Unde sonore. Surse de sunet. Caracteristicile sunetului (Eryutkin E. S.). Vibrații sonore

Surse de sunet. Vibrații sonore

Omul trăiește într-o lume a sunetelor. Sunetul pentru oameni este o sursă de informații. El avertizează oamenii despre pericol. Sunetul sub formă de muzică, cântecul păsărilor ne face plăcere. Ne face plăcere să ascultăm o persoană cu o voce plăcută. Sunetele sunt importante nu numai pentru oameni, ci și pentru animale, pentru care o bună detectare a sunetului îi ajută să supraviețuiască.

Sunet – acestea sunt unde elastice mecanice care se propagă în gaze, lichide și solide.

Motivul sunetului - vibrația (oscilațiile) corpurilor, deși aceste vibrații sunt adesea invizibile pentru ochii noștri.

Surse de sunet - corpuri fizice, care fluctuează, adică tremură sau vibrează la o frecvență
de la 16 la 20.000 de ori pe secundă. Corpul vibrant poate fi solid, de exemplu, o sfoară
sau Scoarta terestra, gazos, de exemplu, un curent de aer în instrumentele muzicale de suflat
sau lichid, de exemplu, valuri pe apă.

Volum

Loudness depinde de amplitudinea vibrațiilor în unda sonoră. Unitatea de volum a sunetului este 1 Bel (în onoarea lui Alexander Graham Bell, inventatorul telefonului). În practică, zgomotul este măsurat în decibeli (dB). 1 dB = 0,1B.

10 dB – șoaptă;

20-30 dB – standarde de zgomot în spațiile de locuit;
50 dB– conversație de volum mediu;
80 d B – zgomotul motorului unui camion în funcțiune;
130 dB– prag durere

Sunetul mai puternic de 180 dB poate provoca chiar ruperea timpanului.

Sunete înalte reprezentate de unde de înaltă frecvență - de exemplu, cântecul păsărilor.

Sunete joase Acestea sunt unde de joasă frecvență, cum ar fi sunetul unui motor mare de camion.

Unde sonore

Unde sonore- Acestea sunt unde elastice care fac ca o persoană să simtă senzația de sunet.

O undă sonoră poate parcurge o mare varietate de distanțe. Se aud focuri de armă timp de 10-15 km, nechezatul cailor și lătratul câinilor - timp de 2-3 km și șoapte doar câțiva metri. Aceste sunete sunt transmise prin aer. Dar nu numai aerul poate fi conductor de sunet.

Așezându-vă urechea pe șine, puteți auzi sunetul unui tren care se apropie mult mai devreme și la o distanță mai mare. Aceasta înseamnă că metalul conduce sunetul mai repede și mai bine decât aerul. Apa conduce, de asemenea, bine sunetul. După ce te-ai scufundat în apă, poți auzi clar pietrele lovind unele de altele, zgomotul pietricelelor în timpul surfului.

Proprietatea apei - conduce bine sunetul - este utilizată pe scară largă pentru recunoașterea pe mare în timpul războiului, precum și pentru măsurarea adâncimii mării.

Condiție prealabilă propagarea undelor sonore – prezența unui mediu material.În vid, undele sonore nu se propagă, deoarece acolo nu există particule care să transmită interacțiunea de la sursa de vibrații.

Prin urmare, din cauza lipsei de atmosferă, pe Lună domnește liniște deplină. Nici măcar căderea unui meteorit pe suprafața sa nu este audibilă de observator.

În fiecare mediu, sunetul se deplasează cu viteze diferite.

Viteza sunetului în aer- aproximativ 340 m/s.

Viteza sunetului în apă- 1500 m/s.

Viteza sunetului în metale, oțel- 5000 m/s.

În aerul cald, viteza sunetului este mai mare decât în aerul rece, ceea ce duce la o schimbare a direcției de propagare a sunetului.

FURCULIŢĂ

- Acest Placa metalica in forma de U, ale căror capete pot vibra după ce au fost lovite.

Publicat diapazon sunetul este foarte slab și poate fi auzit doar la mică distanță.
Rezonator- o cutie de lemn pe care se poate atasa un diapazon serveste la amplificarea sunetului.
În acest caz, emisia de sunet are loc nu numai de la diapazon, ci și de la suprafața rezonatorului.
Cu toate acestea, durata sunetului unui diapazon pe un rezonator va fi mai scurtă decât fără acesta.

E X O

Zgomot puternic, reflectat de obstacole, revine la sursa sunetului câteva clipe mai târziu, și auzim ecou.

Înmulțind viteza sunetului cu timpul scurs de la origine până la întoarcere, puteți determina de două ori distanța de la sursa de sunet la obstacol.
Această metodă de determinare a distanței până la obiecte este utilizată în ecolocatie.

Unele animale, de exemplu liliecii,
folosiți și fenomenul de reflexie a sunetului folosind metoda ecolocației

Ecolocația se bazează pe proprietatea reflectării sunetului.

Sun - rulare undă mecanică peși transferă energie.
Cu toate acestea, puterea conversației simultane a tuturor oamenilor de pe glob este cu greu mai mult decât puterea unei mașini Moskvich!

Ecografie.

· Vibrațiile cu frecvențe care depășesc 20.000 Hz se numesc ultrasunete. Ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie.

· Lichidul fierbe când trece o undă ultrasonică (cavitație). În acest caz, apare ciocanul de apă. Ultrasunetele pot rupe bucăți de pe suprafața metalului și zdrobi solidele. Ultrasunetele pot fi folosite pentru a amesteca lichide nemiscibile. Așa se prepară emulsiile în ulei. Sub influența ultrasunetelor are loc saponificarea grăsimilor. Dispozitivele de spălat sunt proiectate pe acest principiu.

· Utilizate pe scară largă ecografie în hidroacustică. Ultrasunetele de înaltă frecvență sunt absorbite foarte slab de apă și se pot răspândi pe zeci de kilometri. Dacă se întâlnesc cu fundul, aisberg sau altele solid, se reflectă și dau un ecou de mare putere. Un ecosonda cu ultrasunete este proiectat pe acest principiu.

În metal ecografie se răspândește practic fără absorbție. Folosind metoda de localizare cu ultrasunete, este posibilă detectarea celor mai mici defecte în interiorul unei piese de grosime mare.

· Efectul de zdrobire al ultrasunetelor este utilizat pentru fabricarea fiarelor de lipit cu ultrasunete.

Unde cu ultrasunete, trimise de pe navă, sunt reflectate de obiectul scufundat. Calculatorul detectează ora la care apare ecoul și determină locația obiectului.

· Ultrasunetele sunt folosite în medicină și biologie pentru ecolocație, pentru identificarea și tratarea tumorilor și a unor defecte ale țesuturilor corpului, în chirurgie și traumatologie pentru tăierea țesuturilor moi și osoase în timpul diverselor operații, pentru sudarea oaselor rupte, pentru distrugerea celulelor (ultrasunete de mare putere).

Infrasunetele și impactul acestuia asupra oamenilor.

Vibrațiile cu frecvențe sub 16 Hz se numesc infrasunete.

În natură, infrasunetele apar din cauza mișcării vortexului aerului din atmosferă sau ca urmare a vibrațiilor lente corpuri diferite. Infrasunetele se caracterizează printr-o absorbție slabă. Prin urmare, se răspândește pe distanțe lungi. Corpul uman reacționează dureros la vibrațiile infrasonice. Sub influențe externe cauzate de vibrații mecanice sau unde sonore la frecvențe de 4-8 Hz, o persoană simte mișcare organe interne, la o frecvență de 12 Hz - un atac de rău de mare.

· Cea mai mare intensitate vibratii infrasonice creați mașini și mecanisme care au suprafețe dimensiuni mari, efectuând vibrații mecanice de joasă frecvență (infrasunete de origine mecanică) sau fluxuri turbulente de gaze și lichide (infrasunete de origine aerodinamică sau hidrodinamică).

Să trecem la luarea în considerare a fenomenelor sonore.

Lumea sunetelor din jurul nostru este diversă - vocile oamenilor și muzicii, cântecul păsărilor și bâzâitul albinelor, tunetul în timpul unei furtuni și zgomotul pădurii în vânt, zgomotul mașinilor, avioanelor și altor obiecte care trec. .

Fiţi atenți!

Sursele de sunet sunt corpuri care vibrează.

Exemplu:

Să fixăm o riglă metalică elastică într-o menghină. Dacă partea sa liberă, a cărei lungime este selectată într-un anumit mod, este pusă în mișcare oscilativă, atunci rigla va emite un sunet (Fig. 1).

Astfel, rigla oscilantă este sursa sunetului.

Să luăm în considerare imaginea unui șir de sunet, ale cărui capete sunt fixe (Fig. 2). Conturul neclar al acestui șir și îngroșarea aparentă din mijloc indică faptul că șirul vibrează.

Dacă aduceți capătul unei benzi de hârtie mai aproape de șirul care sună, banda va sări de la șocurile șirului. În timp ce coarda vibrează, se aude un sunet; opriți coarda și sunetul se oprește.

Figura 3 prezintă un diapazon - o tijă de metal curbată pe un picior, care este montată pe o cutie de rezonanță.

Dacă loviți diapașul cu un ciocan moale (sau îl țineți cu un arc), diapașul va suna (Fig. 4).

Să aducem o minge ușoară (mărgele de sticlă) suspendată pe un fir la diapazon care sună - mingea va sări de diapazon, indicând vibrațiile ramurilor sale (Fig. 5).

Pentru a „înregistra” oscilațiile unui diapazon cu o frecvență naturală joasă (aproximativ \(16\) Hz) și o amplitudine mare a oscilațiilor, puteți înșuruba o bandă metalică subțire și îngustă cu un punct la capătul până la sfârșitul una dintre ramurile sale. Vârful trebuie să fie îndoit și să atingă ușor placa de sticlă afumată care se află pe masă. Când placa se mișcă rapid sub ramurile oscilante ale diapazonului, vârful lasă un semn pe placă sub forma unei linii ondulate (Fig. 6).

Linia ondulată trasată pe placă cu un punct este foarte aproape de o sinusoidă. Astfel, putem presupune că fiecare ramură a unui diapazon care sună efectuează oscilații armonice.

Diverse experimente indică faptul că orice sursă de sunet vibrează în mod necesar, chiar dacă aceste vibrații sunt invizibile pentru ochi. De exemplu, sunetele vocilor oamenilor și ale multor animale apar ca urmare a vibrațiilor corzilor lor vocale, a sunetului instrumentelor de suflat. instrumente muzicale, sunetul unei sirene, fluierul vântului, foșnetul frunzelor, bubuitul tunetelor sunt cauzate de fluctuațiile maselor de aer.

Fiţi atenți!

Nu orice corp oscilant este o sursă de sunet.

De exemplu, o greutate oscilantă suspendată pe un fir sau un arc nu scoate niciun sunet. De asemenea, o riglă metalică va înceta să sune dacă capătul liber este prelungit atât de mult încât frecvența sa de vibrație devine mai mică de \(16\) Hz.

Urechea umană este capabilă să perceapă ca sunete vibrații mecanice cu o frecvență cuprinsă între \(16\) și \(20000\) Hz (transmise de obicei prin aer).

Vibrațiile mecanice, a căror frecvență se află în intervalul de la \(16\) la \(20000\) Hz se numesc sunet.

Limitele indicate ale intervalului de sunet sunt arbitrare, deoarece depind de vârsta oamenilor și caracteristici individuale aparatul lor auditiv. De obicei, odată cu vârsta, limita superioară de frecvență a sunetelor percepute scade semnificativ - unii oameni în vârstă pot auzi sunete cu frecvențe care nu depășesc \(6000\) Hz. Copiii, dimpotrivă, pot percepe sunete a căror frecvență este puțin mai mare decât \(20.000\) Hz.

Vibrațiile mecanice a căror frecvență depășește \(20.000\) Hz sunt numite ultrasunete, iar vibrațiile cu frecvențe mai mici de \(16\) Hz sunt numite infrasonice.

Ultrasunetele și infrasunetele sunt la fel de răspândite în natură ca undele sonore. Ele sunt emise și utilizate pentru „negocierile” lor de către delfini, lilieci și alte creaturi vii.

O undă sonoră (vibrații sonore) este o vibrație mecanică a moleculelor unei substanțe (de exemplu, aer) transmisă în spațiu.

Dar nu orice corp oscilant este o sursă de sunet. De exemplu, o greutate oscilantă suspendată pe un fir sau un arc nu scoate niciun sunet. De asemenea, o riglă metalică va înceta să sune dacă o mutați în sus într-un menghin și, prin urmare, prelungiți capătul liber, astfel încât frecvența sa de vibrație să devină mai mică de 20 Hz. Cercetările au arătat că urechea umană este capabilă să perceapă ca sunete vibrațiile mecanice ale corpurilor care apar la o frecvență de la 20 Hz la 20.000 Hz. Prin urmare, vibrațiile ale căror frecvențe sunt în acest interval se numesc sunet. Vibrațiile mecanice a căror frecvență depășește 20.000 Hz se numesc ultrasunete, iar vibrațiile cu frecvențe mai mici de 20 Hz se numesc infrasonice. Trebuie remarcat faptul că limitele indicate ale intervalului de sunet sunt arbitrare, deoarece depind de vârsta oamenilor și de caracteristicile individuale ale aparatului lor auditiv. De obicei, odată cu vârsta, limita superioară de frecvență a sunetelor percepute scade semnificativ - unele persoane în vârstă pot auzi sunete cu frecvențe care nu depășesc 6000 Hz. Copiii, dimpotrivă, pot percepe sunete a căror frecvență este puțin mai mare de 20.000 Hz. Vibrațiile cu frecvențe mai mari de 20.000 Hz sau mai mici de 20 Hz sunt auzite de unele animale. Lumea este plină de o mare varietate de sunete: ticăitul ceasurilor și zumzetul motoarelor, foșnetul frunzelor și urletul vântului, cântatul păsărilor și vocile oamenilor. Oamenii au început să ghicească cum se nasc sunetele și ce sunt acestea cu mult timp în urmă. Ei au observat, de exemplu, că sunetul este creat de corpurile care vibrează în aer. Chiar și filosoful și enciclopedistul grec antic Aristotel, pe baza observațiilor, a explicat corect natura sunetului, crezând că un corp care sună creează compresie alternativă și rarefacție a aerului. Astfel, o sfoară vibratoare fie comprimă, fie rareifică aerul, iar datorită elasticității aerului, aceste efecte alternante sunt transmise mai departe în spațiu - din strat în strat, apar unde elastice. Când ajung la urechea noastră, impactează timpanele și provoacă senzația de sunet. După ureche, o persoană percepe unde elastice cu o frecvență cuprinsă între aproximativ 16 Hz și 20 kHz (1 Hz - 1 vibrație pe secundă). În conformitate cu aceasta, undele elastice în orice mediu, ale căror frecvențe se află în limitele specificate, se numesc unde sonore sau pur și simplu sunet. În aer la o temperatură de 0° C și presiune normală sunetul circulă cu o viteză de 330 m/s, in apa de mare- aproximativ 1500 m/s, la unele metale viteza sunetului ajunge la 7000 m/s. Undele elastice cu o frecvență mai mică de 16 Hz se numesc infrasunete, iar undele a căror frecvență depășește 20 kHz se numesc ultrasunete.

Sursa de sunet în gaze și lichide poate fi nu numai corpurile care vibrează. De exemplu, un glonț și o săgeată fluieră în zbor, vântul urlă. Iar vuietul unei aeronave cu turboreacție constă nu numai din zgomotul unităților de operare - ventilator, compresor, turbină, cameră de ardere etc., ci și din zgomotul curentului cu jet, vortex, fluxuri de aer turbulente care apar atunci când curg în jurul aeronave la viteze mari. Un corp care se repezi rapid prin aer sau apă pare să rupă fluxul care curge în jurul lui și generează periodic regiuni de rarefacție și compresie în mediu. Ca rezultat, sunt generate unde sonore. Sunetul poate călători sub formă de unde longitudinale și transversale. În mediile gazoase și lichide, apar numai unde longitudinale atunci când mișcarea oscilativă a particulelor are loc numai în direcția în care se propagă unda. În corpurile solide, pe lângă cele longitudinale, apar și unde transversale când particulele mediului oscilează în direcții perpendiculare pe direcția de propagare a undei. Acolo, lovind sfoara perpendicular pe direcția sa, forțăm o undă să alerge de-a lungul șirului. Urechea umană nu este la fel de sensibilă la sunete de diferite frecvențe. Este cel mai sensibil la frecvențe de la 1000 la 4000 Hz. La intensitate foarte mare, undele nu mai sunt percepute ca sunet, provocând o senzație de apăsare durere în urechi. Intensitatea undelor sonore la care se produce acest lucru se numește pragul durerii. Conceptele de ton și timbru ale sunetului sunt, de asemenea, importante în studiul sunetului. Orice sunet real, fie că este vorba despre o voce umană sau cântatul unui instrument muzical, nu este o simplă vibrație armonică, ci un amestec deosebit de multe vibrații armonice cu un anumit set de frecvențe. Cel care are cea mai joasă frecvență se numește ton fundamental, celelalte se numesc tonuri. Cantitati diverse Tonurile inerente unui anumit sunet îi conferă o colorare - timbru special. Diferența dintre un timbru și altul este determinată nu numai de număr, ci și de intensitatea tonurilor care însoțesc sunetul tonului fundamental. După timbru, distingem cu ușurință sunetele unei viori și ale unui pian, ale unei chitari și ale unui flaut și recunoaștem vocile oamenilor familiari.

Frecvența de oscilație numit numărul de oscilații complete pe secundă. Unitatea de măsură a frecvenței este 1 hertz (Hz). 1 hertz corespunde unei oscilații complete (într-o direcție sau alta), care are loc într-o secundă.
Perioadă este timpul (e) în care are loc o oscilație completă. Cu cât frecvența oscilațiilor este mai mare, cu atât perioada lor este mai scurtă, adică. f=1/T. Astfel, frecvența oscilațiilor este mai mare, cu cât perioada lor este mai scurtă și invers. Vocea umană creează vibrații sonore cu o frecvență de 80 până la 12.000 Hz, iar urechea percepe vibrații sonore în intervalul 16-20.000 Hz.
Amplitudine vibrația este cea mai mare abatere a unui corp oscilant de la poziția inițială (liniștită). Cu cât amplitudinea vibrației este mai mare, cu atât sunetul este mai puternic. Sunetele vorbirii umane sunt vibrații sonore complexe, constând dintr-un număr sau altul de vibrații simple, care variază ca frecvență și amplitudine. Fiecare sunet de vorbire are propria sa combinație unică de vibrații de diferite frecvențe și amplitudini. Prin urmare, forma vibrațiilor unui sunet de vorbire este vizibil diferită de forma altuia, care arată grafice ale vibrațiilor în timpul pronunțării sunetelor a, o și y.

O persoană caracterizează orice sunet în conformitate cu percepția sa prin nivelul volumului și înălțimea.

Lumea este plină de o mare varietate de sunete: ticăitul ceasurilor și zumzetul motoarelor, foșnetul frunzelor și urletul vântului, cântatul păsărilor și vocile oamenilor. Oamenii au început să ghicească cum se nasc sunetele și ce sunt acestea cu mult timp în urmă. Chiar și filosoful și enciclopedistul grec antic Aristotel, pe baza observațiilor, a explicat corect natura sunetului, crezând că un corp care sună creează compresie alternativă și rarefacție a aerului. Anul trecut, autorul a lucrat la problema naturii sunetului și a finalizat muncă de cercetare: „În lumea sunetelor”, în care frecvențele sonore ale unei scale muzicale au fost calculate folosind un pahar cu apă.

Sunetul se caracterizează prin cantități: frecvență, lungime de undă și viteză. De asemenea, se caracterizează prin amplitudine și volum. Prin urmare, trăim într-o lume diversă de sunete și varietatea ei de nuanțe.

La sfârșitul studiului anterior, am avut o întrebare fundamentală: există modalități de a determina viteza sunetului acasă? Prin urmare, putem formula problema: trebuie să găsim modalități sau o modalitate de a determina viteza sunetului.

Fundamentele teoretice ale doctrinei sunetului

Lumea sunetelor

Do-re-mi-fa-sol-la-si

Gama de sunete. Există ele independent de ureche? Sunt acestea doar senzații subiective și atunci lumea însăși tace, sau este o reflectare a realității reale în conștiința noastră? Dacă acesta din urmă, atunci chiar și fără noi lumea va suna cu o simfonie de sunete.

Legenda îi atribuie și lui Pitagora (582-500 î.Hr.) descoperirea unor relații numerice corespunzătoare diferitelor sunete muzicale. Trecând pe lângă o forjă în care mai mulți muncitori forjau fierul, Pitagora a observat că sunetele erau în raport de a cincea, a patra și de octava. Intrând în forja, s-a convins că ciocanul care dă octava, în comparație cu ciocanul cel mai greu, avea o greutate egală cu 1/2 din acesta din urmă, ciocanul care dădea al cincilea avea o greutate egală cu 2/3, iar cel litru avea o greutate egală cu 3/4 din ciocanul greu. La întoarcerea acasă, Pitagora a atârnat corzi cu greutăți proporționale cu 1/2: 2/3: 3/4 la capete și ar fi descoperit că corzile, atunci când sunt lovite, produceau aceleași intervale muzicale. Fizic, legenda nu rezistă criticilor, nicovala, când este lovită de ciocane diferite, produce un singur și același ton, iar legile vibrației corzilor nu confirmă legenda. Dar, în orice caz, legenda vorbește despre vechile învățături despre armonie. Meritele pitagoreenilor în domeniul muzicii sunt neîndoielnice. Au venit cu ideea fructuoasă de a măsura tonul unei coarde care sună prin măsurarea lungimii acesteia. Ei cunoșteau dispozitivul „monocord” - o cutie din scânduri de cedru cu o sfoară întinsă pe capac. Când lovești o sfoară, aceasta produce un anumit ton. Dacă împărțiți sfoara în două secțiuni, sprijinindu-l cu un cuier triunghiular în mijloc, va produce un ton mai înalt. Sună atât de asemănător cu tonul principal, încât atunci când sunt auzite simultan, aproape că se îmbină într-un singur ton. Relația dintre două tonuri în muzică este un interval. Când raportul lungimii șirului este de 1/2:1, intervalul se numește octavă. Al cincilea și al patrulea interval cunoscut de Pitagora se obțin dacă piciorul monocordului este mutat astfel încât să separe 2/3 sau, respectiv, 3/4 din coarde.

În ceea ce privește numărul șapte, acesta este asociat cu o idee și mai veche și mai misterioasă despre oameni de natură semi-religioasă, semi-mistică. Cel mai probabil, însă, acest lucru se datorează diviziunii astronomice lunar, lună timp de patru săptămâni de șapte zile. Acest număr a apărut de mii de ani în diverse legende. Așadar, îl găsim într-un papirus antic, care a fost scris de egipteanul Ahmes în 2000 î.Hr. Acest document curios se intitulează: „Instrucțiuni pentru dobândirea cunoașterii tuturor lucrurilor secrete”. Printre altele, găsim acolo o problemă misterioasă numită „scări”. Se vorbește despre o scară de numere reprezentând puteri ale numărului șapte: 7, 49, 343, 2401, 16 807. Sub fiecare număr este o imagine hieroglifă: pisică, șoarece, orz, măsură. Papirusul nu oferă un indiciu pentru această problemă. Interpreții moderni ai papirusului Ahmes descifrează starea problemei după cum urmează: șapte persoane au șapte pisici, fiecare pisică mănâncă șapte șoareci, fiecare șoarece poate mânca șapte spice de orz, fiecare spic poate crește șapte măsuri de cereale. Câte cereale vor economisi pisicile? De ce nu o problemă cu conținutul de producție, propus acum 40 de secole?

Scara muzicală europeană modernă are șapte tonuri, dar nu întotdeauna și nu toate popoarele au avut o scară cu șapte tonuri. Deci, de exemplu, în China antică S-a folosit o scară de cinci tonuri. În scopul uniformizării acordului, înălțimea acestui ton de referință trebuie să fie strict declarată prin acord internațional. Din 1938, un ton corespunzător unei frecvențe de 440 Hz (440 vibrații pe secundă) a fost adoptat ca atare ton fundamental. Mai multe tonuri care sună simultan formează un acord muzical. Persoanele cu așa-numita înălțime absolută pot auzi tonuri individuale într-un acord.

Desigur, cunoașteți mai ales structura urechii umane. Să ne amintim pe scurt. Urechea este formată din trei părți: 1) urechea exterioară, care se termină cu timpanul; 2) urechea medie, care, cu ajutorul a trei osicule auditive: maleusul, incusul si stapele, transmite vibratii ale timpanului catre urechea interna; 3) urechea internă, sau labirintul, este formată din canalele semicirculare și cohleea. Cohleea este un aparat de recepție a sunetului. Urechea internă umplut cu lichid (limfă), pus în mișcare oscilatorie prin lovituri ale etrierului pe membrană, strângând fereastra ovală din capsula osoasă a labirintului. Pe septul care împarte cohleea în două părți, pe întreaga sa lungime, cele mai fine fibre nervoase, cu lungimea în creștere treptată, sunt situate în rânduri transversale.

Lumea sunetelor este reală! Dar, desigur, nu trebuie să credem că această lume evocă exact aceleași senzații în toată lumea. A întreba dacă alți oameni percep sunetele exact în același mod ca și tine nu este un mod științific de a pune întrebarea.

1. 2. Surse de sunet. Vibrații sonore

Lumea sunetelor din jurul nostru este diversă - vocile oamenilor și ale muzicii, cântatul păsărilor și bâzâitul albinelor, tunetul în timpul unei furtuni și zgomotul pădurii în vânt, zgomotul mașinilor care trec, avioanelor etc.

Ceea ce toate sunetele au în comun este că corpurile care le generează, adică sursele de sunet, vibrează.

O riglă metalică elastică fixată într-un menghin va scoate un sunet dacă partea sa liberă, a cărei lungime este selectată într-un anumit mod, este adusă în mișcare oscilativă. ÎN în acest caz, Vibrațiile sursei de sunet sunt evidente.

Cercetările au arătat că urechea umană este capabilă să perceapă ca sunete vibrațiile mecanice ale corpurilor care apar cu o frecvență de la 20 Hz la 20.000 Hz. Prin urmare, vibrațiile ale căror frecvențe sunt în acest interval se numesc sunet.

Vibrațiile mecanice a căror frecvență depășește 20.000 Hz se numesc ultrasunete, iar vibrațiile cu frecvențe mai mici de 20 Hz se numesc infrasonice.

Trebuie remarcat faptul că limitele indicate ale intervalului de sunet sunt arbitrare, deoarece depind de vârsta oamenilor și de caracteristicile individuale ale aparatului lor auditiv. De obicei, odată cu vârsta, limita superioară de frecvență a sunetelor percepute scade semnificativ - unele persoane în vârstă pot auzi sunete cu frecvențe care nu depășesc 6000 Hz. Copiii, dimpotrivă, pot percepe sunete a căror frecvență este puțin mai mare de 20.000 Hz.

Vibrațiile cu frecvențe mai mari de 20.000 Hz sau mai mici de 20 Hz sunt auzite de unele animale.

Lumea este plină de o mare varietate de sunete: ticăitul ceasurilor și zumzetul motoarelor, foșnetul frunzelor și urletul vântului, cântatul păsărilor și vocile oamenilor. Oamenii au început să ghicească cum se nasc sunetele și ce sunt acestea cu mult timp în urmă. Ei au observat, de exemplu, că sunetul este creat de corpurile care vibrează în aer. Chiar și filosoful și enciclopedistul grec antic Aristotel, pe baza observațiilor, a explicat corect natura sunetului, crezând că un corp care sună creează compresie alternativă și rarefacție a aerului. Astfel, o sfoară vibratoare fie comprimă, fie rareifică aerul, iar datorită elasticității aerului, aceste efecte alternante sunt transmise mai departe în spațiu - din strat în strat, apar unde elastice. Când ajung la urechea noastră, impactează timpanele și provoacă senzația de sunet.

Prin auz, o persoană percepe unde elastice cu o frecvență cuprinsă între aproximativ 16 Hz și 20 kHz (1 Hz - 1 vibrație pe secundă). În conformitate cu aceasta, undele elastice în orice mediu, ale căror frecvențe se află în limitele specificate, se numesc unde sonore sau pur și simplu sunet. În aer la o temperatură de 0° C și presiune normală, sunetul circulă cu o viteză de 330 m/s.

Conceptele de ton și timbru ale sunetului sunt, de asemenea, importante în studiul sunetului. Orice sunet real, fie că este vorba despre o voce umană sau cântatul unui instrument muzical, nu este o simplă vibrație armonică, ci un amestec deosebit de multe vibrații armonice cu un anumit set de frecvențe. Cel cu frecvența cea mai joasă se numește ton fundamental, ceilalți - tonuri. Numărul diferit de tonuri inerente unui anumit sunet îi conferă o colorare - timbru special. Diferența dintre un timbru și altul este determinată nu numai de număr, ci și de intensitatea tonurilor care însoțesc sunetul tonului fundamental. După timbru, distingem cu ușurință sunetele unei viori și ale unui pian, ale unei chitari și ale unui flaut și recunoaștem vocile oamenilor familiari.

1. 4. Înălțimea și timbrul sunetului

Să facem să sune două corzi diferite pe o chitară sau balalaika. Vom auzi diferite sunete: unul este mai jos, celălalt este mai înalt. Sunetele vocii unui bărbat sunt mai scăzute decât sunetele vocii unei femei, sunetele unui bas sunt mai joase decât cele ale unui tenor, iar sunetele unei soprane sunt mai înalte decât un alto.

De ce depinde înălțimea sunetului?

Putem concluziona că înălțimea sunetului depinde de frecvența de vibrație: cu cât frecvența de vibrație a sursei de sunet este mai mare, cu atât sunetul pe care îl produce este mai mare.

Un ton pur este sunetul unei surse care oscilează la o frecvență.

Sunetele din alte surse (de exemplu, sunetele diferitelor instrumente muzicale, vocile oamenilor, sunetul unei sirene și multe altele) sunt o colecție de vibrații frecvente diferite, adică un set de tonuri pure.

Frecvența cea mai joasă (adică cea mai mică) a unui sunet atât de complex se numește frecvență fundamentală, iar sunetul corespunzător unei anumite înălțimi se numește ton fundamental (uneori numit simplu ton). Înălțimea unui sunet complex este determinată exact de înălțimea tonului său fundamental.

Toate celelalte tonuri ale unui sunet complex se numesc armonizări. Hartonurile determină timbrul unui sunet, adică calitatea acestuia care ne permite să distingem sunetele unor surse de sunetele altora. De exemplu, distingem cu ușurință sunetul unui pian de sunetul unei viori, chiar dacă aceste sunete au aceeași înălțime, adică aceeași frecvență fundamentală. Diferența dintre aceste sunete se datorează unui set diferit de tonuri.

Astfel, înălțimea unui sunet este determinată de frecvența tonului său fundamental: cu cât frecvența tonului fundamental este mai mare, cu atât sunetul este mai mare.

Timbrul unui sunet este determinat de totalitatea tonurilor sale.

1. 5. De ce există sunete diferite?

Sunetele diferă între ele în volum, înălțime și timbru. Intensitatea sunetului depinde parțial de distanța urechii ascultătorului față de obiectul care sună și parțial de amplitudinea vibrației acestuia din urmă. Cuvântul amplitudine înseamnă distanța pe care o parcurge un corp de la un punct extrem la altul în timpul oscilațiilor sale. Cu cât această distanță este mai mare, cu atât sunetul este mai puternic.

Înălțimea unui sunet depinde de viteza sau frecvența vibrației corpului. Cu cât un obiect produce mai multe vibrații într-o secundă, cu atât sunetul pe care îl produce este mai mare.

Cu toate acestea, două sunete care sunt exact aceleași ca volum și înălțime pot diferi unele de altele. Muzicalitatea unui sunet depinde de numărul și puterea tonurilor prezente în el. Dacă o coardă de vioară este făcută să vibreze pe toată lungimea sa, astfel încât să nu apară vibrații suplimentare, atunci se va auzi cel mai scăzut ton pe care este capabil să îl producă. Acest ton se numește tonul principal. Cu toate acestea, dacă apar fluctuații suplimentare asupra acestuia piese individuale, apoi vor apărea note mai mari. În armonie cu tonul principal, vor crea un sunet special de vioară. Aceste note mai înalte în comparație cu tonul principal se numesc armonizări. Ele determină timbrul unui anumit sunet.

1. 6. Reflexia și propagarea perturbațiilor.

O perturbare a unei părți a unui tub de cauciuc întins sau a unui arc se mișcă pe lungimea sa. Când o perturbare ajunge la capătul tubului, aceasta este reflectată indiferent dacă capătul tubului este fix sau liber. Capătul reținut este tras brusc în sus și apoi adus în poziția inițială. Creasta formată pe tub se deplasează de-a lungul tubului până la perete, unde se reflectă. În acest caz, unda reflectată are forma unei depresiuni, adică este situată sub poziția medie a tubului, în timp ce antinodul original era deasupra. Care este motivul acestei diferențe? Imaginează-ți capătul unui tub de cauciuc fixat în perete. Pentru că este fix, nu se poate mișca. Forța ascendentă a impulsului care vine tinde să-l forțeze să se miște în sus. Cu toate acestea, deoarece nu se poate mișca, trebuie să existe o forță în jos egală și opusă care emană din suport și se aplică la capătul tubului de cauciuc și, prin urmare, impulsul reflectat este situat cu antinodul în jos. Diferența de fază dintre impulsurile reflectate și cele originale este de 180°.

1. 7. Unde stătătoare

Când mâna care ține tubul de tăiere se mișcă în sus și în jos și frecvența mișcării crește treptat, se ajunge la un punct în care se obține un singur antinod. O creștere suplimentară a frecvenței vibrației brațului va duce la formarea unui antinod dublu. Dacă măsurați frecvența mișcărilor mâinii, veți vedea că frecvența acestora s-a dublat. Deoarece este dificil să-ți miști mâna mai repede, este mai bine să folosești un vibrator mecanic.

Undele produse se numesc unde staționare sau staționare. Ele se formează deoarece unda reflectată se suprapune pe cea incidentă.

ÎN acest studiu Există două valuri: incident și reflectat. Au aceeași frecvență, amplitudine și lungime de undă, dar călătoresc în direcții opuse. Acestea sunt unde călătoare, dar ele interferează între ele și astfel creează unde staționare. Aceasta are următoarele consecințe: a) toate particulele din fiecare jumătate de lungime de undă oscilează în fază, adică toate se mișcă în aceeași direcție în același timp; b) fiecare particulă are o amplitudine diferită de amplitudinea particulei următoare; c) diferența de fază dintre vibrațiile particulelor unei semi-unde și vibrațiile particulelor următoarei semi-unde este de 180°. Aceasta înseamnă pur și simplu că fie se abate cât mai mult posibil în direcții opuse în același timp, fie dacă se găsesc în poziția de mijloc, încep să se miște în direcții opuse.

Unele particule nu se mișcă (au amplitudine zero) deoarece forțele care acționează asupra lor sunt întotdeauna egale și opuse. Aceste puncte sunt numite puncte nodale sau noduri, iar distanța dintre două noduri ulterioare este jumătate din lungimea de undă, adică 1\2 λ.

Mișcarea maximă are loc în puncte, iar amplitudinea acestor puncte este de două ori mai mare decât amplitudinea undei incidente. Aceste puncte sunt numite antinoduri, iar distanța dintre două antinoduri ulterioare este jumătate din lungimea de undă. Distanța dintre nod și următorul antinod este de un sfert din lungimea de undă, adică 1\4λ.

Un val staționar este diferit de un val care călătorește. Într-o undă călătoare: a) toate particulele au aceeași amplitudine de oscilație; b) fiecare particulă nu este în fază cu următoarea.

1. 8. Tub de rezonanță.

Țeava rezonantă este o țeavă îngustă în care se creează vibrații ale coloanei de aer. Pentru a modifica lungimea coloanei de aer, utilizați căi diferite, de exemplu modificări ale nivelului apei într-o conductă. Capătul închis al țevii este un nod deoarece aerul în contact cu acesta este staționar. Capătul deschis al țevii este întotdeauna un antinod, deoarece amplitudinea vibrațiilor este maximă aici. Există un nod și un antinod. Lungimea tubului este de aproximativ un sfert din lungimea undei staţionare.

Pentru a arăta că lungimea coloanei de aer este invers proporțională cu frecvența undei, este necesar să se folosească o serie de diapazon. Este mai bine să folosiți un difuzor mic conectat la un oscilator calibrat frecventa audio, în loc de diapazon cu frecvență fixă. În loc de țevi de apă, se folosește o țeavă lungă cu piston, deoarece acest lucru facilitează selectarea lungimii coloanelor de aer. O sursă de sunet constantă este plasată lângă capătul conductei, iar lungimile rezonante ale coloanei de aer sunt obținute pentru frecvențe de 300 Hz, 350 Hz, 400 Hz, 450 Hz, 500 Hz, 550 Hz și 600 Hz.

Când apă este turnată într-o sticlă, se produce un anumit ton de sunet, pe măsură ce aerul din sticlă începe să vibreze. Tonul acestui ton crește pe măsură ce volumul de aer din sticlă scade. Fiecare sticlă are o anumită frecvență naturală, iar atunci când suflați peste gâtul deschis al sticlei, se poate produce și un sunet.

La începutul războiului din 1939-1945. reflectoarele erau concentrate asupra aeronavelor care foloseau echipamente care operau în domeniul audio. Pentru a-i împiedica să se concentreze, unele echipaje au aruncat sticle goale din avioane când au fost surprinși în lumina reflectoarelor. Sunetele puternice ale sticlelor care cădeau au fost percepute de receptor, iar reflectoarele și-au pierdut focalizarea

1. 9. Instrumente muzicale de suflat.

Sunetele produse de instrumentele de suflat depind de undele staţionare care apar în conducte. Tonul depinde de lungimea conductei și de tipul de vibrație a aerului din conductă.

De exemplu, o țeavă de orgă deschisă. Aerul este suflat în țeavă prin orificiu și lovește o proeminență ascuțită. Acest lucru face ca aerul din conductă să vibreze. Deoarece ambele capete ale conductei sunt deschise, există întotdeauna un antinod la fiecare capăt. Cel mai simplu tip de oscilație este acela în care există un antinod la fiecare capăt și un nod în mijloc. Acestea sunt vibrații fundamentale, iar lungimea tubului este aproximativ jumătate din lungimea de undă. Frecvența fundamentală =c/2l, unde c este viteza sunetului și l este lungimea țevii.

O țeavă de orgă închisă are un dop la capăt, adică capătul țevii este închis. Aceasta înseamnă că există întotdeauna un nod la acest capăt. Este destul de evident că: a) frecvența fundamentală a unei țevi închise este jumătate din frecvența fundamentală a unei țevi deschise de aceeași lungime; b) cu o țeavă închisă se pot forma doar tonuri ciudate. Astfel, intervalul tonal al unei țevi deschise este mai mare decât cel al unei țevi închise.

Condițiile fizice modifică sunetul instrumentelor muzicale. O creștere a temperaturii determină o creștere a vitezei sunetului în aer și, prin urmare, o creștere a frecvenței fundamentale. Lungimea conductei crește, de asemenea, ușor, determinând o scădere a frecvenței. Când cântă la orgă, de exemplu într-o biserică, interpreții cer ca căldura să fie pornită, astfel încât orga să poată suna la temperatura ei normală. Instrumentele cu coarde au controale pentru tensiunea corzilor. O creștere a temperaturii duce la o oarecare expansiune a coardei și la o scădere a tensiunii.

Capitolul 2. Partea practică

2. 1. Metodă de determinare a vitezei sunetului cu ajutorul unui tub rezonant.

Dispozitivul este prezentat în figură. Țeava rezonantă este o țeavă lungă îngustă A conectată la rezervorul B printr-o țeavă de cauciuc. Există apă în ambele conducte. Când B este ridicat, lungimea coloanei de aer din A scade, iar când B este coborât, lungimea coloanei de aer din A crește. Puneți un diapazon oscilant deasupra lui A când lungimea coloanei de aer la A este practic zero. Nu vei auzi niciun sunet. Pe măsură ce lungimea coloanei de aer din A crește, veți auzi sunetul intensificându-se, atingerea maximă și apoi începe să se estompeze. Repetați această procedură, ajustând B astfel încât lungimea coloanei de aer din A să producă sunet maxim. Apoi măsurați lungimea l1 a coloanei de aer.

Se aude un sunet puternic deoarece frecvența naturală a unei coloane de aer de lungimea l1 este egală cu frecvența naturală a diapazonului și, prin urmare, coloana de aer vibrează la unison cu aceasta. Ați găsit prima poziție de rezonanță. De fapt, lungimea aerului oscilant este oarecum mai mare decât coloana de aer din A.

Dacă omiteți. La niveluri și mai mici, astfel încât lungimea coloanei de aer să crească, veți găsi o altă poziție în care sunetul ajunge putere maxima. Determinați cu precizie această poziție și măsurați lungimea l2 a coloanei de aer. Aceasta este a doua poziție de rezonanță. Ca și înainte, vârful se află la capătul deschis al țevii, iar nodul este la suprafața apei. Acest lucru poate fi realizat numai în cazul prezentat în figură, caz în care lungimea coloanei de aer din conductă este de aproximativ 3\4 lungimi de undă (3\4 λ).

Scăzând cele două măsurători, rezultă:

3\4 λ - 1\4 λ = l2 - l1, prin urmare, 1\2 λ = l2 - l1.

Deci, c = ν λ = ν 2 (l2 - l1), unde ν este frecvența diapazonului. Acesta este un mod rapid și destul de precis de a determina viteza sunetului în aer.

2. 2. Experiment și calcule.

Pentru a determina viteza undei sonore, am folosit următoarele instrumente si echipamente:

Trepied universal;

Tub de sticlă cu pereți groși, etanșat la un capăt, lungime de 1,2 metri;

Diapazon, frecvență 440 Hz, nota „A”;

Ciocan;

Sticlă de apă;

Etalon.

Progresul studiului:

1. Am asamblat un trepied pe care am atasat inelele de cuplaj.

2. Așezați tubul de sticlă pe un trepied.

3. Adăugând apă în tub și excitând unde sonore pe un diapazon, el a creat unde staționare în tub.

4. Experimental, am realizat o astfel de înălțime a coloanei de apă încât undele sonore din tubul de sticlă au fost amplificate astfel încât să se observe rezonanța în tub.

5. S-a măsurat prima lungime a capătului tubului liber de apă - l2 = 58 cm = 0,58 m

6. S-a adăugat din nou apă în tub. (Repetați pașii 3, 4, 5) – l1 = 19 cm = 0,19 m

7. Calcule efectuate folosind formula: c = ν λ = ν 2 (l2 - l1),

8. s = 440 Hz * 2 (0,58 m - 0,19 m) = 880 * 0,39 = 343,2 m\s

Rezultatul studiului este viteza sunetului = 343,2 m/s.

2. 3. Concluziile părții practice

Folosind echipamentul selectat, determinați viteza sunetului în aer. Am comparat rezultatul obținut cu valoarea tabelului – 330 m/s. Valoarea rezultată este aproximativ egală cu valoarea tabelată. Discrepanțele s-au datorat erorilor de măsurare, al doilea motiv: valoarea tabelului este dată la o temperatură de 00C, iar în apartament temperatura aerului = 240C.

Prin urmare, se poate aplica metoda propusă pentru determinarea vitezei sunetului folosind un tub rezonant.

Concluzie.

Abilitatea de a calcula și determina caracteristicile sunetului este foarte utilă. După cum rezultă din studiu, caracteristicile sunetului: volum, amplitudine, frecvență, lungime de undă - aceste valori sunt inerente anumitor sunete, din ele putem determina în ce sunet auzim acest moment. Ne confruntăm din nou cu un model matematic de sunet. Dar, deși viteza sunetului poate fi calculată, aceasta depinde de temperatura camerei și de spațiul în care apare sunetul.

Astfel, scopul studiului a fost îndeplinit.

Ipoteza cercetării a fost confirmată, dar pe viitor este necesar să se țină cont de erorile de măsurare.

Pe baza acestora, au fost realizate obiectivele cercetării:

Studiat baza teoretica această întrebare;

Au fost identificate modele;

Au fost efectuate măsurătorile necesare;

Au fost efectuate calcule ale vitezei sunetului;

Rezultatele de calcul obţinute au fost comparate cu datele tabelare existente;

Se face o evaluare a rezultatelor obținute.

Ca rezultat al lucrării: o A învățat să determine viteza sunetului folosind un tub rezonant; o Am întâlnit problema diferitelor viteze ale sunetului la diferite temperaturi, așa că voi încerca să investighez această problemă în viitorul apropiat.

Surse de sunet. Vibrații sonore

Sunet – acestea sunt unde elastice mecanice care se propagă în gaze, lichide și solide.

Motivul sunetului - vibrația (oscilațiile) corpurilor, deși aceste vibrații sunt adesea invizibile pentru ochii noștri.

Surse de sunet - corpuri fizice care vibrează, i.e. tremură sau vibrează la o frecvență
de la 16 la 20.000 de ori pe secundă. Corpul vibrant poate fi solid, de exemplu, o sfoară
sau scoarța terestră, gazoasă, de exemplu, un flux de aer în instrumentele muzicale de suflat
sau lichid, de exemplu, valuri pe apă.

Volum

10 dB – șoaptă;

20-30 dB – standarde de zgomot în spațiile de locuit;
50 dB– conversație de volum mediu;
80 d B – zgomotul motorului unui camion în funcțiune;
130 dB– pragul durerii

Sunetul mai puternic de 180 dB poate provoca chiar ruperea timpanului.

Sunete înalte reprezentate de unde de înaltă frecvență - de exemplu, cântecul păsărilor.

Sunete joase Acestea sunt unde de joasă frecvență, cum ar fi sunetul unui motor mare de camion.

Unde sonore

Unde sonore- Acestea sunt unde elastice care fac ca o persoană să simtă senzația de sunet.

Proprietatea apei - conduce bine sunetul - este utilizată pe scară largă pentru recunoașterea pe mare în timpul războiului, precum și pentru măsurarea adâncimii mării.

O condiție necesară pentru propagarea undelor sonore este prezența unui mediu material.În vid, undele sonore nu se propagă, deoarece acolo nu există particule care să transmită interacțiunea de la sursa de vibrații.

Prin urmare, din cauza lipsei de atmosferă, pe Lună domnește liniște deplină. Nici măcar căderea unui meteorit pe suprafața sa nu este audibilă de observator.

În fiecare mediu, sunetul se deplasează cu viteze diferite.

Viteza sunetului în aer- aproximativ 340 m/s.

Viteza sunetului în apă- 1500 m/s.

Viteza sunetului în metale, oțel- 5000 m/s.

În aerul cald, viteza sunetului este mai mare decât în aerul rece, ceea ce duce la o schimbare a direcției de propagare a sunetului.

FURCULIŢĂ

- Acest Placa metalica in forma de U, ale căror capete pot vibra după ce au fost lovite.

E X O

Un sunet puternic, reflectat de obstacole, revine la sursa sunetului după câteva momente și auzim ecou.

Unele animale, cum ar fi liliecii,
folosiți și fenomenul de reflexie a sunetului folosind metoda ecolocației

Ecolocația se bazează pe proprietatea reflectării sunetului.

Sun - rulare undă mecanică peși transferă energie.
Cu toate acestea, puterea conversației simultane a tuturor oamenilor de pe glob este cu greu mai mult decât puterea unei mașini Moskvich!

Ecografie.

· Vibrațiile cu frecvențe care depășesc 20.000 Hz se numesc ultrasunete. Ultrasunetele sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie.

· Utilizate pe scară largă ecografie în hidroacustică. Ultrasunetele de înaltă frecvență sunt absorbite foarte slab de apă și se pot răspândi pe zeci de kilometri. Dacă întâlnesc fundul, aisbergul sau alt corp solid în calea lor, se reflectă și produc un ecou de mare putere. Un ecosonda cu ultrasunete este proiectat pe acest principiu.

· Efectul de zdrobire al ultrasunetelor este utilizat pentru fabricarea fiarelor de lipit cu ultrasunete.

Unde cu ultrasunete, trimise de pe navă, sunt reflectate de obiectul scufundat. Calculatorul detectează ora la care apare ecoul și determină locația obiectului.

Infrasunetele și impactul acestuia asupra oamenilor.

Vibrațiile cu frecvențe sub 16 Hz se numesc infrasunete.

În natură, infrasunetele apar datorită mișcării vortexului aerului din atmosferă sau ca urmare a vibrațiilor lente ale diferitelor corpuri. Infrasunetele se caracterizează printr-o absorbție slabă. Prin urmare, se răspândește pe distanțe lungi. Corpul uman reacționează dureros la vibrațiile infrasonice. Sub influențe externe cauzate de vibrații mecanice sau unde sonore la frecvențe de 4-8 Hz, o persoană simte mișcarea organelor interne și la o frecvență de 12 Hz - un atac de rău de mare.

· Cea mai mare intensitate vibratii infrasonice creați mașini și mecanisme care au suprafețe mari care efectuează vibrații mecanice de joasă frecvență (infrasunete de origine mecanică) sau fluxuri turbulente de gaze și lichide (infrasunete de origine aerodinamică sau hidrodinamică).