Енергетичний аспект звукової хвилі Superprof

17 червня 2019 р., 8 хвилин читання

Різні типи хвиль

Сонячне світло - це електромагнітна хвиля

Існує три різні типи хвиль:

• Механічна хвиля: Магнітні хвилі потребують матеріалу, який деформується для поширення. Цей матеріал здатний відновлювати початковий стан завдяки силам відновлення, які зворотно деформують.
• Електромагнітна хвиля: Що стосується електромагнітних хвиль, вони не потребують ніякої опори для руху: вони відповідають періодичним коливанням електричних і магнітних полів, які потім можуть рухатися у вакуумі.
• Гравітаційна хвиля: Гравітаційні хвилі більше не мають опори для руху, оскільки саме деформації геометрії простору-часу поширюються.

Поширення хвилі

Хвиля поширюється в середовищі, що дозволяє це зробити, оскільки поширення відбувається внаслідок руху частинки в часі, але також і в просторі по відношенню до середовища. Це можливо лише в тому випадку, якщо джерело знаходиться у вібраційному стані.

Ми можемо охарактеризувати поширення хвилі за швидкістю її поширення, використовуючи наступну формулу:

• c швидкість хвилі;
• λ довжина хвилі;
• f частота хвилі.

Примітка: Швидкість світла становить 300000 км/с -1, а швидкість звукової хвилі 344 м/с -1

Проблемні

Як тварини здатні сприймати звуки, що їх оточують ?

Раніше ми вивчали створення і поширення звукової хвилі. Але що сприймає приймач звуку ?

Аналіз проблем

• Звукова хвиля - це механічна хвиля, тому вона має кінетичну енергію та потенційну енергію.
  • Кінетична енергія: будь-яке тіло, що рухається, має його. Він може бути макроскопічним: тоді він залежить від швидкості руху тіла, а отже, і від мікроскопічної системи відліку: він пов’язаний із молекулярним збудженням. Збільшення мікроскопічної кінетичної енергії призводить до підвищення температури.
  • Потенційна енергія: Це залежить від взаємного розташування різних частин системи: лише деформована система зможе мати в макроскопічному масштабі потенційну енергію.
• Два типи звукоприймача:
  • Мікрофон вловлює миттєві коливання швидкості або надлишкового тиску звукової хвилі і подає електричний сигнал, який можна переглянути на осцилографі.
  • Вухо, як око в оптиці, є квадратичним приймачем: періоди звуку набагато менші, ніж час відгуку вуха, вухо може підібрати лише середнє значення. Тому вухо не чутливе до миттєвих коливань хвилі, оскільки її середнє значення дорівнює нулю.
• Інтенсивність звуку виражається в дБ. Занадто велика інтенсивність звуку небезпечна для людського вуха.

Зміни енергії хвилі під час її поширення

Коли хвиля поширюється, вона супроводжується тимчасовою модифікацією таких властивостей середовища, як положення, швидкість та відстань між складовими частинками модифікованого середовища.

Таким чином, енергія, будь то потенційна чи кінетична, коли досягається сигнал, змінюється. Однак зауважте, що зміна енергії є тимчасовим і рухається крок за кроком: воно триває лише стільки, скільки хвиля проходить.

Властивості хвилі

Період музичної хвилі

Період хвилі являє собою тривалість повної вібрації до повернення у вихідне положення. Він зазначається як T і має тривалість у секундах.

T: тривалість базового зразка (нагадування про перетворення: 1 мс = 1 х 10 -3 с).

Частота хвиль

Частота характеризує кількість вібрацій за одну секунду. Розрахована в герцах із символом Гц, вона отримується наступним розрахунком:

з T час у секундах.

Наприклад, людський голос видає звуки з частотою від 50 Гц до 1000 Гц.

Амплітуда хвилі

Амплітуда відповідає зміні тиску середовища, в якому поширюється хвиля, у випадку акустичної хвилі. Для електромагнітної хвилі його амплітуда є максимальною напругою і позначається Umax. Його одиницею є Вольт (V).

Довжина хвилі

Довжина хвилі характеризується найменшою відстанню між двома точками хвилі, розташованими в одному місці. на осі y. Представляючи відстань, яку пройшла хвиля за свій період, вона є її просторовим еквівалентом.

Децибел

Будьте обережні, тривалий вплив звуків із занадто великою гучністю може безповоротно пошкодити ваш слух.

Децибел в екологічній акустиці використовується для позначення рівня шуму. Дійсно, ця величина дає змогу виразити існуюче співвідношення потужності між акустичним тиском та еталонним значенням, яке було обрано як відповідне непомітному звуку.

Загалом, рівень звуку у вільному полі, що означає без перешкод на шляху хвилі, обернено пропорційний квадрату відстані, тобто помноженій на себе відстані.

Звіти про звуковий тиск або відстань до значень джерела та децибел

ReportdB

1	0
1.12	1
1.26	2
1.4	3
1.6	4
1.8	5
2	6
2.2	7
2.5	8
2.8	9
3.2	10
4	12
5	14
6.3	16
8	18
10	20
18	25
32	50
100	40
320	50

Звуковий тиск

Звуковий тиск - це фізична величина, яка стимулює слух людини. Діапазон тиску, який дає рівень звуку, який сприймається людиною, становить від одного до декількох мільйонів.

Однак будьте обережні, сприймач гучності звуку приблизно логарифмічний. Тоді це означає, що визначене збільшення об’єму буде відповідати множенню тиску на однаковий коефіцієнт. Ось чому ми дуже рідко перетворюємо вимірювання шуму, яке зазвичай відповідає звуковому тиску в децибелах.

Акустична інтенсивність

Для того, щоб визначити шляхи поширення звуків у навколишньому середовищі, акустичні дослідження часто використовують інтенсивність звуку. Ця величина відповідає зображенню акустичної сили, яка передається у визначеному напрямку. Зазвичай, встановлені з градієнта тиску, ми логічно використовуємо мережу датчиків або набір акустичних датчиків швидкості, які ми з'єднуємо з датчиком тиску.

Однак остерігайтеся плутанини. Справді, говорити про акустичну інтенсивність не завжди означає, що ми говоримо про рівень звуку. Щоб продемонструвати це, досить взяти приклад стоячої хвилі: її інтенсивність дорівнює нулю, тоді як акустичний тиск відсутній, і все ж чути звук.

Так звана стояча хвиля відповідає одночасному поширенню і в протилежних напрямках декількох хвиль однакової частоти та однакової амплітуди в одному середовищі. Таким чином, ми спостерігатимемо фігуру, на якій певні точки фіксуються, називаються вузлами тиску, в часі. Тоді можна спостерігати нерухому вібрацію різної інтенсивності в кожній спостережуваній точці, замість того, щоб мати можливість спостерігати розповсюджується хвилю.

Акустична сила

Для порівняння двох джерел шуму необхідно використовувати потужність звуку, яка виражається в дБ SWL. Отримати значення цієї величини можна, помістивши джерело, яке потрібно перевірити, у камеру, що відбивається, щоб звуки змішувались у всіх напрямках. Але також можна отримати це значення шляхом проведення серії вимірювань навколо джерела звуку, що перевіряється.

Людина і звук

Саме завдяки своїм вухам, а точніше барабанним перетинкам, людина здатна сприймати звуки.

Звук відповідає механічній вібрації рідини, яка потім розповсюджуватиметься завдяки пружній деформації рідини у формі поздовжніх хвиль. Люди, а також багато інших тварин можуть відчути цю вібрацію завдяки тому почуттю, яке ми називаємо: слух.

Звукові звукові хвилі характеризуються частотами від 20 Гц до 20 кГц, що відповідає довжинам хвиль від 0,017 м до 17 м.

Звукова хвиля: від джерела до приймача

Коли хвиля поширюється в стисливому рідинному середовищі, можна спостерігати коливання тиску, яке потім розповсюджуватиметься у формі хвилі. Повітря, що оточує нас, є стислим рідинним середовищем, і тоді можна відчути ці хвилі у вигляді звуку, який ми сприймаємо завдяки барабанним перетинкам. Однак, щоб воно було відчутним, коливання тиску, оскільки його амплітуда мала в порівнянні з атмосферним тиском, має бути досить швидким і повторюваним.

Можна розглядати будь-який вібруючий об’єкт, такий як музичний інструмент або навіть гучномовець, як джерело звуку, яке, як випливає з назви, є джерелом повітряних коливань. Потім збурення поширюватиметься, навіть якщо частинки коливатимуться дуже мало (тобто на кілька мікрометрів навколо стабільного положення), аналогічно збуренням води, коли там падає камінь: ми можемо спостерігати хвилі, які поступово віддаляються від точки порушення, хоча вода залишається на тому ж місці. Дійсно, вода рухається лише вертикально і не йде за хвилями (можна спостерігати це явище, розмістивши плаваючий об'єкт поблизу збурення: він не залишиться в тому ж положенні).

Тоді можна сказати, що в рідинах звукова хвиля відповідає поздовжній хвилі. Таким чином, спостережувані частинки вібрують паралельно напрямку руху хвилі.

Звукову хвилю також може передавати вібруюче тіло. Дійсно, вібрація поширюватиметься всередині твердого тіла, як у рідинах: буде слабке коливання навколо положення рівноваги атомів, що складають тверде тіло. Наслідком цього є напруження матеріалу, яке, еквівалентне тиску в рідині, дуже важко виміряти. Тому саме жорсткість матеріалу дозволить пропускати поперечні хвилі напружень.

Цікавим може бути той факт, що швидкість поширення звуку, яку також називають швидкістю, змінюється залежно від різних властивостей середовища, таких як:

• Характер середовища;
• Температура середовища;
• І середній тиск.

Таким чином, в ідеальному газі ми можемо отримати швидкість поширення звукової хвилі з наступним співвідношенням:

• ρ, що відповідає щільності газу;
• І χS, що відповідає ізотропній стисливості газу.

Також можна спостерігати зменшення швидкості звуку, коли:

• Щільність газу збільшується, це називається ефектом інерції;
• Збільшується стисливість газу, тобто його здатність змінювати об'єм залежно від тиску, якому він піддається, збільшується.

Для обчислення швидкості звуку, одиницею виміру якої є, пам’ятаємо, метр в секунду, можна використовувати такий вираз:

при Т температура в градусах Цельсія.

Але можна бути більш точним, використовуючи градуси Кельвіна. Потім ми повинні використати такий вираз:

Зверніть увагу, що загалом швидкість звуку у воді становить 1500 м.с -1. Але є багато середовищ, де звукові хвилі можуть рухатися ще швидше. Тоді ми можемо взяти приклад із сталі, в якій хвилі поширюються зі швидкістю від 5600 до 5900 м.с -1 .

Однак звукова хвиля не здатна поширюватися у вакуумі, оскільки наявність деформованого матеріалу необхідна для того, щоб вібрація могла поширюватися.

Рецептор людини: барабанна перетинка

Барабанна перетинка - це волокниста оболонка, яка відділить зовнішнє вухо від середнього вуха. Його роль полягає в тому, щоб уловлювати вібрації, викликані звуками, що досягають зовнішнього слухового проходу, а потім передавати їх в кістковий ланцюг.

Проведення вправи змагального типу

1. Енергетичний баланс
   • Одновимірна рівновага
   • узагальнення
   • Рівняння збереження 3D
2. Звукове сприйняття
3. Окремий випадок плоскої хвилі
   • Постійна хвиля
   • Прогресивна хвиля

Перевірка результату

• Порядки величини в дБ
• Швидкість поширення енергії
• Доказ квадратичності слухового сприйняття
• Програми

Вам сподобалась стаття ?

Фрілансер та студент наук про життя та Землю, я трохи старша сестра, яка підтримує та допомагає іншим спостерігати та розуміти навколишній світ та його цікаві таємниці !

---