Механические колебания и звуковые волны. Теория физики в помощь автозвуку

механические колебания и волныПродолжая развивать тему базовой школьной программы по физике, в этой статье попробуем разобрать теоретический раздел "механические колебания и волны", а так же о процессах в непосредственной природе самого звука, которые так же имеют в основании колебательный волновой характер. На сайте уже имеется ознакомительная статья про звук и теорию его возникновения простыми словами, однако информация в ней достаточно поверхностная и не раскрывает необходимый объём теоретической информации про звуковую природу с точки зрения физики. Таким образом, если читатель захочет упрощённый вариант теоретических сведений про возникновение и распространение звуковых волн, тогда лучше будет ознакомиться с материалом "Теория звука и акустики понятным языком". Для всех остальных людей и тех, кто хочет чуть более расширенное и углублённое видение вопроса с точки зрения классической физики данная статья подойдёт наилучшим образом и приоткроет завесу тайны над этими удивительными, уникальными и волнующими процессами, дароваными нам самой природой и мирозданием.

Напомню, что в прошлый раз мы пытались вникнуть в азы электромагнитных явлений и узнать все основополагающие тонкости теории, которая поможет нам в хорошем ориентировании в любимой теме автозвука. С данным материалом можно ознакомиться здесь. А сейчас я постараюсь изложить так же максимально доступным и понятным каждому образом теорию механических колебаний и звуковых волн.

Колебательные движения и колебательные системы

Колебания в отдельности - это циклически повторяющийся по времени процесс движения чего-либо. Данное движение не только индуцируется (вызывается) какой-либо деятельностью, но также часто встречается в виде природных явлений, когда движение чего-либо повторяется полностью или даже частично (например, морские волны или само явление распространение любого звука или света). Ключевым моментом в этом понятии будет именно цикличность и сам факт повторений.механические колебания и волны-01

В разрезе механики для возникновения колебаний существует ряд условий:

  • Колебательная система
  • Точка равновесия
  • Энергетический запас
  • Незначительное/минимальное трение

Колебательная система - такая система, которая способна обеспечивать повторяющиеся колебания. В этой системе должна быть некая точка равновесия, система будет выводиться из него при помощи запасов энергии (энергия будет приводить систему в движение). Наконец, всей колебательной системе не должно ничего мешать, в частности значительное приложение сил внешнего трения может свести "на нет" подобные колебания и не дать им развиться.

механические колебания и волны-02Получившиеся колебания при единоразовом приложении некого значения энергии (например физический толчок маятника) или при помощи запаса энергии будут называться свободными. А в применении к конкретной колебательной системе такие колебания носят названия свободных собственных колебаний. Свободные колебания всегда затухающие, причиной тому инерция и воздействие уравновешивающих сил, например силы упругости.

Затухающие колебания - это колебания в незамкнутой колебательной системе, амплитуда которых со временем затухает и сходит "на нет" под действием сил трения, сопротивления и иных уравновешивающих сил. В близкой нам теме автозвука примером колебаний будет повторяющийся ход диффузора динамика, который и будет представлять собой в совокупности классическую колебательную систему. Когда речь заходит об электромагнитных колебаниях, то и там есть свои противодействующие силы, например сопротивление проводников.

Таким образом механические колебания и волны можно охарактеризовать по разному. В первую очередь характеристика данного явления будет количественной. Такая характеристика называется амплитудой. Амплитуда колебаний - это максимально возможное значение смещения объекта/тела по отношению к точке равновесия. механические колебания и волны-03Амплитуда обычно обозначается буквой A, измеряется в метрах. За одно полное колебание тело проходит расстояние равное 4-ём амплитудам. Помимо амплитуды, есть ещё похожее (но не одинаковое!) понятие размаха колебаний - означающее произведённое колебание тела из одной крайней точки в другую.

Другая характеристика колебаний - это их период. Период колебаний - обозначает отрезок/промежуток времени, за которое совершается одно полное колебание. механические колебания и волны-04Формула для подсчёта периода, где обозначения T - период колебаний (1 секунда [с]), t - определённый временной интервал (секунды), N - количество циклов (штук). Величина периода измеряется в секундах.

    \[ T=\frac{t}{N} \]

Далее, достаточно значимой характеристикой для понимания колебаний является их частота. Частота колебаний определяется довольно просто - это конкретное число полных колебаний, совершённых за единицу/период времени. механические колебания и волны-05Полные колебания заканчиваются тогда, когда объект/тело возвращается в исходную точку (главное, чтобы совершилось полноценное движение в обе стороны - одно полное вперёд и одно полное назад). Для нахождения частоты колебаний так же существует формула, где ν ("ню") - частота колебаний (1 герц (Гц)), N - количество циклов (штук), t - определённый временной интервал (секунды). Частота измеряется в герцах (Гц).

    \[ \nu=\frac{N}{t} \]

Последней и не менее важной характеристикой частоты является фаза. Фаза по сути отвечает за синхронность колебаний в двух и более колебательных системах. Данный процесс легко пронаблюдать на примере двух одинаковых маятников: если отклонить оба маятника в одну сторону и отпустить одновременно, то их колебания будут практически идентичными и синхронными друг другу, в этом случае можно сказать, что такие колебательные движения "в фазе" или "по фазе", или что они синфазные; И наоборот, если маятники развести относительно друг друга в противоположные стороны и затем отпустить, то их колебания будут противоположными, можно сказать "не в фазе" или "противофазные". механические колебания и волны-06Тот же самый пример можно рассмотреть и ближе к теме автозвука: если взять два акустических динамика и подать на них одинаковый звуковой сигнал, тогда это будет пример полной синхронности и фазовой согласованности, про который можно сказать "в фазе"; и наоборот, если подать звуковой сигнал с некоторой временной задержкой относительно другого, такой случай будет считаться сдвигом по фазе, который определяется в градусах виртуальной окружности.

Виды колебаний и явление резонанса

Стоит понимать, что механические колебания и волны в реальной жизни бывают различными, а не только свободными затухающими. Рассмотрим подробнее остальные виды колебаний, дабы лучше раскрыть природу явления:

  • Гармонические колебания - это такой вид колебаний, при которых возвращающая к равновесию (точке равновесия) сила пропорциональна по своему значению величине отклонения тела от точки равновесия. механические колебания и волны-07Такие колебания в графическом представлении всегда образуют относительно ровную линию синусойды (по математическим законам синуса/косинуса), без резких скачков и перепадов.
  • Вынужденые колебания - это колебания в незамкнутой системе, которые совершаются под действием внешней силы, приложенной с определённой периодичностью (в такт нарастающей амплитуде очередного периода). В данном виде колебаний по сути осуществляется поддержка амплитуды за счёт внешней своевременной энергетической "подпитки". механические колебания и волны-08По такому же принципу двигается диффузор динамика, постоянно приводимый в движение энергией механических колебаний, преобразованных из электрического сигнала.

Явление резонанса

У любой колебательной системы есть собственная резонансная частота - это та частота, с которой колеблется система без применения к ней внешних сил (например, маятник под своим весом).

Так же резонансная частота может быть внешней - это частота, которая будет воздействовать на другую колебательную систему извне в принудительном порядке.

Резонанс заключается в том, что внешняя частота/сила воздействует на некую колебательную систему именно на её резонансной частоте, тем самым вызывая резкое увеличение амплитуды в этом узком диапазоне. Происходит данный эффект из-за достаточно точного совпадения направлений искомой колебательной системы и внешней силы, приложенной к этой системе. механические колебания и волны-10Вследствие этого создаются все условия для беспрепятственного пополнения энергии колебательной системы за счёт сторонней приложенной силы. Простыми словами: данный эффект возможен и наблюдается на практике только в случае достаточно точного и синхронного совпадения частот двух и более колебательных систем. Резонанс возникает только тогда, когда происходят вынужденные колебания и имеет место приложение внешней силы.

Явление резонанса можно оценивать положительно и отрицательно, в зависимости от конкретной ситуации и поставленных целей. Однако зачастую это простой и в некотором роде "бесплатный" способ получения весомой отдачи и значительного выброса энергии на определённой частоте, который может быть крайне полезным в ряде ситуаций. механические колебания и волны-11Возвращаясь к автозвуку, на основе резонанса успешно строят корпуса сабвуферов в оформлении "фазоинвертор" (и в других), тонко настраивая порт на собственную резонансную частоту динамика, тем самым многократно и без дополнительных энергозатрат усиливая отдачу в воспроизведении громкого баса на этой частоте, а так же близжайших к ней гармоник.

Распространение колебаний в среде. Продольные и поперечные волны

Колебания могут быть не только в какой-то узкой области, но так же вполне могут распространяться практически в любой плотной среде. Плотная среда обязательно должна состоять из мелких частиц, взаимодействующих друг с другом. В воздушной среде это молекулы воздуха, в водной среде это молекулы и частицы воды и т.д. Только при таких условиях среды, а так же при условии наличия противодействующих упругих сил в рамках этой среды, - колебания могут распространяться в принципе.

Передача колебаний частицам окружающей среды будет волнообразной. Можно сказать, что волна - это процесс распространения колебаний (чередования уплотнений и разрежений) в упругой среде за какой-то промежуток времени. Выглядит это следующим образом: представим колебательную систему, помещённую в какую-нибудь известную среду, например воздушную. Пусть для наглядности это будет акустический динамик. механические колебания и волны-12Теперь, если на динамик подать сигнал и заставить его в конечном счёте совершать механические колебательные движения, то частицы воздуха, находящиеся в непосредственной близости с диффузором динамика начнут повторять его движения. Теперь уже будут колебаться частицы воздуха, но поскольку энергии у такого колебательного движения диффузора немало, то эти колебания близлежайших к нему воздушных частиц будут передаваться более удалённым частицам как бы по цепочке (пусть и с некоторой задержкой во времени). Так колебания в конечном счёте распространяются в воздушной среде по всем направлениям от диффузора.

Важно понимать, что волновые колебания не вызывают перемещения вещества/частиц самой среды, они вызывают только перемещение энергетического потенциала. Дело тут в том, что колебания передаются частицам, но каждая частица являет собой ни что иное как ещё одну колебательную систему, функционирующую по уже известным законам последней. механические колебания и волны-13Т.е. у любой колебательной системы есть точка равновесия, отклонения от которой могут быть существенны по амплитуде, но всё-таки ограничены. Поэтому это применимо и к отдельным телам и к частицам среды и т.д. А вот выброс энергии от источника (в нашем примере диффузора динамика) будет распространяться во всех направлениях вместе с волнами, переноситься ими на расстояние.

Волны, распространяемые колебательным движением, могут быть двух типов:

  1. Продольные волны - они распространяются частицами среды (твёрдой, жидкой, газообразной), при этом колебания происходят вдоль направления движения волнового фронта от источника. Продольные волны могут возникать во всех трёх средах: твёрдой, жидкой, газообразной.
  2. Поперечные волны - возникают только лишь в твёрдых или на поверхности жидких сред, при этом колебания распространяются перпендикулярно направлению движения волны от источника. Поперечные волны могут существовать в средах: твёрдой и поверхности жидкой.

Длина волны и скорость распространения

Поскольку волна отличается колебательной природой, то ей присущи все характеристики, относящиеся к колебаниям, а именно: А – ам­пли­ту­да (измеряется в метрах (м)), Т – пе­ри­од (измеряется в секундах (с)), ν – ча­сто­та (измеряется в Герцах (Гц)), λ – длина волны (измеряется в метрах (м)). Так же к волне полностью подходит теория синхронности по фазе.

К уже известным характеристискам колебательной природы добавляется понятие длины волны. Длина волны - это наименьшее расстояние между частицами, которые совершают колебательное движение синхронно по фазе. механические колебания и волны-14В визуальной интерпретации и в графическом представлении длину волны можно охарактеризовать как расстояние между пиками амплитуды волны. Длина волны обозначается символом λ ("лямбда") и измеряется в метрах (м). Характеристика длины волны применительна и к продольным и к поперечным волнам.

Про волну можно так же сказать, что она обладает скоростью. Скорость волны - это скорость перемещения "гребня"/амплитудного пика в пространстве за какой-то промежуток времени. Данный параметр обозначается традиционным для физической скорости символом V, измеряясь в метрах в секунду (м/с). механические колебания и волны-15Скорость волны напрямую зависит от параметров среды, в частности от плотности среды и от силы взаимодействия между частицами в этой конкретной среде, где будут происходить колебания. Скорость определяется по формуле отношением длины волны к периоду колебания частиц среды, в которой волна распространяется. В формуле обозначения V - скорость волны (м/с), λ - длина волны (м), T - период (с):

    \[ V=\frac{\lambda}{T} \]


Из вышеприведённой формулы можно получить значения величины заряда и времени, используя математические правила:

    \[ \lambda=VT \]


и

    \[ T=\frac{\lambda}{V} \]

В случае перехода волны из одной среды в другую меняются её характеристики скорости движения и длины, зато неизменной остаётся частота.

Звуковые волны

Рассмотрев механические колебания и волны в общем, стоит обратиться к более частному случаю, а именно к образованию звуковых волн. Различного рода волны могут распространяться в известных нам средах (воздушной, жидкостной и твёрдой). Одной из таких волн будет звуковая волна. Звук - это слышимые и воспринимаемые слуховыми органами человека волны, распространяющиеся в упругой среде, интерпретируемые нами как слуховые ощущения.

механические колебания и волны-17Человеческое ухо улавливает/воспринимает звуковые волны только с частотами в диапазоне от 16 Гц до 20000 Гц. Звуковые волны с часотой ниже 16 Гц называются инфразвуком, звуковые волны с частотой колебания выше 20000 Гц называются ультразвуком, просто они не воспринимаются нашим слуховым аппаратом из-за особенностей его биологического устройства.

Источниками звука являются всё те же тела или колебательные системы, которые совершают колебания в слышимом диапазоне частот (хотя технически и за его пределами, т.к. звук всё-равно излучается, просто человек его не слышит). От источника звука во все стороны расходятся волны, которые передаются самой средой, представляя собой чередование уплотнений и разряжений частиц самой среды. механические колебания и волны-16Этот волновой процесс как раз можно изобразить графически в виде повторяющегося синуса волны, где верхним пиком на графике будет участок уплотнения, а провалом или нижним пиком будет как раз участок разряжения, следующий один за другим в непрерывной периодичности.

Наличие среды является обязательным условием для передачи колебаний от источника к слуховому органу, способному уловить звуковую волну. Среда может быть твёрдой, жидкой или газообразной. Передача звука происходит лишь там, где есть какое-то вещество, оно выступает в роли своеобразного проводника. Если среды не будет, то и звуковые колебания не смогут передаваться, как например в вакууме.

Необходимые условия для существования/передачи звука

Чтобы звук существовал и успешно передавался от источника к слуховому "приёмнику", необходим ряд обязательных условий:

  • Источник звуковых волн или излучатель. Некий объект, который будет представлять собой колебательную систему, колебаться сам и передавать эти колебания окружающим телам или же самой среде
  • Наличие среды. Звуковые колебания передаются только частицами самой среды, поэтому её наличие обязательно. Среда может быть жидкой (вода и другие жидкости), твёрдой (металлы, дерево, пластик и другие соединения) и газообразной (воздух и любые другие газы).
  • Слуховой орган или "приёмник". Чтобы уловить и усвоить передающиеся в среде колебания необходимо наличие органа или устройства, которое будет улавливать или воспринимать колеьания, обычно путём раздражения или собственных колебаний.
  • Узкий слышимый человеком диапазон частоты 16 Гц - 200000 Гц. Для восприятия звука человеческими органами слуха, излучаемые колебания должны быть такой частоты, чтобы она была в рамках слышимого нами диапазона. Для приборов или же животных данный параметр и его границы могут сильно расширяться и варьироваться.
  • Интенсивность колебаний. Если излучаемые звуковые колебания будут слишком слабыми по интенсивности и не будут нести в себе достаточный энергетический потенциал для раздражения слухового органа или же иного приёмника (например микрофона), тогда они могут дойти до точки прослушивания излишне ослабленными и почти неслышимыми. Именно по этой причине важна достаточная интенсивность излучаемого звука.

Характеристики звуковой волны

Такое понятие как высота звука - определяется как количественная характеристика частоты колебаний волны за единицу времени. Чем больше совершается колебаний за секунду, например, тем звук будет выше, и наоборот. механические колебания и волны-18В области автозвука большое число колебаний совершают динамики под названием твитеры, соответственно они воспроизводят звуки высоких частот (большое количество за единицу времени), и такие колебания будут настолько частыми, что глазу практически не видны; тогда как звуки низких частот производят уже сабвуферы, их колебания редкие и хорошо видимые глазу в качестве реального механического движения динамика "вперёд-назад".

Следующей характеристикой звука будет тембр - это больше музыкальная и в некотором роде субъективная характеристика, обозначающая уникальную окраску звука, а точнее основного его тона. У каждого излучаемого звука имеется некий основной тон (пусть это будет основная музыкальная нота для наглядности, всего их 7) и произвольный весьма сложный по природе (для прогнозирования в т.ч.) набор призвуков, именуемых обертонами. механические колебания и волны-19Окрашивающие колебания или обертона состоят из целого набора отдельных колебаний, каждый раз различного, они так же именуются спектром колебаний. Соответственно энергия звука (интенсивность) распределяется между основным тоном и обертонами в некотором процентном соотношении, что и даёт в конечном счёте тот или иной звук, в котором либо преобладает основной тон, либо его окраска. Данное явление призвуков основного тона и характеризует тембр как уникальный и неповторимый звук, хорошо различимый на слух и узнаваемый. Именно благодаря призвуком в реальности образуется такое многообразие и богатство слышимых звуков.

Ещё одной значимой характеристикой звука будет громкость - характеристика, определяемая величиной амплитуды колебаний, а точнее величиной энергетического потенциала/запаса, которой обладает колебательная система или же приложенный к ней импульс. механические колебания и волны-20Чем больше амплитуда (соответственно передаваемая от источника звука энергия), тем больше всегда будет субъективное ощущение восприятия громкости звука.

Так же крайне важной характеристикой звука будет его скорость - которая определяет, насколько быстро звуковая волна преодолевает расстояние за временной отрезок от источника звука до органа слуха или иного приёмника. Соответственно скорость измеряется в метрах за секунду (м/с).

Скорость звука сильно зависит от среды, в которой он распространяется и от её текущего состояния:

  • В газообразных средах (например в воздухе) скорость звуковой волны зависит от температуры самой среды - чем температура выше, тем скорость будет больше. механические колебания и волны-21Так же скорость зависит от размеров и массы частиц, составляющих среду, а именно от молекул и атомов - чем масса молекул газообразной среды меньше, тем скорость звука будет больше.
  • В жидкостных средах (например в воде) скорость звука так же зависит от температуры - чем температура выше, тем скорость будет больше. механические колебания и волны-22Вторая зависимость от плотности среды и состава - чем меньше плотность, тем скорость звука будет больше.
  • В твёрдых средах/телах (например в металле) скорость звука аналогична зависимостям в жидкостях: от температуры - чем температура выше, тем скорость будет больше. механические колебания и волны-23Вторая зависимость от плотности среды и состава - чем меньше плотность, тем скорость звука будет больше.

Примерные скорости звука в разных средах с разбросом:

  • Скорость звука в воздухе 332 м/с (при температуре 0 градусов и нормальных значениях)
  • Скорость звука в воде 1403 м/с (при температуре 0 градусов и нормальных значениях)
  • Скорость звука в железе 5130 м/с (при температуре 0 градусов и нормальных значениях)

Отражение звука и эхо

Звуковые волны, распространяясь в пространстве среды, они будут неизбежно натыкаться на различные препятствия, которыми будут служить границы с другими средами. Примером такого препятствия будет переход от воздушной среды к водной, или к твёрдым телам. На границе каждого такого случая поведение звуковой волны изменится, одним из таких вариантов будет случай отражения звука. На границе сред происходит следующая ситуация: колебания, достигнув границы раздела сред, начнут сообщать/передавать колебания новой среде, заставляя её частицы так же колебаться. механические колебания и волны-24Однако, помимо распространения переданных колебаний вглубь новой среды, часть колебаний направится обратно в ту среду, из которой они пришли изначально. Т.е. можно будет сказать в этом случае, что колебательная волна отражается от границы среды. Так создаётся отражённая звуковая волна, которая в процессе этого отражения потерпит ряд изменений как в направлении распространения, так и по части всех остальных своих характеристик. Такая отражённая волна может восприниматься на слух по-разному, она может искажаться или же ощущаться на слух как эхо или же "акустической тенью".

Эхо - это отражённая от границы раздела сред звуковая волна, пришедшая с задержкой 0,06 секунды с момента образования и воспринимаемая слуховым органом. Эхо может образоваться только в том случае, когда время от момента образования звуковой волны до момента восприятия слуховым органом будет не меньше 0,06 секунды. Соответственно, чем больше пространство или площадь помещения, чем бОльшее расстояние необходимо пройти звуковой волне, тем больше вероятность появления данного эффекта.

Такой представляется теория раздела "механические колебания и волны", который крайне важен и полезен на просторах автозвуковых начинаний, а так же будет просто полезен всем для общего развития. В следующий раз попробуем разобрать более углублённую теорию электромагнитных явлений.

Поделиться в соцсетях:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *