АКУСТИКА
Спасибо нашим инвесторам из казино онлайн
АКУСТИКА
(от греч. akouo—слушаю), учение о звуке, одна из древнейших и наиболее развитых отраслей физики. Акустика может быть разделена на 1) общую, 2) физиологическую, 3) атмосферную, 4) архитектурную, 5) музыкальную. Общая акустика изучает процессы возникновения и распространения звука. Звук возникает при колебаниях какого-либо тела, называемого передатчиком (связки горла при речи, воздух в ротовой полости при свисте), передается по воздуху, воде пли иному веществу с определенной скоростью и улавливается тем или иным приемником (ухо, микрофон). Распространение звука совершается с различными для различных сред скоростями, но вне зависимости от характера и высоты звука, если только последний не относится к очень мощным (взрывы больших количеств пороха). Вещество Скорость звука в.«/сек. Вещество Скорость звука в. и/сек. Воздух при 0° ; » » iu! » » 30
‘
^Стапь.
i.
331.5 I Вода при 0″ . : 1.441 340 I Морск. вода ; 349 1 при
\Ъ’
1.49S 5.100 ‘Дерево. . . .3.000—4.000 Скорость звука в теле человека и животных, невидимому, никем не определялась, но, вероятно, близка
к
скорости звука в воде как главной составной части тела. Особенности звука определяются характером колебания звучащего тела, отмечаемым лучше всего на графике, подобном тому, который употребляется для записи температуры больного. По горизонтальной оси откладывается в условном масштабе время, по вертикальной — отклонение рассматриваемой точки звучащего тела от положения равновесия вверх, если оно направлено в одну, вниз—если в другую сторону. Примеры разных полученных т. о. кривых приведены на чертежах. Рисунок 1 изображает т. п.
Рис.
1. Просто!! звук.’ й—амплитуда колебания;
Т
—период. синусоидальное колебание. Кривая идет гладко, без острых концов и совершенно напоминает геометрическую кривую, известную под названием синусоиды, почему такие колебания и названы синусоидальными; соответствующие звуки называются чистыми или простыми; подобные колеба – ния совершает ножка камертона, любая точка струны, частицы воздуха при некоторых звуках флейты и т. п. Наибольшее отклонение от положения равновесия есть
а
—т. и. амплитуда колебания; время, по истечении которого колебание начинает повторяться, называется периодом колебания. Собственно говоря, амплитуда камертона убывает с течением времени, хотя и весьма медленно; график движения камертона в увеличенном виде изобралгеп на рис. 2. Слегка прижав ножку камертона пальцем, получают звук, точно изображенный на рисунке. Подобное же движение
Рис.
Колебание сильно затухающего камертона; 2′—период. совершает мембрана телефона в момент замыкания или размыкания питающего его постоянного тока; таков же звон (тикание) карманных часов. Рисунок 3 показывает форму колебания частиц воздуха у рта, произносящего звук «а». Как видим, колебания здесь очень сложные, но все же правильно повторяются по истечении периода. ‘Гаком звук называется сложным; теория показывает, что в этом случае колебания можно рассматривать как сумму отдельных простых колебаний разных периодов, а именно, равных
Т, —,
— н т. д., при чем каждое колебание существует или, точнее говоря, может считаться присутствующим без помехи со стороны других и само не мешает им (принцип суперпозиции колебаний). Звуки,
File. 3. Сложный звук; 7′—период.
имеющие ясно выраженный период, называются музыкальными звуками или тонами; не имеющие определенного периода—-шумами (стуки, шипение, шорохи, многие согласные). Зная период колебаний, можно вычислить число колебаний звучащего тела в 1 сек. п обратно. Форма колебания тесно связана с тембром звука и представляет его объективную характеристику. Точно также вполне характеризуют звук и отдельные простые колебания, его составляющие, при чем самое низкое из них называется основным топом, а другие—первым, вторым и т. д. обертонами. Величина амплитуды представляет объективную характеристику с и л ы звука, число колебаний в 1 сек.—объективную характеристику высоты звука. — Звуковые вол н ы. Движение колеблющегося тела передается окружающей среде и образует в ней сжатия и разрежения, которые, стремясь выровняться,, разбегаются от источника звука во все стороны со скоростью звука. Расположение сжатий и разрежений показано на рис.
4.
Места равных сгущений и разрежений называются поверхностью волны; в данном случае эти поверхности сферические. Расстояния между двумя последовательными сгущениями или разрежениями называются длиной волны и обычно обозначаются X. Между числом колебаний в секунду звучащего тела
(N)
и длиной волны (X) существует простое соотношение
N»k=v (v
—скорость звука), позволяющее по двум экспериментально определенным величинам вычислять третью. Звуковые волны—продольные, ибо колебания передающих звук частиц среды совершаются в направлении распространения звука перпендикулярно к поверхности волны.—3 в у к о в а я э и е р-г и я. Сжатия и разрежения в звуковых волнах обусловливают передачу звуковой энергии от звучащего тела в окружающую
звучащего телефона; темная штриховка— сгущения, светлая—разрежешш. /. (длина волны)—расстояние от разрежешш до разрежения или от сгущения до сгущешш.
среду. Количество энергии, проходящей •в 1 сек. через площадь в 1 кв.
см,
расположенную параллельно фронту (поверхности) волны, называется силой звука в том месте среды, где расположена эта площадь. Между амплитудой колебания частиц среды
(А)
и силой звука
(Е)
существует важное соотпо – шеиие:
Е=- I
-■ (р—плотность среды,
v
—скорость звука в ней), что позволяет вычислять по силе звука амплитуду или наобо – рот; другое важное соотношение:
Е =-
(Р—амплитуда давления в среде). Отсюда видим, что сила звука пропорциональна квадрату амплитуды перемещения и квадрату амплитуды давления. Нередко, особенно в американской литературе, сила звука характеризуется именно давлением Р, выраженным в динах. Общее количество звуковой энергии, испускаемое телом в 1 секунду, называется его звуковой мощностью; напр., средняя звуковая мощность речи— 125 эргов в секунду. Другое важное понятие—громкость звука, под к-рою понимается отношение силы данного звука к силе того же звука, ослабленного до предела слышимости. В виду того, что это отношение обычно велико, указывают его логарифм. Напр., громкость звука, высотою в 500 колебаний в секунду и настолько сильного, что он вызывает в ухе болезненное ощущение, есть 10го или 20 (20 = lgl0a0), тогда как сила этого звука есть 1012 эрг. в секунду, а сила того же звука, ослабленного до предела ощущения, 10~8 эрг. в секунду. Отсюда гром – f П 12 кость,-.-.,=1020.—О т р а ж е и и е и п р е – л о м л е и и е звука подчиняются тем же законам, что и свет, если отражающая и преломляющая поверхность велика по сравнению с длиной волны звука; в противном случае явление искажается так наз. диф-фракиией—рассеянием звука у краев.—И н-терферепцня звука. Колебания частиц воздуха в месте встречи двух звуковых воли равны сумме отдельных колебаний (принцип суперпозиции волн). Поэтому, если две волны равной силы и равной длины идут одна другой навстречу, то в точках, где встречаются противоположные по направлению перемещения, воздух не движется (узлы), в других же точках, где встречаются согласные колебания, колебание частиц воздуха особенно сильно (пучности). Расстояние между узлами (или пучностями) равно длине полуволны. Все явление получило название стоячих волн. Экспериментально стоячие волны лучше всего получаются в так наз. трубке Кундта, — закрытой с одного конца трубе, 3—5
см
диаметром, с порошком ликоподия внутри. Звуковые Рисунок 5. Трубка Кундта. волны, произведенные у открытого конца, отражаются у закрытого и образуют стоячие волны; порошок ликоподия сметается движением воздуха из пучностей в узлы; измеряя расстояние между узлами, мы узнаем длину полуволны, а отсюда, зная скорость звука, можем вычислить и число колебаний в секунду.—П ере датчики и приемники з в у к а весьма разнообразны. Простейшие из них—струна, камертон, колокол и т. п.; они совершают затухающие (уменьшающиеся с течением времени) колебания. Незатухающие колебания совершают телефон и громкоговоритель, питаемые переменным током любого периода, флейта, органная труба и т. п. Почти каждый передатчик имеет собственный период колебания, то-есть, будучи возбужден толчком, как камертон, совершает много постепенно затухающих колебаний с вполне определенным периодом, почему и звук, им издаваемый, имеет вполне определенную высоту. Обратно, если на такой передатчик падают звуковые волны, то он может притти под их действием в колебание, но только в том случае, если звуковые волны имеют период, равный собственному периоду передатчика. Передатчик в этом случае получает название резонатора, а само явление называется резонансом и имеет важное применение для анализа сложного звука. Ставя в области прохождения звуковых волн разные резонаторы и замечая, какие из них «отвечают» па эти волны, тем самым мы определяем, каких периодов звуки входят в состав этих волн. Наиболее употребительная форма резонатора—шар и цилиндр с отверстием (резонатор Гельмгольца). При помощи такого анализа установлено, что большая часть передатчиков (горло, труба, скрипка и т. д.) дает весьма сложные звуки со многими обертонами. Наиболее чистый и устойчивый по высоте звук дает камертон, чем и объясняется его широкое применение. Исследование состава сложного звука может быть произведено, кроме анализа резонаторами, еще, как это было указано выше, изучением формы колебания, но для этого требуется сложный математический анализ, для облегчения к-рого существуют многочисленные таблицы, а также особый прибор, называемый гармоническим анализатором. Экспериментально форма колебания
может быть записана мембраной с зеркальцем. Изучаемый звук падает слева на небольшой рупор, закрытый мембраной; колебания последней передаются маленькому зеркальцу,
Рис.
Мембрана с эеркальцем для изучения формы звуковой волны. качающемуся на горизонтальной оси; луч света, направленный на зеркальце, испытывает поэтому при отражении двилсения в вертикальном направлении; далее он падает на зеркальный куб, вращающийся на вертикальной оси, вследствие чего отраженный от куба луч движется в горизонтальном направлении. На стене или фотопластинке зайчик луча описывает кривую, дающую форму колебания. Физиологическая А. занимается изучением восприятия звука органами слуха и образования звуков органом речи, при чем объектом изучения является почти исключительно человек. Физиологич. А. развилась за последнее время весьма значительно, гл. обр., благодаря работам американских, отчасти нем. физиков, работавших по большей части в контакте с врачами и физиологами. Ими изучена весьма тщательно острота слуха для здорового и больного уха, определены количественно наименьшие величины звуковой энергии — на пределах восприятия для различных частот; маскировка одного звука другим; слушание двумя ушами,—и дано объяснение нашему умению находить направление, откуда идет звук; граница применимости закона Ве-бера-Фехнера; произведены многочисленные анализы гласных звуков речи (см. Речь); изучение же согласных только начинается. Однако, несмотря на многочисленные произведенные работы, физика уха еще весьма недостаточно известна, и общепринятые теории спорны. Атмосферная А. находится пока еще в начальной стадии развития, что обусловлено сложностью атмосферных условий для распространения звука. Кроме ясного понимания происхождения эхо и влияния ветра на распространение звука, атмосферная А. изучила в последнее время происхождение т. н. зон молчания—областей неслышимости звуков больших взрывов, за которыми звук вновь слышен. Архитектурная А. развилась за последнее время настолько, что дает возможность безошибочно проектировать залы и аудитории с хорошей акустикой и указывает верные методы исправления помещений с плохой акустикой. Также вполне выяснены методы звукоизоляции. Музыкальная А. рассматривает музыкальные системы, то-есть определенные соотношения между звуками, служащими для художественных целей, и не является, собственно говоря, отраслью физики, если исключить теорию музыкальных инструментов, еще мало разработанную, несмотря на древнюю и обширную практику. Лит.- Хвольсон, Курс Физики, т. II: Б р э г г, Мир звуков, Гиз, М., 1927; Д р ю с д э л, Морская цодводная сигнализация, «Успехи физических наук», т. V, 1925; Андреев, Острота слуха, «Журнал Прикладной Физики», т. I, 1924; Л и ф ш и ц, Архитектурная акустика; Белявский, Музыкальная акустика; Ржевкин С. Н., Слух и речь в свете новых исследований, «Успехи физических наук», т. VII, 1927. Н. Андреев.