Звуковые волны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Звуковые волны

1. Источники звука. Звуковые колебания

Мы знаем, как 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. В этом можно убедиться на простых опытах. Рассмотрим их.

На рисунке изображена укрепленная в тисках упругая металлическая линейка. Мы знаем, что линейка будет издавать звук, если ее свободную часть, длина которой подобрана определенным образом, привести в колебательное движение (крайние положения колеблющейся линейки показаны пунктирными линиями). В данном случае колебания источника звука очевидны. Теперь обратимся к рисунку. На нем мы видим изображение звучащей струны, концы которой закреплены. Размытые очертания этой струны и кажущееся утолщение в середине свидетельствуют о том, что струна колеблется. Если к ее средней части (где амплитуда колебаний максимальна) прикоснуться концом бумажной полоски, то от периодических толчков струны полоска будет подпрыгивать. Когда же струна перестанет звучать, полоска остановится.

Прибор, изображенный на рисунке, называется камертоном. Он представляет собой изогнутый металлический стержень на ножке. В данном случае камертон укреплен на резонаторном ящике.

Если по камертону ударить молоточком, он зазвучит. Колебания ветвей камертона незаметны. Но их можно обнаружить, если к звучащему камертону поднести маленький, подвешенный на нити шарик (например, бусинку или пуговицу). Шарик будет периодически отскакивать, что свидетельствует о колебаниях ветвей камертона. Колебания звучащего камертона можно наблюдать иным способом.

Для этого к одной ветви камертона прикрепим иголку и быстро проведем ее острием по закопченной стеклянной пластинке. Если камертон не звучал, на пластинке увидим прямую линию. Звучащий же камертон оставляет на пластинке след в виде волнистой линии. Одно полное колебание соответствует одному выступу и одной впадине этой линии. Линия, 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, раскаты грома обусловлены колебаниями масс 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, изображенная на рисунке, 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 20 000 Гц. Поэтому колебания, частоты которых находятся в этом диапазоне, называются звуковыми. Механические колебания, частота которых превышает 20000 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 20000 Гц или меньше 20 Гц, слышат некоторые животные.

2. 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? Чтобы ответить на этот вопрос, проделаем опыты. На рисунке изображен прибор, состоящий из нескольких зубчатых металлических дисков, насаженных на общую ось. Число зубьев на дисках различно. Когда прибор приводят во вращение и тонкой картонной пластинкой касаются зубьев одного из дисков, то слышен звук. Источником этого звука является колеблющаяся пластинка.

При вращении диска каждый его зубец отклоняет пластинку, а когда мимо нее проходит выемка диска, пластинка выпрямляется.

В результате пластинка колеблется. Чем быстрее вращается диск, тем больше частота колебаний пластинки и тем выше издаваемый ею звук. Если прибору задать постоянную скорость вращения и попробовать подставить пластинку к разным дискам, то можно услышать разные по высоте звуки. Звук будет тем выше, чем больше число зубьев на пластинке, т.е. чем больше частота колебаний пластинки. На рисунке изображены следы острия от двух камертонов, издающих звуки разной высоты. Оба камертона двигались с одинаковой скоростью вдоль закопченной стеклянной пластинки, касаясь ее острием. Верхний след - след камертона с более высоким звуком. Сравнивая эти следы на рисунке, видим, что частота колебаний больше у камертона с более высоким звуком. На основании описанных опытов можно заключить, что высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Мы знаем, что ветви камертона совершают гармонические (синусоидальные) колебания. Таким колебаниям присуща только одна строго определенная частота. Гармонические колебания являются самым простым видом колебаний. Звук камертона является чистым тоном. Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты. Звуки от других источников (например, звуки различных музыкальных инструментов, голоса людей, звук сирены и многие другие) представляют собой совокупность гармонических 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. Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона (поэтому их называют также высшими гармоническими тонами). 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 (совокупность обертонов различных источников может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот).

Таким образом, высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук.

Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.

3. Громкость звука

Чтобы выяснить, от чего зависит громкость звука, вернемся к опыту, изображенном на рисунке. К одной ветви камертона подводят вплотную маленький, висящий на нити шарик, а по другой слегка ударяют молоточком. Обе ветви камертона приходят в колебательное движение. Слышен негромкий звук. Шарик отскакивает от колеблющейся ветви на небольшое расстояние. Затем камертон глушат и снова ударяют по нему, но гораздо сильнее, чем в первый раз. Теперь камертон звучит громче, а шарик отскакивает на большее расстояние, что свидетельствует о большей амплитуде колебаний ветвей.

Этот и многие другие опыты позволяют сделать вывод о том, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

В рассмотренном опыте частоты колебаний обоих звуков - тихого и громкого - одинаковы, так как их источником является один и тот же камертон. Но если бы мы сравнивали звуки разных частот, то кроме амплитуды колебаний нам пришлось бы учитывать еще один фактор, влияющий на громкость. Дело в том, что чувствительность человеческого уха к звукам разной частоты различна. При одинаковых амплитудах как более громкие мы. воспринимаем звуки, частоты которых лежат в пределах от 1000 Гц до 5000 Гц. Поэтому, например, высокий женский голос с частотой 1000 Гц будет для нашего уха громче низкого мужского с частотой 200 Гц, даже если амплитуды колебаний голосовых связок в обоих случаях одинаковы.

Громкость звука зависит также от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя.

Громкость звука - это субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать все звуки по шкале от тихих до громких.

Единица громкости звука называется сон.

В практических задачах громкость звука принято характеризовать уровнем громкости звука, измеряемым в фонах, а в некоторых случаях - в белах (или в децибелах, составляющих десятую часть бела).

При листании газеты, например, создается звук громкостью порядка 20 дБ; громкость звонка будильника равна примерно 80 дБ, а звука, создаваемого реактивным двигателем самолета, - 130 дБ (звук такой громкости вызывает у человека болевое ощущение).

Систематическое воздействие на человека громких звуков, особенно шумов (неупорядоченной суммы звуков разной громкости, высоты тона, тембра), неблагоприятно отражается на его здоровье. В шумных районах у многих людей появляются симптомы шумовой болезни: повышенная нервная возбудимость, быстрая утомляемость, повышенное артериальное давление. Поэтому в больших городах приходится принимать специальные меры для уменьшения шумов, например запрещать звуковые сигналы автомобилей.

звук колебание высота тембр

4. Распространение звука

Мы воспринимаем звук с помощью уха. Между звучащим телом (источником звука) и ухом (приемником звука) находится вещество, передающее звуковые колебания от источника звука к приемнику. Чаще всего таким веществом оказывается воздух. В безвоздушном пространстве звук распространяться не может. Опыты подтверждают такое заключение. Рассмотрим один из них. Под колокол воздушного насоса помещают звонок и включают его. Затем начинают откачивать воздух насосом.

По мере разрежения воздуха звук становится слышен все слабее и слабее и, наконец, почти совсем исчезает. Когда же воздух снова начинают впускать под колокол, то звук звонка опять становится слышимым.

Итак, в разреженном воздухе звук распространяется плохо и совсем не распространяется в безвоздушном пространстве.

Звук распространяется не только в воздухе, но и в других телах. Это также можно обнаружить на опыте. Даже такой слабый звук, как тиканье карманных часов, лежащих на одном конце стола, можно отчетливо услышать, приложив ухо к другому концу стола.

Хорошо известно, что по земле и особенно по железнодорожным рельсам звук передается на большие расстояния. Прикладывая ухо к рельсу или к земле, можно услышать звук далеко идущего поезда или топот скачущей лошади.

Если мы, находясь под водой, ударим камень о камень, то ясно услышим звук удара. Следовательно, звук распространяется и в воде.

Рыбы слышат шаги и голоса людей на берегу, это хорошо известно рыболовам. Опыты показывают, что различные твердые тела проводят звук по-разному. Упругие тела - хорошие проводники звука. Большинство металлов, дерево, газы, а также жидкости являются упругими телами и поэтому хорошо проводят звук.

Мягкие и пористые тела - плохие проводники звука. Когда, например, часы лежат в кармане, они окружены мягкой тканью, и мы не слышим их тиканья. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от посторонних звуков, стены, пол и потолок покрывают прослойками из материалов, плохо проводящих звук (войлок, ковры, прессованная пробка, опилки, пористые камни).

Звуковые колебания, дойдя до таких прослоек, затухают в них. Энергия колебательного движения в таких телах превращается во внутреннюю энергию - тела нагреваются.

Итак, звук распространяется во всех упругих телах - твердых, жидких и газообразных,

но не может распространяться в безвоздушном пространстве.

5. Звуковые волны. Скорость звука

Известно, что звук распространяется в пространстве только при наличии какой-либо упругой среды. Среда необходима для передачи колебаний от источника звука к приемнику, например к уху человека. Другими словами, колебания источника создают в окружающей его среде упругую волну звуковой частоты. Волна, достигая уха, воздействует на барабанную перепонку, заставляя ее колебаться с частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожания барабанной перепонки передаются посредством системы косточек окончаниям слухового нерва, раздражают их и тем вызывают ощущение звука.

В газах и жидкостях могут существовать только упругие продольные волны. Звук в воздухе, например, передается продольными волнами, т.е. чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука.

Звуковая волна, как и любые другие механические волны, распространяется в пространстве не мгновенно, а с определенной скоростью. Простейшие наблюдения позволяют убедиться в этом. Например, во время грозы мы сперва видим молнию, и только некоторое время спустя слышим гром, хотя колебания воздуха, воспринимаемые нами как звук, возникают одновременно со вспышкой молнии. Дело в том, что скорость света очень велика (300000 км/с!), поэтому можно считать, что мы видим вспышку в момент ее возникновения. А звук грома, образовавшегося одновременно с молнией, требуется вполне ощутимое для нас время t, чтобы пройти расстояние от места его возникновения до наблюдателя, стоящего на земле. Если измерить промежуток времени t, прошедший от момента возникновения звука (когда мы видим вспышку) до того момента, когда он достигает наблюдателя, и расстояние 8 между источником звука и наблюдателем, то можно определить скорость звука V по формуле

V = S/t

Скорость звука в воздухе впервые довольно точно была определена в 1822 г. французскими учеными. В двух пунктах, расстояние между которыми было известно, стреляли из пушек. В обоих пунктах измеряли промежутки времени между появлением огня при выстреле и моментом, когда слышался звук выстрела. Скорость звука в воздухе при 20°С равна 340 м/с.

Список литературы

1. А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник «Физика»

2. И.В. Савельев «Курс общей физики»

3. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф «Справочник по физике»

Размещено на Allbest.ru