Учебная работа. Распространение звуковых волн в воздушной среде. Скорость звука, число М

Учебная работа. Распространение звуковых волн в воздушной среде. Скорость звука, число М

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ технический УНИВЕРСИТЕТ)

РЕФЕРАТ

на тему: «Распространение звуковых волн в воздушной среде. Скорость звука, число М»

Москва, 2012 г.

Оглавление

Введение

1. Звук. Как работает человеческое ухо

2. Звук и звуковая волна

3. Распространение звуковых волн в воздушной среде

4. Скорость звука. Число М

Перечень использованных источников

Введение

Итак, что все-таки такое звук?

Звук — это то, что слышит ухо.

Звук несет первичную информацию вселенной: «Сначала было слово». При этом любой звук живет собственной жизнью и несет, соответственно, свою информацию. Молитва, мантры, заклятья действуют сначала как звуковые образования, а не смысловые. Нередко и смысла в их не улавливается, а эффект наисильнейший.

Реально звук — это один из видов инфы, который человек получает из мира вокруг нас, кроме остальных органов эмоций (зрения, осязания). С старых времен человека окружали звуки, и большая часть их неосознанно ассоциируются с определенными эмоциями (представлениями). Другими словами звук тамтамов либо вой волка ассоциируется со ужасом; звук ручья, прилива моря, пения птиц ассоциируется с покоем.

Звуки делятся у человека на положительные, отрицательные и нейтральные. Те, которые он никогда не слышал, странноватые и не поддающиеся объяснению вызывают ужас и беспокойство.

У звуков, как волновых источников, есть диапазон, частота, сила энергетического действия. Даже генотип, другими словами ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) зашифрован в виде букв и его можно пропеть звуками.

С философской точки зрения звук существует лишь в случае, если наличествует его восприятие: «Звук — это воздушные вибрации, передающиеся на наши чувства через ушную систему, и признающимся таким лишь в наших нервных (орган животного, служащий для передачи в обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков»>действие будет создавать вибрацию воздуха. Если не будет ушей, чтоб слышать, не будет и звука» (1).

1. Звук. Как работает человеческое ухо

Внешнее и среднее ухо проводят звук. Поначалу звуковые волны приводят в движение барабанную перепонку. Барабанная перепонка, в свою очередь, приводит в движение цепочку слуховых косточек (молоточек, наковальня и стремечко). Подножная пластинка стремечка, расположенная в конце цепочки слуховых косточек, соединена с краями круглого окна внутреннего уха, либо улитки, мембраной (7).

Внутреннее ухо представляет собой полость в форме улитки, заполненную жидкостью. Колебания подножной пластинки передаются в эту жидкость.

Механические колебания преобразуются в нервные (относящиеся к пучкам нервов) импульсы чувствительными клеточками внутреннего уха, так именуемыми волосковыми клеточками. Они вырабатывают электронные потенциалы деяния, которые передаются от спирального ганглия в обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий из себя малогабаритное скопление орган животного, служащий для передачи в обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков»>системы животных, обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков) по слуховому нерву. обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков»>тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков) воспринимает нервные (относящиеся к пучкам нервов) импульсы и сформировывает звуковой образ.

Рис. 1. Схема строения уха человека

2. Звук и звуковая волна

Звук — это волновое распространение энергии в упругой среде в виде сжатия и растяжения среды (к примеру, звуковые волны в воздушной среде), которую воспринимают слуховые органы человека.

Таковым образом, звук, в широком смысле, — это упругие волны, распространяющиеся в какой-нибудь упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узеньком смысле — личное восприятие этих колебаний особыми органами эмоций звериных либо человека (1).

Рис. 2. Звуковые волны в воздухе — чередующиеся области сжатия и разрежения.

На физическом уровне звук — это колебания воздуха, которые может принимать человек. Как и неважно какая волна, звук характеризуется амплитудой и диапазоном частот. Частотный спектр звуковых колебаний, который воспринимается слуховым аппаратом человека, лежит в границах от 16Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) до 20000Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ). Звук ниже спектра слышимости человека именуют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком (1). Инфразвук и ультразвук не воспринимается человечьим ухом.

Частотный спектр условно делится на три участка:

1. 1-ый участок, прилегающий к границе инфразвука, именуется низкими частотами (НЧ (низкие частоты)).

2. 2-ой участок, лежащий меж НЧ (низкие частоты) и ВЧ (Высокие частоты), именуется средними звуковыми частотами (ЗЧ).

3. 3-ий участок, прилегающий к границе ультразвука, именуется высочайшей частотой (ВЧ (Высокие частоты)).

Физические характеристики звука:

1. Колебательная скорость измеряется в м/с либо см/с. В энергетическом отношении настоящие колебательные системы характеризуются конфигурацией энергии вследствие частичной её Издержки на работу против сил трения и излучение в окружающее место. В упругой среде колебания равномерно затухают. Это затухающие колебания. Если на колебательную систему с потерями действовать повторяющейся силой, то появляются обязанные колебания, нрав которых в той либо другой мере повторяет конфигурации наружной силы.

2. Скорость звука (глава 4)

3. Громкость звука. Это личное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового чувства). Громкость основным образом зависит от звукового давления, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, продолжительность действия звуковых колебаний и остальные причины.

Для генерации звука обычно используются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером таковой генерации может служить внедрение голосовых связок, динамиков либо камертона. Большая часть музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты, в каких звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте. Для сотворения когерентного звука используются так именуемые звуковые либо фононные лазеры (1).

Различие в скоростях распространения звука наглядно, когда вдыхают заместо воздуха гелий, и молвят что-либо, выдыхая им, — глас становится выше. Если же газ — гексафторид серы, то глас звучит ниже. Соединено это с тем, что газы приблизительно идиентично отлично сжимаемы, потому в владеющем весьма низкой плотностью гелии по сопоставлению с воздухом происходит повышение скорости звука, и снижение — в гексафториде серы с весьма высочайшей для газов плотностью. Размеры же ротового резонатора человека остаются постоянными, в итоге изменяется резонансная частота, потому что чем выше скорость звука, тем выше резонансная частота при других постоянных критериях.

Звуковые волны могут служить примером осциллирующего процесса. Всякое качание соединено с нарушением сбалансированного состояния системы и выражается в отклонении её черт от сбалансированных значений с следующим возвращением к начальному значению. Для звуковых колебаний таковой чертой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, к примеру, при помощи поршня, то в этом месте возрастет давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на примыкающие частички, которые, в свою очередь, действуют на последующие, и область завышенного давления вроде бы {перемещается} в упругой среде. За областью завышенного давления следует область пониженного давления, и, таковым образом, появляется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Любая частичка упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

Рис.3. Фронт звуковой волны

В водянистых и газообразных средах, где отсутствуют значимые колебания плотности, акустические волны имеют продольный нрав, другими словами направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, кроме продольных деформаций, появляются также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частички совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн существенно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Различают продольные и поперечные звуковые волны зависимо от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.

свойства звуковой волны:

Длина волны (м), — это расстояние, пройденное звуковой волной за одно полное качание (период Т) в среде распространения звука.

Частота (Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)) — это количество колебаний (периодов Т) звука, совершаемых за одну секунду.

Скорость звуковой волны — это скорость (м/с) движения волны (сжатого либо разреженного участка) в рассматриваемой среде.

Сила звука — это величина энергии звуковой волны, приходящейся на перпендикулярную, относительно направления распространения звука, площадку в 1 см2 в 1 секунду.

Звуковое давление — это лишнее (сверх атмосферное) давление, которое делает звуковая волна в среде распространения звука (сила звука и давление звука соединены меж собой квадратичной зависимостью).

Звуковое давление — основная численная черта звука (7).

3. Распространение звуковых волн в воздушной среде

Вибрация материалов вызывает явление звука. Если плоскость начинает вибрировать, то она толкает примыкающий к ней воздух в прямом и оборотном направлениях. Если спектр данной вибрации находится кое-где меж 10 и 10 тыщами колебаний в секунду, то воздушная среда обнаруживает некую упругость, не приметную при малых скоростях.

Попробуем помахать рукою в ту либо другую сторону со скоростью один взмах за секунду; мы почувствуем, что с воздухом ничего не происходит, он просто, как будто обтекая руку, ворачивается на прежнее пространство. В этом случае мы не имеем резкого, скачкообразного возврата частиц воздуха в прежнее положение. Но если сделать эти движения в сотки раз резвее, воздушная среда будет вести себя совершенно по другому. Она будет сжиматься под действием руки, двигающейся вперед, и разжиматься (либо испытывать разрежение) при движении руки в оборотном направлении. В этих вариантах молвят, что мы имеем естественную упругость воздушной среды (8).

Когда вибрирующая плоскость генерирует волны давления и разрежения, возникает звук. Камертон нередко употребляется для демонстрации этого явления. Когда плоскость двигается вперед, любая частица воздуха толкает соседнюю, создавая при всем этом волну давления. Когда плоскость двигается вспять, это давление заменяется разряжением, за которым следует иная волна давления и т.д.

В разных средах эти волны распространяются с различными скоростями, что и является чертой отдельной среды. Скорость распространения звука в воздушной среде зависит от его температуры и, для обычных критерий составляет приблизительно 340 м/сек.

Эта скорость не зависит от величины вибрации пластинки, генерирующей колебания в прямом и оборотном направлениях. Можно гласить о 100 перемещениях за секунду, но итог будет аналогичен тому, были эти перемещения равны 20 либо 20000 колебаниям. Величина скорости, с которой возникают волны воздушного давления, именуется частотой и измеряется одним циклом в секунду, герцем (Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)): 1 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) = 1 ц/с.

Снова обратимся например с рукою, но уже перемещающейся с частотой в 100 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ). естественно, это не будет являться безупречным источником звука: некое количество воздуха просто обтекает ладонь при ее перемещении. Для того, чтоб убрать явление обтекания, для таковой среды как воздух, источник звука должен быть намного больше, что-то вроде фронтальной панели пианино, и иметь как можно меньше скругленных углов. Но, если вибратор размером с людскую руку вынудить двигаться еще резвее, у воздуха уже не будет способности для обычного обтекания руки. Даже совершенно мелкие поверхности при весьма больших частотах вибрации, являются действенными источниками звука.

В реальности, звуки порождаются источниками разных форм и размеров, которые воспроизводят вибрацию достаточно сложным образом. Не считая того, волны воздушного давления способны отражаться от жестких поверхностей. Эти отражения складываются с волнами основного источника, создавая при всем этом сложное поле разных направлений.

4. Скорость звука. Число М

Скорость звука — скорость распространения упругих волн в среде — как продольных в газах, жидкостях и жестких телах, так и поперечных (сдвиговых) в жесткой среде (7). Определяется упругостью и плотностью среды.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах, что соединено в главном с убыванием сжимаемости веществ в этих фазовых состояниях соответственно.

В среднем, в безупречных критериях, в воздухе скорость звука составляет 340—344 м/с

Скорость звука в хоть какой среде рассчитывается по формуле:

звук волна скорость мах

где — адиабатическая сжимаемость среды; — плотность.

Числом Мамха (М) — один из критериев подобия в механике воды и газа. Представляет собой отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространения звука в передвигающейся среде (3). Назван по имени австрийского ученого Эрнста Маха (нем. E. Mach).

Число Маха в газовой динамике:

где — скорость потока, а — местная скорость звука.

Число Маха является мерой воздействия сжимаемости среды в потоке данной скорости на его давления:

из закона Бернулли разность давлений в потоке , другими словами относительное изменение плотности:

Так как скорость звука , то относительное изменение плотности в газовом потоке пропорционально квадрату числа Маха:

вместе с числом Маха употребляются и остальные свойства безразмерной скорости течения газа:

коэффициент скорости

и безразмерная скорость

где — критичная скорость,

— наибольшая скорость в газе,

— отношение удельных теплоемкостей газа при неизменных давлении и объёме соответственно.

Таковым образом, при обыденных критериях в атмосфере скорость звука составляет приблизительно 331 м/сек. Наиболее высочайшие скорости выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при всем этом гиперзвуковая скорость является частью этого спектра. НАСА (Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства — ведомство, принадлежащее федеральному правительству США) описывает «резвый» гиперзвук в спектре скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой галлактической скорости. Скорости выше числятся не гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата» галлактических аппаратов на землю.

Сверхзвуковамя скомрость — скорость частиц вещества выше скорости звука для данного вещества либо скорость тела, передвигающегося в веществе с наиболее высочайшей скоростью, чем скорость звука для данной среды (5).

При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело непременно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с верхушкой в передвигающемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает доп утрату энергии передвигающимся телом (кроме утраты энергии вследствие трения и иных сил).

Подобные эффекты испускания волн передвигающимися телами свойственны для всех физических явлений волновой природы, к примеру: черенковское излучение, волна, создаваемая судами на поверхности воды.

Самолёт, способный совершать полёт со скоростью, превосходящей скорость звука в воздухе (полёт с числом Маха M=1,2-5), именуется сверхзвуковым самолётом (2). Полёт на сверхзвуковой скорости, в отличие от дозвукового, протекает по остальным законам, так как при достижении объектом скорости звука отменно изменяется аэродинамическая картина обтекания, из-за чего же резко увеличивается аэродинамическое сопротивление, возрастает кинетический нагрев конструкции, сдвигается аэродинамический фокус, что ведёт к утрате стойкости и маневренности самолёта. Не считая того, возникло такое доныне неведомое явление как «волновое сопротивление».

Рис.4. Сверхзвуковой истребитель-перехватчик Су-27

Потому ранее достижение скорости звука и действенный полёт были невозможны обычным повышением мощности движков, требовались новейшие конструктивные решения. Следствием сделалось изменение наружного вида самолёта — возникли соответствующие прямые полосы, острые углы, в отличие от «гладкой» формы дозвуковых самолётов.

Необходимо подчеркнуть, что задачку сотворения действенного сверхзвукового самолёта недозволено считать решённой до сего времени. Создателям приходится идти на соглашение меж требованием роста скорости и сохранением применимых взлётно-посадочных черт. Таковым образом, завоевание авиацией новейших рубежей по скорости и высоте соединено не только лишь с внедрением наиболее совершенной либо принципно новейшей двигательной установки и новейшей компоновки самолётов, но также с переменами их геометрии в полёте. Такие конфигурации, улучшая свойства самолёта при огромных скоростях, не должны усугублять их свойств на малых скоростях, и напротив.

Существует еще один тип летательного аппарата — гиперзвуковой. Это летательный аппарат, способный производить полет в атмосфере с гиперзвуковой скоростью (бомльшей либо равной 5М) и маневрировать с внедрением аэродинамических сил (4). Крылатый летательный аппарат, владеющий таковой скоростью полета, может планировать на существенно бомльшие дальности, чем обыденный, потому что планирование становится «динамическим».

Рис.5. Космолёт Rockwell X-30 на орбите в представлении художника

Беря во внимание большой потенциал технологии, организации по всему миру производят исследования в области гиперзвукового полета. Таковой самолет должен существенно уменьшить время путешествия из одной точки в другую, потенциально сделав достижимой всякую точки Земли в границах 90 мин. Но, при всем этом остаются вопросцы, сумеют ли такие аппараты перевозить на для себя довольно горючего для совершения полетов на огромные расстояния и сумеют ли они летать на достаточной высоте, чтоб избежать связанных со сверхзвуковым полетом звуковых эффектов. Также остаются неопределенными вопросцы, связанные с общей стоимостью таковых полетов и возможностью неоднократного использования аппаратов опосля гиперзвукового полета.

Перечень использованных источников

1. HTTP://ru.wikipedia.org/wiki/Звук

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Сверхзвуковой_самолёт

3. HTTP://ru.wikipedia.org/wiki/Число_Маха

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Гиперзвуковой_летательный_аппарат

5. HTTP://ru.wikipedia.org/wiki/Сверхзвуковая_скорость

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/Скорость_звука

7. HTTP://magicflora.sitecity.ru/ltext_2108232322.phtml?p_ident=ltext_2108232322.p_0610011258

8. HTTP://www.zharanightclub.ru/djinfo/zvukovaya-sreda-chast-1

]]>