Звуковые волны

Содержание

Введение………………………………………………………………………...2

Глава 1. Теоретическое  обоснование особенностей звуковых волн………..4

1.1. Историческая справка……………………………………………………..4

1.2. Звук. Свойства звука………………………………………………………7

Глава 2. Исследование свойств  звуковых волн……………………………..14

2.1. Экспериментальные установки………………………………………….14

2.2. Результаты экспериментов………………………………………………18

Заключение……………………………………………………………………20

Литература…………………………………………………………………….21

 

 

Введение

Мы живем в мире информации, и главная ее часть проходит через глаза и слух человека. Согласно исследованиям физиологов визуальная информация занимает первое место, но и слуховая не менее важна.

Мы живем в мире звуков, это и музыка и шумы разной природы, и речь, и музыка. Поэтому надо знать природу звука, уравнения и законы, которые описывают его распространения и поглощения в различных средах. Это необходимо знать людям различных профессий: музыкантам и строителям, звукорежиссерам и архитекторам, биологам и геологам, сейсмологам, военным. Все они имеют дело с различными сторонами практического распространения звука в разных средах. Распространение звука в помещениях, „ звучание ” помещений важно для строителей, музыкантов. За звуковыми сигналами сейчас исследуют пути миграций перелетных птиц биологи, находят косяки рыб в океане рыбаки. Геологи с помощью ультразвука исследуют земную кору в поисках новых месторождений полезных ископаемых. Сейсмологи, изучая распространение звуков в земле, учатся предсказывать землетрясения и цунами. Для военных большое значение имеет профиль корпусов военных кораблей и подводных лодок, ведь это влияет на скорость движения корабля и на издаваемый им шум, который для подводных лодок должен быть минимальным, всем этим и обусловлена актуальность моей работы. Развитие физики и математики сделало возможным рассчитать все это. Поэтому звуковые явления были выделены в отдельную науку, которая получила название акустики.

Цель работы: исследование свойств звуковых волн с помощью механических самодельных устройств.

Объект исследования: звуковые волны.

Предмет исследования: свойства звуковых волн.

Задачи исследования:

• Изучить влияние   особенностей   конструкции   музыкальных   инструментов   на   их звучание;
• Изучить влияние  длины,   степени   натяжения   и   толщины   струны   музыкального инструмента на высоту тона;
• Изучить способы усиления или поглощения звука;
• Изучить распространение звука в различных средах;
• Изучить звуковые колебания, зависимость между высотой тона и частотой звуковых колебаний.

Методы исследования:

1. анализ и систематизация информации по данной тематике;
2. наблюдение данного явления;
3. обобщение полученных данных.

 

Глава 1. Теоретическое обоснование особенностей звуковых волн

1.1. Историческая справка

Звуки начали изучать  ещё в далёкой древности. Первые наблюдения по акустики  были  проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издающей звук.

В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как  распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий.

В XV веке Леонардо да Винчи  сформулировал принцип  независимости звуковых волн от различных источников.

В 1660 году в опытах Роберта  Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не   распространяется).

В 1700 - 1707 гг. вышли вышли  мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской Академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное  конструкторам органов: если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающиеся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колебаний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соответствует 32 колебаниям в секунду, а другой - 40 колебаниям , то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго звука и, таким образом происходит усиление звука. От органных труб Савёр перешёл к экcпирементальному исследованию колебаний струны, наблюдая узлы и пучности колебаний (эти названия, существующие и до сих пор в науке, введены им), а также заметил, что при возбуждении струны наряду с основной нотой звучат и другие ноты, длина волны которых составляет  1/2, 1/3, 1/4, ... от основной. Он назвал эти ноты высшими гармоническими тонами, и этому названию суждено было остаться в науке. Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800.

За тем, Ньютон, основываясь  на этих экспериментальных работах Савёра, дал первый расчет длины волны звука и пришел к выводу, хорошо известному сейчас в физике, что для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы. "И в этом состоят главнейшие звуковые явления".

После экспериментальных  исследований Савёра к математическому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор, положив этим начало математической физике в собственном смысле слова. Ему удалось рассчитать зависимость числа колебаний струны от её длины, веса, натяжения и местного значения ускорения силы тяжести. Эта задача сразу  же  стала  широко  известна  и привлекла внимание почти всех математиков XVIII века, вызвав долгую и плодотворную дискуссию. Ею занимались среди прочих Иоганн Бернулли и его сын Даниил Бернулли, Риккати и Даламбер. Последний нашел уравнения в частных производных, определяющие малые колебания однородной струны, и  проинтегрировал их методом, применяемым и поныне. Но наиболее существенный вклад внес Эйлер. Ему мы обязаны полной теорией колебаний струны, начало построению которой было положено в 1739 году в его труде "Опыт новой теории музыки"  и  продолжалось в многочисленных последующих докладах. В частности, из теории Эйлера вытекало, что скорость распространения волны по струне не зависит от длины волны возбуждаемого звука. Эйлер производил также теоретические исследования колебаний стержней, колец, колоколов, но полученные результаты не совпали с результатами экспериментальной проверки, предпринятой немецким физиком Эрнестом Флоресом Фридрихом Хладни, которого считают отцом экспериментальной акустики. Хладни первым точно исследовал колебания камертона и в 1796 году установил законы колебаний стержней.

Фактическое объяснение эха, явления довольно капризного, также  принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду. Эти измерения, многократно повторяемые физиками до сих пор, весьма  субъективны  и  зависят от интенсивности и характера звука. Но особенно известны опыты Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые "акустические фигуры", носящие названия фигур Хладни и получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку песком. Эти экспериментальные исследования поставили новую задачу математической физики - задачу о колебаниях мембраны.

Хладни начал исследования продольных волн в твердых телах  и сопоставил продольные и поперечные колебания стержня при различных способах возбуждения (ударом, трением и др.). Исследование продольных волн были продолжены экспериментально Саваром, а теоретически - Лапласом и Пуассоном.

В XVIII веке было исследовано  много других акустических явлений (скорость распространения звука в твердых телах и в газах, резонанс, комбинационные тона и др.). Все  они объяснялись движением частей колеблющегося тела и частиц среды, в которой распространяется звук. Иными словами, все акустические явления объяснялись как механические процессы.

В 1787 году Хладни, основоположник  экспериментальной акустики открыл продольные колебания струн, пластин, камертонов и колоколов. Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе. Он изобрёл ряд музыкальных инструментов. В 1802 году вышел труд Эрнеста Хладни "Акустика", где он дал систематическое изложение акустики.

После Хладни французский учёный Жан  Батист Био в 1809 году измерял скорость звука в твёрдых телах.

В 1800 году английский учёный Томас  Юнг открыл явление интерференции звука и установил принцип суперпозиции волн.

В 1816 году французский физик Пьер Симон Лаплас вывел формулу для  скорости звука в газах.

В  1827 году Ж. Колладон и Я. Штурм провели опыт на Женевском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с.

В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер предположил влияние относительного движения  на  высоту  тона (эффект Доплера). А в 1845 году Х. Бейс-Баллот экспериментально обнаружил эффект Допплера для акустических волн.

В 1877 году американский учёный Томас  Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука, который потом сам же в 1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи получил название механического.

В 1880 году французские учёные братья Пьер и Поль Кюри сделали  открытие, которое  оказалось очень  важным для   акустики. Они обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это  свойство - пьезоэлектрический  эффект - для обнаружения не слышимого человеком ультразвука. И наоборот, Если к  граням  кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь.

 

1.2. Звук. Свойства звука

Начнем со знакомства с физической природой звука. Вибрация материалов вызывает явление звука. Если деревянная плоскость начинает вибрировать, то она толкает примыкающий к ней воздух в прямом и обратном направлениях. Если диапазон этой вибрации находится где-то между десятью и десятью тысячами колебаний в секунду, то воздушная среда обнаруживает некоторую эластичность, не заметную при малых скоростях. Попробуйте помахать рукой в ту или другую сторону со скоростью один взмах в секунду; вы почувствуете, что с воздухом ничего не происходит, он просто, как бы обтекая руку, возвращается на прежнее место. В этом случае мы не имеем резкого, скачкообразного возвращения частиц воздуха в прежнее положение. Но если проделать эти движения в сотни раз быстрее, воздушная среда будет вести себя совсем иначе. Она будет сжиматься под воздействием руки, двигающейся вперед, и разжиматься (или испытывать разрежение) при движении руки в обратном направлении. В этих случаях говорят, что мы имеем естественную эластичность воздушной среды.

Вибрирующая плоскость генерирует волны давления и разрежения - это  звук. Камертон часто используется для демонстрации этого явления. Однако в жизни камертон не производит сильного звучания, он как бы проскальзывает воздух, не вынуждая его при этом двигаться. Вибрирующая панель является более эффективным средством.

Когда плоскость двигается вперед, каждая частичка воздуха толкает  соседнюю, создавая при этом волну давления. Когда плоскость двигается назад, это давление заменяется разряжением, за которым следует другая волна давления и т.д.

В различных средах эти волны  распространяются с разными скоростями, что и является характеристикой  отдельной среды. Скорость распространения звука в воздушной среде зависит от его температуры и, для нормальных условий составляет примерно 340 м/сек.

Эта скорость не зависит от величины вибрации пластины, генерирующей колебания  в прямом и обратном направлениях. Можно говорить о 100 перемещениях в секунду, однако результат будет аналогичен тому, были эти перемещения равны 20 или 20000 колебаниям. Величина скорости, с которой появляются волны воздушного давления, называется частотой и измеряется одним циклом в секунду, герцем (Гц): 1 Гц = 1 ц/с.

Давайте еще раз обратимся к  примеру с рукой, но уже перемещающейся с частотой в 100 Гц. Конечно, это не будет являться идеальным источником звука: некоторое количество воздуха просто обтекает ладонь при ее перемещении. Для того, чтобы устранить явление обтекания, для такой среды как воздух, источник звука должен быть намного больше, что-то вроде передней панели пианино, и иметь как можно меньше скругленных углов. Однако, если вибратор размером с человеческую руку заставить двигаться еще быстрее, у воздуха уже не будет возможности для простого обтекания руки. Даже совсем маленькие поверхности при очень высоких частотах вибрации, являются эффективными источниками звука.

Для большей наглядности  звуковые волны обычно изображают в  виде диаграммы плоской боковой волны, при этом, расстояние от источника звука откладывается по горизонтальной шкале, а перемещение отдельной частицы от ее среднего значения, по вертикальной. 2. На данном рисунке показано положение частиц, перемещающихся вдоль линии в прямом и обратном направлениях. Здесь также показано перемещение волн давления.

В действительности, звуки  порождаются источниками различных  форм и размеров, которые воспроизводят  вибрацию довольно сложным образом. Кроме того, волны воздушного давления способны отражаться от твердых поверхностей. Эти отражения складываются с волнами основного источника, создавая при этом сложное поле различных направлений. Как же мы можем описать, не говоря уже о том, чтобы воспроизвести, такую сложную структуру звука? К счастью, нам это не потребуется.