Zvučni talasi.

Razvoj

Dom Uz pomoć ove video lekcije možete proučiti temu „Izvori zvuka. Zvučne vibracije. Visina, tembar, jačina." U ovoj lekciji ćete naučiti šta je zvuk. Takođe ćemo razmotriti opsege zvučnih vibracija koje opaža ljudski sluh. Hajde da odredimo šta može biti izvor zvuka i koji su uslovi neophodni za njegovo pojavljivanje. Proučavat ćemo i takve karakteristike zvuka kao što su visina, tembar i jačina zvuka. .

Tema lekcije je posvećena izvorima zvuka i zvučnim vibracijama. Takođe ćemo govoriti o karakteristikama zvuka - visini, jačini i tembru. Prije nego što govorimo o zvuku, o zvučnim valovima, sjetimo se da se mehanički valovi šire u elastičnim medijima. Deo longitudinalnih mehaničkih talasa koji percipiraju ljudski slušni organi naziva se zvuk, zvučni talasi.

Zvuk su mehanički talasi koje percipiraju ljudski slušni organi koji izazivaju zvučne senzacije

Eksperimenti pokazuju da ljudsko uho i ljudski slušni organi percipiraju vibracije sa frekvencijama od 16 Hz do 20.000 Hz. Taj opseg nazivamo zvukom. Naravno, postoje talasi čija je frekvencija manja od 16 Hz (infrazvuk) i veća od 20.000 Hz (ultrazvuk). Ali ovaj raspon, ove dijelove ljudsko uho ne percipira.

Rice. 1. Domet sluha ljudskog uha Kao što smo rekli, oblasti infrazvuka i ultrazvuka ljudski slušni organi ne percipiraju. Iako ih, na primjer, mogu uočiti neke životinje i insekti.

sta se desilo?

Izvori zvuka mogu biti bilo koje tijelo koje vibrira na frekvenciji zvuka (od 16 do 20.000 Hz) Rice. 2. Oscilirajuće ravnalo stegnuto u škripcu može biti izvor zvuka. ovo je zvučni val koji se sastoji od zbijanja i razrjeđivanja zraka. Frekvencija oscilovanja lenjira je u ovom slučaju manja od frekvencije zvuka, tako da ne čujemo ovaj talas, ovaj zvuk. Na osnovu iskustva koje smo upravo uočili, krajem 18. vijeka stvorena je sprava nazvana viljuška za podešavanje.

Rice. 3. Širenje uzdužnih zvučnih talasa iz kamerona

Kao što smo vidjeli, zvuk nastaje kao rezultat vibracija tijela sa zvučnom frekvencijom. Zvučni valovi se šire u svim smjerovima. Mora postojati medij između ljudskog slušnog aparata i izvora zvučnih talasa. Ovaj medij može biti plinovit, tekući ili čvrst, ali to moraju biti čestice sposobne da prenose vibracije. Proces prenošenja zvučnih talasa mora se nužno dogoditi tamo gdje postoji materija. Ako nema supstance, nećemo čuti nikakav zvuk.

Da bi zvuk postojao potrebno je:

1. Izvor zvuka

2. srijeda

3. Slušni aparat

4. Frekvencija 16-20000Hz

5. Intenzitet

Sada pređimo na razgovor o karakteristikama zvuka. Prvi je pitch. visina zvuka - karakteristika koja je određena frekvencijom oscilacija. Što je veća frekvencija tijela koje proizvodi vibracije, to će zvuk biti jači. Pogledajmo ponovo lenjir koji se drži u škripcu. Kao što smo već rekli, vidjeli smo vibracije, ali nismo čuli nikakav zvuk. Ako sada skratimo dužinu ravnala, čut ćemo zvuk, ali će biti mnogo teže vidjeti vibracije. Pogledaj liniju. Ako sada reagujemo na to, nećemo čuti nikakav zvuk, ali ćemo posmatrati vibracije. Ako skratimo lenjir, čućemo zvuk određene visine. Dužinu ravnala možemo još skratiti, tada ćemo čuti zvuk još veće visine (frekvencije). Istu stvar možemo primijetiti i sa kamerama. Ako uzmemo veliku viljušku (koja se naziva i demonstraciona) i udarimo u noge takve viljuške, možemo uočiti vibraciju, ali nećemo čuti zvuk. Ako uzmemo još jednu viljušku za podešavanje, onda kada je udarimo čućemo određeni zvuk. I sledeća viljuška za tuning, prava viljuška za podešavanje muzičkih instrumenata. Pravi zvuk koji odgovara noti A, ili, kako još kažu, 440 Hz.

Sljedeća karakteristika je tembar zvuka. Timbre zove se boja zvuka. Kako se ova karakteristika može ilustrovati? Timbar je razlika između dva identična zvuka koja se izvode različitim muzičkim instrumentima. Svi znate da imamo samo sedam nota. Ako čujemo istu notu A sviranu na violini i na klaviru, možemo ih razlikovati. Odmah možemo reći koji je instrument stvorio ovaj zvuk. Upravo ova karakteristika - boja zvuka - karakteriše tembar. Mora se reći da tembar zavisi od toga koje zvučne vibracije se reprodukuju, pored osnovnog tona. Činjenica je da su proizvoljne zvučne vibracije prilično složene. Oni se sastoje od skupa pojedinačnih vibracija, kažu spektar vibracija. To je reprodukcija dodatnih vibracija (preglasa) koja karakterizira ljepotu zvuka određenog glasa ili instrumenta. Timbre je jedna od glavnih i najsjajnijih manifestacija zvuka.

Druga karakteristika je volumen. Jačina zvuka zavisi od amplitude vibracija. Pogledajmo i uvjerimo se da je glasnoća povezana s amplitudom vibracija. Dakle, uzmimo tuning viljušku. Učinimo sljedeće: ako slabo udarite viljušku za podešavanje, amplituda vibracija će biti mala i zvuk će biti tih. Ako sada jače udarite viljušku za podešavanje, zvuk će biti mnogo jači. To je zbog činjenice da će amplituda oscilacija biti mnogo veća. Percepcija zvuka je subjektivna stvar, zavisi od toga kakav se slušni aparat koristi i kako se osoba osjeća.

Spisak dodatne literature:

Da li vam je zvuk toliko poznat? // Quantum. - 1992. - br. 8. - Str. 40-41. Kikoin A.K. O muzičkim zvucima i njihovim izvorima // Quantum. - 1985. - br. 9. - Str. 26-28. Udžbenik za osnovnu fiziku. Ed. G.S. Landsberg. T. 3. - M., 1974.

Zvuk je zvučni talas koji izaziva vibracije sitnih čestica vazduha, drugih gasova, tečnih i čvrstih medija. Zvuk može nastati samo tamo gdje postoji supstancija, bez obzira u kojem se stanju agregacije nalazi. U vakuumskim uslovima, gde nema medijuma, zvuk se ne širi, jer nema čestica koje deluju kao distributeri zvučnih talasa. Na primjer, u svemiru. Zvuk se može modificirati, mijenjati, pretvarajući se u druge oblike energije. Dakle, zvuk pretvoren u radio talase ili električnu energiju može se prenositi na daljinu i snimati na informativne medije.

zvučni talas

Kretanja predmeta i tijela gotovo uvijek uzrokuju fluktuacije u okolini. Nije bitno da li je voda ili vazduh. Tokom ovog procesa, čestice medija na koje se prenose vibracije tijela također počinju da vibriraju. Nastaju zvučni talasi. Štoviše, pokreti se izvode u smjeru naprijed i nazad, progresivno zamjenjujući jedni druge. Zbog toga je zvučni talas uzdužan. U njemu nikada nema bočnih pomaka gore-dole.

Karakteristike zvučnih talasa

Kao i svaka fizička pojava, oni imaju svoje količine, uz pomoć kojih se mogu opisati svojstva. Glavne karakteristike zvučnog talasa su njegova frekvencija i amplituda. Prva vrijednost pokazuje koliko se valova formira u sekundi. Drugi određuje jačinu talasa. Zvukovi niske frekvencije imaju niske frekvencijske vrijednosti, i obrnuto. Frekvencija zvuka se mjeri u hercima, a ako prelazi 20.000 Hz, tada se javlja ultrazvuk. Mnogo je primjera niskofrekventnih i visokofrekventnih zvukova u prirodi i svijetu oko nas. Cvrkut slavuja, tutnjava grmljavine, huk planinske rijeke i ostalo su različite frekvencije zvuka. Amplituda talasa direktno zavisi od toga koliko je zvuk glasan. Jačina zvuka se, zauzvrat, smanjuje s udaljenosti od izvora zvuka. Shodno tome, što je talas dalje od epicentra, to je manja amplituda. Drugim riječima, amplituda zvučnog talasa opada sa udaljenosti od izvora zvuka.

Brzina zvuka

Ovaj indikator zvučnog vala direktno ovisi o prirodi medija u kojem se širi. I vlažnost i temperatura zraka ovdje igraju značajnu ulogu. U prosječnim vremenskim uslovima, brzina zvuka je približno 340 metara u sekundi. U fizici postoji nešto kao što je supersonična brzina, koja je uvijek veća od brzine zvuka. Ovo je brzina kojom putuju zvučni talasi kada se avion kreće. Avion se kreće nadzvučnom brzinom i čak nadmašuje zvučne talase koje stvara. Zbog postepenog povećanja pritiska iza aviona nastaje udarni talas zvuka. Mjerna jedinica za ovu brzinu je zanimljiva i malo ljudi je zna. Zove se Mach. Mah 1 je jednak brzini zvuka. Ako talas putuje brzinom od 2 maha, tada putuje dvostruko brže od brzine zvuka.

Buke

U ljudskom svakodnevnom životu postoji stalna buka. Nivo buke se mjeri u decibelima. Kretanje automobila, vjetar, šuštanje lišća, preplitanje ljudskih glasova i druge zvučne buke naši su svakodnevni saputnici. Ali ljudski slušni analizator ima sposobnost da se navikne na takvu buku. Međutim, postoje i pojave s kojima se čak ni adaptivne sposobnosti ljudskog uha ne mogu nositi. Na primjer, buka koja prelazi 120 dB može uzrokovati bol. Najglasnija životinja je plavi kit. Kada ispušta zvuk, može se čuti na udaljenosti od preko 800 kilometara.

Echo

Kako nastaje eho? Ovdje je sve vrlo jednostavno. Zvučni talas ima sposobnost da se reflektuje od različitih površina: od vode, od kamena, od zidova u praznoj prostoriji. Taj talas nam se vraća, pa čujemo sekundarni zvuk. Nije tako jasan kao originalni, jer se dio energije zvučnog vala raspršuje kada se kreće prema prepreci.

Eholokacija

Refleksija zvuka se koristi u različite praktične svrhe. Na primjer, eholokacija. Zasnovan je na činjenici da je uz pomoć ultrazvučnih valova moguće odrediti udaljenost do objekta od kojeg se ti valovi reflektiraju. Proračuni se vrše mjerenjem vremena potrebnog ultrazvuku da doputuje do lokacije i vrati se. Mnoge životinje imaju sposobnost eholokacije. Na primjer, šišmiši i delfini ga koriste za traženje hrane. Eholokacija je našla još jednu primjenu u medicini. Tokom ultrazvučnih pregleda formira se slika unutrašnjih organa osobe. Osnova ove metode je da se ultrazvuk, ulazeći u medij koji nije zrak, vraća nazad, formirajući tako sliku.

Zvučni talasi u muzici

Zašto muzički instrumenti proizvode određene zvukove? Gutanje gitare, zvučanje klavira, niski tonovi bubnjeva i truba, šarmantni tanki glas flaute. Svi ovi i mnogi drugi zvuci nastaju zbog vibracija zraka ili, drugim riječima, zbog pojave zvučnih valova. Ali zašto je zvuk muzičkih instrumenata tako raznolik? Ispostavilo se da to zavisi od nekoliko faktora. Prvi je oblik alata, drugi je materijal od kojeg je napravljen.

Pogledajmo ovo koristeći gudačke instrumente kao primjer. One postaju izvor zvuka kada se žice dodirnu. Kao rezultat toga, oni počinju da vibriraju i šalju različite zvukove u okolinu. Nizak zvuk bilo kog žičanog instrumenta je zbog veće debljine i dužine žice, kao i slabe njene napetosti. I obrnuto, što je žica čvršće nategnuta, što je tanja i kraća, to je zvuk koji se dobija kao rezultat sviranja veći.

Akcija mikrofona

Zasniva se na pretvaranju energije zvučnog talasa u električnu energiju. U ovom slučaju, jačina struje i priroda zvuka direktno zavise. Unutar svakog mikrofona nalazi se tanka metalna ploča. Kada je izložen zvuku, počinje da izvodi oscilatorne pokrete. Spirala na koju je ploča spojena također vibrira, što rezultira električnom strujom. Zašto se pojavljuje? To je zato što mikrofon ima ugrađene magnete. Kada spirala oscilira između svojih polova, stvara se električna struja koja ide duž spirale, a zatim do zvučnog stupa (zvučnik) ili do opreme za snimanje na informacioni medij (kaseta, disk, kompjuter). Inače, mikrofon u telefonu ima sličnu strukturu. Ali kako rade mikrofoni na fiksnim i mobilnim telefonima? Početna faza za njih je ista - zvuk ljudskog glasa prenosi svoje vibracije na ploču mikrofona, zatim sve ide po gore opisanom scenariju: spirala, koja pri kretanju zatvara dva pola, stvara se struja. šta je sljedeće? Sa fiksnim telefonom sve je manje-više jasno - kao u mikrofonu, zvuk, pretvoren u električnu struju, prolazi kroz žice. Ali šta je sa mobilnim telefonom ili, na primjer, voki-tokijem? U tim slučajevima, zvuk se pretvara u radiotalasnu energiju i udara u satelit. To je to.

Fenomen rezonancije

Ponekad se stvaraju uslovi kada se amplituda vibracija fizičkog tijela naglo poveća. To se događa zbog konvergencije vrijednosti frekvencije prisilnih oscilacija i prirodne frekvencije oscilacija objekta (tijela). Rezonancija može biti i korisna i štetna. Na primjer, da bi se auto izvukao iz rupe, on se pokreće i gura naprijed-nazad kako bi se izazvala rezonanca i dala inerciju automobilu. Ali bilo je i slučajeva negativnih posljedica rezonancije. Na primjer, u Sankt Peterburgu, prije stotinjak godina, srušio se most pod vojnicima koji su marširali uglas.

Pitanja.

1. Ispričajte o eksperimentima prikazanim na slikama 70-73. Kakav zaključak iz njih proizlazi?

U prvom eksperimentu (Sl. 70), metalni lenjir stegnut u škripac proizvodi zvuk kada vibrira.
U drugom eksperimentu (sl. 71) mogu se uočiti vibracije žice, koja takođe proizvodi zvuk.
U trećem eksperimentu (slika 72) uočen je zvuk viljuške za podešavanje.
U četvrtom eksperimentu (Sl. 73), vibracije kamerona se „snimaju” na dimljenu ploču. Svi ovi eksperimenti pokazuju oscilatornu prirodu pojave zvuka. Zvuk nastaje kao rezultat vibracija. U četvrtom eksperimentu to se takođe može jasno uočiti. Vrh igle ostavlja trag u obliku sinusoida. U ovom slučaju, zvuk se ne pojavljuje niotkuda, već ga stvaraju izvori zvuka: ravnalo, žica, viljuška za podešavanje.

2. Koje zajedničko svojstvo imaju svi izvori zvuka?

Svaki izvor zvuka nužno vibrira.

3. Mehaničke vibracije kojih frekvencija se nazivaju zvučne vibracije i zašto?

Zvučne vibracije su mehaničke vibracije sa frekvencijama od 16 Hz do 20.000 Hz, jer u ovom frekventnom opsegu ljudi ih percipiraju.

4. Koje vibracije se nazivaju ultrazvučnim? infrasonic?

Vibracije sa frekvencijama iznad 20.000 Hz nazivaju se ultrazvučnim, a sa frekvencijama ispod 16 Hz - infrazvučnimi.

5. Recite nam nešto o mjerenju dubine mora pomoću eholokacije.

Vježbe.

1. Čujemo zvuk lepetanja krila letećeg komarca. ali nema leteće ptice. Zašto?

Frekvencija vibracija krila komarca je 600 Hz (600 otkucaja u sekundi), vrapčevih 13 Hz, a ljudsko uho percipira zvukove od 16 Hz.

Grana fizike koja se bavi zvučnim vibracijama se zove akustika.

Ljudsko uho je dizajnirano tako da vibracije frekvencije od 20 Hz do 20 kHz percipira kao zvuk. Niske frekvencije (zvuk bas bubnja ili orguljske cijevi) uho percipira kao bas note. Zvižduk ili škripa komaraca odgovara visokim frekvencijama. Oscilacije sa frekvencijom ispod 20 Hz nazivaju se infrazvuk, i sa frekvencijom iznad 20 kHz - ultrazvuk. Ljudi ne mogu čuti takve vibracije, ali postoje životinje koje prije potresa čuju infrazvuke koji emituju iz zemljine kore. Čuvši ih, životinje napuštaju opasno područje.

U muzici odgovaraju akustične frekvencije bilješke Nota “A” glavne oktave (taster C) odgovara frekvenciji od 440 Hz. Nota "A" sledeće oktave odgovara frekvenciji od 880 Hz. I tako se sve ostale oktave razlikuju po frekvenciji tačno dva puta. Unutar svake oktave ima 6 tonova ili 12 polutonova. Svaki ton ima frekvenciju od yf2~ 1.12 različita od frekvencije prethodnog tona, svaki poluton razlikuje se od prethodne u "$2. Vidimo da se svaka naredna frekvencija razlikuje od prethodne ne za nekoliko Hz, već za isti broj puta. Ova skala se zove logaritamski budući da će jednaka udaljenost između tonova biti upravo na logaritamskoj skali, pri čemu se ne iscrtava sama vrijednost, već njen logaritam.

Ako zvuk odgovara jednoj frekvenciji v (ili sa = 2tcv), onda se naziva harmonijskim ili monohromatskim. Čisto harmonični zvuci su rijetki. Skoro uvijek, zvuk sadrži skup frekvencija, odnosno njegov spektar (vidi 8. odjeljak ovog poglavlja) je složen. Muzičke vibracije uvijek sadrže osnovni ton sso = 2i/T, gdje je T period, i skup tonova 2(Oo, 3so 0, 4coo, itd. Skup prizvuka sa indikacijom njihovog intenziteta u muzici naziva se timbre. Različiti muzički instrumenti, različiti pjevači koji sviraju istu notu, imaju različite tembre. To im daje različite boje.

Moguća je i mješavina neviše frekvencija. U klasičnoj evropskoj muzici ovo se smatra disonantnim. Međutim, moderna muzika to koristi. Koristi se čak i sporo kretanje bilo koje frekvencije prema povećanju ili smanjenju (ukulele).

U nemuzičkim zvucima moguća je bilo koja kombinacija frekvencija u spektru i njihova promjena tokom vremena. Spektar takvih zvukova može biti kontinuiran (pogledajte dio 8). Ako su intenziteti za sve frekvencije približno isti, onda se takav zvuk naziva "bijeli šum" (izraz je preuzet iz optike, gdje je bijela boja ukupnost svih frekvencija).

Zvukovi ljudskog govora su veoma složeni. Imaju složen spektar koji se brzo mijenja tokom vremena pri izgovoru jednog glasa, riječi i cijele fraze. To daje govoru različite intonacije i akcente. Kao rezultat, moguće je razlikovati jednu osobu od druge po glasu, čak i ako izgovaraju iste riječi.

Prije nego što shvatite koji izvori zvuka postoje, razmislite o tome šta je zvuk? Znamo da je svjetlost radijacija. Odbijajući se od predmeta, ovo zračenje dopire do naših očiju i možemo ga vidjeti. Ukus i miris su male čestice tijela koje percipiraju naši odgovarajući receptori. Kakva je to životinja ovaj zvuk?

Zvukovi se prenose kroz vazduh

Vjerovatno ste vidjeli kako se svira gitara. Možda ovo možete učiniti sami. Još jedna važna stvar je zvuk koji žice proizvode u gitari kada ih čupate. Tako je. Ali kada biste mogli da stavite gitaru u vakuum i počupate žice, bili biste veoma iznenađeni da gitara ne bi ispuštala nikakav zvuk.

Takvi eksperimenti su izvođeni sa širokim spektrom tijela, a rezultat je uvijek bio isti: nikakav zvuk se nije mogao čuti u svemiru bez zraka. Slijedi logičan zaključak da se zvuk prenosi zrakom. Dakle, zvuk je nešto što se događa česticama zraka tvari i tijela koja proizvode zvuk.

Izvori zvuka - oscilirajuća tijela

Sledeći. Kao rezultat širokog spektra brojnih eksperimenata, bilo je moguće utvrditi da zvuk nastaje zbog vibracije tijela. Izvori zvuka su tijela koja vibriraju. Ove vibracije prenose molekuli zraka i naše uho, percipirajući te vibracije, interpretira ih u osjećaje zvuka koje razumijemo.

Nije teško provjeriti. Uzmite stakleni ili kristalni pehar i stavite ga na sto. Lagano lupkajte metalnom kašikom. Čućete dug i tanak zvuk. Sada dodirnite čašu rukom i pokucajte ponovo. Zvuk će se promijeniti i postati mnogo kraći.

Sada neka nekoliko ljudi obavi ruke oko čaše što je moguće potpunije, zajedno sa stabljikom, trudeći se da ne ostavi ni jedno slobodno područje, osim vrlo malog mjesta za udaranje kašikom. Ponovo udari u staklo. Gotovo da nećete čuti nikakav zvuk, a onaj koji će biti biće slab i vrlo kratak. Šta ovo znači?

U prvom slučaju, nakon udarca, staklo je slobodno osciliralo, njegove vibracije su se prenosile kroz zrak i dopirale do naših ušiju. U drugom slučaju, većinu vibracija je apsorbirala naša ruka, a zvuk je postajao znatno kraći kako su se vibracije tijela smanjivale. U trećem slučaju, ruke svih učesnika su trenutno apsorbovale skoro sve vibracije tela, a telo gotovo da nije vibriralo, te stoga nije ispuštalo gotovo nikakav zvuk.

Isto vrijedi i za sve druge eksperimente kojih se možete sjetiti i provesti. Vibracije tijela, koje se prenose na molekule zraka, percipiraju naše uši i tumače ih mozak.

Zvučne vibracije različitih frekvencija

Dakle, zvuk je vibracija. Izvori zvuka prenose zvučne vibracije kroz vazduh do nas. Zašto onda ne čujemo sve vibracije svih objekata? Jer vibracije dolaze na različitim frekvencijama.

Zvuk koji percipira ljudsko uho su zvučne vibracije sa frekvencijom od približno 16 Hz do 20 kHz. Djeca čuju zvukove viših frekvencija od odraslih, a rasponi percepcije različitih živih bića općenito se jako razlikuju.