Lyd

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 31. oktober 2022; checks kræver 4 redigeringer .

Lyd  er et fysisk fænomen , som er udbredelsen af ​​elastiske bølger i et gasformigt, flydende eller fast medium . I snæver forstand refererer lyd til disse bølger, betragtet i sammenhæng med hvordan de opfattes af menneskers eller dyrs sanseorganer [1] .

Lydkilden kan være et legeme, der udfører mekaniske vibrationer i henhold til en bestemt lov.

Generelt er lyd en samling af bølger med forskellige frekvenser . Intensitetsfordelinger over frekvenser er jævne (kontinuerlige) eller med udtalte maksima ved (diskrete). For at forenkle skal du ofte fokusere på én bølge af en bestemt frekvens.

En almindelig person er i stand til at høre lydvibrationer i frekvensområdet fra 16-20  Hz til 15-20 kHz [2] . Lyd under det menneskelige høreområde kaldes infralyd ; højere: op til 1 GHz - ved ultralyd , fra 1 GHz - ved hyperlyd .

I den første tilnærmelse dikteres lydens styrke af bølgens amplitude , og tonen , lydens tonehøjde , er dikteret af frekvensen. Mere præcist afhænger lydstyrken på en kompleks måde af effektivt lydtryk, frekvens og tilstandsform, mens tonehøjden ikke kun afhænger af frekvensen, men også af lydtrykkets størrelse.

Blandt de hørbare lyde skiller fonetiske, talelyde og fonemer (hvoraf mundtlig tale består ) og musikalske lyde (hvoraf musik består ) sig ud. Musikalske lyde indeholder ikke én, men flere toner (bølger med faste frekvenser ) og nogle gange støjkomponenter i et bredt akustisk område.

Begrebet lyd

Lydbølger kan tjene som et eksempel på en oscillerende proces . Enhver udsving er forbundet med en krænkelse af systemets ligevægtstilstand og udtrykkes i afvigelsen af ​​dets egenskaber fra ligevægtsværdier med en efterfølgende tilbagevenden til den oprindelige værdi. For lydvibrationer er en sådan karakteristik trykket ved et punkt i mediet, og dets afvigelse er lydtrykket .

Hvis du laver en skarp forskydning af partiklerne i et elastisk medium på ét sted, for eksempel ved hjælp af et stempel, vil trykket stige på dette sted. Takket være partiklernes elastiske bindinger overføres trykket til nabopartikler, som igen virker på de næste, og området med øget tryk bevæger sig så at sige i et elastisk medium. Området med højtryk efterfølges af området med lavt tryk, og således dannes en række vekslende områder med kompression og sjældenhed, der forplanter sig i mediet i form af en bølge. Hver partikel af det elastiske medium i dette tilfælde vil oscillere.

mere detaljerede oplysninger

Hastigheden af ​​den oscillerende bevægelse af partikler af et elastisk medium - den oscillerende hastighed - måles i m/s eller cm/s. Energimæssigt er reelle oscillerende systemer karakteriseret ved en ændring i energi på grund af dets delvise forbrug på arbejde mod friktionskræfter og stråling ind i det omgivende rum. I et elastisk medium henfalder svingninger gradvist. For at karakterisere dæmpede svingninger anvendes dæmpningsfaktor (S), logaritmisk dekrement (D) og kvalitetsfaktor (Q).

Dæmpningsfaktoren afspejler den hastighed, hvormed amplituden falder over tid. Hvis vi angiver den tid, hvor amplituden falder med en faktor på e = 2,718, gennem , så:

.

Faldet i amplitude i en cyklus er karakteriseret ved en logaritmisk reduktion. Den logaritmiske reduktion er lig med forholdet mellem oscillationsperioden og henfaldstiden :

Hvis en periodisk kraft virker på et oscillerende system med tab, opstår der tvangssvingninger , hvis natur til en vis grad gentager ændringerne i den ydre kraft. Hyppigheden af ​​tvungne svingninger afhænger ikke af parametrene i det oscillerende system. Tværtimod afhænger amplituden af ​​systemets masse, mekaniske modstand og fleksibilitet. Et sådant fænomen, når amplituden af ​​vibrationshastigheden når sin maksimale værdi, kaldes mekanisk resonans. I dette tilfælde falder frekvensen af ​​tvangssvingninger sammen med frekvensen af ​​naturlige udæmpede svingninger i det mekaniske system.

Ved eksponeringsfrekvenser, der er meget lavere end den resonante, balanceres den ydre harmoniske kraft næsten udelukkende af den elastiske kraft. Ved excitationsfrekvenser tæt på den resonante spiller friktionskræfter hovedrollen. Forudsat at frekvensen af ​​den ydre handling er meget større end den resonante, afhænger svingningssystemets opførsel af inertikraften eller massen.

Et mediums egenskab til at lede akustisk energi, herunder ultralydsenergi, er karakteriseret ved akustisk modstand. Den akustiske modstand af et medium udtrykkes som forholdet mellem lydtætheden og lydstyrken af ​​ultralydsbølger. Den specifikke akustiske modstand af et medium er indstillet af forholdet mellem amplituden af ​​lydtrykket i mediet og amplituden af ​​vibrationshastigheden af ​​dets partikler. Jo større den akustiske modstand er, desto højere grad af kompression og sjældenhed af mediet ved en given amplitude af oscillation af mediets partikler. Numerisk findes mediets (Z) specifikke akustiske modstand som produktet af mediets massefylde ( ) og hastigheden (-erne) af udbredelse af lydbølger i det.

Specifik akustisk impedans måles i pascal sekunder pr. meter ( Pa s/m) eller dyn•s/cm³ (CGS); 1 Pa s/m = 10 −1 dyn • s/cm³.

Den specifikke akustiske impedans af et medium udtrykkes ofte i g/s cm², med 1 g/s cm² = 1 dyn·s/cm³. Mediets akustiske modstand bestemmes af absorption, brydning og refleksion af ultralydsbølger.

Lyd eller akustisk tryk i et medium er forskellen mellem den øjeblikkelige trykværdi på et givet punkt i mediet i nærvær af lydvibrationer og det statiske tryk på samme punkt i deres fravær. Med andre ord er lydtryk et variabelt tryk i mediet på grund af akustiske vibrationer. Den maksimale værdi af det variable akustiske tryk (trykamplitude) kan beregnes ud fra partikeloscillationsamplituden:

hvor P er det maksimale akustiske tryk (trykamplitude);

Ved en afstand af en halv bølgelængde (λ/2) ændres lydtrykværdien fra positiv til negativ. Trykforskellen på to punkter med dens maksimale og minimale værdier (adskilt fra hinanden med λ/2 langs bølgeudbredelsesretningen) er lig med 2Р.

Pascal (Pa) bruges til at udtrykke lydtryk i SI- enheder , svarende til et tryk på en newton pr. kvadratmeter (N/m²). Lydtrykket i CGS-systemet måles i dyn/cm²; 1 dyn/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². Sammen med de angivne enheder bruges ofte ikke-systemiske trykenheder - atmosfære (atm) og teknisk atmosfære (at), mens 1 ved = 0,98⋅10 6 dyn / cm² = 0,98⋅10 5 N / m². Nogle gange bruges en enhed kaldet en bar eller mikrobar (akustisk bar); 1 bar = 106 dyn/cm².

Det tryk, der udøves på mediets partikler under bølgeudbredelsen, er resultatet af virkningen af ​​elastiske og inertikræfter. Sidstnævnte er forårsaget af accelerationer , hvis størrelse også vokser over en periode fra nul til et maksimum (amplitudeværdi af acceleration). Derudover skifter accelerationen i løbet af perioden fortegn.

De maksimale værdier for acceleration og tryk, der opstår i mediet under passagen af ​​ultralydsbølger i det, falder ikke sammen i tid for en given partikel. I det øjeblik, hvor accelerationsforskellen når sit maksimum, bliver trykforskellen lig med nul. Amplitudeværdien af ​​acceleration (a) bestemmes af udtrykket:

Hvis vandrende ultralydsbølger kolliderer med en forhindring, oplever den ikke kun et variabelt tryk, men også et konstant. Områderne med fortykkelse og forsløring af mediet, der opstår under passagen af ​​ultralydsbølger, skaber yderligere trykændringer i mediet i forhold til det ydre tryk, der omgiver det. Dette ekstra ydre tryk kaldes strålingstryk (strålingstryk). Det er grunden til, at når ultralydsbølger passerer gennem grænsen af ​​en væske med luft, dannes fontæner af væske, og individuelle dråber løsnes fra overfladen. Denne mekanisme har fundet anvendelse i dannelsen af ​​aerosoler af medicinske stoffer. Strålingstryk bruges ofte til at måle effekten af ​​ultralydsvibrationer i specielle målere - ultralydsskalaer.

I flydende og gasformige medier, hvor der ikke er væsentlige udsving i tætheden, er akustiske bølger af langsgående karakter, det vil sige, at retningen af ​​partikeloscillationen falder sammen med bølgens bevægelsesretning. I faste stoffer forekommer der udover langsgående deformationer også elastiske forskydningsdeformationer, som forårsager excitation af tværgående (shear) bølger; i dette tilfælde svinger partiklerne vinkelret på bølgeudbredelsesretningen ( tværbølge ). Udbredelseshastigheden af ​​langsgående bølger er meget større end forskydningsbølgernes udbredelseshastighed.

I kommunikationsmidlernes filosofi, psykologi og økologi studeres lyd i forbindelse med dens indvirkning på perception og tænkning (vi taler f.eks. om det akustiske rum som et rum skabt ved påvirkning af elektroniske kommunikationsmidler).

Fysiske parametre for lyd

Spektrum af lyd

Spektret refererer til frekvensfordelingen af ​​lydenergi , det vil sige en funktion, der viser den relative repræsentation af forskellige frekvenser i den undersøgte lyd. Hvis denne fordeling er diskret, skrives den som summen af ​​deltafunktioner af formen ; i et sådant tilfælde kan der gives en liste over de tilstedeværende frekvenser med deres bidrag til den samlede intensitet: og så videre.

I forhold til musikalske lyde bruges i stedet for ordet "spektrum" begrebet " klang " i samme betydning.

Lydintensitet

Intensiteten (styrken) af lyd  er en skalær fysisk størrelse, der karakteriserer den kraft, der overføres i retning af lydudbredelse. Tager hensyn til hele frekvensområdet, nemlig . Skelne mellem øjeblikkelig, det vil sige på et givet tidspunkt , og intensitet i gennemsnit over en vis periode .

Lydvarighed

Varigheden af ​​en lyd  er den samlede varighed af oscillationer af en kilde til elastiske bølger i sekunder eller, i musik, i enheder af musikalsk rytme (se varighed (musik) ).

Lydens hastighed

Lydens  hastighed er lydbølgernes udbredelseshastighed i et medium.

Som regel er lydens hastighed i gasser mindre end i væsker .

Lydens hastighed i luft afhænger af temperaturen og er under normale forhold cirka 340 m/s.

Lydens hastighed i ethvert medie beregnes med formlen:

,

hvor  er mediets adiabatiske kompressibilitet ;  - massefylde.

Lydstyrke

Lydens styrke  er den subjektive opfattelse af lydens styrke (den absolutte værdi af den auditive fornemmelse). Lydstyrken afhænger hovedsageligt af lydtryk , amplitude og frekvens af lydvibrationer. Lydens volumen er også påvirket af dens spektrale sammensætning, lokalisering i rummet, klang, varigheden af ​​eksponering for lydvibrationer, individuelle følsomhed af den menneskelige auditive analysator og andre faktorer [3] [4] .

Lydgenerering

Normalt bruges oscillerende legemer af forskellig art til at generere lyd, hvilket forårsager vibrationer i den omgivende luft. Et eksempel på en sådan generation ville være brugen af ​​stemmebånd , højttalere eller en stemmegaffel . De fleste musikinstrumenter er baseret på samme princip. En undtagelse er blæseinstrumenter , hvor lyden genereres på grund af luftstrømmens interaktion med heterogeniteter i instrumentet. De såkaldte lyd- eller fononlasere bruges til at skabe sammenhængende lyd [5] .

Lydgeneratorer bruges i teknologi .

Ultralyd

Ultralyd - elastiske lydvibrationer af høj frekvens . Det menneskelige øre opfatter elastiske bølger, der forplanter sig i mediet med en frekvens på op til ca. 16 Hz-20 kHz ; vibrationer med en højere frekvens repræsenterer ultralyd (ud over hørelse). Ultralydsdiagnostik er baseret på fænomenet refleksion .

Absorption af ultralydsbølger

Da mediet, hvori ultralyd udbredes, har viskositet, termisk ledningsevne og andre årsager til intern friktion, sker absorption under bølgeudbredelse , det vil sige, når afstanden fra kilden øges, bliver amplituden og energien af ​​ultralydsvibrationer mindre. Mediet, hvori ultralyd forplanter sig, interagerer med energien, der passerer gennem det, og absorberer en del af det. Den overvejende del af den absorberede energi omdannes til varme, en mindre del forårsager irreversible strukturelle ændringer i det transmitterende stof.

Under dybden af ​​penetration af ultralyd forstå den dybde, hvor intensiteten er halveret. Denne værdi er omvendt proportional med absorption: Jo stærkere mediet absorberer ultralyd, jo mindre er afstanden, hvor intensiteten af ​​ultralyd dæmpes med det halve.

Hvis der er inhomogeniteter i mediet, så opstår der lydspredning, som væsentligt kan ændre det simple billede af ultralydsudbredelse og i sidste ende også få bølgen til at dæmpe i den oprindelige udbredelsesretning.

Ved grænsefladen mellem medier (f.eks. epidermis - dermis - fascia - muskel) vil brydning af ultralydsbølger blive observeret.

Rejsende og stående ultralydsbølger

Hvis de under udbredelsen af ​​ultralydsbølger i mediet ikke reflekteres, dannes der vandrende bølger . Som et resultat af energitab henfalder de oscillerende bevægelser af mediets partikler gradvist, og jo længere partiklerne er placeret fra den udstrålende overflade, jo mindre er amplituden af ​​deres svingninger. Hvis der på banen for udbredelse af ultralydsbølger er væv med forskellige specifikke akustiske modstande, reflekteres ultralydsbølger til en vis grad fra grænseafsnittet. Superposition af indfaldende og reflekterede ultralydsbølger kan føre til stående bølger . For at stående bølger kan opstå, skal afstanden fra emitteroverfladen til den reflekterende overflade være et multiplum af halvdelen af ​​bølgelængden.

Infralyd

Infralyd (fra lat.  infra  - under, under) - lydvibrationer, der har frekvenser lavere end dem, som det menneskelige øre opfatter. For den øvre grænse for frekvensområdet for infralyd tager normalt 16-25 Hz. Den nedre grænse for infralydområdet er konventionelt defineret som 0,001  Hz . Af praktisk interesse kan svingninger fra tiendedele og endda hundrededele af en hertz være, det vil sige med perioder på ti sekunder.

Da arten af ​​forekomsten af ​​infralydsvibrationer er den samme som for en hørbar lyd, adlyder infralyd de samme love, og det samme matematiske apparat bruges til at beskrive det som for almindelig hørbar lyd (undtagen begreber relateret til lydniveauet) . Infralyd absorberes svagt af mediet, så det kan forplante sig over betydelige afstande fra kilden. På grund af den meget lange bølgelængde er diffraktion udtalt .

Infralyd genereret i havet kaldes en af ​​de mulige årsager til at finde skibe forladt af besætningen [6] .

Eksperimenter og demonstrationer

Rubens-røret bruges til at demonstrere stående lydbølger .

Forskellen i lydudbredelseshastighederne er tydelig, når helium inhaleres i stedet for luft, og de siger noget og udånder det - stemmen bliver højere. Hvis gassen er svovlhexafluorid SF 6 , så lyder stemmen lavere [7] . Dette skyldes det faktum, at gasser er omtrent lige komprimerbare, derfor er der i helium, som har en meget lav densitet, sammenlignet med luft, en stigning i lydens hastighed og et fald i svovlhexafluorid med en meget høj densitet for gasser, mens dimensionerne af den menneskelige orale resonator forbliver uændrede, og som et resultat heraf ændres resonansfrekvensen, da jo højere lydhastigheden er, jo højere er resonansfrekvensen under andre uændrede forhold.

Lydens hastighed i vand kan visualiseres i oplevelsen af ​​lysdiffraktion ved ultralyd i vand . I vand, sammenlignet med luft, er lydens hastighed højere, da selv med en væsentlig højere tæthed af vand (hvilket skulle føre til et fald i lydens hastighed), er vand så dårligt komprimerbart, at hastigheden som følge heraf af lyd i det er stadig flere gange over.

I 2014 blev der præsenteret en installation, der løfter centimeterobjekter med lydbølger [8] .

Se også

Noter

  1. ↑ I. P. Golyamina. Lyd // Fysisk encyklopædi  : [i 5 bind] / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Soviet Encyclopedia (bd. 1-2); Great Russian Encyclopedia (bd. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
  2. ↑ Rygte - generel information (utilgængeligt link) . Hentet 25. august 2010. Arkiveret fra originalen 12. januar 2013. 
  3. ↑ Sound Engineer Archive, 2000, #8 Arkiveret 27. februar 2007 på Wayback Machine
  4. ↑ Arkiv for magasinet "Sound Engineer", 2000, #9 Arkiveret den 27. februar 2007.
  5. ↑ Jacob B. Khurgin. Phonon-lasere får et solidt fundament   // Fysik . - 2010. - Bd. 3 . — S. 16 .
  6. ↑ Mezentsev V. A. I mystikens blindgyder. Moskva: Moskva-arbejder , 1987.
  7. ↑ Demonstration af svovlhexafluorid-stemmeændring på YouTube
  8. ↑ Akustisk "power beam" tiltrækker objekter på afstand Arkiveret 17. maj 2014 på Wayback Machine // Popular Mechanics

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier