Источники звука. Звуковые колебания

Вокруг нас очень много источников звука: музыкальные и технические инструменты, голосовые связки человека, морские волны, ветер и другие. Звук или, иначе, звуковые волны – это механические колебания среды с частотами 16 Гц – 20 кГц (см. § 11-а).

Рассмотрим опыт. Поместив будильник на подушечке под колокол воздушного насоса, мы заметим: тиканье станет тише, но всё равно будет слышно. Откачав из-под колокола воздух, мы перестанем слышать звук вообще. Этот опыт подтверждает, что звук распространяется по воздуху и не распространяется в вакууме.

Скорость звука в воздухе сравнительно велика: лежит в интервале от 300 м/с при –50°С до 360 м/с при +50°С. Это в 1,5 раза больше, чем скорость пассажирских самолётов. В жидкостях звук распространяется заметно быстрее, а в твёрдых телах – ещё быстрее. В стальном рельсе, например, скорость звука » 5000 м/с.

Взгляните на графики колебаний давления воздуха у рта человека, поющего звуки «А» и «О». Как видите, колебания являются сложными, состоящими из нескольких колебаний, накладывающихся друг на друга. При этом чётко видны основные колебания, частота которых почти не зависит от произносимого звука. Для мужского голоса это приблизительно 200 Гц, для женского – 300 Гц.

l max = 360 м/с: 200 Гц » 2 м, l min = 300 м/с: 300 Гц » 1 м.

Итак, длина звуковой волны голоса зависит от температуры воздуха и основной частоты голоса. Вспомнив наши знания о дифракции, мы поймём, почему в лесу слышно голоса людей, даже если их загораживают деревья: звуки с длинами волн 1–2 м легко огибают стволы деревьев, диаметр которых меньше метра.

Проделаем опыт, подтверждающий, что источниками звука действительно являются колеблющиеся тела.

Возьмём прибор камертон – металлическую рогатку, укреплённую на ящичке без передней стенки для лучшего излучения звуковых волн. Если ударить молоточком по концам рогатки камертона, он будет издавать «чистый» звук, называемый музыкальным тоном (например, ноту «ля» первой октавы с частотой 440 Гц). Придвинем звучащий камертон к лёгкому шарику на нити, и он тотчас же отскочит в сторону. Так происходит именно из-за частых колебаний концов рогатки камертона.

Причины, от которых зависит частота колебаний тела, – его упругость и размер. Чем больше размер тела, тем меньше частота. Поэтому, например, слоны с большими голосовыми связками испускают звуки низкой частоты (бас), а мыши, размер голосовых связок которых значительно меньше, – высокочастотные звуки (писк).

От упругости и размеров зависит не только как будет звучать тело, но и как оно будет улавливать звуки – откликаться на них. Явление резкого увеличения амплитуды колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой тела называется резонансом (лат. «резоно» – откликаюсь). Проделаем опыт по наблюдению резонанса.

Расположим два одинаковых камертона рядом, повернув их друг к другу теми сторонами ящичков, где нет стенок. Ударим левый камертон молоточком. Через секунду заглушим его рукой. Мы услышим, что звучит второй камертон, который мы не ударяли. Говорят, что правый камертон резонирует, то есть улавливает энергию звуковых волн от левого камертона, в результате чего увеличивает амплитуду собственных колебаний.

Цель урока: Сформировать представление о звуке.

Задачи урока:

Образовательные:

создать условия для активизации знаний учащихся о звуке, полученные при изучении естествознания,
способствовать расширению и систематизации знаний учащихся о звуке.

Развивающие:

продолжить развивать умение применять знания и собственный опыт в различных ситуациях,
способствовать развитию мышления, анализу полученных знаний, выделения главного, обобщения и систематизации.

Воспитательные:

способствовать формированию бережного отношения к себе и окружающим,
содействовать формированию гуманности, доброты, ответственности.

Тип урока: раскрывающий содержание.

Оборудование: камертон, шарик на нити, воздушный колокол, язычковый частотомер, набор дисков с разным количеством зубцов, открытка, линейка металлическая, мультимедийное оборудование, диск с презентацией , разработанной учителем к данному уроку.

Ход урока

Среди разнообразных колебательных и волновых движений, встречающихся в природе и технике, особо важное значение в жизни человека имеют звуковые колебания и волны, и просто звуки. В повседневной жизни – это чаще всего волны, распространяющиеся в воздухе. Известно, что звук распространяется и в других упругих средах: в земле, в металлах. Погрузившись с головой в воду, можно издали отчетливо услышать стук двигателя приближающегося катера. При осаде в крепостных стенах помещали «слухачей», которые следили за земляными работами противника. Иногда это были слепцы, у которых особенно обострен слух. По звукам, передающимся в Земле, был, например, своевременно обнаружен подкоп врага к стенам Загорского монастыря. Благодаря наличию у человека органа слуха он получает из окружающей среды с помощью звуков большую и разнообразную информацию. Посредством звуков осуществляется и человеческая речь.

Перед вами на столе находятся рабочие листы со строками из произведения Чарльза Диккенса «Сверчок за очагом». Каждый из вас должен подчеркнуть те слова, которые выражают звук.

1 вариант

Перепуганный косец пришел в себя только тогда, когда часы перестали трястись под ним, а скрежет и лязг их цепей и гирь окончательно прекратился. Немудрено, что он так разволновался: ведь эти дребезжащие, костлявые часы – не часы, а сущий скелет! – способны на кого угодно нагнать страху, когда начнут щелкать костями…
….Тогда-то, заметьте себе, чайник и решил приятно провести вечерок. Что-то неудержимо заклокотало у него в горле, и он уже начал издавать отрывистое звонкое фырканье, которое тотчас обрывал, словно еще не решив окончательно, стоит ли ему сейчас показывать себя компанейским малым. Тогда-то, после двух-трех тщетных попыток заглушить в себе стремление к общительности, он отбросил всю свою угрюмость, всю свою сдержанность и залился такой уютной, такой веселой песенкой, что никакой плакса-соловей не мог за ним угнаться….
….Чайник пел свою песенку так весело и бодро, что все его железное тело гудело и подпрыгивало над огнем; и даже сама крышка стала выплясывать что-то вроде джиги и стучать по чайнику (скрежет, лязг, дребезжащие, щелкать, звонкое фырканье, песенкой, залился, пел, гудело, стучать).

2 вариант:

Вот тут-то, если хотите, сверчок и вправду начал вторить чайнику! Он так громко подхватил припев на свой собственный стрекочущий лад – стрек, стрек, стрек! – голос его был столь поразительно несоразмерен с его ростом по сравнению с чайником, что если бы он тут же разорвался, как ружье, в которое заложен чересчур большой заряд, это показалось бы вам естественным и неизбежным концом, к которому он сам изо всех сил стремился.
….Чайнику больше уже не пришлось петь соло. Он продолжал исполнять свою партию с неослабленным рвением, но сверчок захватил роль первой скрипки и удержал её. Боже ты мой, как он стрекотал! Тонкий, резкий, пронзительный голосок его звенел по всему дому и, наверное, даже мерцал, как звезда во мраке, за стенами. Иногда на самых громких звуках он пускал вдруг такую неописуемую трель, что невольно казалось – сам он высоко подпрыгивает в порыве вдохновения, а затем снова падает на ножки. Тем не менее они пели в полном согласии, и сверчок и чайник… Тема песенки оставалась все та же, и соревнуясь, они распевались все громче, и громче, и громче. (громко, припев, стрекочущий лад – стрек, стрек, стрек, разорвался, соло, стрекотал, резкий, пронзительный голосок, звенел, громких звуков, трель, пели, песенки, распевали, громче)

Мы живем в мире звуков. Раздел физики, изучающий звуковые явления, называется акустикой (слайд 1).

Источниками звука являются колеблющиеся тела (слайд 2) .

«Все, что звучит, обязательно колеблется, но не все, что колеблется, звучит».

Приведем примеры колеблющихся, но не звучащих тел. Язычки частотомера, длинная линейка. Какие примеры вы можете привести? (ветка на ветру, поплавок на воде и т.д.)

Укоротим линейку и услышим звук. Воздушный колокол также издает звуки. Докажем, что звучащее тело колеблется. Для этого возьмем камертон. Камертон представляет собой дугообразный стержень, закрепленный на держателе, ударим по нему резиновым молоточком. Поднеся звучащий камертон к маленькому шарику, висящему на нити, мы увидим, что шарик отклоняется.

Если провести звучащим камертоном по стеклу, покрытому сажей, мы увидим график колебаний камертона. Как называется такой график? (камертон совершает гармонические колебания )

Источниками звука могут быть жидкие тела, и даже газы. Воздух гудит в дымоходе и вода поет в трубах.

А какие примеры источников звука приведете вы? (механические часы, кипящий чайник, звук, издаваемый двигателем )

Когда тело звучит, оно колеблется, его колебания передаются близлежащим частицам воздуха, которые начинают колебаться и передают колебания соседним частицам, а те в свою очередь передают колебания дальше. В результате в воздухе образуются и распространяются звуковые волны.

Звуковая волна представляет собой зоны сжатия и разряжения упругой среды (воздуха), звуковая волна – продольная волна (слайд 3).

Мы воспринимаем звук благодаря нашему органу слуха – уху.

(Один из учеников рассказывает, как это происходит) (слайд 4).

(Другой ученик рассказывает о вреде наушников .)

«Изучая в течение двух месяцев поведение молодежи в столичном метрополитене, специалисты пришли к выводам, что в московском метро каждые 8 из 10 активных пользователей портативных электронных устройств слушают музыку. Для сравнения: при интенсивности звука в 160 децибел деформируются барабанные перепонки. Мощность звука, воспроизводимая плеерами через наушники, приравнивается к 110–120 децибел. Таким образом, на уши человека идет воздействие, равное тому, которое оказывается на человека, стоящего в 10 метрах от ревущего реактивного двигателя. Если такое давление на барабанные перепонки оказывается ежедневно, человек рискует оглохнуть. "За последние пять лет на прием стали чаще приходить молодые парни и девушки, – рассказала НИ отоларинголог Кристина Ананькина. – Все они хотят быть модными, постоянно слушать музыку. Однако длительное воздействие громкой музыки просто убивает слух". Если после рок-концерта организму нужно несколько дней, чтобы восстановиться, то при каждодневной атаке на уши времени на приведение слуха в порядок уже не остается. Слуховая система перестает воспринимать высокие частоты."Любой шум интенсивностью более 80 децибел негативно влияет на внутреннее ухо, – сообщает кандидат медицинских наук, сурдолог Василий Корвяков. – Громкая музыка поражает клетки, отвечающие за восприятие звука, особенно если атака идет прямо из наушников. Ситуацию ухудшает еще и вибрация в метро, которая также негативно влияет на структуру уха. В сочетании эти два фактора провоцируют острую тугоухость. Основная ее опасность в том, что она наступает буквально в одночасье, однако вылечить ее очень проблематично". Из-за шумового воздействия в нашем ухе отмирают волосковые клетки, отвечающие за передачу звукового сигнала в мозг. А способа восстановить эти клетки медицина пока не нашла».

Человеческое ухо воспринимает колебания частотой от 16–20000Гц. Все, что лежит до 16 Гц, – инфразвук, что после 20000Гц – ультразвук (слайд 6).

Сейчас мы прослушаем диапазон от 20 до 20000 Гц, и каждый из вас определит свой порог слышимости (слайд 5). (Генератор см. в Приложении 2)

Mногие животные слышат инфра- и ультра- звуки. Выступление учащегося (слайд 6).

Звуковые волны распространяются в твердых, жидких и газообразных телах, но не могут распространяться в безвоздушном пространстве.

Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 00С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с. При повышении температуры скорость увеличивается. Для задач мы берем 340 м/с.

(Один из учеников решает задачу.)

Задача. Скорость звука в чугуне впервые была определена французским ученым Био следующим образом. У одного конца чугунной трубы ударяли в колокол, у другого конца наблюдатель слышал два звука: сначала – один, пришедший по чугуну, а, спустя некоторое время, – второй, пришедший по воздуху. Длина трубы 930 метров, промежуток времени между распространением звуков оказался равным 2,5с. Найдите по этим данным скорость звука в чугуне. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с (Ответ: 3950 м/с).

Скорость звука в различных средах (слайд 7).

Мягкие и пористые тела – плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. Такими материалами являются: войлок, прессованная пробка, пористые камни, свинец. Звуковые волны в таких прослойках быстро затухают.

Мы видим, как многообразен звук, охарактеризуем его.

Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называется музыкальным тоном. Каждому музыкальному тону (до, ре, ми, фа, соль, ля, си) соответствует определенная длина и частота звуковой волны (слайд 8).

У нашего камертона тон ля, частота 440 Гц.

Шум – хаотическая смесь гармонических звуков.

Музыкальные звуки (тоны) характеризуются громкостью и высотой тона, тембром.

Слабый удар по ножке камертона вызовет колебания малой амплитудой, мы услышим тихий звук.

Сильный удар вызовет колебания с большей амплитудой, мы услышим громкий звук.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне (слайд 9).

Сейчас я буду вращать 4 диска, у которых разное количество зубцов. Я буду касаться открыткой этих зубцов. У диска с большими зубцами открытка колеблется чаще и звук выше. У диска с меньшим количеством зубцов открытка колеблется меньше и звук ниже.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний. Чем больше частота, тем выше звук. (слайд 10)

Самая высокая человеческая нота сопрано около 1300 Гц

Самая низкая человеческая нота басовая около 80 Гц.

У кого выше тон у комара или у шмеля? А как вы думаете, кто чаще машет крыльями комар или шмель.

Тембр звука – это своеобразная окраска звука, по которой мы различаем голоса людей различных инструментов (слайд 11).

Всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых гармонических звуков. Самый низкий из них является основным. Остальные выше его в целое число раз, например, в 2 или 3–4 раза. Их называют обертонами. Чем больше к основному тону примешано обертонов, тем богаче будет звук. Высокие обертоны придают тембру «блеск» и «яркость» и «металличность». Низкие придают «мощность» и «сочность». А.Г.Столетов писал: «Простые тоны, какие мы имеем от наших камертонов – не употребляются в музыке, они так же пресны и безвкусны, как дистиллированная вода».

Закрепление

Как называется учение о звуке?
На Луне произошел сильный взрыв. Например, извержение вулкана. Услышим мы его на Земле?
Голосовые связки колеблются с меньшей частотой у человека, поющего басом или тенором?
При полете большинства насекомых издается звук. Чем он вызван?
Как могли бы люди переговариваться на Луне?
Почему при проверке колес вагонов во время остановки поезда их простукивают?

Домашнее задание: §34-38. Упражнение 30 (№ 2, 3).

Литература

Курс физики, Ч II, для средней школы/Перышкин А.В. – М.: Просвещение, 1968. – 240с.
Колебания и волны в курсе физике для средней школы. Пособие для учителей/Орехов В.П. – М.: Просвещение, 1977. – 176с.
Сверчок за очагом/Диккенс Ч. – М.: Эксмо, 2003. – 640с.

Источники звука. Звуковые колебания

Человек живёт в мире звуков. Звук для человека является источником информации. Он предостерегает людей об опасности. Звук в виде музыки, пения птиц доставляет нам наслаждение. Мы с удовольствием слушаем человека с приятным голосом. Звуки важны не только для человека, но и для животных, которым хорошее улавливание звука помогает выжить.

Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах.

Причина звука - вибрация(колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незаметны для нашего глаза.

Источники звука - физические тела, которые колеблются, т.е. дрожат или вибрируют с частотой
от 16 до 20000 раз в секунду. Вибрирующее тело может быть твердым, например, струна
или земная кора, газообразным, например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах
или жидким, например, волны на воде.

Громкость

Громкость зависит от амплитуды колебаний в звуковой волне. За единицу громкости звука принят 1 Бел(в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). На практике громкость измеряют в децибелах (дБ). 1 дБ = 0,1Б.

10 дБ – шепот;

20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор средней громкости;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
130 дБ – порог болевого ощущения

Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Высокие звуки представлены высокочастотными волнами – например, птичье пение.

Низкие звуки – это низкочастотные волны, например, звук двигателя большого грузовика.

Звуковые волны

Звуковые волны – это упругие волны, вызывающие у человека ощущение звука.

Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак - на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.

Приложив ухо к рельсам, можно услышать шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит металл проводит звук быстрее и лучше, чем воздух. Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит во время прибоя галька.

Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а также для измерения морских глубин.

Необходимое условие распространения звуковых волн – наличие материальной среды. В вакууме звуковые волны не распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от источника колебаний.

Поэтому на Луне из-за отсутствия атмосферы царит полная тишина. Даже падение метеорита на ее поверхность не слышно наблюдателю.

В каждой среде звук распространяется с разной скоростью.

Скорость звука в воздухе - приблизительно 340 м/с.

Скорость звука в воде - 1500 м/с.

Скорость звука в металлах, в стали - 5000 м/с.

В теплом воздухе скорость звука больше, чем в холодном, что приводит к изменению направления распространения звука.

КАМЕРТОН

- это U-образная металлическая пластина , концы которой могут колебаться после удара по ней.

Издаваемый камертоном звук очень слабый и его слышно лишь на небольшом расстоянии.
Резонатор - деревянный ящик, на котором можно закрепить камертон, служит для усилениязвука.
Излучение звука при этом происходит не только с камертона, но и с поверхности резонатора.
Однако длительность звучания камертона на резонаторе будет меньше, чем без него.

Э Х О

Громкий звук, отражаясь от преград, возвращается к источнику звука спустя несколько мгновений, и мы слышим эхо.

Умножив скорость звука на время, прошедшее от его возникновения до возвращения, можно определить удвоенное расстояние от источника звука до преграды.
Такой способ определения расстояния до предметов используется в эхолокации.

Некоторые животные, например летучие мыши,
также используют явление отражения звука, применяя метод эхолокации

На свойстве отражения звука основана эхолокация.

Звук - бегущая механическая волна и передает энергию.
Однако мощность одновременного разговора всех людей на земном шаре едва ли больше мощности одного автомобиля "Москвич"!

Ультразвук.

· Колебания с частотами, превосходящими 20 000 Гц, называют ультразвуком. Ультразвук широко применяется в науке и технике.

· Жидкость вскипает при прохождении ультразвуковой волны (кавитация). При этом возникает гидравлический удар. Ультразвуки могут отрывать кусочки от поверхности металла и производить дробление твердых тел. С помощью ультразвука можно смешать не смешивающиеся жидкости. Так готовятся эмульсии на масле. При действии ультразвука происходит омыление жиров. На этом принципе устроены стиральные устройства.

· Широко используется ультразвук в гидроакустике. Ультразвуки большой частоты поглощаются водой очень слабо и могут распространяться на десятки километров. Если они встречают на своем пути дно, айсберг или другое твердое тело, они отражаются и дают эхо большой мощности. На этом принципе устроен ультразвуковой эхолот.

В металле ультразвук распространяется практически без поглощения. Применяя метод ультразвуковой локации, можно обнаружить мельчайшие дефекты внутри детали большой толщины.

· Дробящее действие ультразвука применяют для изготовления ультразвуковых паяльников.

Ультразвуковые волны , посланные с корабля, отражаются от затонувшего предмета. Компьютер засекает время появления эха и определяет местоположение предмета.

· Ультразвук применяют в медицине и биологии для эхолокации, для выявления и лечения опухолей и некоторых дефектов в тканях организма, в хирургии и травматологии для рассечения мягких и костных тканей при различных операциях, для сварки сломанных костей, для разрушения клеток (ультразвук большой мощности).

Инфразвук и его влияние на человека.

Колебания с частотами ниже 16 Гц называются инфразвуком.

В природе инфразвук возникает из-за вихревого движения воздуха в атмосфере или в результате медленных вибраций различных тел. Для инфразвука характерно слабое поглощение. Поэтому он распространяется на большие расстояния. Организм человека болезненно реагирует на инфразвуковые колебания. При внешних воздействиях, вызванных механической вибрацией или звуковой волной на частотах 4-8 Гц, человек ощущает перемещение внутренних органов, на частоте 12 Гц – приступ морской болезни.

· Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения).

Полученные знания о колебаниях и волнах позволяют нам перейти к рассмотрению звуковых явлений.

Мир окружающих нас звуков разнообразен - голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчел, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолётов и т. д. Источниками звука являются колеблющиеся тела. В этом можно убедиться на простых опытах. Рассмотрим их.

Рис. 74. Пример источника звука

На рисунке 74 изображена укреплённая в тисках упругая металлическая линейка. Если её свободную часть, длина которой подобрана определённым образом, привести в колебательное движение (крайние положения колеблющейся линейки показаны штриховыми линиями), то линейка будет издавать звук. В данном случае колебания источника звука очевидны.

Теперь обратимся к рисунку 75. На нём изображена звучащая струна, концы которой закреплены. Размытые очертания этой струны и кажущееся утолщение в середине свидетельствуют о том, что струна колеблется. Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то полоска будет подпрыгивать от толчков струны. Пока струна колеблется, слышен звук; остановим струну, и звук прекращается.

Рис. 75. Звучащая струна, концы которой закреплены, совершает колебания

Прибор, изображённый на рисунке 76, называется камертоном. Он представляет собой изогнутый металлический стержень на ножке. В данном случае камертон укреплён на резонаторном ящике (о назначении которого вы узнаете из § 40).

Рис. 76. Обнаружение колебаний ветвей звучащего камертона

Если по камертону ударить мягким молоточком или провести по нему смычком, то камертон зазвучит. Поднесём к звучащему камертону лёгкий шарик (стеклянную бусинку), подвешенный на нитке, - шарик будет отскакивать от камертона, свидетельствуя о колебаниях его ветвей.

На рисунке 77 показано, как можно «записать» колебания камертона с малой (порядка 16 Гц) собственной частотой и большой амплитудой колебаний. К концу одной ветви камертона привинчена тонкая и узкая металлическая полоска, оканчивающаяся остриём. Остриё загнуто вниз и слегка касается лежащей на столе закопчённой стеклянной пластинки. При быстром перемещении пластинки под колеблющимися ветвями остриё оставляет на ней след в виде волнообразной линии.

Рис. 77. Запись колебаний ветви камертона

Волнообразная линия, прочерченная на пластинке остриём, очень близка к синусоиде. Таким образом, можно считать, что каждая ветвь звучащего камертона совершает гармонические колебания.

Различные опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука обязательно колеблется (хотя чаще всего эти колебания незаметны для глаза). Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, шелест листьев, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.

Дельфины излучают и используют ультразвук для общения друг с другом, предупреждения сородичей об опасности, обнаружении косяков рыбы

Для летучих мышей ультразвук является средством обнаружения добычи

Медузы чувствуют приближение шторма благодаря улавливанию создаваемой им инфразвуковой волны

Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издаёт звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, изображённая на рисунке 74, если переместить её в тисках вверх и тем самым удлинить свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше 16 Гц.

Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц (передающиеся обычно через воздух). Поэтому колебания этого диапазона частот называются звуковыми.

Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается - некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20 000 Гц.

Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 16 Гц - инфразвуковыми.

Ультразвук и инфразвук распространены в природе так же широко, как и волны звукового диапазона. Их излучают и используют для своих «переговоров» дельфины, летучие мыши и некоторые другие живые существа.

Рис. 78. Использование ультразвуковых колебаний для измерения глубины моря

Ультразвук находит широкое применение в технике. Например, направленные узкие пучки ультразвука применяются для измерения глубины моря (рис. 78). Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приёмник ультразвука. Излучатель даёт короткие сигналы, которые доходят до дна и, отражаясь от него, достигают приёмника. Моменты излучения и приёма сигнала регистрируются. Таким образом, за время t, которое проходит с момента отправления сигнала до момента его приёма, сигнал, распространяющийся со скоростью v, проходит путь, равный удвоенной глубине моря, т. е. 2h:

Отсюда легко вычислить глубину моря:

Описанный метод определения расстояния до объекта называется эхолокацией.

Вопросы

Расскажите о ходе опытов, изображённых на рисунках 74-77. Какой вывод из них следует?
Что является источниками звука?
Механические колебания каких частот называются звуковыми и почему?
Какие колебания называются ультразвуковыми; инфразвуковыми?
Расскажите об измерении глубины моря методом эхолокации.

Упражнение 28

Звук от взмахов крыльев летящего комара мы слышим, а летящей птицы - нет. Почему?

Звуковая волна (звуковые колебания) — это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха).

Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, если переместить ее в тисках вверх и тем самым удлинить свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше 20 Гц. Исследования показали, что человеческое ухо способно воспри¬нимать как звук механические колебания тел, происходящие с час¬тотой от 20 Гц до 20000 Гц. Поэтому колебания, частоты которых находятся в этом диапазоне, называются звуковыми. Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 20 Гц — инфразвуковыми. Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается — некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20000 Гц. Колебания, частоты которых больше 20 000 Гц или меньше 20 Гц, слышат некоторые животные. Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканье часов и гул моторов, шелест листьев и завывание ветра, пение птиц и голоса людей. О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Замечали, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Еще древнегреческий философ и ученый-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разрежает воздух, а благодаря упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство — от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука. На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц — 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В воздухе при температуре 0° С и нормальном давлении звук распространяется со скоростью 330 м/с, в морской воде — около 1500 м/с, в некоторых металлах скорость звука достигает 7000 м/с. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а волны, частота которых превышает 20 кГц, — ультразвуком.

Источником звука в газах и жидкостях могут быть не только вибрирующие тела. Например, свистят в полете пуля и стрела, завывает ветер. И рев турбореактивного самолета складывается не только из шума работающих агрегатов — вентилятора, компрессора, турбины, камеры сгорания и т. д., но также из шума реактивной струи, вихревых, турбулентных потоков воздуха, возникающих при обтекании самолета на больших скоростях. Стремительно несущееся в воздухе или в воде тело как бы разрывает обтекающий его поток, периодически порождает в среде области разрежения и сжатия. В результате возникают звуковые волны. Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой среде возникают только продольные волны, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в каком распространяется волна. В твердых телах помимо продольных возникают также и поперечные волны, когда частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярны к направлению распространения волны. Там ударяя по струне перпендикулярно ее направлению, мы заставляем бежать волну вдоль струны. Человеческое ухо неодинаково восприимчиво к звукам разной частоты. Наиболее чувствительно оно к частотам от 1000 до 4000 Гц. При очень большой интенсивности волны перестают восприниматься как звук, вызывая в ушах ощущение давящей боли. Величину интенсивности звуковых волн, при которой это происходит, называют порогом болевого ощущения. Важны в учении о звуке также понятия тона и тембра звука. Всякий реальный звук, будь то голос человека или игра музыкального инструмента, — это не простое гармоническое колебание, а своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот. То из них, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие — обертонами. Разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, придает ему особую окраску — тембр. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, гитары и флейты, узнаем голоса знакомых людей.

Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.
Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот. Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.
Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого, на котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.

Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости и высоте.