Что такое звук: его громкость, кодирование и качество. Звук, звуковая волна, инфразвук, ультразвук

Звуком называют механические колебания частиц упругой среды (воздух, вода, металл и т. п.), субъективно воспринимаемые органом слуха. Звуковые ощущения вызываются колебаниями среды, происходящими в диапазоне частот от 16 до 20 000 гц. Звуки с частотами, лежащими ниже этого диапазона, называются инфразвуком, а выше - ультразвуком.

Звуковое давление - переменное давление в среде, обусловленное распространением в ней звуковых волн. Величина звукового давления оценивается силой действия звуковой волны на единицу площади и выражается в ньютонах на квадратный метр (1 н/метр квадартный=10 бар).

Уровень звукового давления - отношение величины звукового давления к нулевому уровню, за который принято звуковое давление н/квадратный метр:

Скорость звука зависит от физических свойств среды, в которой распространяются механические колебания. Так, скорость звука в воздухе равна 344 м/сек при T=20°С, в воде 1 481 м/сек (при T=21,5°С), в дереве 3 320 м/сек и в стали 5 000 м/сек.

Сила звука (или интенсивность) - количество звуковой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади; измеряется в ваттах на квадратный метр (вт/м2).

Следует отметить, что звуковое давление и сила звука связаны между собой квадратичной зависимостью, т. е. при увеличении звукового давления в 2 раза сила звука возрастает в 4 раза.

Уровень силы звука - отношение силы данного звука к нулевому (стандартному) уровню, за который принята сила звука вт/м2, выраженное в децибелах:

Уровни звукового давления и силы звука, выраженные в децибелах, совпадают по величине.

Порог слышимости - наиболее тихий звук, который еще способен слышать человек на частоте 1000 гц, что соответствует звуковому давлению н/м2.

Громкость звука - интенсивность звукового ощущения, вызванная данным звуком у человека с нормальным слухом Громкость зависит от силы звука и его частоты, изменяется пропорционально логарифму силы звука и выражается количеством децибел, на которое данный звук превышает по интенсивности звук, принятый за порог слышимости. Единица измерения громкости - фон.

Порог болевого ощущения - звуковое давление или сила звука, воспринимаемые как болевое ощущение. Порог болевого ощущения мало зависит от частоты и наступает при звуковом давлении порядка 50 н/м2.

Динамический диапазон - диапазон громкостей звука, или разность уровней звукового давления самого громкого и самого тихого звуков, выраженная в децибелах.

Дифракция - отклонение от прямолинейного распространения звуковых волн.

Рефракция - изменение направления распространения звуковых волн, вызванное различиями в скорости на разных участках пути.

Интерференция - сложение волн одинаковой длины, приходящих в данную точку пространства по нескольким различным путям, вследствие чего амплитуда результирующей волны в разных точках оказывается различной, причем максимумы и минимумы этой амплитуды чередуются между собой.

Биения - интерференция двух звуковых колебаний, мало отличающихся по частоте. Амплитуда возникающих при этом колебаний периодически увеличивается или уменьшается во времени с частотой, равной разности интерферирующих колебаний.

Реверберация - остаточное «после-звучание» в закрытых помещениях. Образуется вследствие многократного отражения от поверхностей и одновременного поглощения звуковых волн. Реверберация характеризуется промежутком времени (в секундах), в течение которого сила звука уменьшается на 60 дб.

Тон - синусоидальное звуковое колебание. Высота тона определяется частотой звуковых колебаний и растет с увеличением частоты.

Основной тон - наиболее низкий тон, создаваемый источником звука.

Обертоны - все тоны, кроме основного, создаваемые источником звука. Если частоты обертонов в целое число раз больше частоты основного тона, то их называют гармоническими обертонами (гармониками).

Тембр - «окраска» звука, которая определяется количеством, частотой и интенсивностью обертонов.

Комбинационные тоны - дополнительные тоны, возникающие вследствие нелинейности амплитудной характеристики усилителей и источников звука. Комбинационные тоны появляются при воздействии на систему двух или большего числа колебаний с различными частотами. Частота комбинационных тонов равна сумме и разности частот основных тонов и их гармоник.

Интервал - отношение частот двух сравниваемых звуков. Наименьший различимый интервал между двумя соседними по частоте музыкальными звуками (каждый музыкальный звук имеет строго определенную частоту) называется полутоном, а интервал частот с отношением 2:1 - октавой (музыкальная октава состоит из 12 полутонов); интервал с отношением 10: 1 называют декадой.

Данный урок освещает тему «Звуковые волны». На этом уроке мы продолжим изучать акустику. Вначале повторим определение звуковых волн, затем рассмотрим их частотные диапазоны и познакомимся с понятием ультразвуковых и инфразвуковых волн. Мы также обсудим свойства, присущие звуковым волнам в различных средах, и узнаем, какие им присущи характеристики.

Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1).

Рис. 1. Звуковая волна

Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).

Рис. 2. Распространение звуковой волны

К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .

Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).

Рис. 3. Диапазоны звуковых волн

Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.

Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.

Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком .

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.

Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией .

Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.

Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.

Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.

Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).

Рис. 4. Применение инфразвука

Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).

Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах

Обратите внимание: в воздухе скорость звука при равна , при скорость увеличивается на . Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания. Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее: (рис. 6).

Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны

Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.

Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).

Рис. 7. Музыкальные тоны

У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.

Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.

Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука . Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).

Рис. 8. Громкость звука

При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .

Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого - высота . От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).

Рис. 9. Высота звука

Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.

Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр . Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.

Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.

Список литературы

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.

1. Интернет-портал «eduspb.com» ()
2. Интернет-портал «msk.edu.ua» ()
3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

1. Как распространяется звук? Что может служить источником звука?
2. Может ли звук распространяться в космосе?
3. Всякая ли волна, достигшая органа слуха человека, воспринимается им?

Занимаясь музыкой, бывает очень полезно представлять себе в целом, что такое звук и как происходит запись звука на компьютере. Имея такие знания, становится намного проще понять, что такое, например, компрессия или как появляется клиппинг. В музыке, как и почти в любом деле, зная основы, проще идти вперёд.

Что такое звук?

Звук - это физические колебания среды, распространяющиеся в виде волн. Мы улавливаем эти колебания и воспринимаем их как звук . Если же попытаться графически изобразить звуковую волну, мы получим, как это ни удивительно, волну .

Синусоидальная звуковая волна

Выше изображена синусоидальная звуковая волна, звучание которой можно услышать из аналоговых синтезаторов или из телефонной трубки стационарного телефона, если вы им ещё пользуетесь. Кстати, в телефоне звучит , говоря техническим, а не музыкальным языком.

Звук обладает тремя важными характеристиками, а именно: громкость, высота и тембр - это субъективные ощущения, но они имеют своё отражение в физическом мире в виде физических свойств звуковой волны.

Амплитуда

То что воспринимается нами как громкость - это сила колебаний или уровень звукового давления , который измеряется в (дБ).

Графически изображается волнами разной высоты:

Чем выше амплитуда (высота волны на графике), тем громче воспринимается звук, и наоборот, чем меньше амплитуда, тем тише звук. Конечно, на восприятие громкости влияет ещё и частота звука, но это особенности нашего восприятия.

Примеры различной громкости, в децибелах:

Частота

Когда мы говорим, что звук «выше» или «ниже», то понимаем о чём речь, но графически это отображается не высотой, а расстоянием и частотой:

Высота ноты (звука) — частота звуковой волны

чем меньше расстояние между звуковыми волнами, тем выше частота звука или, просто, выше звук.

Думаю, все знают, что человеческое ухо способно воспринимать звуки частотой приблизительно от 20 Гц до 20 кГц (в исключительных случаях - от 16 Гц до 22 кГц), а музыкальные звуки находятся в интервале от 16,352 Гц («до» субконтроктавы) до 7,902 кГц («си» пятой октавы).

Тембр

И последняя важная нам характеристика - тембр звука. Говоря словами, это то, как «окрашен» звук, а графически выглядит как различная комплексность, сложность звуковой волны. Вот, например, графическое отображение звуковых волн скрипки и рояля:

Тембр звука — комплексность (сложность) звуковой волны

Посложнее синусоиды, не правда ли?

Существует несколько способов записи звука: нотная запись, аналоговая запись и цифровая запись.

Нотная запись - это просто данные о частоте, длительности и громкости звуков, которые необходимо воспроизвести на каком-либо инструменте. В компьютерном мире есть аналог - MIDI данные. Но рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данной статьи, разберём его подробно в другой раз.

Аналоговая запись - по сути своей запись физических колебаний как они есть на какой-либо носитель: виниловую пластинку или магнитную ленту. Тут сразу должно начаться обильное слюноотделение у любителей тёплого лампового звука, но мы не из таких и , что аналоговые приборы имеют сильную погрешность и принципиальные ограничения, это вносит искажения и ухудшает качество записи, а физические носители со временем изнашиваются, что ещё сильней снижает качество фонограммы, поэтому аналоговая запись сейчас ушла в прошлое.

Цифровая запись звука - технология, которая дала возможность любому попробовать себя звукоинженером или продюсером. Так как же она работает? Ведь компьютер может записывать только числа, а если быть точным, только нули и единицы, в которых кодируются другие цифры, буквы, изображения. Как в цифрах записать такие сложные данные как звук?

Решение довольно простое - нарезать звуковую волну маленькими кусочками, то есть преобразовать непрерывную функцию (звуковую волну) в дискретную. Этот процесс называется дискретизацией , не от слова «кретин», а от слова «дискретность» (лат. discretus - разделённый, прерывистый). Каждый такой маленький кусочек звуковой волны уже очень легко описать цифрами (уровень сигнала в определенный момент времени), что при цифровой записи и происходит. Этот процесс называется аналого-цифровым преобразованием (analog to digital conversion), а преобразующее устройство (микросхема), соответственно, - аналого-цифровым преобразователем (analog to digital convertor) или АЦП (ADC).

Вот пример отрывка звуковой волны длиной почти в пять миллисекунд райд-тарелки (ride cymbal):

Видите, она вся состоит из зубчиков? Это и есть дискретные маленькие кусочки, на которые нарезана звуковая волна, но при желании через эти зубчики-столбики можно провести непрерывную кривую линию, которая и будет изначальной звуковой волной. При воспроизведении так и происходит в устройстве (тоже микросхеме) под названием цифро-аналоговый преобразователь (digital to analog convertor) или ЦАП (DAC). АЦП и ЦАП являются основными деталями аудио-интерфейса и от их качества зависит его качество и возможности.

Частота дискретизации и битность

Я, наверное, уже утомил даже самых стойких читателей, но не отчаивайтесь, это часть статьи, ради которой она и затевалась.

У процесса преобразования аналогового сигнала в цифровой (и наоборот) есть два важных свойства - это частота дискретизации (она же частота семплирования или sample rate) и глубина дискретизации (битность).

Частота дискретизации - это частота, с которой звуковой сигнал режется на кусочки (семплы). Не повторите мою ошибку: с частотой звука частота дискретизации связана только через теорему Котельникова, которая говорит: для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала. Таким образом используемая при записи CD и музыки частота дискретизации в 44,1 кГц покрывает
слышимый человеком диапазон частот.

Битность - это глубина дискретизации, измеряемая в битах, то есть это количество бит, используемое для записи амплитуды сигнала. При записи CD используется 16 бит, что достаточно для в 96 дБ, то есть мы сможем записать звук, у корого разница между самой тихой и самой громкой его частями составляет 96 дБ, что почти всегда достаточно для записи любой музыки. В студиях при записи обычно применяют 24-битную разрядность, что даёт динамический диапазон в 144 дБ, но поскольку 99% устройств, воспроизводящих звук (магнитофоны, плееры, звуковые карты, идущие в комлекте с компьютером) умеют обрабатывать только 16-разрядный звук, при рендеринге всё равно придётся потерять 48 дБ (144 минус 96) динамического диапазона, используя 16-битное разрешение.

Напоследок подсчитаем битрейт музыки на Audio CD:
16 бит x 44 100 семплов в секунду x 2 канала = 1 411 200 бит в секунду = 1 411,2 кбит/с.

Таким образом, одна секунда записи на Audio CD занимает 172 килобайта или 0,168 мегабайта.

Это всё, что я хотел рассказать про запись звука на компьютере.
Ну, или почти всё.

Последний раздел для хардкорных читатателей.

Dither

При рендеринге проектов в звуковых редакторах при выборе формата 44 100 kHz 16 bit иногда появляется галочка Dither. Что это такое?
Это подмешивание псевдослучайного сигнала. Едва ли вам стало легче от такой формулировки, но я сейчас объясню.

При аналого-цифровом преобразовании происходит округление амплитуды. То есть при 16-битной глубине дискретизации нам доступно 2 16 = 65 536 возможных вариантов уровня амплитуды. Но если амплитуда у звука в одном из семплов оказалась равной 34 целых и 478 тысячных, то нам придётся её округлить до 34.

Для малых уровней амплитуды входного сигнала такое округление несёт негативные последствия в виде искажений, с чем и борется dither .

Вот теперь точно всё. Спасибо за чтение!

Не забудьте написать комментарий и нажать на красивые кнопочки социальных сетей в низу статьи.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Звук – это , распространяющиеся в упругой среде (газе, жидкости, твердом теле) и имеющие частотный диапазон, который способно воспринимать человеческое ухо (от 16 Гц до 20 кГц).

Колебания частиц, которые служат причиной появления механических волн такой частоты, называются акустическими , а раздел физики, изучающий свойства звука и особенности его распространения – акустикой .

Распространение звука в воздухе начинается с колебаний воздуха у поверхности колеблющегося тела. Тело, создающее возмущение плотности среды, называется источником звука . Источниками звука могут быть твердые тела (струна музыкального инструмента, голосовые связки, земная кора, листья деревьев), жидкости (струя воды или волны на поверхности воды) и газы (струи воздуха в музыкальных инструментах, ветер). Колебания плотности воздуха приводят к смещению молекул в соседних слоях, которые, в свою, очередь влияют на своих соседей. Так из одной точки среды в другую происходит передача первоначального возмущения. Звуковая волна вызывает вынужденные колебания барабанной перепонки человеческого уха, которые регистрируются мозгом.

Характеристики звук

Звук распространяется с конечной . Скорость звука зависит от среды распространения и ее состояния. К примеру, скорость звука в воздухе при температуре составляет 330 м/с, а в воде при той же температуре – 1500 м/с.

Звук, издаваемый , называется музыкальным тоном. Шум представляет собой хаотическую смесь музыкальных тонов.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне.

Высота звука зависит от – чем больше частота, тем более высокий звук.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Звуковые волны в воздухе - чередующиеся области сжатия и разрежения.

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение - звуковым давлением .

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Физические параметры звука

Генерация звука

Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование голосовых связок , динамиков или камертона . Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты , в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте. Для создания когерентного звука применяются так называемые звуковые или фононные лазеры .

Ультразвуковая диагностика

Ультразвук - упругие звуковые колебания высокой частоты . Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся 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 волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:

где V - величина колебательной скорости;

• U - амплитуда колебательной скорости;
• f - частота ультразвука;
• t - время;
• G - 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 частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.

Дифракция, интерференция

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

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

При одновременном движении в среде нескольких ультразвуковых волн в каждой определённой 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 определённых 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 определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения 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 разнонаправленным, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего 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 полупоглощающего 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 ультразвука 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.

Рассеяние ультразвуковых волн

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис - дерма - фасция - мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн.

Отражение ультразвуковых волн

На явлении отражения основана 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 мало, 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 своём пути наталкивается на органы, размеры которых больше длины волны, то происходит преломление и отражение ультразвука. Наиболее сильное отражение наблюдается на границах кость - окружающие её ткани и ткани - воздух. У воздуха малая плотность и наблюдается практически полное отражение ультразвука. Отражение ультразвуковых волн наблюдается на границе мышца - надкостница - кость, на поверхности полых органов.

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

Инфразвук

Инфразвук, образующийся 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-либо, выдыхая им, - голос становится выше. Если же газ - гексафторид серы SF 6 , то голос звучит ниже. Связано это с тем, что газы примерно одинаково хорошо сжимаемы, поэтому в обладающем очень низкой плотностью гелии по сравнению с воздухом происходит увеличение скорости звука, и понижение - в гексафториде 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 остальных 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, так как даже при существенно более высокой плотности воды (что должно было бы привести к падению скорости звука), вода настолько плохо сжимаема, что в итоге в ней скорость звука оказывается всё-равно в несколько раз выше.

Примечания

Литература

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
• Радзишевский Александр Юрьевич. Основы аналогового и цифрового звука. - М .: Вильямс, 2006. - С. 288. -