Физика

Урок 8: Звук

Звук

Трудно поверить, но все, что человек ощущает зрением и слухом – это лишь разновидность волн. Слуховые и зрительные органы воспринимают колебания среды, обрабатывают их и превращают в ощущения. Самое интересное, что звук человек может воспринимать, еще находясь в утробе матери. В этом уроке предлагается подробно рассмотреть природу и особенности звука.
 

План урока:

Источники звука. Звуковые колебания. Ультразвук и инфразвук

Высота и тембр звука. Чистый тон, основной тон. Камертон

Громкость. Амплитуда звуковых колебаний

Распространение звука. Звуковые волны. Скорость звука

Отражение звука. Эхо

Звуковой резонанс

 

Источники звука. Звуковые колебания. Ультразвук и инфразвук

Звук – это механические волны, которые являются колебаниями среды. А у колебаний среды обязательно должен быть источник – колеблющееся тело. Значит, источник звука – это колеблющееся тело.

Действительно, можно вспомнить много примеров для подтверждения этого факта. Один из них – школьная забава, когда металлическую или пластмассовую линейку кладут на край стола так, чтобы один конец ее был на столе (его нужно придерживать), а второй свисал с него (см. рисунок 1). Если по свободному концу линейки ударить пальцем, она начнет колебаться и издавать звук, высота которого будет зависеть от длины свободного конца линейки.

1 lineika
Рисунок 1 – Опыт с линейкой

За частоту звука считается частота колебаний источника звука.

Однако не каждое тело, совершающее колебания в среде, может служить источником звука. Например, нитяной маятник при колебаниях звуков не издает. Пружинный тоже.

Экспериментальным путем было установлено, что человеческое ухо может воспринимать колебания в диапазоне частот от 16 Гц до 20 000 Гц. Поэтому колебания из этого диапазона называют звуковыми колебаниями или просто звуком.

Стоит заметить, что границы этого диапазона не такие уж четкие. Например, дети имеют слух острее и могут воспринимать колебания с частотой свыше 20 кГц, а вот у стариков наоборот диапазон восприятия звука заметно снижается.

Итак, 16 Гц – 20 кГц – это звуковой диапазон частот, а что с остальными?

Механические колебания, частота которых менее 16 Гц называются инфразвуком, а колебания с частотой более 20 000 Гц – ультразвуком.

И ультразвук, и инфразвук широко используются в технике, а также часто встречаются в дикой природе (например, дельфины общаются друг с другом с помощью ультразвука).

Высота и тембр звука. Чистый тон, основной тон. Камертон

Высота звука прямо пропорциональна его частоте (и, следовательно, частоте источника). То есть, чем больше частота, тем выше будет звук (можно в домашних условиях провести упомянутый ранее опыт с линейкой – чем короче конец линейки, свисающей над полом, тем больше будет частота колебаний и выше звук - и убедиться в сказанном самостоятельно).

Если источник звука колеблется с неизменной частотой по гармоническому закону, говорят, что он издает чистый тон.

Чистый тон – звук источника, совершающего гармонические колебания, в которых присутствует только одна частота.

Одним из самых распространенных источников чистого тона является такое устройство, как камертон (см. рисунок 2). Он состоит из изогнутого U-образного металлического стержня на ножке, установленном на коробочке, называемом резонаторном ящиком. При ударе молоточком по металлическому стержню, тот начинает колебаться и издавать звук. Колебания камертона являются гармоническими, а звук камертона имеет в своем составе колебания только одной частоты.

2 kamertonРисунок 2 – Камертон

Но чаще всего окружающие человека звуки представляет собой сумму колебаний нескольких частот. Любой из этих звуков можно представить в виде нескольких чистых тонов (фактически, разложить звук на составляющие его части). Из этих чистых тонов, составляющих звук,звуковую волну  с самой низкой частотой называют основным тоном, а соответствующую ему частоту – основной частотой. А все остальные тона называются обертонами.

Важно отметить, что частота составного звука определяется именно по частоте его основного тона.

А вот обертона отвечают за такую характеристику, как тембр звука. По нему человек отличает друг от друга звуки различных источников (например, звук музыкального инструмента и голос человека можно отличить, даже если они имеют примерно одинаковую частоту).

 

Громкость. Амплитуда звуковых колебаний

Громкость звука – понятие, постоянно употребляемое в жизни. Действительно, все когда-нибудь слышали фразы «Слишком громко, сделай тише!» или наоборот «Говори громче, не слышно!». А что же такое громкость звука?

Громкость – это характеристика силы звука. В случае с человеческим ухом – это субъективная величина, ведь кто-то слышит лучше, кто-то хуже.

Для объективности была введена универсальная единица измерения громкости – сон. Однако в практических задачах соны почти не используются. Вместо громкости звука на практике чаще всего используется величина, называемая уровнем звукового давления. Он измеряется в белах (Б) или дБ (децибелах).

Уровни звукового давления, соответствующие звукам различных предметов или ситуаций, представлены на диаграмме рисунка 3. Звуки с уровнем звукового давления свыше 140 дБ крайне болезненны для человека, они разорвать барабанную перепонку. А звук с характеристикой свыше 200 дБ смертельно опасен.

3 urovni zvukovogo davlenia
Рисунок 3 – Диаграмма уровней звукового давления

От чего же зависит уровень громкости?

На самом деле она зависит от нескольких факторов, но основной из них – амплитуда звуковых колебаний. Если представить струну гитары и гитариста, который сначала аккуратно и не сильно дергает струну, а потом резко и сильно бьет по той же струне. Во втором случае звук будет явно сильнее, потому что струна будет колебаться с большей амплитудой.

Громкость увеличивается с увеличением амплитуды.

Однако следует помнить, что в восприятии звука человеческим ухом есть свои особенности: помимо амплитуды на него влияет так же частота звуковой волны (более высокие звуки будут восприниматься как более громкие), длительность, тембр и многое другое.

Распространение звука. Звуковые волны. Скорость звука

Звук, распространяющийся в газах и жидкостях, представляет собой продольную волну (так как в неупругих средах могут распространяться только такой вид волн). То есть звуковая волна – это чередование областей уплотнения и разряжения частиц среды, идущих от источника.

Как и любой другой вид волн, звуковые волны характеризуются скоростью распространения. Например, во время грозы человек сначала видит вспышку молнии, а потом уже слышит гром. Причем интересно, что скорость распространения звука в разных средах будет различна.

Экспериментально измерить скорость звука можно, например, в эксперименте со стрелком, делающим выстрел в воздух. Если встать от стрелка на расстоянии 500 метров и засечь время между вспышкой, которую мы видим при выстреле и звуком, который до нас доходит с опозданием, можно рассчитать скорость по формуле:

4 formula skorosti

где v – скорость звука в среде, S – расстояние до стрелка, t – время между вспышкой и звуком.

По экспериментальным данным скорость звука в воздухе равна примерно 330 м/с.

Однако это величина не постоянная. Скорость звука в газах зависит от температуры: при увеличении температуры молекулы газа начинают двигаться быстрее и, тем самым, увеличивается степень из взаимодействия (то есть молекулы чаще сталкиваются друг с другом), а значит и скорость распространения волн тоже увеличится.

330 м/с  - это скорость звука при нормальном атмосферном давлении и 0° по шкале Цельсия.

График зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры воздуха представлен на рисунке 4.

5 zavisimost skorosti rasprostranenia zvukovyh voln ot temperatury vozduha
Рисунок 4 - График зависимости скорости распространения звуковых волн от температуры воздуха

А что же насчет распространения звуков в других средах – жидкостях или твердых телах? Жидкости и твердые тела имеют плотность больше, чем газы, значит, молекулы в них взаимодействуют друг с другом активнее. А чем сильнее взаимодействуют молекулы вещества, тем быстрее распространяется волна в нем. Значит, звук распространяется в жидкостях и твердых телах быстрее, чем в газах.

И стоит помнить, что для звуковых волн, как и для любых других, действуют формулы:

6 formula

Где v – частота звуковых колебаний, T– период звуковой волны,  – длина колебаний звуковой волны, v – скорость распространения звуковых колебаний.

 

Отражение звука. Эхо

Каждый человек когда-либо сталкивался с таким явлением, как эхо – когда произнесенное слово или звук слышатся не один раз, а несколько. Это происходит потому, что звуковые волны отражаются от различных поверхностей (рис.5).

7 razlichnye zvuki
Рисунок 5 – Схема отражения звуковых волн от различных поверхностей (1 – источник звука, 2 – направление исходной звуковой волны, 3 – отражающий предмет, 4 – направление отраженной волны)

Эхо можно услышать, например, в пустой комнате, если она достаточно просторная, или просто в очень большом помещении. Почему же мы не слышим эха, находясь в любом помещении? Чтобы услышать эхо, человеческий мозг должен воспринять отраженный сигнал отдельно от исходного. В маленьких помещениях отраженный звуковой сигнал доходит до уха почти одновременно с исходным, поэтому мозг не успевает их различить.

Например, если ученик стоит на расстоянии 2-х метров от стены, отраженная звуковая волна достигнет его уха через:

8 formula vremeni

Для того, чтобы мозг воспринял исходный и отраженный сигналы отдельно друг от друга, необходимо, чтобы разница во времени была не менее 0,6 секунды.

На возникновение эха так же влияют предметы, находящиеся в комнате: гладкие стены хорошо отражают звук, а вот мягкая мебель и ткани – поглощают звуковые волны, тем самым препятствуя их распространению.

Явление отражения волн часто используется в технике. Например, корабли могут измерять глубин моря используя отражение ультразвука. На дне судна располагают источник и приемник ультразвука. Источник порождает сигналы, которые доходят до дна, а затем отражается от него и доходят до приемника, фиксирующего их (см. рисунок 6). В этом случае глубину моря можно рассчитать по формуле:

9 formula glubiny uchastka

где h– глубина измеряемого участка, vзвука – скорость звука в воде, t–время с момента отправления сигнала до его фиксации приемником.

*Данная формула выводится из закона равномерного движения:

10 formula ravnomernogo dvizhenia

где  – перемещение при равномерном движении,  – скорость движения,  – время. Число 2 в знаменателе появляется потому, что за время t в данном случае сигнал успевает пройти путь до дна и обратно до корабля – то есть двойной путь.

11 yavlenie otrazhenia ultrazvuka

Рисунок 6 – Измерение глубины с помощью явления отражения ультразвука от дна (1 – корабль, 2 – источник ультразвука, 3 – приемник ультразвука, 4 – испускаемая источником волна, 5 – отраженная от дна волна)

Звуковой резонанс

Резонанс – это явление резкого усиления амплитуды вынужденных колебаний при совпадении (равенстве) собственной частоты колебаний и частоты вынуждающей силы.

Звуковые волны тоже могут вызвать резонанс, и это явление часто используется в музыкальных инструментах. Например, в гитаре корпус играет роль резонаторного ящика. Звук от колеблющейся струны многократно отражается в полом корпусе гитары и, тем самым, звуковые колебания усиливаются.

В камертоне (см. рисунок 2) резонаторный ящик тоже предназначен именно для усиления звука.

В теле человека роль резонатора играет гортань, а роль источника звука – голосовые связки.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Какой диапазон частот называется звуковым? Выберите правильный ответ:
1от 16 кГц до 20кГц
2от 16 Гц до 20 Гц
316 Гц до 20 кГц
4от 16 Гц до 20 МГц
Ответить
3
Вопрос: 2
Какой звук называется ультразвуком? Выберите правильный ответ:
1любой звук с частотой меньше 16 Гц
2любой звук с частотой больше 16 Гц
3любой звук с частотой меньше 20 кГц
4любой звук с частотой больше 20 кГц
Ответить
4
Вопрос: 3
Какой звук называется инфразвуком? Выберите правильный ответ:
1любой звук с частотой меньше 16 Гц
2любой звук с частотой больше 16 Гц
3любой звук с частотой меньше 20 кГц
4любой звук с частотой больше 20 кГц
Ответить
1
Вопрос: 4
Ученик увидел вспышку молнии и через 10 секунд услышал раскат грома. Считая скорость звука равной 330 м/с, определите, на каком расстоянии от ученика находится грозовой фронт. Выберите правильный ответ:
1330 м
233 м
33300 м
43,03 м
Ответить
3
Вопрос: 5
Грозовой фронт находится в 5 км от ученика. Через сколько секунд после вспышки молнии ученик услышит раскат грома? Скорость звука считать равной равной 330 м/с. Ответ округлите до сотых.
115,15 с
20,02 с
366 с
40,07 с
Ответить
1
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Какой диапазон частот называется звуковым? Выберите правильный ответ:
1) от 16 кГц до 20кГц 2) от 16 Гц до 20 Гц 3) 16 Гц до 20 кГц 4) от 16 Гц до 20 МГц
2 вопрос:

Какой звук называется ультразвуком? Выберите правильный ответ:
1) любой звук с частотой меньше 16 Гц 2) любой звук с частотой больше 16 Гц 3) любой звук с частотой меньше 20 кГц 4) любой звук с частотой больше 20 кГц
3 вопрос:

Какой звук называется инфразвуком? Выберите правильный ответ:
1) любой звук с частотой меньше 16 Гц 2) любой звук с частотой больше 16 Гц 3) любой звук с частотой меньше 20 кГц 4) любой звук с частотой больше 20 кГц
4 вопрос:

Ученик увидел вспышку молнии и через 10 секунд услышал раскат грома. Считая скорость звука равной 330 м/с, определите, на каком расстоянии от ученика находится грозовой фронт. Выберите правильный ответ:
1) 330 м 2) 33 м 3) 3300 м 4) 3,03 м
5 вопрос:

Грозовой фронт находится в 5 км от ученика. Через сколько секунд после вспышки молнии ученик услышит раскат грома? Скорость звука считать равной равной 330 м/с. Ответ округлите до сотых.
1) 15,15 с 2) 0,02 с 3) 66 с 4) 0,07 с
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: 16 Гц до 20 кГц
2 вопрос: любой звук с частотой больше 20 кГц
3 вопрос: любой звук с частотой меньше 16 Гц
4 вопрос: 3300 м
5 вопрос: 15,15 с