Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

16.1: Вступ

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    75032

    • Boundless
    • Boundless
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    цілі навчання

    • Поясніть, як люди можуть характеризувати звук

    Перш ніж заглиблюватися занадто далеко в фізику обчислення звукових хвиль (вивчення таких речей, як ефект Допплера, наприклад), давайте розглянемо деякі основи звуку. Звук - це хвиля - поздовжня хвиля тиску, яка проходить через стисливі середовища (тобто тверді, рідкі, газоподібні або виготовлені з плазми). У вакуумі немає звуку; за визначенням вакуум - це простір, вільний від будь-яких частинок або речовини. Таким чином, у вакуумі немає середовищ, через які можуть подорожувати звукові хвилі. Нижче наведено деякі характеристики звуку:

    • Звук подорожує поздовжніми хвилями. При малюванні їх ще називають синусоїдальними хвилями, наочний приклад яких показаний в (докладніше про це ми розглянемо в іншому розділі).
    • Звукові хвилі мають частоту; тобто висота звуків йде вгору або вниз.
    • Амплітуда звуку визначає його гучність (гучність).
    • Тон - це міра якості звукової хвилі.
    • Звук швидше подорожує в гарячому середовищі, або в твердому тілі. Він також швидше подорожує на рівні моря (де тиск повітря вище).
    • Інтенсивність звуку - це енергія, що передається по певній площі. Інтенсивність - це міра частоти звуку.
    • Ультразвук використовує звукові хвилі з високими частотами, щоб побачити речі, які зазвичай важко виявити, як пухлини. Тварини, як кажани та дельфіни, використовують ультразвук (ехолокацію) для навігації та пошуку речей. Кораблі також використовують подібну техніку (відому як SONAR), щоб знайти речі під водою. (Цей момент буде розглянуто далі в більш просунутому Atom.)

    Сприйняття звуку

    Кожна звукова хвиля має властивості, які визначають її частоту, такі як довжина хвилі, амплітуда та інтенсивність. Обчислення цих властивостей виходить за рамки цього атома і буде розглянуто пізніше. На даний момент важливо знати основи звуку. Як і у світлових хвиль, звукові частоти мають діапазон. Кожна жива істота має різний рівень звукового сприйняття. Для прикладу розглянемо наступні приклади звукових діапазонів (в Гц, Герцах):

    • Люди 20 - 20 000 Гц
    • Собаки 50 — 45 000 Гц
    • Кажани 20 — 120 000 Гц

    За цим порівнянням люди мають відносно низьке звукове сприйняття.

    Швидкість звуку

    зображення

    Порушення звукового бар'єру: Це знайоме зображення - це площина, яка рухається швидше, ніж швидкість звуку.

    Як згадувалося раніше, швидкість, з якою рухається звук, залежить від носія, через який рухається звук. Він набагато швидше знаходиться в твердій речовині, ніж в рідині або газі. Загальна формула розрахунку швидкості звуку наведена так:

    \[\mathrm{c=\sqrt{\dfrac{K}{ρ}},}\]

    де K - коефіцієнт жорсткості матеріалу (також званий об'ємним модулем) і p - щільність матеріалу. Ми розглянемо це далі в іншому розділі. Як правило, вираз «швидше, ніж швидкість звуку» відноситься до 344 м/с. - це зображення, що демонструє площину, що рухається швидше, ніж швидкість звуку. Це загальне вимірювання проводиться на рівні моря - при температурі 21 градус Цельсія при нормальних атмосферних умовах.

    Частота звукових хвиль

    Частота - це кількість повторюваних подій за одиницю часу. Сприйняття частоти називається висотою.

    цілі навчання

    • Пов'язати частоту з довжиною хвилі та швидкістю звуку

    Звукові хвилі, як і всі інші хвилі, мають властивість, звану частотою. Частота - це кількість повторюваних подій за одиницю часу. Сприйняття частоти називається висотою.

    Частота залежить від довжини хвилі і швидкості звуку. Він обчислюється за допомогою наступного рівняння:\(\mathrm{f=\frac{v_s}{λ}}\)

    Ця цифра, показує, як частота пов'язана з довжиною хвилі.

    зображення

    Частота: Звукова хвиля виходить від джерела, що вібрує на частоті f, поширюється при v і має довжину хвилі λ.

    Крім того, ви можете використовувати частоту та довжину хвилі, щоб знайти швидкість звуку в певному середовищі. Пам'ятайте, що звук рухається з різною швидкістю в різних середовищах; звук рухається швидше за все через тверде тіло. Наступне рівняння використовується для пошуку питомої швидкості звуку і часто простіше у використанні, ніж стандартна швидкість звукового рівняння: vs=f∗ λv_s=f*\ lambda

    Період - це тривалість одного циклу повторюваної події, і є зворотною або зворотною частотою. Наступна анімація показує різні частоти та їх періоди, від найнижчої до найвищої.

    зображення

    Частотна анімація: Три миготливі вогні, від найнижчої частоти (зверху) до найвищої частоти (знизу). f - частота в герцах (Гц); або кількість циклів в секунду. T - період у секундах (секундах); або кількість секунд за цикл. T і f є взаємними.

    Герц

    Одиниця частоти СІ називається Герц, позначається Гц. А герц визначається як кількість циклів в секунду. Наприклад, 100 Гц означає 100 циклів в секунду.

    Різні види можуть чути різні частотні діапазони. Люди можуть чути лише від 20 Гц до 20 000 Гц, тоді як собаки можуть чути до 60 000 Гц. Кажани можуть чути найвищі діапазони, до 120 000 Гц. Кажани використовують цей супер слух, або ультразвук, щоб знайти предмети і здобич. Відскакуючи звукові хвилі від іншого об'єкта і почувши, скільки часу потрібно, щоб звук відлунся назад до них, вони здатні наблизити відстань між собою і об'єктом. Це називається ехолокацією.

    Виробництво звуку: вібраційна струна та повітряні колони

    Звук може видаватися безліччю різних пристроїв. Вібруюча струна або повітряна колонка можуть як створювати музику, так і володіти унікальними властивостями.

    цілі навчання

    • Обчисліть частоту звукової хвилі, виробленої струною і стовпом повітря

    Звук можна виробляти різними способами, різними інструментами та пристроями. Вібруюча струна або повітряна колонка можуть одночасно робити цікаву музику, і добре зрозуміти фізику, що стоїть за обома.

    вібраційні струни

    Існує безліч інструментів, які видають звук на основі струн. Гітари, віолончелі, піаніно і багато інших прикладів. Ці звуки видаються стоячими хвилями в струни. Ці хвилі і їх частоти постійні, і тому звук і висота, вироблені ними, постійні. На цьому малюнку показана візуальна стояча хвиля в струні: Швидкість хвилі пропорційна кореню натягу струни, і обернено пропорційна кореню щільності струни, показана наступним рівнянням\(\mathrm{v=\sqrt{\frac{T}{μ}}}\) Pitch, а спосіб сприйняття звуку залежить від частоти звукова хвиля. Використовуючи швидкість хвилі, можна знайти частоту за допомогою цього рівняння:\(\mathrm{f=\frac{v}{2L}}\), де L - довжина струни.

    зображення

    Стоячі хвилі в струні: Вібрація, стоячі хвилі в струні. Фундаментальний і перший 6 обертонів утворюють гармонійний ряд.

    Повітряні колони

    Багато інструментів роблять музику, викликаючи вібрацію до стовпа повітря в резонаторі. Їх прийнято називати духовими інструментами. Прикладами таких є флейти, рекордери та саксофони. Вони або відкриті з обох кінців, або закриті на одному кінці і відкриті на іншому. Висота звуку - це функція частоти. Є багато факторів, які йдуть у пошук частоти. Почнемо з трубок, які закриті з одного кінця і відкриті на іншому.

    Закриті повітряні трубки: Максимальне переміщення повітря відбувається на відкритому кінці трубки, і називається антинодом. Рух повітря обмежено на закритому кінці, і зміщення немає, і це називається вузлом. Відстань від вузла до антинода становить 1/4 довжини однієї довжини хвилі, і дорівнює довжині трубки, як показано в цьому рівнянні:\(\mathrm{λ=4L}\) Це також можна побачити на цьому малюнку: Частота дорівнює швидкості звуку в повітрі, розділеної на довжину хвилі, або:\(\mathrm{f=\frac{v_w}{λ}=\frac{v_w}{4L}}\), де v w це швидкість звуку в повітрі, яку ми навчилися знаходити в попередньому атомі.

    зображення

    Повітряна колонка в трубці, закритій на одному кінці: Основний і три найнижчі обертони для трубки, закритої на одному кінці. Всі вони мають максимальні переміщення повітря на відкритому кінці і жодного на закритому кінці.

    Трубки під відкритим небом: Повітряні трубки також можуть бути відкриті на обох кінцях. Вони дуже схожі на ті, про які ми говорили вище, але на обох кінцях є антинод, оскільки вони обидва відкриті, як показано на цьому малюнку: Оскільки на обох кінцях є антинод, ми бачимо, що довжина довжини хвилі знаходиться за цим рівнянням:\(\mathrm{λ=2L}\) А частоту можна знайти в наступне рівняння:\(\mathrm{f=\frac{v_w}{λ}=\frac{v_w}{2L}}\)

    Якість звуку

    Якість звуку - це оцінка точності або приємності того, як сприймається звук.

    Навички для розвитку

    • Визначте фактори, що впливають на якість звуку відтворення музики

    Якість звуку - це оцінка точності або приємності того, як сприймається звук. Його можна виміряти об'єктивно або суб'єктивно. У чому різниця? Об'єктивне вимірювання проводиться, коли інструменти використовуються для вимірювання точності. Суб'єктивне вимірювання - це скоріше думка. Коли людські слухачі чують звук і порівнюють його з іншим звуком, який вони почули, і вирішують, який з них їм більше подобається, це суб'єктивне вимірювання якості звуку.

    Якість звуку музики

    Якість звучання живої музики відносять до її тону. Що робить цей тон? Чому одна і та ж нота, що відтворюється на фортепіано, відрізняється від тієї ноти, яку грали на флейті чи гітарі? Коли ви чуєте ноту, ви в основному чуєте основну частоту. Але є й інші гармоніки присутні. Ви чуєте це, але вони набагато, набагато слабкіші, ніж основна або основна частота. Вони називаються обертонами.

    Кожен інструмент має різну суміш цих обертонів, і саме тому звуки подібних нот звучать по-різному. Якість цього звуку залежить від цих обертонів, щоб не перейняти те, що ви чуєте. Підтони та основна частота поєднуються, щоб зробити унікальну частоту, яку ви чуєте, що проілюстровано в.

    зображення

    Звукові частоти: Якість тону залежить від його суміші гармонік.

    Відтворена якість звуку

    Якість звуку відтворення музики залежить від багатьох факторів. До них відносяться:

    • Устаткування для запису
    • Обробка і мастеринг
    • Обладнання для відтворення
    • Середовище прослуховування

    Коли ви слухаєте запис музики, ви чуєте не тільки саму музику, але і будь-які перешкоди, які, можливо, були помилково записані, а також. Найпростіша форма аудіо, що зберігається в цифровому форматі, - PCM.

    Оскільки зразки розміщуються ближче один до одного за часом, можна відтворювати більш високі частоти. Відповідно до теореми вибірки, будь-який сигнал з пропускною здатністю B може бути ідеально описаний більш ніж 2B зразками в секунду. Аудіо повинно бути відібрано на частоті вище 40 кГц: 44.1 кГц для записів компакт-дисків та 48 кГц для записів DVD.

    Обсяг місця, необхідного для зберігання PCM, залежить від кількості бітів на вибірку, кількості семплів в секунду та кількості каналів. Для аудіо компакт-дисків це 44,100 зразків в секунду, 16 біт на зразок та 2 канали для стереозвуку, що ведуть до 1411 200 біт в секунду.

    Швидкість звуку

    Швидкість звуку - це відстань, пройдена за одиницю часу звуковою хвилею через пружне середовище, і зазвичай дається як 344 м/с.

    Навички для розвитку

    • Обчисліть швидкість звуку з властивостей носія

    Швидкість звуку

    Швидкість звуку - це відстань, пройдена за одиницю часу звуковою хвилею через пружне середовище. Це середовище може бути твердим, рідким, газовим або навіть плазмовим. Швидкість звуку залежить від властивостей носія, через який проходить звук. Загальним значенням швидкості звуку є швидкість звукової хвилі в повітрі, на рівні моря, при нормальному атмосферному тиску; це число становить 344 м/с, однак це число не є постійним. Звук рухається швидше в твердому, ніж у рідині, і швидше в рідині, що в газі.

    Типи звукових хвиль: стиснення та зсув

    Існує два різних види звукових хвиль: хвилі стиснення та зсувні хвилі. Хвилі стиснення можуть переміщатися через будь-які середовища, але зсувні хвилі можуть подорожувати лише через тверді тіла. Швидкість хвилі стиснення визначається здатністю стиснення середовища, модулем зсуву та щільністю, тоді як швидкість зсувної хвилі визначається лише модулем та щільністю зсуву. Модуль зсуву - це вимірювання пружності або жорсткості матеріалу. Обчислення цього виходить за рамки цього атома, але є таблиці, які повідомляють вам його значення для матеріалів.

    Розрахунок швидкості звуку

    Швидкість звуку зазвичай позначається куб, і для її обчислення можна використовувати загальне рівняння. Це називається рівнянням Ньютона-Лапласа: C=√kρc=KρK - коефіцієнт жорсткості, а p - щільність середовища. З цього рівняння легко помітити, що швидкість звуку буде збільшуватися з жорсткістю і зменшуватися з щільністю. Це дуже загальне рівняння, є більш конкретні похідні, наприклад:

    Швидкість звуку в повітрі на рівні моря задається наступним рівнянням:\(\mathrm{c_{air}=331\frac{m}{s} \times \sqrt{\frac{T}{273K}}}\) Т - температура в Кельвіні.

    Число Маха

    Можливо, ви чули термін число Маха по відношенню до швидкості космічного корабля або струменів раніше. Це відношення швидкості об'єкта по відношенню до швидкості звуку. Число Маха задається таким безрозмірним рівнянням:\(\mathrm{M=\frac{v}{a}}\) — число Махаv — Швидкість об'єкта a — Швидкість звуку в середовищі. Якщо щось рухається зі швидкістю звуку, це зробить рівняння рівним 1, і може бути позначено як Мах 1. показує струмінь, який рухається зі швидкістю звуку або швидше. Конус пари виготовляється безпосередньо перед тим, як він досягне швидкості звуку і викликаний різким падінням тиску повітря.

    зображення

    Швидше, ніж швидкість звуку: Це струмінь, який якраз збирається зламати звуковий бар'єр.

    Ключові моменти

    • Звук рухається поздовжніми синусоїдальними хвилями.
    • Людина може характеризувати звук по частоті, амплітуді і тону.
    • Швидкість, з якою рухається звук, залежить від носія, через який рухається звук. Його можна обчислити за допомогою:\(\mathrm{c=\sqrt{\frac{K}{ρ}}}\), де K - коефіцієнт жорсткості матеріалу (також званий об'ємним модулем) і p - щільність матеріалу.
    • Частота залежить від довжини хвилі і швидкості звуку. Він обчислюється за допомогою наступного рівняння:\(\mathrm{f=\frac{v_s}{λ}}\)
    • Період - це тривалість одного циклу повторюваної події, і є зворотною або зворотною частотою.
    • Одиниця частоти СІ називається Герц, позначається Гц. А герц визначається як кількість циклів в секунду. Наприклад, 100 Гц означає 100 циклів в секунду.
    • Частота, а значить і крок струнного інструменту залежить від швидкості звукової хвилі і довжини струни. Частоту знаходять по:\(\mathrm{f=\frac{\sqrt{\frac{T}{μ}}}{2L}.}\)
    • Звук в трубці повітря, яка закрита на одному кінці, знаходить за наступним рівнянням:\(\mathrm{f=\frac{v_w}{λ}=\frac{v_w}{4L}}\).
    • Звук в трубці повітря, яка відкрита на одному кінці, знаходить за наступним рівнянням:\(\mathrm{f=\frac{v_w}{λ}=\frac{v_w}{2L}}\).
    • Об'єктивне вимірювання проводиться, коли інструменти використовуються для вимірювання точності. Суб'єктивне вимірювання - це скоріше думка. Коли людські слухачі чують звук і порівнюють його з іншим звуком, який вони почули, і вирішують, який з них їм більше подобається, це суб'єктивне вимірювання якості звуку.
    • Якість звучання живої музики відносять до її тону. Коли ви чуєте ноту, ви в основному чуєте основну частоту. Але є й інші гармоніки присутні. Ви чуєте це, але вони набагато, набагато слабкіші, ніж основна або основна частота. Вони називаються обертонами.
    • Якість звуку відтворення музики залежить від багатьох факторів. До них відносяться: звукозаписне обладнання, обробка та мастеринг, обладнання для відтворення та навіть середовище прослуховування.
    • Звук може переміщатися через будь-який стисливий матеріал. Ці середовища можуть бути твердими, рідкими, газовими або навіть плазмовими.
    • Швидкість звуку залежить від властивостей матеріалу, через який він проходить. Він буде подорожувати швидше через тверду речовину, ніж рідина, і швидше через рідину, ніж газ.
    • Загальне число, наведене для швидкості звуку, розраховується на рівні моря, в повітрі, при нормальному атмосферному тиску. Це значення становить 344 м/с.

    Ключові умови

    • частота: Частота числа разів n періодичного явища виникає за час t, в якому воно відбувається:\(\mathrm{f = \frac{n}{t}}\).
    • Герц: Вимірювання звукової частоти.
    • media: Загальний термін для різних типів матеріалів.
    • період: Тривалість одного циклу в повторюваному заході.
    • вузол: Точка на хвилі, де немає зміщення.
    • антинод: область максимальної амплітуди, розташована між сусідніми вузлами вібруючого тіла, такими як струна
    • Суб'єктивне вимірювання: На основі порівняння з попереднім досвідом, думка.
    • Об'єктивне вимірювання: Взято інструментами для вимірювання точності.
    • еластичність: властивість, завдяки якій матеріал, деформований під навантаженням, може повернути свої початкові розміри при розвантаженні
    • Кельвін: в Міжнародній системі одиниць, базова одиниця термодинамічної температури; 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води; символізується як K

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ