Колебательные процессы в природе и технике

В повседневной жизни  мы имеем дело, чаще всего, со звуком, распространяющимся в воздухе. Однако он может распространяться и в других средах: в воде, земле, металлах. Скорость звука в этих средах больше скорости звука в воздухе. Звук быстрее распространяется в твердом теле (земле), чем в воздухе. Уши человека в данном случае являются приемником звука. Для характеристики звука существуют три главных понятия:

2.1 Громкость

 

Громкость звука. Она  определяется действием звука на орган слуха, ее трудно оценить объективно.

Громкость звука зависит  от:

·  Амплитуды колебаний - чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

 Хотя амплитуда колебаний источника звука может быть велика, амплитуда частиц передающей среды, воздуха, очень мала (за исключением частиц, находящихся очень близко к источнику, амплитуды которых очень близки к амплитудам самого источника). Ухо чувствительно к амплитудам колебания воздуха порядка одной миллиардной сантиметра и к еще меньшим амплитудам колебаний частиц жидкостей и твердых тел. Колебаний частиц воздуха с амплитудой в одну сотую сантиметра создают такой громкий звук, который способен нанести повреждения уху.

На практике часто звук измеряют в децибелах (дБ). Вот при меры громких различных звуков на расстоянии в несколько метров от источника  звука: шелест листьев - 1 О ДБ, громкий разговор - 70 дБ, пылесос - 50 дБ. от звучащего музыкального инструмента волна распространяется во все стороны, и на расстоянии от него громкость звука, естественно, уменьшается. Для усиления звука служат корпусы инструментов.

 

·  Частоты - чем больше частота колебаний, тем громче звук, тем выше высота тона.

Самый низкий из слышимых человеком музыкальных звуков имеет  частоту 16 колебаний в секунду. Он извлекается органом, но принимается нечасто, слишком уж басовит. Разобрать и понять его трудно.

Зато 27 колебаний в  секунду - тон, вполне ясный для уха, хоть тоже редкий.

Вы услышите его, нажав  крайнюю клавишу рояля.

Следующий любопытный тон - 44 колебания в секунду, абсолютно «нижний» рекорд мужского баса, поставленным в восемнадцатом веке певцом                                  Каспаром Феспером.

Поднимаемся дальше. Вот 80 колебаний в секунду - обыкновенная нижняя нота хорошего баса и инструментов. Удвоив число колебаний (повысив звук на октаву), приходим к тону, доступному виолончелям, альтам. Здесь отлично себя чувствуют и басы, и баритоны, и тенора, и женские контральто.

А еще октава вверх - и  мы попадем в тот участок диапазона, который буквально «кишит» музыкой. Тут работают почти все голоса и музыкальные инструменты. Недаром, именно в этом районе акустика закрепила всеобщий эталон высоты тона - 440 колебаний в секунду (ля» первой октавы).

Вплоть до 1000-1200 колебаний  в секунду звуковой диапазон полон музыкой.  Эти звуки самые слышные. Выше следуют мало населенные «этажи». Легко взбираются на них лишь скрипки, флейты да такие универсалы, как орган, рояль, арфа. А с 16000-20000 колебаний в секунду начинается недоступный уху человека сверхвысокий ультразвук. Профессий у него масса. Он сверлит камень, счищает ржавчину, измельчает материалы, стирает белье, измеряет глубину рек и морей, лучше рентгена просвечивает тело. И все это делает молча.

 

           ·  От качества – тембра

Получить чистый звук со строго определенной частотой колебаний, даже при полном отсутствии посторонних  шумов, очень трудно, и  вот почему. Любое колеблющееся тело издает не только один основной звук. Его постоянно сопровождают звуки других частот. Эти «спутники» всегда выше основного звука и называются, поэтому обертонами, т. е. верхними тонами. Однако не стоит огорчаться существованием этих «спутников». Именно они - то и помогают нам определить звук одного инструмента от другого и голоса различных людей, если даже они равны по высоте. Каждому звуку обертоны предают своеобразную окраску, или, как говорят, тембр. И если основной звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук кажется нам мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, мы говорим о неприятном «металлическом» голосе или звуке.

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

 

2.2 Скорость звука

 

Для распространения  звука необходима упругая среда. В вакууме звуковые волны распространяться не могут.

В воздухе скорость звука  впервые была измерена в 1636 г. французом М. Марсенном. При температуре 20⁰С она составила 343 м/с. Для примера, начальная скорость пули из пулемета Калашникова 825 м/с, что превышает скорость звука в воздухе. Пуля обгоняет звук выстрела и достигает своей жертвы до того, как приходит звук.

Скорость звука зависит от температуры среды: с увеличением температуры воздуха она возрастает. В разных газах скорость звука различна: чем больше масса молекул газа, тем меньше скорость в нем (в водороде -1284 м/с, а в кислороде - 316 м/с).

         В жидкостях скорость звука, как правило, больше скорости звука в газах. 1826 г. Ж. Каллад и Я. Штурм впервые измерили скорость звука в воде на Женевском озере в Швейцарии. При температуре 80С она оказалась равна 1440 м/с. Скорость звука в твердых телах больше, чем в жидкостях и газах. Если приложить ухо к рельсу, то после удара по другому концу рельса можно услышать два звука. Один из них достиг уха по рельсу, другой по воздуху.

Хорошо проводит звук земля, поэтому в старые времена при осаде крепостей в стенах помещали «слухачей», которые по звуку, передаваемому землей, могли определить, ведет ли враг подкоп к стенам или нет.

Твердые тела хорошо проводят звук. Благодаря этому люди, потерявшие слух, иной раз способны танцевать под музыку, которая доходит до их слуховых нервов не через воздух и наружное ухо, а через пол и кости.

2.3  Отражение звука. Эхо.

 

Звуковая волна, распространяясь  в некоторой среде, рано или поздно доходит до границы этой среды, а за ней начинается другая среда, состоящая из других частиц, в которой и скорость звука другая. На такой границе происходит явление отражения звуковой волны. Отражение происходит потому, что колебания, принесенные волной к границе, передаются частицам второй среды, и они становятся сами источником новой звуковой волны. Эта вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда пришла первичная волна. Это и есть отраженная волна. С явлением отражения звука связано такое явление как эхо. Оно состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвращается к месту, где он возник. И если первичный звук и звук отраженный доходят не одновременно, то он слышит звук дважды.

В комнате первичный  звук и отраженный доходит одновременно. Кроме того шторы и мебель частично поглощают отраженный звук, поэтому звуки не искажаются эхом и звучат четко и разборчиво.

В больших залах звуки речи отражаются от стен, потолков, воспринимаются как отдельные. В результате этого каждый слог растягивается, и речь становится мало разборчивой. Для улучшения звуковых свойств больших залов и аудиторий их стены часто облицовывают звукопоглощающими материалами.

 

 

2.4. Ультразвук и инфразвук

 

         Колебания с частотой от единиц Герц до 20 Герц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки. Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 108 кГц, а колебания с частотой более 108 кГц получили название гиперзвуки.

 

1. Ультразвуковые колебания, имея большую частоту, в сравнении со звуковыми колебаниями при одинаковой скорости распространения, характеризуются значительно более короткими длинами волн. Ультразвуковые колебания в различных средах с длиной волны, не превышающей 1…10 мм, по своим свойствам аналогичны световым лучам. Это позволяет не только фокусировать колебания, но и формировать направленное излучение, то есть направлять энергию в нужном направлении и сосредотачивать ее в нужном объеме.

 
 
             2. УЗ колебания могут распространяться в любых материальных средах (в прозрачных и непрозрачных средах, проводниках и диэлектриках и т.п.), что позволяет использовать их для исследования и воздействия на полимеры, металлы, жидкости, газы и др.

 

 

       3. Мощность ультразвуковых колебаний, распространяемых в средах, пропорциональна квадрату частоты, и поэтому, в отличие от мощности звуковых колебаний - очень велика. Мощность ультразвуковых колебаний может достигать сотен киловатт, а интенсивность (энергия, распространяемая через единицу площади в единицу времени) - 1...1000 Вт/см². При таких интенсивностях ультразвукового воздействия внутри материальных тел может распространяться очень большая энергия механических колебаний. В ходе распространения волны (в колебательном процессе) возникают перепады звукового давления, превышающие десятки мПа.

 
 
       Кроме того, не следует забывать, что это давление меняет свой знак, переходя в разряжение с частотой большей 20 тысяч раз в секунду. 
Возможность ввода огромных энергий позволяет повышать эффективность множества различных технологических процессов, создавать новые материалы, получать новые вещества, решать многие вопросы технологического контроля и измерений. Эти свойства положены в основу применения УЗ.

      В настоящее время активно развивается новая область знаний - биоакустика, изучающая формы, способы и системы звукового общения. Оказывается, многие живые существа в процессе эволюции научились использовать ультразвуковые колебания для ориентации в пространстве. 
Ученые выявили множество различных примеров использования ультразвука животными. Чаще всего это сигналы предупреждения об опасности, выражения угрозы, удовлетворения, победы и т.д.

       Развитие биоакустики подогревается не праздным любопытством, а требованиями практики. Знания, добываемые биоакустиками, используются при проектировании новых приборов. Примеры использования полученных знаний: охрана от птиц аэродромов, защита полей от вредителей, управление поведением стадных животных. Наиболее широко ультразвук используется обитателями морей. Установлено, что в воде УЗ распространяется со скоростью 5300 км/ч. Ничто не может двигаться в воде быстрее, чем УЗ колебания. Если в воздухе источник мощностью в 100 кВт слышен на расстоянии 15 км, то в воде источник мощностью 1 кВт распространяется до 100 км. Вода прозрачна для ультразвука, как воздух для света. Колебания, излучаемые рыбами, креветками и другими морскими животными позволяют обнаруживать их рыбакам. Эти же излучения позволяют определять местонахождение косяка рыб и его размеры. Многие представители животного мира имеют возможность принимать и воспроизводить УЗ. Так, например, морская свинка, сова, серая мышь, барсук, водяные жуки, некоторые ночные бабочки воспринимают звуки с частотой до 100 кГц. Собаки и лошади слышат УЗ. Летучие мыши, дельфины, киты не могут существовать без использования ультразвука - он заменяет им зрение.

 
 
Принцип ориентации летучих мышей  и дельфинов - эхолокация. Летучая  мышь способна обнаруживать в полете препятствия в виде проволочек диаметром 0,08 мм (в 24 раза меньше по размерам, чем  допускают теоретические расчеты). Дельфин на расстоянии 20 метров безошибочно подплывает к брошенной в воду дробинке. Механизмы эхолокации, созданные природой очень сложны и до конца не исследованы. Сегодняшний уровень техники позволяет смоделировать эхо-локатор дельфина. Но если у дельфина он весит 200 г., то созданный человеком аппарат весит более 100 кг.

 

 

 

 

3.  Колебательные процессы в природе и технике

         

3.1 Маятник на службе у человека

Самый простой маятник - это тяжелый шарик на тонкой нити. нам Именно он удобен для опытов. Период колебаний маятника зависит  от его длины, но не зависит от массы  шарика.

Поднявшись на высокую  гору с секундным маятником, мы могли  бы заметить, что он замедлил свои колебания. Что же замедлило колебания маятника? Ослабление силы тяжести на горе по сравнению с равниной.

Как известно, сила тяжести  изменяется обратно пропорционально  квадрату расстояния от центра Земли. На горе маятник находится дальше от него, чем на равнине. Сила тяжести уменьшилась, а поэтому замедлились колебания маятника.

Переезжая с маятниковыми часами, ученые давно заметили, что  при переезде с севера на юг часы начинают отставать. Это продолжается до самого экватора. Т.к. длина его  не меняется, то делаем вывод, что чем ближе к экватору, тем меньше весит груз.

В чем же причина этого  явления?

Ученые давно разгадали  эту загадку. На земле возникает  центробежная сила вследствие вращения Земли, а так же в сжатии земного  шара.

Маятник позволил узнать, какая Земля внутри, что долго не удавалось ученым. Об этом можно узнать, наблюдая при землетрясениях колебания земной коры, прошедшие через глубины Земли.

Морские приливы и  отливы известны с давних пор. Это  поднятая вода прямо под Луной. Наблюдения над горизонтальным маятником, проведенные русским астрономом А. Я. Орловым, открыли замечательное явление. В твердой земной коре под влиянием притяжения Луны поднимается, как и в океане, бугор прилива. Он не высок, 20-30 см, и без опоздания следует за Луной. По высоте твердого прилива можно рассчитать твердость Земли.

Притяжение тяжелых  масс увеличивает силу тяжести. Поэтому  маятник, находящийся на земной поверхности  над скоплением тяжелых руд, колеблется быстрее, чем в других местах. Открыв этим способом скопление руд, выбирают место для заложения разведочной скважины.