Звук - Sound

Барабан издает звук за счет вибрации мембрана.

В физика, звук это вибрация который распространяется как акустическая волна через среда передачи такой как газ, жидкость или твердое тело.

В человеческом физиология и психология, звук прием таких волн и их восприятие посредством мозг.^[1] Только акустические волны, частоты лежащий между 20 Гц и 20 кГц, звуковая частота диапазона, вызывают у людей слуховое восприятие. В воздухе при атмосферном давлении они представляют собой звуковые волны с длины волн от 17 метров (56 футов) до 1,7 см (0,67 дюйма). Звуковые волны выше 20кГц известны как УЗИ и не слышны людям. Звуковые волны ниже 20 Гц известны как инфразвук. Различные виды животных имеют разные диапазон слышимости.

Акустика

Акустика - это междисциплинарная наука, которая занимается изучением механических волн в газах, жидкостях и твердых телах, включая вибрацию, звук, ультразвук и инфразвук. Ученый, работающий в области акустика является акустик, в то время как кто-то работает в сфере акустическая инженерия можно назвать инженер-акустик.^[2] An звукорежиссер, с другой стороны, занимается записью, обработкой, микшированием и воспроизведением звука.

Применение акустики можно найти практически во всех сферах жизни современного общества, включая дисциплины: аэроакустика, обработка аудиосигнала, архитектурная акустика, биоакустика, электроакустика, окружающий шум, музыкальная акустика, контроль шума, психоакустика, речь, УЗИ, подводная акустика, и вибрация.^[3]

Определение

Звук определяется как "(а) Колебание в давлении, напряжении, смещении частицы, скорости частицы и т. д., распространяемых в среде с внутренними силами (например, упругими или вязкими), или наложением таких распространяющихся колебаний. (б) Слуховое ощущение, вызванное колебанием, описанным в пункте (а) ".^[4] Звук можно рассматривать как волновое движение в воздухе или другой упругой среде. В этом случае звук является стимулом. Звук также можно рассматривать как возбуждение слухового аппарата, которое приводит к восприятию звука. В этом случае звук - это ощущение.

Физика звука

Воспроизвести медиа

Экспериментируйте с двумя камертоны колеблющийся обычно в то же время частота. По одной из вилок бьют прорезиненным молотком. Хотя удар был нанесен только по первому камертону, вторая вилка явно возбуждается из-за колебаний, вызванных периодическим изменением давления и плотности воздуха при ударе по другой вилке, создавая акустический резонанс между вилками. Однако, если мы поместим кусок металла на зубец, мы увидим, что эффект ослабляется, а возбуждение становится все менее и менее выраженным, поскольку резонанс достигается не так эффективно.

Звук может распространяться через такие среды, как воздух, вода и твердые тела, например продольные волны а также как поперечная волна в твердые вещества (видеть Продольные и поперечные волны, ниже). Звуковые волны генерируются источником звука, например вибрирующим диафрагма стереодинамика. Источник звука создает колебания в окружающей среде. Поскольку источник продолжает колебать среду, колебания распространяются от источника в скорость звука, образуя звуковую волну. На фиксированном расстоянии от источника давление, скорость, и смещение среды меняются во времени. В определенный момент времени давление, скорость и смещение меняются в пространстве. Обратите внимание, что частицы среды не движутся со звуковой волной. Это интуитивно очевидно для твердого тела, и то же самое верно для жидкостей и газов (то есть колебания частиц в газе или жидкости переносят колебания, в то время как средний положение частиц со временем не меняется). Во время распространения волны могут быть отраженный, преломленный, или же ослабленный средой.^[5]

На характер распространения звука обычно влияют три вещи:

• Сложные отношения между плотность и давление среды. Это соотношение, на которое влияет температура, определяет скорость звука в среде.
• Движение самой среды. Если среда движется, это движение может увеличивать или уменьшать абсолютную скорость звуковой волны в зависимости от направления движения. Например, звук, движущийся через ветер, будет иметь скорость распространения, увеличивающуюся со скоростью ветра, если звук и ветер движутся в одном направлении. Если звук и ветер движутся в противоположных направлениях, скорость звуковой волны будет уменьшена на скорость ветра.
• Вязкость среды. Середина вязкость определяет скорость ослабления звука. Для многих сред, таких как воздух или вода, затухание из-за вязкости незначительно.

Когда звук движется через среду, не имеющую постоянных физических свойств, он может быть преломленный (рассеянный или сосредоточенный).^[5]

Сферические волны сжатия (продольные)

Механические колебания, которые можно интерпретировать как звук, могут проходить через все формы материи: газы, жидкости, твердые вещества и плазма. Материал, поддерживающий звук, называется средний. Звук не может проходить через вакуум.^[6][7]

Продольные и поперечные волны

Звук передается через газы, плазму и жидкости как продольные волны, также называемый сжатие волны. Для размножения требуется среда. Однако через твердые тела он может передаваться как в виде продольных волн, так и в виде поперечные волны. Продольные звуковые волны - это волны переменного давление отклонения от равновесие давление, вызывая местные районы сжатие и разрежение, пока поперечные волны (в твердых телах) - это волны переменного напряжение сдвига под прямым углом к ​​направлению распространения.

Звуковые волны можно «рассматривать» с помощью параболических зеркал и объектов, издающих звук.^[8]

Энергия, переносимая колеблющейся звуковой волной, преобразуется туда и обратно между потенциальной энергией дополнительных сжатие (в случае продольных волн) или поперечного смещения напряжение (в случае поперечных волн) вещества, и кинетическая энергия скорости перемещения частиц среды.

Продольная плоская волна.

Поперечная плоская волна.

Продольная и поперечная плоская волна.

Свойства и характеристики звуковой волны

График «давление во времени» для 20-миллисекундной записи звука кларнета демонстрирует два основных элемента звука: давление и время.

Звуки можно представить как смесь их составляющих. Синусоидальные волны разных частот. Нижние волны имеют более высокие частоты, чем указанные выше. Горизонтальная ось представляет время.

Хотя существует много сложностей, связанных с передачей звуков, в точке приема (то есть в ушах) звук легко разделить на два простых элемента: давление и время. Эти фундаментальные элементы составляют основу всех звуковых волн. Их можно использовать для абсолютного описания каждого звука, который мы слышим.

Для более полного понимания звука сложная волна, такая как показанная на синем фоне справа от текста, обычно разделяется на составные части, которые представляют собой комбинацию различных частот звуковых волн (и шума).^[9][10][11]

Звук волны часто упрощаются до описания с точки зрения синусоидальный плоские волны, которые характеризуются следующими общими свойствами:

• Частота, или его обратное, длина волны
• Амплитуда, звуковое давление или же Интенсивность
• Скорость звука
• Направление

Звуки, воспринимаемые людьми, имеют частоты от 20 до 20 000 Гц. В воздухе в стандартная температура и давление соответствующие длины звуковых волн находятся в диапазоне от 17 м (56 футов) до 17 мм (0,67 дюйма). Иногда скорость и направление сочетаются как скорость вектор; волновое число и направление объединены как волновой вектор.

Поперечные волны, также известный как срезать волны, обладают дополнительным свойством, поляризация, и не являются характеристикой звуковых волн.

Скорость звука

ВМС США F / A-18 приближается к скорости звука. Белый ореол образован каплями конденсированной воды, которые, как считается, являются результатом падения давления воздуха вокруг самолета (см. Особенность Прандтля – Глауэрта. ).^[12]

Скорость звука зависит от среды, через которую проходят волны, и является фундаментальным свойством материала. Первое значительное усилие по измерению скорости звука было сделано Исаак Ньютон. Он считал, что скорость звука в определенном веществе равна квадратному корню из действующего на него давления, деленного на его плотность:

${ displaystyle c = { sqrt { frac {p} { rho}}}.}$

Позже это оказалось неверным, и французский математик Лаплас исправил формулу, сделав вывод, что явление распространения звука не изотермическое, как полагал Ньютон, а адиабатический. Он добавил еще один фактор к уравнению -гамма - и приумножил${ displaystyle { sqrt { gamma}}}$к${ displaystyle { sqrt {p / rho}}}$, таким образом, придя к уравнению${ displaystyle c = { sqrt { gamma cdot p / rho}}}$.С${ Displaystyle К = гамма cdot p}$, окончательное уравнение оказалось${ displaystyle c = { sqrt {K / rho}}}$, которое также известно как уравнение Ньютона – Лапласа. В этом уравнении K - модуль объемной упругости, c - скорость звука, а ${ displaystyle rho}$ это плотность. Таким образом, скорость звука пропорциональна квадратный корень из соотношение из объемный модуль среды до ее плотности.

Эти физические свойства и скорость звука меняются в зависимости от условий окружающей среды. Например, скорость звука в газах зависит от температуры. При температуре воздуха 20 ° C (68 ° F) на уровне моря скорость звука составляет примерно 343 м / с (1230 км / ч; 767 миль / ч) по формуле v [м / с] = 331 + 0,6Т [° C]. Скорость звука также немного чувствительна и подвержена влиянию второго порядка. ангармонический на амплитуду звука, что означает наличие нелинейных эффектов распространения, таких как создание гармоник и смешанных тонов, отсутствующих в исходном звуке (см. параметрический массив ). Если релятивистский эффекты важны, скорость звука рассчитывается из релятивистские уравнения Эйлера.

В пресной воде скорость звука составляет примерно 1482 м / с (5335 км / ч; 3315 миль / ч). В стали скорость звука составляет около 5 960 м / с (21 460 км / ч; 13 330 миль / ч). Звук движется быстрее всего в твердом атомарном водороде со скоростью около 36 000 м / с (129 600 км / ч; 80 530 миль в час).^[13][14]

Восприятие звука

Различное использование термина звук от его использования в физике есть то, что в физиологии и психологии, где термин относится к предмету восприятие мозгом. Поле психоакустика посвящен таким исследованиям. Словарь Вебстера 1936 года определил звук как: «1. Ощущение слуха, то, что слышно; конкретное: а. Психофизика. Ощущение, вызванное раздражением слуховых нервов и слуховых центров мозга, обычно вибрациями, передаваемыми в материальной среде. , обычно воздух, воздействующий на орган слуха. б. Физика. Колебательная энергия, вызывающая такое ощущение. Звук распространяется прогрессирующими продольными колебательными возмущениями (звуковыми волнами) ». ^[15] Это означает, что правильный ответ на вопрос: "если дерево падает в лесу, и никто не слышит, как оно падает, издает ли оно звук? "есть" да "и" нет ", в зависимости от того, используется ли ответ с помощью физического или психофизического определения, соответственно.

Физический прием звука в любом слышащем организме ограничен диапазоном частот. Обычно люди слышат звуковые частоты примерно между 20Гц и 20000 Гц (20кГц ),^[16]:382 Верхний предел уменьшается с возрастом.^[16]:249 Иногда звук относится только к тем вибрациям с частоты которые находятся в пределах диапазон слышимости для людей^[17] или иногда это относится к конкретному животному. У других видов другой диапазон слуха. Например, собаки могут воспринимать вибрации выше 20 кГц.

Как сигнал, воспринимаемый одним из основных чувства, звук используется многими видами для обнаружение опасности, навигация, хищничество, и общение. Земли атмосфера, воды, и практически любой физическое явление, например огонь, дождь, ветер, серфить, или землетрясение, производит (и характеризуется) свои уникальные звуки. Многие виды, такие как лягушки, птицы, морской и земной млекопитающие, также разработали специальные органы производить звук. У некоторых видов они производят песня и речь. Кроме того, люди разработали культуру и технологии (такие как музыка, телефон и радио), которые позволяют им генерировать, записывать, передавать и транслировать звук.

Шум это термин, который часто используется для обозначения нежелательного звука. В науке и технике шум является нежелательным компонентом, заслоняющим полезный сигнал. Однако при восприятии звука его часто можно использовать для идентификации источника звука и он является важным компонентом восприятия тембра (см. Выше).

Звуковой пейзаж - это компонент акустической среды, который может восприниматься человеком. Акустическая среда - это комбинация всех звуков (слышимых людям или нет) в данной области, измененных окружающей средой и понятых людям в контексте окружающей среды.

Исторически существует шесть экспериментально разделимых способов анализа звуковых волн. Они есть: подача, продолжительность, громкость, тембр, звуковая текстура и пространственное расположение.^[18] Некоторые из этих терминов имеют стандартизированное определение (например, в Акустической терминологии ANSI ANSI / ASA S1.1-2013 ). Более поздние подходы также учитывали временная оболочка и временная тонкая структура как релевантные для восприятия анализы.^[19][20][21]

Подача

Рисунок 1. Восприятие высоты звука

Подача воспринимается как «низкий» или «высокий» звук и представляет собой циклическую, повторяющуюся природу вибраций, из которых состоит звук. Для простых звуков высота звука связана с частотой самой медленной вибрации звука (называемой основной гармоникой). В случае сложных звуков восприятие высоты тона может варьироваться. Иногда люди определяют разные высоты звука для одного и того же звука, основываясь на своем личном опыте использования определенных звуковых паттернов. Выбор определенной высоты звука определяется предварительным осознанием вибраций, включая их частоты и баланс между ними. Особое внимание уделяется распознаванию потенциальных гармоник.^[22][23] Каждый звук помещен в континуум высоты тона от низкого до высокого. Например: белый шум (случайный шум, равномерно распределенный по всем частотам) звучит выше по высоте, чем розовый шум (случайный шум равномерно распространяется по октавам), поскольку белый шум имеет более высокочастотное содержание. На рисунке 1 показан пример распознавания высоты тона. В процессе прослушивания каждый звук анализируется на предмет повторяемости (см. Рис. 1: оранжевые стрелки), а результаты передаются в слуховую кору в виде одного тона определенной высоты (октавы) и цветности (название ноты).

Продолжительность

Рисунок 2. Восприятие длительности

Продолжительность воспринимается как «длинный» или «короткий» звук и относится к сигналам начала и смещения, создаваемым реакциями нервов на звуки. Продолжительность звука обычно длится с момента, когда звук впервые замечается, до тех пор, пока звук не будет идентифицирован как изменившийся или прекратившийся.^[24] Иногда это не связано напрямую с физической продолжительностью звука. Например; в шумной среде прерывистые звуки (звуки, которые останавливаются и начинаются) могут звучать так, как если бы они были непрерывными, поскольку сообщения о смещении пропускаются из-за помех из-за шумов в той же общей полосе пропускания.^[25] Это может быть большим преимуществом для понимания искаженных сообщений, таких как радиосигналы, которые страдают от помех, поскольку (из-за этого эффекта) сообщение слышно, как если бы оно было непрерывным. На рисунке 2 приведен пример определения продолжительности. Когда замечается новый звук (см. Рисунок 2, Зеленые стрелки), в слуховую кору отправляется сообщение о начале звука. Если повторяющийся шаблон пропущен, отправляется звуковое сообщение смещения.

Громкость

Рисунок 3. Восприятие громкости

Громкость воспринимается как «громкий» или «мягкий» звук и относится к общему количеству стимуляций слухового нерва за короткие циклические периоды времени, наиболее вероятно за время циклов тета-волн.^[26][27][28] Это означает, что при небольшой продолжительности очень короткий звук может звучать мягче, чем более длинный звук, даже если они представлены с одинаковым уровнем интенсивности. По прошествии примерно 200 мс это уже не так, и продолжительность звука больше не влияет на кажущуюся громкость звука. На рисунке 3 показано, как информация о громкости суммируется за период около 200 мс перед отправкой в ​​слуховую кору. Более громкие сигналы создают больший «толчок» на базилярной мембране и, таким образом, стимулируют больше нервов, создавая более сильный сигнал громкости. Более сложный сигнал также вызывает больше нервных импульсов и поэтому звучит громче (при той же амплитуде волны), чем более простой звук, такой как синусоидальная волна.

Тембр

Рисунок 4. Восприятие тембра

Тембр воспринимается как качество различных звуков (например, стук упавшего камня, шум дрели, тон музыкального инструмента или качество голоса) и представляет собой предсознательное присвоение звуковой идентичности звуку (например, «это гобой!»). Эта идентичность основана на информации, полученной из частотных переходных процессов, шума, нестабильности, воспринимаемой высоты звука, а также распространения и интенсивности обертонов в звуке в течение длительного периода времени.^[9][10][11] То, как звук меняется с течением времени (см. Рисунок 4), предоставляет большую часть информации для идентификации тембра. Несмотря на то, что небольшая часть формы волны каждого инструмента выглядит очень похожей (см. Расширенные части, обозначенные оранжевыми стрелками на рисунке 4), различия во времени между кларнетом и фортепиано очевидны как в громкости, так и в гармоническом содержании. Менее заметны различные слышимые шумы, такие как шипение воздуха для кларнета и удары молотка для фортепиано.

Звуковая текстура

Звуковая текстура относится к количеству источников звука и взаимодействию между ними.^[29][30] Слово «текстура» в этом контексте относится к когнитивному разделению слуховых объектов.^[31] В музыке текстуру часто называют разницей между унисон, полифония и гомофония, но это также может относиться (например) к оживленному кафе; звук, который можно было бы назватькакофония '. Однако текстура относится к большему, чем это. Фактура оркестровой пьесы сильно отличается от текстуры медного квинтета из-за разного количества исполнителей. Фактура рыночной площади сильно отличается от школьного зала из-за различий в различных источниках звука.

Пространственное расположение

Пространственное положение (см .: Звуковая локализация ) представляет когнитивное размещение звука в контексте окружающей среды; включая размещение звука как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, расстояние от источника звука и характеристики звуковой среды.^[31][32] В толстой текстуре можно идентифицировать несколько источников звука, используя комбинацию пространственного местоположения и идентификации тембра. Это основная причина, по которой мы можем выбрать звук гобоя в оркестре и слова одного человека на коктейльной вечеринке.

Уровень звукового давления

Звуковое давление представляет собой разницу в данной среде между средним локальным давлением и давлением в звуковой волне. Квадрат этой разницы (т. Е. Квадрат отклонения от равновесного давления) обычно усредняется по времени и / или пространству, а квадратный корень из этого среднего дает среднеквадратическое значение (RMS) значение. Например, 1 Па Среднеквадратичное звуковое давление (94 дБУЗД) в атмосферном воздухе означает, что фактическое давление в звуковой волне колеблется в пределах (1 атм. ${ displaystyle - { sqrt {2}}}$ Па) и (1 атм ${ displaystyle + { sqrt {2}}}$ Па), то есть от 101323,6 до 101326,4 Па. Поскольку человеческое ухо может улавливать звуки с широким диапазоном амплитуд, звуковое давление часто измеряется как уровень по логарифмической шкале. децибел шкала. В уровень звукового давления (SPL) или L_п определяется как

${ Displaystyle L _ { mathrm {p}} = 10 , log _ {10} left ({ frac {{p} ^ {2}} {{p _ { mathrm {ref}}} ^ {2 }}} right) = 20 , log _ {10} left ({ frac {p} {p _ { mathrm {ref}}}} right) { mbox {dB}} ,}$

куда п это среднеквадратичный звуковое давление и ${ displaystyle p _ { mathrm {ref}}}$ является эталонным звуковым давлением. Обычно используемые эталонные звуковые давления, определенные в стандарте ANSI S1.1-1994, 20 лет мкПа в воздухе и 1 мкПа в воде. Без указанного эталонного звукового давления значение, выраженное в децибелах, не может представлять уровень звукового давления.

Поскольку человеческое ухо не имеет плоского спектральный отклик, звуковое давление часто частота взвешиваются так, чтобы измеренный уровень более точно соответствовал воспринимаемым уровням. В Международная электротехническая комиссия (IEC) определила несколько схем взвешивания. А-взвешивание попытки сопоставить реакцию человеческого уха на шум и уровни звукового давления, взвешенные по шкале А, помечены как дБА. С-взвешивание используется для измерения пиковых уровней.

УЗИ

Примерные диапазоны частот, соответствующие ультразвуку, с приблизительным указанием некоторых приложений

УЗИ это звуковые волны с частотами выше 20 000 Гц (или 20 кГц). Ультразвук не отличается от «нормального» (слышимого) звука по своим физическим свойствам, за исключением того, что люди не могут его слышать. Ультразвуковые устройства работают на частотах от 20 кГц до нескольких гигагерц.

Ультразвук обычно используется для медицинской диагностики, например: сонограммы.

Инфразвук

Инфразвук это звуковые волны с частотами ниже 20 Гц. Хотя звуки такой низкой частоты слишком низки для человеческого восприятия, киты, слоны и другие животные могут обнаруживать инфразвук и использовать его для общения. Его можно использовать для обнаружения извержений вулканов и использовать в некоторых музыкальных жанрах.^[33]

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

• Эрик Мак (20 мая 2019 г.). «Стэнфордские ученые создали настолько громкий звук, что вода мгновенно вскипает». CNET.
• Звучит потрясающе; учебный ресурс KS3 / 4 для звука и волн (использует Flash)
• Гиперфизика: звук и слух
• Введение в физику звука
• Кривые слуха и онлайн-тест слуха
• Аудио для 21 века
• Преобразование звуковых единиц и уровней
• Звуковые расчеты
• Проверка звука: бесплатная коллекция аудиотестов и тестовых сигналов, воспроизводимых в режиме онлайн.
• Больше удивительных звуков; учебный ресурс о звуковых волнах для шестиклассников