de ovennevnte avhengighetene av viskositet og termisk ledningsevne, jo høyere lydfrekvens, jo høyere lydabsorpsjon. For eksempel når normal temperatur og trykk, i luft er absorpsjonen av en bølge med en frekvens på 5000 Hz 3 dB/km, og absorpsjonen av en bølge med en frekvens på 50.000 Hz vil være 300 dB/m.

I faste medier er alle de ovennevnte avhengighetene (termisk ledningsevne og viskositet) bevart, men flere betingelser er lagt til dette. De er assosiert med den molekylære strukturen til faste materialer, som kan være forskjellige, med sine egne inhomogeniteter. Avhengig av denne interne solide molekylstrukturen, kan absorpsjonen av lydbølger i dette tilfellet være forskjellig, og avhenger av typen spesifikt materiale. Når lyd passerer gjennom et fast legeme, gjennomgår bølgen en rekke transformasjoner og forvrengninger, som oftest fører til spredning og absorpsjon av lydenergi. På molekylært nivå kan en dislokasjonseffekt oppstå når en lydbølge forårsaker en forskyvning av atomplan, som deretter går tilbake til sin opprinnelige posisjon. Eller bevegelsen av dislokasjoner fører til en kollisjon med dislokasjoner vinkelrett på dem eller defekter i krystallstrukturen, noe som forårsaker deres inhibering og, som en konsekvens, en viss absorpsjon av lydbølgen. Imidlertid kan lydbølgen også resonere med disse defektene, noe som vil føre til forvrengning av den opprinnelige bølgen. Energien til en lydbølge i øyeblikket av interaksjon med elementer molekylær struktur materialet forsvinner som følge av interne friksjonsprosesser.

I denne artikkelen vil jeg prøve å analysere egenskapene til menneskelig auditiv persepsjon og noen av subtilitetene og funksjonene ved lydutbredelse.

La oss først se i ordboken og slå opp definisjonene av disse ordene.

Lyd- alt som øret hører, som når øret. Eller mer omfattende, det som høres oppfattes av øret: et fysisk fenomen forårsaket av oscillerende bevegelser av luftpartikler eller et annet medium. Lyd, i vid forstand, er den oscillerende bevegelsen av partikler av et elastisk medium, som forplanter seg i form av bølger i gassformige, flytende eller faste medier.

Bråk- Dette er lyder slått sammen til en uenig (vanligvis høy) lyd. Eller, mer detaljert, tilfeldige svingninger av forskjellige fysiske arter, preget av kompleksiteten til deres tidsmessige og spektrale struktur.

Vibrasjon— mekaniske vibrasjoner av en elastisk kropp; skjelvende. Ordet kommer fra det latinske " Vibrasjon- nøling, skjelvende.

Studiet av lyder er en vitenskap kalt AKUSTIKK. Akustikk er et av områdene innen fysikk (mekanikk) som studerer elastiske vibrasjoner og bølger fra de laveste (konvensjonelt fra 0 Hz) til høye frekvenser.

Det menneskelige øret oppfatter et visst spekter av vibrasjoner - vanligvis fra 16 før 20 000 vibrasjoner per sekund. En svingning per sekund kalles Hertz og er forkortet Hz. Oscillasjoner av høyere frekvenser kalles ultralyd, mens vibrasjoner av lavere frekvenser kalles infralyd.

Lydegenskaper:
bølgelengde (periode, T) og amplitude (A)

Siden lyd er en bølge, er den preget av to hovedstørrelser: bølgelengde (oscillasjonsperiode) og amplitude. Amplitude er den maksimale verdien av forskyvning eller endring av en variabel fra gjennomsnittsverdien under oscillerende eller bølgebevegelse. Periodens gjensidighet kalles frekvens (Hz). Selve lyden er også preget av forplantningshastigheten, som avhenger av mediet som den elastiske vibrasjonen forplanter seg i. For eksempel:

lydhastighet i luft = 331 m/s(ved en temperatur på 0 °C og et trykk på 101325 Pa);

lydhastighet i rent vann = 1.348 m/s;

lydhastighet i saltvann = 1.532,3 m/s(ved en temperatur på 24°C, saltholdighet på 35 ppm og null dybde).

Forholdet mellom lydhørbarhet og trykk,
frekvens og volum

Som vi allerede har sagt, kan en person ideelt sett oppfatte lyd med en frekvens fra 16 til 20 000 Hz. Frekvensen av lyden i seg selv gir oss imidlertid ikke mulighet til å vurdere hvor trygt det er for mennesker. Frekvensen til en lyd indikerer den teoretiske muligheten for å høre en slik lyd, men om vi praktisk talt hører den eller ikke avhenger av amplituden. Amplitudens logaritme måles i desibel (dB). En desibel er en relativ verdi som indikerer hvor mye volumet til en lyd har økt eller redusert.

Lydstyrke er den tilsynelatende intensiteten til lyd, målt i desibel. Avhengigheten av lydstyrke på lydtrykknivå (og lydintensitet) er en rent ikke-lineær kurve; den har en logaritmisk karakter. Når lydtrykknivået øker med 10 dB, vil lydvolumet øke med 2 ganger.

Hvilke volumnivåer møter du og jeg i livene våre?

Lyd	Volum, dB
Stillhet (spesielt kamera)
Stille hvisking, tikkende armbåndsur
Raslingen av løv, tikken av en klokke, normen for boliglokaler
Landlig område vekk fra veier, bibliotek
Rolig boligområde, park, rolig samtale
Middels volum samtale, stille gate, stille kontor
Normal samtale på 1m, normen for kontorer
Tungtrafikkgate, telefon
Høy vekkerklokke, lastebil eller motorsykkelstøy
Høyt skrik, jackhammer, godsvogn i en avstand på 7m
T-banetog, hårføner, smedbutikk, veldig bråkete fabrikk
Rockemusikk, skrik av et barn, helikopter, traktor på 1 meters avstand
Smerteterskel, nære bulder av torden, vuvuzela i en avstand på 1 m
Indre øreskade, maksimalt volum på en rockekonsert
Kontusjon, skader, mulig brudd på trommehinnen
Sjokk, traumer, sprukket trommehinne
Mulig lungeruptur, mulig død
Maks. trykk fra luftsjokkbølgen under eksplosjonen av trinitrotoluen
Maksimalt luftsjokkbølgetrykk under en atomeksplosjon
Trykk i en atomladning i øyeblikket av en atomeksplosjon

Støy i våre boliger (oppholdsarealer) kan oppstå av forskjellige årsaker. Avhengig av støykilden er de delt inn i støt, luftbåren, strukturell og akustisk.

Typer støy (lyder):

Støtstøy oppstår når strukturen til et rom får et slag og de resulterende vibrasjonene overføres til vegger eller tak. Støtstøy oppstår når du treffer gulvet tunge gjenstander, flytte møbler, lyden av fottrinn, banking i veggen. Lydvibrasjoner kan bevege seg ganske langt langs strukturer, fordi de overføres til alle tilstøtende vegger, tak og gulv.

Luftbåren støy sprer seg gjennom luften, men vegger og tak absorberer ikke luftlydvibrasjoner godt nok. Evnen til å absorbere lyder fra vegger og tak avhenger av materialet de er laget av. Jo mer massive skilleveggene er, desto større lydisoleringseffekt har de. I innendørsmiljøer kommer luftbåren støy oftest fra høye stemmer, høy musikk, hunder bjeffer.

Strukturbåren støy oppstår når vibrasjoner overføres av rør, ventilasjonssjakter og andre kommunikasjonselementer. Noen kommunikasjonselementer kan overføre lyder over lange avstander. Det er kjent at banking på radiatorer kan høres av mange naboer.

Akustisk støy forekommer oftest i umøblerte rom og manifesterer seg i form av et ekko.

Som et resultat av samspillet mellom vind og forskjellige strukturer, hvis strømningshastighetene er svært høye og tverrdimensjonene til kroppene i strømmen er små, dannes det ultralydvibrasjoner, og hvis strømningshastighetene er lave og tverrdimensjonene er store , dannes infralyder. For eksempel, når de flyter rundt trestammer, telegrafstolper, metallstoler, skipsrigging, vil sistnevnte avgi infralyder.

Gjeldende SanPiN 2.1.2.2801-10 “Endringer og tillegg nr. 1 til SanPiN 2.1.2.2645-10 “Sanitære og epidemiologiske krav til levekår i boligbygg og lokaler” gir følgende standarder for boliglokaler:

Tillatte støynivåer i boliglokaler

Navn på lokaler, territorier	Tider på dagen	Lydtrykknivåer, dB, i oktavfrekvenser med geometriske gjennomsnittsfrekvenser, Hz
Stuer til leiligheter	7 - 23 timer.
	23-7
Territorier i direkte tilknytning til boligbygg	7 - 23 timer.
	23-7

Tillatte nivåer av infralyd i boliger

Lydbølger eller rett og slett lyd vanligvis kalt bølger oppfattet av det menneskelige øret. Område lydfrekvenser ligger i området fra ca. 20 Hz til 20 kHz. Bølger med en frekvens mindre enn 20 Hz kalles infralyd , og med en frekvens på mer enn 20 kHz - ultralyd . Lydbølger kan forplante seg ikke bare i gass, men også i væske (langsgående bølger) og i fast stoff (langsgående og tverrgående bølger). Bølger i det gassformige mediet - vårt habitat - er imidlertid av spesiell interesse. Den grenen av fysikk som studerer lydfenomener kalles akustikk .

Når lyd forplanter seg i en gass, vibrerer atomer og molekyler langs bølgens forplantningsretning. Dette fører til endringer i lokal tetthet ρ og trykk s. Lydbølger i en gass kalles ofte tetthetsbølger eller trykkbølger.

I enkle harmoniske lydbølger som forplanter seg langs aksen OKSE, trykkendring s (x, t) avhenger av koordinaten x og tid t i lov

To tegn i cosinusargumentet tilsvarer to retninger for bølgeutbredelse. Sammenhenger mellom sirkulær frekvens ω, bølgetall k, bølgelengde λ, lydhastighet υ er de samme som for tverrgående bølger i en streng eller strikk (2.6):

En viktig egenskap ved lydbølger er hastigheten på spredningen deres . Det bestemmes av mediets inerte og elastiske egenskaper. Forplantningshastigheten til langsgående bølger i ethvert grenseløst homogent medium bestemmes av formelen

Hvor B- modul for jevn kompresjon, ρ - gjennomsnittlig tetthet av mediet. Newton prøvde også å beregne lydhastigheten i luft. Han antok at elastisiteten til luft rett og slett var lik atmosfærisk trykk s atm, da er lydhastigheten i luft mindre enn 300 m/s, mens den sanne lydhastigheten ved normale forhold (dvs. ved en temperatur på 0 °C og et trykk på 1 atm) er lik 331,5 m/s, og lydhastigheten ved en temperatur på 20 °C og et trykk på 1 atm er lik 343 m/s. Bare mer enn hundre år senere viste den franske forskeren Pierre Laplace at Newtons antakelse var ensbetydende med antakelsen om rask temperaturutjevning mellom områder med sjeldenhet og kompresjon. Denne forutsetningen er ikke oppfylt på grunn av luftens dårlige varmeledningsevne og den lille svingeperioden i lydbølgen. Faktisk oppstår en temperaturforskjell mellom områdene for sjeldne og kompresjon av gassen, noe som i betydelig grad påvirker de elastiske egenskapene. Laplace foreslo at kompresjon og sjeldnegjøring av gass i en lydbølge skjer iht adiabatisk lov, dvs. uten påvirkning av termisk ledningsevne. Laplaces formel (1816) har formen

Hvor s- gjennomsnittlig trykk i gassen, ρ - gjennomsnittlig tetthet, γ - noe konstant avhengig av gassens egenskaper. For diatomiske gasser γ = 1,4. Beregning av lydhastigheten ved hjelp av Laplaces formel gir verdien υ = 332 m/s (under normale forhold).

I termodynamikk er det bevist at koeffisienten γ er lik forholdet mellom varmekapasiteter ved konstant trykk Cs og ved konstant volum CV. Laplaces formel kan representeres i en annen form hvis vi bruker ideell gassligning av tilstand. Her er det endelige uttrykket:

Hvor T - absolutt temperatur, M - molar masse, R= 8,314 J/mol K - universell gasskonstant. Lydens hastighet avhenger i stor grad av egenskapene til gassen. Jo lettere gassen er, jo større er lydhastigheten i denne gassen. Så for eksempel i luften ( M= 29·10 -3 kg/mol) under normale forhold υ = 331,5 m/s, i helium ( M= 4·10 -3 kg/mol) υ = 970 m/s, i hydrogen ( M= 2·10 -3 kg/mol) υ = 1270 m/s.

I væsker og faste stoffer er hastigheten på lydbølgene enda større. I vann er for eksempel υ = 1480 m/s (ved 20 °C), i stål υ = 5-6 km/s.

Når du oppfatter forskjellige lyder menneskelig øre vurderer dem først og fremst i henhold til deres nivå volum, avhengig av energiflyten eller intensitet lydbølge. Effekten av en lydbølge på trommehinnen avhenger av lydtrykk, dvs. amplituder s 0 trykksvingninger i bølgen. Det menneskelige øret er en perfekt skapelse av naturen, i stand til å oppfatte lyder i et stort spekter av intensiteter: fra det svake knirket fra en mygg til brølet fra en vulkan. Hørselsterskel tilsvarer verdien s 0 er omtrent 10 -10 atm, dvs. 10 -5 Pa. Med en så svak lyd vibrerer luftmolekyler i en lydbølge med en amplitude på bare 10 -7 cm! Smerteterskel tilsvarer verdien s 0 er omtrent 10 -4 atm eller 10 Pa. Dermed er det menneskelige øret i stand til å oppfatte bølger der lydtrykket endres en million ganger. Siden lydintensiteten er proporsjonal med kvadratet av lydtrykket, er intensitetsområdet omtrent 10 12! Det menneskelige øret, som er i stand til å oppfatte lyder over et så stort spekter av intensiteter, kan sammenlignes med et instrument som kan brukes til å måle både diameteren til et atom og størrelsen på en fotballbane.

Til sammenligning, la oss påpeke at under vanlige samtaler med mennesker i et rom, er lydintensiteten omtrent 10 6 ganger høyere enn terskelen for hørbarhet, og lydintensiteten på en rockekonsert nærmer seg smerteterskelen.

En annen egenskap ved lydbølger som bestemmer dem auditiv persepsjon, er tonehøyde . Vibrasjoner i en harmonisk lydbølge oppfattes av det menneskelige øre som musikalsk tone . Høyfrekvente vibrasjoner oppfattes som lyder høy tone, lavfrekvente vibrasjonslignende lyder lav tone. Lydene som produseres av musikkinstrumenter, så vel som lydene til den menneskelige stemmen, kan variere sterkt i tonehøyde og frekvensområde. Så for eksempel rekkevidden til den laveste mannsstemmen er bass- strekker seg fra omtrent 80 til 400 Hz, og rekkevidden til den høye kvinnestemmen er sopran- fra 250 til 1050 Hz.

Omfanget av lydvibrasjoner som tilsvarer en dobling av vibrasjonsfrekvensen kalles oktav. Stemmen til en fiolin, for eksempel, dekker omtrent tre og en halv oktaver (196-2340 Hz), og lydene til et piano dekker syv pluss oktaver (27,5-4186 Hz).

Når de snakker om frekvensen til lyden som produseres av strengene til et strengemusikkinstrument, mener de frekvensen f 1 hovedtone. Men vibrasjonene til strengene kan også inneholde harmoniske, frekvenser fn som tilfredsstiller forholdet:

fn = nf 1 , (n = 1, 2, 3...).

Derfor kan en klingende streng utstråle en helhet område bølger med flere frekvenser. Amplituder ENn disse bølgene avhenger av metoden for å spennende strengen (bue, hammer); de bestemmer den musikalske fargen på lyden eller klang . Situasjonen er lik med blåsemusikkinstrumenter. Trompeter av blåseinstrumenter er akustiske resonatorer, det vil si akustiske oscillerende systemer som er i stand til å bli eksitert (resonnere) fra lydbølger med visse frekvenser. Under visse forhold oppstår det stående lydbølger i luften inne i rørene. I fig. Figur 2.7.1 viser flere typer stående bølger (modes) i en orgelpipe som er lukket i den ene enden og åpen i den andre. Lydene som produseres av pipene til blåseinstrumenter består av et helt spekter av bølger med flere frekvenser.

Når du stiller musikkinstrumenter, kalles en enhet stemmegaffel. Den består av en akustisk treresonator og en metallgaffel festet til den, innstilt på resonans. Når hammeren slår gaffelen, er hele systemet begeistret og produserer en ren musikalsk tone.

Sangerens strupehode er også en akustisk resonator. I fig. 2.7.2 viser spektra av lydbølger som sendes ut av en stemmegaffel, en pianostreng og en lav kvinnestemme (alt), som lyder på samme tone.

lydbølger, frekvensspektre som er vist i fig. 2.7.2, har samme tonehøyde, men forskjellige klangfarger.

La oss nå se på fenomenet som oppstår når to harmoniske lydbølger med nære, men likevel litt forskjellige frekvenser er overlagret. Dette fenomenet kalles beats . Det oppstår for eksempel når to stemmegafler eller to gitarstrenger stemt til nesten samme frekvenser høres ut samtidig. Beatet oppfattes av øret som en harmonisk tone, hvis volumet endres med jevne mellomrom over tid. La lyden presse s 1 og s 2, som virker på øret, endre i henhold til lovene

s 1 = EN 0 cos ω 1 t Og s 2 = EN 0 cos ω 2 t.

I samsvar med superposisjonsprinsipp det totale trykket forårsaket av begge bølgene i hvert øyeblikk er lik summen av lydtrykkene forårsaket av hver bølge separat på samme tidspunkt.

Den totale handlingen til begge bølgene kan representeres ved hjelp av trigonometriske transformasjoner i skjemaet

I fig. 2.7.3(1) viser trykkavhengighetene s 1 og s 2 fra tiden t. På et øyeblikk t= 0 begge oscillasjonene er i fase og deres amplituder summerer seg. Siden oscillasjonsfrekvensene er litt forskjellige fra hverandre, etter en tid t 1 svingninger vil være i motfase. I dette øyeblikket vil den totale amplituden gå til null (svingningene "avbryter" hverandre). Innen t 2 = 2t 1 vil svingningene være i fase igjen osv. (Fig. 2.7.3 (2)).

Minimumsintervallet mellom to øyeblikk med maksimal (eller minimum) amplitude av svingninger kalles beat-periodeT b. Langsomt varierende amplitude EN den resulterende oscillasjonen er lik

Periode T b amplitudeendring er lik 2π / Δω. Dette kan vises på en annen måte, ved å anta at periodene med trykksvingninger i lydbølger T 1 og T 2 er slik at T 1 < T 2 (dvs. ω 1 > ω 2). I beatperioden T b et eller annet tall forekommer n hele sykluser av svingninger av den første bølgen og ( n- 1) sykluser av oscillasjoner av den andre bølgen.

DEFINISJON

Lyd- disse forplanter seg i et elastisk medium (gass, væske, fast stoff) og har et frekvensområde som det menneskelige øret kan oppfatte (fra 16 Hz til 20 kHz).

Partikkelvibrasjoner som forårsaker utseendet til mekaniske bølger av en slik frekvens kalles akustisk, og grenen av fysikk som studerer egenskapene til lyd og egenskapene til dens forplantning - akustikk.

Forplantningen av lyd i luften begynner med luftvibrasjoner på overflaten av det oscillerende legemet. En kropp som skaper en forstyrrelse i mediets tetthet kalles lydkilde. Lydkilder kan være solide kropper (en streng av et musikkinstrument, stemmebåndene, jordskorpen, treblader), væsker (vannstråle eller bølger på overflaten av vann) og gasser (luftstråler i musikkinstrumenter, vind). Svingninger i lufttetthet fører til forskyvning av molekyler i nabolagene, som igjen påvirker naboene. Slik overføres den første forstyrrelsen fra ett punkt i mediet til et annet. Lydbølgen forårsaker tvungne vibrasjoner i trommehinnen til det menneskelige øret, som registreres av hjernen.

Lydegenskaper

Lyden reiser fra slutten. Lydens hastighet avhenger av forplantningsmediet og dets tilstand. For eksempel er lydhastigheten i luft ved en temperatur 330 m/s, og i vann ved samme temperatur - 1500 m/s.

Lyden som produseres kalles en musikalsk tone. Støy er en kaotisk blanding av musikalske toner.

Lydvolum bestemt av amplituden til vibrasjoner i en lydbølge.

Tonehøyde avhenger av - jo høyere frekvens, jo høyere lyd.

Eksempler på problemløsning

EKSEMPEL 1

Trening	En stor isblokk brøt av fra toppen av isfjellet og falt i vannet. Instrumenter installert på skipet og som mottok lyd under vann registrerte sprutet fra den fallende blokken 10 sekunder tidligere enn lyden av fallet som nådde gjennom luften. Hvor langt var isfjellet fra skipet?
Løsning	I et homogent medium beveger lyd seg med konstant hastighet, så avstanden som er tilbakelagt av fronten av en lydbølge i luft er: og avstanden tilbakelagt av fronten av lydbølgen i vann: Tidsintervallet mellom opptak av lyd med instrumenter og sprut fra en fallende blokk: så vi kan skrive: hvor er avstanden fra isfjellet til skipet: Ved hjelp av tabellene bestemmer vi lydhastigheten i luft ved m/s og lydhastigheten i vann ved samme temperatur, m/s. La oss regne ut:
Svar	Isfjellet lå 4491 m fra skipet.

EKSEMPEL 2

Trening

En stein falt ned i gruven. Mannen hørte lyden av fallet 6 s etter at fallet startet. Finn dybden på gruven. Lydhastighet 332 m/s.

Løsning

La oss fullføre tegningen ved å rette koordinataksen i bevegelsesretningen til steinen. Steinen faller fra. Dybden av steinens fall (dens koordinat) endres over tid i henhold til loven: I det øyeblikket steinen faller til bunnen av skaftet, vil dybden av steinen være lik dybden av skaftet, så vi kan skrive: hvor er tiden da steinen falt: Forsiden av lydbølgen beveger seg jevnt, så tiden det tar før lyden når en person er: Tiden som en person hørte lyden etter, er lik summen av gangene steinen falt og bevegelsen til lydbølgefronten: Fra denne ligningen bestemmer vi dybden på skaftet. La oss omskrive ligningen og isolere kvadratroten: La oss kvadrater begge sider av ligningen: La oss omskrive ligningen slik: multipliser begge sider av ligningen med:

Denne leksjonen dekker emnet "Lydbølger". I denne leksjonen vil vi fortsette å studere akustikk. Først, la oss gjenta definisjonen av lydbølger, deretter vurdere frekvensområdene deres og bli kjent med konseptet med ultralyd og infrasoniske bølger. Vi vil også diskutere egenskapene til lydbølger i ulike medier og lære hva deres egenskaper er. .

Lydbølger - dette er mekaniske vibrasjoner som, sprer seg og samvirker med hørselsorganet, oppfattes av en person (fig. 1).

Ris. 1. Lydbølge

Den grenen av fysikk som omhandler disse bølgene kalles akustikk. Yrket til folk som populært kalles "lyttere" er akustikere. En lydbølge er en bølge som forplanter seg i et elastisk medium, det er en langsgående bølge, og når den forplanter seg i et elastisk medium, veksler kompresjon og utladning. Det overføres over tid over en avstand (fig. 2).

Ris. 2. Lydbølgeutbredelse

Lydbølger inkluderer vibrasjoner som oppstår med en frekvens fra 20 til 20 000 Hz. For disse frekvensene er de tilsvarende bølgelengdene 17 m (for 20 Hz) og 17 mm (for 20 000 Hz). Dette området vil bli kalt hørbar lyd. Disse bølgelengdene er gitt for luft, lydhastigheten som er lik .

Det er også serier som akustikere forholder seg til – infralyd og ultralyd. Infralyd er de som har en frekvens på mindre enn 20 Hz. Og ultrasoniske er de som har en frekvens større enn 20 000 Hz (fig. 3).

Ris. 3. Lydbølgeområder

Enhver utdannet person bør være kjent med frekvensområdet til lydbølger og vite at hvis han går på ultralyd, vil bildet på dataskjermen bli konstruert med en frekvens på mer enn 20 000 Hz.

Ultralyd – Dette er mekaniske bølger som ligner på lydbølger, men med en frekvens fra 20 kHz til en milliard hertz.

Bølger med en frekvens på mer enn en milliard hertz kalles hyperlyd.

Ultralyd brukes til å oppdage defekter i støpte deler. En strøm av korte ultralydsignaler rettes til delen som undersøkes. På de stedene hvor det ikke er feil, går signalene gjennom delen uten å bli registrert av mottakeren.

Hvis det er en sprekk, et lufthulrom eller annen inhomogenitet i delen, reflekteres ultralydsignalet fra det og kommer tilbake, går inn i mottakeren. Denne metoden kalles feildeteksjon med ultralyd.

Andre eksempler på ultralydapplikasjoner er maskiner ultralydundersøkelse, ultralydmaskiner, ultralydbehandling.

Infralyd – mekaniske bølger som ligner på lydbølger, men med en frekvens på mindre enn 20 Hz. De blir ikke oppfattet av det menneskelige øret.

Naturlige kilder til infralydbølger er stormer, tsunamier, jordskjelv, orkaner, vulkanutbrudd og tordenvær.

Infralyd er også en viktig bølge som brukes til å vibrere overflaten (for eksempel for å ødelegge noen store gjenstander). Vi lanserer infralyd i jorda - og jorda brytes opp. Hvor brukes dette? For eksempel i diamantgruver, hvor de tar malm som inneholder diamantkomponenter og knuser den til små partikler for å finne disse diamantinneslutningene (fig. 4).

Ris. 4. Anvendelse av infralyd

Lydens hastighet avhenger av miljøforhold og temperatur (fig. 5).

Ris. 5. Hastighet for lydbølgeutbredelse i ulike medier

Vennligst merk: i luft er lydhastigheten på lik , og ved øker hastigheten med . Hvis du er en forsker, kan denne kunnskapen være nyttig for deg. Du kan til og med komme opp med en slags temperatursensor som vil registrere temperaturforskjeller ved å endre lydhastigheten i mediet. Vi vet allerede at jo tettere mediet er, jo mer alvorlig er interaksjonen mellom partikler i mediet, desto raskere forplanter bølgen seg. I det siste avsnittet diskuterte vi dette ved å bruke eksempelet med tørr luft og fuktig luft. For vann er lydforplantningshastigheten . Hvis du lager en lydbølge (bank på en stemmegaffel), vil hastigheten på dens forplantning i vann være 4 ganger større enn i luft. Med vann vil informasjon nå 4 ganger raskere enn med luft. Og i stål er det enda raskere: (Fig. 6).

Ris. 6. Lydbølgeutbredelseshastighet

Du vet fra eposene som Ilya Muromets brukte (og alle heltene og vanlige russiske folk og gutter fra Gaidars RVS) brukte en veldig interessant metode for å oppdage et objekt som nærmer seg, men som fortsatt er langt unna. Lyden den lager når den beveger seg er ennå ikke hørbar. Ilya Muromets, med øret mot bakken, kan høre henne. Hvorfor? Fordi lyd overføres over fast grunn med høyere hastighet, noe som betyr at den vil nå Ilya Muromets øre raskere, og han vil være i stand til å forberede seg på å møte fienden.

De mest interessante lydbølgene er musikalske lyder og støy. Hvilke gjenstander kan skape lydbølger? Hvis vi tar en bølgekilde og et elastisk medium, hvis vi får lydkilden til å vibrere harmonisk, vil vi få en fantastisk lydbølge, som vil bli kalt musikalsk lyd. Disse kildene til lydbølger kan for eksempel være strengene til en gitar eller piano. Dette kan være en lydbølge som skapes i luftspalten til en pipe (orgel eller pipe). Fra musikktimer kjenner du tonene: do, re, mi, fa, sol, la, si. I akustikk kalles de toner (fig. 7).

Ris. 7. Musikalske toner

Alle objekter som kan produsere toner vil ha funksjoner. Hvordan er de forskjellige? De er forskjellige i bølgelengde og frekvens. Hvis disse lydbølgene ikke er skapt av harmonisk klingende kropper eller ikke er koblet til et slags felles orkesterstykke, vil en slik mengde lyder kalles støy.

Bråk- tilfeldige svingninger av forskjellig fysisk natur, preget av kompleksiteten til deres tidsmessige og spektrale struktur. Konseptet med støy er både innenlands og fysisk, de er veldig like, og derfor introduserer vi det som et eget viktig objekt for vurdering.

La oss gå videre til kvantitative estimater av lydbølger. Hva kjennetegner musikalske lydbølger? Disse egenskapene gjelder utelukkende for harmoniske lydvibrasjoner. Så, lydvolum. Hvordan bestemmes lydvolumet? La oss vurdere forplantningen av en lydbølge i tid eller svingningene til lydbølgekilden (fig. 8).

Ris. 8. Lydvolum

Samtidig, hvis vi ikke la til mye lyd til systemet (vi traff for eksempel en pianotast rolig), så blir det en stille lyd. Hvis vi høyt løfter hånden høyt, forårsaker vi denne lyden ved å trykke på tasten, vi får en høy lyd. Hva avhenger dette av? En stille lyd har en mindre vibrasjonsamplitude enn en høy lyd.

Den neste viktige egenskapen til musikalsk lyd og enhver annen lyd er høyde. Hva er tonehøyden av lyd avhengig av? Høyden avhenger av frekvensen. Vi kan få kilden til å oscillere ofte, eller vi kan få den til å svinge ikke veldig raskt (det vil si utføre færre svingninger per tidsenhet). La oss vurdere tidssveipet til en høy og lav lyd med samme amplitude (fig. 9).

Ris. 9. Pitch

En interessant konklusjon kan trekkes. Hvis en person synger med bassstemme, vibrerer lydkilden hans (stemmebåndene) flere ganger langsommere enn den til en person som synger sopran. I det andre tilfellet vibrerer stemmebåndene oftere, og forårsaker derfor oftere lommer med kompresjon og utladning i forplantningen av bølgen.

Det er en annen interessant egenskap ved lydbølger som fysikere ikke studerer. Dette klang. Du kjenner og skiller enkelt det samme musikkstykket fremført på en balalaika eller cello. Hvordan er disse lydene eller denne ytelsen annerledes? I begynnelsen av eksperimentet ba vi folk som produserer lyder om å lage dem med omtrent samme amplitude, slik at volumet på lyden blir det samme. Det er som i tilfellet med et orkester: hvis det ikke er behov for å fremheve noe instrument, spiller alle omtrent likt, med samme styrke. Så klangen til balalaika og cello er annerledes. Hvis vi skulle tegne lyden produsert fra ett instrument fra et annet ved hjelp av diagrammer, ville de vært de samme. Men du kan enkelt skille disse instrumentene ved deres lyd.

Et annet eksempel på viktigheten av klang. Se for deg to sangere som uteksamineres fra det samme musikkuniversitetet med de samme lærerne. De studerte like godt, med rette A-er. Av en eller annen grunn blir den ene en fremragende utøver, mens den andre er misfornøyd med karrieren hele livet. Faktisk bestemmes dette utelukkende av instrumentet deres, som forårsaker vokalvibrasjoner i miljøet, dvs. stemmene deres er forskjellige i klang.

Bibliografi

1. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fysikk: en oppslagsbok med eksempler på problemløsning. - 2. utgave repartisjon. - X.: Vesta: forlag "Ranok", 2005. - 464 s.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fysikk. 9. klasse: lærebok for allmenndannelse. institusjoner/A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik. - 14. utgave, stereotypi. - M.: Bustard, 2009. - 300 s.

1. Internettportal "eduspb.com" ()
2. Internett-portal "msk.edu.ua" ()
3. Internettportal "class-fizika.narod.ru" ()

Hjemmelekser

1. Hvordan reiser lyd? Hva kan være lydkilden?
2. Kan lyd reise gjennom verdensrommet?
3. Blir hver bølge som når en persons høreorgan oppfattet av ham?