Реферат: Скорость звука в различных средах. Эффект Доплера в акустике

Содержание.

стр.

Введение.

1. Скорость звуковых волн в различных средах.

2. Эффект Доплера в акустике.

Заключение.

Список литературы.

Приложение A– таблицы.

Приложение B– таблицы.

Введение.

Понятие звукаобычно ассоциируется у нас со слухом и, следовательно, с физиологическимипроцессами в ушах, а также с психологическими процессами в нашем мозгу (тампроисходит переработка ощущений, поступающих в органы слуха). Кроме того, под звукоммы понимаем физическое явление, вызывающее действие на наши уши, а именнопродольные волны. Если такие упругие волны, распространяющиеся в воздухе, имеютчастоту в пределах от 16 до 20000 Гц, то, достигнув человеческогоуха, они вызывают ощущение звука. В соответствии с этим упругие волны влюбой среде, имеющие частоту, заключённую в указанных пределах, называют звуковымиволнами или просто звуком. Упругие волны с частотами, меньшими 16Гц, называют инфразвуком; волны с частотами, превышающими 20000 Гц,называют ультразвуком. Инфра- и ультразвуки человеческое ухо не слышит.

Дляслушающего человека сразу становятся очевидными две характеристики звука, аименно его громкость и высота. Громкость связана с интенсивностьюзвуковой волны, которая пропорциональна квадрату амплитуды волны. Высота звукапоказывает, является ли он высоким, как у скрипки или у виолончели, или низким,как звук большого барабана или басовой струны. Физической величиной,характеризующей высоту звука, является частота колебаний звуковой волны, чтовпервые заметил Галилей. Чем меньше частота, тем ниже высота звука, а чембольше частота, тем звук выше.

Одной изважных характеристик звука является его скорость. Скорость звука — этоскорость распространения звуковых волн в среде. В газах скорость звука меньше,чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах (причем дляпоперечных волн скорость всегда меньше, чем для продольных). Скорость звука вгазах и парах от 150 до 1000 м/с, в жидкостях от 750 до 2000 м/с, в твердыхтелах от 2000 до 6500 м/с. В воздухе при нормальных условиях скорость звука 330м/с, в воде — 1500 м/с.

Также вреферате рассматривается эффект, на существование которого в 1842 году указал КРИСТИАНДОПЛЕР (Допплер) (Doppler) (1803-53), австрийский физик и астроном.Позже этот эффект был назван его именем.

1. Скорость звуковых волн в различныхсредах.

Мы обычно считаем, что звукраспространяется в воздухе, потому что, как правило, именно воздух контактируетс нашими барабанными перепонками, и его колебания заставляют колебаться этиперепонки. Однако звуковые волны могут распространяться и в других веществах.Удары двух камней друг о друга пловец может слышать, находясь под водой,поскольку колебания передаются уху водой. Если приложить ухо к земле, то можноуслышать приближение поезда или трактора. В этом случае земля не воздействуетнепосредственно на ваши барабанные перепонки. Однако продольную волну,распространяющуюся в земле, называют звуковой волной, поскольку её колебанияприводят к колебаниям воздуха во внешнем ухе. Действительно, продольные волны,распространяющиеся в любой материальной среде, часто называют звуковыми.Очевидно, звук не может распространяться в отсутствие вещества. Например,нельзя услышать звон колокола, находящегося внутри сосуда, из которого выкачанвоздух [опыт

Роберта Бойля (1660 год)].

Скоростьзвука в различных веществах имеет разные значения. В воздухе притемпературе 0 оCи давлении 1 атм звук распространяется со скоростью 331,3 м/с. В воздухе идругих газообразных и жидких средах скорость зависит от модуля всестороннегосжатия Bи плотности среды(вещества) r

В гелии, плотность которого значительно меньше, чемплотность воздуха, а модуль всестороннего сжатия почти такой же, скорость звукабольше почти в три раза. В жидкостях и твёрдых телах, которые значительно менеесжимаемы и, следовательно, имеют значительно большие модули упругости, скоростьсоответственно больше. Значения скорости звука в различных веществах приведеныв таблицах 1.1, 1.2, 1.3; они в наибольшей степени зависят от температуры(смотри таблицы 1.4, 1.5), однако эта зависимость существенна только для газови жидкостей. Например, в воздухе при повышении температуры на 1 оC скорость звука возрастаетприблизительно на 0,60 м/с:

u

»(331+0,60T) м/с,

где T-

температура в оC. Например, при 20 оC мы имеем:

u

»[331+(0,60)*(20)]м/с = 343 м/с.

2. Эффект Доплера в акустике.

Вы могли заметить, что высота звукасирены пожарной машины, движущейся с большой скоростью, резко падает послетого, как эта машина пронесётся мимо вас. Возможно, вы замечали также изменениевысоты сигнала автомобиля, проезжающего на большой скорости мимо вас. Высотазвука двигателя гоночного автомобиля тоже изменяется, когда он проезжает мимонаблюдателя. Если источник звука приближается к наблюдателю, высота звукавозрастает по сравнению с тем, когда источник звука покоился. Если же источникзвука удаляется от наблюдателя, то высота звука понижается. Это явлениеназывается эффектом Доплера и имеет место для всех типов волн.Рассмотрим теперь причины его возникновения и вычислим изменение частотызвуковых волн, обусловленное этим эффектом.

Рис. 2.1

Эффект Доплера: а — обанаблюдателя на тротуаре слышат звук сирены стоящей на месте пожарной машины наодной и той же частоте; б — наблюдатель, к которому приближается пожарнаямашина, слышит звук более высокой частоты, а наблюдатель, от которого машинаудаляется, слышит более низкий звук.

Рассмотрим для конкретностипожарный автомобиль, сирена которого, когда автомобиль стоит на месте,испускает звук определённой частоты во всех направлениях, как показано на рис.2.1, а. Пусть теперь пожарный автомобиль начал двигаться, а сирена продолжаетиспускать звуковые волны на той же частоте. Однако во время движения звуковыеволны, испускаемые сиреной вперёд, будут располагаться ближе друг к другу, чемв случае, когда автомобиль не двигался, что и показано на рис. 2.1, б. Этопроисходит потому, что в процессе своего движения пожарный автомобиль«догоняет» испущенные ранее волны. Таким образом, наблюдатель у дороги заметитбольшее число волновых гребней, проходящих мимо него в единицу времени, и,следовательно, для него частота звука будет выше. С другой стороны, волны,распространяющиеся позади автомобиля, будут дальше отстоять друг от друга,поскольку автомобиль как бы «отрывается» от них. Следовательно, за единицувремени мимо наблюдателя, находящегося позади автомобиля, пройдёт меньшееколичество волновых гребней, и высота звука будет ниже.

Рис. 2.2.

Чтобы вычислить изменениечастоты, воспользуемся рис. 2.2. Будем считать, что в нашей системе отсчётавоздух (или другая среда) покоится. На рис. 2.2 источник звука (например,сирена) находится в покое. Показаны последовательные гребни волн, причём одиниз них только что испущен источником звука. Расстояние между этими гребнямиравно длине волны l

. Если частота колебаний источника звука равна ¦, товремя, прошедшее между испусканиями волновых гребней, равно

T=1/¦

Рис. 2.3.

На рис. 2.3 источник звука движется со скоростью u

ист.За время T (оно толькочто было определено) первый гребень волны пройдёт расстояние d = uT, где u — скорость звуковой волны в воздухе (которая, конечно, будет одна и та женезависимо от того, движется источник или нет). За это же время источник звукапереместится на расстояние dист= uистT. Тогдарасстояние между последовательными гребнями волны, равное новой длине волны l`,запишется в виде

l

`= d + dист = (u + uист) T=(u + uист)/¦,

поскольку T = 1/¦

. Частота ¦` волны даётся выражением

¦

`=u /l`= u¦/ (u + uист),

или

¦

` = ¦/(1 +uист/u)[источник звука удаляется от покоящегося наблюдателя].

(2.1а)

Поскольку знаменатель дроби больше единицы, мы имеем ¦

`<¦.Например, если источник создаёт звук на частоте 400 Гц, когда он находится впокое, то, когда источник начинает двигаться в направлении от наблюдателя,стоящего на месте, со скоростью 30 м/с, последний услышит звук на частоте (притемпературе 0 оC)

¦

` =400 Гц / 1 + (30 м/с)/(331 м/с) = 366,64 Гц.

Новаядлина волны для источника, приближающегося к наблюдателю со скоростью u

ист,будет равна

l

`= d — dист.

При этом частота ¦

` даётся выражением

¦

` = ¦/(1 — uист/u)[источник звука приближается к покоящемуся наблюдателю].

(2.1б)

ЭффектДоплера возникает также в том случае, когда источник звука покоится(относительно среды, в которой распространяются звуковые волны), а наблюдательдвижется. Если наблюдатель приближается к источнику звука, то он слышит звукбольшей высоты, нежели испускаемый источником. Если же наблюдатель удаляется отисточника, то звук кажется ему ниже. Количественно изменение частоты здесь малоотличается от случая, когда движется источник, а наблюдатель покоится. В этомслучае расстояние между гребнями волны (длина волны l

) не изменяется, аизменяется скорость движения гребней относительно наблюдателя. Если наблюдательприближается к источнику звука, то скорость волн относительно наблюдателя будетравна u`= u+ uнабл,где u — скорость распространения звука в воздухе (мы предполагаем, что воздухпокоится), а uнабл– скорость наблюдателя. Следовательно, новая частота будет равна

¦

`=u`/l= (u+ uнабл)/l,

или, поскольку l

=u/¦,

¦

` =(1 + uнабл/u)¦[наблюдатель приближается к покоящемуся источнику звука].

(2.2а)

В случае же, когда наблюдатель удаляется от источниказвука, относительная скорость будет равна u

` = u — uнабл,

¦

` =(1 — uнабл/u)¦[наблюдатель удаляется от покоящегося источника звука].

(2.2б)

Еслизвуковая волна отражается от движущегося препятствия, то частота отражённойволны из-за эффекта Доплера будет отличаться от частоты падающей волны, т.е.произойдёт так называемый доплеровский сдвиг частоты. Если падающую иотражённую звуковые волны наложить друг на друга, то возникнет суперпозиция, аэто приведёт к биениям. Частота биений равна разности частот двух волн. Такоепроявление эффекта Доплера широко используется в различных медицинскихприборах, использующих, как правило, ультразвуковые волны в мегагерцевомдиапазоне частот. Например, отражённые от красных кровяных телец ультразвуковыеволны можно использовать для определения скорости кровотока. Аналогичнымобразом этот метод можно применять для обнаружения движения грудной клетки зародыша,а также для дистанционного контроля за сердцебиениями. Следует заметить, чтоэффект Доплера лежит также в основе метода обнаружения с помощью радараавтомобилей, которые превышают предписываемую скорость движения, но в этомслучае используются электромагнитные (радио) волны, а не звуковые.

Точностьсоотношений (2.1) и (2.2) снижается, если u

ист или uнаблприближаются к скорости звука. Это связано с тем, что смещение частиц среды ужене будет пропорционально возвращающей силе, т.е. возникнут отклонения от законаГука, так что большинство наших теоретических рассуждений потеряет силу.

Заключение.

Звук распространяетсяв виде продольной волны в воздухе и других средах. Скорость звука в воздухеувеличивается с ростом температуры; при 0 оС она равнаприблизительно 331 м/с.

Эффект Доплера заключается в том, что движение источниказвука или слушателя вызывает изменение высоты звука. Характерен для любых волн

(свет, звук и т. д.). При приближенииисточника к приемнику l уменьшается, а при удалениирастет на величину l — lо = nlо/c, где lо — длина волны источника, c — скорость распространения волны, n — относительная скорость движения источника.Другими словами, если источник звука и слушатель сближаются, то высота звукарастёт; если же они удаляются друг от друга, то высота звука понижается.

Список литературы.

1. Большая энциклопедия Кирилла иМефодия 2001 (2 CD-ROM).

2. Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т.1: Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. – 656 с., ил.

3. Енохович А. С. Краткий справочник по физике. – 2-еизд., перераб и доп. – М.: Высшая школа, 1976. – 288с., ил.

4. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-хт. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. – М.:Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 496 с., ил.

Приложение A.

Таблицы.

Таблица 1.1. Скорость звука в газах (0 о

C; 101325 Па), м/с

Газ

Скорость звука, м/с

Газ

Скорость звука, м/с

Азот

334

Кислород

316

Аммиак

415

Метан

430

Ацетилен

327

Окись углерода

338

Водород

1284

Углекислый газ

259

Воздух

331,46

Хлор

206

Гелий

965

-

-

Таблица 1.2. Скорость звука в жидкостях, м/с

Жидкость

t, о

C

Скорость звука, м/с

Жидкость

t, о

C

Скорость звука, м/с

Бензин

17

1166

Нефть

15

1330

Вода:

Раствор (5%) поваренной соли

15

1540

— обычная

25

1497

— морская

20

1490

Ртуть

20

1451

— тяжёлая

25

1399

Спирт этиловый

20

1180

Глицерин

20

1923

Толуол

20

1382

Керосин

20

1330

Эфир этиловый

20

1008

Кислород жидкий

-210

1130

-

-

-

Таблица 1.3. Скорость звука в твёрдых веществах (при 20 оC), м/с

Вещество

Скорость звука, м/с

Вещество

Скорость звука, м/с

Алюминий

6260

Мрамор

6100

Дуралюмин

6400

Никель

4780

Бетон (в среднем)

4500

Олово

3320

Бумага натянутая

2100

Пробка

430-530

Вольфрам

5460

Ртуть (при -40 о

C)

2670

Гранит

3850

Свинец

2160

Дерево:

Серебро

3620

— мягких пород

около 3000

Сталь:

— твёрдых пород

до 5000

— мягкая

около 5000

Железо

5850

— твёрдая

еще рефераты

Еще работы по физике

Получение и использование электрической энергии

26 Июня 2015

Реферат по физике

Секреты экспериментов Николы Теслы

26 Июня 2015

Реферат по физике

Влияние вращательного и поступательного движения молекул на теплоёмкость многоатомных газов

29 Августа 2013