Распространение звука в металле

Обновлено: 04.07.2024

Звук порождает тело, которое движется, вибрирует с определенной частотой. Если колебания слишком медленные, то воздух просто обходит объект и звук не возникает. В статье мы расскажем, что препятствует распространению звука, но прежде разберемся, что собой представляет звуковая волна. Рассмотрим процесс появления звука в воздухе, воде, твердых телах.

Как возникает и расходится в воздухе звуковая волна

Источник звука движется и тем самым меняет давление воздуха в близко расположенных слоях. С каждым отклонением тела воздух попеременно сжимается и разреживается. Изменения давления передаются от слоя к слою — так распространяется упругая волна. Расстояние, на котором звук можно будет воспринять, определяется длиной волны, т. е. дистанцией между ближайшими точками сжатия воздуха. Длина волны в свою очередь зависит от частоты колебаний. Звуки большой частоты мы называем высокими, а малой — низкими.

Акустическая волна в разных средах

Вам будет интересно: Скелет курицы: строение, названия и описание костей, фото

Распространение звука в среде зависит от ее строения и характеристик. Жидкости, воздух, твердые тела — все эти вещества устроены по-разному, поэтому проводят звук неодинаково.

Частицы воды и твердых тел удерживает между собой кристаллическая решетка. Атомы связаны электрическими силами, поэтому вода не может полностью растечься, а твердые объекты сохраняют форму. Как только звуковое давление смещает одну частицу, за ней следуют и другие. Это свойство называется упругостью и означает способность среды, тела противостоять деформации. Чем более упругая среда, тем быстрее она проводит звук.

В сравнении с твердыми телами и жидкостями воздух наименее упругий. Это объясняется его строением. Частицы не удерживают между собой никакие связи, поэтому воздух все время стремится рассеяться. Этому препятствует сила тяжести и постоянные столкновения атомов между собой.

При 0° С скорость распространения звука в воздухе — 340 м/с, воде — 1480 м/с. В твердых телах, особенно металлах, звук проходит намного быстрее (до 5-6 тыс. м/с).

Что препятствует распространению звука

От тела звук расходится во все стороны одинаково, но только в том случае, если на его пути нет преград. Не все препятствия мешают распространению звука. Очевидно, что листом картона, как от света, от шума не закроешься. Дело в том, что звуковые волны обходят преграды, если их размер меньше длины волны. Длина волн, которые мы слышим, составляет 0,015-15 м. Дерево волна может обогнуть, а здание или скалистые горы — нет. От таких больших объектов она отражается. Как и свет, звуковая волна отражается под углом, равным по величине углу падения. В момент отражения мы слышим эхо.

Переход звука из среды в среду

Он возможен, только если плотности двух сред не слишком отличаются. Например, у воздуха и воды разница слишком велика. Звук, подойдя к границе, отражается от поверхности реки. Только маленькая часть энергии волны расходуется на вибрацию верхних слоев воды. Под водой, вблизи ее поверхности, звуки еще слышны, а на метровой глубине уже нет.

Среды, обладающие звукоизоляционными свойствами

В зданиях с тонкими стенами хорошая слышимость, потому что звук приводит их в колебательное движение. Стены воссоздают шум в соседнем помещении. Что препятствует распространению звука, что изолирует акустическую волну? Пробковая крошка, минеральная вата, штукатурка с микрочастицами, поролон — все эти материалы имеют общее свойство: в них множество отсеков, пор. Звук, попадая в эти пустоты, многократно отражается и поглощается.

Что препятствует распространению звука в природе? Пример поглощения акустической волны в естественных условиях — туман. При ясной погоде слышно лучше и на большем расстоянии. Туман — это неоднородный воздух, он содержит капельки воды. Часть волны поглощают «отсеки» между водой и воздухом.

Поглощение звуков разной частоты

Есть звуки, которые поглощаются с трудом, все зависит от их частоты. Низкие звуки (пароходный гудок, звон большого колокола) слышно за десятки километров. Их частота составляет 30-50 Гц, поэтому они плохо поглощаются средой. Высокие звуки распространяются не так далеко, потому что легко поглощаются. Например, ультразвук с его частотой свыше 20 тыс. Гц мы вообще не воспринимаем.

Скорость звука и дальность его распространения

Приблизительная скорость слышимого, среднечастотного звука (частотой порядка 1-2 кГц) и максимальная дальность его распространения в различных средах:

в воздухе - 344.4 метров в секунду (при температуре 21.1 по шкале Цельсия) и примерно 332 м/с - при нуле градусов;
в воде - приблизительно 1.5 километра в секунду;
в дереве твёрдых сортов - порядка 4-5 км/с вдоль волокон и в полтора раза меньше - поперёк.

При 20 °С., скорость звука в пресной воде равна 1484м/с (при 17° - 1430), в морской - 1490 м/с.

Скорость звука в металлах и других твёрдых телах(приведены величины только самых быстрых, продольных упругих волн):

в нержавеющей стали - 5.8 километров в секунду.
Чугун - 4.5
Лёд - 3-4км/с
Медь - 4.7 км/с
Алюминий - 6.3км/с
Полистирол - 2.4 километров в секунду.

С повышением температуры и давления, скорость звука в воздухе - возрастает. В жидкостях - обратная зависимость по температуре.

Скорости распространения упругих продольных волн в массивах горных пород, м/с:

почва - 200-800
песок сухой / влажный - 300-1000 / 700-1300
глина - 1800-2400
известняк - 3200-5500

Уменьшают дальность распространения звука, вдоль поверхности земли - высокие преграды (горы, здания и строения), противоположное направление ветра и его скорость, а так же другие факторы (пониженное атмосферное давление, повышенная температура и влажность воздуха). Расстояния, на которых источник громкого шума почти не слышно - обычно, от 100 метров (при наличии высоких преград или в густом лесу), до 300-800 м. - на открытой местности (при попутном среднем ветре - дальность увеличивается до километра и более). С расстоянием "теряются" (быстее гасятся и рассеиваются) более высокие частоты и остаются низкочастотные звуки. Максимальная дальность распространения инфразвука средней интенсивности (человек его не слышит, но воздействие на организм есть) - десятки и сотни километров от источника.

Интенсивность затухания (коэффициент поглощения) звука средних частот (порядка 1-8 кГц), при нормальном атмосферном давлении и температуре, над землей с невысокой травой, в степи - приблизительно 10-20 дБ на каждые 100 метров. Поглощение пропорционально квадрату частоты акустических волн.

Если во время грозы вы увидели сильную молнию и через 12 секунд услышали первые раскаты грома - это значит, что молния ударила в четырёх километрах от вас ( 340 * 12 = 4080 м.) В приблизительных расчётах принимается - три секунды на километр расстояния (в воздушном пространстве) до источника звука.

Линия распространения звуковых волн отклоняется в направлении уменьшения скорости звука (рефракция на градиенте температуры), то есть, солнечным днём, когда воздух у поверхности земли теплее, чем вышележащий - линия распространения звуковых волн изгибается вверх, но если верхний слой атмосферы окажется теплее приземного, то звук пойдёт оттуда обратно вниз и слышно будет лучше.

Дифракция звука - огибание волнами препятствия, когда его размеры сравнимы с длиной волны или меньше ее. Если намного больше длины волны, то звук отражается (угол отражения равен углу падения), а позади препятствий формируется зона акустической тени.

Отражения звуковой волны, её рефракция и дифракция - вызывают многократное эхо (реверберацию), что оказывает значительное влияние на слышимость речи и музыки в помещении или за его пределами, что учитывается при звукозаписи, для получения живого звучания (путём размещения в оптимально близких зонах стереокартины малогабаритных микрофонов с острой характеристикой направленности, для записи прямого звука, с последующим сведением и микшированием «сухой» записи процессором в цифру или используя дальние-равноудалённые, хорошо настроенные микрофоны окружения с дополнительной записью отражённых звуков).

Почему металл звенит?

Интересно

По звуку, который издает тот или иной предмет, можно понять, из какого материала он сделан. Наверняка каждый из нас сможет легко определить, какая вещь упала на пол, даже не глядя на нее. Ведь разница между стеклянной чашкой, деревянной дощечкой или металлической ложкой сразу заметна. Но в чем секрет звонкости металла, который звучит громче других материалов.

Как возникает звук?

Чтобы понять, почему металл звенит, рассмотрим сперва природу возникновения звука. Это явление физического характера, которое представляет собой распространение механических колебаний в определенной среде – жидкой, твердой либо газообразной.

Сами же колебания являются упругими волнами. Они распространяются под действием упругих сил. В целом звук можно назвать субъективным понятием, поскольку зависит он от восприятия органами слуха. У звука есть 2 основные свойства – это частота и амплитуда. Частота связана с тоном и высотой, а амплитуда – с громкостью.

Восприятие звука

Проще говоря, звук появляется, когда частицы в определенной среде выводятся из состояния покоя. Происходят еле заметные перепады давления. Чаще всего мы воспринимаем звуки в воздухе, но они легко проходят и сквозь воду, и через твердые предметы.

Интересный факт: воспринимаемые человеческим ухом звуковые колебания находятся в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Все, что ниже этого диапазона, называется инфразвуком. Колебания от 21 кГц до 1 ГГц – это ультразвук, а выше 1 ГГц – гиперзвук.

Например, когда человек говорит, воздух из легких проходит через голосовые связки, которые создают колебания и перепады давления. Наглядный пример образования звука – гитарная струна. Прикосновения заставляют ее быстро вибрировать и издавать характерные звуки. Но если резко прекратить движения струны, то пропадут и вибрации, и звуки.

Свойства металла

Любой предмет состоит из определенных материалов, а те, в свою очередь, из мельчайших частиц. Чтобы услышать звук, необходимо нарушить равновесие данных частиц, заставить их вибрировать. Из этого исходит, что любая вещь может создавать звуковые волны.

Почему же тогда удар по металлическому предмету вызывает громкий звон, а, упавший рулон ткани, к примеру, только еле уловимый шорох? Оказывается, все зависит от типа вещества и его свойств.

Виды деформации

Металлу свойственны многочисленные положительные свойства. Вероятно, поэтому он активно используется человечеством во все отраслях с самых давних времен. Это прочность, долговечность, электро- и теплопроводимость, ковкость и др.

Но с точки зрения звуковых колебаний, наибольший интерес вызывает упругость металла. Это способность твердого материала возвращать первоначальный размер и форму при упругой деформации.

Другими словами, воздействие на металлический предмет меняет его параметры. Однако если перестать прикладывать силу по отношению к предмету, то он вернется к прежнему размеру, форме.

Упругость свойственна разным материалам. Но природа данного свойства у каждого своя. Например, резина растягивается и возвращается к исходному положению за счет растяжения полимерной цепочки. Воздействие силы на металл заставляет меняться его атомную решетку, после чего она тоже приобретает изначальную форму.

Хороший пример – столкновение двух металлических крышек. Хоть внешне мы не увидим каких-то изменений, равновесие мельчайших частиц нарушено, возникают очень быстрые вибрации.

Металлы, как правило, одинаково хорошо сжимаются и растягиваются

Металл стремится вернуться в первоначальное состояние, но силы упругости действуют в нем слишком активно. Поэтому в течение доли секунды происходят колебания, интенсивность которых постепенно снижается. Окружающий воздух то сжимается, то разжижается, вызывая характерный звон.

Интересный факт: еще одно интересное свойство некоторых металлов – пластичность. Можно сгибать металлическую проволоку и она не сломается. В пластичных металлах слои атомов смещаются, но связи между ними остаются такими же прочными. Самые пластичные – золото, серебро, медь, а самые хрупкие – марганец, цинк, олово.

Примечательно, что металлы – это довольно большая группа химических элементов и свойства у них разные. То же самое касается и издаваемых звуков. Частота звуковых колебаний зависит не только от упругости металла, но и от формы, размера, массы предмета.

Классические колокола изготавливаются из специальной колокольной бронзы (80% меди, 20% олова)

Один из самых старых музыкальных и сигнальных инструментов – металлический колокол. В старину особенно ценились колокольные мастера, которым удавалось подобрать идеальный состав, а также внешние параметры инструмента.

Металл звенит благодаря его упругости. Это свойство вещества при упругой деформации возвращать первоначальную форму и размер. При воздействии на металлический предмет возникают частые и быстрые колебания мельчайших его частиц, стремящихся вернуться к состоянию равновесия. Происходят перепады давления, которые воспринимаются нашими органами слуха как звон.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Что препятствует распространению звука? Распространение звука в среде

Читайте также: