FIZYKA
Wykład 9
Elementy akustyki.
Wytwarzanie dz
więków, subiektywne i obiektywne cechy dz
więku.
Zjawisko Dopplera.
Fala akustyczna
Fala akustyczna
Dz
więk - rozchodzi się w postaci fali mechanicznej, która w gazach i cieczach jest falą
Dz
więk
podłużną, a w cieczach lepkich i ciałach stałych może być też falą poprzeczną.
Fala dz
więkowa powstaje w wyniku rytmicznych drgań cząsteczek z
ródła dz
więku.
Drgania te powodujÄ… ruch sÄ…siadujÄ…cego z nim elementu powietrza i w konsekwencji
zagęszczenie powietrza.
Rozrzedzenia i zagęszczenia ośrodka
prowadzą do zmian ciśnienia "p w stosunku
do ciśnienia w ośrodku nie zaburzonym.
Zmiany ciśnienia płynu spowodowane
rozchodzeniem siÄ™ fali akustycznej noszÄ…
nazwę ciśnienia akustycznego:
ciśnienia akustycznego
"V S"y
"p = -B = -B
V S"x
B  moduł sprężystości objętościowej lub
moduł ściśliwości
"V/V  względna zmiana objętości
wywołana przez zmianę ciśnienia
Fala akustyczna
Fala akustyczna
Geometrycznie z
ródła dz
więku mogą mieć różną postać; płaszczyzny,
prostej, lub punktu. Bardzo często z
ródłami dz
więku są wszelkiego
rodzaju przetworniki elektroakustyczne wykorzystujÄ…ce zmienne pole
elektromagnetyczne do wzbudzania drgań membran będących z
ródłem
dz
więku.
Najbardziej znanymi z
ródłami dz
więku są struny głosowe, oraz
instrumenty muzyczne.
Fala akustyczna  parametry fali
Fala akustyczna  parametry fali
Lokalne maksymalne wzrosty ciśnienia - czoła fali
a
długość fali ()
Między prędkością fali, długością i
v
 =
częstotliwością istnieje słuszny dla
 = vT
f
każdej fali związek:
Prędkość dz
więku
Prędkość dz
więku
" Prędkość fali dz
więkowej v jest stała dla każdego ośrodka gazowego.
Zależy ona od gÄ™stoÅ›ci gazu Á i panujÄ…cego w nim ciÅ›nienia p, co opisuje
wzór Newtona:
v = 1,185·(p/ Á)½.
Á
Á
Á
v = 1,185·(p/ Á)½
Á
Á
Á
" Prędkość fali dz
więkowej w powietrzu zmierzył Ernest Chladini
uwzględniając zależność ciśnienia od temperatury gazu t:
v = 20,08·(t + 273,15)½
v = 20,08·(t + 273,15)½
" Prędkość fali dz
więkowej v w cieczach i ciałach stałych opisana jest
zależnością:
B
B  moduł sprężystości objętościowej
v =
lub moduł ściśliwości (moduł Younga)
Á
Prędkość dz
więku
Prędkość dz
więku
B
v =
Á
Prędkość fal dz
więkowych w gazach waha się
w szerokich granicach od 100 do 1300 m/s.
Prędkość fali dz
więkowej w cieczach waha się
między 1000 a 1600 m/s i zwiększa się z
temperaturÄ…. Tylko woda wykazuje anomaliÄ™,
polegającą na tym, że prędkość fali w wodzie
wzrasta tylko do 80°C, po czym nieznacznie maleje.
Prędkość przenoszenia się fali poprzecznej,
powstającej na powierzchni ciała stałego na wzór
fal na powierzchni wody, jest niższą od prędkości
fali podłużnej i zmienną proporcjonalnie do
pierwiastka częstości.
Subiektywne cechy dz
więku
Subiektywne cechy dz
więku
Dz
więk można rozpatrywać w aspekcie fizycznym, tzn. jako falę akustyczną
wywołującą zjawisko słuchowe, lub w aspekcie psychologicznym, jako wrażenie
słuchowe wywołane przez tę falę. W związku z tym rozróżnia się cechy fizyczne
(obiektywne) oraz psychologiczne (subiektywne).
Właściwości fizyczne dz
więku mają swoje odpowiedniki w grupie cech
psychofizjologicznych. Można więc określić dz
więk za pomocą następujących par
parametrów :
" częstotliwość - wysokość
Subiektywne
" natężenie - głośność
cechy
" widmo - barwa
dz
więku
Wysokość - jest funkcją częstości drgań. W przypadku gdy dany dz
więk można rozłożyć
na dz
więki składowe, o wysokości dz
więku decyduje częstotliwość najniższa- ton
podstawowy
Głośność - zależy od natężenia fali akustycznej i od czułości ucha na dz
więki o różnej
częstości drgań czyli charakteryzuje subiektywne odczuwanie natężenia dz
więku.
Barwa dz
więku - jest określona przez częstotliwość tonów harmonicznych i ich natężenia
względem tonu podstawowego.
Częstotliwość dz
więku
Częstotliwość dz
więku
zakres słyszalności
v
 =
 = 17,2 m  1,72 cm
f = 16 Hz  20 000 Hz
f
1,5 kHz  3 kHz  największa wrażliwość ucha ludzkiego
poniżej 16 Hz  infradz
więki (trzęsienia ziemi, fale oceaniczne, wieloryby)
infradz
więki
powyżej 20 kHz  ultradz
więki (echosondy, USG, nietoperze)
ultradz
więki
powyżej 1 GHz do ok. 1 THz  10 THz (długość fali porównywalna z
odległościami międzycząsteczkowymi)  hiperdz
więki
hiperdz
więki
Ultra- i hiperdz
więki  niesłyszalne przez człowieka odczuwane dotykiem jako wstrząsy i
drżenia, przy dłuższym oddziaływaniu mogą niekorzystnie wpływać na zdrowie.
Wysokość dz
więku
Wysokość dz
więku
Wysokość dz
więku jest cechą subiektywną pozwalającą rozróżniać dz
więki o
różnej częstotliwości.
Wysokość dz
więku możemy ocenić przez porównanie go z tonem wzorcowym.
Dz
więk prosty mający sinusoidalny przebieg o ściśle określonej częstotliwości,
amplitudzie i fazie to Ton lub ton prosty
Podział tonów
" basy (ang. bass) czyli tony niskie o częstotliwościach od 20 Hz do ok. 300 Hz
" tony średnie od ok. 300 Hz do ok. 3000 Hz.
" soprany (ang. trebble) czyli tony wysokie o częstotliwościach od ok. 3000 Hz
do 20 kHz.
Wrażenie wysokości zależy w pewnym stopniu od głośności. Zależność ta
zmienia się w funkcji częstotliwości.
Tony do 1000 Hz obniżają swą wysokość ze wzrostem głośności, przy czym im
niższy dz
więk, tym większa różnica wysokości. Powyżej 4000 Hz jest odwrotnie.
Większa głośność powoduje wzrost wysokości tonu.
W przypadku naturalnych dz
więków złożonych będących sumą wielu drgań o
różnej częstotliwości i amplitudzie, zależności te nie są aż tak wyraz
ne.
Amplituda fali dz
więkowej
Amplituda fali dz
więkowej
Mierząc ciśnienie w określonym punkcie pola akustycznego otrzymamy przebieg
jego zmian w czasie:
1 Pa = 1 N/m2
"pm  amplituda
zmian ciśnienia
"pm
Przebieg zmian ciśnienia w polu fali dz
więkowej wokół pewnej wartości średniej
patm = 1000 hPa
Ciśnienie akustyczne: "p 
nadwyżka ciśnienia w
stosunku do ciśnienia
równowagi w ośrodku
sm sm sm  amplituda
a
z
rozchodzenia siÄ™ fali.
przemieszczenia
Amplituda fali dz
więkowej
Amplituda fali dz
więkowej
przemieszczenie
s(x,t) = sm Å"cos(k Å" x - É Å"t)
zmiana ciśnienia
"p(x,t) = "pm Å"cos(k Å" x - É Å"t)
Amplituda zmian ciÅ›nienia "pm = (v Å" Á Å"É)Å" sm
amplituda
prędkość
przemieszczenia
częstość
gęstość
fazowa
gazu
É = 2Ä„f
Najsłabszy słyszalny przez człowieka dz
wiÄ™k w powietrzu o Á = 1,21 kg/m3,
przy f=1 kHz i prędkości 343 m/s ma amplitudę ciśnienia "pm = 2,8x10-5Pa
(ciśnienie atmosferyczne to ok. 105 Pa); Amplituda przemieszczenia sm dla
takiego dz
więku wynosi 11 pm.
Najsilniejszy dz
więk jaki może znieść ucho człowieka ma "pm = 28 Pa;
Amplituda przemieszczenia dla najgłośniejszego dz
wiÄ™ku sm wynosi 11 µm.
Natężenie dz
więku
Natężenie dz
więku
Z amplitudą jest bezpośrednio związane natężenie
dz
więku, które określa ilość energii akustycznej E
przepływającej w jednostce czasu t przez jednostkę
powierzchni S:
moc
W
E P
îÅ‚ Å‚Å‚
I = =
2
ïÅ‚m śł
pole
ðÅ‚ ûÅ‚
tS S
powierzchni
P
dla fali emitowanej
I =
2
izotropowo
4Ä„r
Natężenie dz
więku maleje
odwrotnie proporcjonalnie do
kwadratu odległości od
z
ródła.
Natężenie =
Natężenie dz
więku
Natężenie dz
więku
Natężenie dz
więku jest ściśle związane z ciśnieniem
I ~ "p2
I ~ "p2
akustycznym - jest proporcjonalne do kwadratu
ciśnienia akustycznego (amplitudy drgań).
duża amplituda ciśnienia  dz
więk głośny
mała amplituda ciśnienia  dz
więk cichy
Natężenie dz
więku
Natężenie dz
więku
Najsłabszy słyszalny przez człowieka dz
więk o częstotliwości 1000 Hz
ma Io ~ 10-12 W/m2,
Najsilniejszy (dopuszczalny krótkotrwale) Imaks = 1 W/m2.
Zakres dz
więków odbieranych od najcichszego do najgłośniejszego (tzw. próg
bólu) jest jak 1 do 1 000 000 000 000 (12 zer!!!).
Im większe jest natężenie dz
więku, tym dz
więk jest odbierany jako głośniejszy.
Wrażenie głośności jednak nie wzrasta liniowo ze wzrostem natężenia.
Ucho ludzkie ze względu na swoje
fizjologiczne własności nie odbiera
jednakowo dz
więków o tym samym
natężeniu i różnej częstości.
Głośność dz
więku o tej samej częstości
i innym natężeniu I wyznaczamy w
oparciu o prawo Webera-Fechnera.
prawo Webera-Fechnera
nie
natężenie
Prawo Webera-Fechnera
Prawo Webera-Fechnera
Prawo Webera-Fechnera - zasada będąca wynikiem wielu
Prawo Webera-Fechnera
obserwacji praktycznych, mówiąca o relacji pomiędzy fizyczną miarą
bodz
ców a reakcją układu biologicznego. Dotyczy ono reakcji na bodz
ce
takich zmysłów jak wzrok, słuch czy poczucie ciepła. Jest to prawo
fenomenologiczne będące wynikiem wielu obserwacji praktycznych i
znajdująca wiele zastosowań technicznych.
Prawo to można wyrazić wzorem:
B
w = k log
B0
gdzie:
w - reakcja układu biologicznego (wrażenie zmysłowe),
B - natężenie danego bodz
ca,
B0 - wartość progowa natężenia danego bodz
ca (najniższą wartość
bodz
ca rejestrowanego przez ludzkie zmysły)
Poziom natężenia dz
więku
Poziom natężenia dz
więku
Subiektywnie odczuwane natężenie dz
więku  poziom natężenia dz
więku 
poziom natężenia dz
więku
logarytmiczna miara natężenia dz
więku w stosunku do pewnej umownie
przyjętej wartości odniesienia, wyrażana w decybelach dB. Wielkość tą
decybelach
określamy na podstawie prawa Webera i Fechnera.
Zmiana intensywności subiektywnego wrażenia dz
więkowego
wywoływanego przez dwa dz
więki jest proporcjonalna do logarytmu
natężeń porównywanych dz
więków
I
² = 10log
I0
Natężenie poziomu zerowego I0 = 10-12 W/m2
dla częstotliwości 1 kHz (próg słyszalności dla
tej częstości).
Poziom natężenia
Poziom natężenia
dz
więku
dz
więku
Dla najsłabszego słyszalnego
dz
wiÄ™ku ² = 0 dB;
Dla najsilniejszego
dopuszczalnego ² = 120 dB;
Hałas
Hałas
Ze względu szkodliwości dla zdrowia hałasy można podzielić na:
poniżej 35 dB 35dB-70dB 70 dB- 85dB 85dB  130dB
Nie są szkodliwe dla Ma ujemny wpływ na Trwające stale może Może powodować
zdrowia, ale mogą być układ nerwowy powodować liczne uszkodzenia
denerwujące np. szum człowieka, pociąga za zmniejszenie słuchu i zaburzenia
wody, brzęk sobą: zmęczenie, wydajności pracy, np. układu krążenia,
przekładanych naczyń spadek wydajności trwałe osłabienie nerwowego,
lub narzędzi. Mogą pracy, może obniżać słuchu, bóle głowy równowagi oraz
przeszkadzać w pracy zrozumiałość mowy, i ujemny wpływ na uniemożliwić
wymagającej utrudniać zasypianie układ nerwowy. zrozumiałość mowy
skupienia. i wypoczynek. nawet z odległości
0,5 m.
130dB  150 dB powyżej 150 dB
Pobudzają do drgań niektóre Po 5 minutach działania
wewnętrzne organy ludzkiego ciała paraliżują organizm,
powodując ich trwałe schorzenia, powodują mdłości, zaburzenia
a niekiedy zupełne uszkodzenie. równowagi, brak koordynacji
Ludzie pracujący w takim hałasie ruchów kończyn, zmieniają
mają z reguły poważnie osłabiony skład krwi, powodują stany
a najczęściej uszkodzony słuch. lękowe i depresyjne.
Za bezpieczne natężenie dz
więków uznawany jest poziom poniżej 85 dB.
Przy 110 dB u niektórych osób występuje uczucie bólu.
Głośność dz
więku
Głośność dz
więku
Głośność to subiektywne odczucie natężenia dz
więku. Zależy zarówno od natężenia, jak i
częstotliwości.
Zależność między wysokością dz
więku a jego natężeniem dającym w całym paśmie wrażenie
jednakowej głośności ukazują tzw. krzywe izofoniczne  krzywe jednakowej głośności.
Głośność wyrażamy w
fonach. Dany dz
więk ma
fonach
głośność n fonów, jeśli
słyszymy go tak samo
głośno, jak dz
więk o
natężeniu subiektywnym n
decybeli i częstotliwości 1
kHz.
Dz
więki o tej samej liczbie
fonów wywołują to samo
wrażenie głośności.
Głośność dz
więku
Głośność dz
więku
Czułość słuchu na zmiany poziomu i częstotliwości tonu
Słuch jest mniej czuły
na dz
więki o niskiej
częstotliwości
Dla 1000 Hz, fon = dB!
Zakres słyszenia mowy i muzyki
Barwa dz
więku
Barwa dz
więku
Każdy, dowolnie złożony, okresowy przebieg akustyczny (np. dz
więk muzyczny) można
przedstawić jako pewną kombinację tonów sinusoidalnych o różnej częstotliwości i
amplitudzie.
Najniższa częstotliwość złożonej fali akustycznej jest tzw. częstotliwością podstawową,
która określa wysokość dz
więku. Wyższe składowe  przytony  decydują o jego
unikatowym brzmieniu, pozwalającym rozróżnić dz
więki tej samej wysokości grane np. na
różnych instrumentach.
Częstotliwości przytonów,
które są krotnościami
częstotliwości podstawowej to
harmoniczne (alikwoty), a
powstałe w ten sposób
dz
więki to wielotony
harmoniczne.
Dz
więki będące sumą tonów
nieuporzÄ…dkowanych tworzÄ…
wielotony nieharmoniczne.
Barwa dz
więku
Barwa dz
więku
Barwa dz
więku  subiektywna cecha dz
więku, która pozwala odróżnić brzmienia
różnych instrumentów lub głosu. Barwa dz
więku to zawartość różnych dz
więków
podstawowych. Uzależniona jest od ilości, rodzaju i natężenia tonów składowych.
Odmienna liczba, wysokość i względne natężenie przytonów w stosunku do tej
samej częstotliwości podstawowej pozwala ludzkiemu uchu rozróżnić brzmienie
różnych instrumentów.
Fale generowane przez:
(a) flet
(b) obój
(c) saksofon
Dudnienia
Dudnienia
Dudnienia powstają, gdy dwie fale o nieco różniących się
Dudnienia
częstotliwościach f1 i f2 rejestrowane są razem.
Częstość dudnień wynosi:
fdudn = f1 - f2
Dudnienia wykorzystuje siÄ™ do
strojenia instrumentów.
Powstają  stałe w czasie rozkłady
miejsc, w których fale się wzmacniają
bÄ…dz
osłabiają.
Zjawisko Dopplera
Zjawisko Dopplera
doppler.exe
1) Obserwator zbliża się ( + ) lub oddala ( - ) od z
ródła z prędkością vD.
 + obserwator, na skutek ruchu napotka  - obserwator, na skutek ruchu
większą ilość frontów fali na zarejestruje mniejszą ilość frontów fali
jednostkÄ™ czasu. na jednostkÄ™ czasu.
Częstość słyszana wzrośnie. Częstość słyszana zmaleje.
vDt
vt
Ä…
v Ä… vD v Ä… vD
 
f '= = = f
t  v
Zjawisko Dopplera
Zjawisko Dopplera
doppler.exe
2) Gdy z
ródło zbliża się ( - ) lub oddala ( + ) od odbiornika z prędkością vS.
 - w przypadku ruchu z
ródła w kierunku
 + Długość fali wyda się
nieruchomego obserwatora obserwujemy
obserwatorowi większa.
skrócenie długości fali.
Częstość słyszana zmaleje
Częstotliwość dz
więku rejestrowanego przez
obserwatora wzrośnie
vS
v
'= Ä…
f f
v v
f '= = f
' v Ä… vS
Zjawisko Dopplera
Zjawisko Dopplera
3) Gdy z
ródło i obserwator zbliżają się lub oddalają od siebie.
v - vD
f '= f
v + vS
v + vD
f '= f
v - vS
Ogólnie:
v - vD
f '= f
v Ä… vD
v - vS
f '= f
v m vS
v + vD
f '= f
znaki górne  z
ródło i
v + vS
obserwator zbliżają się,
dolne  oddalajÄ….
Co siÄ™ stanie gdy z
ródło porusza się z prędkością dz
więku?
Czoło fali
y
ródło dz
więku porusza się z prędkością dz
więku  następuje kumulacja
energii na czole fali  powstaje fala uderzeniowa. Natężenie rośnie do ".
vS
liczba Macha
v
Co siÄ™ stanie gdy z
ródło porusza się z prędkością większą niż
prędkość dz
więku?
F/A Hornet przekraczajÄ…cy
barierÄ™ dz
więku
y
ródło dz
więku porusza się z prędkością większą
od prędkości dz
więku - szybciej od czoła fali 
płaskie czoło fali uderzeniowej zmienia się w
stożek. Czoła fali skupiają się na powierzchni
stożkowej zwanej stożkiem Macha tworząc falę
uderzeniowÄ…
v
sin¸ =
vS


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wyklad? IS
Wykladb IS
Wyklad 6 IS
Wykladb IS
Wyklad 4 IS
Wyklada IS
GW Wyklad 5 IS cz2
Wyklad IS
Wyklad? IS
Wyklad 5 IS
Wyklad 2 IS
Wyklad 1 IS
USM Automatyka w IS (wyklad 3) regulatory ppt [tryb zgodnosci]
Wyklad 2 Model IS LM
Wyklad 3 Polityka pieniezna w modelu IS LM
IS Wyklad 2
IS wyklad# MDW
USM Automatyka w IS (wyklad 5) Zawory reg ppt [tryb zgodnosci]

więcej podobnych podstron