Garso fizika. Garsas, garso bangos, infragarsas, ultragarsas. Užmiestis bekelėje, biblioteka
Bet kuris mūsų Pasaulio reiškinys turi tam tikrus kiekybinius ir kokybinius rodiklius, kuriuos galima išmatuoti, taigi ir keisti, o tai daugeliu atvejų turi nuspėjamų pasekmių. Ir garsas nebuvo taisyklės išimtis!
Jam galioja tie patys parametrai ir rodikliai kaip ir aplinkiniam pasauliui. Šių parametrų ir rodiklių tyrimas užsiima mokslu „Akustika“.
Garso virpesiai gali būti grafiškai pavaizduoti kūno judėjimo, kuris generuoja garsą, grafiko pavidalu. Jei mes kalbame apie garsiakalbį, kuris atkuria garsą, tada grafikas atspindės difuzoriaus judėjimą. Jei kalbame apie stygą, tai stygos virpesių grafikas. Jei koks pučiamasis instrumentas, tai instrumento vamzdžio viduje esančio oro virpesių grafikas ir kt.
Norint apibūdinti tokį reiškinį kaip garsą, pirmiausia reikia suprasti, ką iš tikrųjų girdime.
- Na, pirma, garsumas, mes skiriame garsius ir tylius garsus.
- Antra, aukštis, išskiriame garsus, iš kurių kuriama melodija.
- Trečia, mes suvokiame atskirų garsų garsumo kitimą.
- Ketvirta, išskiriame vieno instrumento skambesį nuo kito, pavyzdžiui, fortepijono nuo gitaros, girdime savitą jų tembrą.
Norėdami suprasti, kaip visa tai veikia, turite įsivaizduoti visą vaizdą.
Apsvarstykite difuzoriaus judėjimo dinamikoje grafiką.
Verta paminėti, kad jis negali vienu metu atkurti dviejų garsų, juda linijiškai, tam tikrose ribose.
Difuzoriaus judėjimas turi amplitudę:
Grubiai tariant, tai yra atstumas, iki kurio jis gali nukrypti nuo ramybės būsenos.
Leisdamas garso signalą, jis juda toliau nurodytose ribose:
Judėdamas jis sukuria įtampą ore, tada jį suspaudžia, tada iškrauna savo ruožtu. Toks difuzoriaus poveikis orui sukuria „garso slėgį“ ore. Jei į garsiakalbį patenkančio signalo stiprumas padidėja, difuzoriaus judėjimo amplitudė padidėja:
Po amplitudės didėja ir difuzoriaus judėjimo greitis, kadangi jam reikia nuvažiuoti didesnį atstumą per tą patį laiką - banga viena, amplitudės skirtingos. Kadangi greitis padidėjo, tai pasirodo, kad difuzorius greičiau suspaudžia ir išleidžia orą, o jei oras suspaudžiamas greičiau, tada slėgis, kuris atsiranda ore, tampa didesnis. Atitinkamai, pasiekęs mūsų ausis, oras stipriau purto ausies būgnelį, nuo to padidėja nervų sužadinimas ir mes suvokiame, kad garsas tapo stipresnis. Tokie dalykai.
Iš to paties pavyzdžio matote, kad nepaisant to, kad bangos amplitudė padidėjo, abiejų bangų laiko intervalai yra vienodi, taip yra dėl „svyravimo dažnio“, kito parametro, kurį galime išgirsti. Tiesą sakant, virpesių dažnis yra aukštis; būtent šis parametras yra atsakingas už tai, kaip girdime garsą - aukštą ar žemą. Kuo didesnis dažnis, tuo aukštesnį garsą girdime; kuo žemesnis dažnis, tuo žemesnis garsas.
Dažnis matuojamas hercais (Hz).
1 hercas yra vienas svyravimas per sekundę.
Žmogaus klausos slenkstis yra nuo 20 iki 20 000 Hz.
Kiekviena nata atitinka tam tikrą vibracijos kiekį. Taigi, kažkokią muziką grojančioje kolonėlėje esantis difuzorius siūbuoja orą ne tik tam tikra amplitude, darydamas įtaką girdimos muzikos garsumui, bet ir tam tikru dažniu. Tai yra, jis daugiau ar mažiau dvejoja, priklausomai nuo melodijos. Norėdami bent šiek tiek įsivaizduoti garsiakalbio judėjimo greitį, galime pasakyti, kad pirmosios oktavos nata „A“ atitinka 440 Hz dažnį. Tai yra, jei vieną sekundę iš garsiakalbio girdime natą „A“, tai per šią sekundę garsiakalbis sukels 440 vibracijų.
Garso dažnis taip pat turi įtakos garsumui, tačiau tai labiau susiję su "psichoakustikos" skyriumi, nes tai turi įtakos žmogaus garso suvokimo klausimui. Mūsų klausos aparatai sukurti taip, kad aukštus dažnius suvoktume garsiau nei žemus, kalbant apie „garso slėgį“. Tai yra, jei paimsime du garsus - žemą ir aukštą ir pakoreguosime jų garsumą taip, kad jie sukurtų vienodą garso slėgį, tada aukštasis atrodys daug garsesnis.
Kitas dalykas, kurį galime išskirti garse, yra jo ADSR apvalkalas. ADSR labiau reiškia pavienius garsus ir dažniausiai sintezatoriaus garsus skaitmeninio garso sintezėje. ADSR reiškia angliškų žodžių Puolimas, nykimas, palaikymas ir paleidimas.Šiek tiek vėliau mes atskirai pakalbėsime apie tai išsamiau, tačiau dabar verta trumpai paaiškinti esmę. Įsivaizduokite, kad paimate gitarą ir traukiate ant jos stygą. Pirmiausia išgirsite, kad garsas pasirodė labai greitai, tiesiogine prasme iš karto (Attack), tada garsumas šiek tiek sumažėja (Decay), šiek tiek trunka (Garsas) ir išnyksta (Decay).
Dažniausiai ADSR reiškia būtent šiuos garso kūrimo etapus ir jų derinimą. Skaitmeninėje sintezėje šie parametrai nustatomi milisekundėmis, grojant instrumentu juos valdo atlikėjas.
Kita girdima garso kokybė – instrumento tembras ir mūsų gebėjimas šiuos tembrus atskirti.
Tema yra sudėtinga ir bus išsamiau atskleista peržiūrint įvairius įrankius. Tembrą didesnę ar mažesnę įtaką daro beveik viskas, kas yra instrumente. Visų pirma, žinoma, garso kūrimo būdas. Taip veikia įrankis. Smuiku stygos varomos lanku, gitara traukiamos stygos, plaktukai plakami į stygas klaviatūrose, pučia vėjas, ko pasekoje gimsta instrumento garsas. Tuo pačiu metu kiekvienas instrumentas turi savo unikalų skambesį. Taigi, dvi gitaros neskambės vienodai, kažkas skirsis savo skambesiu, nors tai vis tiek bus gitaros garsas.
Tai labai įdomi tema, kurią panagrinėsime išsamiau.
Iš ryškiausių garso reiškinių apsvarstėme viską, jie liko neaiškūs, bet apie juos kitą kartą.
Garsas – tai tamprios bangos terpėje (dažnai ore), kurios yra nematomos, bet suvokiamos žmogaus ausimi (banga paveikia ausies būgnelį). Garso banga yra išilginė suspaudimo ir retėjimo banga.
Jei sukursime vakuumą, ar skirsime garsus? Robertas Boyle'as laikrodį įdėjo į stiklinį indą 1660 m. Išsiurbęs orą, garso negirdėjo. Patirtis tai įrodo terpė būtina garsui sklisti.
Garsas taip pat gali sklisti skystoje ir kietoje terpėje. Akmenų smūgis aiškiai girdimas po vandeniu. Padėkite laikrodį ant vieno medinės lentos galo. Priglaudę ausį prie kito galo, aiškiai išgirsite laikrodžio tiksėjimą.
Garso banga sklinda per medį
Garso šaltinis būtinai yra svyruojantys kūnai. Pavyzdžiui, gitaros styga įprastoje būsenoje neskamba, bet kai tik priverčiame ją svyruoti, ji atsiranda garso banga.
Tačiau patirtis rodo, kad ne kiekvienas svyruojantis kūnas yra garso šaltinis. Pavyzdžiui, ant sriegio pakabintas svarelis neskleidžia garso. Faktas yra tas, kad žmogaus ausis suvokia ne visas bangas, o tik tas, kurios sukuria kūnus, kurie vibruoja nuo 16 Hz iki 20 000 Hz dažniu. Tokios bangos vadinamos garsas... Vadinami virpesiai, kurių dažnis mažesnis nei 16 Hz infragarsas... Vadinami virpesiai, kurių dažnis didesnis nei 20 000 Hz ultragarsu.
Garso greitis
Garso bangos sklinda ne akimirksniu, o tam tikru baigtiniu greičiu (panašiu į tolygaus judėjimo greitį).
Štai kodėl per perkūniją pirmiausia matome žaibą, tai yra šviesą (šviesos greitis yra daug didesnis nei garso greitis), o tada ateina garsas.
Garso greitis priklauso nuo aplinkos: in kietosios medžiagos ir skysčių, garso greitis yra daug didesnis nei ore. Tai lentelėmis išmatuotos konstantos. Didėjant terpės temperatūrai, garso greitis didėja, mažėjant – mažėja.
Garsai skirtingi. Garsui apibūdinti įvedamos specialios reikšmės: garsumas, aukštis ir garso tembras.
Garso stiprumas priklauso nuo vibracijos amplitudės: kuo didesnė vibracijos amplitudė, tuo garsesnis. Be to, mūsų ausies suvokimas apie garso stiprumą priklauso nuo garso bangos vibracijos dažnio. Aukštesnio dažnio bangos suvokiamos kaip garsesnės.
Garso bangos dažnis lemia aukštį. Kuo didesnis garso šaltinio vibracijos dažnis, tuo didesnį garsą jis skleidžia. Žmogaus balsai yra suskirstyti į keletą garsų diapazonų.
Įvairių šaltinių garsai yra skirtingų dažnių harmoninių virpesių rinkinys. Ilgiausio periodo (mažiausio dažnio) komponentas vadinamas aukštu. Likę garso komponentai yra obertonų. Šių komponentų rinkinys sukuria spalvą, garso tembrą. Skirtingų žmonių balsų obertonų rinkinys yra bent šiek tiek, bet skirtingas, ir tai lemia konkretaus balso tembrą.
Aidas... Aidas susidaro dėl garso atspindžio nuo įvairių kliūčių – kalnų, miškų, sienų, didelių pastatų ir kt. Aidas atsiranda tik tada, kai atsispindėjęs garsas suvokiamas atskirai nuo iš pradžių ištarto garso. Jei atspindinčių paviršių yra daug ir jie yra skirtingais atstumais nuo žmogaus, tai atsispindėjusios garso bangos jį pasieks skirtingu laiku. Tokiu atveju aidas bus daugkartinis. Kliūtis turi būti 11 m atstumu nuo žmogaus, kad būtų girdimas aidas.
Garso atspindys. Garsas atsispindi nuo lygių paviršių. Todėl naudojant ragelį garso bangos nėra išsklaidytos į visas puses, o formuoja siaurai nukreiptą spindulį, dėl kurio garso galia didėja, o ji pasklinda didesniu atstumu.
Kai kurie gyvūnai (pvz. šikšnosparnis, delfinas) skleidžia ultragarso virpesius, tada suvokia nuo kliūčių atsispindėjusią bangą. Taigi jie nustato vietą ir atstumą iki aplinkinių objektų.
Echolokacija... Tai metodas, leidžiantis nustatyti kūnų vietą pagal nuo jų atsispindinčius ultragarso signalus. Jis plačiai naudojamas navigacijoje. Laivuose įsisteigia sonarai- prietaisai povandeniniams objektams atpažinti ir dugno gyliui bei topografijai nustatyti. Garso skleidėjas ir imtuvas yra indo apačioje. Emiteris duoda trumpus signalus. Analizuodamas grįžtančių signalų vėlavimo laiką ir kryptį, kompiuteris nustato garsą atspindėjusio objekto padėtį ir dydį.
Ultragarsas naudojamas aptikti ir identifikuoti įvairius mašinos dalių pažeidimus (tuštumus, įtrūkimus ir kt.). Šiam tikslui naudojamas prietaisas vadinamas ultragarsinis defektų detektorius... Į tiriamąją dalį siunčiamas trumpų ultragarsinių signalų srautas, kuris atsispindi nuo jos viduje esančių nehomogeniškumo ir grįžęs patenka į imtuvą. Tose vietose, kur nėra defektų, signalai praeina per detalę be žymesnio atspindžio ir imtuvo neužfiksuoja.
Ultragarsas plačiai naudojamas medicinoje diagnozuojant ir gydant tam tikras ligas. Skirtingai nuo rentgeno spindulių, jo bangos nedaro žalingo poveikio audiniams. Diagnostiniai ultragarsiniai tyrimai (ultragarsas) leidžia be chirurginės intervencijos atpažinti patologinius organų ir audinių pokyčius. Specialus prietaisas ultragarso bangas, kurių dažnis yra nuo 0,5 iki 15 MHz, nukreipia į konkrečią kūno vietą, jos atsispindi nuo tiriamo organo ir kompiuteris ekrane atvaizduoja jo vaizdą.
Infragarsui būdingas mažas sugertis įvairiose terpėse, dėl to infragarso bangos ore, vandenyje ir žemės plutoje gali sklisti labai dideliais atstumais. Šis reiškinys randa praktinį pritaikymą vietos nustatymas smarkių sprogimų ar šaudymo iš ginklų padėties. Tai leidžia infragarso sklidimas dideliais atstumais jūroje stichinių nelaimių prognozės- cunamis. Medūzos, vėžiagyviai ir kt. sugeba suvokti infragarsą ir dar gerokai prieš prasidedant audrai pajunta jo artėjimą.
3 PASKAITA AKUSTIKA. GARSAS
1. Garsas, garso rūšys.
2. Fizinės garso charakteristikos.
3. Klausos pojūčio ypatumai. Garso matavimai.
4. Garso perdavimas per sąsają.
5. Garso metodai tyrimai.
6. Triukšmo prevenciją lemiantys veiksniai. Apsauga nuo triukšmo.
7. Pagrindinės sąvokos ir formulės. Lentelės.
8. Užduotys.
Akustika. Plačiąja prasme – fizikos šaka, tirianti tampriąsias bangas nuo žemiausių dažnių iki didžiausių. V siaura prasme- garso doktrina.
Garsas plačiąja prasme – tamprūs virpesiai ir bangos, sklindančios dujinėse, skystose ir kietose medžiagose; siaurąja prasme – žmonių ir gyvūnų klausos organų subjektyviai suvokiamas reiškinys.
Paprastai žmogaus ausis girdi garsą nuo 16 Hz iki 20 kHz dažnių diapazone. Tačiau su amžiumi viršutinė šio diapazono riba mažėja:
Vadinamas garsas, kurio dažnis mažesnis nei 16-20 Hz infragarsas, virš 20 kHz - ultragarsas, ir aukščiausio dažnio elastines bangas diapazone nuo 10 9 iki 10 12 Hz - hipergarsas.
Gamtoje aptinkami garsai skirstomi į keletą tipų.
Tonas - tai garsas, kuris yra periodiškas procesas. Pagrindinė tono savybė yra dažnis. Paprastas tonas sukurtas pagal harmonikos dėsnį virpančio kūno (pavyzdžiui, kamertono). Sunkus tonas sukuriami periodiniais virpesiais, kurie nėra harmoningi (pavyzdžiui, muzikos instrumento garsas, žmogaus kalbos aparato sukuriamas garsas).
Triukšmas yra garsas, turintis sudėtingą nesikartojančio laiko priklausomybę ir atsitiktinai besikeičiančių sudėtingų tonų derinys (lapų ošimas).
Garso bumas- tai trumpalaikis garso efektas (plojimas, sprogimas, trenksmas, griaustinis).
Sudėtingas tonas, kaip periodiškas procesas, gali būti pavaizduotas kaip paprastų tonų suma (suskaidyta į komponentinius tonus). Toks skilimas vadinamas spektras.
Tono akustinis spektras yra visų jo dažnių rinkinys, nurodant santykinį jų intensyvumą arba amplitudę.
Žemiausias dažnis spektre (ν) atitinka pagrindinį toną, o likusieji dažniai vadinami obertonais arba harmonikomis. Obertonai turi dažnius, kurie yra pagrindinio dažnio kartotiniai: 2ν, 3ν, 4ν, ...
Paprastai didžiausia spektro amplitudė atitinka pagrindinį toną. Būtent jį ausis suvokia kaip garso aukštį (žr. toliau). Obertonai sukuria garso „spalvą“. To paties aukščio garsai, sukurti skirtingais instrumentais, ausis suvokiami skirtingai būtent dėl skirtingų obertonų amplitudės santykio. 3.1 paveiksle pavaizduoti fortepijonu ir klarnetu grojamos tos pačios natos (ν = 100 Hz) spektrai.
Ryžiai. 3.1. Fortepijono (a) ir klarneto (b) natų spektrai
Triukšmo akustinis spektras yra kietas.
Šiame straipsnyje sužinosite, kas yra garsas, koks mirtinas jo garsas ir greitis ore bei kitoje aplinkoje. Taip pat kalbėsime apie dažnį, kodavimą ir garso kokybę.
Taip pat pažiūrėkime į atranką, formatus ir garso galią. Tačiau pirmiausia apibrėžkime muziką kaip sutvarkytą garsą – priešingą netvarkingam chaotiškam garsui, kurį suvokiame kaip triukšmą.
- tai garso bangos, kurios susidaro dėl vibracijų ir pokyčių atmosferoje, taip pat mus supančių objektų.
Net pokalbio metu girdi savo pašnekovą, nes jis veikia orą. Be to, kai grojate muzikos instrumentu, nesvarbu, ar mušate būgną, ar plušate stygą, sukuriate tam tikro dažnio virpesius, kurie sukuria garso bangas aplinkiniame ore.
Garso bangos yra užsakyta ir chaotiškas... Kai jie yra užsakyti ir periodiški (pasikartojantys po tam tikro laiko), girdime tam tikrą dažnį arba aukštį.
Tai reiškia, kad dažnį galime apibrėžti kaip įvykio pasikartojimų skaičių per tam tikrą laikotarpį. Taigi, kai garso bangos yra chaotiškos, mes jas suvokiame kaip triukšmo.
Bet kai bangos yra išdėstytos ir periodiškai kartojamos, galime jas išmatuoti pagal pasikartojančių ciklų skaičių per sekundę.
Garso atrankos dažnis
Garso atrankos dažnis yra signalo lygio matavimų skaičius per 1 sekundę. Hercas (Hz) arba Hercas (Hz) yra mokslinis matavimo vienetas, kuris nustato įvykio pasikartojimo skaičių per sekundę. Mes naudosime šį įrenginį!
Garso atrankos dažnis Tikriausiai labai dažnai matėte tokį santrumpą – Hz arba Hz. Pavyzdžiui, ekvalaizerio įskiepiuose. Juose matavimo vienetai yra hercai ir kilohercai (tai yra 1000 Hz).
Paprastai žmogus girdi garso bangas nuo 20 Hz iki 20 000 Hz (arba 20 kHz). Viskas, kas yra mažesnė nei 20 Hz infragarsas... Viskas, kas viršija 20 kHz ultragarsu.
Leiskite man atidaryti EQ papildinį ir parodyti, kaip jis atrodo. Jūs tikriausiai žinote šiuos skaičius.
Garso dažniai Naudodami ekvalaizerį galite susilpninti arba padidinti tam tikrus žmogaus girdimo diapazono dažnius.
Mažas pavyzdys!
Čia turiu garso bangos, sukurtos 1000 Hz (arba 1 kHz), įrašą. Jei priartinsime ir pažiūrėsime į jo formą, pamatysime, kad ji teisinga ir pasikartojanti (periodinė).
Pasikartojanti (periodinė) garso banga Per vieną sekundę čia įvyksta tūkstantis pasikartojančių ciklų. Palyginimui pažvelkime į garso bangą, kurią suvokiame kaip triukšmą.
Sutrikęs garsas Specifinio pasikartojimo dažnio nėra. Taip pat nėra konkretaus tono ar aukščio. Garso banga neveikia. Jei pažvelgtume į šios bangos formą, pamatytume, kad joje nėra nieko pasikartojančio ar periodiško.
Pereikime prie labiau prisotintos bangos dalies. Priartiname vaizdą ir matome, kad jis nėra pastovus.
Sutrikusi banga keičiant mastelį Dėl cikliškumo stokos šioje bangoje negalime išgirsti jokio konkretaus dažnio. Todėl mes tai suvokiame kaip triukšmą.
Mirtinas garso lygis
Noriu šiek tiek paminėti apie mirtiną žmonių garso lygį. Jis kilęs iš 180 dB ir aukščiau.
Iš karto reikia pasakyti, kad pagal norminius standartus saugiu triukšmo lygiu laikomas ne didesnis kaip 55 dB (decibelai) dieną ir 40 dB naktį. Net ir ilgai esant klausai, šis lygis nėra kenksmingas.
| Garso garsumo lygiai | ||
|---|---|---|
| (dB) | Apibrėžimas | Šaltinis |
| 0 | Visai ne pūkuotas | |
| 5 | Beveik negirdima | |
| 10 | Beveik negirdima | Tylus lapų ošimas |
| 15 | Vos girdimas | Lapijos ošimas |
| 20 — 25 | Vos girdimas | Vyro šnabždesiai 1 metro atstumu |
| 30 | Tyliai | Sieninio laikrodžio tiksėjimas ( leistinas maksimumas pagal normatyvus gyvenamosioms patalpoms naktį nuo 23 iki 7 val) |
| 35 | Gana girdisi | Prislopintas pokalbis |
| 40 | Gana girdisi | Įprasta kalba ( norma gyvenamosioms patalpoms dienos metu nuo 7 iki 23 val) |
| 45 | Gana girdisi | Kalbėk |
| 50 | Aiškiai girdimas | Rašomąja mašinėle |
| 55 | Aiškiai girdimas | Kalbėti ( Europos norma A klasės biuro patalpoms) |
| 60 | (biuro norma) | |
| 65 | Garsus kalbėjimas (1m) | |
| 70 | Garsūs pokalbiai (1m) | |
| 75 | Rėkti ir juoktis (1m) | |
| 80 | Labai garsus | Scream, motociklas su duslintuvu |
| 85 | Labai garsus | Garsus riksmas, duslus motociklas |
| 90 | Labai garsus | Garsūs riksmai, krovininis geležinkelio vagonas (7 m) |
| 95 | Labai garsus | Metro vagonas (7 metrai vagono išorėje arba viduje) |
| 100 | Itin triukšminga | Orkestras, griaustinis ( pagal Europos standartus tai yra didžiausias leistinas ausinių garso slėgis) |
| 105 | Itin triukšminga | Senuose lėktuvuose |
| 110 | Itin triukšminga | Sraigtasparnis |
| 115 | Itin triukšminga | Smėliavimo mašina (1m) |
| 120-125 | Beveik nepakeliama | Džemperis |
| 130 | Skausmo slenkstis | Lėktuvas pradžioje |
| 135 — 140 | Sumušimas | Kyla reaktyvinis lėktuvas |
| 145 | Sumušimas | Raketos paleidimas |
| 150 — 155 | Sumušimas, trauma | |
| 160 | Šokas, trauma | Viršgarsinio lėktuvo smūgio banga |
| 165+ | Plyšo ausų būgneliai ir plaučiai | |
| 180+ | Mirtis | |
Garso greitis km per valandą ir metrais per sekundę
Garso greitis yra greitis, kuriuo bangos sklinda per terpę. Žemiau pateikiu plitimo greičio įvairiose aplinkose lentelę.
Garso greitis ore yra daug mažesnis nei kietoje terpėje. Ir garso greitis vandenyje yra daug didesnis nei ore. Tai 1430 m/s. Dėl to plitimas yra greitesnis, o girdimas daug toliau.
Garso galia – tai energija, kurią garso banga perduoda dominančiu paviršiumi per laiko vienetą. Matuojama (W). Yra momentinė vertė ir vidurkis (per tam tikrą laikotarpį).
Tęskime darbą su apibrėžimais iš muzikos teorijos skyriaus!
Pikis ir pastaba
Aukštis Tai muzikinis terminas, reiškiantis beveik tą patį kaip dažnis. Išimtis yra ta, kad jis neturi matavimo vieneto. Užuot apibrėžę garsą pagal ciklų per sekundę skaičių 20–20 000 Hz diapazone, tam tikras dažnio reikšmes žymime lotyniškomis raidėmis.
Muzikos instrumentai sukuria periodines taisyklingų formų garso bangas, kurias vadiname tonais arba natomis.
Kitaip tariant, tai yra tam tikro dažnio periodinės garso bangos momentinis vaizdas. Šios natos aukštis parodo, kaip aukštai ar žemai nata skamba. Šiuo atveju žemesnės natos turi ilgesnes bangas. O aukšti žemesni.
Pažvelkime į 1 kHz garso bangą. Dabar priartinsiu ir pamatysite koks atstumas tarp ciklų.
Garso banga 1 kHz Dabar pažvelkime į 500 Hz bangos formą. Čia dažnis yra 2 kartus mažesnis, o atstumas tarp ciklų didesnis.
Garso banga 500 Hz Dabar paimkime 80 Hz bangos formą. Čia jis bus dar platesnis ir daug žemesnis.
Garsas 80 Hz Matome ryšį tarp aukščio ir bangos formos.
Kiekviena muzikinė nata yra pagrįsta vienu pagrindiniu dažniu (aukštu). Tačiau be tono muzikoje, jį taip pat sudaro papildomi rezonansiniai dažniai arba obertonai.
Leiskite parodyti jums kitą pavyzdį!
Žemiau yra 440 Hz banga. Tai pasaulinis instrumentų derinimo standartas. Tai atitinka pastabą a.
Gryna garso banga 440 Hz Girdime tik pagrindinį toną (gryną garso bangą). Jei priartinsime, pamatysime, kad tai periodiškai.
Dabar pažiūrėkime į tokio pat dažnio bangą, grojamą fortepijonu.
Periodinis fortepijono garsas Žiūrėkite, tai taip pat periodiška. Tačiau jis turi mažų priedų ir niuansų. Visa tai kartu leidžia suprasti, kaip skamba fortepijonas. Be to, obertonai taip pat lemia tai, kad kai kurios natos bus labiau giminingos tam tikrai natai nei kitos.
Pavyzdžiui, galite groti ta pačia nata, bet viena oktava aukščiau. Garsas bus visiškai kitoks. Tačiau tai bus panašu į ankstesnę pastabą. Tai yra, tai ta pati nata, tik grojama oktava aukščiau.
Šis giminingas ryšys tarp dviejų natų skirtingose oktavose atsiranda dėl obertonų buvimo. Jie nuolat yra ir lemia, kiek glaudžiai ar toli tam tikros natos yra susijusios viena su kita.
Specifinis pojūtis, mūsų suvokiamas kaip garsas, yra elastingos terpės – dažniausiai oro – vibracinio judėjimo žmogaus klausos sistemoje rezultatas. Terpės svyravimai yra sužadinami garso šaltinio ir, sklindantys terpėje, pasiekia priėmimo aparatą – mūsų ausį. Taigi begalinė mūsų girdimų garsų įvairovė atsiranda dėl svyravimo procesų, kurie skiriasi vienas nuo kito dažniu ir amplitude. Nereikėtų painioti dviejų to paties reiškinio pusių: garsas yra fizinis procesas ypatinga byla svyruojantis judesys; kaip psichofiziologinis reiškinys, garsas yra koks nors specifinis pojūtis, kurio atsiradimo mechanizmas šiuo metu yra detaliai ištirtas.
Kalbėdami apie fizinę reiškinio pusę, garsą charakterizuojame pagal jo intensyvumą (stiprumą), kompoziciją ir su juo susijusių virpesių procesų dažnį; turėdami omenyje garso pojūčius, mes kalbame apie garsumą, tembrą ir aukštį.
Kietosiose medžiagose garsas gali sklisti tiek išilginių, tiek skersinių virpesių pavidalu. Kadangi skysčiai ir dujos neturi šlyties elastingumo, akivaizdu, kad dujinėje ir skystoje terpėje garsas gali sklisti tik išilginių virpesių pavidalu. Dujose ir skysčiuose garso bangos yra kintamos terpės tirštėjimas ir retėjimas, tolstant nuo garso šaltinio tam tikru kiekvienai terpei būdingu greičiu. Garso bangos paviršius – tai terpės dalelių, turinčių vienodą svyravimo fazę, geometrinė padėtis. Garso bangų paviršiai gali būti nubrėžti, pavyzdžiui, taip, kad tarp gretimų bangų paviršių būtų storėjantis ir retinimo sluoksnis. Bangos paviršiui statmena kryptis vadinama spinduliu.
Garso bangas dujinėje aplinkoje galima fotografuoti. Tam tikslui, už garso šaltinio, vieta
fotografinė plokštelė, ant kurios iš priekio nukreipiamas elektros kibirkšties šviesos spindulys taip, kad šie momentinio šviesos blyksnio spinduliai krenta ant fotografinės plokštės, pereidami pro garso šaltinį supantį orą. Fig. 158-160 pateiktos šiuo metodu gautų garso bangų nuotraukos. Garso šaltinis nuo fotografinės plokštės buvo atskirtas nedideliu ekranu ant stovo.
Fig. 158, bet matyti, kad garso banga ką tik išlindo iš už ekrano; pav. 158, b, ta pati banga buvo nufilmuota antrą kartą po kelių tūkstantųjų sekundės dalių. Šiuo atveju bangos paviršius yra rutulys. Nuotraukoje bangos vaizdas gaunamas apskritimo pavidalu, kurio spindulys laikui bėgant didėja.
Ryžiai. 158. Garso bangos dviejų kartų (a ir b) nuotrauka. Garso bangos atspindys (c).
Fig. 158, c parodyta sferinės garso bangos, atsispindėjusios nuo plokščios sienos, nuotrauka. Čia reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad atsispindėjusi bangos dalis tarsi ateina iš taško, esančio už atspindinčio paviršiaus tokiu pat atstumu nuo atspindinčio paviršiaus kaip ir garso šaltinis. Gerai žinoma, kad garso bangų atspindžio reiškinys paaiškinamas aidu.
Fig. 159 rodo bangos paviršiaus pokytį, kai garso banga praeina pro lęšio formos maišelį, užpildytą vandeniliu. Šis garso bangos paviršiaus pokytis yra garso spindulių lūžio (lūžio) pasekmė: dviejų terpių sąsajoje, kur bangos greitis yra skirtingas, bangos sklidimo kryptis pasikeičia.
Ryžiai. 160 atkuria garso bangų nuotrauką su keturių plyšių ekranu sklidimo kelyje. Praeidamos pro plyšius, bangos lenkiasi aplink ekraną. Šis reiškinys, kai susiduriamų kliūčių bangos lenkiasi aplinkui, vadinamas difrakcija.
Garso bangų sklidimo, atspindžio, lūžio ir difrakcijos dėsniai gali būti išvesti iš Huygenso principo, pagal kurį kiekviena dalelė įvedama į vibraciją.
aplinka gali būti laikoma nauju bangų centru (šaltiniu); visų šių bangų interferencija suteikia faktiškai stebimą bangą (Huygenso principo taikymo būdai bus paaiškinti trečiajame tome, naudojant šviesos bangų pavyzdį).
Garso bangos neša tam tikrą judėjimą ir dėl to spaudžia kliūtis, su kuriomis susiduria.
Ryžiai. 159. Garso bangos lūžimas.
Ryžiai. 160. Garso bangų difrakcija.
Norėdami paaiškinti šį faktą, remsimės Fig. 161. Šiame paveiksle punktyrinė linija rodo terpės dalelių poslinkių sinusoidę tam tikru laiko momentu sklindant terpėje išilginėms bangoms. Šių dalelių greičiai nagrinėjamu laiko momentu pavaizduoti kosinusu, arba, kas yra tas pats, sinusoidas, lenkiantis poslinkių sinusoidę ketvirtadaliu periodo (161 pav. - ištisinė linija). Nesunku suprasti, kad terpės tirštėjimas bus stebimas ten, kur ji yra Šis momentas dalelių poslinkis lygus nuliui arba artimas nuliui ir kur greitis nukreiptas į bangų sklidimą. Priešingai, terpės retėjimas bus stebimas ten, kur dalelių poslinkis taip pat lygus nuliui arba artimas nuliui, bet kur dalelių greitis nukreiptas priešinga bangų sklidimui kryptimi. Taigi kondensacijose dalelės juda į priekį, retumo atveju – atgal. Bet į
Ryžiai. 161. Praeinančios garso bangos tirštėjimo metu dalelės juda į priekį,
sustorėjusiuose sluoksniuose yra daugiau dalelių nei retuosiuose. Taigi bet kuriuo laiko momentu sklindančiose išilginėse garso bangose į priekį judančių dalelių skaičius šiek tiek viršija dalelių, judančių atgal, skaičių. Dėl to garso banga neša tam tikrą judėjimą, kuris pasireiškia spaudimu, kurį garso bangos daro kliūtims, su kuriomis jos susiduria.
Garso slėgį eksperimentiškai ištyrė Rayleigh ir Petr Nikolaevich Lebedev.
Teoriškai garso greitis nustatomas pagal Laplaso formulę [§ 65, formula (5)]:
kur K – visapusio tamprumo modulis (kai suspaudimas atliekamas neprileidžiant ir neišleidžiant šilumos), tankis.
Jei kūnas suspaudžiamas išlaikant pastovią kūno temperatūrą, tada tamprumo modulio reikšmės yra mažesnės nei tuo atveju, kai suspaudimas atliekamas be šilumos pritekėjimo ir išleidimo. Šios dvi visapusiško tamprumo modulio reikšmės, kaip įrodyta termodinamikoje, yra susijusios taip pat, kaip kūno šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui su kūno šilumine talpa esant pastoviam tūriui.
Dujoms (ne per daug suspaustoms) visuminio elastingumo izoterminis modulis yra tiesiog lygus dujų slėgiui Jei nekeičiant dujų temperatūros dujas suspaudžiame (padidiname jų tankį) kartus, tai dujų slėgis padidės kartus. . Vadinasi, pagal Laplaso formulę išeina, kad garso greitis dujose nepriklauso nuo dujų tankio.
Iš dujų dėsnių ir Laplaso formulės galima daryti išvadą (§ 134), kad garso greitis dujose yra proporcingas absoliučios dujų temperatūros kvadratinei šaknei:
kur gravitacijos pagreitis, temperatūrinių pajėgumų santykis yra universali dujų konstanta.
Esant C, garso greitis sausame ore yra lygus esant vidutinei temperatūrai ir vidutinei drėgmei, garso greitis ore laikomas lygiu Garso greičiui vandenilyje esant
Vandenyje garso greitis stikle geležyje yra
Pažymėtina, kad garso smūginės bangos, kurias sukelia šūvis ar sprogimas, savo kelio pradžioje turi greitį
gerokai viršijantis įprastą garso greitį tam tikroje aplinkoje. Smūgio garso bangos ore, sukeltos dėl stipraus sprogimo, greitis šalia garso šaltinio gali būti kelis kartus didesnis už įprastą garso greitį ore, tačiau jau dešimčių metrų atstumu nuo sprogimo vietos, bangos sklidimo greitis sumažėja iki normalios vertės.
Kaip jau minėta § 65, skirtingo ilgio garso bangos turi praktiškai vienodą greitį. Išimtis yra tie dažnių diapazonai, kuriems būdingas ypač greitas tampriųjų bangų slopinimas joms sklindant nagrinėjamoje terpėje. Paprastai šie dažniai yra toli už klausos diapazono (dujoms su Atmosferos slėgis yra virpesių per sekundę eilės dažniai). Teorinė analizė rodo, kad garso bangų sklaida ir sugertis yra susijusi su tuo, kad energijos perskirstymui tarp transliacinių ir vibracinių molekulių judesių reikia šiek tiek, nors ir nedidelio, laiko. Tai lemia tai, kad ilgos bangos (garso diapazono bangos) juda šiek tiek lėčiau nei labai trumpos „negirdimos“ bangos. Taigi anglies dioksido garuose esant atmosferos slėgiui garsas turi greitį, o labai trumpos, „negirdimos“ bangos sklinda tokiu greičiu.
Garso banga, sklindanti terpėje, gali turėti skirtinga forma priklausomai nuo garso šaltinio dydžio ir formos. Techniškai įdomiausiais atvejais garso šaltinis (emiteris) yra koks nors vibruojantis paviršius, pavyzdžiui, telefono membrana ar garsiakalbio difuzorius. Jeigu toks garso šaltinis skleidžia garso bangas į atvirą erdvę, tai bangos forma iš esmės priklauso nuo skleidėjo santykinių matmenų; emiteris, kurio matmenys yra dideli, lyginant su garso bangos ilgiu, skleidžia garso energiją tik viena kryptimi, būtent savo virpesių judėjimo kryptimi. Priešingai, mažo dydžio radiatorius, palyginti su bangos ilgiu, skleidžia garso energiją visomis kryptimis. Akivaizdu, kad bangos fronto forma abiem atvejais skirsis.
Pirmiausia panagrinėkime pirmąjį atvejį. Įsivaizduokite standų, pakankamai didelio (palyginti su bangos ilgiu) plokščią paviršių, atliekantį svyruojančius judesius savo normalios krypties kryptimi. Judant į priekį, toks paviršius prieš jį sukuria sustorėjimą, kuris dėl terpės elastingumo sklis emiterio poslinkio kryptimi). Judėdamas atgal, emiteris sukuria retėjimą, kuris judės terpėje po pradinio sutirštėjimo. Trumpalaikiam emiterio svyravimui abiejose jo pusėse stebėsime garso bangą, kuriai būdinga tai, kad visos terpės dalelės, esančios vienodu atstumu nuo skleidžiamojo paviršiaus vidutinio tankio ir garso greitis su:
Vidutinio terpės tankio ir garso greičio sandauga vadinama terpės akustine varža.
Akustinis atsparumas esant 20 ° С
(žr. nuskaitymą)
Dabar panagrinėkime sferinių bangų atvejį. Kai spinduliuojančio paviršiaus dydis tampa mažas, palyginti su bangos ilgiu, bangos frontas pastebimai išlenktas. Taip yra todėl, kad vibracinė energija sklinda visomis kryptimis nuo emiterio.
Reiškinys gali būti geriausiai suprantamas naudojant tokį paprastą pavyzdį. Įsivaizduokime, kad ant vandens paviršiaus nukrito ilgas rąstas. Susidariusios bangos sklinda lygiagrečiomis eilėmis abiejose rąsto pusėse. Kitokia situacija, kai į vandenį įmetamas mažas akmuo, o bangos sklinda koncentriniais ratais. Rąstas yra palyginti didelis
kurių bangos ilgis yra vandens paviršiuje; iš jo kylančios lygiagrečios bangų eilės vaizduoja vaizdinį plokščių bangų modelį. Akmuo yra mažo dydžio; nuo jo kritimo vietos nukrypstantys apskritimai suteikia mums sferinių bangų modelį. Kai sferinė banga sklinda, bangos fronto paviršius didėja proporcingai jos spindulio kvadratui. Esant pastoviai garso šaltinio galiai, energija, tekanti per kiekvieną spindulio sferinio paviršiaus kvadratinį centimetrą, yra atvirkščiai proporcinga. Kadangi vibracijos energija yra proporcinga amplitudės kvadratui, akivaizdu, kad virpesių amplitudė sferinė banga turėtų mažėti kaip atstumo nuo garso šaltinio pirmosios laipsnio atvirkštinė vertė. Todėl sferinės bangos lygtis turi tokią formą:
Ankstesnis straipsnis: Suspausti vyzdžiai – ką tai reiškia? Kitas straipsnis: Šlapimo pūslės kateterizavimas minkštu kateteriu