Звуковые волны. 8
Содержание
Введение…………………………………………………………
Глава 1. Теоретическое обоснование особенностей звуковых волн………..4
1.1. Историческая справка…………………………
1.2. Звук. Свойства звука…………………………………………
Глава 2. Исследование свойств звуковых волн……………………………..14
2.1. Экспериментальные установки………
2.2. Результаты экспериментов………………
Заключение……………………………………………………
Литература……………………………………………………
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:
- анализ и систематизация информации по данной тематике;
- наблюдение данного явления;
- 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
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
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
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
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
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
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:
- усовершенствовать приборы;
- придумать новые эксперименты по исследованию свойств звуковых волн;
- 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. |
- Звуковые волны
- Звуковые волны
- Звуковые волны
- Звуковые волны и их применение в медицине
- Звуковые волны, их воздействие на организм человека
- Звуковые волны. Их свойства и параметры
- Звуковые карты, акустические системы для компьютера
- Звуковой аналитико-синтетический метод обучения грамоте в его современном виде
- Звуковой строй русского языка и его графика
- Звуковые возможности ПК
- Звуковые волны
- Звуковые волны
- Звуковые волны
- Звуковые волны
