Природа звука. Условия, необходимые для существования звука
Цель: Ознакомиться с методом бегущей волны по определению скорости звука.
Оборудование: генератор звуковых колебаний, осциллограф двулучевой, микрофон, телефон, металлическая трубка с подвижным микрофоном.
Теоретическая часть.
Звук — это распространяющиеся в упругих средах — газах, жидкостях и твёрдых телах — механические колебания, воспринимаемые органами слуха.
Теперь немного поразмышляем. Если, например, в горах упал камень, а рядом не было никого, кто мог бы слышать звук его падения, существовал звук или нет? На вопрос можно ответить и положительно и отрицательно в равной степени, так как слово «звук» имеет двоякое значение. Поэтому нужно условиться, что же считать звуком — физическое явление в виде распространения звуковых колебаний в воздухе или ощущения слушателя. Первое по существу является причиной, второе следствием, при этом первое понятие о звуке — объективное, второе — субъективное.
В первом случае звук действительно представляет собой поток энергии, текущей подобно речному потоку. Такой звук может изменить среду, через которую он проходит, и сам изменяется ею. Во втором случае под звуком мы понимаем те ощущения, которые возникают у слушателя при воздействии звуковой волны через слуховой аппарат на мозг. Слыша звук, человек может испытывать различные чувства. Самые разнообразные эмоции вызывает у нас тог сложный комплекс звуков, который мы называем музыкой . Звуки составляют основу речи , которая служит главным средством общения в человеческом обществе. И, наконец, существует такая форма звука, как шум . Анализ звука с позиций субъективного восприятия более сложен, чем при объективной оценке.
Природа звука. Условия, необходимые для существования звука
Мы живем в мире звуков, которые позволяют нам получать информацию о том, что происходит вокруг.
Звуковые волны переносят энергию, которая, как и другие виды энергии, может использоваться человеком. Но главное — это огромный диапазон выразительных средств, которыми обладают речь и музыка. Еще с древних времен звуки служили людям средством связи и общения друг с другом, средством познания мира и овладения тайнами природы. Звуки — наши неизменные спутники. Они по-разному действуют на человека радуют и раздражают, умиротворяют и придают силы, ласкают слух и пугают своей неожиданностью.
Рассмотрим, например, колокольный звон, который с глубокой древности сопутствовал жизни народа. Своими звонами издавна славились Великий Новгород, Псков, Москва, но такого «оркестра», как в Ростове, не было нигде. Что же является причиной звука? Причиной всех звуков является вибрация (колебания) тел, хотя обычно такие колебания незаметны. Если послушаем звук, издаваемый камертоном, и звук, издаваемый вращающейся на нитке линейкой. А что является источником звука в этих случаях?
Это колебания вилки камертона в первом случае и линейки — во втором. Источники звука бывают разные. Например, музыка звучит из радиоприемника благодаря колебаниям диффузора громкоговорителя; речь и пение обусловлены колебаниями голосовых связок; колокольный звон вызван колебаниями юбки колокола при ударе об нее языка, автомобильную катастрофу сопровождает немузыкальный звук — скрежет — вследствие беспорядочных колебаний кузовов столкнувшихся автомобилей под действием удара.
Итак, звук — это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах и воспринимаемые ухом человека и животных. Механические волны, которые вызывают ощущение звука, называют звуковыми волнами. Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на препятствия, называется акустикой.
Звуковые волны являются в основном продольными, т.е. это чередование сгущений и разрежений. Скорость распространения звуковой волны зависит от свойств среды. Например, в воздухе звуковая волна распространяется со скоростью 330-340 м/с.
Выясним, в каком диапазоне частот наше ухо воспринимает звук. С помощью звукового генератора можно увидеть, что звуковые частоты, находящихся в интервале 16 Гц-20 000 Гц, воспринимает человеческое ухо.
Звуковые волны частотой от 16 Гц до 20 000 Гц воздействуют на органы слуха человека, вызывая слуховые ощущения. Они называются слышимым звуком. Звуковые волны частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, а частотой от 2 • 10 4 Гц до 10 13 Гц — ультразвуком. Ультразвук частотой 10 9 Гц и выше называется гиперзвуком. Итак, чтобы услышать звук, необходимы;
• упругая среда между ним и ухом (опытами доказано, что в вакууме звук не распространяется);
• определенный диапазон частот колебаний источника звука — между 16 Гц и 2 • 10 4 Гц;
• достаточная для восприятия ухом мощность звуковых волн.
Звуки дают нам много информации об окружающем мире. Особенно это важно для людей, лишенных зрения. Звук можно не только услышать, но и «увидеть». Рассмотрим колебания камертона (через микрофон) на осциллографе.
Какие же характеристики имеет звук?
• Субъективное восприятие зв\тса: громкость, высота, тембр.
• Объективные физические характеристики звука; интенсивность (сила), звуковое давление и состав (спектр).
Громкость и высота звука
Громкость звука — это субъективная характеристика, которая зависит от частоты колебаний и чувствительности человеческого уха. Объективной характеристикой звука является интенсивность. Интенсивность звука — это энергия, которую переносит звуковая волна за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Выражается она в системе СИ в единицах Вт/м».
Можно продемонстрировать изменение амплитуды звуковой волны с изменением громкости на осциллографе (с использованием громкоговорителя). Получаем, что громкость звука зависит от амплитуды и частоты колебаний в звуковой волне.
Наиболее чувствительны наши органы слуха к частотам в диапазоне от 700 до 6000 Гц. Порогом слышимости называется наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органом слуха. При частоте 1 кГц порог слышимости составляет 10~ 12 Вт/м 2 .
За единицу громкости звука принят бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона) [это логарифм отношения мощности звука к начальной мощности, отвечающей порогу слышимости: громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости. На практике громкость измеряют в децибелах (дБ): 1 дБ = 0,1 Б]. Громкость звука в жизни будет следующей:
20-30 дБ — норма шума в жилых помещениях;
50 дБ — разговор средней громкости;
70 дБ — шум пишущей машинки;
80 дБ — шум работающего двигателя грузового автомобиля;
100 дБ — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5-7 м;
120 дБ — шум работающего трактора на расстоянии 1 м;
130 дБ — порог болевого ощущения.
Порогом болевого ощущения называется интенсивность звука, вызывающего болевые ощущения. Он практически не зависит от частоты и составляет примерно 1 Вт/м. Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.
Звук, издаваемый телом, которое колеблется с одной, строго определенной частотой, называется тоном. Например, камертоны различного размера издают звуки разного тона Частота колебаний характеризует высоту тона. Например, летящий комар издает звук высокого тона, шмель — звук низкого тона
Высота тона определяется частотой колебаний. Звуки человеческого голоса делят на несколько диапазонов:
— бас — 80-350 Гц (Ф.И.Шаляпина), а английский певец Норман Аллин даже брал частоту 44 Гц;
— баритон — 110-149 Гц (В.С.Высоцкого);
— тенор — 130-520 Гц (И.С.Козловского);
— дискант — 260-1000 Гц (Р.Лоретти);
— сопрано — 260-1050 Гц (ГЛТ Вишневской);
— колоратурное сопрано — до 1400 Гц, а француженка Мадо Робен брала ре четвертой октавы — 2300 Гц,
Еще одна очень важная характеристика звука — тембр. Это качество звука. которое придает индивидуальную окраску звучанию источника Он зависит от состава звука. Тон, соответствующий наименьшей частоте в наборе частот данного звука, называется основным. Тоны более высоких кратных частот называются обертонами.
Мы охотно слушаем музыку, пение птиц, приятное человеческое пение. Напротив, тарахтение телеги, визг пилы, мощные удары молота нам неприятны, они раздражают и утомляют. По действию, производимому на нас, все звуки делятся на музыкальные и шумы.
Источник