Данный урок освещает тему «Звуковые волны». На этом уроке мы продолжим изучать акустику. Вначале повторим определение звуковых волн, затем рассмотрим их частотные диапазоны и познакомимся с понятием ультразвуковых и инфразвуковых волн. Мы также обсудим свойства, присущие звуковым волнам в различных средах, и узнаем, какие им присущи характеристики.

Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1).

Рис. 1. Звуковая волна

Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).

Рис. 2. Распространение звуковой волны

К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .

Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).

Рис. 3. Диапазоны звуковых волн

Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.

Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.

Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком .

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.

Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией .

Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.

Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.

Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.

Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).

Рис. 4. Применение инфразвука

Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).

Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах

Обратите внимание: в воздухе скорость звука при равна , при скорость увеличивается на . Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания. Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее: (рис. 6).

Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны

Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.

Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).

Рис. 7. Музыкальные тоны

У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.

Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.

Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука . Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).

Рис. 8. Громкость звука

При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .

Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого - высота . От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).

Рис. 9. Высота звука

Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.

Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр . Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.

Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.

Список литературы

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.

1. Интернет-портал «eduspb.com» ()
2. Интернет-портал «msk.edu.ua» ()
3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

1. Как распространяется звук? Что может служить источником звука?
2. Может ли звук распространяться в космосе?
3. Всякая ли волна, достигшая органа слуха человека, воспринимается им?

Вокруг нас очень много источников звука: музыкальные и технические инструменты, голосовые связки человека, морские волны, ветер и другие. Звук или, иначе, звуковые волны – это механические колебания среды с частотами 16 Гц – 20 кГц (см. § 11-а).

Рассмотрим опыт. Поместив будильник на подушечке под колокол воздушного насоса, мы заметим: тиканье станет тише, но всё равно будет слышно. Откачав из-под колокола воздух, мы перестанем слышать звук вообще. Этот опыт подтверждает, что звук распространяется по воздуху и не распространяется в вакууме.

Скорость звука в воздухе сравнительно велика: лежит в интервале от 300 м/с при –50°С до 360 м/с при +50°С. Это в 1,5 раза больше, чем скорость пассажирских самолётов. В жидкостях звук распространяется заметно быстрее, а в твёрдых телах – ещё быстрее. В стальном рельсе, например, скорость звука » 5000 м/с.

Взгляните на графики колебаний давления воздуха у рта человека, поющего звуки «А» и «О». Как видите, колебания являются сложными, состоящими из нескольких колебаний, накладывающихся друг на друга. При этом чётко видны основные колебания, частота которых почти не зависит от произносимого звука. Для мужского голоса это приблизительно 200 Гц, для женского – 300 Гц.

l max = 360 м/с: 200 Гц » 2 м, l min = 300 м/с: 300 Гц » 1 м.

Итак, длина звуковой волны голоса зависит от температуры воздуха и основной частоты голоса. Вспомнив наши знания о дифракции, мы поймём, почему в лесу слышно голоса людей, даже если их загораживают деревья: звуки с длинами волн 1–2 м легко огибают стволы деревьев, диаметр которых меньше метра.

Проделаем опыт, подтверждающий, что источниками звука действительно являются колеблющиеся тела.

Возьмём прибор камертон – металлическую рогатку, укреплённую на ящичке без передней стенки для лучшего излучения звуковых волн. Если ударить молоточком по концам рогатки камертона, он будет издавать «чистый» звук, называемый музыкальным тоном (например, ноту «ля» первой октавы с частотой 440 Гц). Придвинем звучащий камертон к лёгкому шарику на нити, и он тотчас же отскочит в сторону. Так происходит именно из-за частых колебаний концов рогатки камертона.

Причины, от которых зависит частота колебаний тела, – его упругость и размер. Чем больше размер тела, тем меньше частота. Поэтому, например, слоны с большими голосовыми связками испускают звуки низкой частоты (бас), а мыши, размер голосовых связок которых значительно меньше, – высокочастотные звуки (писк).

От упругости и размеров зависит не только как будет звучать тело, но и как оно будет улавливать звуки – откликаться на них. Явление резкого увеличения амплитуды колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой тела называется резонансом (лат. «резоно» – откликаюсь). Проделаем опыт по наблюдению резонанса.

Расположим два одинаковых камертона рядом, повернув их друг к другу теми сторонами ящичков, где нет стенок. Ударим левый камертон молоточком. Через секунду заглушим его рукой. Мы услышим, что звучит второй камертон, который мы не ударяли. Говорят, что правый камертон резонирует, то есть улавливает энергию звуковых волн от левого камертона, в результате чего увеличивает амплитуду собственных колебаний.

Цель урока: Сформировать представление о звуке.

Задачи урока:

Образовательные:

• создать условия для активизации знаний учащихся о звуке, полученные при изучении естествознания,
• способствовать расширению и систематизации знаний учащихся о звуке.

Развивающие:

• продолжить развивать умение применять знания и собственный опыт в различных ситуациях,
• способствовать развитию мышления, анализу полученных знаний, выделения главного, обобщения и систематизации.

Воспитательные:

• способствовать формированию бережного отношения к себе и окружающим,
• содействовать формированию гуманности, доброты, ответственности.

Тип урока: раскрывающий содержание.

Оборудование: камертон, шарик на нити, воздушный колокол, язычковый частотомер, набор дисков с разным количеством зубцов, открытка, линейка металлическая, мультимедийное оборудование, диск с презентацией , разработанной учителем к данному уроку.

Ход урока

Среди разнообразных колебательных и волновых движений, встречающихся в природе и технике, особо важное значение в жизни человека имеют звуковые колебания и волны, и просто звуки. В повседневной жизни – это чаще всего волны, распространяющиеся в воздухе. Известно, что звук распространяется и в других упругих средах: в земле, в металлах. Погрузившись с головой в воду, можно издали отчетливо услышать стук двигателя приближающегося катера. При осаде в крепостных стенах помещали «слухачей», которые следили за земляными работами противника. Иногда это были слепцы, у которых особенно обострен слух. По звукам, передающимся в Земле, был, например, своевременно обнаружен подкоп врага к стенам Загорского монастыря. Благодаря наличию у человека органа слуха он получает из окружающей среды с помощью звуков большую и разнообразную информацию. Посредством звуков осуществляется и человеческая речь.

Перед вами на столе находятся рабочие листы со строками из произведения Чарльза Диккенса «Сверчок за очагом». Каждый из вас должен подчеркнуть те слова, которые выражают звук.

1 вариант

• Перепуганный косец пришел в себя только тогда, когда часы перестали трястись под ним, а скрежет и лязг их цепей и гирь окончательно прекратился. Немудрено, что он так разволновался: ведь эти дребезжащие, костлявые часы – не часы, а сущий скелет! – способны на кого угодно нагнать страху, когда начнут щелкать костями…
• ….Тогда-то, заметьте себе, чайник и решил приятно провести вечерок. Что-то неудержимо заклокотало у него в горле, и он уже начал издавать отрывистое звонкое фырканье, которое тотчас обрывал, словно еще не решив окончательно, стоит ли ему сейчас показывать себя компанейским малым. Тогда-то, после двух-трех тщетных попыток заглушить в себе стремление к общительности, он отбросил всю свою угрюмость, всю свою сдержанность и залился такой уютной, такой веселой песенкой, что никакой плакса-соловей не мог за ним угнаться….
• ….Чайник пел свою песенку так весело и бодро, что все его железное тело гудело и подпрыгивало над огнем; и даже сама крышка стала выплясывать что-то вроде джиги и стучать по чайнику (скрежет, лязг, дребезжащие, щелкать, звонкое фырканье, песенкой, залился, пел, гудело, стучать).

2 вариант:

• Вот тут-то, если хотите, сверчок и вправду начал вторить чайнику! Он так громко подхватил припев на свой собственный стрекочущий лад – стрек, стрек, стрек! – голос его был столь поразительно несоразмерен с его ростом по сравнению с чайником, что если бы он тут же разорвался, как ружье, в которое заложен чересчур большой заряд, это показалось бы вам естественным и неизбежным концом, к которому он сам изо всех сил стремился.
• ….Чайнику больше уже не пришлось петь соло. Он продолжал исполнять свою партию с неослабленным рвением, но сверчок захватил роль первой скрипки и удержал её. Боже ты мой, как он стрекотал! Тонкий, резкий, пронзительный голосок его звенел по всему дому и, наверное, даже мерцал, как звезда во мраке, за стенами. Иногда на самых громких звуках он пускал вдруг такую неописуемую трель, что невольно казалось – сам он высоко подпрыгивает в порыве вдохновения, а затем снова падает на ножки. Тем не менее они пели в полном согласии, и сверчок и чайник… Тема песенки оставалась все та же, и соревнуясь, они распевались все громче, и громче, и громче. (громко, припев, стрекочущий лад – стрек, стрек, стрек, разорвался, соло, стрекотал, резкий, пронзительный голосок, звенел, громких звуков, трель, пели, песенки, распевали, громче)

Мы живем в мире звуков. Раздел физики, изучающий звуковые явления, называется акустикой (слайд 1).

Источниками звука являются колеблющиеся тела (слайд 2) .

«Все, что звучит, обязательно колеблется, но не все, что колеблется, звучит».

Приведем примеры колеблющихся, но не звучащих тел. Язычки частотомера, длинная линейка. Какие примеры вы можете привести? (ветка на ветру, поплавок на воде и т.д.)

Укоротим линейку и услышим звук. Воздушный колокол также издает звуки. Докажем, что звучащее тело колеблется. Для этого возьмем камертон. Камертон представляет собой дугообразный стержень, закрепленный на держателе, ударим по нему резиновым молоточком. Поднеся звучащий камертон к маленькому шарику, висящему на нити, мы увидим, что шарик отклоняется.

Если провести звучащим камертоном по стеклу, покрытому сажей, мы увидим график колебаний камертона. Как называется такой график? (камертон совершает гармонические колебания )

Источниками звука могут быть жидкие тела, и даже газы. Воздух гудит в дымоходе и вода поет в трубах.

А какие примеры источников звука приведете вы? (механические часы, кипящий чайник, звук, издаваемый двигателем )

Когда тело звучит, оно колеблется, его колебания передаются близлежащим частицам воздуха, которые начинают колебаться и передают колебания соседним частицам, а те в свою очередь передают колебания дальше. В результате в воздухе образуются и распространяются звуковые волны.

Звуковая волна представляет собой зоны сжатия и разряжения упругой среды (воздуха), звуковая волна – продольная волна (слайд 3).

Мы воспринимаем звук благодаря нашему органу слуха – уху.

(Один из учеников рассказывает, как это происходит) (слайд 4).

(Другой ученик рассказывает о вреде наушников .)

«Изучая в течение двух месяцев поведение молодежи в столичном метрополитене, специалисты пришли к выводам, что в московском метро каждые 8 из 10 активных пользователей портативных электронных устройств слушают музыку. Для сравнения: при интенсивности звука в 160 децибел деформируются барабанные перепонки. Мощность звука, воспроизводимая плеерами через наушники, приравнивается к 110–120 децибел. Таким образом, на уши человека идет воздействие, равное тому, которое оказывается на человека, стоящего в 10 метрах от ревущего реактивного двигателя. Если такое давление на барабанные перепонки оказывается ежедневно, человек рискует оглохнуть. "За последние пять лет на прием стали чаще приходить молодые парни и девушки, – рассказала НИ отоларинголог Кристина Ананькина. – Все они хотят быть модными, постоянно слушать музыку. Однако длительное воздействие громкой музыки просто убивает слух". Если после рок-концерта организму нужно несколько дней, чтобы восстановиться, то при каждодневной атаке на уши времени на приведение слуха в порядок уже не остается. Слуховая система перестает воспринимать высокие частоты."Любой шум интенсивностью более 80 децибел негативно влияет на внутреннее ухо, – сообщает кандидат медицинских наук, сурдолог Василий Корвяков. – Громкая музыка поражает клетки, отвечающие за восприятие звука, особенно если атака идет прямо из наушников. Ситуацию ухудшает еще и вибрация в метро, которая также негативно влияет на структуру уха. В сочетании эти два фактора провоцируют острую тугоухость. Основная ее опасность в том, что она наступает буквально в одночасье, однако вылечить ее очень проблематично". Из-за шумового воздействия в нашем ухе отмирают волосковые клетки, отвечающие за передачу звукового сигнала в мозг. А способа восстановить эти клетки медицина пока не нашла».

Человеческое ухо воспринимает колебания частотой от 16–20000Гц. Все, что лежит до 16 Гц, – инфразвук, что после 20000Гц – ультразвук (слайд 6).

Сейчас мы прослушаем диапазон от 20 до 20000 Гц, и каждый из вас определит свой порог слышимости (слайд 5). (Генератор см. в Приложении 2)

Mногие животные слышат инфра- и ультра- звуки. Выступление учащегося (слайд 6).

Звуковые волны распространяются в твердых, жидких и газообразных телах, но не могут распространяться в безвоздушном пространстве.

Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 00С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с. При повышении температуры скорость увеличивается. Для задач мы берем 340 м/с.

(Один из учеников решает задачу.)

Задача. Скорость звука в чугуне впервые была определена французским ученым Био следующим образом. У одного конца чугунной трубы ударяли в колокол, у другого конца наблюдатель слышал два звука: сначала – один, пришедший по чугуну, а, спустя некоторое время, – второй, пришедший по воздуху. Длина трубы 930 метров, промежуток времени между распространением звуков оказался равным 2,5с. Найдите по этим данным скорость звука в чугуне. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с (Ответ: 3950 м/с).

Скорость звука в различных средах (слайд 7).

Мягкие и пористые тела – плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. Такими материалами являются: войлок, прессованная пробка, пористые камни, свинец. Звуковые волны в таких прослойках быстро затухают.

Мы видим, как многообразен звук, охарактеризуем его.

Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называется музыкальным тоном. Каждому музыкальному тону (до, ре, ми, фа, соль, ля, си) соответствует определенная длина и частота звуковой волны (слайд 8).

У нашего камертона тон ля, частота 440 Гц.

Шум – хаотическая смесь гармонических звуков.

Музыкальные звуки (тоны) характеризуются громкостью и высотой тона, тембром.

Слабый удар по ножке камертона вызовет колебания малой амплитудой, мы услышим тихий звук.

Сильный удар вызовет колебания с большей амплитудой, мы услышим громкий звук.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне (слайд 9).

Сейчас я буду вращать 4 диска, у которых разное количество зубцов. Я буду касаться открыткой этих зубцов. У диска с большими зубцами открытка колеблется чаще и звук выше. У диска с меньшим количеством зубцов открытка колеблется меньше и звук ниже.

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний. Чем больше частота, тем выше звук. (слайд 10)

Самая высокая человеческая нота сопрано около 1300 Гц

Самая низкая человеческая нота басовая около 80 Гц.

У кого выше тон у комара или у шмеля? А как вы думаете, кто чаще машет крыльями комар или шмель.

Тембр звука – это своеобразная окраска звука, по которой мы различаем голоса людей различных инструментов (слайд 11).

Всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых гармонических звуков. Самый низкий из них является основным. Остальные выше его в целое число раз, например, в 2 или 3–4 раза. Их называют обертонами. Чем больше к основному тону примешано обертонов, тем богаче будет звук. Высокие обертоны придают тембру «блеск» и «яркость» и «металличность». Низкие придают «мощность» и «сочность». А.Г.Столетов писал: «Простые тоны, какие мы имеем от наших камертонов – не употребляются в музыке, они так же пресны и безвкусны, как дистиллированная вода».

Закрепление

1. Как называется учение о звуке?
2. На Луне произошел сильный взрыв. Например, извержение вулкана. Услышим мы его на Земле?
3. Голосовые связки колеблются с меньшей частотой у человека, поющего басом или тенором?
4. При полете большинства насекомых издается звук. Чем он вызван?
5. Как могли бы люди переговариваться на Луне?
6. Почему при проверке колес вагонов во время остановки поезда их простукивают?

Домашнее задание: §34-38. Упражнение 30 (№ 2, 3).

Литература

1. Курс физики, Ч II, для средней школы/Перышкин А.В. – М.: Просвещение, 1968. – 240с.
2. Колебания и волны в курсе физике для средней школы. Пособие для учителей/Орехов В.П. – М.: Просвещение, 1977. – 176с.
3. Сверчок за очагом/Диккенс Ч. – М.: Эксмо, 2003. – 640с.

Звук , как мы помним, является упругими продольными волнами. А волны порождаются колеблющимися предметами.

Примеры источников звука : колеблющаяся линейка, один конец которой зажат, колеблющиеся струны, мембрана динамика.

Но не всегда колеблющиеся предметы порождают слышимый ухом звук – если частота их колебаний ниже 16 Гц, то они порождают инфразвук , а если больше 20кГц, то ультразвук .

Ультразвук и инфразвук – с точки зрения физики такие же упругие колебания среды, как и обычный звук, но ухо не способно их воспринять, так как эти частоты слишком далеки от резонансной частоты барабанной перепонки (перепонка просто не может колебаться с такой частотой).

Звуки высокой частоты ощущаются как более тонкие, звуки низкой частоты – как более басовитые.

Если колебательная система совершает гармонические колебания одной частоты, то её звук называется чистым тоном . Обычно источники звука издают звуки сразу нескольких частот – тогда наименьшая частота называется основным тоном , а остальные называются обертонами . Обертона определяют тембр звука – именно из-за них мы легко отличим пианино от скрипки, даже когда основная частота у них одинаковая.

Громкость звука – это субъективное ощущение, позволяющее сравнивать звуки как «более громкие» и «менее громкие». Громкость зависит от многих фактором – он частоты, от длительности, от индивидуальных особенностей слушателя. Но сильнее всего она зависит от звукового давления, которое напрямую связано с амплитудой колебаний того предмета, что издаёт звук.

Единица измерения громкости называется сон .

В практических задачах обычно используют величину, называемую уровень громкости или уровень звукового давления . Измеряется эта величина в белах [Б] или, чаще, в децибелах [дБ] .

Эта величина логарифмически зависит от звукового давления – то есть увеличение давления в 10 раз увеличивает уровень громкости на 1 дБ.

Звук листания газеты – это примерно 20 дБ, будильник – 80 дБ, звук взлетающего самолёта – это 100-120 дБ (на грани болевых ощущений).

Одно из необычных применений звука (точнее ультразвука) – это эхолокация . Можно издать звук и измерить время, через которое придёт эхо. Чем больше расстояние до препятствия, тем больше будет задержка. Обычно такой способ измерения расстояний используется под водой, но летучие мыши применяют его прямо в воздухе.

Расстояние при эхолокации определяется следующим образом:

2r = vt , где v – скорость звука в среде, t – время задержки до эха, r – расстояние до преграды.

Редактировать этот урок и/или добавить задание и получать деньги постоянно* Добавить свой урок и/или задания и получать деньги постоянно

С помощью данного видеурока вы сможете изучить тему «Источники звука. Звуковые колебания. Высота, тембр, громкость». На этом занятии вы узнаете, что такое звук. Также мы рассмотрим диапазоны звуковых колебаний, воспринимаемые человеческим слухом. Определим, что может быть источником звука и какие необходимы условия для его возникновения. Также изучим такие характеристики звука, как высота, тембр и громкость.

Тема урока посвящена источникам звука, звуковым колебаниям. Поговорим мы и о характеристиках звука - высоте, громкости и тембре. Прежде чем говорить о звуке, о звуковых волнах, давайте вспомним, что механические волны распространяются в упругих средах. Часть продольных механических волн, которая воспринимается человеческими органами слуха, называется звуком, звуковыми волнами. Звук - это воспринимаемые человеческими органами слуха механические волны, которые вызывают звуковые ощущения .

Опыты показывают, что человеческое ухо, органы слуха человека воспринимают колебания частотами от 16 Гц до 20000 Гц. Именно этот диапазон мы и называем звуковым. Конечно, существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Но этот диапазон, эти разделы человеческим ухом не воспринимаются.

Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха

Как мы говорили, области инфразвука и ультразвука человеческими органами слуха не воспринимаются. Хотя могут восприниматься, например, некоторыми животными, насекомыми.

Что такое ? Источниками звука могут быть любые тела, которые совершают колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)

Рис. 2. Зажатая в тиски колеблющаяся линейка может быть источником звука

Обратимся к опыту и посмотрим, как образуется звуковая волна. Для этого нам потребуется металлическая линейка, которую мы зажмем в тиски. Теперь, воздействуя на линейку, мы сможем наблюдать колебания, но никакого звука не слышим. И тем не менее вокруг линейки создается механическая волна. Обратите внимание, когда линейка смещается в одну сторону, здесь образуется уплотнение воздуха. В другую сторону - тоже уплотнение. Между этими уплотнениями образуется разряжение воздуха. Продольная волна - это и есть звуковая волна, состоящая из уплотнений и разряжений воздуха . Частота колебаний линейки в данном случае меньше звуковой частоты, поэтому мы не слышим этой волны, этого звука. На основе опыта, который мы только что пронаблюдали, в конце XVIII века был создан прибор, который называется камертон.

Рис. 3. Распространение продольных звуковых волн от камертона

Как мы убедились, звук появляется в результате колебаний тела со звуковой частотой. Распространяются звуковые волны во все стороны. Между слуховым аппаратом человека и источником звуковых волн обязательно должна быть среда. Эта среда может газообразной быть, жидкой, твердой, но это обязательно должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звуковых волн должен обязательно происходить там, где есть вещество. Если вещества нет, никакого звука мы не услышим.

Для существования звука необходимы:

1. Источник звука

2. Среда

3. Слуховой аппарат

4. Частота 16-20000 Гц

5. Интенсивность

Теперь перейдем к обсуждению характеристик звука. Первая - это высота звука. Высота звука - характеристика, которая определяется частотой колебаний . Чем больше частота у тела, которое производит колебания, тем звук будет выше. Давайте вновь обратимся к линейке, зажатой в тиски. Как мы уже говорили, мы видели колебания, но не слышали звука. Если теперь длину линейки сделать меньше, то мы будем слышать звук, но увидеть колебания будет гораздо сложнее. Посмотрите на линейку. Если мы подействуем на нее сейчас, звука никакого мы не услышим, но зато наблюдаем колебания. Если укоротим линейку, мы услышим звук определенной высоты. Мы можем сделать длину линейки еще короче, тогда мы услышим звук еще большей высоты (частоты). То же самое мы можем пронаблюдать и с камертонами. Если мы возьмем большой камертон (он еще называется демонстрационный) и ударим по ножкам такого камертона, то можем пронаблюдать колебание, но звука не услышим. Если возьмем другой камертон, то, ударив по нему, услышим определенный звук. И следующий камертон, настоящий настроечный камертон, который используется для настройки музыкальных инструментов. Он издает звук, соответствующий ноте ля, или, как говорят еще, 440 Гц.

Следующая характеристика - тембр звука. Тембром называется окраска звука . Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр - это то, чем отличаются два одинаковых звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Вы все знаете, что нот у нас всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, взятую на скрипке и на фортепиано, то мы отличим их. Мы сразу сможем сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность - окраску звука - и характеризует тембр. Нужно сказать, что тембр зависит от того, какие воспроизводятся звуковые колебания, кроме основного тона. Дело в том, что произвольные звуковые колебания довольно сложные. Они состоят из набора отдельных колебаний, говорят спектра колебаний . Именно воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и характеризует красоту звучания того или иного голоса или инструмента. Тембр является одним из основных и ярких проявлений звука.

Еще одна характеристика - громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний . Давайте посмотрим и убедимся, что громкость связана с амплитудой колебаний. Итак, возьмем камертон. Сделаем следующее: если ударить по камертону слабо, то амплитуда колебаний будет небольшая и звук будет тихий. Если теперь по камертону ударить сильнее, то и звук гораздо громче. Это связано с тем, что амплитуда колебаний будет гораздо больше. Восприятие звука - вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат, каково самочувствие человека.

Список дополнительной литературы:

А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — C. 40-41. Кикоин А.К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. — 1985. — № 9. — С. 26-28. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. - М., 1974.