Что ⚠️ такое звук: в физике, описание волны и её свойства

Основные понятия и физический смысл звука

Обновлено: 07 Сентября 2021

Что такое звук — определение в физике
- Основные понятия явления
Теория звука и акустики понятным языком
Какими характеристиками обладают звуковые волны
- Описание волны и её свойства
Что такое децибел

Что такое звук — определение в физике
- Основные понятия явления
Теория звука и акустики понятным языком
Какими характеристиками обладают звуковые волны
- Описание волны и её свойства
Что такое децибел

Ухо здорового человека еще в утробе матери начинает улавливать и воспринимать самые разные звуки: разговор, музыку, стук и т.п. Так как различный звуковой шум окружает людей всю сознательную жизнь, мы редко задумываемся о том, что это за явление. Тем не менее, современная физика может подробнейшим образом ответить на этот вопрос, описать характеристики и свойства звука.

Что такое звук — определение в физике

Звуком называют механические колебания, распространяющиеся в окружающей среде и воспринимаемые органом слуха человека.

Раздел физики, который занимается изучением звуковых колебаний, называется акустикой.

Основные понятия явления

Звуковая волна — это поперечная волна, представляющая собой ряд чередующихся между собой разряженной и сжатой среды, которые имеют различную частоту. Звуковые волны возникают за счет колебаний, вызываемых и производимых вибрацией от любых тел.

Звуки могут возникать и распространяться в следующих видах упругой среды:

газообразной;
жидкой;
твердой.

Возникая в одной из перечисленных сред, звуковые колебания влекут за собой изменения этой среды:

плотности воздуха;
давления воздуха;
перемещение частиц воздуха и т.п.

Скорость звука находится в зависимости от двух условий:

среды;
температуры.

В атмосфере при температуре равной 0 градусов, скорость звука равняется 331 м/с, при повышении температуры на 1 градус, скорость увеличивается на 1,7 м/с.

Звукопоглощением называется процесс преобразования одного вида энергии (звуковой или колебательной) в другую (тепловую).

Теория звука и акустики понятным языком

Рассмотрим чуть подробнее физическую природу явления. Все звуки, которые распространяются в воздухе, являются вибрациями звуковой волны.

Эти вибрации возникают за счет колебания объекта и расходятся от источника по всем направлениям. Распространяясь в пространстве, звуковая волна отражается от всех объектов, которые встречаются ей на пути, и создает изменения в окружающей среде. Когда эти изменения достигают органов слуха, они воздействуют на барабанную перепонку, нервные окончания в ухе подают сигналы в мозг, и человек воспринимает колебания как звук.

Какими характеристиками обладают звуковые волны

Звуковые волны, как и любой другой вид волн, обладают рядом волновых свойств.

Описание волны и её свойства

Простейшая форма описания звуковых колебаний — это синусоида.

Несмотря на то, что такой вид волн редко встречается в природе, любые звуки могут быть представлены комбинацией синусоидных волн.

Синусоида позволяет продемонстрировать основные физические критерии звука, которые называются специальными терминами:

частоту;
амплитуду;
фазу.

Частотой называется физическая величина, которая характеризует количество колебаний в единицу времени (секунду) и измеряется в герцах (Гц). Ухо человека способно воспринимать звуковые сигналы в диапазоне от 20 Гц до 20 КГц. Звуки, которые находятся выше указанного диапазона называется ультразвуком, ниже – инфразвуком, для человеческих органов слуха они неуловимы.

Амплитуда или интенсивность звуковой волны — это сила звука, которую органы слуха воспринимают как громкость звукового сигнала. Для измерения громкости звука используются фонометры, единицами ее измерения являются децибелы.

Значение длины волны соответствует одной из следующих формул:

где ( lambda) — длина волны, (V ) — скорость распространения звуковой волны, (T) — период колебания, v — частота колебания.

Такая величина, как фаза, нужна для того, чтобы описать свойства 2-х звуковых волн. Если два звуковых сигнала обладают одинаковой амплитудой и частотностью, говорят о том, что они находятся в фазе. Диапазон измерения фазы лежит в пределах от 0 до 360, где 0 означает, что две волны синхронны, т.е находятся в фазе, а 180 означает, что волны находятся в противофазе.

При нахождении двух звуковых волн в фазе, происходит наложение звуков друг на друга и усиление сигнала. Если совместить два не совпадающих по амплитуде, сигнала, произойдет их подавление из-за разницы давления, что приведет к исчезновению звука. Этот эффект известен в физике как «подавление фазы».

Что такое децибел

Децибелы — это единицы измерения уровня электрического напряжения или звукового давления. Бел назван в честь ученого-американца — слишком большая единица для измерения звука, именно поэтому на практике стали использовать децибел, который составляет всего 1/10 от бела.

Громкость звука измеряется в децибелах. Этот показатель определяется амплитудой сигнала: чем выше амплитуда звуковой волны, тем громче сигнал. Громкость человеческого слуха измеряется в фонах и обозначается Фон.

Не можете разобраться со сложной темой по физике? По другому предмету? Не отчаивайтесь и не переживайте! Обращайтесь за помощью к экспертам Феникс.Хелп.

Звуковые волны определение, виды, основные свойства и характеристики

Перед тем, как приступить к рассмотрению темы, дадим определение такому явлению, как звук.

Звук или звуковые волны – это волны, которые способно воспринять человеческое ухо.

При этом звуковые частоты имеют диапазон: примерно от 20 Г ц до 20 к Г ц .

Инфразвук – звуковые волны, имеющие частоту менее 20 Г ц .

Ультразвук – волны звука, имеющие частоту более 20 к Г ц .

Волнам звукового диапазона свойственно распространяться как в газе, так и в жидкости (продольные волны), и в твердом теле (продольные и поперечные волны). Особенно интересно для науки заниматься изучением распространения звуковых волн в газообразной среде, что по сути есть среда нашего обитания.

Акустика – это направление физики, занимающееся изучением звуковых явлений.

Когда звук получает распространение в газе, атомы и молекулы испытывают колебания вдоль направления распространения волны, следствием чего становится изменение локальной плотности ρ и давления p .

Звуковые волны в газе зачастую называют волнами плотности или волнами давления.

В случае простых гармонических звуковых волн, получающих распространение вдоль оси O X , изменение давления p ( x , t ) имеет зависимость от координаты x и времени t , которая записывается так:

p ( x , t ) = p 0 cos ω t ± k x .

В аргументе косинуса мы видим два противоположных знака, что имеет отношение к двум направлениям распространения волны. Запишем выражение, которое покажет соотношение таких величин, как круговая частота ω , волновое число k , длина волны λ , скорость звука υ (соотношение будет таким же, как применимо для поперечных волн в струне или резиновом жгуте):

υ = λ T = ω k ; k = 2 π λ ; ω = 2 π f = 2 π T .

Одной из ключевых характеристик звука является скорость распространения.

Скорость распространения – величина, описывающая звуковую волну, задаваемая инертными и упругими свойствами среды и определяемая для продольных волн в любой однородной среде при помощи формулы:

В указанной формуле B является модулем всестороннего сжатия, ρ – средней плотностью среды.

Формула Лапласа

Первые попытки рассчитать значение скорости звука предпринял Ньютон, предположив равенство упругости воздуха атмосферному давлению p а т м . В таком случае значение скорости звука в воздушной среде – менее 300 м / с , в то время как истинная скорость звука при нормальных условиях (температура 0 ° С и давление 1 а т м ) равна 331 , 5 м / с , а скорость звука при температуре 20 ° С и давлении 1 а т м составит 343 м / с . Лишь по прошествии более ста лет было показано, почему предположение Ньютона не выполняется. Французский физик П. Лаплас указал, что ньютоновское видение равносильно предположению о быстром выравнивании температуры между областями разрежения и сжатия, и невыполнение его связано с плохой теплопроводностью воздуха и малым периодом колебаний в звуковой волне. В действительности между областями разрежения и сжатия газа появляется разность температур, существенным образом влияющая на упругие свойства. Лаплас, в свою очередь, выдвинул предположение, что сжатие и разрежение газа в звуковой волне происходят в соответствии с адиабатическим законом: в отсутствии влияния теплопроводности. В 1816 году физик вывел формулу, предназначенную для расчета скорости звуковой волны в воздухе и получившей название формулы Лапласа.

Формула Лапласа для определения скорости звука имеет запись:

Где p является значением среднего давления в газе, ρ – средней плотности, а γ есть некоторая константа, находящаяся в зависимости от свойств газа.

В нормальных условиях скорость звука, рассчитанная по формуле Лапласа, равна υ = 332 м / с .

В термодинамике имеется доказательство, что константа γ представляет собой отношение теплоемкостей при постоянном давлении C p и постоянном объеме C V .

Формула Лапласа может быть записана несколько иначе, если использовать уравнение состояния идеального газа. Таким образом, окончательный вид формулы для определения скорости звука будет такой:

В данной формуле T – абсолютная температура, M – молярная масса,
R = 8 , 314 Д ж / м о л ь · К – универсальная газовая постоянная. Скорость звука находится в сильной зависимости от свойств газа: скорость звука тем больше, чем легче газ, в котором звуковая волна получает распространение.

Для наглядности приведем некоторые примеры.

Когда звук распространяется в воздушной среде ( M = 29 · 10 – 3 к г / м о л ь ) при нормальных условиях: υ = 331 , 5 м / с ;

Когда звук распространяется в гелии ( M = 4 · 10 – 3 к г / м о л ь ) : υ = 970 м / с ;

Когда звук распространяется в водороде ( M = 2 · 10 – 3 к г / м о л ь ) : υ = 1270 м / с .

В жидкостях и твердых телах скорость звуковых волн еще больше. В воде, например, υ = 1480 м / с (при 20 ° С ), в стали υ = 5 – 6 к м / с .

Характеристики звуковых волн

Помимо скорости распространения звук имеет и другие характеристики, связанные с восприятием его человеческими органами слуха.

Громкость звука

Рассуждая о том, как человеческое ухо воспринимает звук, в первую очередь мы говорим об уровне громкости, который зависит от потока энергии или интенсивности звуковой волны. А то, как воздействует звуковая волна на барабанную перепонку, зависит от звукового давления.

Звуковое давление – это амплитуда p 0 колебаний давления в волне

Природа отлично потрудилась, создавая такое совершенное устройство, как человеческое ухо: оно способно воспринимать звуки в обширнейшем диапазоне интенсивностей. Мы имеем возможность слышать как слабый писк комара, так и грохот вулкана.

Порог слышимости – минимальное значение величины звукового давления, при котором звук этой частоты еще воспринимается человеческим ухом.

Болевой порог – это верхняя граница диапазона слышимости человека; та величина звукового давления, при котором звук вызывает в человеческом ухе ощущение боли.

Порог слышимости представляет собой значение p 0 около 10 – 10 а т м , т. е. 10 – 5 П а : такой слабый звук характеризуется колебанием молекул воздуха в волне звука с амплитудой всего лишь 10 – 7 с м ! Болевой же порог соответствует значению p 0 порядка 10 – 4 а т м или 10 П а . Т.е., человеческое ухо способно к восприятию волн, в которых звуковое давление изменяется в миллион раз. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, диапазон интенсивностей оказывается порядка 10 12 !

Человеческое ухо, восприимчивое к звукам такого огромного диапазона интенсивности, допустимо сравнить с прибором, которым возможно измерить как диаметр атома, так и размеры футбольного поля.

Для общей информированности заметим, что обычным разговорам людей в комнате соответствует интенсивность звука, примерно в 10 6 раз превышающая порог слышимости, а интенсивность звука на рок-концерте находится очень близко к болевому порогу.

Высота звука

Высота звуковой волны – еще одна характеристика звука, влияющая на слуховое восприятие. Человеческие ухо воспринимает колебания в гармонической звуковой волне как музыкальный тон.

Высокий тон – это звуки с колебаниями высокой частоты.

Низкий тон – это звуки с колебаниями низкой частоты.

Звуки, которые издают музыкальные инструменты, а также звуки голоса человека значимо отличаются друг от друга по высоте тона и по диапазону частот.

К примеру, диапазон наиболее низкого мужского голоса – баса – находится в пределах примерно от
80 до 400 Г ц , а диапазон высокого женского голоса – сопрано – от 250 до 1050 Г ц .

Октава – это диапазон колебаний звука, который соответствует изменению частоты колебаний в 2 раза.

Скрипка, к примеру, звучит в диапазоне примерно трех с половиной октав ( 196 – 2340 Г ц ) ,
а пианино – семи с лишним октав ( 27 , 5 – 4186 Г ц ) .

Говоря о частоте звука, который извлекается при помощи струн любого струнного музыкального инструмента, будем иметь в виду частоту f 1 основного тона. Однако колебания струн содержат также гармоники, частоты f n которых отвечают соотношению:

f n = n f 1 , ( n = 1 , 2 , 3 , . . . ) .

Таким образом, звучащая струна способна излучать целый спектр волн с кратными частотами. Амплитуды A n этих волн имеют зависимость от способа возбуждения струны, будь то смычок или молоточек. Эти амплитуды необходимы для придания музыкальной окраски звуку (тембру).

Аналогичный процесс мы наблюдаем, когда звучат духовые музыкальные инструменте. Трубы духовых инструментов служат акустическими резонаторами – акустическими колебательными системами, имеющими способность возбуждаться (резонировать) от звуковых волн определенных частот. Определенные же условия способствуют возникновению внутри трубы стоячей звуковой волны. Рисунок 2 . 7 . 1 демонстрирует несколько видов стоячих волн (мод) в органной трубе, закрытой с одного конца и открытой с другого. Звучание духовых инструментов, так же, как и струнных, состоит из целого спектра волн с кратными частотами.

Рисунок 2 . 7 . 1 . Стоячие волны в трубе органа (закрыта лишь с одной стороны). Стрелки указывают направления движения частиц воздуха за один полупериод колебаний.

Музыкальные инструменты необходимо периодически настраивать.

Камертон – устройство для настройки музыкальных инструментов, состоящее из настроенных в резонанс деревянного акустического резонатора и соединенной с ним металлической вилки.

Удар молоточка по вилке вызывает возбуждение всей системы камертона с последующим звучанием чистого музыкального тона.

Гортань певца – по сути тоже акустический резонатор. Рисунок 2 . 7 . 2 демонстрирует спектры звуковых волн, издаваемых камертоном, струной пианино и низким женским голосом (альтом), звучащими на одной и той же ноте.

Рисунок 2 . 7 . 2 . Относительные интенсивности гармоник в спектре волну звука при звучании камертона ( 1 ) , пианино ( 2 ) и низкого женского голоса (альт) ( 3 ) на ноте «ля» контроктавы ( f 1 = 220 Г ц ) . По оси ординат отложены относительные интенсивности I I 0 _.

Звуковые волны, чьи частотные спектры показаны на рисунке 2 . 7 . 2 , имеют одну и ту же высоту, но различные тембры.

Биения

Разберем также такое явление, как биения.

Биение – это явление, возникающее, когда две гармонические волны с близкими, но все же имеющими отличия частотами, накладываются друг на друга.

Биения сопровождают, к примеру, одновременное звучание двух струн, имеющих настройки практически одинаковой частоты. Человеческий орган слуха воспринимает биения как гармонический тон с громкостью, периодически изменяющейся во времени. Запишем выражения, показывающие закономерность изменения звуковых давлений p 1 и p 2 , которые осуществляют воздействие на ухо:

p 1 = A 0 cos ω 1 t и p 2 = A 0 cos ω 2 t .

Для удобства примем, что амплитуды колебаний звуковых давлений являются одинаковыми и равны p 0 = A 0 .

Согласно принципу суперпозиции полное давление, которое вызывается обеими волнами в каждый момент времени, есть совокупность звуковых давлений, задаваемых каждой волной в тот же момент времени. Запишем выражение, показывающее суммарное воздействие волн, используя тригонометрические преобразования:

p = p 1 + p 2 = 2 A 0 cos ω 1 – ω 2 2 t cos ω 1 + ω 2 2 t = 2 A 0 cos 1 2 ∆ ω t cos ω с р t ,

где ∆ ω = ω 1 – ω 2 , а ω с р = ω 1 + ω 2 2 .

Рисунок 2 . 7 . 3 ( 1 ) отображает, каким образом давления p 1 и p 2 зависимы от времени t . В момент времени t = 0 оба колебания находятся в фазе, и их амплитуды суммируются. Поскольку частоты колебаний имеют хоть и небольшие, но отличия, через некоторое время t 1 колебания войдут в противофазу. В этот момент суммарная амплитуда станет равна нулю: колебания взаимно «погасятся». К моменту времени t 2 = 2 t 1 колебания вновь окажутся в фазе и т. д. (рисунок 2 . 7 . 3 ( 2 ) ).

Период биений Т б – это минимальное значение интервала между двумя моментами времени, которым соответствуют максимальная и минимальная амплитуда колебаний.

Формула, которая определяет медленно изменяющуюся амплитуду A результирующего колебания, имеет запись:

A = 2 A 0 cos 1 2 ∆ ω t .

Период Т б изменения амплитуды равен 2 π Δ ω . Мы можем это продемонстрировать, приняв следующее предположение: периоды колебаний давлений в звуковых волнах T 1 и T 2 являются такими, что T 1 T 2 (т. е. ω 1 > ω 2 ). За период биений Т б наблюдается некоторое число n полных циклов колебаний первой волны и ( n – 1 ) циклов колебаний второй волны:

T б = n T 1 = ( n – 1 ) T 2 .

T б = T 1 T 2 T 2 – T 1 = 2 π ω 1 – ω 2 = 2 π ∆ ω или f б = 1 T б = 1 T 1 – 1 T 2 = f 1 – f 2 = ∆ f .

f б есть частота биений, определяемая как разность частот Δ f двух звуковых волн, которые воспринимаются ухом одновременно.

Органы слуха человека способны к восприятию звуковых биений до частот 5 – 10 Г ц . Прослушивание биений – это важный элемент техники настройки музыкальных инструментов.

Рисунок 2 . 7 . 3 . Биения, возникающие, когда накладываются две звуковые волны с близкими частотами.

Рисунок 2 . 7 . 4 . Модель явления биений.

Звуковые волны

Звуковые волны или звук – это колебания частиц, распространяемые волнообразно в какой-либо среде – газообразной, жидкой или твёрдой, – которые воспринимаются органами слуха животных.

Когда мы изучаем свет, то убеждаемся не только в том, что он существует вне нас, но сверх того еще и в том, что нам необходимо иметь глаза для восприятия света, иначе мы и не подозревали бы о нем. Всё вокруг нас погружается в темноту, когда мы закрываем глаза. Точно так же для нас не существовало бы мира звуков, если бы у нас не было органа слуха, который воспринимает их.

Итак, мы называем звуком то, что мы чувствуем нашим слуховым аппаратом. Но явления внешнего мира для нас имеют характер звуковых только с того момента, когда они дошли до наших ушей. Закрыв уши пальцами, мы не услышим разговора, хотя он и продолжается около нас.

Звуковые волны, как и свет, представляет собою действие на нас специальных волнообразных движений. Явления, общие для всех родов волнообразного движения, будут иметь место и в свете, и в звуке, хотя существуют огромные различия между тем и другим родом волнообразных движений.
Звуковые волны отличаются от света тем, что волнообразные движения происходят не в межзвездном пространстве, а в материальной среде. Такою средою, большею частью, служит воздух. Но ею может быть также всякий газ или смесь газов, ею могут быть и жидкости, как вода, и твердые тела. Там же, где нет обычной материи, не может быть и звука.

Из этого следует, что как бы ни были грандиозны звуковые явления, происходящие на Солнце и Луне, они не могут произвести такого шума, который мог бы быть услышан у нас на Земле, потому что за пределами нашей атмосферы, между Землей и небесными телами, нет обычной материи.

Источники звуковых волн

Мы говорим, что звук есть волнообразные движения или колебания. Каждый, кто видел или чувствовал то, что происходит, когда рождается звук, тотчас согласится с этим. Так, например, если крепко натянуть нить и потом быстро ударить по ней, то можно видеть, как она заколеблется. И услышать при этом небольшой музыкальный звук. То же самое будет наблюдаться в звучащей фортепианной струне или в колоколе. И мы можем ощущать эти колебания, если дотронемся до них.

Мы также знаем, что при ударе по стеклу оно издает звук, который прекращается, если прикосновением пальца прекратить его колебания. Все эти явления служат доказательством того, что известные колебания производят звук. Каждый раз, когда колеблется колокольчик, стакан или струна, воздух получает от них легкие удары. В нем образуется ряд волн, доходящих до нашего уха, вот почему мы и слышим звук.

Нетрудно доказать, что воздух проводит звуковые волны. Для этой цели производят следующий опыт: под стеклянный колпак воздушного насоса помещают электрический звонок, заставляют его непрерывно звенеть. Затем начинают насосом выкачивать воздух.

Когда уменьшается количество воздуха под колпаком, мы видим звонок так же хорошо, как и раньше, потому что свет распространяется, когда воздуха нет. Но звук делается все тише и наконец совершению прекращается. Колебания звонка продолжают совершаться, но так как вокруг него больше нет воздуха, то он не может производить те волны. которые мы называем звуковыми. Если же воздух начинает снова входить под колпак, то звук восстанавливается. Этот простой опыт показывает нам не только то, что воздух служит проводником звука, но и то, что сила звука в значительной степени зависит от состояния воздуха.

Когда у нас появляется возможность сравнить скорость света со скоростью звука, то мы находим между ними огромное различие. Но видим огонь и дым при стрельбе из отдаленной пушки на несколько секунд раньше звука от ее выстрела. Свет распространяется так быстро, что даже значительное расстояние, на котором находится от нас действующее орудие, он проходит в какую-нибудь тысячную долю секунды; тогда как звук распространяется гораздо медленнее, и скорость его распространения при таком опыте очень легко вычислить.

Распространение звуковых волн

Возьмем несколько бильярдных шаров и положим их прямой линией на бильярдном столе так, чтобы они касались друг друга. Затем возьмем еще шар и покатим его так, чтобы он ударил в шар, лежащий на конце ряда. Тогда каждый из шаров в ряду будет попеременно сжиматься и производить давление на следующий за ним, в результате чего шар, находящийся на другом конце ряда, отскочит от него.

Каждый шар ряда здесь попеременно сжимается и расширяется. То же самое случается и в воздухе, когда звук проходит через него. Мы можем представить себе, что волну принуждают двигаться частицы воздуха, ударяющие одна о другую при своих движениях взад и вперед, точно так, как эти бильярдные шары.

Скорость звука

Скорость света одинакова при всех условиях, насколько это можно было изучить. А скорость звука изменяется в значительной степени с изменением условий, при которых он распространяется в воздухе. Большое счастье для музыкального искусства заключается в том, что скорость звука изменяется только в незначительной степени с изменением высоты его или силы.

Было бы очень затруднительно слушать издали музыку, если бы звуки различных инструментов оркестра доходили до нашего слуха в разное время, в то время как композитор имел в виду, что они будут слышаться одновременно. Или, если бы мотив, разыгрываемый одной частью оркестра, доходил до нашего слуха раньше того, что играет другая часть оркестра, или позже.

1. Скорость звука в воздухе

Обычная скорость звука в воздухе считается около 331 метра (То есть около трети километра) в секунду. Когда температура воздуха поднимается, он становится более упругим и тогда прохождение звука через него совершается быстрее.

Скорость звука увеличивается с повышением температуры воздуха, если плотность его остается той же самой.

Если мы примем во внимание зависимость скорости звука от упругости проводящей его среды, то нам будет понятно, почему звук проходит значительно быстрее в жидкостях, чем в газах, и еще быстрее в твердых телах.

2. Скорость звуковых волн в твёрдых телах

Звуковые волны распространяются в твёрдых телах быстрее, чем в воздухе. Железо, когда оно в твердом состоянии, обладает большею упругостью, чем воздух, и звук проходит в нем почти в семнадцать раз быстрее, чем в воздухе

Нельзя смешивать скорость распространения звука в воздухе или в какой-либо другой среде с высотой тона. Она у музыкального звука зависит от числа колебаний в секунду, и чем их больше, тем выше тон.

Звук, как мы сказали, проходя через железо, достигает нашего уха в семнадцать раз быстрее, чем когда он проходит через воздух; высота же его тона остается той же самой в обоих случаях, потому что число колебаний в секунду остается одно и то же, хотя звук через железо проходит значительно быстрее.

3. Скорость звука в разных средах

Хлор – 206 м/сек
Углекислый газ – 259м/сек
Кислород – 316 м/сек
Водород – 1 284м/сек
Неон – 435 м/сек
Метан – 430 м/сек
Воздух – 331 м/сек

Вода – 1 483 м/сек
Ртуть – 1 383 м/сек

Твёрдые тела:

Стекло – 4 800 м/сек
Литий – 6 000 м/сек
Алмаз – 12 000 м/сек
Железо – 5 950 м/сек
Золото – 3 240 м/сек

Сила звука

Когда мы начнем исследовать силу звука на разных расстояниях, то найдем, что первый закон, относительно его, тот же, что и для света. И насколько нам известно, этот закон верен не только относительно волнообразных движений, но и такого явления, как тяготение.

На точном научном языке закон о силе звука излагается так:

Сила звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от его источника

Таким образом можно коротко и ясно выразить, например, ту мысль, что если мы удаляемся от источника звука на расстояние, которое в три раза больше прежнего, то сила звука уменьшится при этом не в три, а в девять раз: девять есть квадрат трех. Квадратом числа называется число, полученное от перемножения его на самого себя.

Когда этот закон применяется к силе света или тяготения, то нам не приходится считаться с какими-либо условиями, которые могут повлиять на них. Но если речь идёт о звуке, то дело обстоит несколько иначе. На звук влияет плотность той среды, в которой он проходит; в морозную ночь воздух очень плотен, почему нам и дышится тогда легче, звук же будет в это время слышен сильнее. С другой стороны, звук ружейного выстрела высоко в горах ослабляется, потому что воздух там редок. Это явление напоминает нам опыт со звонком под колпаком воздушного насоса.

Отражение звука

Когда мы наблюдаем, как волны моря или озера ударяют в крутой берег, мы видим, что они отражаются от него и отскакивают назад. Если поверхность берега ровная и вертикальная, то мы видим, что волны отражаются от нее точно так же, как мяч от стены. Если звук есть действительно волнообразное движение, то мы всегда можем ожидать, что и он будет так же отражаться, как водяные волны, и нам часто приходится убеждаться в этом.

Всякие движущиеся волны могут отражаться от преград на их пути; это совершается как при свете, так и при морских волнах. Есть законы отражения, которые одинаково приложимы к этим различным явлениям.

Первый из них говорит, что угол падения волны равен углу ее отражения: это значит, что угол, под которым волна достигает поверхности, точно такой, под которым волна удаляется от нее в другую сторону. Точно такое же явление происходит при бросании мяча в стену. Если мы бросим мяч в стену в перпендикулярном направлении, то в таком же направлении он отскочит от нее; если мы бросим мяч вкось, он так же вкось отскочит. А в том случае, когда стена плоская и на мяче нет никаких неровностей и если при этом мы можем измерить угол, под которым мяч падает на стену, и тот, под которым он отскакивает от нее, то всегда найдем, что оба эти угла равны.

Второй: плоскость, в которой волна приближается, всегда та же самая, по которой она удаляется от отражаемой ее поверхности. Предположим, например, что звук движется по поверхности листа бумаги и на краю листа ударяется в перпендикулярную к нему стену. Он отразится не только под тем же углом, под которым приближался, а пойдет назад опять в плоскости листа бумаги, не уклоняясь ни вверх, ни вниз.

Природа грома

Мы все хорошо знаем, что на открытом воздухе звук кажется нам не таким, как в закрытом помещении. И наш голос в разных местах звучит различно. Все эти явления зависят от особенностей отражения звука в разных местах.

Самым лучшим способом для доказательства отражения звука может служить эхо. Мы можем довольно простым способом определить скорость звука, стоит только нам произвести звук на некотором расстоянии от отражающей его поверхности и заметить, как быстро мы услышим эхо.

Лучшим примером отражения звука, производящего эхо, являются раскаты грома, случающиеся во время грозы:

Гром — это сотрясение воздуха, образующее звук
Он происходят благодаря тому, что молния проходит от облака к облаку или от облака к земле.
Если нет эха, то мы слышим просто единичный удар грома, соответствующий одной мгновенной причине, производящей его
Когда же мы слышим раскаты грома, мы просто слышим эхо одного и того же удара, отражающегося много раз от облаков к земле

Волны Рэлея

Если мы наполним резиновый шар или выпуклый диск углекислым газом, то заметим, что он действует на звук точно так, как зажигательное стекло на световые лучи. Звуковые волны отклоняются газом, находящимся в шаре, так что они все собираются в одном пункте, находящемся по другую сторону шара точно так, как лучи солнца могут быть собраны на кусок бумаги в одну точку зажигательным стеклом.

Это видно из хорошо известного опыта, произведенного замечательным английским ученым, лордом Рэлеем. Опыт этот заключается в том, что нас ставят против часов на таком расстоянии, чтобы не слышать их тиканья. Если после этого гуттаперчевый шар, наполненный углекислым газом, будет помещен между нами и часами, то, находясь на том же самом расстоянии, мы услышим часы. Это происходит вследствие того, что углекислый газ преломляет звуковые волны и фокусирует их в одной точке.

Звук и его характеристики

В этой статье речь пойдёт непосредственно о звуке.

Рассмотрим такие вопросы:

— Что такое звук?

— Характеристики звука или свойства и качества.

— Воздействие звука на человеческий слух.

Что такое звук?

Давайте для начала обратимся к Википедии, как же там трактуется слово «звук».

Звук, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Давайте разбираться. Немного упростим определение. Звук – это волны, которые распространяются в какой-то определенной среде (вода, воздух, камень и т.д.), и создают в ней механические колебания (вибрация), слышимые нами. Звук – это определённого рода давление воздуха. Когда вы хлопаете в ладоши, воздух между ладонями выталкивается и создается звуковая волна. Но ведь звуки бывают различные (писк, гул, шум, хрип и т.д.). Почему так происходит?

Это зависит от характеристик звука.

Характеристики звука

Для начала давайте разберёмся, что такое свойства и качества звука. Свойствами звука называют присущие ему физические особенности, а качествами звука – отражения физических свойств звука в наших ощущениях. Определённое свойство звука отражается в его качестве.

№	Свойство звука	Качество звука
1	Частота	Высота
2	Продолжительность	Длительность
3	Амплитуда	Громкость
4	Состав	Тембр

Рассмотрим характеристики звука на примере синусоидальной волны.

1.Частота (высота) – количество полных колебаний за единицу времени (единица измерения — Герц)

Низкий звук (бас)

Высокий звук (писк)

2. Продолжительность ( длительность) – время, за которое звук из ясно слышимого переходит в абсолютную тишину.

3. Амплитуда (громкость) – максимальное значение колебательного движения ( единица измерения – Децибел)

Высокий уровень громкости

Низкий уровень громкости

Вот вам табличка для ещё более наглядного понимания

Звук	Громкость, дБ:
Порог слышимости
Тиканье наручных часов	10
Шепот	20
Звук настенных часов	30
Приглушенный разговор	40
Тихая улица	50
Обычный разговор	60
Шумная улица	70
Опасный для здоровья уровень	75
Пневматический молоток	90
Кузнечный цех	100
Громкая музыка	110
Болевой порог	120
Сирена	130
Реактивный самолет	150
Смертельный уровень	180
Шумовое оружие	200

4. Состав (тембр) – количество тонов звука, переплетающихся между собой, которые возникают потому, что источник звука колеблется не только целиком, но и по частям ( половинами, третями, четвертями, пятыми и т.д.).

Звук пианино

Звук гитары

Звук синтезатора

Воздействие звука на человеческий слух

Для работы со звуком необходимо знать, как этот звук воспринимается человеком и воздействует на него.

Здоровый человек способен воспринимать звук в диапазоне приблизительно от 16 Гц до 20 кГц.

В тоже время мы воспринимаем высокие звуки как более громкие по сравнению с низкими, хотя на самом деле они имеют одинаковую громкость. Этот эффект можно рассмотреть с помощью кривых равной громкости.

На графиках мы можем отчетливо проследить разность восприятия громкости низких, средних и высоких звуков (нелинейность восприятия).

При продолжительном прослушивании звука с частотой, скажем, 100 Гц мы можем услышать дополнительные гармоники превышающие основной звук по частоте в два, три раза (200 и 300 Гц). Появление «субъективных гармоник» — еще одно проявление нелинейности восприятия.

Еще один аспект, о котором хотелось бы рассказать – это тот факт, что со временем способность воспринимать высокие звуки падает. Приблизительно каждые десять лет спектр восприятия высоких звуков сужается на 1 кГц.

Также когда вы слушаете два звука одной частоты, один из которых более громкий, то вы будете слышать только громкий звук, а звук с меньшим уровнем громкости просто затеряется и не будет различим. Это проявление так называемого «эффекта маскировки». Примером может служить слишком шумное помещение или вагон метро. Ведь когда вы хотите что-нибудь сказать в такой обстановке вам приходится кричать.

Бинауральный эффект или то, что нужно знать о панорамировании

Как известно, человек имеет два уха, что дает ему возможность воспринимать звук с разных сторон и определять направление звука и приблизительное расстояние до источника звука. Наш мозг воспринимает информацию, полученную из левого и правого ушей и оперируя этими данным делает определенные заключения. В этом собственно и проявляется бинауральный эффект.

Бинауральный эффект на разных частотах неравномерен. На низких частотах он практически неощутим. Ведь слушая только бас мы неспособны определить направление, расстояние до источника и другие параметры. На средних частотах определение параметров сигнала осуществляется на основе разности фаз между восприятием левого и правого ушей, а на высоких частотах – за счет сравнения силы сигнала, поступающего с разных сторон.

Таким образом с помощью стерео мы можем расположить звуки в пространстве и сделать их более живыми.

На мой взгляд понимание основ восприятия звука важный аспект для написания музыкальных композиций.

Посмотрите видео «Звук и его характеристики».

Физика. 11 класс

§ 6. Звуковые волны

Звуковые волны (звук) окружают человека с первых дней его жизни. Звуки позволяют людям общаться между собой, выражать эмоции, наслаждаться музыкальными шедеврами. Как это происходит? Каковы основные свойства звуковых волн?

Упругие волны, вызывающие у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком. Человеческое ухо воспринимает в виде звуковых ощущений колебания от 16 до 20 000 Гц.
Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.
Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом (рис. 41):

инфразвук (ν слышимый человеком звук (16 Гц ультразвук ( ); гиперзвук ( ).

Звуки (звуковые волны) приносят человеку жизненно важную информацию — с их помощью мы общаемся, наслаждаемся музыкой, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

Что представляет собой звук и каким образом он возникает?
Рассмотрим в качестве источника звука барабан (рис. 42). Деформированная в результате удара мембрана барабана будет совершать колебания с некоторой частотой. В результате этого мембрана создает попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ней области воздуха, и образуется продольная волна, которая распространяется в воздухе с течением времени.

Наглядную информацию о звуковой волне в некоторый момент времени дает график зависимости плотности воздуха от координаты (рис. 43). Горбы на этом графике соответствуют сжатию, а впадины — разряжению воздуха. В процессе распространения звуковой волны с течением времени изменяются такие характеристики среды, как плотность и давление (см. рис. 43).
Для распространения звуковых волн необходима среда с упругими свойствами. Они хорошо распространяются в упругих средах, таких как газ, жидкость, металлы, стекло, кристаллические материалы. Однако звуковые волны быстро затухают в пористых материалах (поролон, войлок, вата). Такие материалы используют для звукоизоляции. Лучшим изолятором звука является вакуум (пустота), так как результаты экспериментов показывают, что звуковые волны в пустоте (вакууме) не распространяются.
Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).

Понятие интенсивность звука характеризует энергию, переносимую волной. Интенсивность звука (I) равна энергии (W), переносимой волной за единицу времени ( ) через поверхность площадью , расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны . Другими словами, интенсивность звука равна мощности , переносимой волнами через поверхность единичной площади ( ), перпендикулярно к направлению распространения волны.

В соответствии с определением единицей интенсивности в СИ является ватт на метр в квадрате ( ).

Диаграмма восприятия звука ухом человека приведена на рисунке 43-1.

Интенсивность звука, улавливаемого ухом человека, лежит в огромных пределах: от (порог слышимости) до (порог болевого ощущения). Человек может слышать и более интенсивные звуки, но при этом он будет испытывать боль. Звуки еще большей интенсивности могут привести к травме.

Минимальная интенсивность, при которой ухо человека перестает воспринимать звук, называется порогом слышимости. Наиболее чувствительно наше ухо к волнам частотой примерно 3 кГц, так как при этой частоте интенсивности порядка уже достаточно, чтобы ухо восприняло звук. А для того чтобы услышать звук на частоте 50 Гц, его интенсивность должна быть примерно в 100 000 раз больше, т. е. быть порядка .

Реактивный самолет может создать звук интенсивностью порядка , мощные усилители на концерте в закрытом помещении — до , поезд метро .

В науке и технике уровни интенсивности звука определяют обычно, используя шкалу, единицей которой является бел (Б) или ее дольная единица — децибел (дБ) (одна десятая бела). Уровень интенсивности самого слабого звука, который воспринимает наше ухо, соответствует 1 бел (1Б). Она названа в честь изобретателя телефона А. Г. Белла.

При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 10 дБ. Вследствие этого, звук в 50 дБ оказывается в 100 раз интенсивнее звука в 30 дБ (см. рис. 43-1).

Поезд метро создает уровень интенсивности звука 100 дБ, мощные усилители — 120 дБ, а реактивный самолет — 150 дБ. Тем, кто при работе подвергается воздействию шума свыше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Таким образом, для возникновения звуковых ощущений необходимо:

• наличие источника звука;
• наличие упругой среды между источником звука и ухом. При этом частота колебаний источника звука должна находиться в пределах 16—20 000 Гц;
• мощность звуковых волн должна быть достаточной для того, чтобы вызвать ощущение звука.
Еще одной основной характеристикой звука является его спектр. Спектром называется набор частот звуков различных колебаний, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.
Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.
Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.
По типу спектра звуки разделяются на музыкальные тона и шумы.
Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты. Спектр гармонического колебания представляет собой одну вертикальную линию (рис. 44).
Шум — совокупность множества разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т. п.) — представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр) (рис. 45).

Шумы по частотной характеристике разделяются на низкочастотные

Длительное воздействие шумов на человека приводит к повреждению центральной нервной системы, повышению кровяного и внутричерепного давления, нарушению нормальной работы сердца, головокружению. Вредное воздействие сильных шумов на человека было замечено давно (рис. 45-1).

В Китае еще 2000 лет назад в качестве наказания заключенные подвергались непрерывному воздействию звуков флейт, барабанов и крикунов, пока не падали замертво. При мощности шума 3 кВт и частоте 800 Гц нарушается способность глаза к фокусировке. Мощность шума 5—8 кВт дезорганизует работу скелетной мускулатуры, вызывает паралич, потерю памяти. Мощность шума около 200 кВт приводит к смерти. Поэтому в больших городах запрещено использование резких и громких сигналов. Значительно снижают шумы деревья, кустарники, которые их поглощают. Поэтому вдоль дорог с интенсивным автомобильным движением необходимы зеленые насаждения. Тишина значительно повышает остроту слуха.

Для определения уровня шума используют шумомеры (рис. 45-2).

Физическим характеристикам звука соответствуют его субъективные характеристики, связанные с его восприятием ухом человека. Это обусловлено тем, что восприятие звука — процесс не только физический, но и физиологический. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей по-разному, в зависимости от чувствительности органов слуха.

Основными физиологическими характеристиками звука являются громкость, высота и тембр.
Громкость (степень слышимости звука) определяется как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.

Для музыкального звука (созвучия) основной тон соответствует наименьшей частоте (рис. 46). Все остальные тоны называют обертонами.

Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота.
По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, органа и флейты, голоса людей и т.д.

Таблица 3. Частота ν колебаний различных источников звука (табл. 3)

Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твердых телах (табл. 4).

Таблица 4. Скорость звука в различных средах

Среда	v,
Воздух		331
Воздух	20	343
Вода	20	1490
Глицерин	20	1920
Ртуть	20	1450
Лед		3280
Сталь	20	5050
Стекло	20	5300
Чугун	20	3850

Скорость звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально, , где Т — абсолютная температура. В воздухе скорость звука при температуре t = 0 °C и при температуре t = 20 °C. В жидкостях и металлах скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение — вода).

На основе музыкальных тонов создана музыкальная азбука — ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах.

Интервал частот музыкальных звуков, на границах которого звуки по частоте отличаются в 2 раза, называют октавой (рис. 46).

Музыкальный звук (созвучие) — результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов. Основной тон называется также первой гармоникой. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр (рис. 47).

Многие животные могут воспринимать звуки ультразвуковых частот. Например, собаки могут слышать звуки до 50 000 Гц , а летучие мыши — 100 000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и другим морским животным ориентироваться в толще воды

Отношение скорости движения объекта к скорости звука в среде, в которой перемещается объект, называется «числом Маха», названным в честь австрийского физика Эрнста Маха (1838—1916). Поэтому говорят, что объект, движущийся со скоростью звука, перемещается со скоростью в один мах. При этом все волновые поверхности звуковой волны концентрируются в одной точке (рис. 47-1, б). 14 декабря 1947 г. летательный аппарат впервые преодолел звуковой барьер (рис. 47-1, г).

Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией, а соответствующие приборы — эхолокаторами.

Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образовано из начальных букв трех английских слов: sound — звук; navigation — навигация; range — дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой.

Эхолокацию используют многие животные: китообразные (дельфины), летучие мыши, птицы гуахаро, гнездящиеся в глубоких пещерах Венесуэлы и на острове Тринидад, стрижи-салаганы, живущие в пещерах Юго-Восточной Азии.

Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях, например УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека.

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля. Он основан на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотами 0,5—25 кГц в контролируемых изделиях с использованием специальной аппаратуры — ультразвукового преобразователя и дефектоскопа.

ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ

Тестирование онлайн

Волны. Основные понятия
Волны

Звуковая волна

Звук – это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.

Звуковая волна распространяется через дерево

Источник звука – это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми. Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком.

Скорость звука

Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения).

Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.

Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше, чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением – убывает.

Высота, тембр и громкость звука

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука – обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.

Звуковые явления

Эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград – гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным. Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.

Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.

Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.

Применение звуковых волн

Эхолокация. Это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании. На судах устанавливают гидролокаторы – приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы. Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.

Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели называется ультразвуковым дефектоскопом. На исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь без существенного отражения и не регистрируются приемником.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространятся на очень далекие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или положения стреляющего оружия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания стихийного бедствия – цунами. Медузы, ракообразные и др. способны воспринимать инфразвуки и задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.

Как правильно подобрать манометр. Основные параметры. На что важно обратить внимание при покупке?

Манометр подбирают к конкретной системе с учетом целого комплекса норм.

П араметры, которые следует оценить при покупке манометра.

1. Диапазон измерения – один из важнейших критериев при выборе манометра.

Существует стандартный ряд давлений для манометров, согласно которому нужно выбирать соответствующее. Со стандартным рядом давлений можно ознакомиться в ГОСТ 2405-88. Приборы с верхним пределом измерений до 40 кПа включительно (до 4000 кгс/м2 включительно) относятся к напоромерам, тягомерам и тягонапоромерам, а от 60 кПа (от 0,6 кгс/см2) — к манометрам, вакуумметрам и мановакуумметрам.

Диапазон показаний (записи) прибора должен выбираться из табл. 6 ГОСТ 2405-88.

Ряд давлений в Паскаль для вакуумметров, мановакуумметров и манометров согласно ГОСТ 2405-88:

Ряд давлений в кПа:

Ряд давлений в МПа:

Вакуумметры: .-100 – 0 кПа;

Мановакуумметры: .-100. 0. 60; 150; 300; 500 кПа;

Мановакуумметры: .-0,1. 0. 0,9; 1,5; 2,4 МПа;

Манометры: 0 – 60; 100; 160; 250; 400; 600 кПа;

Манометры: 0 – 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40; 60; 100; 160 МПа.

Стандарный ряд давлений в Паскаль для тягонапоромеров и напоромеров согласно ГОСТ 2405-88:

Тягонапоромеры: -1…0. 0,6; 1,5/ -1,25…0. 1,25/ -1,5…0. 1; 2,5/ -2…0. 2; 4/ -2,5…0. 1,5/ -3…0. 3/ -4…0. 2; 6/ -5…0. 5/ -6…0. 4; 10/ -8…0. 8/ -10…0. 6; 15/ -12,5…0. 12,5/ -15…0. 10/ -20…0. 20 кПа;

Напоромеры: 0 – 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40 кПа.

Диапазон измерений избыточного давления должен быть от 0 до 100 % или от 25 до 75 % диапазона показаний. Иногда можно услышать рекомендацию о выборе давления в диапазоне от 1/3 до 2/3 шкалы. Если вы возьмете прибор на слишком высокое давление, и будете снимать показания от 0 до 25 % шкалы, то увеличится погрешность снятия показаний. Если прибор будет работать в диапазоне от 75 до 100 % своей шкалы, то механизм будет находиться в постоянной перегрузке и прибор быстро выйдет из строя.

Для примера можно пользоваться следующей простой формулой. К Вашему рабочему давлению в системе, необходимо прибавить 30% и взять следующее по порядку давление из стандартного ряда по ГОСТ 2405-88 .

Допустим у вас в системе рабочее давление 2 Мпа. 2+30% = 2,6 Мпа, следующее порядковое значение по стандартному ряду это 4 Мпа. В данном случае такая шкала будет предпочтительней.

2. Единицы измерения.

Очень важно при покупке манометра определиться не только с давлением, но и с единицами измерения.

В Международной системе единиц физических величин (СИ) давление измеряется в паскалях. Паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности , площадью один квадратный метр.

Т.к. Паскали- это общепринятые системные единицы измерения, всем нашим потребителям мы рекомендуем применять именно их. Давление выше 10 атм, принято переводить в МПа, все что ниже, рекомендуется переводить в кПа.

Зачастую у нашего потребителя существует необходимость измерять давление в нестандартных единицах, у нашей компании есть возможность изготовления таких приборов от 1 шт.

В качестве внесистемных единиц измерения давления допущены к использованию следующие единицы:

бар;
килограмм-сила на квадратный сантиметр;
миллиметр водяного столба;
метр водяного столба;
атмосфера техническая;
миллиметр ртутного столба.

Полезно знать, как перевести единицы измерения самостоятельно, либо можно воспользоваться конвертером ед. измерения давления в интернете.

1 кгс/см2=10.000 кгс/м2 =1 бар=1 атм=0.1 Мпа=100 кПа=

100.000 Па =10.000 мм.вод.ст.= 750 мм. рт. ст.= 1000 мБар

3. Класс точности – это допустимый процент погрешности измерения от шкалы измерения. Класс точности приборов должен выбираться из ряда: 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Соответствие диаметра или размера лицевой панели корпуса классу точности приведено в табл. 1 ГОСТ 2405-88

Определить несоответствие класса точности может аккредитованная лаборатория, у которой есть поверочная установка с эталонным манометром с классом точности в четыре раза меньше, чем класс точности поверяемого манометра.

4. Диаметр корпуса манометра. Стандартный ряд диаметров для манометров: 40, 50, 60, 63, 80, 100, 150, 160, 250 мм. Если в процессе производства работник имеет возможность подойти к прибору близко, менее 2 м, то можно остановить свой выбор на манометре среднего диаметра, 100 мм, но если нахождение поблизости прибора не осуществимо и составляет от 2 до 5 м, тогда следует остановить свой выбор на манометре большего диаметра, не менее 160 мм. Оператор должен быть способен считывать пок азания с манометра о давлении в системе.

Более подробно о диаметре можно прочитать в нашей статье « Номинальный диаметр корпуса приборов»

5. Расположение штуцера. Существует две разновидности: радиальный штуцер (манометр, у которого штуцер выходит снизу) и осевой штуцер (присоединительный штуцер расположен сзади, с тыльной части прибора). Присоединение манометров с осевым штуцером часто называют торцовое или тыльное. При осевом присоединения выделяют аксиальное/центральноосевое (по центру) и эксцентричное (со смещением).

7. Измеряемая среда. Следующий этап – необходимо определиться со средой.

В зависимости от измеряемой среды – пар, газ или жидкость, используются различные типы приборов, а в некоторых случаях необходима комплектация дополнительным оборудованием. Имеются специфические особенности измерения агрессивных, вязких, высокотемпературных, низкотемпературных, «грязных» сред и др. Рассмотрим некоторые из них.

при работе прибора в агрессивной среде, необходимо остановить свой выбор на приборе, выполненном полностью из нерж. стали, а именно на коррозионностойком типе манометров.
при установке прибора на Кислород, ему необходимо пройти обезжировку и иметь отметку на циферблате;
при измерении давления газообразных сред должна быть обеспечена безопасность оператора, для данной среды рекомендуют использовать прибор с вышибной пробкой/стенкой;
если это будет вязкая, загрязненная среда, то такая среда требует применение дополнительного оборудования мембранного разделителя (РМ);
при наличии пульсации среды, рекомендуется использовать демпфирующее устройство;
работа прибора при температуре измеряемой среды более 60 °С, требуется использование отвода-охладителя;
в некоторых случаях необходимо выбирать специализированный (целевой) манометр (буровые, кислотостойкие, аммиачные и др.)

Существует огромное множество измеряемых сред. Для того, что бы наверняка не ошибиться с выбором прибора, рекомендуем Вам при оформлении заказа обязательно сообщать информацию о среде, в этом случае специалисты окажут Вам помощь в подборе.

8. Условия эксплуатации. От условий эксплуатации так же зависит выбор типа приборов. Если будет присутствовать вибрация, то прибор нужно защитить от этого внешнего воздействия и использовать заполнение демпфирующей жидкостью, для этого используются виброустойчивые манометры ( ГОСТ Р 52931-2008) .

В зависимости от места установки (в закрытом отапливаемом помещении или на открытом воздухе) выбирается прибор с соответствующим климатическим исполнением по ГОСТу 15150-69. Наиболее часто встречаются У1, У2, УХЛ1, Т2, Т3.

Так же согласно условиям эксплуатации по ГОСТу 14254-2015 подбирается степень пылевлагозащиты – IP. В манометрии часто можно встретить IP40, 53, 54, 65.

На что важно обратить внимание при покупке манометра?

на технические параметры и их соответствия вашей потребности;

манометр должен быть новый. Всегда можно уточнить год выпуска перед приобретением приборов;

манометр должен быть поверен и желательно, чтобы поверка составляла 2 года, если Вы купите прибор с первичной поверкой на 1 год — уже через год Вам потребуется обратиться за услугой переповерки в метрологическую службу, что повлечет дополнительные расходы;

на манометре или в паспорте должна быть отметка о первичной поверке ;

в комплекте с манометром должен идти паспорт и руководство по эксплуатации;

на данный тип манометров у производителя должен быть действующий сертификат на средства измерения;

манометры стоит покупать в организации, которая зарекомендовала себя на рынке либо является официальным представителем завода-производителя, на что у компании должен быть сертификат или официальное письмо от производителя.