Звукові хвилі

Фізика

Реферат

з фізики

на тему:

"Звукові хвилі"

Виконавець: учень 9В класу середньої школи NO 134

Хрістанов Степан

Керівник: Оржаннікова

Марина Михайлівна

Єкатеринбург, 1997 р.

Зміст

Вступ ................................... 3

Історична довідка ............. 5

Основні поняття акустики .. 9

Звукові частоти ............. ............... 9

Звукові явища ......................... ...... 9

Властивості звуку ................................ 11

Швидкість поширення звуку .. 14

Музична акустика ... ... ... ... ... ... 15

Резонанс в акустиці .......... .............. 17

Аналіз і синтез звуку ..................... 19

Ефект Доплера в акустиці ......... 20

Звукові удари ...................... .......... 20

Шуми ............................... .................. 2

Ультразвуки і інфразвуки ............. .22

Застосування звукових хвиль .... 24

Звукозапис і фонограф Едісона.24

Звуолокація ............ ........................ 25

Застосування ультра та інфразвуку ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 26

Ультразвукова обробка ........... 27

Введення

Світ, що оточує нас, можна назвати світом звуків. Звучать навколо нас голоси людей і музика, шум вітру і щебет птахів, гуркіт моторів і шелест листя. За допомогою мови люди спілкуються, за допомогою слуху отримують інформацію про навколишній світ. Не менше значення має звук для тварин. З точки зору фізики, звук - це механічні коливання, які поширюються в пружної середовищі: повітрі, воді, твердому тілі і т.п.

Здатність людини сприймати пружні коливання, слухати їх відбилися в назві вчення про звук -- акустика (від грецького akustikos - слуховий, чутний). Взагалі людське вухо чує звук лише тоді, коли на слуховий апарат вуха діють механічні коливання з частотою не нижче 16 Гц але не вище 20 000 Гц. Коливання ж з більш низькими або з більш високими частотами для людського вуха нечутні.

Питання, якими займається акустика, дуже різноманітні.

Деякі з них пов'язані з властивостями і особливостями нашого слуху.

Предметом фізіологічної акустики і є сам орган слуху, його пристрій і дію.

Архітектурна акустика вивчає поширення звуку в приміщеннях, вплив на звук розмірів і форми приміщень, властивостей матеріалів, що покривають стіни і стелі , і т.д. При цьому знову мається на увазі слухове сприйняття звуку.

Музична акустика досліджує музичні інструменти та умови їх найкращого звучання.

Фізична акустика займається вивченням самих звукових коливань, а за останній час охопила і коливання , що лежать за межами чутності (ультраакустіка). Вона широко використовує різноманітні методи для перетворення механічних коливань в електричні і назад

(Електроакустика).

Стосовно до звукових коливань до числа завдань фізичної акустики входить і з'ясування фізичних явищ, що обумовлюють ті чи інші якості звуку, розрізняє на слух.

Історична довідка

Звуки почали вивчати ще в далекій давнині. Перші спостереження за акустики були проведені в VI столітті до нашої ери. Піфагор встановив зв'язок між висотою тону і довжиною струни або труби видавати звуки.

У IV ст. до н.е. Аристотель першим правильно уявив, як поширюється звук у повітрі. Він сказав, що звучить тіло викликає стискання і розрідження повітря і пояснив луну відбиттям звуку від перешкод.

У XV столітті Леонардо да Вінчі сформулював принцип незалежності звукових хвиль від різних джерел.

В 1660 році в дослідах Роберта Бойля було доведено, що повітря є провідником звуку (в вакуумі звук не поширюється).

У 1700 - 1707 рр.. вийшли вийшли мемуари Жозефа Саверіо з акустики, опубліковані Паризькою Академією наук. У цих мемуарах Саверіо розглядає явище, добре відоме конструкторам органів: якщо дві труби органу видають одночасно два звуки, лише трохи відрізняються по висоті, то чутно періодичні посилення звуку, подібні барабанного дробу. Саверіо пояснив це явище періодичним збігом коливань обох звуків. Якщо, наприклад, одна з двох звуків відповідає 32 коливань у секунду, а інший - 40 коливань, то кінець четвертого коливання першого звуку збігається з кінцем п'ятий коливання другу звуку і, таким чином відбувається посилення звуку. Від органних труб Саверіо перейшов до екcпірементальному дослідженню коливань струни, спостерігаючи вузли та пучності коливань (ці назви, які існують і досі в науці, введені їм), а також зауважив, що при порушенні струни поряд з основною нотою лунають і інші ноти, довжина хвилі яких становить 1/2, 1/3, 1/4, ... від основної. Він назвав ці ноти вищими гармонійними тонами, і цей титул судилося залишитися в науці. Нарешті, Саверіо перших намагався визначити межу сприйняття коливань як звуків: для низьких звуків він вказав кордон у 25 коливань у секунду, а для високих - 12 800.

За тим, Ньютон, грунтуючись на цих експериментальних роботах

Саверіо, дав перший розрахунок довжини хвилі звуку і прийшов до висновку, добре відомому зараз у фізиці, що для будь-якої відкритої труби довжина хвилі випускається звуку дорівнює подвоєною довжині труби. "І в цьому складаються найголовніші звукові явища".

Після експериментальних досліджень Саверіо до математичного розгляду задачі про коливається струні в 1715 році приступив англійський математик Брук Тейлор, поклавши цим початок математичної фізики у власному розумінні слова. Йому вдалося розрахувати залежність числа коливань струни від її довжини, ваги, натягу та місцевого значення прискорення сили тяжіння. Це завдання відразу ж стала широко відома і привернула увагу майже всіх математиків XVIII століття, викликавши довгу і плідну дискусію. Нею займалися серед інших Йоганн Бернуллі та його син Данило Бернуллі, Ріккаті і Даламбер. Останній знайшов рівняння з частинними похідними, що визначають малі коливання однорідної струни, і проінтегрувати їх методом, вживаним і понині. Але найбільш істотний внесок зробив Ейлер. Йому ми зобов'язані повною теорією коливань струни, початок побудови якої було покладено в 1739 році в його праці

"Досвід нової теорії музики" і продовжувалося в численних подальших доповідях. Зокрема, з теорії Ейлера випливало, що швидкість поширення хвилі по струні не залежить від довжини хвилі збуджуваного звуку. Ейлер виробляв також теоретичні дослідження коливань стрижнів, кілець, дзвонів, але отримані результати не збіглися з результатами експериментальної перевірки, здійсненої німецьким фізиком Ернестом Флорес Фрідріхом Хладні, якого вважають батьком експериментальної акустики. Хладні першим точно досліджував коливання камертона і в 1796 році встановив закони коливань стрижнів.

Фактичне пояснення луни, явища досить примхливого, також належить Хладні, принаймні в істотних частинах. Йому ми зобов'язані і новим експериментальним визначенням верхньої межі чутності звуку, що відповідає 20 000 коливань у секунду. Ці вимірювання, неодноразово повторені фізиками до сих пір, вельми суб'єктивні й залежать від інтенсивності і характеру звуку. Але особливо відомі досліди Хладні в 1787 році по дослідженню коливань пластин, при яких утворюються красиві "акустичні фігури", що носять назви фігур Хладні і виходять, якщо посипати коливається платівку піском. Ці експериментальні дослідження поставили нове завдання математичної фізики - задачу про коливання мембрани.

Хладні почав дослідження поздовжніх хвиль у твердих тілах і зіставив поздовжні і поперечні коливання стрижня при різних способах збудження (ударом, тертям та ін.) Дослідження поздовжніх хвиль були продовжені експериментально Саварен, а теоретично -

Лапласа і Пуассона.

У XVIII столітті було досліджено багато інших акустичних явищ

(швидкість поширення звуку у твердих тілах і в газах, резонанс, комбінаційні тону та ін.) Всі вони пояснювалися рухом частин вагається тіла і частинок середовища, в якому розповсюджується звук.

Іншими словами, всі акустичні явища пояснювалися як механічні процеси.

У 1787 році Хладні, основоположник експериментальної акустики відкрив поздовжні коливання струн, пластин, камертонів і дзвонів. Він першим досить точно виміряв швидкість поширення звукових хвиль в різних газах. Довів, що в твердих тілах звук поширюється не миттєво, а з кінцевою швидкістю, і в 1796 році визначив швидкість звукових хвиль у твердих тілах стосовно звуку в повітрі. Він винайшов ряд музичних інструментів. У 1802 році вийшла праця Ернеста Хладні

"Акустика", де він дав систематичний виклад акустики.

Після Хладні французький вчений Жан Батіст Біо в 1809 році вимірював швидкість звуку в твердих тілах.

У 1800 році англійський учений Томас Юнг відкрив явище інтерференції звуку і встановив принцип суперпозиції хвиль.

У 1816 році французький фізик П'єр Симон Лаплас вивів формулу для швидкості звуку в газах.

У 1827 році Ж. Колладон і Я. Штурм провели досвід на Женевському озері з визначення швидкості звуку у воді, отримавши значення 1435 м/с.

У 1842 році австрійський фізик Християн Доплера припустив вплив відносного руху на висоту тону (ефект Доплера). А в 1845 році Х. Бейс-Баллот експериментально виявив ефект Допплера для акустичних хвиль.

У 1877 році американський учений Томас Алва Едісон винайшов пристрій для запису і відтворення звуку, який потім сам же в < p> 1889 удосконалив. Винайдений ним спосіб звукозапису отримав назву механічного.

У 1880 році французькі вчені брати П'єр і Поль Кюрі зробили відкриття, яке виявилося дуже важливим для акустики. Вони виявили, що, якщо кристал кварцу стиснути з двох сторін, то на гранях кристала з'являються електричні заряди. Це властивість - п'єзоелектричний ефект - для виявлення не чутного людиною ультразвуку. І навпаки, Якщо до гранях кристала докласти змінна електрична напруга, то він почне коливатися, стискаючи й розтискаючи.

Основні поняття акустики

Звукові частоти

Коливання пружної платівки , затиснута в лещатах, мають тим більш високу частоту, чим коротше вільний коливний кінець платівки.

Коли частота коливань робиться вище ніж 16 Гц, ми починаємо чути коливання цієї платівки.

Таким чином , звук обумовлюється механічними коливаннями в пружних середовищах і тілах (твердих, рідких і газоподібних), але не у вакуумі.

Те, що повітря - провідник звуку, було доведено поставленим досвідом

Роберта Бойля в 1660 році. Якщо звучить тіло, наприклад електричний дзвінок, поставити під дзвін повітряного насоса, то в міру відкачування з під нього повітря - звук буде робитися слабше, і нарешті, коли під дзвоном все повітря скінчиться, то звук припиниться.

При своїх коливаннях тіло поперемінно то стискає шар повітря, що прилягає до його поверхні, то, навпаки, створює розрідження в цьому шарі. Таким чином, поширення звуку в повітрі починається з коливань щільності повітря біля поверхні коливається тіла.

Звукові явища.

При поширенні звукової хвилі відбувається загасання звуку, пов'язане з різними незворотними процесами. Частина енергії, яка переноситься звуковими хвилями, поглинається середовищем.

Величина, що дорівнює відношенню поглинутої звукової енергії до звукової енергії, що надходить в середу, називається коефіцієнтом поглинання.

Коефіцієнт поглинання залежить від внутрішнього тертя (в'язкості) поглинаючої середовища і від її теплопровідності. Він так само залежить від швидкості поширення звуку в цьому середовищі, від щільності середовища і частоти звукової хвилі.

Звукова хвиля, поширюючи в деякому середовищі, коли-небудь доходить до межі цього середовища, за якою починається інше середовище, що складається з інших часток, в якій і швидкість звуку інша. На такий кордоні відбувається явище відбиття звукової хвилі. При цьому згущення частинок перетворюється в розрідження, а розрідження - у згущення.

Відбувається це тому, що коливання, принесені хвилею до кордону, передаються частками другого середовища і вони самі стають джерелом нової звукової хвилі. Ця вторинна хвиля поширюється не тільки в другій середовищі, але і в першій, звідки прийшла первинна хвиля. Це і є відбита хвиля.

На кордоні двох середовищ відбувається часткове поглинання та проходження звуку в інше середовище. Частка відображеної енергії звукової хвилі залежить в основному від співвідношення густин цих середовищ і стану поверхні розділу. Відображення звуку, що поширюється в повітрі, від твердого тіла або рідкої поверхні відбувається практично повністю. Звук, що поширюється в щільному середовищі, також практично повністю відбивається на межі розділу з повітрям.

Якщо перешкода є більш щільну середу, то при відображенні відбувається втрата напівхвилі. У великому приміщенні після кожного звуку виникає гул, який є результатом накладення звукових хвиль, відбитих від різних перешкод в цьому приміщенні.

Наприклад від стін, стелі, колони тощо. Це явище називається реверберацією. Якщо в приміщенні багато що відображають поверхонь, особливо м'яких, сильно поглинають звук, то реверберація відсутній. Явище реверберації враховують в архітектурі, при проектуванні великих залів, домагаючись певної забарвлення звуку, який здобуває м'якість і об'ємність.

З явищем відображення звуку пов'язано таке відоме явище, як луна. Воно полягає в тому, що звук від джерела доходить до якогось перешкоди, що і є кордоном двох середовищ, відбивається від нього, і повертається до місця, де ця звукова хвиля виникла. І якщо первинний звук і звук відбитий доходять до слухача не одночасно, то він чує звук двічі. Звук може випробувати і кілька відображень.

Тоді можна почути звук багато разів. Наприклад гуркіт грому.

При відображенні звукової хвилі від менш щільного середовища, наприклад легкі гази, звукова хвиля, що розповсюджується в повітрі, проходить через неї, залучаючи частки цього середовища в хвильовий рух і частково відбиваючись.

Величина, що дорівнює відношенню відбитого потоку звукової енергії до падаючого потоку звукової енергії, називається коефіцієнтом відбиття.

Величина, що дорівнює відношенню проходить потоку звукової енергії до падаючого потоку звукової енергії, називається коефіцієнтом пропускання.

Для звукових хвиль виконуються закони відбиття і заломлення, аналогічні законам відбиття і заломлення світла.

Властивості звуку.

Відчуття звуку викликається звуковими хвилями, що досягають органів слуху - вуха. Найважливіша частина цього органу - барабанна перетинка.

що прийшла до неї звукова хвиля викликає вимушені коливання барабанної перетинки з частотою коливань у хвилі. Вони сприймаються мозком як звук.

Звуки бувають різні. Ми легко розрізняємо свист і дріб барабана, чоловічий голос (бас) від жіночого (сопрано).

Про одних звуках говорять, що вони низького тону, інші ми називаємо звуками високого тону. Вухо їх легко розрізняє. Звук, що створюється великим барабаном, це звук низького тону, свист - звук високого тону.

Прості вимірювання (розгорнення коливань) показують, що звуки низьких тонів - це коливання малої частоти в звукової хвилі. Звуку високого тону відповідає велика частота коливань. Частота коливань в звукової хвилі визначає тон звуку.

Існують особливі джерела звуку, що випускають єдину частоту, так званий чистий тон. Це камертон різних розмірів

- прості пристрої, що представляють собою зігнуті металеві стрижні на ніжках. Чим більше розміри камертону, тим нижче звук, який він випускає при ударі по ньому.

Якщо взяти кілька камертонів різного розміру, то не представить праці розташувати їх на слух в порядку зростання висоти звуку. Тим самим вони виявляться розташованими і за розміром: найбільший камертон дає низький звук, а маленький - найбільш високий.

Звуки навіть одного тону можуть бути різної гучності. Гучність звуку пов'язана з енергією коливань у походженні та у хвилі. Енергія ж коливань визначається амплітудою коливань. Гучність, отже, залежить від амплітуди коливань. Але зв'язок між гучністю звуку і амплітудою коливань не проста.

Самий слабкий ще чутний звук, що дійшов до барабанної перетинки, приносить в 1 секунду енергію, що дорівнює приблизно 10-16 Дж, а найгучніший звук (звук реактивного ракетного двигуна в декількох метрах від нього) - близько 10-4 Дж. Отже, за потужністю найгучніший звук приблизно в тисячу мільярдів разів перевершує найслабший.

Інтенсивності звуку при слуховому сприйнятті відповідає відчуття гучності звуку. При?? пределенной мінімальної інтенсивності людське вухо не сприймає звуку. Ця мінімальна інтенсивність називається порогом чутності. Поріг чутності має різні значення для різних частот. При великій інтенсивності вухо відчуває болюче відчуття. Найбільша інтенсивність при больовому сприйнятті звуку називається порогом больового відчуття.

Рівень інтенсивності звуку визначається в децибелах (дБ).

Наприклад, гучність звуку, шелесту листя оцінюється в 10 дБ, шепоту -

20 дБ, вуличного шуму - 70 дБ. Шум гучністю 130 дБ відчувається шкірою і викликає відчуття болю.

Кількість децибел одно десятичному логарифму відносини інтенсивностей, помноженому на 10, тобто 10 lg. (I/I0).

Зазвичай в акустиці за I0 приймається інтенсивність рівна 1 пДж (м

? С), приблизно рівна інтенсивності на порозі чутності при

1000 Гц.

Найпростіші спостереження показують, що гучність тону будь-якої даної висоти визначається амплітудою коливань. Звук камертона після удару по ньому поступово вщухає. Це відбувається разом з загасанням коливань, тобто зі зменшенням їхньої амплітуди. Вдаривши камертон сильніше, тобто повідомивши коливань велику амплітуду, ми почуємо більш гучний звук, ніж при слабкому ударі. Те саме можна спостерігати і з струною, і взагалі з будь-яким іншим джерелом звуку.

До таких же висновків можна прийти, користуючись не камертонами, а спрощену сиреною - обертовим диском з отворами, через які продувається струмінь повітря. Підвищуючи натиск струменя повітря, ми підсилюємо коливання щільності повітря позаду отворів. При цьому звук, зберігаючи одну й ту ж висоту, робиться голосніше. Прискорюючи обертання диска, ми зменшуємо період переривань повітряного струменя. Разом з тим звук, не змінюючись за гучністю, підвищується. Можна також зробити в диску два або більше рядів отворів з різною кількістю отворів у кожному рядку.

продування повітря через кожен з лав дає тим більш високий звук, чим більше отворів у цьому ряду, тобто чим коротше період переривань.

Але, взявши як джерело звуку сирену, можна отримати хоч і періодичне, але вже негармоніческое коливання: щільність повітря в переривчастою струмені змінюється різкими поштовхами. На ряду з цим і звук сирени, хоча і є музичним, але зовсім не схожий на тон камертону. Можна підібрати висоту звуку сирени такий же, як і у будь-якого з камертонів. При цьому і гучність звуку можна зробити однаковою. Тим не менш легко можна відрізнити звук камертона від звуку сирени.

Таким чином, якщо коливання не є гармонійним, то на слух воно має ще одну якість, крім висоти й гучності, а саме - специфічний відтінок, званий тембром . За різного тембром ми легко розпізнаємо звук голосу, свист, звучання струни рояля, скрипкової струни, звук флейти, гармонії і т.д., хоча всі ці звуки мали б одну й ту ж висоту і гучність. За тембром ми можемо дізнатися голоси різних людей.

Дослідження питання, з чим пов'язаний тембр звуку, показало, що для нашого вуха істотні тільки частоти і амплітуди тонів, що входять до складу звуку, тобто тембр звуку визначається його гармонійним спектром. Зрушення окремих тонів за часом, іншими словами, зміни фаз тонів, ніяк не сприймаються на слух, хоча можуть дуже сильно змінювати форму результуючого коливання. Таким чином, один і той самий звук може сприйматися при дуже різних формах коливання.

Важливо тільки, щоб зберігався спектр, тобто частоти і амплітуди складових тонів.

Швидкість поширення звуку.

У тому, що поширення звукових хвиль відбувається не миттєво, можна побачити з найпростіших спостережень. Якщо в дали відбувається гроза, постріл, вибух, свисток паровоза, удар сокирою і т.п., то спочатку всі ці явища видно, а тільки потім, через деякий час, чути звук.

Як і всяка хвиля , звукова хвиля характеризується швидкістю поширення коливань у ній. Швидкість поширення фази хвилі в пружної середовищі рідини або газу залежить від стисливості і щільності цього середовища. У рідинах і газах звук поширюється з постійним тиском і його швидкість пропорційна кореню квадратному з абсолютної температури газу T. У сухому повітрі, що містить 0,03% вуглецю, при температурі 0 0C швидкість звуку дорівнює 331,5 м/с, а з підвищенням температури збільшується:

____ v = 331,1? ? T, де? '1/273 - коефіцієнт розширення газу. У воді звук поширюється приблизно в 4,25 рази швидше, ніж у повітрі, а в твердих тілах - ще швидше (близько 5? 103 - 6? 103 м/с).

З довжиною хвилі? і частотою коливань? швидкість звукової хвилі v пов'язана формулою:

v '??.

Швидкість звуку різна в різних середовищах. Наприклад у водні швидкість поширення звукових хвиль будь-якої довжини дорівнює 1284 м/c, в гумі - 1800 м/с, а в залозі - 5850 м/c.

Музична акустика.

Реальний звук є накладенням гармонійних коливань з набором частот, який визначає акустичний спектр звукової хвилі.

Розрізняють три види звукових коливань: музичні звуки, звукові удари і шуми. Періодичні коливання певної частоти викликають простий музичний тон. Складні музичні звуки - це поєднання окремих тонів. Тон, що відповідає найменшій частоті складного музичного звуку, називають основним тоном, а інші тони - обертонами. Якщо частота обертони кратна частоті основного тону, то обертон називають гармонійним. При цьому основний тон з мінімальною частотою? 0 називають першим гармонікою, обертон, з частотою 2? 0 - другий гармонікою і т.д.

Відносна інтенсивність, звукової хвилі а так же характер наростання і спаду їх амплітуд у час загасання, визначають забарвлення

(або тембр) звуку. Різні музичні інструменти (рояль, скрипка флейта тощо) відрізняються тембром що видаються цими інструментами звуків. Сукупність звуків різної висоти якими користуються в музиці, становить музичний лад. Відносний музичний стрій складається зі звуків, що перебувають у певних співвідношеннях. Якщо звуки музичного ладу задані висотою вихідного тони, з якого починається настроювання інструментів, то такий лад називають абсолютним. Оригінальний

(стандартний) тон в європейському абсолютному музичному ладі дорівнює

440 Гц (звук "ля" першої октави). Відносна різниця у висоті двох тонів, обумовлене співвідношенням між частотами цих тонів, називають інтервалом. Співвідношення частот 2: 1 визначає октаву, 5: 4

- велику терцію, 4: 3 - кварту, 3: 2 - квінту.

Якщо довжина струни гітари дорівнює L, то виникла хвиля повинна пройти шлях 2L, щоб повернутися у вихідне положення, маючи початковий напрямок руху і початкову форму після двох відбитків від обох кінців. Якщо v - швидкість хвилі, то відстань 2L хвиля буде пробігати? раз в секунду, причому

? '----

Частота? - Це висота тону струни. Якщо притиснути пальцем струну до грифа гітари, поклавши палець на лад, який прискорить вільну частину струни в 2 рази, то і висота тону подвоїться. Нота підвищиться на октаву, що відповідає подвоєння частоти.

Відношення висот півтонів одно кореня дванадцятий ступеня з двох.

Цим і визначається розташування ладів на грифі гітари. Відношення відстаней L1 і L2 від підставки на деці до будь-яких двох сусідніх тонів на грифі гітари одно

L2 12 _

------ =? 2 = 0,05946

У прийнятій європейській музичній практиці октава ділиться на 12 рівних інтервалів, які складають рівномірно темперований лад. Відношення частот послідовних півтонів

12___

? N:? N +1 =? 2: 1

Крім темперованого ладу розрізняють два точних ладу - піфагорейський і чистий, в основі яких лежать інтервали, частотні коефіцієнти яких представляють собою стосунки першого сусідніх чисел натурального ряду. Піфагорійський лад заснований на октаві і чистої Квінті з частотним коефіцієнтом 3: 2, а чистий лад - на октаві, квінта і великої терції з частотним коефіцієнтом 5: 4.

Піфагорійський лад більш виразно передає мелодію, а чистий краще відповідає акордової музиці. Для виконання складної музики використовують компромісно темперований стрій і рівномірно-темперований 12-ступінчастий музичний лад.

Музика інших, неєвропейських народів відрізняється іншими інтервальними співвідношеннями і іншим числом звуків у октаві.

Резонанс в акустиці.

Звукові коливання, які приносять звуковою хвилею, можуть служити змушує, періодично змінюється силою для коливальних систем і викликати в цих системах явище резонансу, тобто змусити їх звучати. Такий резонанс називається акустичним резонансом. Резонансні явища можна спостерігати на механічних коливаннях будь-якої частоти. Оскільки камертон сам по собі дає дуже слабкий звук, тому, що площа поверхні вагається гілок камертону, що стикаються з повітрям, дуже мала і у коливальний рух приходить занадто мало частинок повітря, то камертон зазвичай зміцнюють на дерев'яному ящику, підібраному так щоб частота його власних коливань була дорівнює частоті звуку, що створюється камертоном. Ящики підсилюють звук, внаслідок резонансу між камертоном і стовпом повітря, укладеного у ящику. Цей ящик з камертоном називається резонатором або резонансним скринькою.

Приклад акустичного резонансу можна спостерігати в наступному досвіді. Роль скриньок в цьому досвіді суто допоміжна.

Поставимо поруч два однакових камертону, звернувши отвори ящиків, на яких вони укріплені, один до одного. Ударимо один з камертонів і потім приглушить його пальцями. Ми почуємо, як звучить другий камертон.

Візьмемо два різних камертону, тобто з різною висотою тону, і повторимо досвід. Тепер кожний з камертонів не буде відгукуватися на звук іншого камертону.

Цей результат пояснюється тим, що коливання одного камертона діють через повітря з деякою силою на другому камертон, змушуючи його робити вимушені коливання. Так як перший камертон здійснює гармонійне коливання, то й сила, яка діє на другий камертон, буде змінюватися за законом гармонійного коливання з частотою перший камертону. Якщо частота сили та ж, що і власна сила другу камертону, то другий камертон починає сильно розгойдуватися. Це явище називається акустичним резонансом. Якщо ж частота сили інша, то вимушені коливання другу камертона будуть настільки слабкими, що їх буде неможливо почути.

Так як камертон мають не дуже велике загасанням, то у них резонанс буде дуже сильно виражений (гострий резонанс). Тому вже невелика різниця між частотами камертонів призводить до того, що один камертон перестає відгукуватися на коливання іншого. Достатньо, наприклад, приклеїти до гілок одного з двох камертонів шматочки пластиліну або воску, і камертон вже будуть засмучені, резонансу не буде.

Якщо звук являє собою ноту, тобто періодичне коливання, але не є тоном (гармонійним коливанням), то це означає, що він складається з суми двох тонів: основного, найбільш низького і обертонів. На такий звук камертон повинен резонувати кожного разу, коли частота камертона збігається з частотою якої-небудь однієї з власних частот коливальні системи. Досвід можна зробити зі спрощеної сиреною і камертоном, при цьому поставивши отвір резонатора камертона проти переривчастою повітряного струменя сирени. Якщо частота камертона дорівнює 300 Гц, то, можна легко переконатися, що він буде відгукуватися на звук сирени не тільки при 300 переривання в секунду

(резонанс на основний тон сирени), але і при 150 переривання - резонанс на перший обертон сирени, і при 100 переривання - резонанс на другому обертон сирени, і так далі.

Якщо у піаніно натиснути на педаль і сильно крикнути на нього, то від нього можна буде почути відгомін, який буде чується якийсь час, з тоном (частотою) дуже схожим на початковий звук.

Аналіз і синтез звуку.

За допомогою наборів акустичних резонаторів можна встановити, які тони входять до складу даного звуку і з якими амплітудами вони присутні в цьому звуці. Таке встановлення гармонійного спектру складного звуку називається його гармонійним аналізом. Раніше такий аналіз дійсно проводився за допомогою наборів резонаторів, зокрема резонаторів Гельмгольца, що представляють собою порожнисті кулі різного розміру, забезпечені відростком, вставляються у вухо, і які мають отвір з протилежного боку.

Для аналізу звуку істотно те, що кожного разу, коли в аналізованому звуці міститься тон з частотою резонатора, резонатор починає голосно звучати в цьому тоні.

Такі способи аналізу дуже неточні і копіткі. В даний час вони витіснені значно більш досконалими, точними і швидкими електроакустичними способами. Суть їх зводиться до того, що акустичне коливання спочатку перетворюється на електричне коливання зі збереженням тієї ж форми, а отже, має такий же спектр; потім вже електричне коливання аналізується електричними методами.

Можна вказати один суттєвий результат гармонічного аналізу , що стосується звуків нашої мови. За тембром ми можемо дізнатися голос людини. Але чим розрізняються звукові коливання, коли одна й та сама людина співає на одній і тій же ноті різні голосні: а, і, о, у, е?

Інакше кажучи, чим відрізняються в цих випадках періодичні коливання повітря викликаються голосовим апаратом при різних положеннях губ і язика та зміни форми порожнин рота і горла? Очевидно, в спектрах голосних повинні бути якісь особливості, характерні для кожного голосного звуку, опріч тих особливостей, які створюють тембр голосу даної людини. Гармонійний аналіз голосних підтверджує це припущення, а саме, голосні звуки характеризуються наявністю в їх спектрах областей обертонів з великою амплітудою, причому ці області лежать для кожної голосної завжди на одних і тих же частотах, незалежно від висоти проспівати голосного звуку. Ці області сильних обертонів називають формант. Кожна голосна має дві характерні для неї формант.

Очевидно, якщо штучним шляхом відтворити спектр того чи іншого звуку, зокрема спектр голосної, то наше вухо отримає враження цього звуку, хоча його природне джерело був відсутній б. Особливо легко вдається здійснювати такий синтез звуків (і синтез голосних) за допомогою електроакустичних пристроїв. Електричні музичні інструменти дозволяють дуже просто змінювати спектр звуку, тобто змінювати його тембр. Просте перемикання робить звук схожим на звуки то флейти, то скрипки, то людського голосу або ж зовсім своєрідним, несхожим на звук ні одного з звичайних інструментів.

Ефект Доплера в акустиці.

Частота звукових коливань, які чує нерухомий спостерігач у випадку, якщо джерело звуку наближається або віддаляється від нього, відмінна від частоти звуку, яка сприймається спостерігачем, який рухається разом з цим джерелом звуку, або і спостерігач і джерело звуку стоять на місці. Зміна частоти звукових коливань (висоти звуку), пов'язане з відносним рухом джерела і спостерігача називається акустичним ефектом Доплера. Коли джерело і приймач звуку зближуються, то висота звуку підвищується, а якщо вони видаляються. то висота звуку знижується. Це пов'язано з тим, що під час руху джерела звуку щодо середовища, в якому поширюються звукові хвилі, швидкість такого руху векторно складається зі швидкістю поширення звуку.

Наприклад, якщо машина з включеною сиреною наближається, а потім, проїхавши повз , віддаляється, то спочатку чути звук високого тону, а потім низького.

Звукові удари

Ударні хвилі виникають при пострілі, вибуху, електричному розряді і т.п. Основною особливістю ударної хвилі є різкий стрибок тиску на фронті хвилі. У момент проходження ударної хвилі максимум тиску в даній точці виникає практично миттєво за час порядку 10-10 с. При цьому одночасно стрибком змінюються щільність і температура середовища. Потім тиск поволі падає. Потужність ударної хвилі залежить від сили вибуху. Швидкість поширення ударних хвиль може бути більша за швидкість звуку в даному середовищі. Якщо, наприклад, ударна хвиля збільшує тиск у півтора рази, то при цьому температура підвищується на 35 0С і швидкість поширення фронту такої хвилі приблизно дорівнює 400 м/с. Стіни середньої товщини, які зустрічаються на шляху такої ударної хвилі будуть зруйновані.

Потужні вибухи будуть супроводжуватися ударними хвилями, які створюють у максимальній фазі фронту хвилі тиск, в 10 разів перевищує атмосферний. При цьому щільність середовища збільшується в 4 рази, температура підвищується на500 0C, і швидкість поширення такої хвилі близька до 1 км/с. Товщина фронту ударної хвилі має порядок довжини вільного пробігу молекул (10-7 - 10-8 м), тому при теоретичному розгляді можна вважати, що фронт ударної хвилі являє собою поверхню вибуху, при переході через яку параметри газу змінюються стрибком.

Ударні хвилі так само виникають, коли тверде тіло рухається зі швидкістю, що перевищує швидкість звуку. Перед літаком, який летить з надзвуковою швидкістю, утворюється ударна хвиля, яка є основним чинником, що визначає опір руху літака. Щоб це опір послабити, надзвуковим літакам надають стріловидну форму.

Швидкого стиснення повітря перед рухаються з великою швидкістю предметом призводить до підвищення температури, яка з наростанням швидкості предмета - збільшується. Коли швидкість літака досягає швидкість звуку, температура повітря досягає 60 0C. При швидкості руху вдвічі вище за швидкість звуку, температура підвищується на 240 0C, а при швидкості, близької до потрійний швидкості звуку - стає 800 0С.

Швидкості близькі до 10 км/с призводять до плавлення і перетворення рухомого тіла в газоподібний стан. Падіння метеоритів зі швидкістю в кілька десятків кілометрів на секунду призводить до того, що вже на висоті 150 - 200 кілометрів, навіть у розрідженої атмосфері метеоритні тіла помітно нагріваються і світяться. Більшість з них на висотах 100 - 60 кілометрів повністю розпадаються.

Шуми.

Накладення великої кількості коливань безладно змішаних одне щодо іншого і довільно змінюють інтенсивність в часі, призводять до складної формі коливань. Такі складні коливання, що складаються з великого числа простих звуків різної тональності, називають шумами. Прикладами можуть служити шелест листя в лісі, гуркіт водоспаду, шум на вулиці міста. До шумів також можна віднести звуки, що виражаються приголосними. Шуми можуть відрізнятись розподілом за силою звуку, за частотою і тривалості звучання в часі. Тривалий час звучать шуми, створювані вітром, падаючої води, морським прибоєм.

Щодо короткочасні гуркіт грому, гуркіт хвиль - це низькочастотні шуми. Механічні шуми можуть бути викликані вібрацією твердих тіл. Що виникають при Лопані бульбашок і порожнин в рідині звуки, які супроводжують процеси кавітації, призводять до кавітаційних шумів.

У прикладної акустиці вивчення шумів проводиться у зв'язку з проблемою боротьби з їх шкідливістю, для вдосконалення шумопеленгаторов в гідроакустики, а також для підвищення точності вимірювань в аналогових та цифрових пристроях обробки інформації. Тривалі сильні шуми (близько 90 дБ і більше) надають шкідливу дію на нервову систему людини, шум морського прибою або лісу - заспокійливу.

Ультразвуки і інфразвуки.

Зараз акустика, як область фізики розглядає більш широкий спектр пружних коливань - від найнижчих до гранично високих, аж до 1012 - 1013 Гц. Чи не чутні людиною звукові хвилі з годину