Lyd er elastiske bølger i et medium (ofte luft) som er usynlige, men kan oppfattes av det menneskelige øret (bølgen påvirker trommehinnenøre). En lydbølge er en langsgående bølge av kompresjon og sjeldenhet.
Hvis vi skaper et vakuum, vil vi være i stand til å skille lyder? Robert Boyle plasserte en klokke i en glasskrukke i 1660. Etter å ha pumpet ut luften hørte han ingen lyd. Erfaring viser det et medium er nødvendig for at lyd skal forplante seg.
Lyd kan også bevege seg gjennom flytende og faste medier. Påvirkningen av steiner kan tydelig høres under vann. Plasser klokken på den ene enden av treplaten. Ved å plassere øret i den andre enden kan du tydelig høre klokkens tikk.
Lydbølger går gjennom tre
Kilden til lyd er nødvendigvis oscillerende kropper. For eksempel høres ikke en streng på en gitar i normal tilstand, men så snart vi får den til å vibrere, dukker det opp en lydbølge.
Erfaring viser imidlertid at ikke alle oscillerende kropper er en lydkilde. For eksempel gir en vekt som henger på en tråd ikke lyd. Faktum er at det menneskelige øret ikke oppfatter alle bølger, men bare de som skaper kropper som svinger med en frekvens fra 16 Hz til 20 000 Hz. Slike bølger kalles lyd. Oscillasjoner med en frekvens mindre enn 16Hz kalles infralyd. Oscillasjoner med en frekvens større enn 20 000 Hz kalles ultralyd.
Lydhastighet
Lydbølger forplanter seg ikke øyeblikkelig, men med en viss begrenset hastighet (lik hastigheten til jevn bevegelse).
Det er derfor vi under et tordenvær først ser lyn, det vil si lys (lyshastigheten er mye større enn lydhastigheten), og deretter høres lyd.
Lydens hastighet avhenger av mediet: i faste stoffer og væsker er lydhastigheten mye høyere enn i luft. Dette er tabellmålte konstanter. Når temperaturen på mediet øker, øker lydhastigheten, og når den avtar, avtar den.
Lydene er forskjellige. For å karakterisere lyd, introduseres spesielle mengder: volum, tonehøyde og klangfarge.
Lydvolumet avhenger av vibrasjonsamplituden: jo større vibrasjonsamplituden er, jo høyere lyd. I tillegg avhenger ørets oppfatning av lydvolumet av frekvensen av vibrasjoner i lydbølgen. Høyfrekvente bølger oppfattes som høyere.
Frekvensen til lydbølgen bestemmer tonehøyden til tonen. Jo høyere vibrasjonsfrekvensen til en lydkilde er, jo høyere er lyden den produserer. Menneskestemmer er delt inn i flere tonehøyder.
Lyder fra forskjellige kilder er en kombinasjon av harmoniske vibrasjoner med forskjellige frekvenser. Komponenten i den lengste perioden (laveste frekvens) kalles grunntonen. De resterende komponentene i lyden er overtoner. Settet med disse komponentene skaper fargen og klangen til lyden. Settet med overtoner i stemmene forskjellige folk selv om det er litt annerledes, bestemmer dette klangen til en bestemt stemme.
Ekko. Et ekko dannes som et resultat av refleksjon av lyd fra ulike hindringer - fjell, skog, murer, store bygninger, etc. Et ekko oppstår bare når den reflekterte lyden oppfattes separat fra den opprinnelig talte lyden. Hvis det er mange reflekterende overflater og de er i forskjellige avstander fra en person, vil de reflekterte lydbølgene nå ham til forskjellige tider. I dette tilfellet vil ekkoet være flere. Hindringen må være 11m unna personen for at ekkoet skal høres.
Refleksjon av lyd. Lyd reflekteres fra glatte overflater. Derfor, når du bruker et horn, blir ikke lydbølger spredt i alle retninger, men danner en smalt rettet stråle, på grunn av dette øker lydstyrken og den sprer seg over en større avstand.
Noen dyr (for eksempel flaggermus, delfin) sender ut ultralydsvibrasjoner, og oppfatter deretter den reflekterte bølgen fra hindringer. Slik bestemmer de plasseringen og avstanden til omkringliggende objekter.
Ekkolokalisering. Dette er en måte å bestemme plasseringen av kropper ved hjelp av ultralydsignaler som reflekteres fra dem. Mye brukt i frakt. Installert på skip sonarer- enheter for å gjenkjenne undervannsobjekter og bestemme dybden og topografien til bunnen. En lydsender og mottaker er plassert i bunnen av fartøyet. Senderen gir korte signaler. Ved å analysere forsinkelsestiden og retningen til de returnerende signalene, bestemmer datamaskinen plasseringen og størrelsen på objektet som reflekterte lyden.
Ultralyd brukes til å oppdage og bestemme ulike skader i maskindeler (tomrom, sprekker osv.). Enheten som brukes til dette formålet kalles ultralyd feildetektor. En strøm av korte ultralydsignaler sendes til delen som studeres, som reflekteres fra inhomogenitetene som er plassert inne i den og går tilbake til mottakeren. På de stedene hvor det ikke er feil, går signalene gjennom delen uten vesentlig refleksjon og registreres ikke av mottakeren.
Ultralyd er mye brukt i medisin for å diagnostisere og behandle visse sykdommer. I motsetning til røntgenstråler gjør det ikke bølgene skadelig påvirkning på stoff. Diagnostisk ultralydundersøkelser(ultralyd) tillate uten Kirurgisk inngrep gjenkjenne patologiske endringer organer og vev. En spesiell enhet leder ultralydbølger med en frekvens på 0,5 til 15 MHz til en viss del av kroppen, de reflekteres fra organet som studeres og datamaskinen viser bildet sitt på skjermen.
Infralyd kjennetegnes ved lav absorpsjon i ulike medier, som et resultat av at infralydbølger i luft, vann og jordskorpen kan forplante seg over svært lange avstander. Dette fenomenet finner praktisk bruk på bestemme steder sterke eksplosjoner eller plasseringen av skytevåpenet. Utbredelsen av infralyd over lange avstander i havet gjør det mulig naturkatastrofespådommer- flodbølge. Maneter, krepsdyr osv. er i stand til å oppfatte infralyder og kjenne dens tilnærming lenge før en storm begynner.
Når du lager musikk, kan det være svært nyttig å forstå generelt hva lyd er og hvordan lyd tas opp på en datamaskin. Med slik kunnskap blir det mye lettere å forstå hva for eksempel kompresjon er eller hvordan klipping skjer. Innen musikk, som i nesten enhver virksomhet, gjør det å kjenne det grunnleggende det lettere å komme videre.
Hva er lyd?
Lyd er fysiske vibrasjoner av et medium som beveger seg i form av bølger. Vi fanger opp disse vibrasjonene og oppfatter dem som lyd. Hvis vi prøver å avbilde en lydbølge grafisk, får vi overraskende nok bølge.
Sinusbølge
Ovenfor er en sinusbølge som kan høres fra analoge synthesizere eller håndsett fasttelefon, hvis du fortsatt bruker en. Forresten, telefonen lyder, snakker i teknisk, ikke musikalsk språk.
Lyd har tre viktige egenskaper, nemlig: volum, tonehøyde og klang. subjektive følelser, men de har sin refleksjon i den fysiske verden i formen fysiske egenskaper lydbølge.
Amplitude
Det vi oppfatter som lydstyrke er vibrasjonskraften eller lydtrykknivået, som måles i (dB).
Grafisk representert av bølger i forskjellige høyder:
Jo høyere amplitude (bølgehøyde på grafen), jo høyere oppfattes lyden, og omvendt, jo lavere amplitude, jo roligere lyd. Selvsagt er oppfatningen av volum også påvirket av lydens frekvens, men dette er trekk ved vår oppfatning.
Eksempler på forskjellige volumer, i desibel:
| Lyd | Volum (dB) | Effekt |
| Landlig område vekk fra veier | 25 dB | Nesten uhørlig |
| Hviske | 30 dB | Veldig stille |
| Kontor i arbeidstiden | 50-60 dB | Støynivået forblir behagelig opp til 60 dB |
| Støvsuger, hårføner | 70 dB | Irriterende; gjør det vanskelig å snakke i telefon |
| Foodprosessor, blender | 85-90 dB | Fra et volum på 85 dB med langvarig (8 timer) lytting begynner hørselsskader |
| Lastebil, betongblander, t-banevogn | 95-100 dB | For lyder mellom 90 og 100 dB anbefales eksponering for ikke mer enn 15 minutter på det ubeskyttede øret. |
| Motorsag, jackhammer | 110 dB | Regelmessig eksponering for lyder høyere enn 110 dB i mer enn 1 minutt utgjør en risiko for permanent hørselstap |
| Rockekonsert | 110-140 dB | Smerteterskel starter rundt 125 dB |
Frekvens
Når vi sier at en lyd er "høyere" eller "lavere", forstår vi hva vi mener, men grafisk vises den ikke etter høyde, men etter avstand og frekvens:
Tonehøyden til en tone (lyd) er frekvensen til en lydbølge.
Jo mindre avstanden er mellom lydbølgene, jo høyere frekvens er lyden, eller rett og slett, jo høyere lyd.
Jeg tror alle vet at det menneskelige øret er i stand til å oppfatte lyder med en frekvens på omtrent 20 Hz til 20 kHz (i unntakstilfeller - fra 16 Hz til 22 kHz), og musikalske lyder er i området fra 16.352 Hz ("før" subcontractave) til 7,902 kHz ("B" av den femte oktav).
Timbre
Og den siste viktige egenskapen for oss er klangen til klangen. Med ord er det slik lyden er "farget", og grafisk ser den ut som en annen kompleksitet, kompleksiteten til lydbølgen. Her er for eksempel en grafisk representasjon av lydbølgene til en fiolin og piano:
Lyd klang - kompleksitet (kompleksitet) av en lydbølge
Sinusoider er mer kompliserte, er de ikke?
Det er flere måter å ta opp lyd på: notasjon, analogt opptak og digitalt opptak.
Musikalsk notasjon- dette er ganske enkelt data om frekvensen, varigheten og volumet til lyder som må reproduseres på et instrument. I dataverdenen er det en analog - MIDI-data. Men vurdering av dette problemet ligger utenfor rammen av denne artikkelen; vi vil undersøke det i detalj en annen gang.
Analogt opptak- i hovedsak registrerer fysiske vibrasjoner slik de er på et hvilket som helst medium: vinylplate eller magnetbånd. Det bør starte med en gang rikelig salivasjon elskere av varm rørlyd, men vi er ikke en av de menneskene og at analoge enheter har en sterk feil og grunnleggende begrensninger, dette introduserer forvrengning og forringer kvaliteten på opptaket, og fysiske medier slites ut over tid, noe som reduserer kvaliteten ytterligere av fonogrammet, så analogt opptak er nå gått til fortiden.
Digital lydopptak– en teknologi som har gitt hvem som helst muligheten til å prøve seg som lydtekniker eller produsent. Så hvordan fungerer det? Tross alt kan en datamaskin bare registrere tall, og for å være nøyaktig, bare nuller og enere der andre tall, bokstaver og bilder er kodet. Hvordan registrere så komplekse data som lyd i tall?
Løsningen er ganske enkel - kutt lydbølgen i små biter, det vil si konverter en kontinuerlig funksjon (lydbølge) til en diskret. Denne prosessen kalles prøvetaking, ikke fra ordet "cretin", men fra ordet "diskrethet" (lat. discretus - delt, intermitterende). Hver slik liten bit av en lydbølge er allerede veldig lett å beskrive i tall (signalnivået på et bestemt tidspunkt), som er det som skjer under digital opptak. Denne prosessen kalles analog-til-digital konvertering(analog til digital konvertering), og konverteringsenheten (brikken) er henholdsvis en analog-til-digital omformer (analog til digital omformer) eller en ADC (ADC).
Her er et eksempel på et nesten fem millisekunders lydbølgeklipp fra en ridecymbal:
Ser du hvordan det hele består av nellik? Dette er diskrete små biter som lydbølgen kuttes i, men om ønskelig kan en kontinuerlig buet linje trekkes gjennom disse tannsøylene, som vil være den originale lydbølgen. Under avspilling skjer dette i en enhet (også en mikrokrets) som kalles en digital til analog omformer eller DAC. ADC og DAC er hoveddelene av et lydgrensesnitt, og dets kvalitet og muligheter avhenger av kvaliteten.
Samplingsfrekvens og bitdybde
Jeg har nok allerede slitt selv de mest iherdige leserne, men fortvil ikke, dette er den delen av artikkelen den ble startet for.
Prosessen med å konvertere et analogt signal til et digitalt signal (og omvendt) har to viktige egenskaper - samplingsfrekvensen (også kjent som samplingsfrekvensen eller samplingshastigheten) og samplingsdybden (bitdybden).
Prøvetakingsfrekvens- dette er frekvensen som lydsignalet kuttes i biter (prøver). Ikke gjenta feilen min: samplingsfrekvensen er relatert til lydfrekvensen bare gjennom Kotelnikovs teorem, som sier: for å gjenopprette det opprinnelige signalet unikt, må samplingsfrekvensen være mer enn det dobbelte av den høyeste frekvensen i signalspekteret. Samplingsfrekvensen på 44,1 kHz som brukes ved innspilling av CD-er og musikkcovere.
menneskelig hørbart frekvensområde.
Litt dybde er samplingsdybden målt i biter, det vil si at det er antall biter som brukes til å registrere amplituden til signalet. Ved innspilling av en CD brukes 16 bits, som er nok til 96 dB, det vil si at vi kan ta opp lyd der forskjellen mellom de stilleste og høyeste delene er 96 dB, som nesten alltid er nok til å spille inn musikk. Ved opptak i studio bruker de vanligvis 24-bits bitdybde, noe som gir et dynamisk område på 144 dB, men siden 99 % av enhetene som gjengir lyd (båndopptakere, spillere, lydkort, inkludert med datamaskinen) kan bare behandle 16-bits lyd, mens du gjengir vil du fortsatt måtte miste 48 dB (144 minus 96) av dynamisk område ved å bruke 16-bits oppløsning.
Til slutt, la oss beregne bithastigheten til musikk på en lyd-CD:
16 bits x 44 100 samples per sekund x 2 kanaler = 1 411 200 bits per sekund = 1 411,2 kbps.
Dermed tar ett sekund med opptak på en lyd-CD 172 kilobyte eller 0,168 megabyte.
Det var alt jeg ville fortelle deg om å ta opp lyd på en datamaskin.
Vel, eller nesten alt.
Den siste delen er for hardcore-lesere.
Dither
Når du gjengir prosjekter i lydredigerere, når du velger 44 100 kHz 16 bit-formatet, vises avmerkingsboksen Dither noen ganger. Hva det er?
Dette er blandingen av et pseudo-tilfeldig signal. Det er usannsynlig at denne formuleringen vil få deg til å føle deg noe bedre, men jeg skal forklare nå.
Under analog-til-digital konvertering avrundes amplituden. Det vil si at med en 16-bits samplingsdybde har vi 2 16 = 65 536 tilgjengelig mulige alternativer amplitudenivå. Men hvis amplituden til lyden i en av prøvene viste seg å være lik 34 hele og 478 tusendeler, må vi runde den opp til 34.
For lave amplitudenivåer av inngangssignalet har slik avrunding negative konsekvenser i form av forvrengning, som er det den bekjemper ryste.
Det er helt sikkert nå. Takk for at du leser!
Ikke glem å skrive en kommentar og klikk på de vakre knappene sosiale nettverk nederst i artikkelen.
Lyd er lydbølger som forårsaker vibrasjoner av små partikler av luft, andre gasser og flytende og faste medier. Lyd kan bare oppstå der det er et stoff, uansett hvilken aggregeringstilstand det er i. Under vakuumforhold, der det ikke er noe medium, forplanter ikke lyd seg, fordi det ikke er partikler som fungerer som distributører av lydbølger. For eksempel i verdensrommet. Lyd kan modifiseres, endres og bli til andre former for energi. Dermed kan lyd omdannet til radiobølger eller elektrisk energi overføres over avstander og registreres på informasjonsmedier.
Lydbølge
Bevegelsene til gjenstander og kropper forårsaker nesten alltid svingninger i miljøet. Det spiller ingen rolle om det er vann eller luft. Under denne prosessen begynner også partiklene i mediet som kroppens vibrasjoner overføres til å vibrere. Lydbølger oppstår. Dessuten utføres bevegelser i retning forover og bakover, og erstatter hverandre gradvis. Derfor er lydbølgen langsgående. Det er aldri noen sidebevegelse opp og ned i den.
Kjennetegn på lydbølger
Som ethvert fysisk fenomen har de sine egne mengder, ved hjelp av hvilke egenskaper kan beskrives. Hovedkarakteristikkene til en lydbølge er dens frekvens og amplitude. Den første verdien viser hvor mange bølger som dannes per sekund. Den andre bestemmer styrken på bølgen. Lavfrekvente lyder har lav ytelse frekvenser og omvendt. Lydens frekvens måles i Hertz, og hvis den overstiger 20 000 Hz, oppstår ultralyd. Det er nok av eksempler på lavfrekvente og høyfrekvente lyder i naturen og verden rundt oss. Kvitringen fra en nattergal, buldret fra torden, brølet fra en fjellelv og andre - disse er alle forskjellige lydfrekvenser. Amplituden til bølgen avhenger direkte av hvor høy lyden er. Volumet synker på sin side med avstanden fra lydkilden. Følgelig, jo lenger bølgen er fra episenteret, jo mindre er amplituden. Med andre ord, amplituden til en lydbølge avtar med avstanden fra lydkilden.
Lydhastighet
Denne indikatoren for en lydbølge er direkte avhengig av naturen til mediet den forplanter seg i. Både fuktighet og lufttemperatur spiller en vesentlig rolle her. I gjennomsnittlige værforhold er lydhastigheten omtrent 340 meter per sekund. I fysikk er det noe som heter supersonisk hastighet, som alltid er større enn lydens hastighet. Dette er hastigheten lydbølgene beveger seg med når et fly beveger seg. Flyet beveger seg i supersonisk hastighet og kjører til og med ut av lydbølgene det skaper. På grunn av at trykket gradvis øker bak flyet, dannes det en sjokkbølge av lyd. Måleenheten for denne hastigheten er interessant og få mennesker vet den. Den heter Mach. Mach 1 er lik lydhastigheten. Hvis en bølge beveger seg ved Mach 2, går den dobbelt så raskt som lydens hastighet.
Lyder
Det er konstant støy i menneskers daglige liv. Støynivået måles i desibel. Bevegelsen av biler, vinden, raslingen av løv, sammenvevingen av folks stemmer og andre lydstøy er våre daglige følgesvenner. Men til slike lyder auditiv analysator en person har evnen til å venne seg til det. Imidlertid er det også fenomener som selv de adaptive evnene til det menneskelige øret ikke kan takle. For eksempel kan støy over 120 dB forårsake smerte. Det mest høylytte dyret er blåhvalen. Når den lager lyder, kan den høres over 800 kilometer unna.
Ekko
Hvordan oppstår et ekko? Alt er veldig enkelt her. En lydbølge har evnen til å bli reflektert fra forskjellige overflater: fra vann, fra en stein, fra vegger i et tomt rom. Denne bølgen vender tilbake til oss, så vi hører sekundærlyd. Den er ikke like tydelig som den opprinnelige fordi noe av energien i lydbølgen forsvinner når den beveger seg mot hindringen.
Ekkolokalisering
Lydrefleksjon brukes til ulike praktiske formål. For eksempel ekkolokalisering. Det er basert på det faktum at med hjelp ultralydbølger du kan bestemme avstanden til objektet som disse bølgene reflekteres fra. Beregninger gjøres ved å måle tiden det tar for ultralyd å reise til et sted og returnere. Mange dyr har evnen til ekkolokalisering. Flaggermus og delfiner bruker det for eksempel til å søke etter mat. Echolocation har funnet en annen anvendelse innen medisin. Ved undersøkelse med ultralyd dannes et bilde Indre organer person. Grunnlaget for denne metoden er at ultralyd, som går inn i et annet medium enn luft, går tilbake og danner et bilde.
Lydbølger i musikk
Hvorfor lager musikkinstrumenter bestemte lyder? Gitarklimpring, pianoklimpring, lave toner av trommer og trompeter, den sjarmerende tynne stemmen til en fløyte. Alle disse og mange andre lyder oppstår på grunn av luftvibrasjoner eller, med andre ord, på grunn av utseendet til lydbølger. Men hvorfor er lyden av musikkinstrumenter så mangfoldig? Det viser seg at dette avhenger av flere faktorer. Den første er formen på verktøyet, den andre er materialet det er laget av.
La oss se på dette ved å bruke strengeinstrumenter som et eksempel. De blir en lydkilde når strengene berøres. Som et resultat begynner de å svinge og sende miljø forskjellige lyder. Den lave lyden til et strengeinstrument skyldes den større tykkelsen og lengden på strengen, samt svakheten i spenningen. Og omvendt, jo tettere strengen er strukket, jo tynnere og kortere den er, jo høyere er lyden som oppnås som et resultat av å spille.
Mikrofonhandling
Den er basert på konvertering av lydbølgeenergi til elektrisk energi. I dette tilfellet er strømstyrken og lydens natur direkte avhengige. Inne i enhver mikrofon er det en tynn plate laget av metall. Når den utsettes for lyd, begynner den å utføre oscillerende bevegelser. Spiralen som platen er koblet til vibrerer også, noe som resulterer i elektrisitet. Hvorfor dukker han opp? Dette er fordi mikrofonen også har innebygde magneter. Når spiralen svinger mellom polene, genereres det en elektrisk strøm, som går langs spiralen og deretter til en lydsøyle (høyttaler) eller til utstyr for opptak på et informasjonsmedium (kassett, disk, datamaskin). Mikrofonen i telefonen har forresten en lignende struktur. Men hvordan fungerer mikrofoner på fasttelefoner og mobiltelefoner? Den innledende fasen er den samme for dem - lyd menneskelig stemme overfører sine vibrasjoner til mikrofonplaten, så følger alt scenariet beskrevet ovenfor: en spiral, som når den beveger seg, lukker to poler, en strøm skapes. Hva blir det neste? Med en fasttelefon er alt mer eller mindre klart – akkurat som i en mikrofon går lyden, omdannet til elektrisk strøm, gjennom ledningene. Men hva med en mobiltelefon eller for eksempel en walkie-talkie? I disse tilfellene blir lyden omdannet til radiobølgeenergi og treffer satellitten. Det er alt.
Resonansfenomen
Noen ganger skapes forhold når amplituden av svingninger fysisk kroppøker kraftig. Dette skjer på grunn av konvergensen av verdiene for frekvensen av tvungne svingninger og den naturlige frekvensen av svingninger til objektet (kroppen). Resonans kan være både gunstig og skadelig. For eksempel, for å få en bil ut av et hull, startes den og skyves den frem og tilbake for å gi resonans og gi bilen treghet. Men det var også tilfeller negative konsekvenser resonans. For eksempel, i St. Petersburg, for rundt hundre år siden, kollapset en bro under soldater som marsjerte unisont.
Lyd (lydbølge ) –dette er en elastisk bølge som oppfattes av hørselsorganet til mennesker og dyr. Med andre ord, lyd er forplantningen av fluktuasjoner i tettheten (eller trykket) til et elastisk medium som oppstår når partikler av mediet interagerer med hverandre.
Atmosfæren (luft) er et av de elastiske mediene. Forplantningen av lyd i luft overholder de generelle lovene for forplantning av akustiske bølger i ideelle gasser, og har også funksjoner på grunn av variasjonen av tetthet, trykk, temperatur og luftfuktighet. Lydens hastighet bestemmes av mediets egenskaper og beregnes ved hjelp av formlene for hastigheten til en elastisk bølge.
Det er kunstige og naturlige kilder lyd. Kunstige emittere inkluderer:
Vibrasjoner av solide legemer (strenger og lydplanker av musikkinstrumenter, høyttalerdiffusorer, telefonmembraner, piezoelektriske plater);
Luftvibrasjoner i et begrenset volum (orgelpiper, fløyter);
Slagverk (pianotangenter, bjelle);
Elektrisk strøm (elektroakustiske transdusere).
Naturlige kilder inkluderer:
Eksplosjon, kollaps;
Luftstrøm rundt hindringer (vind blåser hjørnet av en bygning, toppen av en havbølge).
Det er også kunstige og naturlige mottakere lyd:
Elektroakustiske transdusere (mikrofon i luft, hydrofon i vann, geofon i jordskorpen) og andre enheter;
Høreapparater til mennesker og dyr.
Når lydbølger forplanter seg, er fenomener som er karakteristiske for bølger av enhver art mulige:
Refleksjon fra en hindring
Refraksjon på grensen til to medier,
Interferens (tillegg),
Diffraksjon (bøye seg rundt hindringer),
Dispersjon (avhengighet av lydhastigheten i et stoff på lydens frekvens);
Absorpsjon (en nedgang i energien og intensiteten til lyd i et medium på grunn av den irreversible konverteringen av lydenergi til varme).
Objektive lydegenskaper
Lydfrekvens
Frekvensen av lyd som er hørbar for mennesker varierer fra 16 Hz før 16 - 20 kHz . Elastiske bølger med frekvens under hørbar rekkevidde kalt infralyd (inkludert hjernerystelse), med høyere Frekvens – ultralyd , og de elastiske bølgene med høyest frekvens er hyperlyd .
Hele lydens frekvensområde kan deles inn i tre deler (tabell 1).
Bråk har et kontinuerlig spektrum av frekvenser (eller bølgelengder) i området med lavfrekvent lyd (tabell 1, 2). Et solid spektrum betyr at frekvensene kan ha hvilken som helst verdi fra et gitt intervall.
Musikalsk , eller tonal , lyder har et lineært frekvensspektrum i området mellom mellomfrekvent og delvis høyfrekvent lyd. Den gjenværende delen av høyfrekvente lyden er opptatt av plystring. Et linjespektrum betyr at musikalske frekvenser kun har strengt definerte (diskrete) verdier fra et spesifisert intervall.
I tillegg er intervallet til musikalske frekvenser delt inn i oktaver. Oktav – dette er frekvensintervallet innelukket mellom to grenseverdier, hvor den øvre er dobbelt så stor som den nedre(Tabell 3)
Vanlige oktavfrekvensbånd
|
Oktav frekvensbånd |
min , Hz |
maks , Hz |
ons , Hz |
Eksempler på frekvensintervaller for lyd skapt av det menneskelige stemmeapparatet og oppfattet av det menneskelige høreapparatet er gitt i tabell 4.
|
Contralto, alt | |||
|
Mezzosopran | |||
|
Koloratursopran | |||
Eksempler på frekvensområder for noen musikkinstrumenter er gitt i tabell 5. De dekker ikke bare lydområdet, men også ultralydområdet.
|
Musikk Instrument |
Frekvens Hz |
|
Saksofon | |
Dyr, fugler og insekter lager og oppfatter lyd i andre frekvensområder enn mennesker (tabell 6).
I musikk kalles hver sinusformet lydbølge i en enkel tone, eller tone. Tonehøyde avhenger av frekvens: jo høyere frekvens, jo høyere tone. Hovedtone kompleks musikalsk lyd kalles den tilsvarende tonen laveste frekvens i sitt spekter. Toner som tilsvarer andre frekvenser kalles overtoner. Hvis overtoner multipler frekvensen til grunntonen, så kalles overtonene harmonisk. Overtonen med den laveste frekvensen kalles den første harmoniske, den med den neste kalles den andre, osv.
Musikalske lyder med samme grunntone kan variere klang. Timbre avhenger av sammensetningen av overtoner, deres frekvenser og amplituder, arten av deres stigning i begynnelsen av lyden og nedgang på slutten.
Lydhastighet
For lyd i ulike medier er generelle formler (22) – (25) gyldige. Det bør tas i betraktning at formel (22) er anvendelig i tilfelle av tørr atmosfærisk luft, og under hensyntagen til de numeriske verdiene av Poissons forhold, molar masse og universell gasskonstant, kan skrives som:
Imidlertid har ekte atmosfærisk luft alltid fuktighet, noe som påvirker lydhastigheten. Dette skyldes det faktum at Poissons forhold avhenger av forholdet mellom partialtrykket til vanndamp ( s damp) Til atmosfærisk trykk (s). I fuktig luft bestemmes lydhastigheten av formelen:
.
Fra den siste ligningen kan man se at lydhastigheten i fuktig luft er litt større enn i tørr luft.
Numeriske estimater av lydhastigheten, tatt i betraktning påvirkningen av temperatur og fuktighet i atmosfærisk luft, kan utføres ved å bruke den omtrentlige formelen:
Disse estimatene viser at når lyd forplanter seg langs horisontal retning ( 0 x) med en økning i temperatur med 1 0 C lydhastigheten øker med 0,6 m/s. Under påvirkning av vanndamp med et partialtrykk på ikke mer enn 10 Pa lydhastigheten øker med mindre enn 0,5 m/s. Men generelt, ved maksimalt mulig partialtrykk av vanndamp på jordens overflate, øker lydhastigheten med ikke mer enn 1 m/s.
Lydtrykk
I fravær av lyd er atmosfæren (luft) et uforstyrret medium og har statisk atmosfærisk trykk ( 
).
Når lydbølger forplanter seg, legges det ekstra variabelt trykk til dette statiske trykket på grunn av kondensering og sjeldne luft. Når det gjelder plane bølger kan vi skrive:
Hvor s lyd, maks- lydtrykkamplitude, - syklisk lydfrekvens,k– bølgetall. Derfor er det atmosfæriske trykket på et fast punkt i dette øyeblikket tiden blir lik summen av disse trykkene:
Lydtrykk er et variabelt trykk lik forskjellen mellom det øyeblikkelige faktiske atmosfæriske trykket ved et gitt punkt under passering av en lydbølge og det statiske atmosfæriske trykket i fravær av lyd:
Lydtrykket endrer sin verdi og fortegn i løpet av oscillasjonsperioden.
Lydtrykket er nesten alltid mye mindre enn atmosfærisk
Det blir stort og kan sammenlignes med atmosfærisk trykk når sjokkbølger oppstår under kraftige eksplosjoner eller under passasje av et jetfly.
Lydtrykkenhetene er som følger:
- pascal i SI 
,
- bar i GHS 
,
- millimeter kvikksølv,
- atmosfære.
Instrumenter måler i praksis ikke den øyeblikkelige verdien av lydtrykk, men den såkalte effektiv (eller nåværende )lyd press . Det er likt kvadratroten av gjennomsnittsverdien av kvadratet av det øyeblikkelige lydtrykket på et gitt punkt i rommet på et gitt tidspunkt
(44)
og kalles derfor også root mean square lydtrykk . Ved å erstatte uttrykk (39) med formel (40), får vi:
.
(45)
Lydimpedans
Lyd (akustisk) motstand kalt amplitudeforholdlydtrykk og vibrasjonshastighet for partikler i mediet:
.
(46)
Fysisk betydning av lydmotstand: det er numerisk lik lydtrykket som forårsaker vibrasjoner av partikler av mediet ved en enhetshastighet:
SI måleenhet for lydimpedans – pascal sekund per meter:
.
I tilfelle av en plan bølge partikkeloscillasjonshastighet lik
.
Deretter vil formel (46) ha formen:
.
(46*)
Det er også en annen definisjon av lydmotstand, som produktet av tettheten til et medium og lydhastigheten i dette mediet:
.
(47)
Så er det fysisk mening er at den er numerisk lik tettheten til mediet der den elastiske bølgen forplanter seg med enhetshastighet:
.
I tillegg til akustisk motstand bruker akustikk konseptet mekanisk motstand (R m). Mekanisk motstand er forholdet mellom amplitudene til den periodiske kraften og oscillerende hastigheten til partiklene i mediet:
,
(48)
Hvor S– overflatearealet til lydgiveren. Mekanisk motstand måles i newton sekunder per meter:
.
Energi og kraft av lyd
En lydbølge kjennetegnes av de samme energimengdene som en elastisk bølge.
Hvert luftvolum som lydbølger forplanter seg i har energi som er summen av den kinetiske energien til oscillerende partikler og den potensielle energien til elastisk deformasjon av mediet (se formel (29)).
Lydintensiteten kalles vanligviskraften til lyd . Det er likt
.
(49)
Derfor fysisk betydning av lydkraft ligner på betydningen av energiflukstetthet: numerisk lik den gjennomsnittlige verdien av energi som overføres av en bølge per tidsenhet gjennom den tverrgående overflaten av en enhetsareal.
Enheten for lydintensitet er watt per kvadratmeter:
.
Lydintensiteten er proporsjonal med kvadratet av det effektive lydtrykket og omvendt proporsjonalt med lydtrykket (akustisk):
,
(50)
eller, tatt i betraktning uttrykk (45),
,
(51)
Hvor R ak – akustisk motstand.
Lyd kan også preges av lydkraft. Lydkraft er den totale mengden lydenergi som sendes ut av en kilde over en spesifisert tid gjennom en lukket overflate som omgir lydkilden:
,
(52)
eller, tatt i betraktning formel (49),
.
(52*)
Lydstyrke, som alle andre, måles i watt:
.
Lydbølger i luft er vekslende områder med kompresjon og sjeldenhet.
Lydbølger kan tjene som et eksempel på en oscillerende prosess. Enhver svingning er assosiert med et brudd på systemets likevektstilstand og kommer til uttrykk i avviket av dets egenskaper fra likevektsverdier med en påfølgende tilbakevending til den opprinnelige verdien. For lydvibrasjoner er denne karakteristikken trykket ved et punkt i mediet, og dets avvik er lydtrykket.
Hvis du gjør en skarp forskyvning av partikler av et elastisk medium på ett sted, for eksempel ved hjelp av et stempel, vil trykket på dette stedet øke. Takket være de elastiske bindingene til partikler overføres trykk til nabopartikler, som igjen virker på de neste, og området høyt blodtrykk som om du beveger deg i et elastisk medium. Området med høytrykk etterfølges av et område lavt blodtrykk, og dermed dannes det en serie vekslende områder med kompresjon og sjeldneri, som forplanter seg i mediet i form av en bølge. Hver partikkel av det elastiske mediet vil i dette tilfellet utføre oscillerende bevegelser.
I flytende og gassformige medier, hvor det ikke er betydelige svingninger i tetthet, er akustiske bølger langsgående i naturen, det vil si at vibrasjonsretningen til partiklene sammenfaller med bølgens bevegelsesretning. I faste stoffer, i tillegg til langsgående deformasjoner, forekommer også elastiske skjærdeformasjoner, som forårsaker eksitasjon av tverrgående (skjær)bølger; i dette tilfellet oscillerer partiklene vinkelrett på bølgeutbredelsesretningen. Forplantningshastigheten til langsgående bølger er mye større enn forplantningshastigheten til skjærbølger.
Fysiske parametere for lyd
Lydgenerering
Vanligvis brukes oscillerende kropper av forskjellig natur til å generere lyd, noe som forårsaker vibrasjoner i luften rundt. Et eksempel på slik generasjon er bruken av stemmebånd, høyttalere eller en stemmegaffel. De fleste musikkinstrumenter er basert på samme prinsipp. Et unntak er blåseinstrumenter, der lyd genereres av samspillet mellom luftstrøm og inhomogeniteter i instrumentet. For å skape sammenhengende lyd brukes såkalte lyd- eller fononlasere.
Ultralyddiagnostikk
Ultralyd- elastiske lydvibrasjoner med høy frekvens. Menneskelig øre oppfatter elastiske bølger som forplanter seg i mediet med en frekvens på opptil omtrent 16 Hz-20 kHz; svingninger med mer høy frekvens representere ultralyd (utover den hørbare grensen).
Utbredelse av ultralyd
Ultralydutbredelse er prosessen med bevegelse i rom og tid av forstyrrelser som oppstår i en lydbølge.
En lydbølge forplanter seg i et stoff i en gassformig, flytende eller fast tilstand i samme retning som partiklene av dette stoffet fortrenges, det vil si at det forårsaker deformasjon av mediet. Deformasjon består i det faktum at sekvensiell utladning og kompresjon av visse volumer av mediet oppstår, og avstanden mellom to tilstøtende områder tilsvarer lengden på ultralydbølgen. Jo større den spesifikke akustiske motstanden til mediet er, desto større grad av kompresjon og sjeldneri av mediet ved en gitt vibrasjonsamplitude.
Partiklene i mediet som er involvert i overføringen av bølgeenergi oscillerer rundt sin likevektsposisjon. Hastigheten som partiklene svinger rundt den gjennomsnittlige likevektsposisjonen kalles oscillerende hastighet. Vibrasjonshastigheten til partikler endres i henhold til ligningen:
,hvor V er størrelsen på oscillerende hastighet;
- U er amplituden til oscillerende hastighet;
- f - ultralydfrekvens;
- t - tid;
- G er faseforskjellen mellom vibrasjonshastigheten til partikler og variabelt akustisk trykk.
Amplituden til oscillasjonshastigheten karakteriserer den maksimale hastigheten som partiklene i mediet beveger seg med under oscillasjonsprosessen, og bestemmes av svingningsfrekvensen og amplituden til forskyvningen av partiklene i mediet.
,Diffraksjon, interferens
Når ultralydbølger forplanter seg, er diffraksjon, interferens og refleksjonsfenomener mulig.
Diffraksjon (bølger som bøyer seg rundt hindringer) oppstår når ultralydbølgelengden er sammenlignbar (eller større) med størrelsen på hindringen i banen. Hvis hindringen sammenlignes med lengden akustisk bølge er stor, er det ikke noe diffraksjonsfenomen.
Når flere ultralydbølger beveger seg samtidig i et medium, oppstår en superposisjon (overlapping) av disse bølgene på hvert spesifikt punkt i mediet. Superposisjonen av bølger med samme frekvens oppå hverandre kalles interferens. Hvis ultralydbølger krysser hverandre mens de passerer gjennom et objekt, observeres det på visse punkter i mediet en økning eller reduksjon i vibrasjoner. I dette tilfellet avhenger tilstanden til punktet i mediet der interaksjonen skjer av faseforholdet til ultralydvibrasjoner på dette punktet. Hvis ultralydbølger når et bestemt område av mediet i de samme fasene (i fase), har partikkelforskyvningene de samme tegnene, og interferens under slike forhold fører til en økning i amplituden til oscillasjoner. Hvis bølgene kommer til et punkt i mediet i antifase, vil forskyvningen av partiklene være i forskjellige retninger, noe som fører til en reduksjon i amplituden til svingningene.
Absorpsjon av ultralydbølger
Hvis mediet som ultralyd forplanter seg i har viskositet og termisk ledningsevne eller det er andre interne friksjonsprosesser i det, oppstår lydabsorpsjon når bølgen forplanter seg, det vil si når den beveger seg bort fra kilden, blir amplituden til ultralydvibrasjoner mindre, så vel som energien de bærer på. Mediet som ultralyd forplanter seg i, samhandler med energien som passerer gjennom det og absorberer en del av det. Den overveiende delen av den absorberte energien omdannes til varme, den mindre delen forårsaker irreversible strukturelle endringer i det overførende stoffet. Absorpsjon er et resultat av friksjon av partikler mot hverandre; det er forskjellig i forskjellige medier. Absorpsjon avhenger også av frekvensen av ultralydvibrasjoner. Teoretisk sett er absorpsjon proporsjonal med kvadratet på frekvensen.
Absorpsjonsmengden kan karakteriseres ved absorpsjonskoeffisienten, som viser hvordan intensiteten av ultralyd endres i det bestrålte mediet. Den øker med økende frekvens. Intensiteten til ultralydvibrasjoner i mediet avtar eksponentielt. Denne prosessen er forårsaket av intern friksjon, termisk ledningsevne til det absorberende mediet og dets struktur. Det er grovt sett preget av størrelsen på det halvabsorberende laget, som viser på hvilken dybde vibrasjonsintensiteten minker med det halve (mer presist, med 2,718 ganger eller med 63%). I følge Pahlmann, ved en frekvens på 0,8 MHz, er gjennomsnittsverdiene for det semi-absorberende laget for noen vev som følger: fettvev- 6,8 cm; muskuløs - 3,6 cm; fett og muskelvev sammen - 4,9 cm Med økende ultralydfrekvens reduseres størrelsen på det halvabsorberende laget. Så, ved en frekvens på 2,4 MHz, vil intensiteten av ultralyd som passerer gjennom fett- og muskelvev, minker med det halve ved en dybde på 1,5 cm.
I tillegg er unormal absorpsjon av energien til ultralydvibrasjoner i noen frekvensområder mulig - dette avhenger av egenskapene til molekylstrukturen til et gitt vev. Det er kjent at 2/3 av ultralydenergien er dempet på molekylnivå og 1/3 på nivå med mikroskopiske vevsstrukturer.
Inntrengningsdybde for ultralydbølger
Ultralyd penetrasjonsdybde refererer til dybden der intensiteten er halvert. Denne verdien er omvendt proporsjonal med absorpsjon: jo sterkere mediet absorberer ultralyd, desto kortere er avstanden der ultralydintensiteten er halvert.
Spredning av ultralydbølger
Hvis det er inhomogeniteter i mediet, oppstår lydspredning, noe som kan endre det enkle forplantningsmønsteret til ultralyd betydelig og til slutt også føre til at bølgen svekker i den opprinnelige forplantningsretningen.
Refraksjon av ultralydbølger
Siden den akustiske motstanden til menneskelig bløtvev ikke er mye forskjellig fra motstanden til vann, kan det antas at brytning av ultralydbølger vil bli observert i grensesnittet mellom media (epidermis - dermis - fascia - muskel).
Refleksjon av ultralydbølger
Basert på fenomenet refleksjon ultralyddiagnostikk. Refleksjon skjer i grenseområdene hud og fett, fett og muskler, muskler og bein. Hvis ultralyd, mens den forplanter seg, møter en hindring, oppstår refleksjon; hvis hindringen er liten, ser det ut til at ultralyden flyter rundt den. Heterogeniteter i kroppen forårsaker ikke betydelige avvik, siden i sammenligning med bølgelengden (2 mm) kan størrelsene deres (0,1-0,2 mm) neglisjeres. Hvis ultralyd på sin vei møter organer hvis dimensjoner er større enn bølgelengden, oppstår brytning og refleksjon av ultralyden. Den sterkeste refleksjonen observeres ved grensene til bein - omgivende vev og vev - luft. Luft har lav tetthet og nesten fullstendig refleksjon av ultralyd observeres. Refleksjon av ultralydbølger observeres ved grensen til muskel - periosteum - bein, på overflaten av hule organer.
Reisende og stående ultralydbølger
Hvis, når ultralydbølger forplanter seg i et medium, de ikke reflekteres, dannes vandrebølger. Som et resultat av energitap demper de oscillerende bevegelsene til partiklene i mediet gradvis, og jo lenger partiklene er plassert fra den utstrålende overflaten, desto mindre er amplituden til deres svingninger. Hvis det på forplantningsveien til ultralydbølger er vev med forskjellige spesifikke akustiske motstander, reflekteres ultralydbølgene i en eller annen grad fra grensesnittet. Superposisjonen av innfallende og reflekterte ultralydbølger kan resultere i stående bølger. For at stående bølger skal oppstå, må avstanden fra emitteroverflaten til den reflekterende overflaten være et multiplum av halve bølgelengden.
Infralyd
Infralyd generert i havet kalles en av mulige årsaker finne skip forlatt av mannskapet
Eksperimenter og demonstrasjoner
Rubens trompet brukes til å demonstrere stående lydbølger.
Forskjellen i hastigheten på lydutbredelsen er tydelig: når de inhalerer helium i stedet for luft, og sier noe mens de puster ut med det, blir stemmen høyere. Hvis gassen er svovelheksafluorid SF 6, høres stemmen lavere ut. Dette skyldes det faktum at gasser er omtrent like godt komprimert, derfor, i helium, som har en veldig lav tetthet sammenlignet med luft, øker lydhastigheten, og reduserer i svovelheksafluorid, som har en veldig høy tetthet for gasser, mens dimensjonene til den menneskelige orale resonatoren forblir uendret, i Som et resultat endres resonansfrekvensen, siden jo høyere lydhastigheten er, desto høyere er resonansfrekvensen, mens andre forhold forblir uendret.
Lydhastigheten i vann kan oppnås visuelt i eksperimentet med lysdiffraksjon ved ultralyd i vann. I vann, sammenlignet med luft, er lydhastigheten høyere, siden selv med betydelig mer høy tetthet vann (som bør føre til et fall i lydhastigheten), er vann så dårlig komprimerbart at som et resultat er lydhastigheten i det fortsatt flere ganger høyere.
Notater
Litteratur
- // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron: I 86 bind (82 bind og 4 ekstra). - St. Petersburg. , 1890-1907.
- Radzishevsky Alexander Yurievich. Grunnleggende om analog og digital lyd. - M.: Williams, 2006. - S. 288. -