Звуковые волны. Инфразвук и ультразвук

 
 

Мы живем в океане звуков. Что представляют собой звуки? Как они образуются? Почему невозможно услышать гул ракетных двигателей в космосе? Почему гром слышится позже, чем видна вспышка молнии? Для чего в студиях звукозаписи стены покрывают слоем звукопоглощающих материалов? Как в полной темноте летучие мыши и дельфины находят добычу? Попробуем найти ответы на эти вопросы.

Рис. 18.1. После того как конец линейки будет отпущен, линейка начнет колебаться, издавая звук

Знакомимся с источниками и приемниками звука

Один конец линейки прижмите к краю стола, а второй оттяните вниз и отпустите — он начнет колебаться, и вы услышите звук (рис. 18.1). Дело в том, что колебание линейки вызывает сгущение и разрежение воздуха и как следствие — периодические увеличения и уменьшения давления в зоне колебаний. Сжатый воздух, пытаясь расшириться, давит на соседние слои и сжимает их. Так от линейки во все стороны начинает распространяться продольная механическая волна, которая в конце концов достигает вашего уха. В результате давление воздуха вблизи ушной мембраны периодически изменяется, и мембрана начинает колебаться. Конец линейки колеблется с частотой свыше 20 Гц, именно с такой частотой начинает колебаться и ушная мембрана, а колебания с частотой 20-20 000 Гц человек воспринимает как звук.



 

Звук — это физическое явление, представляющее собой механическую волну частотой от 20 до 20 000 Гц.

Источники звука — это тела, колеблющиеся с частотой 20-20 000 Гц. Так, источниками звука являются мембраны наушников и струны музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей и крылья насекомых, части машин и т. п. В трубе, флейте, свистке звук образуется в результате колебания столба воздуха внутри инструментов. Голосовые аппараты человека и животных тоже являются источниками звука.

Назовите еще несколько источников звука.

Для изучения звука удобно использовать камертон (рис. 18.2). Это устройство представляет собой металлическую «рогатку», закрепленную на ящичке, в котором отсутствует одна стенка. Если резиновым молоточком ударить по ножкам камертона, камертон издаст ясный длинный звук,

который постепенно ослабевает, но не изменяет своей частоты.

В приемниках звука происходит преобразование звуковых сигналов в другие сигналы, благодаря чему звук можно воспринимать и анализировать. Органы слуха человека и животных — приемники звука, в которых звуковые (механические) колебания преобразуются в нервные импульсы. В технике для приема звука в основном применяют преобразователи, в которых звуковые колебания обычно преобразуются в электрические (рис. 18.3).

Измеряем скорость распространения звука

Если мы видим момент зарождения звука издали (удар колокола, хлопок ладоней и т. д.), то замечаем, что сам звук мы слышим через некоторый интервал времени. Зная расстояние до источника звука и время «опоздания», можно измерить скорость распространения звука в воздухе. Впервые ее измерил французский ученый Марин Мерсенн(1588-1648) в 1636 г.

При температуре 20 °С скорость звука в воздухе равна примерно 340 м/с. Это почти в миллион раз меньше скорости распространения света. Именно поэтому гром слышен позже, чем видна вспышка молнии (рис. 18.4).

Скорость распространения звука зависит от температуры, плотности и других характеристик среды. Так, в жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах, и медленнее, чем в твердых телах. Скорость распространения звука обычно увеличивается с увеличением температуры среды. К тому же чем меньше масса молекул среды, тем быстрее распространяется звук. При решении задач мы будем использовать приблизительные значения скорости распространения звука (см. таблицу на с. 120).

Первые точные измерения скорости распространения звука в водепровели ученые из Швейцарии Жан Колладони Шарль Штурмв 1826 г.

Один из исследователей сидел в лодке на Женевском озере и ударял по погруженному в воду колоколу. Одновременно с ударом происходила вспышка пороха. Второй исследователь, находясь на расстоянии 16 км, измерял время между вспышкой пороха и звуком от удара колокола, который он слышал через погруженную в воду озера трубу.

Проанализируйте таблицу. Как вы думаете, почему скорость распространения звука в водороде больше, чем в воздухе, а в стали больше, чем в воде?

Приблизительные значения скорости распространения звука в некоторых средах

Рис. 18.5. Если положить мобильный телефон под купол воздушного насоса и откачать воздух, то сигнал вызова мы не услышим

Кроме громкости и высоты тона мы различаем звуки по тембру: одну и ту же ноту, взятую на рояле, саксофоне или разными людьми, мы воспринимаем по-разному. Такие разные «оттенки» звуков называют тембрами.

Дело в том, что звуки являются сложными: кроме основной частоты (по которой мы и оцениваем высоту звука) любой звук содержит несколько более слабых и более высоких дополнительных частот — обертонов. Чем больше обертонов содержит основной звук, тем он богаче.

Обратите внимание! Поскольку звук — это механическая волна, а для распространения механической волны необходима среда, звуковая волна не распространяется в вакууме (рис. 18.5).


Изучаем характеристики звука

Звуки разной частоты мы воспринимаем как звуки разного тона: чем больше частота звука, тем выше тон звука, и наоборот. Мы легко отличаем высокий тон жужжания комара от низкого тона гудения шмеля, звучание скрипки — от звучания контрабаса.

Громкость звука определяется прежде всего амплитудой звуковой волны (максимальным изменением давления): чем больше амплитуда, тем громче звук. Громкость звука зависит также от его тона (частоты звуковой волны). Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких частот (около 20 Гц) и высоких частот (около 20 000 Гц), лучше всего оно воспринимает звуки средних частот (1000-3000 Гц).

При распространении звука происходит его постепенное рассеяние и угасание, а значит, и уменьшение громкости. Знание закономерностей рассеяния звука важно для определения дальности распространения звукового сигнала. Так, на дальность распространения звука в воздухе влияют температура и атмосферное давление, сила и скорость ветра и др. Иногда в глубинах океана образуются условия для сверхдальнего (свыше 5000 км) распространения звука — в таком случае говорят о подводном звуковом канале.

Наблюдаем отражение звука

Сравнив распространение звука и распространение света, можно заметить некоторые общие черты. И это не случайно: свет тоже является волной, но не механической (об этом вы узнаете позже). На границе раздела разных сред звуковая волна, как и свет, испытывает преломление, поглощение и отражение. Рассмотрим подробнее отражение звука.

Если встать на некотором расстоянии от скалы или одиночного небоскреба и хлопнуть в ладоши или громко крикнуть, через небольшой интервал времени услышим повторение звука — эхо (рис. 18.6).

Эхо — это звук, отраженный от удаленного препятствия.

Если расстояние до препятствия достаточно велико, а звук короткий (удар, вскрик), мы слышим четкое повторение звука. Если звук длинный, то эхо смешивается с начальным звуком и отраженный звук будет нечетким.

После удара грома мы еще некоторое время слышим его раскаты. Почему?

На явлении отражения звука основано действие шумозащитных экранов, которые устанавливают вдоль автомобильных трасс и вблизи аэропортов. Исследование отражения, рассеяния и угасания звука в газах, жидкостях и твердых телах позволяет получить информацию о внутреннем строении среды, в которой распространяется звук.

Различаем инфразвук и ультразвук

Звуковые волны, частота которых меньше 20 Гц, называют инфразвуковыми (от лат. infra — ниже, под).

Инфразвуковые волны возникают во время работы некоторых механизмов, при взрывах, обвалах, мощных порывах ветра, во время шторма, землетрясения и т. п.

Инфразвук очень опасен для животных и человека: он может вызвать симптомы морской болезни, головокружение, потерю зрения, быть причиной повышенной агрессивности. При длительном воздействии интенсивное инфразвуковое излучение может привести к остановке сердца. При этом человек даже не понимает, что происходит, ведь он не слышит инфразвук.

Рис. 18.7. Ультразвуковой излучатель для отпугивания насекомых

Звуковые волны, частота которых превышает 20 кГц, называют ультразвуковыми (от лат. ultra — сверх, за пределами).

Ультразвук есть в шуме ветра и водопада, в звуках, которые издают некоторые живые существа. Ультразвук до 100 кГц воспринимают многие насекомые и грызуны (рис. 18.7); улавливают такие колебания и собаки. Интересно, что дети, в отличие от взрослых, тоже слышат ультразвуковые сигналы (до 24 000 Гц).

Некоторые животные применяют ультразвук для ориентации или охоты. Так, летучие

мыши и дельфины излучают ультразвук и воспринимают его эхо, благодаря чему они даже в полной темноте могут найти дорогу или поймать добычу. Говорят, что в таких случаях животные используют эхолокацию (рис. 18.8).

Рис. 18.8. Во время охоты летучие мыши используют эхолокацию

Рис. 18.9. Измерение глубины водоема с помощью эхолокации

I Эхолокация — способ обнаружения и получения информации об объекте с помощью эха.

Люди научились применять эхолокацию в разных областях, причем чаще всего для эхолокации используют именно ультразвук.

Например, в медицине эхолокация позволяет «увидеть» еще не родившегося ребенка, исследовать состояние внутренних органов, обнаружить посторонние тела в тканях. В технике эхолокацию применяют для выявления дефектов в изделиях, измерения глубин морей и океанов (рис. 18.9) и т. д.

Кроме того, ультразвуком обеззараживают хирургические инструменты, лекарства, руки хирургов. Лечение с помощью ультразвука иногда позволяет избежать хирургических операций.

Ультразвук применяют также для обработки прочных материалов, очистки поверхностей от загрязнений и т. п.

Контрольные вопросы

1. Что такое звук? 2. Приведите примеры источников и приемников звука. 3. Почему источник звука издает звук? 4 От чего зависит скорость распространения звука? 5. Какая физическая величина характеризует высоту тона звука?

6. От чего зависит громкость звука? 7. Следствием какого явления является эхо? 8. Что такое инфразвук? Как он влияет на человека?

9. Что такое ультразвук? Приведите примеры применения ультразвука в природе, медицине, технике. 10. Что такое эхолокация?

Упражнение № 18

1. Ножки камертона колеблются с частотой 440 Гц. Воспринимаем ли мы волну, распространяющуюся от ножек камертона, как звук?

2. Почему летящую бабочку не слышно, а когда летит комар, мы слышим жужжание?

3. Определите длину звуковой волны частотой 4 кГц в воздухе; воде; стали.

4. Почему музыка и голоса певцов по-разному звучат в пустом зале и в зале, заполненном публикой?

5. С помощью ультразвука измеряли глубину моря (см. рис. 18.9). Сигнал, отраженный от морского дна, был зафиксирован через 4 с после его отправления. Какова глубина моря в месте измерения?

6. Сколько колебаний осуществляет источник звука за 5 с, если длина волны в воздухе равна 1 м?

7. Скорость распространения звука в металле первым определил французский физик Жан-Батист Био (1774-1862). Он использовал чугунную трубу парижского водопровода (длиной 951 м). Когда по одному концу трубы ударяли молотком, то с другого конца слышали двойной удар. На сколько секунд звук, шедший по чугуну, обгонял звук, шедший по воздуху?

8. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, где используют ультразвук.

9. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о влиянии шума на здоровье человека. Как уменьшить вредное воздействие шума?

10. Источник света и зеркало расположены на расстоянии 10,8 км друг от друга. Через какое время вспышка света достигнет зеркала и вернется обратно?

Экспериментальные задания

1. «Почти Пифагор». Исследования звуков, которые издает колеблющаяся струна, проводил еще древнегреческий ученый Пифагор (VI в. до н. э.). Он изучал зависимость высоты тона звука от длины струны. Воспользовавшись натянутой нитью, определите, как высота тона звука зависит от длины нити.

2. «Музыкальная линейка». Повторите опыт, изображенный на рис. 18.1. Уменьшая длину колеблющейся части линейки, докажите, что, чем меньше эта длина, тем больше частота издаваемого звука.

3. «Чувствительный шарик». Используя подвешенный на нити легкий шарик, докажите, что, когда камертон издает звук, ножки камертона колеблются, а громкость звука зависит от амплитуды колебаний.

Физика и техника в Украине

Борис Павлович Грабовский (1901-1966) — украинский физик и изобретатель, создатель электронной системы передачи движущегося изображения на расстоянии (на ее принципах работает современное телевидение); сын выдающегося украинского поэта Павла Грабовского.

Первое изобретение Б. П. Грабовского — катодный коммутатор, ставший основой устройства передающей телевизионной трубки; следующее — проект телеустановки, которую автор назвал «радиотелефот».

26 июля 1928 г. в Ташкенте состоялся эксперимент, во время которого впервые в мире с помощью электронного метода транслировалось движущееся изображение (лицо лаборанта). Среди изобретений Бориса Грабовского — малолитражный вертолет, трехкрылый планер, прибор для ориентирования слепых и аппарат для глухонемых. Запатентованная ученым идея получения катодного луча была успешно использована в Институте электросварки.

В 1977 г. в Ташкенте создан Музей электронного телевидения им. Б. Грабовского. Есть музей Бориса Грабовского в Тюмени, а также в селе Пушкарном (теперь Грабов-ском) на Сумщине.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

 

Тема. Исследование звуковых колебаний разных источников звука с помощью современных цифровых средств.

Цель: установить связь характеристик звуко

вой волны (амплитуда, частота) с громкостью и высотой тона звука.

Оборудование: компьютер (или мобильный те

лефон) с программным обеспечением для записи звука и обработки полученного файла (например, WaveРad), микрофон, камертон, генератор звуковых частот (или программа «Камертон»).

теоретические сведения

Форма записи звука может быть разной: магнитная, оптическая, цифровая и т. д. Запись звука в компьютерах — исключительно цифровая. Записанный звук хранится в аудиофайле и после обработки может быть выведен на монитор компьютера в виде пульсирующего графика, который отражает изменение давления в зоне прослушивания через равные небольшие интервалы времени (см. рисунок). По такому графику можно оценить:

1) громкость звука — определяется амплитудой A звуковой волны;

2) тон звука — определяется частотой ν (периодом T) звуковой волны. Например, по графику на рисунке выясняем, что за 10 мс произошло почти 9 колебаний (точнее — 8,8), значит, частота звуковой волны составляет: ν = 8,8/0,01 c = 880 Гц. Таким образом, на графике приведена цифровая запись звучания ноты «ля» второй октавы (см. таблицу).

указания к работе

подготовка к эксперименту

1. Перед выполнением работы вспомните: 1) требования безопасности при

выполнении лабораторных работ; 2) основные характеристики звука.

2. Включите компьютер, присоедините к нему микрофон.

3. Запустите на выполнение программу «Звукозапись» (из набора стандартных программ ОС Windows), для чего щелкните кнопку «Пуск» и выберите команды: Программы ^ Стандартные ^ Развлечения ^ Звукозапись.

Эксперимент

Строго придерживайтесь инструкции по безопасности (см. форзац). Полученные аудиофайлы сохраните под соответствующими именами.

1. Включите генератор звуковой частоты, настройте исходящий сигнал на частоту 440 Гц.

2. Включите запись сигнала. Выключите запись через 4-6 с.

3. Увеличьте громкость сигнала генератора, не изменяя частоты, и повторите действия, описанные в п. 2.

4. Настройте исходящий сигнал на частоту 880 Гц и повторите действия, описанные в п. 2.

5. Поставьте камертон. Ударьте по нему резиновым молоточком и повторите действия, описанные в п. 2.

6. Спойте в микрофон несколько нот, для каждой ноты повторяя действия, описанные в п. 2.

Обработка результатов эксперимента

Результаты измерений и вычислений сразу заносите в таблицу.

1. Для каждого опыта определите частоту звуковой волны. Для этого:

1) откройте аудиофайл (на экране вы увидите график, похожий на приведенный на рисунке);

2) вычислите количество колебаний, например, за 10 мс;

3) по формуле ν = N/t вычислите частоту звуковой волны.

2. Сделайте скриншоты для любых трех опытов, распечатайте их и вклейте в тетрадь (или выполните рисунки). Подпишите эти опыты.

Анализ результатов эксперимента

Проанализируйте эксперимент и его результаты. Сформулируйте вывод, в котором: 1) полученные результаты сравните с заданными частотами генератора, частотой камертона, значениями частот, соответствующих определенным нотам; 2) укажите причины расхождения результатов.

Задание «со звездочкой»

оцените относительную погрешность одного из экспериментов. творческоезадание

Подумайте, как выяснить, какие материалы лучше поглощают звук, в каких материалах звук лучше распространяется. Составьте план проведения эксперимента. Проведите эксперимент, запишите его результаты.

 

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.