Звуковые колебания и волны

Звук — физическое явление, представляющее собой восприятие механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые по отношению к тому, как они воспринимаются органами чувств животных и человека.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек осознаёт колебания, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком.

 

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

 

Колебательная скорость измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).

Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через  , то:

Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания  :

 

Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:

где Р — максимальное акустическое давление (амплитуда давления);

• f — частота;
• с — скорость распространения ультразвука;
•  — плотность среды;
• А — амплитуда колебания частиц среды.

На расстоянии в половину длины волны (λ/2) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на λ/2 пути распространения волны, равна 2Р.

Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/м²).

 

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы.

Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды колебаний при совпадении частот вынуждающей силы (внешней) с собственной частотой колебаний системы.

 

Скорость звука — скорость распространения звуковых волн в среде.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах, что связано в основном с убыванием сжимаемости веществ в этих фазовых состояниях соответственно.

Она также связана с температурой, но в различных агрегатных состояниях по-разному. Так, скорость звука в газах и парах увеличивается с повышением температуры, а в большинстве жидкостей, наоборот,  уменьшается. Вода является одним из немногих исключений: от 0 °С до 74 °С скорость звука в ней растет от 1403 м/с до 1555 м/с, а затем падает до 1543 м/с при 100 °С.

В среднем в идеальных условиях в воздухе скорость звука составляет 340—344 м/с

 

Громкость – это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком.

Гро́мкость зву́ка — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний, индивидуальная чувствительность слухового анализатора человека и другие факторы

 

Законы распространения звука.

 

К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.

На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.

От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.

Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.

Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу – угол отражения равен углу падения – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.

Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.

 

 

Микрофоны

Микрофон является единственным средством для первичного преобразования звуковых сигналов в электрические, в профессиональных аудио и видеостудиях.

Конечно, там применяются дорогие микрофоны, которые очень редко доступны обычным пользователям бытовой радиоэлектроники. Однако уровень развития бытовых микрофонов достаточно высок, и последние выпускаются на все случаи жизни.

Энергия звуковых колебаний довольно мала, поэтому колебания мембраны микрофонов незначительны, что позволяет легко добиться очень малых нелинейных искажений. Зато получение малых линейных искажений (плоской АЧХ в широком диапазоне частот) —большая техническая проблема при разработке бытовых микрофонов.

Микрофоны массового назначения по конструкции делятся на несколько типов:

- угольный микрофон

- динамические микрофоны;

- ленточные микрофоны:

- конденсаторные микрофоны;

- электретные. или пьезоэлектрические, микрофоны.

Угольный микрофон - необратимый активный акустоэлектрический преобразователь. Принцип действия основан на свойстве угольного порошка изменять сопротивление электрическому току в зависимости от его плотности, изменяющейся под действием звуковых колебаний воздушной среды. Устройство угольного микрофона и схема его включения в электрическую цепь показаны на Рис. 1. Основными элементами микрофона являются подвижный и неподвижный электроды, подключенные к электрической цепи, и угольный порошок, заполняющий пространство между электродами. Подвижный электрод жестко связан с мембраной, воспринимающей колебания окружающего слоя воздуха. Элементы микрофона помещены в общий корпус, изготовленный из токонепроводящего материала. Звуковые колебания воздуха приводят к соответствующим колебаниям мембраны. Вместе с мембраной колеблется, совершая горизонтальные движения, подвижный электрод, изменяющий плотность угольного порошка. При увеличении плотности порошка его сопротивление электрическому току уменьшается, а при уменьшении - увеличивается. Следовательно, ток в цепи будет изменяться прямо пропорционально изменению звукового давления

Наиболее распространены динамические микрофоны. Конструктивно они выполнены в виде катушки, размещенной в магнитном зазоре сильного постоянного магнита. Катушка обычно прикреплена к легкой и подвижной мембране, воспринимающей колебания воздуха, преобразующей их в механические колебания и передающей последние катушке. Движение катушки в сильном магнитном поле создает на ее зажимах ЭДС самоиндукции.

Ленточные микрофоны имеют проводящую мембрану в виде тончайшей металлической или металлизированной ленты, также находящейся в поле сильного магнита. Мембрана (она же и катушка) в виде ленты имеет слабые резонансные свойства и может чувствовать звуковые волны в очень широком диапазоне их частот. Поэтому микрофоны этого типа популярны при студийных записях. Однако ЭДС. создаваемая на концах ленты, очень мала: в конце концов, лента — это даже не один виток катушки, э лишь часть витка. Сигналы таких микрофонов нуждаются в большем усилении, что ведет к усложнению борьбы с шумами и наводками в усилителях.

Конденсаторный микрофон основан на известном явлении - появлении ЭДС на обкладках конденсатора при их механическом перемещении в электрическом поле. Как и ленточный микрофон, конденсаторный имеет обкладку в виде ленты и поэтому может воспринимать звуковые колебания в широком диапазоне частот. Однако ЭДС конденсаторного микрофона может быть заметно большей, но при условии нагрузки на усилитель с большим входным сопротивлением. Конденсаторные микрофоны сейчас используются в основном как студийные.

Представляет собой конденсатор, одна из обкладок которого выполнена из эластичного материала (обычно — полимерная плёнка с нанесённой металлизацией), при звуковых колебаниях вибрации эластичной обкладки изменяют ёмкость конденсатора. Если конденсатор заряжен, то изменение ёмкости конденсатора приводит к возникновению токов заряда, которые и являются полезным сигналом, поступающим с микрофона на усилитель. Для работы такого микрофона между обкладками должно быть приложено поляризующее напряжение, 60-80 вольт в более старых микрофонах, а в моделях после 1960—1970-х годов — 48 вольт. Такое напряжение питания считается стандартом, именно с таким фантомным питаниемвыпускаются предусилители и звуковые карты. Конденсаторный микрофон имеет очень высокое выходное сопротивление. В связи с этим, в непосредственной близости к микрофону (внутри его корпуса) располагают предусилитель с высоким (порядка 1 ГОм) входным сопротивлением, выполненный на электронной лампе или полевом транзисторе. Как правило, напряжение для поляризации и питания предусилителя подаётся по сигнальным проводам (фантомное питание).

Электретный конденсаторный, или пьезоэлектрический, микрофон — подлинная находка для простых бытовых аудиоустройств. В нем мембрана связана с конденсатором из диэлектрика с пьезоэлектрическим эффектом. Когда он получает механические колебания. на его зажимах возникает ЭДС (прямой пьезоэфект). Порою, она доходит до допей вольта, что требует малого усиления. Правда. как и у конденсаторного микрофона, усилитель должен обладать высоким входным сопротивлением хотя бы в сотни кОм. В принципе, качество электретных микрофонов обычно похуже, чем у динамических или ленточных, но многие фирмы выпускают вполне приличные микрофоны этого класса с полосой частот от 50 Гц до 15-18 кГц.

Устройство пьезоэлектрического микрофона: 
1  — мембрана; 2 — выходные контакты; 3 — пьезоэлектрическая пластина; 4 — игла

Вне зависимости от конструкции микрофона он характеризуется следующими основными параметрами и характеристиками:

- чувствительностью: