Unde sonore.

Dezvoltare

Acasă Cu ajutorul acestei lecții video puteți studia subiectul „Surse de sunet. Vibrații sonore. Ton, timbru, volum.” În această lecție veți învăța ce este sunetul. Vom lua în considerare, de asemenea, intervalele de vibrații sonore percepute de auzul uman. Să stabilim care poate fi sursa sunetului și ce condiții sunt necesare pentru apariția acestuia. Vom studia, de asemenea, caracteristici ale sunetului precum înălțimea, timbrul și volumul. .

Tema lecției este dedicată surselor de sunet și vibrațiilor sonore. Vom vorbi și despre caracteristicile sunetului - înălțimea, volumul și timbrul. Înainte de a vorbi despre sunet, despre unde sonore, să ne amintim că undele mecanice se propagă în medii elastice. Partea undelor mecanice longitudinale care este percepută de organele auzului uman se numește sunet, unde sonore.

Sunetul este undele mecanice percepute de organele auzului uman care provoacă senzații sonore

Experimentele arată că urechea umană și organele auzului uman percep vibrații cu frecvențe de la 16 Hz la 20.000 Hz. Este această gamă pe care o numim sunet. Desigur, există unde a căror frecvență este mai mică de 16 Hz (infrasunete) și mai mare de 20.000 Hz (ultrasunete). Dar acest interval, aceste secțiuni nu sunt percepute de urechea umană.

Orez. 1. Intervalul auditiv al urechii umane După cum am spus, zonele de infrasunete și ultrasunete nu sunt percepute de organele auzului uman. Deși pot fi percepute, de exemplu, de unele animale și insecte.

Ce s-a întâmplat ?

Sursele de sunet pot fi orice corp care vibrează la o frecvență a sunetului (de la 16 la 20.000 Hz) Orez. 2. O riglă oscilantă prinsă într-o menghină poate fi o sursă de sunet. aceasta este o undă sonoră constând din compactări și rarefări ale aerului. Frecvența de oscilație a riglei în acest caz este mai mică decât frecvența sunetului, așa că nu auzim această undă, acest sunet. Pe baza experienței pe care tocmai am observat-o, la sfârșitul secolului al XVIII-lea a fost creat un dispozitiv numit diapazon.

Orez. 3. Propagarea undelor sonore longitudinale de la un diapazon

După cum am văzut, sunetul apare ca urmare a vibrațiilor unui corp cu o frecvență a sunetului. Undele sonore se propagă în toate direcțiile. Trebuie să existe un mediu între aparatul auditiv uman și sursa undelor sonore. Acest mediu poate fi gazos, lichid sau solid, dar trebuie să fie particule capabile să transmită vibrații. Procesul de transmitere a undelor sonore trebuie neapărat să aibă loc acolo unde există materie. Dacă nu există substanță, nu vom auzi niciun sunet.

Pentru ca sunetul să existe, aveți nevoie de:

1. Sursa de sunet

2. miercuri

3. Aparatură auditivă

4. Frecventa 16-20000Hz

5. Intensitate

Acum să trecem la discutarea caracteristicilor sunetului. Primul este pitch. Înălțimea sunetului - caracteristică care este determinată de frecvența oscilațiilor. Cu cât frecvența corpului care produce vibrații este mai mare, cu atât sunetul va fi mai mare. Să ne uităm din nou la rigla ținută într-o menghină. După cum am spus deja, am văzut vibrații, dar nu am auzit niciun sunet. Dacă acum facem lungimea riglei mai scurtă, vom auzi sunetul, dar va fi mult mai greu să vedem vibrațiile. Uită-te la linie. Dacă acţionăm acum asupra lui, nu vom auzi niciun sunet, dar vom observa vibraţii. Dacă scurtăm rigla, vom auzi un sunet de o anumită înălțime. Putem face lungimea riglei și mai scurtă, apoi vom auzi un sunet de înălțime și mai mare (frecvență). Același lucru îl putem observa cu diapazonele. Dacă luăm un diapazon mare (numit și demonstrativ) și lovim picioarele unui astfel de diapazon, putem observa vibrația, dar nu vom auzi sunetul. Dacă luăm un alt diapazon, atunci când îl lovim vom auzi un anumit sunet. Și următorul diapazon, un adevărat diapazon, care este folosit pentru a acorda instrumente muzicale. Emite un sunet corespunzător notei A sau, după cum se spune, 440 Hz.

Următoarea caracteristică este timbrul sunetului. Timbru numită culoare sonoră. Cum poate fi ilustrată această caracteristică? Timbre este diferența dintre două sunete identice interpretate de instrumente muzicale diferite. Știți cu toții că avem doar șapte note. Dacă auzim aceeași notă A cântată la o vioară și la un pian, le putem deosebi. Putem spune imediat ce instrument a creat acest sunet. Această caracteristică - culoarea sunetului - este cea care caracterizează timbrul. Trebuie spus că timbrul depinde de ce vibrații sonore sunt reproduse, pe lângă tonul fundamental. Faptul este că vibrațiile sonore arbitrare sunt destul de complexe. Ele constau dintr-un set de vibrații individuale, spun ei spectrul de vibrații. Este reproducerea vibrațiilor suplimentare (harmonice) care caracterizează frumusețea sunetului unei anumite voci sau instrument. Timbru este una dintre principalele și cele mai strălucitoare manifestări ale sunetului.

O altă caracteristică este volumul. Volumul sunetului depinde de amplitudinea vibrațiilor. Să aruncăm o privire și să ne asigurăm că volumul este legat de amplitudinea vibrațiilor. Deci, să luăm un diapazon. Să facem următoarele: dacă loviți slab de diapazon, amplitudinea vibrațiilor va fi mică și sunetul va fi liniștit. Dacă acum loviți mai puternic diapazon, sunetul va fi mult mai puternic. Acest lucru se datorează faptului că amplitudinea oscilațiilor va fi mult mai mare. Percepția sunetului este un lucru subiectiv, depinde de ce fel de aparat auditiv este folosit și de cum se simte o persoană.

Lista literaturii suplimentare:

Vă este sunetul atât de familiar? // Quantum. - 1992. - Nr. 8. - P. 40-41. Kikoin A.K. Despre sunetele muzicale și sursele lor // Quantum. - 1985. - Nr. 9. - P. 26-28. Manual de fizică elementară. Ed. G.S. Landsberg. T. 3. - M., 1974.

Sunetul este unde sonore care provoacă vibrații ale particulelor minuscule de aer, ale altor gaze și ale mediilor lichide și solide. Sunetul poate apărea numai acolo unde există o substanță, indiferent în ce stare de agregare se află. În condiții de vid, unde nu există mediu, sunetul nu se propagă, deoarece nu există particule care să acționeze ca distribuitori ai undelor sonore. De exemplu, în spațiu. Sunetul poate fi modificat, alterat, transformându-se în alte forme de energie. Astfel, sunetul convertit în unde radio sau energie electrică poate fi transmis la distanțe și înregistrat pe medii de informare.

undă sonoră

Mișcările obiectelor și corpurilor provoacă aproape întotdeauna fluctuații în mediu. Nu contează dacă este apă sau aer. În timpul acestui proces, încep să vibreze și particulele mediului către care sunt transmise vibrațiile corpului. Apar unde sonore. Mai mult, mișcările sunt efectuate în direcții înainte și înapoi, înlocuindu-se progresiv. Prin urmare, unda sonoră este longitudinală. Nu există niciodată nicio mișcare laterală în sus și în jos în el.

Caracteristicile undelor sonore

Ca orice fenomen fizic, ele au propriile lor cantități, cu ajutorul cărora pot fi descrise proprietăți. Principalele caracteristici ale unei unde sonore sunt frecvența și amplitudinea acesteia. Prima valoare arată câte valuri se formează pe secundă. Al doilea determină puterea undei. Sunetele de joasă frecvență au valori de joasă frecvență și invers. Frecvența sunetului se măsoară în Herți, iar dacă depășește 20.000 Hz, atunci apare ultrasunetele. Există o mulțime de exemple de sunete de joasă și înaltă frecvență în natură și în lumea din jurul nostru. Ciripitul unei privighetoare, bubuitul tunetelor, vuietul unui râu de munte și altele sunt toate frecvențe sonore diferite. Amplitudinea undei depinde direct de cât de puternic este sunetul. Volumul, la rândul său, scade odată cu distanța de la sursa de sunet. În consecință, cu cât valul este mai departe de epicentru, cu atât amplitudinea este mai mică. Cu alte cuvinte, amplitudinea unei unde sonore scade odată cu distanța de la sursa sonoră.

Viteza sunetului

Acest indicator al undei sonore depinde direct de natura mediului în care se propagă. Atât umiditatea, cât și temperatura aerului joacă un rol important aici. În condiții meteorologice medii, viteza sunetului este de aproximativ 340 de metri pe secundă. În fizică, există așa ceva ca viteza supersonică, care este întotdeauna mai mare decât viteza sunetului. Aceasta este viteza cu care se deplasează undele sonore atunci când o aeronavă se mișcă. Avionul se mișcă cu viteză supersonică și chiar depășește undele sonore pe care le creează. Datorită presiunii care crește treptat în spatele aeronavei, se formează o undă de șoc de sunet. Unitatea de măsură pentru această viteză este interesantă și puțini oameni o știu. Se numește Mach. Mach 1 este egal cu viteza sunetului. Dacă o undă se deplasează la Mach 2, atunci se deplasează de două ori mai repede decât viteza sunetului.

Zgomote

Există zgomot constant în viața de zi cu zi a omului. Nivelul de zgomot este măsurat în decibeli. Mișcarea mașinilor, vântul, foșnetul frunzelor, împletirea vocilor oamenilor și alte zgomote sonore sunt tovarășii noștri zilnici. Dar analizatorul auditiv uman are capacitatea de a se obișnui cu un astfel de zgomot. Cu toate acestea, există și fenomene cărora nici măcar abilitățile de adaptare ale urechii umane nu le pot face față. De exemplu, zgomotul care depășește 120 dB poate provoca durere. Cel mai tare animal este balena albastră. Când scoate sunete, se aude la peste 800 de kilometri distanță.

Ecou

Cum apare un ecou? Totul este foarte simplu aici. O undă sonoră are capacitatea de a fi reflectată de pe diferite suprafețe: de la apă, de pe o stâncă, de pe pereții unei încăperi goale. Acest val se întoarce la noi, așa că auzim sunet secundar. Nu este la fel de clar ca cel original, deoarece o parte din energia undei sonore este disipată atunci când se îndreaptă spre un obstacol.

Ecolocație

Reflexia sunetului este folosită în diverse scopuri practice. De exemplu, ecolocația. Se bazează pe faptul că cu ajutorul undelor ultrasonice se poate determina distanța până la obiectul de la care se reflectă aceste unde. Calculele sunt făcute prin măsurarea timpului necesar ultrasunetelor pentru a călători într-o locație și a se întoarce. Multe animale au capacitatea de ecolocație. De exemplu, liliecii și delfinii îl folosesc pentru a căuta hrană. Ecolocația și-a găsit o altă aplicație în medicină. În timpul examinărilor cu ultrasunete, se formează o imagine a organelor interne ale unei persoane. Baza acestei metode este că ultrasunetele, intrând într-un mediu altul decât aerul, revin înapoi, formând astfel o imagine.

Unde sonore în muzică

De ce instrumentele muzicale scot anumite sunete? Tocăt de chitară, pian, tonuri joase de tobe și trâmbițe, vocea subțire fermecătoare a unui flaut. Toate acestea și multe alte sunete apar din cauza vibrațiilor aerului sau, cu alte cuvinte, din cauza apariției undelor sonore. Dar de ce sunetul instrumentelor muzicale este atât de divers? Se pare că acest lucru depinde de mai mulți factori. Prima este forma instrumentului, a doua este materialul din care este fabricat.

Să ne uităm la asta folosind instrumente cu coarde ca exemplu. Ele devin o sursă de sunet atunci când sunt atinse corzile. Drept urmare, încep să vibreze și să trimită sunete diferite în mediu. Sunetul scăzut al oricărui instrument cu coarde se datorează grosimii și lungimii mai mari a coardei, precum și slăbiciunii tensiunii sale. Și invers, cu cât coarda este întinsă mai strâns, cu atât este mai subțire și mai scurtă, cu atât sunetul obținut în urma cântării este mai ridicat.

Acțiunea microfonului

Se bazează pe conversia energiei undelor sonore în energie electrică. În acest caz, puterea curentului și natura sunetului sunt direct dependente. În interiorul oricărui microfon există o placă subțire din metal. Când este expus la sunet, începe să efectueze mișcări oscilatorii. Spirala la care este conectată placa vibrează și ea, rezultând un curent electric. De ce apare el? Acest lucru se datorează faptului că microfonul are și magneți încorporați. Când spirala oscilează între polii săi, se generează un curent electric, care merge de-a lungul spiralei și apoi către o coloană sonoră (difuzor) sau către echipamente pentru înregistrarea pe un suport de informare (casetă, disc, calculator). Apropo, microfonul din telefon are o structură similară. Dar cum funcționează microfoanele pe liniile fixe și pe telefoanele mobile? Faza inițială este aceeași pentru ei - sunetul vocii umane își transmite vibrațiile către placa microfonului, apoi totul urmează scenariul descris mai sus: o spirală, care, în mișcare, închide doi poli, se creează un curent. Ce urmează? Cu un telefon fix, totul este mai mult sau mai puțin clar - la fel ca într-un microfon, sunetul, transformat în curent electric, trece prin fire. Dar cum rămâne cu un telefon mobil sau, de exemplu, un walkie-talkie? În aceste cazuri, sunetul este convertit în energie unde radio și lovește satelitul. Asta este.

Fenomen de rezonanță

Uneori sunt create condiții când amplitudinea vibrațiilor corpului fizic crește brusc. Acest lucru se întâmplă din cauza convergenței valorilor frecvenței oscilațiilor forțate și frecvenței naturale a oscilațiilor obiectului (corpului). Rezonanța poate fi atât benefică, cât și dăunătoare. De exemplu, pentru a scoate o mașină dintr-o gaură, aceasta este pornită și împinsă înainte și înapoi pentru a provoca rezonanță și a da mașinii inerție. Dar au existat și cazuri de consecințe negative ale rezonanței. De exemplu, în Sankt Petersburg, în urmă cu aproximativ o sută de ani, un pod s-a prăbușit sub soldații care marșau la unison.

Întrebări.

1. Povestiți despre experimentele prezentate în figurile 70-73. Ce concluzie rezultă din ele?

În primul experiment (Fig. 70), o riglă metalică prinsă într-un menghină scoate un sunet când vibrează.
În al doilea experiment (Fig. 71), se pot observa vibrații ale coardei, care produce și sunet.
În al treilea experiment (Fig. 72), se observă sunetul unui diapazon.
În al patrulea experiment (Fig. 73), vibrațiile diapazonului sunt „înregistrate” pe o placă afumată. Toate aceste experimente demonstrează natura oscilativă a apariției sunetului. Sunetul apare ca urmare a vibrațiilor. În al patrulea experiment, acest lucru poate fi observat în mod clar. Vârful acului lasă o urmă sub formă de sinusoid. În acest caz, sunetul nu apare de nicăieri, ci este generat de sursele sonore: o riglă, o sfoară, un diapazon.

2. Ce proprietate comună au toate sursele de sunet?

Orice sursă de sunet vibrează neapărat.

3. Vibrațiile mecanice la ce frecvențe se numesc vibrații sonore și de ce?

Vibrațiile sonore sunt vibrații mecanice cu frecvențe de la 16 Hz la 20.000 Hz, deoarece în acest interval de frecvenţă sunt percepute de oameni.

4. Ce vibrații se numesc ultrasonice? infrasunete?

Vibrațiile cu frecvențe de peste 20.000 Hz se numesc ultrasunete, iar cu frecvențe sub 16 Hz - infrasonice.

5. Spuneți-ne despre măsurarea adâncimii mării folosind ecolocație.

Exerciții.

1. Auzim sunetul batatului aripilor unui tantar zburator. dar nici o pasăre zburătoare. De ce?

Frecvența de vibrație a aripilor unui țânțar este de 600 Hz (600 de bătăi pe secundă), cea a unei vrăbii este de 13 Hz, iar urechea umană percepe sunete de la 16 Hz.

Ramura fizicii care se ocupă de vibrațiile sonore se numește acustică.

Urechea umană este concepută astfel încât să perceapă vibrațiile cu o frecvență de la 20 Hz la 20 kHz ca sunet. Frecvențele joase (sunetul unei tobe de bas sau al unei țevi de orgă) sunt percepute de ureche ca note de bas. Fluierul sau scârțâitul unui țânțar corespunde frecvențelor înalte. Se numesc oscilații cu o frecvență sub 20 Hz infrasuneteși cu o frecvență de peste 20 kHz - cu ultrasunete. Oamenii nu pot auzi astfel de vibrații, dar există animale care aud infrasunetele emanate din scoarța terestră înainte de un cutremur. Auzindu-le, animalele părăsesc zona periculoasă.

În muzică, frecvențele acustice corespund note Nota „A” a octavei principale (tasta C) corespunde unei frecvențe de 440 Hz. Nota „A” a următoarei octave corespunde unei frecvențe de 880 Hz. Și astfel toate celelalte octave diferă ca frecvență de exact două ori. În fiecare octavă există 6 tonuri sau 12 semitonuri. Fiecare ton are o frecvență de yf2~ 1,12 diferit de frecvența tonului anterior, fiecare semiton diferă de cea anterioară în „$2. Vedem că fiecare frecvență ulterioară diferă de cea anterioară nu de câțiva Hz, ci de același număr de ori. Această scară se numește logaritmicăîntrucât distanța egală dintre tonuri va fi tocmai pe o scară logaritmică, unde nu valoarea în sine este reprezentată, ci logaritmul ei.

Dacă sunetul corespunde unei frecvențe v (sau cu = 2tcv), atunci se numește armonic, sau monocromatic. Sunetele pur armonice sunt rare. Aproape întotdeauna, sunetul conține un set de frecvențe, adică spectrul său (vezi Secțiunea 8 a acestui capitol) este complex. Vibrațiile muzicale conțin întotdeauna un ton fundamental sso = 2i/T, unde T este perioada și un set de armonizări 2(Oo, 3so 0, 4coo etc. Un set de armonizări cu o indicație a intensităților lor în muzică se numește timbru. Instrumente muzicale diferite, cântăreți diferiți care cântă aceeași notă, au timbre diferite. Acest lucru le oferă culori diferite.

Este posibil și un amestec de frecvențe non-multiple. În muzica clasică europeană acest lucru este considerat disonant. Cu toate acestea, muzica modernă folosește acest lucru. Se folosește chiar și mișcarea lentă a oricăror frecvențe spre creștere sau scădere (ukulele).

În sunetele non-muzicale, este posibilă orice combinație de frecvențe din spectru și schimbarea lor în timp. Spectrul unor astfel de sunete poate fi continuu (vezi Secțiunea 8). Dacă intensitățile pentru toate frecvențele sunt aproximativ aceleași, atunci un astfel de sunet se numește „zgomot alb” (termenul este preluat din optică, unde culoarea albă este totalitatea tuturor frecvențelor).

Sunetele vorbirii umane sunt foarte complexe. Au un spectru complex care se schimbă rapid în timp atunci când pronunță un sunet, un cuvânt și o frază întreagă. Acest lucru oferă sunetelor vorbirii intonații și accente diferite. Drept urmare, este posibil să distingem o persoană de alta prin voce, chiar dacă pronunță aceleași cuvinte.

Înainte de a înțelege ce surse de sunet există, gândiți-vă ce este sunetul? Știm că lumina este radiație. Reflectându-se de la obiecte, această radiație ajunge la ochii noștri și o putem vedea. Gustul și mirosul sunt mici particule de corp care sunt percepute de receptorii noștri respectivi. Ce fel de animal este acest sunet?

Sunetele sunt transmise prin aer

Probabil ați văzut cum se cântă la chitară. Poate că poți face asta singur. Un alt lucru important este sunetul pe care îl fac corzile la o chitară atunci când le ciupești. Asta e corect. Dar dacă ai putea pune o chitară în vid și să ciupi corzile, ai fi foarte surprins că chitara nu ar scoate niciun sunet.

Astfel de experimente au fost efectuate cu o mare varietate de corpuri, iar rezultatul a fost întotdeauna același: nu se auzea niciun sunet în spațiul fără aer. Concluzia logică rezultă că sunetul este transmis prin aer. Prin urmare, sunetul este ceva ce se întâmplă cu particulele de aer și corpurile producătoare de sunet.

Surse de sunet – corpuri oscilante

Următorul. Ca urmare a unei largi varietati de numeroase experimente, a fost posibil să se stabilească că sunetul apare din cauza vibrației corpurilor. Sursele de sunet sunt corpuri care vibrează. Aceste vibrații sunt transmise de moleculele de aer și urechea noastră, percepând aceste vibrații, le interpretează în senzații de sunet pe care le înțelegem.

Nu este greu de verificat. Luați un pahar sau un pahar de cristal și puneți-l pe masă. Loviți ușor cu o lingură de metal. Veți auzi un sunet lung și subțire. Acum atingeți paharul cu mâna și bateți din nou. Sunetul se va schimba și va deveni mult mai scurt.

Acum lăsați mai multe persoane să își înfășoare mâinile în jurul paharului cât mai complet posibil, împreună cu tulpina, încercând să nu lase o singură zonă liberă, cu excepția unui loc foarte mic pentru a lovi cu lingura. Lovi din nou paharul. Cu greu vei auzi niciun sunet, iar cel care va fi va fi slab și foarte scurt. Ce înseamnă acest lucru?

În primul caz, după impact, sticla a oscilat liber, vibrațiile sale s-au transmis prin aer și au ajuns la urechile noastre. În al doilea caz, majoritatea vibrațiilor au fost absorbite de mâna noastră, iar sunetul a devenit mult mai scurt pe măsură ce vibrațiile corpului au scăzut. În al treilea caz, aproape toate vibrațiile corpului au fost absorbite instantaneu de mâinile tuturor participanților, iar corpul a vibrat cu greu și, prin urmare, nu a scos aproape niciun sunet.

Același lucru este valabil și pentru toate celelalte experimente la care te poți gândi și să le conduci. Vibrațiile corpurilor, transmise moleculelor de aer, vor fi percepute de urechile noastre și interpretate de creier.

Vibrații sonore de diferite frecvențe

Deci sunetul este vibrație. Sursele de sunet ne transmit vibrații sonore prin aer. Atunci de ce nu auzim toate vibrațiile tuturor obiectelor? Pentru că vibrațiile vin în frecvențe diferite.

Sunetul perceput de urechea umană este vibrații sonore cu o frecvență de aproximativ 16 Hz până la 20 kHz. Copiii aud sunete cu frecvențe mai înalte decât adulții, iar intervalele de percepție ale diferitelor creaturi vii variază în general foarte mult.