Источники звука и звуковые колебания. Реферат: Источники звука. Звуковые колебания
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 – 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).
С помощью данного видеурока вы сможете изучить тему «Источники звука. Звуковые колебания. Высота, тембр, громкость». На этом занятии вы узнаете, что такое звук. Также мы рассмотрим диапазоны звуковых колебаний, воспринимаемые человеческим слухом. Определим, что может быть источником звука и какие необходимы условия для его возникновения. Также изучим такие характеристики звука, как высота, тембр и громкость.
Тема урока посвящена источникам звука, звуковым колебаниям. Поговорим мы и о характеристиках звука - высоте, громкости и тембре. Прежде чем говорить о звуке, о звуковых волнах, давайте вспомним, что механические волны распространяются в упругих средах. Часть продольных механических волн, которая воспринимается человеческими органами слуха, называется звуком, звуковыми волнами. Звук - это воспринимаемые человеческими органами слуха механические волны, которые вызывают звуковые ощущения .
Опыты показывают, что человеческое ухо, органы слуха человека воспринимают колебания частотами от 16 Гц до 20000 Гц. Именно этот диапазон мы и называем звуковым. Конечно, существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Но этот диапазон, эти разделы человеческим ухом не воспринимаются.
Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха
Как мы говорили, области инфразвука и ультразвука человеческими органами слуха не воспринимаются. Хотя могут восприниматься, например, некоторыми животными, насекомыми.
Что такое ? Источниками звука могут быть любые тела, которые совершают колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)
Рис. 2. Зажатая в тиски колеблющаяся линейка может быть источником звука
Обратимся к опыту и посмотрим, как образуется звуковая волна. Для этого нам потребуется металлическая линейка, которую мы зажмем в тиски. Теперь, воздействуя на линейку, мы сможем наблюдать колебания, но никакого звука не слышим. И тем не менее вокруг линейки создается механическая волна. Обратите внимание, когда линейка смещается в одну сторону, здесь образуется уплотнение воздуха. В другую сторону - тоже уплотнение. Между этими уплотнениями образуется разряжение воздуха. Продольная волна - это и есть звуковая волна, состоящая из уплотнений и разряжений воздуха . Частота колебаний линейки в данном случае меньше звуковой частоты, поэтому мы не слышим этой волны, этого звука. На основе опыта, который мы только что пронаблюдали, в конце XVIII века был создан прибор, который называется камертон.
Рис. 3. Распространение продольных звуковых волн от камертона
Как мы убедились, звук появляется в результате колебаний тела со звуковой частотой. Распространяются звуковые волны во все стороны. Между слуховым аппаратом человека и источником звуковых волн обязательно должна быть среда. Эта среда может газообразной быть, жидкой, твердой, но это обязательно должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звуковых волн должен обязательно происходить там, где есть вещество. Если вещества нет, никакого звука мы не услышим.
Для существования звука необходимы:
1. Источник звука
2. Среда
3. Слуховой аппарат
4. Частота 16-20000 Гц
5. Интенсивность
Теперь перейдем к обсуждению характеристик звука. Первая - это высота звука. Высота звука - характеристика, которая определяется частотой колебаний . Чем больше частота у тела, которое производит колебания, тем звук будет выше. Давайте вновь обратимся к линейке, зажатой в тиски. Как мы уже говорили, мы видели колебания, но не слышали звука. Если теперь длину линейки сделать меньше, то мы будем слышать звук, но увидеть колебания будет гораздо сложнее. Посмотрите на линейку. Если мы подействуем на нее сейчас, звука никакого мы не услышим, но зато наблюдаем колебания. Если укоротим линейку, мы услышим звук определенной высоты. Мы можем сделать длину линейки еще короче, тогда мы услышим звук еще большей высоты (частоты). То же самое мы можем пронаблюдать и с камертонами. Если мы возьмем большой камертон (он еще называется демонстрационный) и ударим по ножкам такого камертона, то можем пронаблюдать колебание, но звука не услышим. Если возьмем другой камертон, то, ударив по нему, услышим определенный звук. И следующий камертон, настоящий настроечный камертон, который используется для настройки музыкальных инструментов. Он издает звук, соответствующий ноте ля, или, как говорят еще, 440 Гц.
Следующая характеристика - тембр звука. Тембром называется окраска звука . Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр - это то, чем отличаются два одинаковых звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Вы все знаете, что нот у нас всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, взятую на скрипке и на фортепиано, то мы отличим их. Мы сразу сможем сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность - окраску звука - и характеризует тембр. Нужно сказать, что тембр зависит от того, какие воспроизводятся звуковые колебания, кроме основного тона. Дело в том, что произвольные звуковые колебания довольно сложные. Они состоят из набора отдельных колебаний, говорят спектра колебаний . Именно воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и характеризует красоту звучания того или иного голоса или инструмента. Тембр является одним из основных и ярких проявлений звука.
Еще одна характеристика - громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний . Давайте посмотрим и убедимся, что громкость связана с амплитудой колебаний. Итак, возьмем камертон. Сделаем следующее: если ударить по камертону слабо, то амплитуда колебаний будет небольшая и звук будет тихий. Если теперь по камертону ударить сильнее, то и звук гораздо громче. Это связано с тем, что амплитуда колебаний будет гораздо больше. Восприятие звука - вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат, каково самочувствие человека.
Список дополнительной литературы:
А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — C. 40-41. Кикоин А.К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. — 1985. — № 9. — С. 26-28. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. - М., 1974.
Звук , как мы помним, является упругими продольными волнами. А волны порождаются колеблющимися предметами.
Примеры источников звука : колеблющаяся линейка, один конец которой зажат, колеблющиеся струны, мембрана динамика.
Но не всегда колеблющиеся предметы порождают слышимый ухом звук – если частота их колебаний ниже 16 Гц, то они порождают инфразвук , а если больше 20кГц, то ультразвук .
Ультразвук и инфразвук – с точки зрения физики такие же упругие колебания среды, как и обычный звук, но ухо не способно их воспринять, так как эти частоты слишком далеки от резонансной частоты барабанной перепонки (перепонка просто не может колебаться с такой частотой).
Звуки высокой частоты ощущаются как более тонкие, звуки низкой частоты – как более басовитые.
Если колебательная система совершает гармонические колебания одной частоты, то её звук называется чистым тоном . Обычно источники звука издают звуки сразу нескольких частот – тогда наименьшая частота называется основным тоном , а остальные называются обертонами . Обертона определяют тембр звука – именно из-за них мы легко отличим пианино от скрипки, даже когда основная частота у них одинаковая.
Громкость звука – это субъективное ощущение, позволяющее сравнивать звуки как «более громкие» и «менее громкие». Громкость зависит от многих фактором – он частоты, от длительности, от индивидуальных особенностей слушателя. Но сильнее всего она зависит от звукового давления, которое напрямую связано с амплитудой колебаний того предмета, что издаёт звук.
Единица измерения громкости называется сон .
В практических задачах обычно используют величину, называемую уровень громкости или уровень звукового давления . Измеряется эта величина в белах [Б] или, чаще, в децибелах [дБ] .
Эта величина логарифмически зависит от звукового давления – то есть увеличение давления в 10 раз увеличивает уровень громкости на 1 дБ.
Звук листания газеты – это примерно 20 дБ, будильник – 80 дБ, звук взлетающего самолёта – это 100-120 дБ (на грани болевых ощущений).
Одно из необычных применений звука (точнее ультразвука) – это эхолокация . Можно издать звук и измерить время, через которое придёт эхо. Чем больше расстояние до препятствия, тем больше будет задержка. Обычно такой способ измерения расстояний используется под водой, но летучие мыши применяют его прямо в воздухе.
Расстояние при эхолокации определяется следующим образом:
2r = vt
, где v – скорость звука в среде, t – время задержки до эха, r – расстояние до преграды.
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. Еще древнегреческий философ и ученый-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. В прошлом году автор работал над проблемой природы звука и выполнил исследовательскую работу: «В мире звуков», в которой были вычислены частоты звука музыкальной гаммы с помощью стакана с водой.
Звук характеризуется величинами: частотой, длиной волны и скоростью. А также его характеризуют амплитуда и громкость. Поэтому мы живём в разнообразном мире звуков и его многообразии оттенков.
В конце предыдущего исследования у меня возник основополагающий вопрос: существуют ли способы определения скорости звука в домашних условиях? Поэтому можно сформулировать проблему: надо найти способы или способ определения скорости звука.
Теоретические основы учения о звуке
Мир звуков
До-ре-ми-фа-соль-ля-си
Гамма звуков. Существуют ли она независимо от уха? Только ли это субъективные ощущения, и тогда мир сам по себе беззвучен, или это отражение реальной действительности в нашем сознании? Если второе, то и без нас мир будет звенеть симфонией звуков.
Еще Пифагору (582-500 гг. до н. э.) легенда приписывает открытие числовых отношений, соответствующих разным музыкальным звукам. Проходя мимо кузницы, где несколько рабочих ковали железо, Пифагор подметил, что звуки находятся в отношении квинты, кварты и октавы. Войдя в кузницу, он убедился, что молот, дававший октаву, сравнительно с наиболее тяжелым молотом имел вес, равный 1/2 последнего, молот, дававший квинту, имел вес, равный 2/3, а кварту - 3/4 тяжелого молота. По возвращении домой Пифагор повесил струны с грузами, пропорциональными 1/2: 2/3: 3/4 на концах и нашел будто бы, что струны при ударе давали те же музыкальные интервалы. Физически легенда не выдерживает критики, наковальня при ударах различными молотами издает свой собственный один и тот же тон, да и законы колебания струн не подтверждают легенды. Но, во всяком случае, легенда говорит о давности учения о гармонии. Заслуги пифагорейцев в области музыки несомненны. Им принадлежит плодотворная мысль об измерении тона звучащей струны путем измерения ее длины. Им был известен прибор «монохорд» - ящик из кедровых досок с одной натянутой струной на крышке. Если ударить по струне, она издает один определенный тон. Если разделить струну на два участка, подперев ее трехгранной колкой посередине, то она будет издавать более высокий тон. Он звучит настолько схоже с основным тоном, что при одновременном звучании они почти сливаются в один тон. Отношение двух тонов в музыке - интервал. При отношении длин струн равным 1/2: 1 интервал называется октавой. Известные Пифагору интервалы квинта и кварта получаются, если колку монохорда сдвинуть так, чтобы она отделяла соответственно 2/3 или 3/4 струны.
Что касается числа семь, то оно связано с каким-то еще более древним и таинственным представлением людей полурелигиозного, полумистического характера. Наиболее, однако, вероятно, что это связано с астрономическим делением лунного месяца на четыре семидневные недели. Это число фигурирует в течение тысячелетий в различных преданиях. Так, мы находим его в древнем папирусе, который за 2000 лет до нашей эры написал египтянин Ахмес. Этот любопытный документ озаглавлен так: «Наставление к приобретению знания всех тайных вещей». Среди прочего находим там таинственную задачу под названием «лестница». В ней говорится о лестнице чисел, представляющих собой степени числа семь: 7, 49, 343, 2401, 16 807. Под каждым числом иероглиф-картина: кошка, мышь, ячмень, мера. Папирус не дает ключа к разгадке этой задачи. Современные истолкователи папируса Ахмеса расшифровывают условие задачи так: У семи лиц есть по семь кошек, каждая кошка съедает по семи мышей, каждая мышь может съесть семь колосьев ячменя, из каждого колоса может вырасти по семь мер зерна. Сколько зерна сберегут кошки? Чем не задача с производственным содержанием, предложенная 40 веков назад?
Семь тонов насчитывает современная европейская музыкальная гамма, но не во все времена и не у всех народов была семитонная гамма. Так, например, в древнем Китае употреблялась гамма из пяти тонов. В целях единства настройки высота этого контрольного тона должна быть строго декларирована международным соглашением. В качестве такого основного тона с 1938 г. принят тон, соответствующий частоте 440 Гц (440 колебаний в секунду). Несколько тонов, звучащих одновременно, образуют музыкальный аккорд. Люди, обладающие так называемым абсолютным слухом, могут в аккорде слышать отдельно взятые тона.
Вам, конечно, известно в основном строение человеческого уха. Напомним его кратко. Ухо состоит из трех частей: 1) наружное ухо, оканчивающееся барабанной перепонкой; 2) среднее ухо, которое при помощи трех слуховых косточек: молоточка, наковальни и стремечка - подает колебания барабанной перепонки внутреннему уху; 3) внутреннее ухо, или лабиринт, состоит из полукружных каналов и улитки. Улитка является звуковоспринимающим аппаратом. Внутреннее ухо заполнено жидкостью (лимфой), приводимой в колебательное движение ударами стремечка по перепонке, затягивающей овальное окошечко в костяной коробочке лабиринта. На перегородке, делящей улитку на две части, по всей ее длине расположены поперечными рядами тончайшие нервные волокна постепенно возрастающей длины.
Мир звуков реален! Но, конечно, не следует думать, что этот мир вызывает у всех совершенно одинаковые ощущения. Спрашивать, воспринимают ли другие люди звуки совершенно так же, как вы, - это ненаучная постановка вопроса.
1. 2. Источники звука. Звуковые колебания
Разнообразен мир окружающих нас звуков - голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчел, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолетов и т. д.
Общим для всех звуков является то, что порождающие их тела, т. е. источники звука, колеблются.
Укрепленная в тисках упругая металлическая линейка будет издавать звук, если ее свободную часть, длина которой подобрана определенным образом, привести в колебательное движение. В данном случае колебания источника звука очевидны.
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 воспринимать как звук механические колебания тел, происходящие с частотой 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.
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.
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.
1. 4. Высота и тембр звука
Заставим звучать две разные струны на гитаре или балалайке. Мы услышим разные звуки: один - более низкий, другой - более высокий. Звуки мужского голоса более низкие, чем звуки голоса женщины, звуки баса ниже звуков тенора, сопрано выше альта.
От чего зависит высота звука?
Можно сделать вывод, что высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.
Чистым тоном называется звук источника, совершающего колебания одной частоты.
Звуки от других источников (например, звуки различных музыкальных инструментов, голоса людей, звук сирены и многие другие) представляют собой совокупность колебаний разных частот, т. е. совокупность чистых тонов.
Самая низкая (т. е. самая малая) частота такого сложного звука называется основной частотой, а соответствующий ей звук определенной высоты - основным тоном (иногда его называют просто тоном). Высота сложного звука определяется именно высотой его основного тона.
Все остальные тоны сложного звука называются обертонами. Обертоны определяют тембр звука, т. е. такое его качество, которое позволяет нам отличать звуки одних источников от звуков других. Например, мы легко отличаем звук рояля от звука скрипки даже в том случае, если эти звуки имеют одинаковую высоту, т. е. одну и ту же частоту основного тона. Отличие же этих звуков обусловлено разным набором обертонов.
Таким образом, высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук.
Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.
1. 5. Почему существуют различные звуки?
Звуки отличаются друг от друга по громкости, высоте и тембру. Громкость звука зависит частью от удаления уха слушателя от звучащего объекта, а отчасти от амплитуды колебания последнего. Слово амплитуда означает расстояние, которое проходит тело от одной крайней точки до другой во время своих колебаний. Чем больше это расстояние, тем громче звук.
Высота звука зависит от быстроты или частоты колебаний тела. Чем больше колебаний совершает объект за одну секунду, тем выше производимый им звук.
Однако два звука, абсолютно совпадающие по громкости и высоте, могут отличаться друг от друга. Музыкальность звука зависит от числа и силы обертонов, присутствующих в нем. Если заставить струну скрипки колебаться вдоль всей длины так, чтобы при этом не возникало никаких дополнительных колебаний, то будет слышен самый низкий тон, который она только способна произвести. Этот тон называется основным. Однако, если на ней возникнут дополнительные колебания отдельных частей, то появятся дополнительные более высокие ноты. Гармонируя с основным тоном, они создадут особенное, скрипичное звучание. Эти более высокие по сравнению с основным тоном ноты и называются обертонами. Они-то и определяют тембр того или иного звука.
1. 6. Отражение и распространение возмущений.
Возмущение части натянутой резиновой трубки или пружины перемещается по ее длине. Когда возмущение достигает конца трубки, то оно отражается вне зависимости от того, закреплен конец трубки или свободен. За удерживаемый конец резко дергают вверх и затем приводят его в исходное положение. Образовавшийся на трубке гребень движется вдоль трубки до стены, где он отражается. При этом отраженная волна имеет форму впадины, т. е. находится ниже среднего положения трубки, в то время как исходная пучность находилась выше. С чем связано это различие? Представим конец резиновой трубки, закрепленный в стене. Поскольку он закреплен, он не может двигаться. Направленная вверх сила пришедшего импульса стремится заставить двигаться его вверх. Однако поскольку он не может двигаться, то должна присутствовать равная и противоположно направленная вниз сила, исходящая от опоры и приложенная к концу резиновой трубки, и поэтому отраженный импульс располагается пучностью вниз. Разность фаз отраженного и исходного импульсов равна 180°.
1. 7. Стоячие волны
Когда рука, удерживающая рези новую трубку, движется вверх и вниз и частота движения постепенно увеличивается, то достигается точка, при которой получается одиночная пучность. Дальнейшее увеличение частоты колебания руки приведет к образованию двойной пучности. Если вы пpoxpoнометрируете частоту движений руки, то вы увидите, что их частота удвоилась. Поскольку трудно двигать рукой более быстро, лучше применить механический вибратор.
Образованные волны называются стоячими или стационарными волнами. Они образуются, потому что отраженная волна накладывается на падающую.
В данном исследовании присутствуют две волны: падающая и отраженная. Они имеют одинаковые частоту, амплитуду и длину волны, но распространяются в противоположных направлениях. Это бегущие волны, но они интерферируют друг с другом и таким образом создают стоячие волны. Это имеет такие последствия: а)все частицы в каждой половине длины волны колеблются в фазе, т. е. все они движутся в одном направлении в одно время; б)каждая частица имеет амплитуду, отличную от амплитуды следующей частицы; в)разность фаз между колебаниями частиц одной полуволны и колебаниями частиц последующей полуволны равна 180°. Это попросту означает, что они либо отклонены максимально в противоположные стороны в одно время, либо, если они оказываются в среднем положении, начинают двигаться в противоположных направлениях.
Некоторые частицы не движутся(они имеют нулевую амплитуду), поскольку действующие на них силы всегда равны и противоположны. Эти точки называются узловыми или узлами, и расстояние между двумя последующими узлами составляет половину длины волны, т. е. 1\2 λ.
Максимальное движение происходит в точках и амплитуда этих точек вдвое больше амплитуды падающей волны. Эти точки называются пучностями, и расстояние между двумя последующими пучностями составляет половину длины волны. Расстояние между узлом и следующей пучностью составляет одну четвертую длины волны, т. е. 1\4λ.
Стоячая волна отличается от бегущей. В бегущей волне: а)все частицы имеют одинаковую амплитуду колебаний; б)каждая частица не находится в фазе со следующей.
1. 8. Резонансная труба.
Резонансная труба представляет собой узкую трубу, в которой создаются колебания столба воздуха. Для изменения длины столба воздуха применяются разные способы, например изменения уровня воды в трубе. Закрытый конец трубы представляет собой узел, потому что находящийся в соприкосновении с ним воздух неподвижен. Открытый конец трубы всегда является пучностью, поскольку амплитуда колебаний здесь максимальна. Присутствует один узел и одна пучность. Длина трубы составляет примерно одну четвертую длины стоячей волны.
Для того чтобы показать, что длина столба воздуха обратно пропорциональна частоте волны, нужно применить ряд камертонов. Лучше использовать маленький громкоговоритель, соединенный с откалиброванным генератором звуковой частоты, вместо камертонов фиксированной частоты. Вместо труб с водой применяется длинная труба с поршнем, поскольку это облегчает подбор длины столбов воздуха. Вблизи от конца трубы помещается постоянный источник звука, и получаются резонансные длины воздушного столба для частот 300 Гц, 350 Гц, 400 Гц, 450 Гц, 500 Гц, 550 Гц и 600 Гц.
Когда вода наливается в бутылку, образуется звук определенного тона, поскольку воздух в бутылке начинает колебаться. Высота этого тона повышается по мере уменьшения объема воздуха в бутылке. Каждая бутылка имеет определенную собственную частоту, и, когда дуешь поверх открытого горлышка бутылки, может также образоваться звук.
В начале войны 1939-1945 гг. прожектора фокусировались на самолетах при помощи оборудования, работавшего в звуковом диапазоне. Чтобы не дать им сфокусироваться, некоторые экипажи выбрасывали из самолетов пустые бутылки, когда они попадали в луч прожектора. Громкие звуки падающих бутылок воспринимались приемником, и прожектора теряли фокус
1. 9. Духовые музыкальные инструменты.
Звуки, образуемые духовыми инструментами, зависят от возникающих в трубах стоячих волн. Тон зависит от длины трубы и вида колебаний воздуха в трубе.
Например, открытая труба органа. Воздух вдувается в трубу через отверстие и ударяется об острый выступ. Это заставляет воздух в трубе колебаться. Поскольку оба конца трубы открыты, то на каждом конце всегда возникает пучность. Простейшим видом колебаний является такой, когда на каждом конце находится пучность, а один узел - в середине. Это основные колебания, и длина трубы примерно равна половине длины волны. Частота основного тона =с/2l, где с - скорость звука и l - длина трубы.
Закрытая органная труба имеет пробку на конце, т. е. конец трубы закрыт. Это означает, что на этом конце всегда находится узел. Совершенно очевидно, что: а)основная частота закрытой трубы составляет половину основной частоты открытой трубы той же длины; б)закрытой трубой могут быть образованы лишь нечетные обертоны. Таким образом, диапазон тонов открытой трубы больше, чем закрытой.
Физические условия изменяют звучание музыкальных инструментов. Повышение температуры вызывает увеличение скорости звука в воздухе и, следовательно, увеличение основной частоты. Длина трубы также несколько увеличивается, вызывая уменьшение частоты. Играя на органе, например, в церкви, исполнители просят включить обогрев, чтобы орган звучал при нормальной для него температуре. Струнные инструменты имеют регуляторы натяжения струн. Повышение температуры ведет к некоторому расширению струны и уменьшению натяжения.
Глава 2. Практическая часть
2. 1. Способ определения скорости звука при помощи резонансной трубы.
Прибор показан на рисунке. Резонансная труба представляет собой длинную узкую трубу А, соединенную с резервуаром В через резиновый патрубок. В обеих трубах находится вода. Когда В поднят, длина воздушного столба в А уменьшается, а когда В опускается, длина столба воздуха в А увеличивается. Поместите колеблющийся камертон сверху А, когда длина столба воздуха в А практически равна нулю. Вы не услышите никакого звука. По мере увеличения длины столба воздуха в А вы услышите, как звук усиливается, достигает максимума, а затем начинает затихать. Повторите эту процедуру, регулируя В таким образом, чтобы длина воздушного столба в А давала максимальный по силе звук. Затем замерьте длину l1 столба воздуха.
Громкий звук слышен потому, что собственная частота столба воздуха длиной l1 равна собственной частоте камертона, и поэтому воздушный столб колеблется в унисон с ним. Вы нашли первое положение резонанса. Фактически длина колеблющегося воздуха несколько больше столба воздуха в А.
Если вы опустите. В еще ниже, так, чтобы длина воздушного столба увеличилась, то найдете другое положение, в котором звук достигает максимальной силы. Точно определите это положение и измерьте длину l2 столба воздуха. Это - второе положение резонанса. Как и прежде, вершина находится на открытом конце трубы, а узел - на поверхности воды. Это может быть достигнуто только в случае, показанном на рисунке, при этом длина столба воздуха в трубе приблизительно составляет 3\4 длины волны (3\4 λ).
Вычитание двух замеров дает:
3\4 λ - 1\4 λ = l2 - l1 , следовательно, 1\2 λ = l2 - l1.
Итак, c = ν λ = ν 2 (l2 - l1), где ν - частота камертона. Это быстрый и достаточно точный способ определения скорости звука в воздухе.
2. 2. Эксперимент и вычисления.
Для определения скорости звуковой волны были использованы следующие инструменты и оборудование:
Штатив универсальный;
Толстостенная стеклянная трубка, запаянная с одного конца, длиной 1,2метра;
Камертон, частота которого 440 Гц, нота «ля»;
Молоточек;
Бутылка с водой;
Измерительная линейка.
Ход исследования:
1. Собрал штатив, на котором закрепил кольца на муфте.
2. Поместил стеклянную трубку в штативе.
3. Доливая воды в трубку, и возбуждая звуковые волны на камертоне, создавал стоячие волны в трубке.
4. Опытным путём добился такой высоты водяного столба, чтобы в стеклянной трубке были усиленны звуковые волны, чтобы наблюдался резонанс в трубке.
5. Замерил первую длину свободного от воды конца трубки - l2 = 58 см = 0,58 м
6. Снова долил воды в трубку. (Повторить действия пункта 3, 4, 5) – l1 = 19 см = 0,19 м
7. Выполнил вычисления по формуле: c = ν λ = ν 2 (l2 - l1),
8. с = 440 Гц * 2 (0,58 м - 0,19 м) = 880 * 0,39 = 343,2 м\с
Результат исследования – скорость звука = 343,2 м\с.
2. 3. Выводы практической части
С помощью выбранного оборудования, определи скорость звука в воздухе. Сравнили полученный результат с табличной величиной – 330 м\с. Полученная величина приблизительно равна табличной. Расхождения получились из-за погрешности измерений, вторая причина: табличная величина дана при температуре 00С, а в квартире температура воздуха = 240С.
Следовательно, предложенный метод для определения скорости звука с помощью резонансной трубы можно применять.
Заключение.
Умение вычислять и определять характеристики звука весьма полезно. Как следует из исследования, характеристики звука: громкость, амплитуда, частота, длина волны – эти значения присущи определённым звукам, по ним можно определить, какой звук мы слышим в данный момент. Мы опять сталкиваемся с математической закономерность звучания. А вот скорость звука хоть и возможно вычислить, но она зависит от температуры помещения и пространства, где происходит звучание.
Таким образом, цель исследования была выполнена.
Гипотеза исследования подтвердилась, но в дальнейшем необходимо учитывать погрешности в измерениях.
Исходя из этого, задачи исследования были выполнены:
Изучены теоретические основы этого вопроса;
Выяснены закономерности;
Выполнены необходимые замеры;
Выполнены вычисления скорости звука;
Полученные результаты вычислений были сравнены с уже имеющимися табличными данными;
Дана оценка полученных результатов.
В результате работы: o Научился определять скорость звука с помощью резонансной трубы; o Столкнулся с проблемой разной скорости звука при разной температуре, поэтому этот вопрос постараюсь исследовать в ближайшее время.
Прежде чем понять, какие источники звука бывают, задумайтесь, что такое звук? Мы знаем, что свет это излучение. Отражаясь от предметов, это излучение попадает к нам в глаза, и мы можем его видеть. Вкус и запах это маленькие частички тел, которые воспринимают наши соответствующие рецепторы. А звук это что за зверь?
Звуки передаются по воздуху
Вы наверняка видели, как играют на гитаре. Возможно, вы и сами умеете это делать. Важно другое звук в гитаре издают струны, если их дернуть. Все верно. А вот если бы вы могли поместить гитару в вакуум и дернуть струны, то вы бы очень удивились никакого звука гитара не издала бы.
Такие опыты проводились с самыми различными телами, и всегда результат был один никакого звука в безвоздушном пространстве не было слышно. Отсюда следует логичный вывод звук передается по воздуху. Следовательно, звук это нечто, происходящее с частицами веществ воздуха и издающих звук тел.
Источники звука - колеблющиеся тела
Далее. В результате самых разнообразных многочисленных экспериментов удалось установить, что звук возникает вследствие колебания тел . Источниками звука являются тела, которые колеблются. Эти колебания передаются молекулами воздуха и наше ухо, воспринимая эти колебания, интерпретирует их в понятные нам ощущения звука.
Проверить это не сложно. Возьмите стеклянный или хрустальный бокал и поставьте его на стол. Легонько стукните по нему металлической ложечкой. Вы услышите длинный тонкий звук. Теперь дотроньтесь рукой до бокала и стукните еще раз. Звук изменится и станет намного короче.
А теперь пусть несколько человек обхватят руками бокал максимально полностью, вместе с ножкой, стараясь не оставить ни одного свободного участка, кроме совсем маленького места для удара ложечкой. Вновь ударьте по бокалу. Вы почти не услышите никакого звука, а тот, что будет - получится слабым и очень коротким. О чем это говорит?
В первом случае после удара бокал свободно колебался, его колебания передавались по воздуху и достигали наших ушей. Во втором случае большая часть колебаний поглощалась нашей рукой, и звук стал гораздо короче, так как уменьшились колебания тела. В третьем случае практически все колебания тела моментально поглотились руками всех участников и тело почти не колебалось, а следовательно, звука почти не издавало.
То же самое касается всех иных экспериментов, которые вы можете придумать и провести. Колебания тел, передаваясь молекулам воздуха, будут восприниматься нашими ушами, и интерпретироваться мозгом.
Звуковые колебания разной частоты
Итак, звук это колебания. Источники звука передают звуковые колебания по воздуху к нам. Почему же тогда мы слышим далеко не все колебания всех предметов? А потому что колебания бывают разной частоты.
Воспринимаемый человеческим ухом звук это звуковые колебания частотой примерно от 16 Гц до 20 кГц. Дети слышат звуки более высоких частот, чем взрослые, а диапазоны восприятия различных живых существ вообще различаются очень сильно.
