звук

1. Швидкість звуку [ правити | правити код ]
2. Гучність звуку [ правити | правити код ]
3. Поширення ультразвуку [ правити | правити код ]
4. Дифракція, інтерференція [ правити | правити код ]
5. Поглинання ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]
6. Глибина проникнення ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]
7. Розсіювання ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]
8. Переломлення ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]
9. Відображення ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]
10. Ті, що Біжать и стоячі Ультразвукові Хвилі [ правити | правити код ]

Наша сеть партнеров Banwar

звук - фізичне явище , Що представляє собою поширення у вигляді пружних хвиль механічних коливань у твердій, рідкому або газоподібному середовищі. У вузькому сенсі під звуком мають на увазі ці коливання, що розглядаються в зв'язку з тим, як вони сприймаються органами почуттів тварин [1] .

Як і будь-яка хвиля, звук характеризується амплітудою і частотою . амплітуда характеризує гучність звуку . частота визначає тон , Висоту (см. висота звуку ). Звичайна людина здатна чути звукові коливання в діапазоні частот від 16-20 Гц до 15-20 кГц [2] . Звук нижче діапазону чутності людини називають інфразвуком ; вище: до 1 ГГц, - ультразвуком , Від 1 ГГц - гіперзвуком . Гучність звуку складним чином залежить від ефективного звукового тиску, частоти і форми коливань, а висота звуку - не тільки від частоти, а й від величини звукового тиску.

Серед чутних звуків слід особливо виділити фонетичні, мовні звуки і фонеми (З яких складається усне мовлення ) і музичні звуки (З яких складається музика ). Музичні звуки містять не один, а кілька тонів, а іноді і шумові компоненти в широкому діапазоні частот.

Звукові хвилі можуть служити прикладом коливального процесу. Будь-яке коливання пов'язане з порушенням рівноважного стану системи і виражається у відхиленні її характеристик від рівноважних значень з наступним поверненням до початкового значення. Для звукових коливань такою характеристикою є тиск в точці середовища, а її відхилення - звуковим тиском .

Якщо зробити різке зміщення частинок пружного середовища в одному місці, наприклад за допомогою поршня, то в цьому місці збільшиться тиск. Завдяки пружним зв'язкам частинок тиск передається на сусідні частинки, які, в свою чергу, впливають на такі, і область підвищеного тиску як би переміщається в пружною середовищі. За областю підвищеного тиску слід область зниженого тиску, і, таким чином, утворюється ряд чергуються областей стиснення і розрідження, що поширюються в середовищі у вигляді хвилі. Кожна частинка пружного середовища в цьому випадку буде робити коливальні рухи.

У рідких і газоподібних середовищах, де відсутні значні коливання щільності, акустичні хвилі мають подовжній характер, тобто напрямок коливання частинок збігається з напрямком переміщення хвилі. У твердих тілах, крім поздовжніх деформацій, виникають також пружні деформації зсуву, що зумовлюють порушення поперечних (зсувних) хвиль; в цьому випадку частинки здійснюють коливання перпендикулярно напрямку поширення хвилі. Швидкість поширення поздовжніх хвиль значно більше швидкості поширення зсувних хвиль.

У філософії, психології та екології засобів комунікації звук досліджується в зв'язку з його впливом на сприйняття і мислення (мова йде, наприклад, про акустичний просторі як просторі, створюваному впливом електронних засобів комунікації).

коливальна швидкість вимірюється в м / с або см / с. В енергетичному відношенні реальні коливальні системи характеризуються зміною енергії внаслідок часткової її витрати на роботу проти сил тертя і випромінювання в навколишній простір. У пружною середовищі коливання поступово загасають. для характеристики згасаючих коливань використовуються коефіцієнт загасання (S), логарифмічний декремент (D) і добротність (Q).

Коефіцієнт загасання відображає швидкість спадання амплітуди з часом. Якщо позначити час, протягом якого амплітуда зменшується в е = 2,718 разів, через τ {\ displaystyle \ tau} , То:

S = 1 τ {\ displaystyle S = {\ frac {1} {\ tau}}} .

Зменшення амплітуди за один цикл характеризується логарифмічним декрементом. Логарифмічний декремент дорівнює відношенню періоду коливань до часу загасання τ {\ displaystyle \ tau} :

D = T τ {\ displaystyle D = {\ frac {T} {\ tau}}}

Якщо на коливальну систему з втратами діяти періодичної силою, то виникають вимушені коливання , Характер яких в тій чи іншій мірі повторює зміни зовнішньої сили. Частота вимушених коливань не залежить від параметрів коливальної системи. Навпаки, амплітуда залежить від маси, механічного опору та гнучкості системи. Таке явище, коли амплітуда коливальної швидкості досягає максимального значення, називається механічним резонансом. При цьому частота вимушених коливань збігається з частотою власних незгасаючих коливань механічної системи.

При частотах впливу, значно менших резонансної, зовнішня гармонійна сила врівноважується практично тільки силою пружності. При частотах збудження, близьких до резонансної, головну роль відіграють сили тертя. За умови, коли частота зовнішнього впливу значно більше резонансною, поведінка коливальної системи залежить від сили інерції або маси.

Властивість середовища проводити акустичну енергію, в тому числі і ультразвукову, характеризується акустичним опором. Акустичний опір середовища виражається ставленням звуковий щільності до об'ємної швидкості ультразвукових хвиль. Питомий акустичний опір середовища встановлюється співвідношенням амплітуди звукового тиску в середовищі до амплітуді коливальної швидкості її часток. Чим більше акустичний опір, тим вище ступінь стиснення і розрідження середовища при даній амплітуді коливання частинок середовища. Чисельно, питомий акустичний опір середовища (Z) знаходиться як добуток щільності середовища (ρ {\ displaystyle \ rho} ) На швидкість (с) поширення в ній звукових хвиль.

Z = ρ c {\ displaystyle Z = \ rho c}

Питомий акустичний опір вимірюється в паскаль - секундах на метр (Па · с / м) або дин • с / см³ (СГС); 1 Па · с / м = 10-1 дин • с / см³.

Значення питомої акустичного опору середовища часто виражається в г / с · см², причому 1 г / с · см² = 1 дин • с / см³. Акустичний опір середовища визначається поглинанням, заломленням і відбиттям ультразвукових хвиль.

Звукове, або акустичне, тиск в середовищі являє собою різницю між миттєвим значенням тиску в даній точці середовища за наявності звукових коливань і статичним тиском в тій же точці при їх відсутності. Іншими словами, звуковий тиск є змінне тиск в середовищі, обумовлене акустичними коливаннями. Максимальне значення змінного акустичного тиску (амплітуда тиску) може бути розраховане через амплітуду коливання частинок:

P = 2 π f ρ c A {\ displaystyle P = 2 \ pi f \ rho cA}

де Р - максимальне акустичний тиск (амплітуда тиску);

На відстані в половину довжини хвилі (λ / 2) значення звукового тиску з позитивного стає негативним. Різниця тисків у двох точках з максимальним і мінімальним його значенням (віддалених один від одного на λ / 2 вздовж напрямку поширення хвилі) дорівнює 2Р.

Для вираження звукового тиску в одиницях СІ використовується паскаль (Па), що дорівнює тиску в один ньютон на квадратний метр (Н / м²). Звуковий тиск в системі СГС вимірюється в дин / см²; 1 дин / см² = 10-1Па = 10-1Н / м². Поряд із зазначеними одиницями часто користуються позасистемна одиниця тиску - атмосфера (атм) і технічна атмосфера (ат), при цьому 1 ат = 0,98⋅106 дин / см² = 0,98⋅105 Н / м². Іноді застосовується одиниця, звана баром або мікробар (акустичним баром); 1 бар = 106 дин / см².

Тиск, який чиниться на частинки середовища при поширенні хвилі, є результатом дії пружних і інерційних сил. Останні викликаються прискореннями, величина яких також зростає протягом періоду від нуля до максимуму (амплітудне значення прискорення). Крім того, протягом періоду прискорення змінює свій знак.

Максимальні значення величин прискорення і тиску, що виникають в середовищі при проходженні в ній ультразвукових хвиль, для даної частки не збігаються в часі. У момент, коли перепад прискорення досягає свого максимуму, перепад тиску стає рівним нулю. Амплітудне значення прискорення (а) визначається виразом:

a = ω 2 A = (2 π f) 2 A {\ displaystyle a = \ omega ^ {2} A = (2 \ pi f) ^ {2} A}

Якщо біжать ультразвукові хвилі наштовхуються на перешкоду, воно відчуває не тільки змінне тиск, а й постійне. Виникаючі при проходженні ультразвукових хвиль ділянки згущування і розрідження середовища створюють додаткові зміни тиску в середовищі по відношенню до навколишнього її зовнішньому тиску. Таке додаткове зовнішнє тиск носить назву тиску випромінювання (радіаційного тиску). Воно служить причиною того, що при переході ультразвукових хвиль через кордон рідини з повітрям утворюються фонтанчики рідини і відбувається відрив окремих крапельок від поверхні. Цей механізм знайшов застосування в утворенні аерозолів лікарських речовин. Радіаційний тиск часто використовується при вимірюванні потужності ультразвукових коливань в спеціальних вимірниках - ультразвукових вагах.

Швидкість звуку [ правити | правити код ]

Швидкість звуку - швидкість поширення звукових хвиль в середовищі.

Як правило, в газах швидкість звуку менше, ніж в рідинах .

Швидкість звуку в повітрі залежить від температури і в нормальних умовах становить приблизно 340 м / с.

Швидкість звуку в будь-якому середовищі обчислюється за формулою:

c = 1 β ρ {\ displaystyle c = {\ sqrt {\ frac {1} {\ beta \ rho}}}} ,

де β {\ displaystyle \ beta} - адіабатична стисливість середовища; ρ {\ displaystyle \ rho} - щільність.

Гучність звуку [ правити | правити код ]

Гучність звуку - суб'єктивне сприйняття сили звуку (абсолютна величина слухового відчуття). Гучність головним чином залежить від звукового тиску , амплітуди і частоти звукових коливань. Також на гучність звуку впливають його спектральний склад, локалізація в просторі, тембр, тривалість дії звукових коливань, індивідуальна чутливість слухового аналізатора людини і інші чинники [3] [4] .

Зазвичай для генерації звуку застосовуються коливаються тіла різної природи, що викликають коливання навколишнього повітря. Прикладом такої генерації може служити використання голосових зв'язок , динаміків або камертона . більшість музичних інструментів засноване на тому ж принципі. винятком є духові інструменти , В яких звук генерується за рахунок взаємодії потоку повітря з неоднорідностями в інструменті. Для створення когерентного звуку застосовуються так звані звукові або фононні лазери [5] .

Ультразвук - пружні звукові коливання високої частоти . Людське вухо сприймає що поширюються в середовищі пружні хвилі частотою приблизно до 16 Гц-20 кГц ; коливання з більш високою частотою є ультразвук (за межею чутності).

Поширення ультразвуку [ правити | правити код ]

Поширення ультразвуку - це процес переміщення в просторі і в часі збурень, що мають місце в звуковій хвилі.

Звукова хвиля поширюється в речовині, що знаходиться в газоподібному, рідкому або твердому стані, в тому ж напрямку, в якому відбувається зсув частинок цієї речовини, тобто вона викликає деформацію середовища. Деформація полягає в тому, що відбувається послідовне розрідження і стиснення певних об'ємів середовища, причому відстань між двома сусідніми областями відповідає довжині ультразвукової хвилі. Чим більше питомий акустичний опір середовища, тим більше ступінь стиснення і розрідження середовища при даній амплітуді коливань.

Частинки середовища, що беруть участь в передачі енергії хвилі, коливаються біля положення своєї рівноваги. Швидкість, з якою частинки коливаються біля середнього положення рівноваги називається коливальної швидкістю. Коливальна швидкість часток змінюється відповідно до рівняння:

V = U sin ⁡ (2 π f t + G) {\ displaystyle V = U \ sin (2 \ pi ft + G)} ,

де V - величина швидкості коливань;

• U - амплітуда коливальної швидкості;
• f - частота ультразвуку;
• t - час;
• G - різниця фаз між коливальної швидкістю частинок і змінним акустичним тиском.

Амплітуда коливальної швидкості характеризує максимальну швидкість, з якою частинки середовища рухаються в процесі коливань, і визначається частотою коливань і амплітудою зміщення частинок середовища.

U = 2 π f A {\ displaystyle U = 2 \ pi fA} ,

Дифракція, інтерференція [ правити | правити код ]

При поширенні ультразвукових хвиль можливі явища дифракції, інтерференції і відображення.

Дифракція (огибание хвилями перешкод) має місце тоді, коли довжина ультразвукової хвилі порівнянна (або більше) з розмірами знаходиться на шляху перешкоди. Якщо перешкода в порівнянні з довжиною акустичної хвилі велика, то явища дифракції немає.

При одночасному русі в середовищі кількох ультразвукових хвиль в кожній певній точці середовища відбувається суперпозиція (накладення) цих хвиль. Накладення хвиль однакової частоти друг на друга називається інтерференцією. Якщо в процесі проходження через об'єкт ультразвукові хвилі перетинаються, то в певних точках середовища спостерігається посилення або ослаблення коливань. При цьому стан точки середовища, де відбувається взаємодія, залежить від співвідношення фаз ультразвукових коливань в даній точці. Якщо ультразвукові хвилі досягають певної ділянки середовища в однакових фазах (синфазно), то зміщення частинок мають однакові знаки і інтерференція в таких умовах призводить до збільшення амплітуди коливань. Якщо ж хвилі приходять до точки середовища в протифазі, то зсув частинок буде різноспрямованим, що призводить до зменшення амплітуди коливань.

Поглинання ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]

Оскільки середовище, в якій поширюється ультразвук, володіє в'язкістю, теплопровідністю і має інші причини внутрішнього тертя, то при поширенні хвилі відбувається поглинання, тобто в міру віддалення від джерела амплітуда і енергія ультразвукових коливань стають менше. Середовище, в якому поширюється ультразвук, вступає у взаємодію з проходить через нього енергією і частина її поглинає. Переважна частина поглиненої енергії перетворюється в тепло, менша частина викликає в передавальному речовині незворотні структурні зміни. Поглинання є результатом тертя часток один про одного, в різних середовищах воно різне. Поглинання залежить також від частоти ультразвукових коливань. Теоретично, поглинання пропорційно квадрату частоти.

Величину поглинання можна характеризувати коефіцієнтом поглинання, який показує, як змінюється інтенсивність ультразвуку в опромінюється середовищі. З ростом частоти він збільшується. Інтенсивність ультразвукових коливань в середовищі зменшується за експоненціальним законом. Цей процес обумовлений внутрішнім тертям, теплопровідністю поглинаючого середовища і її структурою. Його орієнтовно характеризує величина полупоглощающего шару, яка показує на якій глибині інтенсивність коливань зменшується в два рази (точніше в 2,718 рази або на 63%). За Пальману, при частоті, рівній 0,8 МГц, середні величини полупоглощающего шару для деяких тканин такі: жирова тканина - 6,8 см; м'язова - 3,6 см; жирова і м'язова тканини разом - 4,9 см. Зі збільшенням частоти ультразвуку величина полупоглощающего шару зменшується. Так, при частоті, рівній 2,4 МГц, інтенсивність ультразвуку, що проходить через жирову і м'язову тканини, зменшується в два рази на глибині 1,5 см.

Крім того, можливо аномальне поглинання енергії ультразвукових коливань в деяких діапазонах частот - це залежить від особливостей молекулярної будови даної тканини. Відомо, що 2/3 енергії ультразвуку загасає на молекулярному рівні і 1/3 на рівні мікроскопічних тканинних структур.

Глибина проникнення ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]

Під глибиною проникнення ультразвуку розуміють глибину, при якій інтенсивність зменшується вдвічі. Ця величина обернено пропорційна поглинанню: чим сильні серед поглинає ультразвук, тим менше відстань, на якому інтенсивність ультразвуку послаблюється наполовину.

Розсіювання ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]

Якщо в середовищі є неоднорідності, то відбувається розсіювання звуку, яке може суттєво змінити просту картину поширення ультразвуку і, в кінцевому рахунку, також викликати затухання хвилі в первісному напрямку поширення.

Переломлення ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]

Так як акустичне опір м'яких тканин людини не набагато відрізняється від опору води, можна припускати, що на кордоні розділу середовищ (епідерміс - дерма - фасція - м'яз) буде спостерігатися переломлення ультразвукових хвиль.

Відображення ультразвукових хвиль [ правити | правити код ]

На явищі відображення заснована ультразвукова діагностика. Відображення відбувається в прикордонних областях шкіри і жиру, жиру і м'язів, м'язів і кісток. Якщо ультразвук при поширенні наштовхується на перешкоду, то відбувається відображення, якщо перешкода мало, то ультразвук його як би обтікає. Неоднорідності організму не викликають значних відхилень, тому що в порівнянні з довжиною хвилі (2 мм) їх розмірами (0,1-0,2 мм) можна знехтувати. Якщо ультразвук на своєму шляху наштовхується на органи, розміри яких більше довжини хвилі, то відбувається заломлення та відбиття ультразвуку. Найбільш сильне відображення спостерігається на кордонах кістка - навколишні її тканини і тканини - повітря. У повітря мала щільність і спостерігається практично повне відображення ультразвуку. Відображення ультразвукових хвиль спостерігається на кордоні м'яз - окістя - кістка, на поверхні порожнистих органів.

Ті, що Біжать и стоячі Ультразвукові Хвилі [ правити | правити код ]

Відеоурок: Виникнення звуку

Если при пошіренні ультразвукових хвилях в середовіщі НЕ відбувається їх відображення, утворюються Біжать Хвилі. В результаті втрат енергії коливальні рухи частинок середовища поступово згасають, і чим далі розташовані частинки від випромінюючої поверхні, тим менше амплітуда їх коливань. Якщо ж на шляху поширення ультразвукових хвиль є тканини з різними питомими акустичними опорами, то в тій чи іншій мірі відбувається відображення ультразвукових хвиль від прикордонного розділу. Накладення падаючих і відбиваються ультразвукових хвиль може призводити до виникнення стоячих хвиль. Для виникнення стоячих хвиль відстань від поверхні випромінювача до поверхні, що відбиває повинно бути кратним половині довжини хвилі.

Інфразвук (від лат. infra - нижче, під) - звукові коливання, що мають частоти нижче сприймаються людським вухом. За верхню межу частотного діапазону інфразвуку зазвичай приймають 16-25 Гц. Нижня ж межа инфразвукового діапазону умовно визначена як 0,001 Гц . Практичний інтерес можуть представляти коливання від десятих і навіть сотих часток герц, тобто з періодами в десяток секунд.

Оскільки природа виникнення інфразвукових коливань така ж, як і в чутного звуку, інфразвук підпорядковується тим самим закономірностям, і для його опису використовується той самий математичний апарат, як і для звичайного чутного звуку (крім понять, пов'язаних з рівнем звуку). Інфразвук слабо поглинається середовищем, тому може поширюватися на значні відстані від джерела. Через дуже великий довжини хвилі яскраво виражена діфракція .

Інфразвук, що утворюється в море, називають однією з можливих причин перебування суден, покинутих екіпажем [6] .

Для демонстрації стоячих хвиль звуку служить труба Рубенса .

Різниця в швидкостях поширення звуку наочно, коли вдихають замість повітря гелій, і говорять щось, видихаючи їм, - голос стає вище. Якщо ж газ - гексафторид сірки SF6, то голос звучить нижче [7] . Пов'язано це з тим, що гази приблизно однаково добре стискувані, тому в володіє дуже низькою щільністю гелії в порівнянні з повітрям відбувається збільшення швидкості звуку, і зниження - в гексафторид сірки з дуже високою для газів щільністю, розміри ж ротового резонатора людини залишаються незмінними, в підсумку змінюється резонансна частота, тому що чим вище швидкість звуку, тим вище резонансна частота при інших незмінних умовах.

Про швидкості звуку в воді можна візуально отримати уявлення в досвіді дифракції світла на ультразвуку у воді . У воді в порівнянні з повітрям, швидкість звуку вище, так як навіть при істотно більш високої щільності води (що мало б привести до падіння швидкості звуку), вода настільки погано стисливість, що в результаті в ній швидкість звуку виявляється все одно в кілька разів вище.

У 2014 році була представлена ​​установка, яка звуковими хвилями піднімає сантиметрові предмети [8] .