Звуковые волны

Давайте рассмотрим единичную  воздушную частичку, находящуюся  где-то в середине этого поля. Проходящие мимо волны оказывают на нее определенное давление, заставляя ее двигаться "в танце", который мог бы явиться характеристикой проходящих мимо нее звуков. Теперь от нас лишь требуется описать звук, который вызывается перемещением данной частицы в рассматриваемой точке поля. На практике размеры этой частицы являются не столь существенными по сравнению с интервалом чередующихся волн давления.

Однако в то же время, эти размеры не должны быть слишком малы, так как мы хотим измерить усредненное движение, которое является достаточно большим, поскольку представляет всю совокупность случайных мельчайших вибраций молекул воздуха, воспроизводимых диафрагмой человеческого уха.

В каждой среде звуковые волны распространяются с одинаковой скоростью С. Поэтому, частота f обратно пропорциональна длине волны А.

Кроме того, человеческое ухо не воспринимает различных направлений  перемещения воздушных частиц. Оно  просто суммирует и измеряет изменения воздушного давления. Это приводит к идее создания постоянно действующего устройства для измерения давления. Подобное устройство, оборудованное диафрагмой близкой по своим размерам к барабанной перепонке человека, явилось бы идеальным инструментом для описания звука в практических целях. Все, что выше рассматривалось для человеческого уха, можно считать основным требованием для идеального микрофона.

Основные физические характеристики звука – частота  и интенсивность колебаний. Они и влияют на слуховое восприятие людей.

Периодом колебания  называется время, в течение которого совершается одно полное колебание. Можно привести в пример качающийся маятник, когда он из крайнего левого положения перемещается в крайнее правое и возвращается обратно в исходное положение.

Частота колебаний –  это число полных колебаний (периодов)за одну секунду. Эту единицу называют герцем (Гц). Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, то есть звук имеет более высокий тон. В соответствии с принятой международной системой единиц, 1000 Гц называется килогерцем (кГц), а 1.000.000 – мегагерцем (МГц).

Распределение по частотам: слышимые звуки – в пределах 15Гц-20кГц, инфразвуки – ниже 15Гц; ультразвуки  – в пределах 1,5·104 – 109 Гц; гиперзвуки - в пределах 109 – 1013Гц.

Ухо человека наиболее чувствительно  к звукам с частотой от 2000 до 5000 кГц. Наибольшая острота слуха наблюдается  в возраст 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается.

С периодом и частотой колебаний связано понятие о  длине волны. Длиной звуковой волны называется расстояние между двумя последовательными сгущениями или разрежениями среды. На примере волн, распространяющихся на поверхности воды, - это расстояние между двумя гребнями.

Звуки различаются также  по тембру. Основной тон звука сопровождается второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте(обертона). Тембр – это качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается на основной тон, тем «сочнее» звук в музыкальном отношении.

Вторая основная характеристика – амплитуда колебаний. Это наибольшее отклонение от положения равновесия при гармонических колебаниях. На примере с маятником – максимальное отклонение его в крайнее левое положение, либо в крайнее правое положение. Амплитуда колебаний определяет интенсивность (силу) звука.

Сила звука, или его  интенсивность, определяется количеством  акустической энергии, протекающей за одну секунду через площадь в один квадратный сантиметр. Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от величины акустического давления, создаваемого источником в среде.

С интенсивностью звука  в свою очередь связана громкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако эти понятия  не равнозначны. Громкость – это  мера силы слухового ощущения, вызываемого  звуком. Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковое по своей громкости слуховое восприятие. Каждый человек обладает своим порогом слышимости.

Звуки очень большой  интенсивности человек перестаёт  слышать и воспринимает их как ощущение давления и даже боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения.

К основным законам распространения  звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.

На дальность распространения  звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.

От источника звука  акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.

Характер распространения  звуковых волн у препятствия зависит  от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются  от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.

Встречая на своём  пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу  – угол отражения равен углу падения  – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.

Звук распространяется в виде расходящейся сферической  волны, которая заполняет всё  больший объём. С увеличением  расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.

Большое влияние на дальность  распространения звука оказывает  дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.

 

 

 

Глава 2. Исследование свойств звуковых волн

2.1. Экспериментальные  установки

Эксперимент 1 «Звуковые волны».

Для эксперимента потребуются: гибкая пластинка, камертон с резонатором.

Мы положили гибкую пластинку на край стола. Отклонили свободный конец вниз и опустили. Он начинал колебаться. Чтобы лучше зафиксировать пластинку, используем камертон с резонатором. Плотно прижали пластинку к краю стола и держали ее так, чтобы она не могла двигаться.

Рис. 1. Установка к эксперименту 1.

Эксперимент 2 «Звуковые волны»

Для эксперимента потребуются: камертон, молоточек, пластиковая  емкость для воды.

Наполнили емкость водой. Ударили по камертону молоточком и поместили его непосредственно у поверхности воды.

Рис. 2. Установка к эксперименту 2.

Эксперимент 3 «Звуковые волны»

Для эксперимента потребуются: камертон, молоточек, катушка  ниток, деревянная бусина, резонатор со съемной крышкой и мембраной.

Установили камертон и ударили по нему молоточком. Поднесли бусину, подвешенную на нитке, к камертону.

Рис. 3. Установка к эксперименту 3.

Эксперимент 4 «Высота звука. Высокие и низкие тоны»

Для эксперимента потребуются: узкая резинка, широкая резинка, резонатор.

Зацепили широкую и узкую резинки на резонаторе. Поскольку в этом эксперименте каждая из резинок используется в качестве одной «струны», их следует пропустить над подставкой.

Рис. 4. Установка к эксперименту 4.

Эксперимент 5 «Простейший ударный инструмент»

Для эксперимента потребуются: два алюминиевых стержня разной длины, молоточек, нитки.

Подвязали стержни  к нитям и ударили по ним.

Рис. 5. Установка для  эксперимента 5.

Эксперимент 6. «Простейший духовой инструмент»

Для эксперимента потребуются: одна длинная пробирка, одна короткая пробирка, резонатор.

Снимем крышку с коробки резонатора и вставим пробирки (одну длинную и одну короткую) в резонатор.

Рис. 6. Установка к эксперименту 6.

Подули в отверстие пробирки, стараясь извлечь звук.

Опять отметим, что источник звука меньшего объема (более короткая пробирка) дает более высокий тон.

Эксперимент 7 «Усиление звука. Поглощение звука»

Для эксперимента потребуются: резонатор со съемной крышкой, широкая и узкая резинка.

Рис. 7. Установка к эксперименту 7.

 

 

 

 

2.2. Результаты экспериментов

Эксперимент 1 «Звуковые волны».

Заметили, что звук возникает только тогда, когда пластинка колеблется. Тот же самый эксперимент можно проделать с вязальной спицей.

Эксперимент 2 «Звуковые волны».

Наблюдения  показывают, что если колебания происходят с частотой, достаточно высокой для того, чтобы звук был слышен, взгляд не успевает проследить за ними. Звуковые колебания мы увидели, когда опустили камертон в воду. В окрашенной воде наблюдались поверхностные волны.

Эксперимент 3 «Звуковые волны»

Нитка с деревянной бусиной также позволила увидеть звуковые колебания.

При каждом соприкосновении с вилкой колеблющегося камертона бусина отскакивала от него, что говорит о наличии звуковых колебаний.

Эксперимент 4 «Высота звука. Высокие и низкие тоны»

Перемещая подставку, мы регулировали длину «игровой» части струны. Чем короче струна, тем выше звук, который она издает. При одинаковой длине более толстая струна (в нашем случае более толстая резинка) издает более низкий звук, чем более тонкая.

Эксперимент 5 «Простейший ударный инструмент»

Ударили по стержням молоточком: они начали колебаться и издавать звуки различной высоты. Здесь проявилась закономерность, обнаруженная в предыдущих экспериментах: высота тона зависит от длины колеблющейся части источника звука (если он имеет вид струны, стержня одной и той же ширины и толщины, сделанных из одинакового материала).

Эксперимент 6. «Простейший духовой инструмент»

Подули в отверстие пробирки, стараясь извлечь звук. Отметили, что источник звука меньшего объема (более короткая пробирка) дает более высокий тон.

Эксперимент 7 «Усиление звука. Поглощение звука»

Взяли изготовленный  инструмент. Чтобы проверить, обеспечивает ли резонатор эффект усиления звука, сняли крышку и взяли ее в руки. Звуки, извлекаемые из получившегося «струнного инструмента», были едва различимы. Увеличить громкость можно было, прижав крышку к поверхности стола или снова надев ее на резонатор.

 

 

 

 

Заключение

Музыка –  это искусство говорить звуками. Звук возникает только тогда, когда есть движение (т.е. колебание): колебание струны, колебание струи воздуха в трубке, колебание мембраны ударного инструмента и т.д. (примеры на различных музыкальных инструментах: скрипка, свирель, бубен и др.). Нет колебаний - нет звука.

Таким образом, при помощи простейших экспериментов мы разобрались:

• что источником звука являются звуковые колебания;
• как влияют особенности конструкции музыкальных инструментов на их звучание;
• как влияют длина, степень натяжения  и толщина струны музыкального инструмента на высоту тона;
• как можно усилить или поглотить звук.

Мы постарались остановиться на экспериментах, наиболее интересных и познавательных с нашей точки зрения.

Работу можно продолжить по следующим направлениям:

1. усовершенствовать приборы;
2. придумать новые эксперименты по исследованию свойств звуковых волн;
3. сконструировать какой-либо оригинальный музыкальный инструмент.

 

 

 

 

Литература

1.	Жданов А.С. Учебник  по физике для средних специальных  учебных заведений. – М.: Наука, 1975.
2.	Иванов С. Абсолютное зеркало. – М.: Знание, 1977.
3.	Ланина И.Я. Не уроком единым. Развитие интереса к физике. – М.: Просвещение, 1991.
4.	Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика-11. – М.: Просвещение, 1989.
5.	Пинский А.А., Разумовский  В.Г. Физика и астрономия-9. – М.: Просвещение, 1999.
6.	Хорбенко И.Г. Звук. Ультразвук. Инфразвук. – М.: Знание, 1986.
7.	Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. Для поступающих в вузы и для самообразования. – М.: Наука, 1989.