11.4 Звукові хвилі. Характеристики звуку. Швидкість звуку в газах

Пружні хвилі, частоти яких лежать в межах від 16 Гц до 20 кГц називаються звуковими. Хвилі з частотою меншою за 16 Гц називаються інфразвуковими, а з частотою більшою ніж 20 кГц - ультразвуковими. Інфразвуки і ультразвуки людина не сприймає. Деякі тварини сприймають і інфразвуки і ультразвуки, наприклад, собаки, кити, летючі миші.

Звукові хвилі розрізняються висотою тону, тембром і гучністю. Реальний звук уявляє собою негармонічну хвилю, яку можна представити як суму гармонічних хвиль (гармонік) з кратними частотами. Набір цих частот називається акустичним спектром звуку. Кожна гармоніка має свою амплітуду А. Тональні звуки мають лінійчатий спектр (рис.11.3,а). Якщо ж спектр суцільний, то такий звук називається шумом (рис.11.3,б).

Тон звуку задається найменшою частотоюν_о , яка називається основним тоном. Чим більша ця частота тим вищий тон звуку. Кратні гармоніки називаються обертонами. Набір обертонів визначає тембр звуку. Якщо низькочастотні обертони мають більшу амплітуду, ніж високочастотні, маємо звук низькочастотного тембру (рис.11.4,а). Якщо ж високочастотні обертони мають більшу амплітуду, ніж низькочастотні, звук буде мати високочастотний тембр (рис.11.4,б).

Інтенсивність звуку – це його енергетична характеристика і дорівнює енергії, яку переносить звукова хвиля за 1 сек через площу 1м², що перпендикулярна до напрямку поширення хвилі

. (11.13)

Для того, щоб викликати звукове відчуття, звукова хвиля повинна мати певну інтенсивність, яка залежить від частоти (рис.11.5). Мінімальна інтенсивність , а максимальна, яка вже викликає больові

відчуття - . Область чутності у кожної людини різна.

Гучність - це суб’єктивно оцінювана людиною інтенсивність звуку. Еволюційно органи слуху так же як і зору розвинулись так, що їхня чутливість зменшується по мірі збільшення рівня подразнення. Це захисна функція організму. У зв’язку з цим гучність зменшується повільніше, ніж об’єктивна характеристика звуку - інтенсивність. Тому гучність L визначається як десятковий логарифм відношення інтенсивності звуку І до мінімально чутної інтенсивності, в якості якої прийнято значення

. (11.14)

Одиницею вимірювання гучності є бел (Б) і децибел (дБ). 1Б = 10дБ.

Приклад. Розрахуємо гучність звуків з інтенсивністю І₁ =10^-3 вт/м² і І₂=10^-6 вт/м².

_{Бачимо, що при зменшенні інтенсивності в 1000 разів, гучність зменшилася всього у 1,5 рази.}

_{Швидкість звуку в газах} , (11.15)

_{де – відношення теплоємностей , μ – молярна маса газу.}

11.5 Ефект Доплера

_{Ефект Доплера заключається у тому, що приймач хвиль фіксує іншу частоту ν, ніж випромінює джерело νо при умові, що приймач, чи джерело хвиль, або обидва разом рухаються.}

_{. (11.16)}

_{Швидкість джерела вважається позитивною коли воно рухається за хвилею, а швидкість приймача позитивна, коли він рухається назустріч хвилі (рис.11.6). Якщо напрямки швидкостей приймача і джерела протилежні по відношенню до напрямку швидкості звуку, у формулі (11.16) перед відповідною швидкістю знак змінюється на протилежний.}

_{Зауваження. Знак швидкостей джерела і приймача визначаються відносно напрямку швидкості звуку, а не відносно одна одної!}