Astronet > Kolebaniya i volny

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Kolebaniya i volny. Lekcii.

V.A.Aleshkevich, L.G.Dedenko, V.A.Karavaev (Fizicheskii fakul'tet MGU)
Izdatel'stvo Fizicheskogo fakul'teta MGU, 2001 g. Soderzhanie

Primenenie akusticheskih metodov.

Dlya sovremennogo urovnya razvitiya akustiki harakterno chrezvychaino shirokoe primenenie akusticheskih metodov dlya resheniya raznoobraznyh zadach ne tol'ko v fizike, no takzhe i v informacionnoi i izmeritel'noi tehnike, promyshlennosti, medicine, biologii, voennom dele i t. d.

Pervoe (v poryadke istoricheskogo stanovleniya) vazhnoe prikladnoe napravlenie v akustike svyazano s polucheniem pri pomoshi akusticheskih voln informacii o svoistvah i stroenii veshestv, o proishodyashih v nih processah. Primenyaemye v etih sluchayah metody osnovany na izmerenii skorosti rasprostraneniya i koefficienta poglosheniya ul'trazvuka na raznyh chastotah ( $10^{4}\div 10^{5} Gc$ v gazah i $10^{5}\div 10^{10} Gc$ v zhidkostyah i tverdyh telah). Takie issledovaniya pozvolyayut poluchat' informaciyu ob uprugih i prochnostnyh harakteristikah materialov, o stepeni ih chistoty i nalichii primesei, o razmerah neodnorodnostei, vyzyvayushih rasseyanie i pogloshenie voln, i t. d. Bol'shaya gruppa metodov baziruetsya na effektah otrazheniya i rasseyaniya uprugih voln na granice mezhdu razlichnymi sredami, chto pozvolyaet obnaruzhivat' prisutstvie inorodnyh tel i ih mestopolozhenie. Eti metody lezhat v osnove takih napravlenii, kak gidrolokaciya, nerazrushayushii kontrol' izdelii i materialov, medicinskaya diagnostika. Primenenie akusticheskoi lokacii v gidroakustike imeet isklyuchitel'noe znachenie, poskol'ku zvukovye volny yavlyayutsya edinstvennym vidom voln, rasprostranyayushihsya na bol'shie rasstoyaniya v estestvennoi vodnoi srede. Kak raznovidnost' defektoskopii, shiroko primenyaemoi v promyshlennosti, mozhno rassmatrivat' ul'trazvukovuyu diagnostiku v medicine. Dazhe pri nebol'shom razlichii v plotnosti biologicheskih tkanei proishodit otrazhenie ul'trazvuka na ih granicah. Poetomu ul'trazvukovaya diagnostika pozvolyaet vyyavlyat' obrazovaniya, ne obnaruzhivaemye s pomosh'yu rentgenovskih luchei. V takoi diagnostike ispol'zuyutsya chastoty ul'trazvuka poryadka 10⁷ Gc; intensivnost' zvuka pri etom ne prevyshaet 0,5 mVt/sm², chto schitaetsya vpolne bezopasnym dlya organizma. V nastoyashee vremya razvitie defektoskopii privelo k sozdaniyu akusticheskoi tomografii. V etom metode s pomosh'yu nabora priemnikov ul'trazvuka ili odnogo skaniruyushego priemnika registriruyutsya uprugie volny, rasseivaemye v raznyh napravleniyah, a zatem s ispol'zovaniem komp'yuternoi obrabotki signalov na ekrane displeya formiruetsya ob'emnoe izobrazhenie vnutrennei struktury issleduemogo ob'ekta.

Drugim vazhnym prikladnym napravleniem akustiki yavlyaetsya aktivnoe vozdeistvie ul'trazvukom na veshestvo. Takoe vozdeistvie shiroko ispol'zuetsya v promyshlennoi tehnologii dlya poverhnostnoi obrabotki detalei, svarki, intensifikacii himicheskih processov i t. d. V zhidkostyah osnovnuyu rol' pri takom vozdeistvii igraet kavitaciya - obrazovanie v intensivnoi zvukovoi volne pul'siruyushih puzyr'kov. Shlopyvanie puzyr'kov soprovozhdaetsya moshnym gidrodinamicheskim vozmusheniem i sil'nym lokal'nym razogrevom veshestva, v rezul'tate chego razrushaetsya poverhnost' tverdogo tela, nahodyashegosya v oblasti kavitacii. Primenenie ul'trazvuka dlya vozdeistviya na zhivoi organizm v medicine osnovyvaetsya na effektah, voznikayushih v biologicheskih tkanyah pri prohozhdenii cherez nih akusticheskih voln. Pri umerennoi intensivnosti zvuka (do 1 Vt/sm²) kolebaniya chastic sredy vyzyvayut mikromassazh tkanei, a pogloshenie zvuka - lokal'nyi razogrev, chto primenyaetsya v ul'trazvukovoi terapii. Pri bol'shih intensivnostyah sil'noe nagrevanie i kavitaciya vyzyvayut razrushenie tkanei. Dlya hirurgicheskih operacii ispol'zuetsya sfokusirovannyi ul'trazvukovoi puchok, kotoryi pozvolyaet proizvodit' lokal'nye razrusheniya v glubinnyh strukturah (naprimer, mozga ili pochki) bez povrezhdeniya okruzhayushih tkanei. V hirurgii primenyaetsya ul'trazvuk s chastotami $0,5\div 5 MGc,$ intensivnost' kotorogo v fokuse dostigaet 10³ Vt/sm².

Osnovnye harakteristiki zvuka.

Uprugie volny v vozduhe, imeyushie chastoty v predelah ot 20 Gc do 20 kGc, vyzyvayut u cheloveka oshushenie zvuka. V uzkom smysle uprugie volny v lyuboi srede, imeyushie chastotu v etom intervale, nazyvayutsya slyshimymi zvukovymi volnami, ili prosto zvukom. Volny s chastotami $\nu \lt 20 Gc$ nazyvayutsya infrazvukom, a s chastotami $\nu \gt 20 kGc$ - ul'trazvukom. Infrazvuk i ul'trazvuk chelovecheskim uhom ne vosprinimayutsya.

V deistvitel'nosti, samye nizkie i samye vysokie chastoty intervala slyshimyh zvukov dostupny, kak pravilo, lish' ochen' molodym lyudyam. S vozrastom etot interval suzhaetsya, prichem muzhchiny nachinayut utrachivat' chuvstvitel'nost' k vysokim chastotam ran'she, chem zhenshiny. Posle 50 let lyudi chashe vsego utrachivayut sposobnost' k vospriyatiyu zvukov s chastotami $\nu \gt 12 kGc.$

Zvuki razlichayutsya po vysote, tembru i gromkosti.

Vsyakii real'nyi zvuk, kak pravilo, predstavlyaet soboi ne prostoe garmonicheskoe kolebanie, a yavlyaetsya nalozheniem kolebanii s opredelennym naborom chastot. Chtoby ubedit'sya v etom, podklyuchim mikrofon M cherez usilitel' US ko vhodu Y oscillografa OS (ris. 5.8) i budem registrirovat' oscillogrammy razlichnyh istochnikov zvuka. Naibolee blizkim k garmonicheskomu yavlyaetsya zvuk kamertona K - oscillogramma po svoemu vidu ochen' blizka k sinusoide.

Ris. 5.8.

Iz proiznosimyh zvukov bolee vsego pohodyat na garmonicheskie glasnye zvuki. Odnako uzhe zdes' zametno otlichie oscillogrammy ot sinusoidy, chto ukazyvaet na slozhnyi sostav glasnyh zvukov. Gorazdo bolee slozhnyi vid harakteren dlya oscillogramm soglasnyh zvukov. Principial'no vozmozhno, ispol'zuya nabor rezonatorov (sm. nizhe) ili komp'yuternuyu obrabotku oscillogramm, proizvesti garmonicheskii analiz zvuka, to est' ustanovit' tot nabor chastot, kotoryi prisutstvuet v dannom zvuke. Izmeryaya intensivnost' kazhdoi iz garmonik, mozhno poluchit' akusticheskii spektr.

Esli v rezul'tata takogo analiza okazhetsya, chto zvuk sostoit iz kolebanii s diskretnymi chastotami $\nu _{1}, \nu _{2}, \nu _{3}$ i tak dalee, to spektr nazyvaetsya lineichatym. Na ris. 5.9a pokazan primer takogo spektra, gde po osi ordinat otlozheny intensivnosti I prostyh (garmonicheskih) zvukov.

Ris. 5.9.

Mozhet byt' i drugaya situaciya, kogda v zvuke prisutstvuyut kolebaniya vseh chastot v nekotorom intervale $\nu _{1} \le \nu \le \nu _{2}.$ Takoi spektr, izobrazhennyi na ris. 5.9b, nazyvaetsya sploshnym. Po osi ordinat zdes' otlozhena tak nazyvaemaya spektral'naya plotnost' intensivnosti zvuka $f(\nu ) = dI / d\nu.$ V etom sluchae mozhno govorit' ob intensivnosti $dI = f(\nu )d\nu$ zvuka, zanimayushego uzkii chastotnyi interval $d\nu.$ Eta intensivnost' chislenno ravna zashtrihovannoi na risunke ploshadi. Estestvenno, chto polnaya intensivnost' $I$ slozhnogo zvuka so sploshnym spektrom budet ravna ploshadi pod krivoi $f(\nu ).$ Sploshnym spektrom obychno obladayut shumy.

Kolebaniya s lineichatym spektrom vyzyvayut oshushenie zvuka s bolee ili menee opredelennoi vysotoi. Takoi zvuk nazyvaetsya tonal'nym. Vysota tonal'nogo zvuka opredelyaetsya osnovnoi (naimen'shei) chastotoi $\nu _{1}.$ Kolebaniya s chastotami $\nu _{2}, \nu _{3}$ i tak dalee nazyvayutsya obertonami. Sootnosheniya intensivnostei osnovnogo tona $I_{1}$ i obertonov $I_{2}, I_{3}, \ldots$ opredelyayut tembr zvuka, pridayut emu opredelennuyu okrasku. Fazy garmonik na tembr zvuka ne vliyayut. V otsutstvie obertonov tonal'nyi zvuk nazyvayut chistym tonom. Kamertony dayut chistyi ton i ispol'zuyutsya pri nastroike muzykal'nyh instrumentov.

Iz kazhdogo muzykal'nogo instrumenta izvlekayut zvuki s harakternym naborom garmonik. Eto pozvolyaet na sluh razlichat' zvuki odnogo tona (s odinakovoi osnovnoi chastotoi $\nu _{1} ),$ izvlekaemye iz fleity, truby, fortep'yano i dr. Na ris. 5.10 pokazany oscillogrammy dlya tonal'nyh zvukov s chastotoi $\nu _{1} = 440 Gc$ (nota "lya" pervoi oktavy), fleity (a), golosa (b) i truby (v). Vse oscillogrammy imeyut odinakovyi period povtoreniya $T = 1 / 440 s,$ odnako sil'no raznyatsya svoim vidom. Eto ukazyvaet na to, chto osnovnye chastoty $\nu _{1} = 1 / T$ u vseh zvukov sovpadayut, odnako zvuki otlichayutsya svoim spektral'nym sostavom.

Ris. 5.10.

Na ris. 5.11 izobrazhena klaviatura royalya s ukazaniem osnovnyh chastot klavish, a takzhe priblizhennye diapazony osnovnyh chastot dlya drugih instrumentov i golosov.

Ris. 5.11.

Zakon Vebera-Fehnera. Diagramma sluha.

Opredelenie gromkosti zvuka osnovano na psihofizicheskom zakone, ustanovlennom v 1846 godu E.-G. Veberom, kotoryi zalozhil osnovy "psihometrii", t.e. kolichestvennyh izmerenii oshushenii. Poskol'ku oshushenie yavlyaetsya sub'ektivnym processom, to absolyutnye izmereniya sily oshushenii nevozmozhny, i Veber perenes problemu v oblast' izmereniya otnositel'nyh velichin i iskal minimal'nye razlichiya v oshusheniyah, kotorye mozhno zafiksirovat'.

Sut' zakona Vebera zaklyuchaetsya v tom, chto minimal'noe izmenenie intensivnosti zvuka $\Delta I,$ kotoroe razlichaet chelovecheskoe uho, ne zavisit ot intensivnosti $I$ slyshimogo zvuka i sostavlyaet priblizitel'no 10% ot ee velichiny:

${\displaystyle \frac{\displaystyle {\displaystyle \Delta I}}{\displaystyle {\displaystyle I}}} = 10^{ - 1}.$

(5.25)

Pomimo sluhovyh oshushenii, Veber izuchal takzhe osyazanie i zrenie i ustanovil, chto dlya osyazaniya minimal'noe razlichie v oshushenii tyazhesti gruza ne zavisit ot velichiny etogo gruza i sostavlyaet ~ 1/30, a dlya zreniya minimal'naya vosprinimaemaya raznica v intensivnosti sveta takzhe ne zavisit ot velichiny intensivnosti i sostavlyaet ~ 1/100.

Ishodya iz zakona Vebera, mozhno postroit' shkalu urovnya oshusheniya zvuka, ili shkalu gromkosti $\beta,$ zapisav sleduyushee sootnoshenie:

${\displaystyle \frac{\displaystyle {\displaystyle dI}}{\displaystyle {\displaystyle I}}} = Ad\beta,$

(5.26)

gde $d\beta$ - prirost gromkosti, obuslovlennyi prirostom intensivnosti, $A$ - koefficient, opredelyayushii masshtab shkaly. Integriruya (5.26), poluchaem:

$\ln {\displaystyle \frac{\displaystyle {\displaystyle I}}{\displaystyle {\displaystyle I_{por} }}} = A\beta.$

(5.27)

Dlya togo, chtoby vyzvat' zvukovoe oshushenie, volna dolzhna obladat' nekotoroi minimal'noi intensivnost'yu $I_{por}$ i sootvetstvenno, nekotorym minimal'nym zvukovym davleniem $\delta p_{por},$ kotoroe nazyvaetsya porogom slyshimosti. Estestvenno, chto pri $I = I_{por}$ gromkost' $\beta = 0.$ Sledovatel'no,

$\beta = {\displaystyle \frac{\displaystyle {\displaystyle 1}}{\displaystyle {\displaystyle A}}}\ln {\displaystyle \frac{\displaystyle {\displaystyle I}}{\displaystyle {\displaystyle I_{por} }}}.$

(5.28)

Esli vybrat' $A = \ln 10 \approx 2,301,$ to (5.28) perepishetsya v vide

$\beta = \lg {\displaystyle \frac{\displaystyle {\displaystyle I}}{\displaystyle {\displaystyle I_{por} }}}.$

(5.29)

Eto sootnoshenie nazyvaetsya zakonom Vebera-Fehnera i otrazhaet tot fakt, chto chuvstvitel'nost' uha cheloveka k zvuku menyaetsya, kak logarifm intensivnosti zvuka. Analogichnye (5.29) sootnosheniya byli ustanovleny E.-G. Veberom i G.-T. Fehnerom i dlya drugih oshushenii, davaemyh organami chuvstv cheloveka, - osyazaniya i zreniya (Fehneru prinadlezhit bol'shoe kolichestvo rabot po "psihofizike", kotoruyu on opredelyal, kak "tochnuyu nauku o funkcional'nyh zavisimostyah mezhdu telom i dushoi, obshee - mezhdu material'nym i duhovnym, fizicheskim i psihicheskim mirom").

Nazad| Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: kolebaniya - volny Publikacii so slovami: kolebaniya - volny
Sm. takzhe: Eho iz glubin krasnogo giganta

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce