НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

В мире звуков

Шишков Константин Андреевич

средняя школа № 651, 8 класс

Научный руководитель:

Азарова Марина Евсеевна

учитель физики средней школы № 651

Теория звука

Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков. Звучат вокруг нас голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот моторов и шелест листвы. С помощью речи люди общаются, с помощью слуха получают информацию об окружающем мире. Не меньшее значение звук имеет для животных. С точки зрения физики, звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твердом теле и т.п.

Способность человека воспринимать упругие колебания, слушать их отразились в названии учения о звуке – акустика (от греческого akustikos – слуховой, слышимый). Вообще человеческое ухо слышит звук только тогда, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 20 Гц но не выше 20 000 Гц. Колебания же с более низкими или с более высокими частотами для человеческого уха неслышимы.

Эксперимент 1.

Оборудование: звуковой генератор, динамик, соединительные провода.

Соединим генератор с динамиком с помощью проводов и подключим в сеть. При частоте 20 Гц тон звука будет очень низким. Постепенно будем увеличивать частоту звука, тон будет повышаться, а на отметке 20.000 Гц мы перестанем слышать звучание, т.к. человеческое ухо не слышит ультразвуки.

Вопросы, которыми занимается акустика, очень разнообразны. Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последнее время охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). Она широко использует разнообразные методы для превращения механических колебаний в электрические и обратно (электроакустика). Применительно к звуковым колебаниям в число задач физической акустики входит и выяснение физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различаемые на слух.

Звуковые частоты

Колебания упругой пластинки, зажатой в тисках, имеют тем более высокую частоту, чем короче свободный колеблющийся конец пластинки. Когда частота колебаний делается выше чем 16 Гц, мы начинаем слышать колебания этой пластинки. Таким образом, звук обусловливается механическими колебаниями в упругих средах и телах (твердых, жидких и газообразных), но не в вакууме. То, что воздух – проводник звука, было доказано поставленным опытом Роберта Бойля в 1660 году. Если звучащее тело, например электрический звонок, поставить под колокол воздушного насоса, то по мере откачивания из под него воздуха – звук будет делаться слабее, и наконец, когда под колоколом весь воздух кончится, то звук прекратится. При своих колебаниях тело попеременно то сжимает слой воздуха, прилегающий к его поверхности, то, наоборот, создает разрежение в этом слое. Таким образом, распространение звука в воздухе начинается с колебаний плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела.

Эксперимент 2

Оборудование: тиски, длинная железная линейка. Зажмем линейку в тисках так чтобы одна ее часть была больше другой ( в 2-3 раза). Дернем за меньшую часть, будет слышен звук. Проделаем тоже самое с большей частью, услышим более низкий звук, т.к. тон звука прямо пропорционально зависит от частоты, а частота – обратно пропорционально от длины звучащего предмета.

Эксперимент 3

Оборудование: трубочки разной длины, пластилин.

Закроем пластилином одну сторону каждой трубочки. Подуем в каждую из них по очереди, самая длинная трубочка издаст самый низкий звук, а самая короткая – самый высокий звук (Объяснение этому можно найти в эксперименте 2).

Звуковые явления

При распространении звуковой волны происходит затухание звука, связанное с различными необратимыми процессами. Часть энергии, которая переносится звуковыми волнами, поглощается средой. Величина, равная отношению поглощенной звуковой энергии к звуковой энергии, поступающей в среду, называется коэффициентом поглощения. Коэффициент поглощения зависит от внутреннего трения (вязкости) поглощающей среды и от ее теплопроводности. Он так же зависит от скорости распространения звука в этой среде, от плотности среды и частоты звуковой волны. Звуковая волна, распространяясь в некоторой среде, когда-нибудь доходит до границы этой среды, за которой начинается другая среда, состоящая из других частиц, в которой и скорость звука другая. На такой границе происходит явление отражения звуковой волны. При этом сгущение частиц превращается в разрежение, а разрежение – в сгущение. Происходит это потому, что колебания, принесенные волной к границе, передаются частицами второй среды и они сами становятся источником новой звуковой волны. Эта вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда пришла первичная волна. Это и есть отраженная волна.

Эксперимент 4

Оборудование: бокал с водой. Смочим палец водой и проведем по краю бокала с водой, появится звук. Отольем воду из бокала и проделаем то же самое только немного быстрее, получим более высокий звук. Это объясняется зависимостью частоты и тона звука от скорости и длины звучащего тела.

Свойства звука

Ощущение звука вызывается звуковыми волнами, достигающими органа слуха – уха. Важнейшая часть этого органа – барабанная перепонка. Пришедшая к ней звуковая волна вызывает вынужденные колебания барабанной перепонки с частотой колебаний в волне. Они воспринимаются мозгом как звук. Звуки бывают разные. Мы легко различаем свист и дробь барабана, мужской голос (бас) от женского (сопрано). Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие мы называем звуками высокого тона. Ухо их легко различает. Звук, создаваемый большим барабаном, это звук низкого тона, свист – звук высокого тона. Простые измерения (развертка колебаний) показывают, что звуки низких тонов – это колебания малой частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука. Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это камертоны различных размеров – простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках. Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Громкость звука связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия же колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колебаний. Но связь между громкостью звука и амплитудой колебаний не простая. Это происходит вместе с затуханием колебаний, т.е. с уменьшением их амплитуды.

Эксперимент 5

Оборудование: камертоны разных размеров. Ударим по большому камертону, появится звук. Затем ударим по маленькому камертону, звук, получившийся при ударе, будет более высоким, т.к. чем больше ветви камертона, тем ниже частота, а значит и тон звука. Следовательно, больший камертон дает низкий звук, а меньший – более высокий.

Эксперимент 6

Оборудование: графированый шланг. Возьмем графированый шланг, покрутим его, послышится звук. Покрутим шланг побыстрее, звук станет более высоким и громким, так как чем больше скорость звучащего тела, тем больше громкость и частота, а значит и тон.

При этом и громкость звука можно сделать одинаковой. Тем не менее легко можно отличить звук камертона от звука сирены. Таким образом, если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет еще одно качество, кроме высоты и громкости, а именно – специфический оттенок, называемый тембром. По различному тембру мы легко распознаем звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты, гармони и т.д., хотя все эти звуки имели бы одну и ту же высоту и громкость.

Заключение

В мире звуков есть множество понятий, определяющихся друг другом (тон зависит от частоты, а частота – от длины звучащего тела, и так далее). Так же в этом мире есть множество различий и чем больше различий в звучании, тем прекрасней этот мир!