Звук и его свойства

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Глава 1. Звук и его свойства…………………………………………………………….……..3

1.1 Что такое  звук?........................……………………………………………………….…….3

1.2 Свойства  звука и его характеристики…………………………………..………………...4

1.3 Инфразвук, ультразвук, гиперзвук………………………………………..........................5

Глава 2. Микрофон и его виды………………….…………………………….........................7

2.1. Виды и свойства…………………………...………………………………………………7

2.2. Эффект Доплера…………………………………………………………………………...8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ЗВУК И ЕГО СВОЙСТВА

 

 

1.1 Что такое звук?

 

Звук  – это распространяющиеся в упругих  средах – газах, жидкостях и твёрдых  телах – механические колебания, воспринимаемые органами слуха.

Теперь немного  поразмышляем. Если, например, в горах упал камень, а рядом не было никого, кто мог бы слышать звук его падения, существовал звук или нет? На вопрос можно ответить и положительно и отрицательно в равной степени, так как слово «звук» имеет двоякое значение. Поэтому нужно условиться, что же считать звуком – физическое явление в виде распространения звуковых колебаний в воздухе или ощущения слушателя. Первое по существу является причиной, второе следствием, при этом первое понятие о звуке – объективное, второе – субъективное.

В первом случае звук действительно представляет собой поток энергии, текущей  подобно речному потоку. Такой  звук может изменить среду, через  которую он проходит, и сам изменяется ею. Во втором случае под звуком мы понимаем те ощущения, которые возникают у  слушателя при воздействии звуковой волны через слуховой аппарат  на мозг. Слыша звук, человек может  испытывать различные чувства. Самые  разнообразные эмоции вызывает у  нас тот сложный комплекс звуков, который мы называем музыкой. Звуки  составляют основу речи, которая служит главным средством общения в  человеческом обществе. И, наконец, существует такая форма звука, как шум. Анализ звука с позиций субъективного  восприятия более сложен, чем при  объективной оценке.

При достижении звуковой волной какой-либо точки пространства, частицы вещества, до того не совершавшие упорядоченных  движений, начинают колебаться. Любое  движущееся тело, в том числе и  колеблющееся, способно совершать работу, то есть оно обладает энергией. Следовательно, распространение звуковой волны  сопровождается распространением энергии. Источником этой энергии является колеблющееся тело, которое и излучает в окружающее пространство(вещество) энергию.

Органы слуха  человека способны воспринимать колебания  с частотой от 15-20 герц до 16-20 тысяч  герц. Механические колебания с указанными частотами называются звуковыми  или акустическими(акустика – учение о звуке)

Итак, звук – это волновой колебательный  процесс, происходящий в упругой  среде и вызывающий слуховое ощущение. Однако восприимчивость человека к  звукам избирательна, поэтому мы говорим  о слышимых и неслышимых звуках. Совокупность тех и других в общем напоминает спектр солнечных лучей, в котором есть видимая область – от красного до фиолетового цвета и две невидимые – инфракрасная и ультрафиолетовая. По аналогии с солнечным спектром звуки, которые не воспринимаются человеческим ухом, называются инфразвуками, ультразвуками и гиперзвуками.

 

1.2. Свойства звука и его характеристики

 

Основные  физические характеристики звука –  частота и интенсивность колебаний. Они и влияют на слуховое восприятие людей.

Периодом  колебания называется время, в течение  которого совершается одно полное колебание. Можно привести в пример качающийся маятник, когда он из крайнего левого положения перемещается в крайнее  правое и возвращается обратно в  исходное положение.

Частота колебаний – это число полных колебаний(периодов)за одну секунду. Эту  единицу называют герцем (Гц). Чем  больше частота колебаний, тем более  высокий звук мы слышим, то есть звук имеет более высокий тон. В  соответствии с принятой международной  системой единиц, 1000 Гц называется килогерцем (кГц), а 1.000.000 – мегагерцем (МГц).

Распределение по частотам: слышимые звуки – в  пределах 15Гц-20кГц, инфразвуки – ниже 15Гц; ультразвуки – в пределах 1,5·104 – 109 Гц; гиперзвуки - в пределах 109 – 1013Гц.

Ухо человека наиболее чувствительно к  звукам с частотой от 2000 до 5000 кГц. Наибольшая острота слуха наблюдается в  возраст 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается.

Звуки различаются также по тембру. Основной тон звука сопровождается второстепенными  тонами, которые всегда выше по частоте(обертона). Тембр – это качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается  на основной тон, тем «сочнее» звук в музыкальном отношении.

Вторая  основная характеристика – амплитуда  колебаний. Это наибольшее отклонение от положения равновесия при гармонических  колебаниях. На примере с маятником  – максимальное отклонение его в  крайнее левое положение, либо в  крайнее правое положение. Амплитуда  колебаний определяет интенсивность(силу) звука.

Сила  звука, или его интенсивность, определяется количеством акустической энергии, протекающей за одну секунду через  площадь в один квадратный сантиметр. Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от величины акустического давления, создаваемого источником в среде.

С интенсивностью звука в свою очередь  связана громкость. Чем больше интенсивность  звука, тем он громче. Однако эти  понятия не равнозначны. Громкость  – это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Звук одинаковой интенсивности может создавать  у различных людей неодинаковое по своей громкости слуховое восприятие. Каждый человек обладает своим порогом  слышимости.

Звуки очень большой интенсивности  человек перестаёт слышать и  воспринимает их как ощущение давления и даже боли. Такую силу звука  называют порогом болевого ощущения.

 

1.3. Инфразвук, ультразвук, гиперзвук

 

Инфразвук – упругие колебания и волны  с частотами, лежащими ниже области  слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают 15-4- Гц; такое  определение условно, поскольку  при достаточной интенсивности  слуховое восприятие возникает и  на частотах в единицы Гц, хотя при  этом исчезает тональный характер ощущения, и делаются различимыми лишь отдельные  циклы колебаний. Нижняя частотная  граница инфразвука неопределённа. В настоящее время область  его изучения простирается вниз примерно до 0,001 Гц. Таким образом диапазон инфразвуковых частот охватывает около 15-ти октав.

Инфразвуковые волны распространяются в воздушной  и водной среде, а также в земной коре( в этом случае их называют сейсмическими  и их изучает сейсмология). К инфразвукам  относятся также низкочастотные колебания крупногабаритных конструкций, в частности транспортных средств, зданий.

Установлено, что инфразвук с высоким уровнем  интенсивности(120Дб и более) оказывает  вредное влияние на человеческий организм. Ещё более вредными являются инфразвуковые вибрации, поскольку  при их воздействии могут возникать  опасные резонансные явления  отдельных органов. Мощный инфразвук  может вызывать разрушение и повреждение  конструкций, оборудования. Вместе с  тем инфразвук вследствие большой  дальности распространения находит  полезное практическое применение при  исследовании океанической среды, верхних  слоёв атмосферы, при определении  места извержения или взрыва. Инфразвуковые  волны, излучаемые при подводных  извержениях, позволяют предсказать  возникновение цунами.

Ультразвук  – упругие волны с частотами  приблизительно от (1,5 – 2)·104Гц (15 – 20 кГц) до 109 Гц(1ГГц); область частотных  волн от 109 до 1012 – 1013 Гц принято называть гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно подразделять на 3 диапазона: ультразвук низких частот(1,5·104 – 105Гц), ультразвук средних частот(105 – 107Гц), область  высоких частот ультразвука(107 – 109Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется  своими специфическими особенностями  генерации, приёма, распространения  и применения.

Ультразвуковым  волнам было найдено больше всего  применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в  медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин  и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие  животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие  мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями  этих звуков от предметов, встречающихся  на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей  мелкой добычи. Кошки и собаки могут  слышать очень высокие свистящие  звуки (ультразвуки).

Гиперзвук – это упругие волны с частотами  от 109 до 1012 – 1013 Гц. По физической природе  гиперзвук ничем не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Благодаря  более высоким частотам и, следовательно, меньшей, чем в области ультразвука, длинам волн значительно более существенными  становятся взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде –  с электронами проводимости, тепловыми  фононами и др..

Область частот гиперзвука соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов(так  называемые сверхвысокие частоты).Частота 109 Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной  температуре должна быть одного порядка  с длиной свободного пробега молекул  в воздухе при этих же условиях. Однако упругие волны могут распространяться в среде только при условии, что  их длина волны заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых  телах. Поэтому в газах ( в частности  в воздухе) при нормальном атмосферном  давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание  гиперзвука очень велико и дальность  распространения мала. Сравнительно хорошо гиперзвук распространяется в твёрдых телах – монокристаллах, особенно при низкой температуре. Но даже в таких условиях гиперзвук  способен пройти расстояние лишь в 1, максимум 15 сантиметров.

2.МИКРОФОН И ЕГО ВИДЫ

 

 

2.1. Виды и свойства микрофона

 

Микрофон – один из основных звуковых приборов. Основное назначение микрофонов – преобразование звуковых колебаний в колебания электрического тока. Или – преобразование энергии звука в электрическую энергию. Поэтому по своему назначению микрофоны относятся к электроакустическому оборудованию.

Без всякого сомнения, микрофон является самым известным и распространенным видом "созидающего" звукового  оборудования. Даже те, кто бесконечно далек от звуковых технологий и не имеет никакого представления о звуковой технике, знают, как выглядит микрофон и для чего он нужен. Да и по возрасту это наиболее почтенный прибор - он существовал уже тогда, когда еще не было ни усилителей, ни громкоговорителей, не говоря уже о других компонентах звукового тракта.

Вопрос  о классификации микрофонов не так  прост, как может показаться. Они  различаются:

• по принципу преобразования звуковой энергии в  электрическую (механо-электрические  характеристики);  
• по принципу воздействия звука на диафрагму (механо-акустические характеристики);  
• по принципу зависимости выходного сигнала от пространственной ориентации (характеристики направленности);  
• по принципу включения в звуковой тракт (коммутационные характеристики).

К тому же микрофоны, сочетая в себе вышеназванные принципы в самой  разной комбинации, имеют разный дизайн и предназначение - ручной, подвесной, петличный, накамерный, прикрепляемый  к музыкальному инструменту, настольный и т.д.

Устройство динамического микрофона аналогично устройству динамического громкоговорителя. Последние часто используются и в качестве микрофона в рациях, переговорных устройствах, т.е. там, где компактность важнее качества звука. Диафрагма динамического микрофона связана с катушкой, находящейся в зазоре вокруг магнита. Продольные колебания прилегающего воздуха смещают диафрагму с катушкой относительно постоянного магнитного поля, что приводит к появлению на концах катушки переменного электрического потенциала, напряжение и частота которого пропорциональны силе и частоте звука, воздействующего на диафрагму.

В конденсаторном микрофоне звук воздействует на мембрану, являющуюся одной из обкладок конденсатора. Этот конденсатор включен в последовательную цепь с источником постоянного тока. При звуковом воздействии на мембрану она начинает колебаться, вызывая изменение емкости, которое, в свою очередь, превращает постоянное напряжение источника в переменное. В силу ряда особенностей использования конденсатора в качестве электроакустического преобразователя, конденсаторный микрофон всегда снабжается специальным усилителем, согласующим выход микрофона со входом нагрузки. Действительно, предложение включить конденсатор на вход усилителя низкой частоты вызовет у инженера-электронщика неадекватную реакцию.

Радиомикрофоны создаются на базе стандартных микрофонных головок (капсюлей), поэтому их акустические характеристики практически идентичны базовым проводным аналогам. Рассмотрение вопроса о принципах и системах FM-передачи, используемой в радиомикрофонной связи, выходит за рамки данной статьи. Практикам же необходимо учитывать, что одновременная работа нескольких радиомикрофонов может вызвать взаимные помехи. В случае, когда необходимо все-таки использовать большое число радиомикрофонов, следует обращаться к моделям, снабженным специальной функцией отстройки от помех, которую имеют далеко не все системы.