 Акустика - наука о звуке, изучающая природу звука и проблемы его распространения, возникновения, восприятия и воздействия.
Что-же такое звук?
 Для начала это волна. (Далеко не всегда гармоническая!) Хорошо. А что такое волна? С одной стороны, волна – это что-то, что связано с движением, нечто, распространяющееся в пространстве, как, например, волны, расходящиеся кругами от брошенного в воду камня. С другой стороны, мы знаем, что лежащая на поверхности воды ветка почти не станет двигаться в направлении распространения волн от брошенного рядом камня, а будет в основном лишь колыхаться на воде. Что же переносится в пространстве при распространении волны? Оказывается, в пространстве переносится некоторое возмущение. Брошенный в воду камень вызывает всплеск – изменение состояния поверхности воды, и это возмущение передается от одной точки водоема к другой в виде колебаний поверхности. Таким образом, волна – это возмущение среды с переносом энергии, но без переноса вещества.
Так, а что тогда означает гармоническая?  Волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими, то есть описываются по закону синуса или косинуса. Часто гармоническую волну называют синусоидальной.
А как тогда отличить волну от других физических явлений?
У любой волны есть 4 основные характеристики:
1) Длина волны - расстояние, на которое распространяется волна за период колебания ее источника. Измеряется в метрах.
2) Период колебаний - наименьший промежуток времени, за который совершается одно полное колебание (то есть волна возвращается в то же состояние, в котором она находился в первоначальный момент). Измеряется в секундах
3) Частота - число полных колебаний или циклов волны, совершенных в единицу времени. Измеряется в герцах. (Гц) [Гц] = [с-1] с
4) Амплитуда - модуль максимального отклонения тела от положения равновесия. Измеряется в метрах.
Волны бывают двух видов:
I. Продольные - движение частиц происходит в направлении распространения волны.
II. Поперечные - частицы перемещаются перпендикулярно направлению распространения волны.
Свет является волной продольной, поэтому дальше в тексте мы будем говорить именно о них. Когда в первом абзаце мы рассматривали поперечные волны то мы видели как именно переноситься энергия, а что происходит с продольными?
Для удобства объяснения поведем опыт с двумя маятниками закрепленными на нитях и металлическим стержнем на подставке. 
№1 Отклоним маятник №1 от положения равновесия и отпустим.
№2 Под силой тяжести маятник опустится в свое наинизшее положение и столкнется с металлическим стержнем.
№3 Через малый промежуток времени шарик №2 прислоненный к противоположному концу стержня отскочит с той же амплитудой на которую мы отклонили шарик №1.
ПОЧЕМУ? Потому что энергия не может исчезнуть в никуда. При ударе маятника №1 о стержень он передал ему свою энергию породив продольную волну. Как мы уже знаем, волна - перенос энергии. Внутри стержня образовался перемещающееся, в направлении от источника, молекулярное уплотнение . Система стараясь вернуться в начальное состояние ,, пропихивает" вону дальше по телу. Значит энергия передавшаяся маятнику №2 это та самая продольная волна, следовательно поэтому амплитуды равны.
Итак сейчас мы рассмотрели все виды волн, но при этом все рассмотренные волны были поляризированны. 
Поляризация - пространственная упорядоченность направления колебаний частиц среды в волне. Самый простой способ полляризировать волну - пропустить ее через щель. У данного вида волн может возникать такое интересное явление как стоячая волна.
Стоячая волна - волна, образующаяся в результате наложения двух гармонических волн, распространяющихся навстречу друг другу и имеющих одинаковый период, амплитуду и поляризацию. Самый простой способ получения стоячей волны - ее отражение. 
Отражение волн - переизлучение волн препятствиями с изменением направления их распространения (вплоть до смены на противоположное). Отражающими объектами могут быть непрозрачные тела, в которых волны данной природы распространяться не могут, неоднородности среды (как резкие, так и плавные). Обычно на границе раздела сред одновременно с О. в. происходит преломление волн. В таких волнах каждая точка:
1) Совершает синхронно со всеми остальными ее точками гармонические колебания.
2) Колеблется перпендикулярно оси Х.
3) Колеблются с периодом, равным периоду внешнего возмущенья.
4) Имеет собственную амплитуду колебаний.
Данная волна имеет такие характеристики как: Пучность стоячей волны - положение точек, имеющих максимальную амплитуду колебаний. Узлы стоячей волны - не перемещающиеся точки волны, амплитуда которых равна нулю. Так как в стоячей волне расстояние между соседними узлами равно , то на всей длине шнура должно укладываться целое число полуволн. Здесь k =1, 2,3... - целые числа, l - длина шнура. Частота этих колебаний связана с длиной волны соотношением л*k=L. Определяемые этой формулой частоты - собственные частоты шнура. Поясним собственные частоты на примере. Вместо шнура возьмем струну.
Если оттянуть посередине и отпустить струну, то она начнет колебаться. На струне будет укладываться половина длины волны. Частота, с которой будут происходить колебания зависит от плотности материала и от натяжения струны. Когда система после выведения ее из равновесия начинает совершать колебания, то это свободные колебания, значит в этом случае струна совершает свободные колебания. Если одну половину струны оттянуть вверх, а другую вниз так, чтобы отклонение середины струны равнялось нулю, то возникнут свободные колебания или стоячая волна c тремя узлами: два на концах, один посередине; и двумя пучностями Можно возбудить свободные колебания с тремя пучностями и четырьмя узлами. Таким образом оказывается, что струна имеет набор собственных частот. Волны имеющие такие частоты называются модами собственных колебаний, только они могут длительно поддерживаться в струне. Наименьшая из частот, когда укладывается одна полуволна называется основной частотой или основным тоном, такая мода называется первой гармоникой собственных колебаний или основной модой. Все остальные частоты, в целое число раз больше основной, называются обертонами или n гармониками. Набором собственных частот обладает не только струна, но и любое упругое тело. На этой ноте мы заканчиваем рассмотрение волн и их свойств и переходим непосредственно к акустике и звуку.
 Звук - продольная волна из сжатий и разряжений. Когда какой либо предмет начинает колебаться (издавать звук) он создает продольные волны . Далее человеческое ухо ( а точнее ушная раковина) улавливает волну и проецирует ее на барабанную перепонку. Перепонка начинает колебаться, вместе с волной, и именно эти колебания, на подобии азбуки Морзе, передаются в мозг, декодируются и мы слышим звук. Тембр звука - субъективная, то есть определяемая на слух, характеристика качества звука, в основном зависящая от его спектра (частотный состав звука). Оценка звуков по тембру дополняет их характеристику по громкости и высоте звука и позволяет различать между собой звуки разных источников, например узнавать звуки определенных музыкальных инструментов. Для оценки тембра имеют значение количество и расположение составляющих в спектре и, в частности, наличие устойчивых групп составляющих, называющихся формантами. Если в звуке мало обертонов, то тембр оценивается как глухой, пустой, неокрашенный; если сильно выражены первые обертоны - сочный, полный; если сильно выражены высшие составляющие в области 3000-6000 Гц - пронзительный, металлический, резкий, яркий (в противоположность тусклому). Помимо спектра, на оценку тембра звука влияет динамика звука (например, нарастание и спадание, импульсивность). Музыканты различают в звуке инструментов глубину, бархатистость, певучесть или гнусавость. Системы таких терминов для описания тембров звука не существует, и соответствие между ними и спектральными признаками не всегда установлено.
Однако все ли звуки слышит человек? НЕТ! Человеческому уху доступны колебания только от 16 Гц и до 20000 Гц. Все колебания (звуки) ниже 16 Гц - инфразвуки. Выше 20 кГц - ультразвуки. Инфразвук (от латин. infra — ниже, под) — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как 0.001 Гц.Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд. Природа возникновения инфразвуковых колебаний такая же, как и у слышимого звука, поэтому инфразвук подчиняется тем же закономерностям, и для его описания используется такой же математический аппарат, как и для обычного слышимого звука (кроме понятий, связанных с уровнем звука). Инфразвук слабо поглощается средой, поэтому может распространяться на значительные расстояния от источника. Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты.Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 Гц-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости).При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.
Дифракция - огибание волнами препятствий. Имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет. При одновременном движении в среде нескольких ультразвуковых волн в каждой определённой точке среды происходит суперпозиция (наложение) этих волн. Наложение волн одинаковой частоты друг на друга называется интерференцией. Если в процессе прохождения через объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённых точках среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. При этом состояние точки среды, где происходит взаимодействие, зависит от соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке. Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях приводит к увеличению амплитуды колебаний. Если же волны приходят к точке среды в противофазе, то смещение частиц будет разнонаправленным, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний. Эхо (от нем. eсhо из лат. ēсhō от греч. ἠχώ — отзвук) — физическое явление, заключающееся в принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны. Эхо обусловлено тем, что волны могут отражаться твердыми поверхностями, это связано с динамической картиной разрежений и уплотнений воздуха вблизи отражающей поверхности. В случае, если источник звука расположен неподалеку от такой поверхности, повернутой к нему под прямым углом (или под углом, близким к прямому), звук, отразившись от такой поверхности, как круги на воде отражаются от берега, возвращается к источнику. Благодаря эху, говорящий может вместе с другими звуками слышать свою собственную речь, как бы задержавшуюся на некоторое время. Если источник звука находится на достаточном расстоянии от отражающей поверхности, а кроме источника звука поблизости нет никаких дополнительных звуковых источников, то эхо становится наиболее отчетливым. Эхо становится различимым на слух, если интервал между прямой и отражённой звуковой волной составляет 50-60 микро секунд, что соответствует 15-20 метрам, которые звуковая волна проходит от источника и обратно, при нормальных условиях.
Резонанс (от лат. resono — откликаюсь) — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Если рассматривать влияние звуков на человеческий организм то можно заметить что звуковые волны могут оказывать как положительное так и отрицательное воздействие. То есть чем звук тише тем он приятнее для человека? Не совсем так. Конечно чем выше колебания (громче звук) тем не комфортней себя чувствует человек. А при особо громких шумах может стать инвалидом. Однако при низких колебаниях человек может пострадать еще больше. Потому что с частотой меньше 16 Гц работают наши органы! Что же происходит на пороге тишины? Какие тут взаимосвязи, закономерности и последствия? Как оказалось, инфразвуковые колебания большой мощности создавала вентиляционная система завода, который был построен вблизи лаборатории. Частота этих волн была около 7 герц (то есть 7 колебаний в секунду), и это представляло опасность для человека. Инфразвук действует не только на уши, но и на весь организм. Начинают колебаться внутренние органы- желудок, сердце, легкие... При этом неизбежны их повреждения. Инфразвук даже не очень большой силы способен нарушить работу нашего мозга, вызвать обмороки и привести к временной слепоте. А мощные звуки более 7 герц останавливают сердце или же разрывают кровеносные сосуды.
Пора подтвердить теорию!
Выводы. Вот и закончился мой доклад про волны. Надеюсь всем было очень интересно! Какие я сделала выводы после этой работы!Работая над данной работой я узнала много нового и интересного, а так же закрепила знания полученные на школьных уроках.
|
