Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Гармоническое колебание и его характеристики

Характеристики слухового ощущения

В слуховом ощущении субъективно различаются высота, громкость и тембр звука. Эти характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны – частотой колебаний, интенсивностью волны и гармоническим спектром. Задачей системы звуковых измерений является установить эту связь и таким образом дать возможность при исследовании слуха людей единообразно сопоставлять субъективную оценку слухового ощущения с данными объективных измерений.

Частота колебаний звуковой волны оценивается ухом как высота звука. Чем больше частота колебаний, тем более высоким воспринимается звук. Для оценки высоты звука весь диапазон тонов, воспринимаемых ухом, разделен на интервалы, называемые октавами. Октава – это интервал высот тона, в котором отношение крайних частот равно двум:

 

 

Октава
Пределы частоты, Гц

 

Сложные тоны при одинаковой основной частоте могут отличаться по форме сигнала и соответственно по гармоническому спектру. Это отличие воспринимается ухом как тембр звука.

Громкость звука характеризует уровень слухового ощущения над его порогом. Громкость L зависит прежде всего от интенсивности I звука. Эта зависимость имеет сложный характер, обусловленный чувствительностью уха к действию звуковой волны. Чувствительность – это физиологическое свойство уха, однако она, в свою очередь зависит от физических характеристик звуковой волны: частоты колебаний и интенсивности волны (силы звука). Первое связано с самой природой звуковоспринимающего аппарата уха, второе является свойством, общим для всех органов чувств, и называется адаптацией к силе раздражения. Вследствие адаптации чувствительность уха изменяется в зависимости от силы раздражения, т. е. интенсивности звука: при повышении интенсивности звука чувствительность уха снижается, и наоборот.

Исследование (определение остроты) слуха называется аудиометрией. Обычно определяют точки кривой слышимости при различных частотах. Потеря слуха определяется как разность между полученными данными и нормой. График, показывающий эту разность в децибелах в зависимости от частоты колебаний, называется аудиограммой.

Аудиометрия производится с помощью аппарата, называемого аудиометром, основу которого представляет звуковой генератор с тонкой и независимой регулировкой частоты и уровня интенсивности звука во всем диапазоне звуковых частот.

Инфразвук и ультразвук.

Упругие колебания, распространяющиеся в среде в виде продольных волн, при частоте ниже 16 Гц называются инфразвуком. Как правило, инфразвук входит в состав различных шумов, как производственных, так и естественных, встречающихся в природе. В воздухе ИЗ быстро затухает, но хорошо передается по упругим средам и, в частности, по воде. Действие ИЗ на ткани организма (или на тело в целом) воспринимается тактильными и костно-мышечными нервными рецепторами, вызывая ощущение вибрации.

Вибрацией также называют инфразвуковые колебания, действующие на ткани организма при непосредственном контакте с источником колебаний. Источниками ИЗ или вибраций могут быть любые тела, колеблющиеся с соответствующей частотой, например, отбойный молоток, плохо сбалансированный станок, двигатель трактора и т. п. Вибрация оказывает вредное влияние на организм, называемое вибрационной болезнью.

Однако вибрация используется и с лечебной целью в виде лечебного массажа, для которого выпускаются специальные аппараты.

Упругие колебания и волны частотой свыше 20 кГц называются ультразвуком. УЗ низких частот (до 60-80 кГц) образуется органами некоторых животных (дельфины, летучие мыши), а также входит в состав природных и производственных шумов. УЗ более высоких частот получается от искусственных источников. Обычно это аппараты, в основе которых лежит генератор электрических колебаний соответствующей частоты.

Действие УЗ ускоряет некоторые химические реакции и процессы, например реакции окисления или полимеризации.

На комплексном действии механических, тепловых и химических факторов основано биологическое действие ультразвука, который может вызывать гибель вирусов, бактерий, грибков и т. п., а при значительной мощности даже и мелких животных. При незначительной мощности УЗ, например, повышает проницаемость клеточных мембран, активизирует процессы тканевого обмена и т. д.

Все это обуславливает весьма разнообразное применение УЗ, в частности в медицине.

УЗ применяется при исследовании труднодоступных внутренних органов, а также с целью обнаружения внутри тела патологических образований (в частности, опухолей в тканях головного мозга).

В хирургии узкий УЗ-луч достаточно высокой интенсивности, сфокусированный на небольшом участке ткани, применяется, для распиливания костей или образования в них отверстий, что происходит без вредных сопутствующих явлений (разрушение соседних тканей, вибрация, нагревание и т. п.), свойственных применению обычных металлических инструментов.

Значительным достижением в хирургии и травматологии является разработанный группой советских ученых способ соединения костей с помощью ультразвука. Весь процесс занимает несколько секунд. При этом образуется достаточно прочное соединение костей, не препятствующее образованию в дальнейшем естественной костной мозоли.

Воздействие ультразвуков частотой 800 кГц слабой интенсивности используется в физиотерапии с лечебной целью. Метод основан на том, что комплексное механическое и физико-химическое действие ультразвука на месте его приложения вызывает в организме сложную физиологическую реакцию, которая и обуславливает лечебный эффект при соответствующих заболеваниях.

Гармоническое колебание и его характеристики

Колебательным движением (колебанием) называется процесс, при котором система, многократно отклоняясь от своего состояния равновесия, каждый раз вновь возвращается к нему. Если этот возврат совершается через равные промежутки времени, то колебание называется периодическим. Наглядным примером колебания может служить движение часового маятника. Колебательные движения исключительно широко распространены в природе и технике. Вибрация натянутой струны, движение поршня дизеля и ножей косилки, суточные и годичные изменения температуры воздуха, морские

приливы и отливы, волнение водной поверхности, биение сердца, дыхание, тепловое движение ионов кристаллической решетки твердого тела, переменный ток и его электромагнитное поле, движение электронов в атоме

и т. д. — все это в конечном счете колебательные процессы. Несмотря на большое разнообразие колебательных процессов как по физической при-

природе, так и по степени сложности, все они совершаются по некоторым общим закономерностям и могут быть сведены к совокупности простейших периодических колебаний, называемых гармоническими.

С основными закономерностями и характеристиками гармонического колебания проще всего познакомиться на примере равномерного движения материальной точки по окружности. Пусть материальная точка М движется против часовой стрелки по окружности радиусом А с постоянной угловой скоростью (рис. 5.1). Тогда ее проекция N на вертикальный диаметр будет совершать периодические колебания около положения равновесия О, а величина смещения этой проекции ( ) изменяться в пределах от до , также совершая периодические колебания. Величина смещения в любой момент времени определяется очевидным соотношением

(1)

Так как период вращения материальной точки , число ее оборотов в секунду , угловая скорость и угол поворота радиуса связаны между собой соотношениями:

Рисунок 5.1.

то формулу (1) можно написать еще так:

 

(2)

(2а)

(2б).

Соотношения (1) — (2б) являются разновидностями уравнения гармонических колебаний. Следовательно, гармоническим называется колебание, при котором изменение колеблющейся величины со временем происходит по закону синуса (или косинуса, если точка М проецируется на горизонтальной диаметр). Смещение х положительно, когда направлено вверх от положения равновесия, и отрицательно, когда направлено вниз. Абсолютное значение максимального смещения А называется амплитудой колебания.

При описании колебательных процессов физические величины , , и принято называть иначе, чем мы называли их ранее: называется периодом колебания, - частотой колебания, - круговой, или циклической частотой и - фазой колебания. Единицы измерения этих величин остаются, конечно, прежними.

Фазой колебания называется аргумент тригонометрической функции в уравнении гармонического колебания. Физический смысл фазы состоит в том, что она определяет смещение в любой момент времени, т. е. определяет состояние колебательной системы. Действительно, например, при смещение , при , при и т.п. Из уравнения (1) следует, что фазам, различающимся между собой на величину, кратную , соответствуют одинаковые смещения. Изменение фазы на рад соответствует промежутку времени в один период .

Колебательное движение реальной механической системы всегда сопровождается трением, на преодоление которого расходуется часть энергии колебательной системы. Поэтому энергия колебания в процессе колебания уменьшается, переходя в теплоту. Так как энергия колебания пропорциональна квадрату амплитуды

,

где - амплитуда, - круговая частота колебаний, то постепенно уменьшается и амплитуда колебаний. Когда вся энергия колебания перейдет в теплоту, колебание прекратится (затухнет). Такого рода колебания называются затухающими.

Для того чтобы система совершала незатухающие колебания, необходимо восполнять извне потери энергии колебания на трение. Для этого надо воздействовать на систему периодически изменяющейся силой

где — амплитудное (максимальное) значение силы, — круговая частота колебаний силы, — время. Внешняя сила, обеспечивающая незатухающие колебания системы, называется вынуждающей силой, а колебания системы — вынужденными. Очевидно, что вынужденные колебания происходят с частотой, равной частоте вынуждающей силы.

Амплитуда вынужденного колебания

зависит от соотношения круговых частот вынужденного и собственного колебаний: при будет и .

В действительности благодаря трению амплитуда вынужденных колебаний остается конечной. Она достигает максимального значения в том случае, когда частота вынужденных колебаний близка к частоте собственных колебаний системы. Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при называется резонансом.

5.2. Характеристики звуковой волны.

Колебания частиц в упругих средах, распространяющиеся в форме продольных волн, частота которых лежит в пределах, воспринимаемых человеческим ухом, т. е. в среднем от16 до20000 Гц, называются звуковыми колебаниями или просто звуком.

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно к лучу. Если же они колеблются вдоль луча, то волна называется продольной.

Звуки разделяются на тоны и шумы. Тоном называется звук, который представляет регулярное колебание с постоянными или закономерно изменяющимися по времени амплитудой и частотой. В зависимости от формы колебания частиц среды тоны подразделяются на простые (гармонические) и сложные. Простой (или гармонический) тон может быть получен с помощью камертона или звукового генератора. К сложным тонам относятся, например, звуки музыкальных инструментов, гласные звуки речи человека и др.

Звуковой тон характеризуется частотой (или периодом), амплитудой и формой колебания или его гармоническим спектром, а также величинами, относящимися к звуковой волне: интенсивностью или силой звука и звуковым давлением.

Интенсивностью или силой звука называют плотность потока энергии звуковой волны; единицы измерения – 1 , 1 , а также 1 .

Звуковым или акустическим давлением называют эффективное (среднеквадратическое) значение добавочного давления (избыточного над средним давлением окружающей среды), образующегося в участках сгущения частиц в звуковой волне. Оно выражается в ньютонах на квадратный метр ( ).

Для плоской гармонической волны звуковое давление связано с интенсивностью звука соотношением , где - плотность среды, - скорость звука.

Звук, свободно распространяющийся в среде, представляет собой бегущую волну. В ограниченных участках среды образуются стоячие звуковые волны. При совпадении или кратном отношении частоты колебаний звуковой волны и собственной частоты участка среды амплитуда колебаний резко возрастает, это явление называют звуковым резонансом и используют для усиления звука. Звуковыми резонаторами обычно служат воздушные столбы, заполняющие полости соответствующих размеров и формы. Если на резонатор попадает сложная звуковая волна, то в ней усиливаются только гармонические тоны, частоты которых совпадают или кратны собственной частоте резонатора.

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-11

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...