Звуковите вълни и техните характеристики. Звукови вълни около нас

Източници на звук. Звукови вибрации

Човекът живее в света на звуците. Звукът за човек е източник на информация. Той предупреждава хората за опасност. Звукът под формата на музика, песента на птиците ни доставя удоволствие. Приятно ни е да слушаме човек с приятен глас. Звуците са важни не само за хората, но и за животните, за които доброто улавяне на звук помага да оцелеят.

Звук - Това са механични еластични вълни, разпространяващи се в газове, течности, твърди тела.

Причина за звука - вибрации (трептения) на телата, въпреки че тези вибрации често са невидими за очите ни.

Източници на звук - физически тела, които се колебаят, т.е. треперет или вибрират с честота
от 16 до 20 000 пъти в секунда. Вибриращото тяло може да бъде твърдо, като струна
или земната кора, газообразна, например, струя въздух в духови музикални инструменти
или течност, като вълни върху вода.

Сила на звука

Силата на звука зависи от амплитудата на вибрациите в звуковата вълна. Единицата за сила на звука е 1 Бел (в чест на Александър Греъм Бел, изобретателят на телефона). На практика силата на звука се измерва в децибели (dB). 1 dB = 0,1B.

10 dB - шепот;

20-30 dB – норма на шум в жилищни помещения;
50 dB– разговор със среден обем;
80 д Б - шум от работещ двигател на камион;
130 dB- праг на болка

Звук над 180 dB може дори да причини разкъсване на тъпанчето.

високи звуципредставени от високочестотни вълни - например птичи песни.

ниски звуциса нискочестотни вълни, като звук от голям двигател на камион.

звукови вълни

звукови вълниТова са еластични вълни, които предизвикват усещане за звук в човек.

Звуковата вълна може да преминава през различни разстояния. Топовен огън се чува на 10-15 км, цвиленето на коне и лая на кучета - на 2-3 км, а шепотът е само на няколко метра. Тези звуци се предават по въздуха. Но не само въздухът може да бъде проводник на звука.

Долепвайки ухо до релсите, можете да чуете шума от приближаващ влак много по-рано и на по-голямо разстояние. Това означава, че металът провежда звука по-бързо и по-добре от въздуха. Водата също провежда звука добре. След като се гмурнете във водата, можете ясно да чуете как камъните се чукат един в друг, как камъчетата шумолят по време на прибоя.

Свойството на водата - да провежда добре звук - се използва широко за разузнаване в морето по време на войната, както и за измерване на морските дълбочини.

Необходимо условиеразпространение на звукови вълни - наличието на материална среда.Във вакуум звуковите вълни не се разпространяват, тъй като няма частици, предаващи взаимодействие от източника на вибрации.

Следователно на Луната, поради липсата на атмосфера, цари пълна тишина. Дори падането на метеорит върху повърхността му не се чува от наблюдателя.

Звукът се движи с различни скорости във всяка среда.

скорост на звука във въздуха- приблизително 340 m/s.

Скорост на звука във вода- 1500 м/сек.

Скоростта на звука в метали, в стомана- 5000 м/сек.

В топъл въздух скоростта на звука е по-голяма, отколкото в студения въздух, което води до промяна в посоката на разпространение на звука.

ВИЛИЦА

- Това U-образна метална чиния , чиито краища могат да осцилират, след като го ударят.

Публикувано камертонЗвукът е много слаб и се чува само на кратко разстояние.
Резонатор - дървена кутия, на който може да се закачи камертон, служи за усилване на звука.
В този случай звуковото излъчване възниква не само от камертона, но и от повърхността на резонатора.
Въпреки това, продължителността на звука на камертона върху резонатора ще бъде по-малка, отколкото без него.

Е Х О

Силен звук, отразен от препятствия, се връща към източника на звука след няколко мига и ние чуваме ехо.

Умножавайки скоростта на звука по времето, изминало от появата му до връщането му, можете да определите два пъти разстоянието от източника на звук до бариерата.
Този метод за определяне на разстоянието до обекти се използва в ехолокация.

Някои животни, като прилепи,
също използват явлението отражение на звука, прилагайки метода на ехолокация

Ехолокацията се основава на свойството да отразява звука.

Звук - бягащ механичен вол наи пренася енергия.
Въпреки това, силата на едновременния разговор на всички хора на Глобусътедва ли повече от мощността на една кола Москвич!

Ултразвук.

· Вибрации с честоти над 20 000 Hz се наричат ​​ултразвук. Ултразвукът се използва широко в науката и технологиите.

Течността кипи при преминаване през ултразвукова вълна (кавитация). Това създава хидравличен удар. Ултразвукът може да откъсне парчета от металната повърхност и да смачка твърди частици. Несмесващите се течности могат да се смесват с ултразвук. Така се приготвят маслени емулсии. Под действието на ултразвука настъпва осапуняване на мазнините. Въз основа на този принцип перални устройства.

· Широко използван ултразвук в хидроакустиката. Ултразвуците с висока честота се абсорбират от водата много слабо и могат да се разпространяват на десетки километри. Ако срещнат по пътя си дъното, айсберга или друго твърдо, те се отразяват и дават ехо голяма мощ. На този принцип се основава ултразвуковият ехолот.

в метал ултразвуксе разпространява почти без абсорбция. Използвайки метода за ултразвуково локализиране, е възможно да се открият най-малките дефекти в част с голяма дебелина.

Смазващият ефект на ултразвука се използва за производството на ултразвукови поялници.

ултразвукови вълни, изпратени от кораба, се отразяват от потъналия обект. Компютърът открива времето на появата на ехото и определя местоположението на обекта.

· Ултразвукът се използва в медицината и биологиятаза ехолокация, за откриване и лечение на тумори и някои дефекти в телесните тъкани, в хирургия и травматология за дисекция на меки и костни тъкани при различни операции, за заваряване на счупени кости, за клетъчно разрушаване (ултразвук с висока мощност).

Инфразвукът и неговото въздействие върху хората.

Трептенията с честоти под 16 Hz се наричат ​​инфразвук.

В природата инфразвукът възниква поради вихровото движение на въздуха в атмосферата или в резултат на бавни вибрации на различни тела. Инфразвукът се характеризира със слаба абсорбция. Поради това се разпространява на дълги разстояния. Човешкото тяло реагира болезнено на инфрачервените лъчи звукови вибрации. При външни влияния, причинени от механична вибрация или звукова вълна с честоти 4-8 Hz, човек усеща движение вътрешни органи, при честота 12 Hz - атака морска болест.

Най-голяма интензивност инфразвукови вибрациисъздават машини и механизми, които имат повърхности големи размери, извършващи нискочестотни механични трептения (инфразвук от механичен произход) или турбулентни потоци на газове и течности (инфразвук от аеродинамичен или хидродинамичен произход).

Въпроси.

1. Разкажете ни за експериментите, изобразени на фигури 70-73. Какъв извод следва от тях?

В първия експеримент (фиг. 70) метална линийка, захваната в менгеме, издава звук, когато вибрира.
Във втория експеримент (фиг. 71) могат да се наблюдават вибрациите на струната, която също издава звук.
При третия експеримент (фиг. 72) се наблюдава звук на камертон.
При четвъртия експеримент (фиг. 73) вибрациите на камертона се „записват” върху саждиста чиния. Всички тези експерименти демонстрират осцилаторния характер на произхода на звука. Звукът идва от вибрации. В четвъртия експеримент това може да се наблюдава и визуално. Върхът на иглата оставя следа във форма, близка до синусоида. В този случай звукът не се появява от нищото, а се генерира от източници на звук: линийка, струна, камертон.

2. Как обща собственостпритежават всички източници на звук?

Всеки източник на звук е длъжен да осцилира.

3. Механичните вибрации на какви честоти се наричат ​​звук и защо?

Звуковите вибрации се наричат ​​механични вибрации с честоти от 16 Hz до 20 000 Hz, т.к. в този честотен диапазон те се възприемат от човек.

4. Какви вибрации се наричат ​​ултразвукови? инфразвук?

Трептенията с честоти над 20 000 Hz се наричат ​​ултразвукови, а тези с честоти под 16 Hz се наричат ​​инфразвукови.

5. Разкажете ни за измерването на дълбочината на морето с помощта на ехолокация.

Упражнения.

1. Чуваме звука от размахването на криле на летящ комар. но летящата птица не го прави. Защо?

Честотата на трептене на крилата на комара е 600 Hz (600 удара в секунда), на врабчето е 13 Hz, а човешкото ухо възприема звуци от 16 Hz.

Този урок обхваща темата "Звукови вълни". В този урок ще продължим да изучаваме акустика. Първо, нека повторим определението за звукови вълни, след това разгледаме техните честотни диапазони и се запознаем с концепцията за ултразвукови и инфразвукови вълни. Ще обсъдим и свойствата на звуковите вълни в различни среди и ще разберем какви характеристики имат. .

Звукови вълни -това са механични вибрации, които, разпространявайки се и взаимодействайки с органа на слуха, се възприемат от човек (фиг. 1).

Ориз. 1. Звукова вълна

Разделът, който се занимава с тези вълни във физиката, се нарича акустика. Професията на хората, които обикновено се наричат ​​"слушащи", е акустиката. Звуковата вълна е вълна, която се разпространява в еластична среда надлъжна вълна, а когато се разпространява в еластична среда, компресията и разреждането се редуват. Предава се във времето на разстояние (фиг. 2).

Ориз. 2. Разпространение на звукова вълна

Звуковите вълни включват такива вибрации, които се извършват с честота от 20 до 20 000 Hz. Тези честоти съответстват на дължини на вълната от 17 m (за 20 Hz) и 17 mm (за 20 000 Hz). Този диапазон ще се нарича звуков звук. Тези дължини на вълните са дадени за въздуха, скоростта на разпространение на звука в който е равна на.

Има и такива диапазони, с които се занимават акустиците - инфразвукови и ултразвукови. Инфразвуковите са тези, които имат честота под 20 Hz. А ултразвуковите са тези, които имат честота над 20 000 Hz (фиг. 3).

Ориз. 3. Обхвати на звукови вълни

Всеки образован човек трябва да се ориентира в честотния диапазон на звуковите вълни и да знае, че ако отиде на ултразвуково сканиране, тогава картината на екрана на компютъра ще се изгради с честота над 20 000 Hz.

ултразвук -Това механични вълни, подобен на звука, но с честота от 20 kHz до милиард херца.

Наричат ​​се вълни с честота повече от милиард херца хиперзвуков.

Ултразвукът се използва за откриване на дефекти в отлятите части. Поток от кратки ултразвукови сигнали се насочва към изпитваната част. На места, където няма дефекти, сигналите преминават през детайла, без да се регистрират от приемника.

Ако в детайла има пукнатина, въздушна кухина или друга нехомогенност, тогава ултразвуковият сигнал се отразява от нея и, връщайки се, влиза в приемника. Такъв метод се нарича ултразвуково откриване на дефекти.

Други примери за използване на ултразвук са ултразвукови машини, ултразвукови машини, ултразвукова терапия.

инфразвук -механични вълни, подобни на звуковите, но с честота по-малка от 20 Hz. Те не се възприемат от човешкото ухо.

Естествени източници на инфразвукови вълни са бури, цунами, земетресения, урагани, вулканични изригвания, гръмотевични бури.

Инфразвукът също са важни вълни, които се използват за вибриране на повърхността (например за унищожаване на някои големи обекти). Пускаме инфразвук в почвата - и почвата се смачква. Къде се използва това? Например в диамантените мини, където вземат руда, която съдържа диамантени компоненти, и я раздробяват на малки частици, за да намерят тези диамантени включвания (фиг. 4).

Ориз. 4. Прилагане на инфразвук

Скоростта на звука зависи от условията на околната среда и температурата (фиг. 5).

Ориз. 5. Скорост на разпространение на звуковата вълна в различни среди

Моля, обърнете внимание: във въздуха скоростта на звука е равна на , докато скоростта се увеличава с . Ако сте изследовател, тогава тези знания може да са ви полезни. Може дори да измислите някакъв температурен сензор, който ще открива температурни несъответствия чрез промяна на скоростта на звука в средата. Вече знаем, че колкото по-плътна е средата, толкова по-сериозно е взаимодействието между частиците на средата, толкова по-бързо се разпространява вълната. Обсъдихме това в последния параграф, използвайки примера на сух въздух и влажен въздух. За водата скоростта на разпространение на звука. Ако създадете звукова вълна (почукайте по камертон), тогава скоростта на нейното разпространение във вода ще бъде 4 пъти по-голяма, отколкото във въздуха. По вода информацията ще достигне 4 пъти по-бързо, отколкото по въздух. И още по-бързо в стомана: (фиг. 6).

Ориз. 6. Скоростта на разпространение на звукова вълна

Знаете от епоси, които Иля Муромец използва (и всички герои и обикновени руски хора и момчета от Революционния военен съвет на Гайдар), използва много интересен начиноткриване на обект, който се приближава, но все още е далеч. Звукът, който издава при движение, все още не се чува. Иля Муромец, с ухо до земята, може да я чуе. Защо? Тъй като звукът се предава по твърда земя с по-висока скорост, което означава, че ще достигне до ухото на Иля Муромец по-бързо и той ще може да се подготви за среща с врага.

Най-интересните звукови вълни са музикалните звуци и шумове. Какви обекти могат да създават звукови вълни? Ако вземем източник на вълна и еластична среда, ако накараме източника на звук да вибрира хармонично, тогава ще имаме прекрасна звукова вълна, която ще се нарече музикален звук. Тези източници на звукови вълни могат да бъдат например струните на китара или пиано. Може да е звукова вълна, която се създава в пролуката въздушна тръба(орган или тръба). От уроците по музика знаете нотите: do, re, mi, fa, salt, la, si. В акустиката те се наричат ​​тонове (фиг. 7).

Ориз. 7. Музикални тонове

Всички елементи, които могат да излъчват тонове, ще имат функции. Как се различават? Те се различават по дължина на вълната и честота. Ако тези звукови вълни не са създадени от хармонично звучащи тела или не са свързани в обща оркестрова пиеса, тогава такъв брой звуци ще се нарече шум.

шум- произволни колебания на различни физическа природа, които се различават по сложността на времевата и спектралната структура. Понятието шум е битов и физически, те са много сходни и затова го въвеждаме като отделно важен обектсъображение.

Нека да преминем към количествените оценки на звуковите вълни. Какви са характеристиките на музикалните звукови вълни? Тези характеристики се отнасят изключително за хармонични звукови вибрации. Така, сила на звука. Какво определя силата на звука? Помислете за разпространението на звукова вълна във времето или колебанията на източник на звукова вълна (фиг. 8).

Ориз. 8. Сила на звука

В същото време, ако не добавихме много звук към системата (например леко натиснете клавиша на пианото), тогава ще има тих звук. Ако силно, вдигайки ръката си високо, извикаме този звук с натискане на клавиша, получаваме силен звук. От какво зависи? В тих звукамплитудата на трептене е по-малка от тази на силен звук.

Следващия важна характеристикамузикален звук и всеки друг - височина. Какво определя височината на звука? Тонът зависи от честотата. Можем да накараме източника да осцилира често или да го накараме да осцилира не много бързо (тоест да правим по-малко трептения за единица време). Помислете за размаха във времето на висок и нисък звук с една и съща амплитуда (фиг. 9).

Ориз. 9. Наклон

Може да се направи интересен извод. Ако човек пее на бас, тогава неговият източник на звук (това са гласните струни) се колебае няколко пъти по-бавно от този на човек, който пее сопрано. Във втория случай гласните струни вибрират по-често, следователно по-често причиняват огнища на компресия и разреждане при разпространението на вълната.

Има още един интересна характеристиказвукови вълни, които физиците не изучават. Това е тембър. Познавате и лесно различавате една и съща музика, свирена на балалайка или на виолончело. Каква е разликата между тези звуци или това изпълнение? В началото на експеримента помолихме хората, които извличат звуци, да ги направят приблизително с еднаква амплитуда, така че силата на звука да е еднаква. Това е като в случая с оркестър: ако няма нужда да се отделя инструмент, всеки свири приблизително по същия начин, с еднаква сила. Така че тембърът на балалайката и виолончелото е различен. Ако нарисуваме звука, който се извлича от един инструмент, от друг, използвайки диаграми, тогава те биха били еднакви. Но можете лесно да различите тези инструменти по звука им.

Друг пример за значението на тембъра. Представете си двама певци, които завършват едно и също музикално училище с едни и същи преподаватели. Учеха еднакво добре с петици. По някаква причина единият става изключителен изпълнител, а другият е недоволен от кариерата си през целия си живот. Всъщност това се определя единствено от инструмента им, който причинява просто гласови вибрации в околната среда, тоест гласовете им се различават по тембър.

Библиография

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примери за решаване на проблеми. - Преразпределение на 2-ро издание. - X .: Веста : издателство "Ранок", 2005. - 464 с.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Физика. 9 клас: учебник за общообразователна подготовка. институции / А.В. Перушкин, Е.М. Гутник. - 14-то изд., стереотип. - М.: Дропла, 2009. - 300 с.

1. Интернет портал "eduspb.com" ()
2. Интернет портал "msk.edu.ua" ()
3. Интернет портал "class-fizika.narod.ru" ()

Домашна работа

1. Как се разпространява звукът? Какво може да бъде източникът на звук?
2. Може ли звукът да пътува в космоса?
3. Всяка вълна, която достига до човешкото ухо, възприема ли се от него?

Преди да разберете какви са източниците на звук, помислете какво е звук? Знаем, че светлината е радиация. Отразено от предмети, това излъчване влиза в очите ни и ние можем да го видим. Вкусът и миризмата са малки частици на тялото, които се възприемат от съответните ни рецептори. Какъв звук е това животно?

Звуците се предават по въздуха

Сигурно сте виждали как се свири на китара. Може би вие сами знаете как да го направите. Важно е струните да издават различен звук в китарата, когато се дърпат. Добре. Но ако можете да поставите китарата във вакуум и да дърпате струните, тогава ще бъдете много изненадани, че китарата няма да издава никакъв звук.

Такива експерименти се провеждат с различни тела и резултатът винаги е един и същ – в безвъздушното пространство не се чува никакъв звук. От това следва логично заключение, че звукът се предава по въздуха. Следователно звукът е нещо, което се случва с частици от въздушни субстанции и звукови тела.

Източници на звук - вибриращи тела

По-нататък. В резултат на голямо разнообразие от многобройни експерименти беше възможно да се установи, че звукът възниква поради вибрацията на телата. Източниците на звук са тела, които вибрират. Тези вибрации се предават от въздушните молекули и нашето ухо, възприемайки тези вибрации, ги интерпретира в звукови усещания, които са разбираеми за нас.

Не е трудно да се провери това. Вземете стъклен или кристален бокал и го поставете на масата. Потупайте го леко с метална лъжица. Ще чуете дълъг тънък звук. Сега докоснете стъклото с ръка и докоснете отново. Звукът ще се промени и ще стане много по-кратък.

И сега оставете няколко души да увият ръцете си около стъклото възможно най-пълно, заедно с крака, като се опитват да не оставят нито една свободна зона, освен самото малко мястода удрям с лъжица. Удари отново стъклото. Почти няма да чуете никакъв звук, а този, който ще бъде, ще се окаже слаб и много кратък. Какво пише?

В първия случай след удара стъклото се колебае свободно, вибрациите му се предаваха по въздуха и достигаха до ушите ни. Във втория случай повечето вибрации бяха погълнати от нашата ръка и звукът стана много по-кратък, тъй като вибрациите на тялото намаляваха. В третия случай почти всички вибрации на тялото се поглъщаха моментално от ръцете на всички участници и тялото почти не трептеше и следователно не се издаваше почти никакъв звук.

Същото важи и за всички други експерименти, които можете да измислите и проведете. Вибрациите на телата, предавани на въздушните молекули, ще се възприемат от нашите уши и ще се интерпретират от мозъка.

Звукови вибрации с различни честоти

Значи звукът е вибрация. Източниците на звук предават звукови вибрации през въздуха към нас. Защо тогава не чуваме всички вибрации на всички предмети? Защото вибрациите идват с различни честоти.

Звукът, възприеман от човешкото ухо, представлява звукови вибрации с честота от приблизително 16 Hz до 20 kHz. Децата чуват звуци с по-високи честоти от възрастните, а диапазоните на възприятие на различните живи същества обикновено се различават много.

Ушите са много тънък и деликатен инструмент, даден ни от природата, така че трябва да се грижите за тях, като заместители и аналози в човешкото тялоне съществува.

Светът е изпълнен с голямо разнообразие от звуци: тиктакане на часовници и тътен на двигатели, шумолене на листа и вой на вятъра, пеене на птици и гласове на хора. За това как се раждат звуците и какво представляват, хората започнаха да гадаят много отдавна. | Повече ▼ древногръцки философи енциклопедичният учен Аристотел, въз основа на наблюдения, правилно обяснява природата на звука, вярвайки, че звучащото тяло създава алтернативно компресиране и разреждане на въздуха. Миналата година авторът работи по проблема за естеството на звука и завърши изследователска работа: "В света на звуците", в който звуковите честоти на музикалната скала са изчислени с помощта на чаша вода.

Звукът се характеризира с количества: честота, дължина на вълната и скорост. И също така се характеризира с амплитуда и сила на звука. Затова живеем в разнообразен свят от звуци и неговото разнообразие от нюанси.

В края на предишното проучване имах фундаментален въпрос: има ли начини да се определи скоростта на звука у дома? Следователно можем да формулираме проблем: трябва да намерим начини или начин да определим скоростта на звука.

Теоретични основи на учението за звука

свят на звуците

До-ре-ми-фа-сол-ла-си

Гама от звуци. Съществуват ли независимо от ухото? Това само субективни усещания ли са и тогава самият свят мълчи, или е отражение на реалността в съзнанието ни? Ако второто, то и без нас светът ще звъни със симфония от звуци.

Дори на Питагор (582-500 г. пр. н. е.) се приписва откриването на числени отношения, съответстващи на различни музикални звуци. Минавайки покрай ковачница, където няколко работници ковали желязо, Питагор забелязал, че звуците са свързани с квинти, кварти и октави. Влизайки в ковачницата, той се увери, че чукът, който дава октава, в сравнение с най-тежкия чук, има тегло, равно на 1/2 от последния, чукът, който дава квинта, има тегло, равно на 2/3, а литър - 3/4 тежък чук. При завръщането си у дома Питагор окачва струни с тежести, пропорционални на 1/2: 2/3: 3/4 в краищата и твърди, че струните, когато се ударят, дават същите музикални интервали. Физически легендата не издържа на критики, наковалнята при удар от различни чукове издава свой собствен един и същ тон, а законите на вибрациите на струните не потвърждават легендата. Но във всеки случай легендата говори за древността на учението за хармонията. Заслугите на питагорейците в областта на музиката са извън съмнение. Те притежават плодотворната идея за измерване на тона на звучаща струна чрез измерване на нейната дължина. Те познавали устройството "монохорд" - кутия от кедрови дъски с една опъната струна на капака. Ако ударите струна, тя издава един специфичен тон. Ако разделите струната на две части, като я поддържате с триъгълен колче в средата, тогава тя ще излъчва по-висок тон. Звучи толкова подобно на основния тон, че когато звучат едновременно, те почти се сливат в един тон. Съотношението на два тона в музиката е интервал. Когато съотношението на дължините на струните е 1/2:1, интервалът се нарича октава. Петият и четвъртият интервал, познати на Питагор, се получават, ако клинчето за монохорд се премести така, че да разделя съответно 2/3 или 3/4 струни.

Що се отнася до числото седем, то се свързва с някакво още по-древно и мистериозно представяне на хора с полурелигиозен, полумистичен характер. Най-вероятно обаче това се дължи на астрономическото разделение на лунния месец на четири седемдневни седмици. Това число се появява от хиляди години в различни легенди. И така, намираме го в древен папирус, написан от египтянина Ахмес 2000 години преди нашата ера. Този любопитен документ е озаглавен: „Инструкция за придобиване на знания за всички тайни неща“. Освен всичко друго, там намираме мистериозна задача, наречена „стълби“. Говори се за стълба от числа, представящи степените на числото седем: 7, 49, 343, 2401, 16 807. Под всяко число има йероглифна картина: котка, мишка, ечемик, мярка. Папирусът не дава представа за този проблем. Съвременните тълкуватели на папирус на Ахмес дешифрират състоянието на проблема, както следва: Седем души имат седем котки, всяка котка яде седем мишки, всяка мишка може да изяде седем класа ечемик, всяко клас може да отглежда седем мери зърно. Колко зърно могат да спестят котките? Защо не задача с индустриално съдържание, предложена преди 40 века?

Съвременната европейска музикална гама има седем тона, но не по всяко време и не всички народи са имали седемтонална гама. Така, например, в древен Китайизползва скала от пет тона. За целите на настройка на единството, височината на този контролен тон трябва да бъде строго декларирана от международно споразумение. От 1938 г. за такъв основен тон се приема тон, съответстващ на честота от 440 Hz (440 трептения в секунда). Няколко тона, звучащи едновременно, образуват музикален акорд. Хората, които имат така наречената абсолютна височина, могат да чуят отделни тонове в акорд.

Вие, разбира се, познавате основно структурата на човешкото ухо. Нека го припомним накратко. Ухото се състои от три части: 1) външно ухо, завършващо в тъпанчевата мембрана; 2) средното ухо, което с помощта на три слухови костици: чука, наковалнята и стремето, доставя вибрациите на тъпанчевата мембрана към вътрешното ухо; 3) вътрешното ухо или лабиринтът се състои от полукръгли канали и кохлея. Кохлеята е апарат за приемане на звук. Вътрешното ухо е изпълнено с течност (лимфа), привеждана в осцилаторно движение от ударите на стремето срещу мембраната, която затваря овалния прозорец в костната кутия на лабиринта. На преградата, разделяща кохлеята на две части, по цялата й дължина, най-тънката нервни влакнапостепенно увеличаване на дължината.

Светът на звуците е реален! Но, разбира се, не бива да се мисли, че този свят предизвиква абсолютно еднакви усещания за всички. Въпросът дали другите хора възприемат звуците по същия начин като вас е ненаучен въпрос.

1. 2. Източници на звук. Звукови вибрации

Светът на звуците около нас е разнообразен – гласовете на хората и музиката, пеенето на птици и жужененето на пчелите, гръмотевиците по време на гръмотевична буря и шумът на гората във вятъра, звукът от преминаващи коли, самолети и др.

Общото за всички звуци е, че телата, които ги генерират, тоест източниците на звук, осцилират.

Еластична метална линийка, фиксирана в менгеме, ще издаде звук, ако свободната му част, чиято дължина е избрана по определен начин, се доведе в осцилаторно движение. В този случай трептенията на източника на звук са очевидни.

Но не всяко трептящо тяло е източник на звук. Например, осцилираща тежест, окачена на нишка или пружина, не издава звук. Металната линийка също ще спре да звучи, ако я преместите нагоре в менгеме и по този начин удължите свободния край, така че честотата му на трептене да стане по-малка от 20 Hz.

Изследванията показват, че човешкото ухо е в състояние да възприема като звук механичните вибрации на телата, възникващи с честота от 20 Hz до 20 000 Hz. Следователно вибрациите, чиито честоти са в този диапазон, се наричат ​​​​звукови.

Механичните вибрации, чиято честота надвишава 20 000 Hz, се наричат ​​ултразвукови, а вибрациите с честоти под 20 Hz - инфразвукови.

Трябва да се отбележи, че посочените граници на звуковия диапазон са произволни, тъй като зависят от възрастта на хората и индивидуални особеноститехния слухов апарат. Обикновено с възрастта горната граница на честотата на възприеманите звуци намалява значително - някои по-възрастни хора могат да чуват звуци с честоти, които не надвишават 6000 Hz. Децата, напротив, могат да възприемат звуци, чиято честота е малко повече от 20 000 Hz.

Някои животни чуват трептения, чиито честоти са по-големи от 20 000 Hz или по-малко от 20 Hz.

Светът е изпълнен с голямо разнообразие от звуци: тиктакане на часовници и тътен на двигатели, шумолене на листа и вой на вятъра, пеене на птици и гласове на хора. За това как се раждат звуците и какво представляват, хората започнаха да гадаят много отдавна. Те забелязали, например, че звукът се създава от тела, вибриращи във въздуха. Дори древногръцкият философ и учен-енциклопедист Аристотел, въз основа на наблюдения, правилно обяснява естеството на звука, вярвайки, че звучащото тяло създава алтернативно компресиране и разреждане на въздуха. Така осцилиращата струна или компресира, или разрежда въздуха и поради еластичността на въздуха тези редуващи се ефекти се предават по-нататък в пространството - от слой на слой възникват еластични вълни. Достигайки до ухото ни, те въздействат върху тъпанчетата и предизвикват усещане за звук.

На ухо човек възприема еластични вълни с честота в диапазона от около 16 Hz до 20 kHz (1 Hz - 1 трептене в секунда). В съответствие с това еластичните вълни във всяка среда, чиито честоти лежат в посочените граници, се наричат ​​звукови вълни или просто звук. На въздух при 0°C и нормално наляганезвукът се движи със скорост 330 m/s.

Източник на звук в газове и течности могат да бъдат не само вибриращи тела. Например, куршум и стрела свирят в полет, вятърът вие. И ревът на турбореактивен самолет се състои не само от шума на работните блокове - вентилатор, компресор, турбина, горивна камера и т.н., но и от шума на реактивен поток, вихър, турбулентни въздушни потоци, които възникват, когато самолетът се движи наоколо с висока скорост. Тяло, което бързо се втурва във въздуха или водата, сякаш прекъсва потока около него, периодично генерира области на разреждане и компресия в средата. Резултатът е звукови вълни.

Понятията за тон и тембър на звука също са важни при изучаването на звука. Всеки реален звук, независимо дали е човешки глас или свирене на музикален инструмент, не е просто хармонично трептене, а вид смес от много хармонични трептения с определен набор от честоти. Този, който има най-ниска честота, се нарича основен тон, останалите са обертонове. различно количествообертонове, присъщи на определен звук, му придава специален цвят - тембър. Разликата между един и друг тембър се дължи не само на броя, но и на интензивността на обертоновете, които придружават звука на основния тон. По тембър можем лесно да различим звуците на цигулка и пиано, китара и флейта, разпознаваме гласовете на познати хора.

1. 4. Височина и тембър на звука

Нека накараме да звучат две различни струни на китара или балалайка. Ще чуем различни звуци: единият е по-нисък, другият е по-висок. Звуците на мъжкия глас са по-ниски от звуците на женския глас, басите са по-ниски от звуците на тенора, звуците на сопраното са по-високи от звуците на алта.

Какво определя височината на звука?

Може да се заключи, че височината на звука зависи от честотата на вибрациите: колкото по-висока е честотата на вибрациите на източника на звук, толкова по-висок е звукът, който издава.

Чистият тон е звукът от източник, който трепти на една честота.

Звуци от други източници (например звуци от различни музикални инструменти, гласове на хора, звук на сирена и много други) са комбинация от вибрации с различни честоти, т.е. колекция от чисти тонове.

Най-ниската (т.е. най-малката) честота на такъв сложен звук се нарича основна честота, а съответният звук с определена височина се нарича основен тон (понякога се нарича просто тон). Височината на сложния звук се определя точно от височината на основния му тон.

Всички други тонове на сложен звук се наричат ​​обертонове. Обертоновете определят тембъра на звука, тоест неговото качество, което ни позволява да различим звуците на някои източници от звуците на други. Например, лесно можем да различим звука на пиано от звука на цигулка, дори ако тези звуци имат същата височина, тоест същата основна честота. Разликата между тези звуци се дължи на различен набор от обертонове.

По този начин височината на звука се определя от честотата на основния му звук: колкото по-голяма е честотата на основния, толкова по-висок е звукът.

Тембърът на звука се определя от съвкупността от неговите обертонове.

1. 5. Защо има различни звуци?

Звуците се различават един от друг по силата на звука, височината и тембъра. Силата на звука зависи отчасти от разстоянието на ухото на слушателя от звучащия обект и отчасти от амплитудата на вибрацията на последния. Думата амплитуда означава разстоянието, което тялото изминава от една крайна точка до друга по време на своите трептения. Колкото по-голямо е това разстояние, толкова по-силен е звукът.

Височината на звука зависи от скоростта или честотата на вибрациите на тялото. Колкото повече вибрации прави обект за една секунда, толкова по-висок е звукът, който произвежда.

Въпреки това, два звука, които са абсолютно идентични по сила и височина, могат да се различават един от друг. Музикалността на звука зависи от броя и силата на обертоновете, присъстващи в него. Ако струната на цигулка е накарана да се люлее по цялата си дължина, така че да не се появят допълнителни вибрации, тогава ще се чуе най-ниският тон, който може да произведе. Този тон се нарича основен тон. Въпреки това, ако се появят допълнителни колебания върху него отделни части, ще се появят допълнителни по-високи ноти. Хармонизирайки с основния тон, те ще създадат специален звук на цигулка. Тези ноти, по-високи от корена, се наричат ​​обертонове. Те определят тембъра на определен звук.

1.6.Отражение и разпространение на смущения.

Смущението на част от опъната гумена тръба или пружина се движи по дължината й. Когато смущението достигне края на тръбата, то се отразява, независимо дали краят на тръбата е фиксиран или свободен. Задържаният край рязко се изтегля нагоре и след това се привежда в първоначалното си положение. Гребенът, образуван върху тръбата, се движи по дължината на тръбата към стената, където се отразява. В този случай отразената вълна има формата на вдлъбнатина, тоест тя е под средното положение на тръбата, докато първоначалният антивъзел е по-горе. Каква е причината за тази разлика? Представете си края на гумена тръба, фиксирана в стена. Тъй като е фиксиран, не може да се движи. Насочената нагоре сила на входящия импулс се стреми да го накара да се движи нагоре. Въпреки това, тъй като не може да се движи, трябва да има равна и противоположна надолу сила, излъчвана от опората и приложена към края на гумената тръба, така че отразеният импулс е антивъзел надолу. Фазовата разлика на отразения и оригиналния импулс е 180°.

1. 7. Стоящи вълни

Когато ръката, която държи гумената тръба, се движи нагоре и надолу и честотата на движение се увеличава постепенно, се достига точка, в която се получава единичен антивъзел. По-нататъшното увеличаване на честотата на трептене на ръката ще доведе до образуването на двоен антивъзел. Ако измерите честотата на движенията на ръцете, ще видите, че честотата им се е удвоила. Тъй като е трудно да движите ръката по-бързо, по-добре е да използвате механичен вибратор.

Генерираните вълни се наричат ​​стоящи или неподвижни вълни. Те се образуват, защото отразената вълна се наслагва върху падащата вълна.

AT това учениеИма две вълни: падаща и отразена. Те имат еднаква честота, амплитуда и дължина на вълната, но се разпространяват в противоположни посоки. Това са пътуващи вълни, но те си пречат една на друга и по този начин създават стоящи вълни. Това има следните последици: а) всички частици във всяка половина от дължината на вълната осцилират във фаза, т.е. всички те се движат в една и съща посока по едно и също време; б) всяка частица има амплитуда, различна от амплитудата на следващата частица; в) фазовата разлика между трептенията на частиците от едната полувълна и трептенията на частиците от следващата полувълна е 180°. Това просто означава, че те или се отклоняват колкото е възможно повече в противоположни посоки едновременно, или, ако са в средно положение, започват да се движат в противоположни посоки.

Някои частици не се движат (те имат нулева амплитуда), тъй като силите, действащи върху тях, винаги са равни и противоположни. Тези точки се наричат ​​възлови точки или възли, а разстоянието между два следващи възела е половината от дължината на вълната, т.е. 1 \ 2 λ.

Максималното движение се случва в точки и амплитудата на тези точки е два пъти по-голяма от амплитудата на падащата вълна. Тези точки се наричат ​​антивъзли, а разстоянието между две следващи антивъзли е половината от дължината на вълната. Разстоянието между възела и следващия антивъзел е една четвърт от дължината на вълната, т.е. 1\4λ.

Стоящата вълна е различна от пътуващата вълна. При движеща се вълна: а) всички частици имат еднаква амплитуда на трептене; б) всяка частица не е във фаза със следващата.

1. 8. Резонансна тръба.

Резонансната тръба е тясна тръба, в която вибрира стълб от въздух. За да промените дължината на въздушния стълб, приложите различни начини, като промени в нивото на водата в тръба. Затвореният край на тръбата е възел, тъй като въздухът в контакт с него е неподвижен. Отвореният край на тръбата винаги е антивъзел, тъй като тук амплитудата на трептене е максимална. Има един възел и един антивъзел. Дължината на тръбата е приблизително една четвърт от дължината на стоящата вълна.

За да се покаже, че дължината на въздушния стълб е обратно пропорционална на честотата на вълната, трябва да се използва серия от камертони. По-добре е да използвате малък високоговорител, свързан към калибриран аудиочестотен генератор, вместо камертони с фиксирана честота. Използва се вместо водопроводни тръби дълга тръбас бутало, тъй като това улеснява избора на дължината на въздушните колони. Близо до края на тръбата се поставя постоянен източникзвук, а резонансните дължини на въздушния стълб се получават за честоти от 300 Hz, 350 Hz, 400 Hz, 450 Hz, 500 Hz, 550 Hz и 600 Hz.

Когато водата се налива в бутилка, се получава определен тон, тъй като въздухът в бутилката започва да вибрира. Височината на този тон се повишава, когато обемът на въздуха в бутилката намалява. Всяка бутилка има специфична собствена честота и когато духате над отвореното гърло на бутилката, може да се произведе и звук.

В началото на войната 1939-1945г. прожекторите бяха фокусирани върху самолети, използващи оборудване, работещо в звуковия обхват. За да им попречат да се фокусират, някои екипажи изхвърлиха празни бутилки от самолета, когато попаднат в светлината на прожекторите. Силните звуци от падащи бутилки бяха възприети от приемника и прожекторите загубиха фокус

1. 9. Духови музикални инструменти.

Звуците, произвеждани от духовите инструменти, зависят от стоящите вълни, които се появяват в тръбите. Тонът зависи от дължината на тръбата и вида на въздушните вибрации в тръбата.

Например отворена тръба за орган. Въздухът се вдухва в тръбата през отвора и се удря в остър перваз. Това причинява трептене на въздуха в тръбата. Тъй като двата края на тръбата са отворени, винаги има антивъзел във всеки край. Най-простият тип вибрация е, когато има антивъзел във всеки край, а един възел е в средата. Това са фундаментални вибрации, а дължината на тръбата е приблизително равна на половината от дължината на вълната. Честота на тона =c/2l, където c е скоростта на звука, а l е дължината на тръбата.

Затворена органна тръба има запушалка в края, т.е. краят на тръбата е затворен. Това означава, че винаги има възел в този край. Съвсем очевидно е, че: а) основната честота затворена тръбае половината от основната честота на отворена тръба със същата дължина; б) при затворена тръба могат да се образуват само нечетни обертонове. По този начин диапазонът от тонове на отворена тръба е по-голям от този на затворен.

Физическите условия променят звука на музикалните инструменти. Повишаването на температурата причинява увеличаване на скоростта на звука във въздуха и следователно увеличаване на основната честота. Дължината на тръбата също се увеличава донякъде, което води до намаляване на честотата. Когато свирят на орган, например в църква, изпълнителите молят да включат отоплението, така че органът да звучи при нормалната си температура. Струнните инструменти имат контрол на напрежението на струните. Повишаването на температурата води до известно разширяване на струната и намаляване на напрежението.

Глава 2. Практическа част

2. 1. Метод за определяне на скоростта на звука с помощта на резонансна тръба.

Устройството е показано на фигурата. Резонансната тръба е дълга тясна тръба А, свързана с резервоар В чрез гумена тръба. И двете тръби съдържат вода. Когато B се повдигне, дължината на въздушния стълб в A намалява, а когато B се спусне, дължината на въздушния стълб в A се увеличава. Поставете трептящ камертон върху А, когато дължината на въздушния стълб в А е практически нула. Няма да чуете никакъв звук. С увеличаването на дължината на въздушната колона в точка А ще чуете, че звукът се увеличава по интензитет, ще достигне максимума и след това ще започне да затихва. Повторете тази процедура, като регулирате B, така че дължината на въздушния стълб в A да произвежда максимален звук. След това измерете дължината l1 на въздушния стълб.

Силният звук се чува, защото собствената честота на въздушния стълб с дължина l1 е равна на собствената честота на камертона и следователно въздушният стълб трепти в унисон с него. Намерихте първата резонансна позиция. Всъщност дължината на осцилиращия въздух е малко по-голяма от въздушния стълб в A.

Ако изпуснеш. При още по-ниско, така че дължината на въздушния стълб да се увеличи, ще намерите друга позиция, в която звукът достига максималната си сила. Определете точно тази позиция и измерете дължината l2 на въздушния стълб. Това е втората резонансна позиция. Както преди, върхът е в отворения край на тръбата, а възелът е на повърхността на водата. Това може да се постигне само в случая, показан на фигурата, при което дължината на въздушния стълб в тръбата е приблизително 3/4 дължина на вълната (3/4 λ).

Изваждането на двете измервания дава:

3\4 λ - 1\4 λ = l2 - l1 , следователно, 1\2 λ = l2 - l1.

И така, c = ν λ = ν 2 (l2 - l1), където ν е честотата на камертона. Това е бърз и доста точен начин за определяне на скоростта на звука във въздуха.

2. 2. Експеримент и изчисления.

За определяне на скоростта на звукова вълна са използвани следните инструменти и оборудване:

Универсален статив;

Дебелостенна стъклена тръба, запечатана в единия край, дълга 1,2 метра;

Камертон, чиято честота е 440 Hz, бележка "la";

Чук;

Бутилка за вода;

Мерило.

Напредък на изследванията:

1. Сглобих статив, на който закрепих халките на ръкава.

2. Поставете стъклената тръба в статив.

3. Чрез изливане на вода в тръбата и вълнуващи звукови вълни върху камертона, той създава стоящи вълни в тръбата.

4. Емпирично е постигната такава височина на водния стълб, че звуковите вълни се усилват в стъклената тръба, така че се наблюдава резонанс в тръбата.

5. Измерена е първата дължина на края на тръбата без вода - l2 = 58 cm = 0,58 m

6. Добавете още вода към тръбата. (Повторете стъпки 3, 4, 5) - l1 = 19 cm = 0,19 m

7. Извършени изчисления по формулата: c \u003d ν λ \u003d ν 2 (l2 - l1),

8. s = 440 Hz * 2 (0,58 m - 0,19 m) = 880 * 0,39 = 343,2 m / s

Резултатът от изследването е скоростта на звука = 343,2 m/s.

2. 3. Заключения от практическата част

Използвайки оборудването по ваш избор, определете скоростта на звука във въздуха. Сравнихме резултата с табличната стойност - 330 m / s. Получената стойност е приблизително равна на таблицата. Несъответствията се дължат на грешки в измерването, втората причина: табличната стойност е дадена при температура 00C, а в апартамента температурата на въздуха = 240C.

Следователно, предложеният метод за определяне на скоростта на звука с помощта на резонансна тръба може да се приложи.

Заключение.

Възможността за изчисляване и определяне на характеристиките на звука е много полезна. Както следва от изследването, характеристиките на звука: сила на звука, амплитуда, честота, дължина на вълната - тези стойности са присъщи на определени звуци, те могат да се използват, за да се определи какъв звук чуваме в момента. Отново сме изправени пред математическата закономерност на звука. Но скоростта на звука, въпреки че е възможно да се изчисли, но зависи от температурата на помещението и пространството, където се появява звукът.

Така целта на изследването беше изпълнена.

Хипотезата на изследването беше потвърдена, но в бъдеще е необходимо да се вземат предвид грешките в измерването.

Въз основа на това целите на изследването бяха изпълнени:

Изучава се теоретична основатози въпрос;

Установяват се закономерности;

Направени са необходимите измервания;

Правят се изчисления на скоростта на звука;

Резултатите от изчисленията бяха сравнени с вече наличните таблични данни;

Дава се оценка на получените резултати.

В резултат на работата: o Научени да определят скоростта на звука с помощта на резонансна тръба; o Възникна проблем различна скоростзвук при различни температури, така че ще се опитам да проуча този проблем в близко бъдеще.