Звуки в физике

 

                            Екатеринбург, 1997 г.

                                 Содержание

 

                  Введение ...................................3

                  Историческая справка.............5

                      Основные понятия акустики..9

                      Звуковые частоты............................9

                      Звуковые явления...............................9

                      Свойства звука................................11

                      Скорость распространения звука..14

                      Музыкальная акустика……………...15

                      Резонанс в акустике........................17

                      Анализ и синтез звука.....................19

                      Эффект Доплера в акустике.........20

                      Звуковые удары................................20

                      Шумы.................................................2

                      2

                      Ультразвуки и инфразвуки..............22

                  Применение звуковых волн....24

                        Звукозапись и фонограф Эдисона.24

                          Звуолокация....................................25

                          Применение ультра и инфразвуков………………………………..26

                          Ультразвуковая обработка...........27

 

 

 

                                  Введение

 

 

 

         Мир, окружающий нас, можно  назвать миром звуков. Звучат  вокруг  нас

    голоса людей  и музыка, шум ветра и щебет  птиц, рокот моторов  и  шелест

    листвы.  С   помощью  речи  люди  общаются,  с  помощью  слуха  получают

    информацию об  окружающем мире.  Не  меньшее   значение  звук  имеет  для

    животных. С точки  зрения физики, звук  -  это   механические  колебания,

    которые распространяются  в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и

    т.п.

         Способность человека воспринимать  упругие  колебания,   слушать   их

    отразились  в   названии  учения  о  звуке  -  акустика  (от  греческого

    akustikos - слуховой, слышимый). Вообще человеческое  ухо  слышит  звук

    только тогда,  когда на  слуховой  аппарат   уха  действуют  механические

    колебания с  частотой не ниже 16 Гц но не  выше 20 000 Гц. Колебания же с

    более низкими  или с более  высокими  частотами   для  человеческого  уха

    неслышимы.

         Вопросы, которыми  занимается  акустика,  очень       разнообразны.

    Некоторые из  них связаны со свойствами  и особенностями нашего слуха.

         Предметом физиологической акустики  и является сам орган слуха,  его

    устройство и  действие.

         Архитектурная акустика изучает  распространение звука в  помещениях,

    влияние  на  звук  размеров  и  формы   помещений,  свойств  материалов,

    покрывающих стены  и потолки, и т.д.  При   этом  опять  имеется  в   виду

    слуховое восприятие  звука.

         Музыкальная акустика исследует  музыкальные инструменты и условия  их

    наилучшего звучания.

         Физическая акустика занимается  изучением самих звуковых  колебаний,

    а за  последнее   время  охватила  и  колебания,  лежащие  за  пределами

    слышимости (ультраакустика). Она широко использует разнообразные  методы

    для  превращения   механических  колебаний  в   электрические  и  обратно

    (электроакустика).

         Применительно к  звуковым  колебаниям  в  число  задач   физической

    акустики входит  и выяснение физических явлений,  обусловливающих те  или

    иные качества  звука, различаемые на слух.

 

 

 

                            Историческая справка

 

 

 

         Звуки начали изучать ещё в  далёкой древности. Первые наблюдения  по

    акустики  были  проведены  в  VI веке до нашей  эры.  Пифагор  установил

    связь между  высотой тона и длиной струны  или трубы издавающей звук.

         В IV  в.  до  н.э.  Аристотель  первый  правильно  представил,  как

    распространяется  звук в воздухе. Он сказал, что  звучащее тело  вызывает

    сжатие  и   разрежение  воздуха  и  объяснил  эхо  отражением  звука  от

    препятствий.

         В XV веке Леонардо да Винчи   сформулировал  принцип   независимости

    звуковых волн  от различных источников.

         В 1660 году в  опытах  Роберта   Бойля  было  доказано,  что   воздух

    является проводником  звука (в вакууме звук не   распространяется).

         В 1700 - 1707 гг. вышли вышли мемуары  Жозефа  Савёра  по  акустике,

    опубликованные  Парижской  Академией  наук.  В  этих   мемуарах   Савёр

    рассматривает  явление, хорошо известное   конструкторам  органов:  если

    две  трубы   органа  издают  одновременно  два   звука,   лишь   немного

    отличающиеся  по  высоте,  то  слышны  периодические   усиления   звука,

    подобные барабанной  дроби. Савёр  объяснил  это   явление  периодическим

    совпадением колебаний  обоих звуков. Если, например, один  из двух звуков

    соответствует  32 колебаниям в секунду, а другой - 40  колебаниям  ,  то

    конец четвёртого  колебания первого  звука   совпадает  с  концом  пятого

    колебания второго  звука и, таким образом происходит  усиление звука.  От

    органных труб  Савёр перешёл к экcпирементальному  исследованию колебаний

    струны, наблюдая  узлы и пучности колебаний  (эти названия,  существующие

    и до сих  пор в науке, введены им), а  также заметил, что при возбуждении

    струны наряду  с основной  нотой  звучат  и  другие  ноты,  длина   волны

    которых составляет  1/2, 1/3, 1/4, ... от основной. Он назвал  эти  ноты

    высшими гармоническими  тонами, и этому названию суждено  было остаться в

    науке. Наконец,  Савёр  первый  пытался  определить  границу  восприятия

    колебаний как   звуков:  для  низких  звуков  он  указал  границу  в  25

    колебаний в  секунду, а для высоких - 12 800.

         За тем, Ньютон,  основываясь   на  этих  экспериментальных   работах

    Савёра, дал первый  расчет длины волны звука и  пришел к  выводу,  хорошо

    известному сейчас  в физике, что для любой открытой  трубы  длина  волны

    испускаемого  звука равна удвоенной  длине   трубы.  "И  в  этом  состоят

    главнейшие звуковые  явления".

         После  экспериментальных   исследований  Савёра  к  математическому

    рассмотрению  задачи  о  колеблющейся  струне  в  1715   г.   приступил

    английский математик  Брук Тейлор, положив  этим  начало  математической

    физике в собственном  смысле слова. Ему удалось   рассчитать  зависимость

    числа колебаний  струны от её длины, веса, натяжения  и местного значения

    ускорения силы  тяжести. Эта задача сразу   же  стала   широко   известна

    и привлекла  внимание почти всех математиков  XVIII века, вызвав долгую и

    плодотворную  дискуссию. Ею занимались среди  прочих  Иоганн  Бернулли  и

    его сын Даниил  Бернулли, Риккати и Даламбер. Последний  нашел  уравнения

    в частных производных,  определяющие малые колебания  однородной  струны,

    и  проинтегрировал   их  методом,  применяемым  и   поныне.  Но  наиболее

    существенный  вклад внес Эйлер. Ему мы  обязаны полной теорией  колебаний

    струны, начало  построению которой было положено  в 1739 году в его труде

    "Опыт  новой   теории  музыки"    и    продолжалось   в   многочисленных

    последующих докладах. В  частности,  из  теории  Эйлера  вытекало,  что

    скорость распространения  волны по струне  не  зависит   от  длины  волны

    возбуждаемого  звука. Эйлер производил также  теоретические  исследования

    колебаний стержней,  колец,  колоколов,  но  полученные  результаты  не

    совпали  с   результатами   экспериментальной   проверки,   предпринятой

    немецким физиком  Эрнестом Флоресом Фридрихом  Хладни,  которого  считают

    отцом  экспериментальной   акустики.  Хладни  первым  точно   исследовал

    колебания камертона  и в 1796 году установил законы  колебаний стержней.

         Фактическое объяснение  эха,  явления  довольно  капризного,  также

    принадлежит Хладни, по крайней  мере  в  существенных  частях.  Ему  мы

    обязаны  и   новым  экспериментальным   определением   верхней   границы

    слышимости звука,  соответствующей  20  000  колебаний   в  секунду.  Эти

    измерения,  многократно   повторяемые  физиками  до  сих   пор,   весьма

    субъективны   и  зависят от интенсивности  и характера звука. Но особенно

    известны опыты  Хладни в 1787 году по  исследованию  колебаний  пластин,

    при которых  образуются красивые "акустические  фигуры", носящие названия

    фигур Хладни  и  получающиеся,  если  посыпать  колеблющуюся  пластинку

    песком.  Эти   экспериментальные  исследования  поставили  новую  задачу

    математической  физики - задачу о колебаниях мембраны.

         Хладни  начал  исследования  продольных  волн  в  твердых   телах  и

    сопоставил продольные  и  поперечные  колебания   стержня  при  различных

    способах возбуждения  (ударом, трением и др.).  Исследование  продольных

    волн  были  продолжены  экспериментально  Саваром,  а  теоретически   -

    Лапласом и  Пуассоном.

         В XVIII веке было исследовано   много  других  акустических  явлений

    (скорость распространения  звука в твердых телах и   в  газах,  резонанс,

    комбинационные  тона и  др.).  Все   они   объяснялись  движением  частей

    колеблющегося  тела и частиц среды,  в   которой  распространяется  звук.

    Иными словами,  все акустические явления   объяснялись  как  механические

    процессы.

         В 1787  году  Хладни,  основоположник   экспериментальной  акустики

    открыл продольные  колебания струн, пластин, камертонов  и колоколов.  Он

    первый достаточно  точно измерил скорость распространения  звуковых  волн

    в различных  газах. Доказал, что в твёрдых  телах  звук  распространяется

    не мгновенно,  а с конечной скоростью, и  в 1796 году определил  скорость

    звуковых волн  в твёрдых телах по отношению  звука в воздухе. Он  изобрёл

    ряд музыкальных  инструментов. В 1802 году  вышел   труд  Эрнеста  Хладни

    "Акустика", где он дал систематическое  изложение акустики.

         После Хладни французский учёный  Жан Батист Био в 1809 году  измерял

    скорость звука  в твёрдых телах.

         В  1800  году  английский   учёный   Томас   Юнг   открыл   явление

    интерференции  звука и установил принцип  суперпозиции волн.

         В 1816 году французский физик  Пьер Симон Лаплас вывел   формулу  для

    скорости звука  в газах.

         В  1827 году Ж. Колладон и Я.  Штурм провели опыт на Женевском  озере

    по определению  скорости звука в воде, получив  значение 1435 м/с.

         В 1842 году австрийский физик  Христиан Доплер  предположил   влияние

    относительного  движения  на  высоту  тона (эффект  Доплера).  А  в  1845

    году Х. Бейс-Баллот  экспериментально  обнаружил   эффект  Допплера  для

    акустических  волн.

         В  1877  году  американский  учёный  Томас  Алва   Эдисон   изобрёл

    устройство для  записи и воспроизведения звука,  который потом сам  же  в

    1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи   получил

    название механического.

         В 1880 году французские учёные  братья  Пьер  и  Поль  Кюри  сделали

    открытие,  которое   оказалось  очень   важным  для     акустики.   Они

    обнаружили, что,  если кристалл кварца сжать  с двух сторон, то на гранях

    кристалла   появляются   электрические   заряды.   Это    свойство    -

    пьезоэлектрический  эффект - для  обнаружения  не  слышимого  человеком

    ультразвука. И  наоборот, Если к  граням  кристалла  приложить переменное

    электрическое   напряжение,  то  он  начнёт   колебаться,   сжимаясь   и

    разжимаясь.

 

 

 

                          Основные понятия акустики

 

 

 

                              Звуковые частоты

 

         Колебания упругой пластинки,  зажатой  в  тисках,  имеют   тем  более

    высокую частоту,  чем короче  свободный  колеблющийся  конец  пластинки.

    Когда  частота  колебаний делается выше чем  16 Гц, мы  начинаем  слышать

    колебания этой  пластинки.

         Таким образом, звук обусловливается   механическими   колебаниями   в

    упругих средах  и телах  (твёрдых,  жидких  и   газообразных),  но  не  в

    вакууме.

         То, что воздух - проводник звука,  было доказано поставленным опытом

    Роберта Бойля  в 1660 году. Если звучащее тело,  например  электрический

    звонок, поставить  под колокол воздушного насоса, то по мере откачивания

    из под него  воздуха - звук будет делаться  слабее, и наконец, когда под