Механические колебания. Волны. Акустика

министерства здравоохранения России
Кафедра физики, математики и информатики
Презентации по физике
http://prezentacija.biz/prezentacii-po-fizike/prezentacii-po-akustike/

двух аспектах:
1. Организм как колебательная система:

а) cердце;
б) биоритмы;
в) пульсирующий ток крови;
г) синтез звуковых колебаний (гортань);
д) дыхательный процесс.

2. Воздействие колебаний (волн) на организм:
а) особенности слухового восприятия;
б) вибрации;
в) ультразвуковые колебания;
г) инфразвуковые колебания.

система - тело или несколько тел, которые совершают колебания.

Условия возникновения

колебаний:
1.На систему должна подействовать внешняя сила, которая изменяет ее координату относительно положения равновесия. В результате система получает запас потенциальной или кинетической энергии.
2.В системе должна возникать упругая или квазиупругая сила, которая всегда направлена к положению равновесия и прямо пропорциональна смещению тела от положения равновесия.
3 Сила трения в системе должна быть малой по величине

Квазиупругая сила - неупругая по природе, но имеет такие же свойства, как и упругая сила.

внеш
Fупр+Fтр
ωо = ωвнеш
Саморегулирующаяся колебательная система
Идеальная колебательная система
Реальная колебательная система

второму закону Ньютона
, где -

собственная частота колебаний

Тогда дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний имеет вид:

Решения этого уравнения:

Обозначим

измерения [] – рад/с

Период (Т) – время одного полного колебания.

Единица измерения [T] – c (секунда)

Частота () – число колебаний за единицу времени. Единица измерения [] – Гц (герц).

x – смещение тела от положения равновесия в любой момент времени,
А=xмакс – амплитуда смещения

Фаза колебаний () определяет состояние колебательной системы в произвольный момент времени. Единица измерения
[] – рад (радиан).

, где - начальная фаза колебаний
(при t=0)

затухания
-дифференциальное уравнение свободных затухающих колебаний,
где
Решения уравнения:

изменяется по экспоненциальному закону
Понятие логарифмического декремента затухания :
,

где

которого амплитуда колебаний уменьшается в «e» раз.
Тогда,

Если за время

совершается колебаний, тогда:

Следовательно, - величина обратная времени релаксации

, где
- внешняя (вынуждающая) сила, изменяющаяся по гармоническому закону

Решения этого уравнения:
где амплитуда колебаний ,

а (частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы)

-дифференциальное уравнение вынужденных колебаний

собственной частоты колебаний системы с частотой вынуждающей силы:
Резонансная частота
Резонансные кривые

при разных значениях коэффициента затухания :

С уменьшением коэффициента затухания (1> 2> 3) увеличивается резонансная частота.
Если =0 (в системе без трения), амплитуда вынужденных колебаний бесконечно велика (А).

под действием внешней силы, частоту которой задает сама

колебательная система.

Автоколебания очень широко применяются в технике, особенно в электронике. В биологических объектах практически все колебания носят автоколебательный характер.
Всем автоколебаниям присуща одна характерная особенность: наличие механизма обратной связи

Так как система обладает собственной частотой , то и автоколебания будут происходить с частотой близкой к ней, т. е. автоколебательная система будет находится в состоянии близком к резонансу.
Такие колебания требуют минимальных затрат энергии.

Регулятор поступления энергии

(твёрдых телах, жидкостях, газах).
Источник волны – колебательная система.
Частицы упругой среды

совершают вынужденные колебания около положения равновесия.
Волна не переносит вещество, но переносит энергию.
Если уравнение колебаний источника ,
то уравнение волны имеет вид:

колебания частиц среды;
 – частота вынужденных колебаний (равна частоте

колебаний источника);
l – расстояние от источника волны до данной точки среды;
v – скорость волны;


- время, за которое волна дошла до данной точки

, где

частиц среды совершаются перпендикулярно направлению распространения волны.
Поперечные волны распространяются в

твёрдых телах и на поверхности жидкости.

В продольной волне колебания частиц среды совершаются вдоль направления распространения волны.
Продольные волны распространяются во всех упругих средах.

Виды механических волн

однородной среде волны распространяются с постоянной скоростью. Скорость волны зависит

от свойств среды – упругости и плотности. Чем больше плотность и упругость среды, тем больше скорость волны. Скорость механических волн в твёрдых средах больше, чем в жидких, а в жидких средах – больше, чем в газах.
Длина волны (λ) – расстояние (вдоль направления распространения волны) между точками, фазы которых одинаковы или расстояние, которое прошла волна за время, равное периоду колебаний (Т).

Характеристики волн

При переходе волны из одной среды в другую изменяется скорость волны, так как изменяются свойства среды. Значит изменяется и длина волны. Частота колебаний при этом не изменяется.

тот же момент времени в одной фазе.
Волна называется плоской, если

фронтом волны является плоскость, перпендикулярная направлению её распространения.

Энергетические характеристики:

Поток энергии () – энергия, переносимая волной через любую поверхность за единицу времени.
Единица измерения [] – Дж/с = Вт

Интенсивность (I) – поток энергии волны через единицу площади – плотность потока энергии
Единица измерения [I] – Вт/м2


- энергия, переносимая волной за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны.

модулю интенсивности волны и совпадающий с направлением вектора скорости)
Интерференция –

сложение волн, в результате которого интенсивность результирующей волны в разных точках пространства принимает значение от минимального до максимального.

Дифракция – отклонение волны от прямолинейного распространения на резких неоднородностях среды. Дифракция возникает, если длина волны сравнима с размерами препятствия (меньше его).

Условия отражения и преломления волн на границах среды определяются волновым сопротивлением среды (v, где  - плотность среды, v – скорость волны).

продольных волн, воспринимаемые ухом человека, т.е. лежащие в диапазоне

частот от 16 Гц до 20000 Гц.

ЗВУК. АКУСТИКА

1. Простой тон – гармонические колебания определенной частоты

2. Сложный тон – колебание, являющееся суммой нескольких гармонических колебаний

Виды звуков:

времени колебаний, среди которых невозможно выделить определенные частоты

4. Удар –

не повторяющееся во времени колебание, которое происходит за очень малое время. Например, хлопок, взрыв и т.п.

Гц до 20 кГц.

Интенсивность звука (I) изменяется в широком диапазоне.
Минимальная

интенсивность, которая вызывает слуховое ощущение, называется порогом слышимости (I0).
Интенсивность звука, который вызывает чувство боли, называется порогом болевого ощущения (Iмакс).
Для частоты в 1000 Гц:





Скорость звука (v) различна в разных средах. Например, в воздухе v330 м/с, в воде v1457 м/с, в железе v5000 м/с.

звуковых волн

, где  - плотность среды, v – скорость

звука,
I – интенсивность звука.

Акустический спектр – набор частот, которые входят в сложный тон, с указанием их амплитуд.

объективными (физическими) характеристиками.

Высота тона определяется частотой звуковой волны. Чем больше

частота, тем выше тон.

Тембр – звуковая окраска основного тона. Определяется акустическим спектром. Основной тон – звук минимальной частоты в акустическом спектре. Остальные тоны называют обертонами. Чем больше тонов в акустическом спектре, тем богаче тембр звука.

Громкость звука характеризует уровень слухового ощущения, зависит от интенсивности звука и частоты.

частоте возрастание интенсивности звука в геометрической прогрессии (I, I2, I3

…), воспринимается ухом в арифметической прогрессии (Е, 2Е, 3Е…)


, где E – уровень громкости (измеряется в фонах),
k – коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности,
I0 – порог слышимости,
I – интенсивность звука.


- уровень интенсивности звука. Единица измерения – бел. 1 децибел = 0,1 бел.

громкости децибелы называют фонами.
При частоте звука в 1000 Гц шкалы

интенсивности и громкости совпадают.

Кривые равной громкости позволяют найти соответствие между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах




Аудиометрия – метод измерения остроты слуха

кГц.
Верхний предел частоты УЗ ограничен свойствами среды, в которой распространяется

волна, т.к.длина волны УЗ не может быть менее межатомного расстояния в структуре. В кристаллах получены колебания с частотой 20 МГц.
В медицине обычно используются УЗ волны с частотой порядка 800 кГц.

веществами определяются длиной УЗ волны, которая меньше, чем у звуковой волны.
Основные

свойства УЗ волн:
1. Распространяются узким пучком.
2. Легко фокусируются.
3. Несут высокую энергию ( до 104 вт/м2).
4. Хорошо отражаются от твёрдых тел, жидкостей.
5. Сильно поглощаются газами.

процессов, микромассаж
Ультразвук. Взаимодействие с веществом
Ультразвук большой интенсивности:
Разрыв тканей за счет

кавитации
Разрушение злокачественных образований
Дробление камней в мочевом пузыре
Распиливание костей