Звук — колебательное движение частиц упругого среды, распространяется в виде волн в газе, жидкости или твердом теле. В узком смысле термином звук определяют колебания, которые воспринимаются органами чувств животных и человека. В этом смысле слова мы имеем дело с возмущениями, что поширються в воздухе. В общем случае этим термином определяется его процесс распространения возмущений в различных по физическим свойствам средах, в которых восстанавливающей силой является сила упругости. При этом не важно сприймадють эти возмущения любые живые существа.

Большинство явлений в природе сопровождаются характерными звуками, которые воспринимаются и распознаются ухом человека и животных и служат для ориентирования и общения. Специфика восприятия колебательных движений частиц среды человеком определяется психологическими факторами, в связи с чем все звуки делятся на две категории: собственно звук, как средство коммуникации и восприятия окружающей среды (звуки речи, музыкальные звуки, пение птиц, например) и звуки со специфическим спектральным наполнением, часто нежелательные и раздражающие, которые определяются как шум.

Возмущения, воспринимаются органами слуха человека и различных животных это лишь небольшая доля возмущений, которые могут существовать в окружающем мире. Большое значеня имеют возмущений. в которых основная часть энергии сосредоточена в области частот, которые не воспринимаются человеческим ухом. В связи с этим отдельно выделяют такие особые типы возмущений, как ультразвук и инфразвук. Раздел науки, изучающей звуки, называется акустикой.

В философии, психологии и экологии средств коммуникации звук исследуется в связи с его влиянием на восприятие и мышление (речь идет, например, о акустическое пространство как пространство, создаваемый воздействием электронных средств коммуникации).

Понятие о звуке

Срок звук используется для характеристики процессов распространения возмущений в материальных средах, имеющих упругие свойства. Примером такой среды являются газы, жидкости, твердые упругие тела. В таких средах на любую частицу, смещенную из положения равновесия, действует сила упругости, которая пытается вернуть ее в исходное положение. Характер движения частиц среды при этом может быть различным. При коротких звуреннях (выстрел, плеск в ладони и др) осуществляют кратковременные движения, пися которых частицы возвращаются к исходному равновесному состоянию .. При воздействии длительных, переменных во времени, возмущений частицы среды совершают колебательные движения вблизи положения равновесия.

Звуковые волны при определенных условиях могут быть примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении ее характеристик от равновесных значений. При распространении звуковых волн в среде изменяются такие характеристики как плотность, давление, скорость движения частиц, механические (нормальные и касательные) напряжения, температура. Изменение положения частиц характеризуется вектором скорости, который является функцией координат и времени. Силовые факторы взаимодействия между частицами акустической среды в случае жидкостей и газов характеризуются изменением величины давления. Для упругих тел силовое взаимодействие между частицами описывается тензором напряжений.

Если сделать резкое сжатие упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям между атомами и молекулами давление передается на соседние частицы, которые, в свою очередь, влияют на следующие, и область повышенного давления как перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется чередование областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае совершает колебательные движения.

В жидких и газообразных средах акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает (или противоположный) с направлением распространения волны. В твердых телах, кроме продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, что приводит к возможности существования волн с движением частиц в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Такие волны называют поперечными.

Классификация звуков

Большинство звуков, которые встречаются в природе сложные, то есть суперпозицией (суммой) волн различной частоты. Суперпозиция волн различной частоты предоставляет слышимом звука окраски, называют тембром.

По частотным характеристикам акустической волны различают:

  • простой тон — синусоидальные колебания (послушать). Звуковые колебания простого тона в достаточно хорошем приближении излучают звуковые генераторы и камертон.
  • сложный тон
    • гармоничный — определенной звуковысотности, состоящий из основного тона и обертонов. Звуки такого спектрального состава дают музыкальные инструменты. Тембр звука, то есть соотношение обертонов и основного тона предоставляет каждому музыкальному инструменту свое характерное звучание.
    • негармонично — примерно определенной звуковысотности, состоящий из основного тона и негармонических обертонов (послушать).
  • шум
    • белый шум — хаотические колебания, спектральные составляющие размещаются равномерно по всему диапазону (послушать).
    • цветной шум — хаотические колебания, спектральные составляющие размещаются неравномерно по всему диапазону, как правило, с постепенным уменьшением интенсивности от низких до высоких частот (послушать).

Характеристики звука

При описании звуковых полей используют такие физические харaктеристикы как частота, длина волны, амплитуда, скорость звука, давление и скорость частиц среды. В связи с особенностью движения частиц среды при распространении звуковых волн эту швидкисть называют колебательной скоростью. Когда речь идет о восприятии звуков человеком используют так называемые физиологические характеристики звука: тембр, громкость, высота тона. Обычно человек слышит колебания, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком. Представители животного мира способны воспринимать звуки в значительно более широком диапазоне частот. Летучие мыши для ориентации и нахождения добычи используют звуки в диапазоне 20-120 кГц. Дельфины, например, используют для ориентации и охоты звуки с частотой более 100 кГц Значительно выше 20 кГц частоты способны воспринимать и собаки.

Среди уловимых звуков следует особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направлению распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.

Физические параметры звука

Во многих практически важных случаях для изучения процессов генерации, распространения звуковых волн и их взаимодействия с препятствиями используется модель идеальной сжимаемой жидкости (газа) или идеального упругого тела. В этом случае процесс распространения волн описывается силовыми характеристиками (давление или тензор напряжений) и кинематическими характеристиками (вектор колебательной скорости частиц среды. Колебательная скорость измеряется в м / с или см / с. Изменение температуры в процессе адиабатической деформации частиц среды может быть вычислена дополнительно. Для учета потерь енергии при деформации среды следует использовать модели, учитывающие вязкость. При распространении гармонических волн вязкие потери часто учитываются введением комплексных волновых чисел или комплексных модулей упругости.

В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной ее затраты на работу против сил трения и излучения в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).

Коэффициент затухания отражает скорость убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е раз, через, то:

Звук.

Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний до времени затухания:

Звук

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной степени повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы, которым визначаються ее собственные частоты. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы. Характерно, что максимальное видхилення частиц среды от положения равновесия достигается при несколько ином значении частоты внешней силы. Разница между этими характерными частотами определяется величиной демпфирования в системе.

При частотах воздействия, значительно меньших резонансной, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах нарушения, близких к резонансному, главную роль играют силы трения. При условии, что частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Как характеристика среды величина акустического сопротивления может быть определена при анализе распространения плоской волны. В этом случае вводят для характеристики среды понятие удельного акустического сопротивления. Его величина определяется отношением ‘амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости его частиц. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) равно произведение плотности () на скорость (с) распространения звуковых волн в нем.

Звук

Удельный акустическое сопротивление измеряется в паскаль-секунда на метр (Пас / м) или Динса / см (СГС) 1 Пас / м = 10 -1 дин с / см.

Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г / ссм², причем 1 г / ссм² = 1 Динса / см.

Звуковой или акустическое давление в среде представляет собой разницу между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловлено акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:

Звук

где Р — максимальное акустическое давление (амплитуда давления);

  • ν — частота;
  • с — скорость распространения ультразвука;
  • n — плотность среды;
  • А — амплитуда колебания частиц среды.

На расстоянии в половину длины волны амплитудное значение давления с положительной становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, стоящих друг от друга на расстоянии распространения волны, равна 2Р.

Для выражения звукового давления в единицах СИ используют Паскаль (Па), равное давлению в один ньютон на метр квадратный (Н / м). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин / см; 1 дин / см = 10 -1 Па = 10 -1 Н / м. Наряду с указанными единицами часто пользуются несистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98 × 10 Июня дин / см = 0,98 × 10 Май Н / м ?. Иногда применяется единица, называется баром или микробар (акустическим баром) 1 бар = 10 Июнь дин / см.

Давление на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растет в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорения меняет свой знак.

Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающих в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением:

Звук

Если ультразвуковые волны, бегущие наталкиваются на препятствие, она испытывает не только переменное давление, но и постоянный. Участки сгущения и разрежения среды, возникающих при прохождении ультразвуковых волн, создают дополнительные изменения давления в среде относительно окружающей внешнего давления. Такой дополнительный внешнее давление называют давлением излучения (радиационный давление). Он служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационный давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях — ультразвуковых весах.

Частота

Простейшим типом звука является звук, в котором давление в каждой точке пространства изменяется по синусоидальной законом, то есть осуществляет гармонические колебания с определенной частотой. Частота — это количество колебаний определенной точки звуковой волны в секунду. Одному цикла колебания в секунду соответствует величина 1 Гц (1 / с).

Человек слышит звук с частотами от 16 Гц до 20 кГц. Границы слышимости определены не строго и меняются от человека к человеку. Некоторые животные могут слышать звуки с частотой ниже 16 Гц, другие — с частотой более 20 кГц.

Диапазон от 16 Гц до 20 кГц называют слышным диапазоном. Звуки с частотами до 16 Гц называются инфразвуком, более 20 000 Гц — ультразвуком. Звуки с частотой 9 октября -10 13 Гц называют гиперзвуком.

Человеческое ухо воспринимает и различает частоту звуковых колебаний как высоту звука или тон.

Скорость звука

Скорость звука — скорость распространения звуковых волн в среде.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твердых телах, что связано в основном с уменьшением сжимаемости (ростом объемного модуля упругости) веществ в этих фазовых состояниях соответственно.

Скорость звука в воздухе при нормальных условиях составляет 340 м / с. Она несколько возрастает с повышением температуры и уменьшается при ее понижении. Скорость звука в воздухе практически не зависит от частоты, поэтому звук распространяется на большие расстояния без искажений. В газах скорость звука составляет несколько сотен метров в секунду. Максимальную скорость имеют волны в водные (около 1200 м / с). Для жидкостей скорость звука находится в интервале 1-2 км / с. В пресной воде скорость звука близка к 1500 м / с. В большинстве твердых упругих тел скорость звука находится в интервале 5-6 км / с. Рекордное значение скорости звука твердом теле характерно для алмаза и составляет 18 км / с.

Скорость звука зависит от среды, через которую проходят звуковые волны и определяется его параметрами — модулями упругости. Скорость звука в газах зависит от температуры, от массы молекулы газа. В целом она равна корню квадратному производной от модуля упругости среды относительно плотности. При больших интенсивностях звука она зависит также от амплитуды.

Скорость звука в среде, не опирается сдвига, вычисляется по формуле:

Звук

где — адиабатическая сжимаемость среды; — Плотность. В твердых упругих телах возможно существование двух типов волн — продольных и поперечных. Для определения скорости распространения поперечных волн следует использовать формулу, где — модуль сдвига упругой среды. Адиабатическая сжимаемость изтропного упругой среды может быть выражена через ввеличины модуля сдвига и числа Пуассона по формуле

Звук.

Длина волны

Длина гармоничной звуковой волны определяется ее частотой и скоростью звука:

Звук,

где — длина волны, — частота, — скорость звука.

Длины звуковых волн слышимого диапазона лежат в пределах от, примерно, 2 см до примерно 20 м.

Громкость звука

Громкость звука — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний, чувствительность слухового анализатора человека и другие факторы.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний, однако громкость — субъективная характеристика интенсивности звука, тогда как объективной физической характеристикой является звуковое давление.

Человеческое ухо воспринимает громкость в примерно логарифмическом масштабе по закону Вебера-Фехнера, поэтому громкость измеряется в логарифмических единицах — децибелах, тогда как звуковое давление измеряется в паскалях. Логарифмический масштаб восприятия означает, что человек может услышать новый звук на некотором звуковом фоне только тогда, когда его амплитуда превышает амплитуду фона не в некоторую определенную абсолютную величину, а на определенный множитель, который зависит от частоты.

Аналогично, в логарифмическом масштабе человеческое ухо различает тона.

Характеристики движения частиц среды

При распространении звуковых волн происходит начальные механическое движение частиц среды. Для характеристики такого движения следует использовать собственные внутренние масштабы процесса генерации и распространения волн. Оценка этих масштабов является важным для понимания физических особенностей волновых движений. В качестве пространственного масштаба естественно использовать амплитуду смещения от положения равновесия частиц среды. Если рассматривать звуки слышимого для человека диапазона, то эта величина может быть чрезвычайно малой по отношению к величинам, с которыми человек встречается в повседневной жизни. Если рассмотреть звуки в диапазоне частот 2-3 кГц где человеческое ухо имеет самую высокую чувствительность, то для нйбильш интенсивного звука, при котором у человека уже возникает мучительное ощущение в ушах, амплитуда смещений частиц воздуха составляет лишь 0.1 мм. Амплитуда скорости частиц при этом составляет 1 м / с. Во время громкого разговора на расстоянии 1 м от говорящего амплитуда смещений частиц среды составляет 2-3 сотни ангстрем, амплитуда скорости механического движения частиц менее 1 м в час. Наконец, для самых слабых звуков, распознаются человеком, амплитуда смещений составляет 510 -10 см, а амплитуда скорости около 2 м в год.

Распространение звука

В газах и жидкостях звук распространяется как продольная волна, то есть как последовательность стеснений и расширений. В твердых телах кроме продольных звуковых волн могут распространяться также поперечные волны, в которых колебания происходят в направлении перпендикулярном направлению распространении. Продольные и поперечные волны поширюються с различными скоростями. В изотропных средах скорость распространения возмущений не зависит от направления. В анизотропных средах, таких как кристаллы, наблюдается анизотропия скорости, когда скорость звука меняется в зависимости от направления распространения.

Распространение звука является адиабатическим процессом, то есть колебания давления и плотности происходит быстрее, чем успевает выровняться температура. Это означает, что локальная температура меняется вместе с плотностью — при сжатии происходит нагревание, при расширении охлаждения.

Звуковая волна, встретив на своем пути препятствие, дифрагирует, то есть огибает препятствие, если ее размер меньше или сравним с длиной волны. Звуковая волна также частично отражается от препятствия. Отражение больше, если размер препятствия больше от длины волны. Благодаря отражению звуковой волны от препятствий возникает такое акустическое явление, как эхо. Человеческое ухо не различает очень близки по времени звуки, поэтому минимальное расстояние, с которой человек слышит эхо составляет примерно 16 м.

При распространении звуковых волн может наблюдаться изменение формы сигнала, шо содержит определенный набор гармонических составляющих. Такое явление носит название дисперсия. Причиной возникновения дисперсии могут быть специальные физические свойства среды, в которой распространяется возмущение (физическое дисперсия) или геометрические особенности области, в которой распространяется звук (геометрическая дисперсия).

Генерация звука

Окружающий мир переполнен звуками. Они генерируются различными источниками и на основе различных механизмов преобразования кинетической или электрической энергии источника в энергию звуковых волн.В случае, когда звук генерируется звоном, изображенным в начале статьи, часть кинетической энергии уларника расходуется для возбуждения колебаний колокола. При взаимодействии его поверхности с воздухом генерируются звуковые волны. Такой механизм генерации звука достаточно распространен.Именно он используется в разного типа громкоговорителям. Возбуждение колебаний поверхности в них осуществляется либо электромагнитным устройством, или устройством с использованием пьезоэффекта. В окружающем мире очень распространены звуки, генерируемые за счет перехода части кинетической энергии потока в энергию звука. Именно такой механизм работает при генерации звуков человеком, птицами, различными животными. Им же обусловлено генерацию звука стремительным потоком и ветром. На основе этого механизма генерируются звуки в духовых музыкальных инструментах. В струнных и ударных инструментах звуки генерируются, по сути, так же как в колоколе. Для создания когерентного звука применяются так называемые звуковые или фононные лазеры.

Регистрация, запись и воспроизведение звука

Подробнее звукозапись

При виришення задачи регистрации звуков используют два типа сенсоров — измеритель давления или измеритель коликальнои скорости. Обычный микрофон и человеческое ухо является регистраторами давления. Практически только такого типа регистраторы используются при анализе звуковых полей в газовых средах. В гидроакустике достаточно часто використвують Регистратор колебательной скорости.

Звук регистрируют с помощью микрофонов — приборов, превращают звуковые колебания в электрические. Зарегистрированные звуковые колебания можно передать на расстояние средствами телекоммуникации — по телефону или радио или записать на носители информации. Передан или записанный звук воспроизводится с помощью громкоговорителей, преобразующие электрические колебания в звуковые волны.

В современных условиях для регистрации и обработки звуковых сигналов широко используются компьютеры. При этом звуковой сигнал кодируется цифровым кодом с помощью специальных аналого-цифровых преобразователей.При этом формируется цифровой звук. При создании цифровых звуковых файлов используется большое количество различных звуковых форматов. Широко используются, например, форматы МР3, МР4. При использовании аналого-цифровых претворювачив ставится задача сохранения характеристик звука в определенном частотном диапазоне, в соответствии с которым выбирается частота дискретизации.

Ультразвуковая диагностика

Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяемые в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 Гц-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости).

Распространение ультразвука

Распространение ультразвука — это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волны.

Звуковая волна распространяется в веществе, которое находится в газообразном, жидком состоянии, в том же направлении, в котором происходит перемещение из частиц этого вещества. Такие волны называют продольными. В случае твердого деформивного тела существуют, как продольные волны, так и волны поперечные, когда направление распространения возмущений и направление движения частиц среды взаимно перпендикулярными. Характерным примером поперечных волн является волны в струне. При распространении волн возникает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разрежения и сжатия определенных объемов среды, причем расстояние между двумя соседними областями максимального сжатия или разрежения определяет длину гармонической волны. Чем больше удельный акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разрежения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующих в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц меняется в соответствии с уравнением:

Звук,

где V — величина колебательной скорости;

  • U — амплитуда колебательной скорости;
  • ν — частота ультразвука;
  • t — время;
  • — Разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением.

Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется интенсивностью возмущения.

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.

Дифракция (обход волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или более) с размерами препятствия, находящегося на пути. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в среде нескольких ультразвуковых волн в каждой определенной 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 определенных 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 определенного участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещение 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 ризнонаправлениым, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний.

Поглощение звуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение звука, имеет вязкость и теплопроводность или в нем есть другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда звуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Большинство поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает у передающей веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг о другую, в разных средах оно разное. Поглощение зависит также от частоты звуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, показывает, как меняется интенсивность ультразвука в облученном среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и его структурой. Его ориентировочно характеризует величина напивпоглинаючого слоя показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63%). По Пальман при частоте, равной 0,8 МГц средние величины напивпоглинаючого слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань — 6,8 см; мышечная — 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе — 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина напивпоглинаючого слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот — это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии звука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается на половину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Рассеяния ультразвуковых волн

Если в среде есть неоднородности, то происходит рассеивание звука, что может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном итоге, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломления ультразвуковых волн

Потому что акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предположить, что на границе раздела сред (эпидермис — дерма — фасция — мышца) будет наблюдаться преломления ультразвуковых волн.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения построена ультразвуковая диагностика. Отражение происходит в приграничных областях кожи и жира, жира и мышц, мышц и костей. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мала, то ультразвук его как бы обтекает. Неоднородности организма не вызывают значительных отклонений, так как по сравнению с длиной волны (2 мм) их размерами (0,1-0,2 мм) можно пренебречь. Если ультразвук на своем пути встречает органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость — окружающие к ней ткани и ткани — воздух. В воздух малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца — надкостницы — кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие звуковые волны

Если при распространении звуковых волн они не встречают препятствий, то образуется звуковое поле, формируется системой бегущих волн в разных направлениях от источника звука. В результате потерь энергии и растекания ее по все возрастающему объему амплитуда колебательных движений частиц среды постепенно уменьшается. Если же на пути распространения звуковых волн существуют препятствия, то возможны такие физические эффекты. Если препятствие является акустической средой с отличными физическими свойствами часть звуковой энергии проникает в объем препятствия, а часть отражается и рассеивается в окружающем пространстве. При встрече с препятствиями которые можно моделировать как акустически жесткие, акустически мягкие, реализуется только процесс рассеяния волн. Наложение падающих и отраженных звуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Стоячие волны не переносят ерергию.

Инфразвук

Инфразвук (от лат. Infra — ниже, под) — упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческим ухом. Верхней границы 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 в 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. Благодаря большой длине волны (при частоты 1 Гц длина волны в воздухе превышает 300 м) явление дифракции не влияет существенно на распространение инфразвука.

Инфразвук, который образуется в море, называют одной из возможных причин нахождения судов, покинутых экипажем

Опыты и демонстрации

Для демонстрации стоячих волн звука служит Труба Рубенса.

Различие в скоростях распространения звука наглядно, когда вдыхают вместо воздуха гелий, и говорят что-нибудь, выдыхая его, — голос становится выше. Если же газ — гексафторид серы SF 6, то голос звучит ниже. Связано это с тем, что газы примерно одинаково хорошо сжимаемые, поэтому в гелии, что имеет очень низкую плотность, по сравнению с воздухом происходит увеличение скорости звука, и снижение — в гексафторид серы с очень высокой для газов плотностью, размеры же ротового резонатора человека остаются неизменными, в итоге меняется резонансная частота, так как чем выше скорость звука, тем выше резонансная частота при прочих неизменных условиях.

О скорости звука в воде можно визуально получить представление в опыте дифракции света на ультразвуке в воде. В воде по сравнению с воздухом, скорость звука выше, потому что даже при существенно более высокой плотности воды (что должно было бы привести к падению скорости звука), вода настолько плохо сжимаемая, что в итоге в ней скорость звука оказывается все равно в несколько раз выше.

Самый низкий звук во Вселенной

Акустические волны, генерируемые сверхмассивной черной дырой в центре скопления галактик Персей в 250 млн световых лет от Земли, генерируют звук на 57 октав ниже ноты «си» средней октавы (это соответствует частоте 3,2 * 10 -15 Гц, или — одно колебание на 10 млн лет), распространяется через тонкий слой газа вокруг черной дыры. Это явление было открыто астрономами Кембриджского университета (Великобритания) под руководством Эндрю Фабиана в рентгеновской обсерватории Чандра. Этот звук зарегистрирован в «Книге рекордов Гиннеса», как самый низкий звук во Вселенной.

Видео по теме