Механические волны. Свойства механических волн. Длина волны. Звуковые волны. Ультразвук и его использование в технике и медицине

Механические волны
Волна — распространяющиеся колебания. Волнами называются всякие возмущения состояния вещества или поля, распространяющиеся в пространстве с течением времени.
Основное свойство волны — перенос энергии без переноса вещества.
1. Механические волны (см. рисунки): а) продольные) б) поперечные
Основные характеристики волны. Гармоническим колебаниям соответствуют монохроматические волны, обладающие двойной периодичностью: - во времени - период, частота;   - в пространстве l - длина волны: - расстояние между точками, колеблющимися с разностью фаз 2π; - расстояние, на которое волна распространяется за один период;	T – период – время, за которое совершается одно колебание ν – частота – число колебаний за одну секунду
Внимание. 1. Каждая последующая точка волны отстает от предыдущей по фазе. Можно сказать, что волновой процесс – процесс распространения фазы колебаний. 2. Точки с разностью фаз 2 π n (=1,2,3…) имеют равные смещения, скорости и ускорения (синфазные колебания). 3. Скорость волны конечна и меняется при переходе в другую среду, при этом меняется длина волны.	λ –длина волны v – скорость волны
Скорость продольной волны в твердом теле и упругих волн в жидкостях,   где Е – модуль объемной упругости, а ρ - плотность. Например, при нормальных условиях в воздухе – 330 м/с, в воде - 1430 м/с, в меди 3910 м/с, для алюминия 4880 м/с. Скорость продольной волны в твердом теле больше, чем поперечной (применяется при исследовании землетрясений).
Волны в среде Волновая поверхность – геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе. Волновой фронт (фронт волны) – геометрическое место точек, до которых доходят колебания к данному моменту времени. Луч- линия, перпендикулярная волновой поверхности. Показывает направление распространения волны (переноса энергии). По виду волновой поверхности бывают: - сферические; - плоские и т.д.
Для сферической волны ампли­туда колебаний и энергия через единицу поверхности уменьшаются с ростом рас­стояния от источника, при этом амплитуда уменьшается обратно пропорционально расстоянию от точки наблюдения до источника, а энергия – обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Для плоской волны — амплитуда колебаний и энергия через единицу площади поверхнос­ти не меняются при отсут­ствии трения.

Звуковые волны.

Звуковые волны (звук) — это упругие продольные волны, которые, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают определенные (слуховые) ощущения. Не может распространяться в вакуум.

Инфразвуки (до 16 Гц)

Слышимые звуки (16 – 20000Гц)

Ультразвуки (более 20000 Гц)

Источники

Шум атмосферы, леса, моря. Гром. Взрывы, орудийные выстрелы Сейсмические волны.

Колебания твердого тела (мембраны, деки, диффузоры громкоговорителей). Колебания ограниченных объемов среды (воздух в музыкальных духовых инструмен тах, органах, свистках). Голосовой аппарат человека и животных.

Пьезоэлектрические материалы. Магнитострикционные материалы. Некоторые животные (дельфины, летучие мыши и др.).

Применение

Определение места взрыва, выстрела. Предсказание цунами. Исследование атмосферы.

Ориентация в пространстве. Общение, речь, получение информации.

Дефектоскопия, медицина, эхолокация. Физика твердого тела. Получение эмульсий. Ускорение диффузии, некоторых химических реакций. Ориентация в пространстве у некоторых животных.  

Диапазоны слышимых звуков
Дети	20 лет	35 лет	50 лет
16 – 22000 Гц	16 – 20000 Гц	25 – 15000 Гц	30 – 12000 Гц

  Скорость звука зависит от среды и ее состояния, как и для любой механической волны. Скорость звука при 0⁰С в воздухе 331,5 м/с, в воде – 1430 м/с, в стали – 5000 м/с.

  Приемники звука.

  1. Естественные: ухо. Обладает высокой чувствительностью (Dp=10^-6 Па) и избирательностью (например, дирижер улавливает звуки отдельных инструментов оркестра).

2. Искусственные: микрофон. Основная характеристика – чувствительность (зависит от частоты звука).

  Характеристики звука.

  1. Спектр – разложение на гармонические колебания по частотам. Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны. Шум - звуки, образующие набор частот, непрерывно заполняющих некоторый интервал (сплошной спектр частот). Музыкальные (тональные) звуки – звуки, образующие линейчатый спектр частот: ча­стоты N входящие в состав музыкальных звуков, образуют ряд дискретных значений. Музыкальным звукам соответствуют периодические или почти пе­риодические колебания. Каждая синусоидальная звуковая волна называется тоном.

  Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответ­ствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются оберто­нами. Если частоты обертонов кратны частоте основного тона, то обертоны на­зываются гармоническими, причем основной тон с частотой N₀ называется первой гармоникой, обертон со следующей частотой 2N₀ - второй гармоникой и т. д.

  Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов - их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

  2. Звуковое давление – давление, оказываемое звуковой волной на препятствие.

3 .Интенсивность звуковой волны – энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности за единицу времени ().

  4. Громкость звука зависит от интенсивности звука, т. е. определяется ампли­тудой колебаний в звуковой волне. Наибольшей чувствительностью ор­ганы слуха обладают к звукам с частотами от 700 до 6000 Гц. В этом диапазоне ухо способно воспринимать звуки с интенсивностью около 10^-12-10^-11 Вт/м². Порогом слышимости называется наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органами слуха. Стандартный порог слышимости принимается равным I₀=10^-12 Вт/м² при частоте ν=1 кГц. Порогом болевого ощущения называется наибольшая интен­сивность звуковой волны, при которой восприятие звука не вызывает болевого ощущения. Порог болевого ощущения зависит от частоты звука (на частоте 1 кГц равен 1 Вт/м²). Мерой чувствительности органов слуха к восприятию звуковых волн дан­ной интенсивности является уровень интенсивности (громкости): . Единица измерения - децибел

Раздел 2

Дата добавления: 2014-01-06