Физическая акустика
Физическая акустика занимается физическими принципами акустики , основанными на вибрациях.
Физическая акустика - это продольные волны , звуковые волны , которые воспринимаются ухом. Ухо как приемник звука реагирует на звуковые волны с частотами от 20 Гц до 20 000 Гц, звуковые волны более высоких частот относятся к ультразвуку . Звуковые волны представляют собой распространяющуюся последовательность сжатия и разжижения воздуха. Отдельные частицы воздуха колеблются только в небольших областях. Звуковая волна не переносит материю. В случае звуковых колебаний различают тон, звук, шум и удар, при этом чистый тон можно представить с помощью синусоидальной кривой . Когда он ударяется, колебания имеют большую быстро затухающую амплитуду.
Эхолот
Звуковые оповещатели представляют собой пластины и мембраны. Они используются для создания звука, например, в телефонах и громкоговорителях. Вибрационные струны также являются линейными эхолотами. Вы можете заставить воздух колебаться вдоль струны, но колебания, исходящие от передней и задней части струны, практически компенсируются помехами. В музыкальных инструментах струны натягиваются на деревянный футляр для усиления резонанса, при определенных размерах деревянный футляр действует как резонансный корпус. Для струнных инструментов важно, чтобы собственная частота усиливалась декой инструмента.
Следующее уравнение применимо к вибрирующим струнам:
Здесь длина струны, частота колеблющейся струны, сила, с которой струна натянута, плотность материала струны и поперечное сечение струны.
масштаб
В музыке есть гамма, состоящая из восьми тонов cdefgahc, причем каждый из двух тонов имеет определенное соотношение частот: основной, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, октавный ( интервал ). Интервалы в 12 полутонов не имеют однородного соотношения частот. Для физической настройки начинается с пунктирной C и устанавливается ν (c ') = 256 Гц, для международной настройки применяется концертная высота a' с ν (a ') = 440 Гц.
Звуковой ресивер
Приемники звука - это инструменты, которые реагируют на колебания давления в звуковой волне, например ухо. Также микрофоны являются приемниками звука. Колебания давления вызывают вибрацию мембраны. Они преобразуются в колебания электрического тока, которые можно обнаружить с помощью подходящего прибора.
Люди воспринимают тона как созвучие (мелодичность), когда частотные отношения не могут быть выражены целыми числами больше восьми, иначе как диссонанс .
ухо
Ощущение, которое воспринимает ухо от чистых синусоидальных колебаний воздуха, называется физически простым или чистым звуком. Высота звука зависит от частоты . Чем выше частота, тем выше тон. Громкость зависит от амплитуды синусоидального колебания. Чем больше амплитуда, тем громче звук. Ощущение, что ухо испытывает периодические, но не синусоидальные колебания, называется звуком. Это создает частоты гармонических гармоник или обертонов в целочисленном отношении к основной (основной). Закон акустики Ома применим к жалобам уха : звук зависит только от частот и амплитуд, но не от разности фаз.
Резонанс как основа акустики
Явления резонанса могут возникать во всех связанных колебательных системах. Если частота ω равна собственной частоте осциллятора , колебания имеют максимум в этой точке. Есть ответ . Поэтому собственная частота системы называется резонансной частотой. При слабом затухании резонансная кривая узкая, говорят о резком резонансе, при сильном затухании соответственно широкая резонансная кривая. Если по стеклу ударили, он генерирует тон на собственной частоте стекла, который можно слышать в течение более или менее длительного периода в зависимости от затухания. Стекло с низким затуханием может разбиться из-за сильной звуковой волны с частотой, очень близкой к собственной частоте стекла из-за возникающих резонансных колебаний.
В акустике то же уравнение колебаний применяется к чистым тонам - без учета затухания - что и для гармонического осциллятора :
- ,
где ω - резонансная частота, φ - фазовый сдвиг, u - амплитуда.
вмешательство
- К наложению звуковых волн применяются те же принципы, что и к другим типам волн .
- Наложение двух звуковых волн в одном направлении распространения приводит к биению с небольшой разностью частот .
- Амплитуда образовавшейся волны периодически уменьшается и увеличивается.
Интенсивность звука
- Минимальная сила звука, которая должна быть слышна, - это порог слышимости , а верхний предел - это болевой порог .
- Уровень звука - это 10-кратный десятичный логарифм двух уровней звука. Единица измерения - децибел .
- Объем , с помощью которого человек субъективно воспринимает силу звука зависит от чувства слуха и физиологическое количество с единицей феном .
Ультразвуковой
Частоты выше слышимого диапазона называются ультразвуком.
литература
- Х. Кучлинг: Taschenbuch der Physik , Harry Deutsch Verlag (1986), 314–339, ISBN 3-87144-097-3 .
Индивидуальные доказательства
- ^ Лотар Мейер, Герд-Дитрих Шмидт: Физика. Duden Paetec GmbH Берлин, 2005, ISBN 3-89818-011-5 , стр.125
- ↑ Манфред Борман: Экспериментальная физика. Том 1 / б: Механика деформируемых сред, механические колебания и волны, термодинамика. Издатель исследования Dr. Brokmeyer, Bochum 1984, ISBN 3-88339-123-9 , стр. 133-120
- ^ Пол А. Типлер , Джин Моска: Физика для ученых и инженеров. Elsevier, Spektrum Akademischer Verlag, 2004, ISBN 3-8274-1164-5 , стр. 452-454.