Эффектом Доплера называют изменение частоты колебаний, воспринимаемых приемником при движении приемника и источника относительно друг друга. 16 страница
Механика, гидродинамика и теория упругости, теория волн, акустика и оптика развиваются в тесной связи друг с другом. Члены Петербургской Академии наук Л. Эйлер (1707-1783) и Д. Бернулли (1700-1782) и французские учёные Ж.Л. Д’аламбер (1717-1783) и Ж.Л. Лагранж (1736-1813) разрабатывают теорию колебаний струн, стержней и пластинок, объясняют происхождение обертонов. Немецкий учёный Э. Хладни (1756-1827) экспериментально исследует формы звуковых колебаний, совершаемых различными звучащими телами – мембранами, пластинами, колоколами. Австрийский физик Х. Доплер (1803-1853) устанавливает закон изменения частоты волны при движении источника звука относительно наблюдателя.
Огромное значение не только для акустики, но и для физики в целом имело создание методов разложения сложного колебательного процесса на простые составляющие – анализа колебаний – и синтеза сложных колебаний из простых. Математический метод разложения периодически повторяющихся процессов на простые гармонические составляющие был найден французским учёным Ж. Фурье (1768-1830). Экспериментально анализ звука – разложение его в спектр гармонических колебаний с помощью набора резонаторов – и синтез сложного звука из простых составляющих осуществил Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894) – немецкий физик, математик, физиолог и психолог. Подбором камертонов с резонаторами Г. Гельмгольцу удалось искусственно воспроизвести различные гласные. Он исследовал состав музыкальных звуков, объяснил тембр звука характерным для него набором добавочных тонов (гармоник). На основе своей теории резонаторов Г. Гельмгольц дал первую физическую теорию уха как слухового аппарата, позволившую изучить характер воздействия звуковых волн на орган слуха. Он решил задачу органной трубы, провел исследования колебания струн и акустических резонаторов. Его исследования заложили основу физиологической акустики и музыкальной акустики. Этот этап развития акустики подытожен английским физиком Дж. Стреттом – лордом Рэлеем (1842-1919) в его классическом труде «Теория звука», положивший начало акустике.
|
|
|
На рубеже XIХ и ХХ вв. важные работы по акустике были выполнены русским физиком Н. Умовым (1846-1915), который ввёл понятие плотности потока энергии для упругих волн. Американский учёный У. Сэбин (1868-1919) заложил основы архитектурной акустики. Русский физик П.Н. Лебедев (1866-1912) вместе со своими учениками выделил из резкого звука электрической искры ультразвуковые волны с частотами до нескольких сот кГц и исследовал их поглощение в воздухе.
К началу ХХ в. интерес к акустике ослабевает. Акустику считают теоретически и экспериментально завершенной областью науки, в которой остались нерешенными лишь задачи частного характера.
|
|
|
Современный период в истории акустики, начинающийся в 20-х гг. ХХ в., связан, прежде всего, с развитием электроакустики и созданием радиотехники и радиовещания. Перед акустикой встал новый круг проблем – преобразование звуковых сигналов в электромагнитные и обратно, их усиление и неискажённое воспроизведение. В то же время радиотехника и электроакустика открыли невиданные ранее возможности развития акустики. Электроакустика появилась ещё в последней четверти ХIХ в. В 1876 был изобретён телефон (А.Г. Белл (1847–1922), США), в 1877 – фонограф (Т.А. Эдисон (1847-1931), США). В 1901 была разработана магнитная запись звука, примененная затем в магнитофоне и звуковом кино. В начале ХХ в. электромеханические преобразователи звука были применены в громкоговорителях, а в 20-х гг. стали основой всей современной акустической аппаратуры.
Электронная лампа дала возможность усиления чрезвычайно слабых акустических сигналов, преобразованных в электрические. Были разработаны методы радиоакустических измерений, анализа и воспроизведения звука. Эти новые возможности превратили акустику в самостоятельный раздел современной физики и техники.
|
|
|
Развитие акустики в 1-й половине ХХ в. получило мощный импульс в связи с запросами военной техники. Задача определения положения и скорости самолёта (звуковая локация в воздухе), подводной лодки (гидролокация), определение места, времени и характера взрыва, глушение шумов самолёта – все эти проблемы требовали более глубокого изучения механизма образования и поглощения звука, распространения звуковых (в частности, ультразвуковых) волн в сложных условиях.
Первые успехи в гидроакустике были достигнуты французским физиком П. Ланжевеном (1872-1946), применившим в 1916 г. ультразвуковые волны для измерения глубины моря и обнаружения подводных лодок.
Современная акустика по своему содержанию и значению далеко перешагнула те границы, в которых она развивалась до ХХ века.
Прикладная акустика – чрезвычайно обширная область, к которой относится прежде всего электроакустика. Сюда же относятся акустические измерения –измерения величин звукового давления, интенсивности звука, спектра частот звукового сигнала и т.д. Архитектурная и строительная акустика занимается задачами получения хорошей слышимости речи и музыки в закрытых помещениях и снижением уровней шума, а также разработкой звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов. Прикладная акустика изучает также шумы и вибрации и разрабатывает способы борьбы с ними. Изучением распространения звука в океане и возникающими при этом явлениями: рефракцией звука, реверберацией при отражении звукового сигнала от поверхности моря и его дна, рассеянием звука на неоднородностях и т.д. занимаются гидроакустика и гидролокация.
|
|
|
Звуковые волны, распространяющиеся с частотой менее 20 Гц, называются инфразвуком, а с частотой более 20000 Гц – ультразвуком.
Характеристики звуковых волн
1 Интенсивность(сила звука) – средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной за единицу времени через единицу площади, перпендикулярную направлению распространения волны:
.
В СИ: 
2 Чувствительность человеческого уха различна для различных частот. Чтобы вызывать звуковые ощущения, волна должна обладать минимальной интенсивностью, порогом слышимости, но не превышать определенный предел – болевой порог (рис. 10.11).
3 Громкость звука зависит от интенсивности и от частоты звука. Громкость звука определяется по закону Вебера-Фехнера:
,
где I – интенсивность звука, I 0 – интенсивность звука на пороге слышимости.
В СИ: L = [дБ] (децибел).
4 Высота звука зависит от частоты: чем больше частота, тем выше звук.
5 Тембр звука определяется характером распределения энергии между частотами, что приводит к своеобразию звукового ощущения.
 |
6 Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле:
,
где γ – показатель адиабаты, равный отношению молярной теплоемкости газа при постоянном давлении к молярной теплоемкости газа при постоянном объеме, R = 8,31 Дж/моль·К – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура, μ – молярная масса газа.
7 Явление реверберации звука – процесс постепенного затухания звуковых волн после выключения источника.
8 Время реверберации – время, в течение которого интенсивность звуковой волны уменьшится в миллион раз, а его уровень на 60 дБ. Если время реверберации составляет 0,5-1,5 секунды, то говорят, что помещение обладает хорошей акустикой.
8 Эффект Доплера
Акустика движущихся сред – раздел акустики, в котором изучаются звуковые явления при движении среды или источников и приёмников звука. «Движение и звук» подразумевает движение среды, приёмников звука, источника звуковых колебаний, либо границы, либо их вариации. Акустика движущихся сред касается очень многих разделов акустики, таких как аэроакустика, акустические течения, аэродинамика, гидролокация и аэролокация, а также эффект Доплера.
В 1842 К. Доплер (1803-1853) теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Это явление впоследствии было названо его именем (эффект Доплера).
Эффектом Доплера называют изменение частоты колебаний, воспринимаемых приемником при движении приемника и источника относительно друг друга.
Для рассмотрения эффекта Доплера будем считать, что:
- источник и приемник движутся относительно друг друга вдоль прямой, соединяющей их;
- V ист – скорость источника, V пр – скорость приемника. Если источник и приемник приближаются, то V >0, если удаляются – V <0
- υ0 – частота колебаний источника, V – скорость распространения волн.
Рассмотрим примеры относительного движения источника и приемника (рис. 10.12; 10.13; 10.14).
v Источник и приемник покоятся, тогда:
V ист = 0, V пр = 0, 
,
следовательно, распространяясь в среде, волна достигнет источника с частотой 
– частота звука не изменяется.
v Приемник приближается к источнику, а источник покоится, тогда
V ист = 0, V пр > 0,
а частота, которую получит приемник, будет равна:
,
т.е. при приближении приемника он будет воспринимать волну в 
раз большей частоты.
v Источник приближается к приемнику, а приемник покоится
V ист > 0, V пр = 0.
Скорость распространения волны зависит лишь от свойств среды, поэтому за время t, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направлении к приемнику расстояние 
, равное длине независимо от того движется или покоится источник.
За это же время источник пройдет в направлении волны расстояние V ист T, т.е. длина волны в направлении движения сократится и станет равной:
.
Тогда частота, воспринимаемая приемником, будет равна:
.
v Источник и приемник движутся навстречу друг другу, тогда частота, воспринимаемая приемником, определяется по формуле:
,
причем верхний знак соответствует приближению, нижний – удалению 
источника и приемника волн.
Эффект Доплера имеет важное значение в астрономии, гидролокации и радиолокации. В астрономии по доплеровскому сдвигу определенной частоты испускаемого света можно судить о скорости движения звезды вдоль линии ее наблюдения.
Радиолокация – это определение местоположения объекта, обычно самолета или ракеты, путем облучения его высокочастотными радиоволнами и последующей регистрации отраженного сигнала. Если объект движется с большой скоростью в направлении радиолокатора или от него, то сигнал будет принят со значительным доплеровским сдвигом частоты, и по этому сдвигу можно вычислить скорость объекта. Точно так же доплеровский сдвиг частоты ультразвукового сигнала используется для определения скорости движения подводных лодок.
9 Примеры проявления и использования волновых явлений
Пример 1– «Фигуры Хладни»
Отцом экспериментальной акустики по праву считают немецкого физика Эрнеста Хладни (1756-1827). Наибольшую известность принесли Э. Хладни опыты по исследованию колебаний пластин с помощью открытого им метода акустических, или звуковых «фигур», которые произвели огромное впечатление на современников.
Сейчас их называют «фигурами Хладни». Свой метод, заключающийся в том, что песок, покрывающий тонким слоем колеблющуюся пластинку, указывает расположение узловых линий, Э. Хладни изложил в знаменитом трактате «Открытия в теории звука», изданном в Лейпциге (1787). Эти экспериментальные исследования являются образцом изящного эксперимента. Они поставили новую задачу математической физике – задачу о колебании мембраны.
В музыкальной акустике «фигуры Хладни» – историческая веха. Э. Хладни наглядно показал, что узловые линии наблюдаются не только на струне, но и существуют на пластинках и мембранах. Но этим не исчерпывается вклад Э. Хладни в акустику. Он первым исследовал колебания вилочного камертона, установил законы колебаний стержней при различных способах возбуждения – посредством удара, трения и т.д., исследовал продольные волны в твердых телах, занимался проблемой измерения скорости звука в твердом теле, открыл крутильные колебания стержней.
Э. Хладни вслед за Ж. Савером (1653-1716) выполнил новые экспериментальные измерения верхней границы слышимости звука. По Э. Хладни эта граница соответствует 22 000 колебаний в секунду, что почти в два раза выше границы, данной Ж. Савером. Надо сказать, что эти измерения (естественно, с применением более совершенных методик) производятся до сих пор и диапазон слышимости по частоте в различной литературе по акустике указывается различный. Знаменитое руководство Э. Хладни «Акустика», в котором он описывает все основные сделанные им открытия в экспериментальной акустике, появилось уже в другом столетии – в 1802 году.
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 83; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!