Звук

редактировать

Вибрация, которая распространяется как акустическая волна

Барабан издает звук через вибрирующую мембрану.

В физика, звук - это вибрация, которая распространяется как акустическая волна через передающую среду, такую как газ, жидкость или твердый.

В человеческой физиологии и психологии звук - это восприятие таких волн и их восприятие мозгом. Только акустические волны с частотами, лежащими между примерно 20 Гц и 20 кГц, диапазоном звуковой частоты, вызывают у людей слуховое восприятие. В воздухе при атмосферном давлении они представляют собой звуковые волны с длинами волн от 17 метров (56 футов) до 1,7 см (0,67 дюйма). Звуковые волны выше 20 кГц известны как ультразвук и не слышны людям. Звуковые волны ниже 20 Гц известны как инфразвук. У разных видов животных диапазон слышимости.

Содержание

1 Акустика
2 Определение
3 Физика звука
- 3.1 Продольные и поперечные волны
- 3.2 Свойства и характеристики звуковой волны
- 3.3 Скорость звука
4 Восприятие звука
- 4.1 Высота звука
- 4.2 Продолжительность
- 4.3 Громкость
- 4.4 Тембр
- 4.5 Звуковая текстура
- 4.6 Пространственное положение
5 Звуковое давление уровень
6 Ультразвук
7 Инфразвук
8 См. также
9 Ссылки
10 Внешние ссылки

Акустика

Акустика - это междисциплинарная наука, которая занимается изучением механических волны в газах, жидкостях и твердых телах, включая вибрацию, звук, ультразвук и инфразвук. Ученый, работающий в области акустики, является акустиком, а кто-либо, работающий в области акустической инженерии, может быть назван инженером-акустиком. звукорежиссер, с другой стороны, занимается записью, обработкой, микшированием и воспроизведением звука.

Применение акустики можно найти почти во всех аспектах жизни современного общества, к дисциплинам относятся аэроакустика, обработка аудиосигналов, архитектурная акустика, биоакустика, электроакустика, шум окружающей среды, музыкальная акустика, контроль шума, психоакустика, речь, ультразвук, подводная акустика и вибрация.

Определение

Звук определяется как «(a) Колебание в давлении, напряжении, смещении частицы, скорости частицы и т. д., распространяемых в среде с внутренними силами (например, упругими или вязкими), или наложением таких распространяющихся колебаний. (b) Слуховое ощущение, вызванное колебанием, описанным в (a). " Звук можно рассматривать как волновое движение в воздухе или другой упругой среде. В этом случае звук является стимулом. Звук также можно рассматривать как возбуждение слухового аппарата, которое приводит к восприятию звука. В этом случае звук - это ощущение.

Физика звука

Воспроизвести медиа Экспериментируйте с использованием двух камертонов , колеблющихся обычно на одном и том же частота. По одной из вилок бьют прорезиненным молотком. Хотя удар был нанесен только по первой камертонной вилке, вторая вилка заметно возбуждается из-за колебаний, вызванных периодическим изменением давления и плотности воздуха при ударе другой вилки, создавая акустический резонанс между вилки. Однако, если мы поместим кусок металла на зубец, мы увидим, что эффект ослабляется, а возбуждение становится все менее и менее выраженным, поскольку резонанс достигается не так эффективно.

Звук может распространяться через такую среду, как воздух, вода и твердые тела как продольные волны, а также как поперечные волны в твердых телах (см. Продольные и поперечные волны ниже). Звуковые волны генерируются источником звука, например вибрирующей диафрагмой стереодинамика. Источник звука создает колебания в окружающей среде. По мере того как источник продолжает вибрировать среду, колебания распространяются от источника со скоростью звука, образуя таким образом звуковую волну. На фиксированном расстоянии от источника давление, скорость и смещение среды меняются во времени. В определенный момент времени давление, скорость и смещение меняются в пространстве. Обратите внимание, что частицы среды не движутся со звуковой волной. Это интуитивно очевидно для твердого тела, и то же самое верно для жидкостей и газов (то есть колебания частиц в газе или жидкости переносят колебания, в то время как среднее положение частиц с течением времени не изменяется). Во время распространения волны могут отражаться, преломляться или ослабляться средой.

На характер распространения звука обычно влияют три вещи:

Сложная взаимосвязь между плотностью и давлением среды. Это соотношение, на которое влияет температура, определяет скорость звука в среде.
Движение самой среды. Если среда движется, это движение может увеличивать или уменьшать абсолютную скорость звуковой волны в зависимости от направления движения. Например, скорость распространения звука, движущегося сквозь ветер, будет увеличиваться со скоростью ветра, если звук и ветер движутся в одном направлении. Если звук и ветер движутся в противоположных направлениях, скорость звуковой волны будет уменьшена на скорость ветра.
Вязкость среды. Средняя вязкость определяет скорость ослабления звука. Для многих сред, таких как воздух или вода, затухание из-за вязкости незначительно.

Когда звук движется через среду, не имеющую постоянных физических свойств, он может преломляться (рассеиваться или фокусироваться

Сферические волны сжатия (продольные)

Механические колебания, которые можно интерпретировать как звук, могут проходить через все формы материи : газы, жидкости, твердые тела и плазму. Материал, поддерживающий звук, называется средой. Звук не может проходить через вакуум.

Продольные и поперечные волны

Звук передается через газы, плазму и жидкости в виде продольных волн, также называемых сжатием волны. Для размножения требуется среда. Однако через твердые тела он может передаваться как в виде продольных волн, так и в виде поперечных волн. Продольные звуковые волны - это волны переменного давления отклонения от равновесного давления, вызывающие локальные области сжатия и разрежения, в то время как поперечные волны (в твердых телах) - это волны переменного касательного напряжения под прямым углом к направлению распространения.

Звуковые волны можно «рассматривать» с помощью параболических зеркал и объектов, издающих звук.

Энергия, переносимая колеблющейся звуковой волной, преобразуется туда и обратно между потенциальной энергией лишнего сжатие (в случае продольных волн) или поперечное смещение деформация (в случае поперечных волн) вещества, а также кинетическая энергия скорости смещения частиц среды.

Продольная плоская волна.

Поперечная плоская волна. Продольная и поперечная плоские волны.

Свойства и характеристики звуковой волны

График «давление во времени» для 20-миллисекундной записи звука кларнета демонстрирует два основных элемента звука: давление и время.

Звуки можно представить как смесь составляющих их синусоидальных волн разных частот. Нижние волны имеют более высокие частоты, чем указанные выше. Горизонтальная ось представляет время.

Хотя существует много сложностей, связанных с передачей звуков, в точке приема (то есть в ушах) звук легко можно разделить на два простых элемента: давление и время. Эти фундаментальные элементы составляют основу всех звуковых волн. Их можно использовать для абсолютного описания каждого звука, который мы слышим.

Для более полного понимания звука сложная волна, такая как показанная на синем фоне справа от текста, обычно разделяется на составные части, которые представляют собой комбинацию различных звуковых волн. частоты (и шум).

Звуковые волны часто упрощаются до описания в терминах синусоидальных плоских волн, которые характеризуются этими общие свойства:

частота или обратная ей, длина волны
амплитуда, звуковое давление или интенсивность
скорость звука
направление

Звуки, воспринимаемые людьми, имеют частоты от 20 до 20 000 Гц. В воздухе при стандартной температуре и давлении соответствующие длины звуковых волн находятся в диапазоне от 17 м (56 футов) до 17 мм (0,67 дюйма). Иногда скорость и направление объединяются в вектор velocity vector ; волновое число и направление объединяются в волновой вектор.

Поперечные волны, также известные как поперечные волны, обладают дополнительным свойством поляризация и не являются характеристика звуковых волн.

Скорость звука

США Флот F / A-18 приближается к скорости звука. Белый ореол образован каплями конденсированной воды, которые, как считается, являются результатом падения давления воздуха вокруг самолета (см. сингулярность Прандтля – Глауэрта ).

Скорость звука зависит от среды, через которую проходят волны, и является основным Свойство материала. Первые значительные усилия по измерению скорости звука были предприняты Исааком Ньютоном. Он считал, что скорость звука в конкретном веществе равна квадратному корню из давления, действующего на него. деленное на его плотность:

c = p ρ. {\ displaystyle c = {\ sqrt {\ frac {p} {\ rho}}}.}

{\ displaystyle c = {\ sqrt {\ frac {p} {\ rho}}}.}

Позднее это было неверно, и французский математик Лаплас исправил формулу, сделав вывод, что явление распространения звука не изотермическое, как полагал Ньютон, а адиабатическое. Он добавил к уравнению еще один фактор - гамма - и умножается на $γ {\ displaystyle {\ sqrt {\ gamma}}}$ ${\ sqrt {\ gamma}}$ на $p / ρ {\ displaystyle {\ sqrt {p / \ rho}}}$ ${\ displaystyle {\ sqrt {p / \ rho} }}$ , таким образом придумав e Quation $c = γ ⋅ p / ρ {\ displaystyle c = {\ sqrt {\ gamma \ cdot p / \ rho}}}$ ${\ displaystyle c = {\ sqrt {\ gamma \ cdot p / \ rho}}}$ . Поскольку $K = γ ⋅ p {\ displaystyle K = \ gamma \ cdot p}$ $K = \ gamma \ cdot p$ , окончательное уравнение составило $c = K / ρ {\ displaystyle c = {\ sqrt {K / \ rho}}}$ ${\ displaystyle c = {\ sqrt {K / \ rho}}}$ , которое также известно как уравнение Ньютона – Лапласа. В этом уравнении K - модуль объемной упругости, c - скорость звука, а $ρ {\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ - плотность. Таким образом, скорость звука пропорциональна квадратному корню из отношения из модуля объемного сжатия среды к ее плотности.

Эти физические свойства и скорость звука меняются в зависимости от окружающих условий. Например, скорость звука в газах зависит от температуры. При температуре воздуха 20 ° C (68 ° F) на уровне моря скорость звука составляет примерно 343 м / с (1230 км / ч; 767 миль / ч) по формуле v [м / с] = 331 + 0,6 T [° C ]. Скорость звука также немного чувствительна к амплитуде звука, поскольку подвержена эффекту ангармоники второго порядка второго порядка, что означает наличие нелинейных эффектов распространения, таких как образование гармоник и смешанных тонов, которые отсутствуют. присутствует в исходном звуке (см. параметрический массив ). Если релятивистские эффекты важны, скорость звука рассчитывается по релятивистским уравнениям Эйлера.

. В пресной воде скорость звука составляет примерно 1482 м / с (5335 км / ч; 3315 миль / ч).). В стали скорость звука составляет около 5 960 м / с (21 460 км / ч; 13 330 миль / ч). Звук движется быстрее всего в твердом атомарном водороде со скоростью около 36 000 м / с (129 600 км / ч; 80 530 миль в час).

Восприятие звука

Четкое использование термина звук в его использовании в Физика - это то, что в физиологии и психологии, где этот термин относится к субъекту восприятия мозгом. Этим исследованиям посвящена область психоакустики. Словарь Вебстера 1936 года определил звук как: «1. Ощущение слуха, то, что слышно; конкретное: а. Психофизика. Ощущение, вызванное раздражением слуховых нервов и слуховых центров мозга, обычно вибрациями, передаваемыми в материальной среде., обычно воздух, воздействующий на орган слуха. б. Физика. Колебательная энергия, вызывающая такое ощущение. Звук распространяется прогрессирующими продольными колебательными возмущениями (звуковыми волнами) ». Это означает, что правильный ответ на вопрос: «если дерево падает в лесу, и никто не слышит, как оно падает, издает ли оно звук? » - это «да» и «нет», зависит от того, будет ли получен ответ с использованием физического или психофизического определения соответственно.

Физическое восприятие звука любым слышащим организмом ограничено диапазоном частот. Обычно люди слышат звуковые частоты от 20 Гц до 20 000 Гц (20 кГц ). Верхний предел уменьшается с возрастом. Иногда звук относится только к тем вибрациям с частотами, которые находятся в диапазоне слышимости для людей, или иногда он относится к конкретному животному. У других видов другой диапазон слуха. Например, собаки могут воспринимать вибрации выше 20 кГц.

Как сигнал, воспринимаемый одним из основных органов чувств, звук используется многими видами для обнаружения опасности, навигации, хищничество и общение. атмосфера Земли, вода и практически любое физическое явление, такое как огонь, дождь, ветер, прибой или землетрясение, создают ( и характеризуется) своими уникальными звуками. Многие виды, такие как лягушки, птицы, морские и наземные млекопитающие, также развили специальные органы для воспроизведения звука. У некоторых видов они производят песню и речь. Кроме того, люди разработали культуру и технологии (например, музыку, телефон и радио), которые позволяют им генерировать, записывать, передавать и транслировать звук.

Шум - это термин, который часто используется для обозначения нежелательного звука. В науке и технике шум является нежелательным компонентом, заслоняющим полезный сигнал. Однако в звуковом восприятии его часто можно использовать для идентификации источника звука и он является важным компонентом восприятия тембра (см. Выше).

Звуковой ландшафт - это компонент акустической среды, воспринимаемый людьми. Акустическая среда - это комбинация всех звуков (слышимых людям или нет) в данной области, измененных окружающей средой и понятых людям в контексте окружающей среды.

Исторически существует шесть экспериментально разделимых способов анализа звуковых волн. Это: высота звука, длительность, громкость, тембр, звуковая текстура и пространственное положение. Некоторые из этих терминов имеют стандартизированное определение (например, в Акустической терминологии ANSI ANSI / ASA S1.1-2013 ). Более поздние подходы также рассматривали временную огибающую и временную тонкую структуру как релевантные для восприятия анализы.

Шаг

Рис. 1. Восприятие высоты звука

Высота звука воспринимается как "как" Низкий или высокий звук представляет собой циклическую повторяющуюся природу вибраций, из которых состоит звук. Для простых звуков высота звука связана с частотой самой медленной вибрации звука (называемой основной гармоникой). В случае сложных звуков восприятие высоты тона может варьироваться. Иногда люди определяют разные высоты звука для одного и того же звука, основываясь на своем личном опыте использования определенных звуковых паттернов. Выбор определенной высоты звука определяется предварительным осознанием вибраций, включая их частоты и баланс между ними. Особое внимание уделяется распознаванию потенциальных гармоник. Каждый звук помещен в континуум высоты тона от низкого до высокого. Например: белый шум (случайный шум, равномерно распределенный по всем частотам) звучит выше по высоте, чем розовый шум (случайный шум, равномерно распределенный по октавам), поскольку белый шум имеет более высокочастотное содержание. На рисунке 1 показан пример распознавания высоты тона. В процессе прослушивания каждый звук анализируется на предмет повторяемости (см. Рис. 1: оранжевые стрелки), а результаты передаются в слуховую кору в виде одного тона определенной высоты (октавы) и цветности (название ноты).

Продолжительность

Рисунок 2. Восприятие длительности

Продолжительность воспринимается как «длинный» или «короткий» звук и относится к сигналам начала и смещения, создаваемым реакциями нервов на звуки. Продолжительность звука обычно длится с момента, когда звук впервые замечается, до тех пор, пока звук не будет идентифицирован как изменившийся или прекратившийся. Иногда это не связано напрямую с физической продолжительностью звука. Например; в шумной среде прерывистые звуки (звуки, которые останавливаются и начинаются) могут звучать так, как если бы они были непрерывными, поскольку сообщения о смещении пропускаются из-за помех из-за шумов в той же общей полосе пропускания. Это может быть большим преимуществом для понимания искаженных сообщений, таких как радиосигналы, которые страдают от помех, поскольку (из-за этого эффекта) сообщение слышно, как если бы оно было непрерывным. На рисунке 2 приведен пример определения продолжительности. Когда замечается новый звук (см. Рисунок 2, Зеленые стрелки), в слуховую кору отправляется сообщение о начале звука. Если повторяющийся шаблон пропущен, отправляется звуковое сообщение смещения.

Громкость

Рис. 3. Восприятие громкости

Громкость определяется как «громкий» или «мягкий» звук и относится к общему количеству стимуляций слухового нерва за короткий период времени. периодов, скорее всего, на протяжении циклов тета-волн. Это означает, что при небольшой продолжительности очень короткий звук может звучать тише, чем более длинный звук, даже если они представлены с одинаковым уровнем интенсивности. По прошествии примерно 200 мс это больше не так, и продолжительность звука больше не влияет на кажущуюся громкость звука. На рисунке 3 показано, как информация о громкости суммируется за период около 200 мс перед отправкой в слуховую кору. Более громкие сигналы создают больший «толчок» на базилярной мембране и, таким образом, стимулируют больше нервов, создавая более сильный сигнал громкости. Более сложный сигнал также вызывает больше нервных импульсов и поэтому звучит громче (при той же амплитуде волны), чем более простой звук, такой как синусоида.

Тембр

Рисунок 4. Восприятие тембра

Тембр воспринимается как качество различных звуков (например, стук упавшего камня, жужжание дрели, тон мюзикла инструмент или качество голоса) и представляет собой предсознательное присвоение звуковой идентичности звуку (например, «это гобой!»). Эта идентичность основана на информации, полученной из частотных переходных процессов, шумности, неустойчивости, воспринимаемой высоты звука и распространение и интенсивность обертонов в звуке в течение длительного периода времени. То, как звук изменяется с течением времени (см. рисунок 4), предоставляет большую часть информации для идентификации тембра. Даже несмотря на то, что небольшой участок формы волны от каждого инструмента выглядит очень (см. расширенные разделы, обозначенные оранжевыми стрелками на рисунке 4), различия во времени между кларнетом и фортепиано очевидны как по громкости, так и по содержанию гармоник. Менее заметны различные слышимые шумы, такие как шипение воздуха для кларнет и молоток удары по фортепиано.

Звуковая текстура

Звуковая текстура относится к количеству источников звука и взаимодействию между ними. Слово «текстура» в этом контексте относится к когнитивному разделению слуховых объектов. В музыке текстура часто упоминается как разница между унисон, полифонией и гомофонией, но она также может относиться (например) к шумному кафе; звук, который можно обозначить как «какофония ». Однако текстура относится к большему, чем это. Фактура оркестровой пьесы сильно отличается от текстуры медного квинтета из-за разного количества исполнителей. Фактура рыночной площади сильно отличается от школьного зала из-за различий в различных источниках звука.

Пространственное местоположение

Пространственное местоположение (см.: Локализация звука ) представляет когнитивное размещение звука в контексте окружающей среды; включая размещение звука как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, расстояние от источника звука и характеристики звуковой среды. В толстой текстуре можно идентифицировать несколько источников звука, используя комбинацию пространственного местоположения и идентификации тембра. Это основная причина, по которой мы можем выбрать звук гобоя в оркестре и слова одного человека на коктейльной вечеринке.

Уровень звукового давления

Измерения звука
Характеристика	Символы
Звуковое давление	p, SPL, L PA
Скорость частицы	v, SVL
Частица смещение	δ
Интенсивность звука	I, SIL
Звуковая мощность	P, SWL, L WA
Звуковая энергия	W
Плотность звуковой энергии	w
Звуковое воздействие	E, SEL
Акустический импеданс	Z
Звуковая частота	AF
Потери при передаче	TL

v t

Звуковое давление - это разница в данной среде между средним локальным давлением и давлением звуковой волны. Квадрат этой разницы (т. Е. Квадрат отклонения от равновесного давления) обычно усредняется по времени и / или пространству, и квадратный корень из этого среднего дает значение среднеквадратичное значение (RMS).. Например, 1 Па среднеквадратичное звуковое давление (94 дБSPL) в атмосферном воздухе означает, что фактическое давление в звуковой волне колеблется в пределах (1 атм $- 2 {\ displaystyle - {\ sqrt {2} }}$ $- {\ sqrt {2}}$ Па) и (1 атм $+ 2 {\ displaystyle + {\ sqrt {2}}}$ $+ {\ sqrt {2}}$ Па), то есть от 101323,6 до 101326,4 Па. человеческое ухо может улавливать звуки с широким диапазоном амплитуд, звуковое давление часто измеряется как уровень по логарифмической шкале децибел. уровень звукового давления (SPL) или L p определяется как

L p = 10 log 10 ⁡ (p 2 pref 2) = 20 log 10 ⁡ (ppref) дБ. {\ Displaystyle L _ {\ mathrm {p}} = 10 \, \ log _ {10} \ left ({\ frac {{p} ^ {2}} {{p _ {\ mathrm {ref}}} ^ {2 }}} \ right) = 20 \, \ log _ {10} \ left ({\ frac {p} {p _ {\ mathrm {ref}}}} \ right) {\ t_dv {dB}} \,}

L _ {\ mathrm {p}} = 10 \, \ log _ {10} \ left ({\ frac {{p} ^ {2}} {{p _ {\ mathrm {ref}}} ^ {2}}} \ right) = 20 \, \ log _ {10} \ left ({\ frac {p} {p _ {\ mathrm {ref}}}} \ right) {\ t_dv {dB}} \,

, где p - среднеквадратичное звуковое давление, а

pref {\ displaystyle p _ {\ mathrm {ref}}}

p _ {\ mathrm {ref}}

- эталонное звуковое давление. Обычно используемые эталонные звуковые давления, определенные в стандарте ANSI S1.1-1994, составляют 20 мкПа в воздухе и 1 мкПа в вода. Без заданного эталонного звукового давления значение, выраженное в децибелах, не может представлять уровень звукового давления.

Поскольку человеческое ухо не имеет плоской спектральной характеристики, звуковое давление часто бывает частотой взвешены так, чтобы измеренный уровень более точно соответствовал воспринимаемым уровням. Международная электротехническая комиссия (IEC) определила несколько схем взвешивания. А-взвешивание попытки сопоставить реакцию человеческого уха на шум, а уровни звукового давления, взвешенные по шкале А, обозначены как дБА. С-взвешивание используется для измерения пиковых уровней.

Ультразвук

Приблизительные диапазоны частот, соответствующие ультразвуку, с приблизительными указаниями для некоторых приложений

Ультразвук - это звуковые волны с частотами выше 20 000 Гц (или 20 кГц). Ультразвук не отличается от «нормального» (слышимого) звука по своим физическим свойствам, за исключением того, что люди не могут его слышать. Ультразвуковые устройства работают на частотах от 20 кГц до нескольких гигагерц.

Ультразвук обычно используется для медицинской диагностики, например, сонограммы.

Инфразвук

Инфразвук - это звуковые волны с частотами ниже 20 Гц. Хотя звуки такой низкой частоты слишком низки для человеческого восприятия, киты, слоны и другие животные могут обнаруживать инфразвук и использовать его для общения. Он может использоваться для обнаружения извержений вулканов и используется в некоторых музыкальных жанрах.

См. Также

Источники звука

Измерение звука

Общие

Акустическая теория
Beat
Эффект Доплера
Эхо
Инфразвук - звук на очень низких частотах
Список необъяснимых звуков
Музыкальный тон
Резонанс
Реверберация
Звуковое оружие
Синтез звука
Звукоизоляция
Структурная акустика

Ссылки

Внешние ссылки

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: Звук

Викибуки содержат больше по теме: Звук

На Викискладе есть медиа r В восторге от Звук.

Викиисточник содержит оригинальный текст, относящийся к этой статье: Звук