Звуковые волны. Звук и его свойства

В статье мы познакомим читателей со звуковыми явлениями; дадим понятие звуковой волны и опишем основные характеристики звука — скорость, высоту тона и громкость, объясним как звуки воспринимает человек.

На Земли нет, наверное, человека, который бы не любил музыку. Музыка сопровождает человек в течение всей жизни: веселая и грустная, ритмическая и медленная. Но из чего состоит любимое музыкальное произведение? Все звуки, такие как речь, музыка, шум, это все звуковые волны различной частоты и амплитуды.

Мы живем в мире звуков. Этот мир необходим нам для нормального развития и существования. Звуки, которые мы слышим, сообщают о том, что происходит вокруг нас, даже если мы не видим источника звука. Например, мы слышим телефонный звонок, грохот автомобилей или шум дождя.

Нас окружает много предметов, способных издавать звуки, например, музыкальные инструменты: скрипка, гитара, баян, домра, флейта, свирель и другие. Что объединяет все эти предметы? Да, это источника звука.

Источниками звуков является тела, которые колеблются. Воспользуемся физическим прибором, который называют камертоном. Медленно придвиньте камертон, который звучит, к теннисному шарику, висящему на нитке. Как только они столкнутся, шарик сразу же, как будто от сильного толчка, отскочит в сторону. Так происходит именно из-за частых колебания ножек камертона.

Распространение звука

Проведем эксперимент. Под стеклянным колпаком поместим на поролоновой подушке часы-будильник. Затем откачиваем воздух из колпака. В процессе откачивания воздуха слышно, что звук, который издает будильник, становится все тише, и, наконец, мы вообще перестаем слышать звук.

Какой вывод: для распространения звука необходима определенная среда. Среда может быть разной: воздух, вода, стекло, земля. Главное, чтобы среда, в которой распространяется звук, была упругой при изменении ее формы или объема.

Приемники звука

Приемником звука является ухо. Наше ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 16 до 20000 Гц. Итак, механические волны с частотой от 20 до 20000 Гц, вызывающие у человека ощущение звука, называются звуковыми. Поскольку при этом звуковые волны распространяются в воздухе, как перемежающиеся области с изменяющимся давлением, то эти волны называют продольными.

Читать ещё:  Zipline запустила самый быстрый в мире дрон для коммерческой доставки

Указанные границы звукового диапазона условные, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно верхняя частотная граница звуков, воспринимаемых ухом, с возрастом значительно снижается — некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц.

Ухо является естественным приемником звука, однако созданы и искусственные приемники звука. Наиболее широко используются различные микрофоны. Они превращают звуковые колебания на колебания электрического тока, благодаря чему появилась возможность записывать звук и передавать его на большие расстояния.

Характеристики звука

Звук, создаваемый одним источником, отличается от звука, создаваемого другим. Например, каждая из струн гитары издает звук, отличающийся от звука, который выдается другими струнами.

Две, казалось бы, совершенно одинаковые скрипки могут звучать по-разному. При этом звук скрипки нельзя спутать со звуком гобоя, звук барабана — со звуком тромбона. Те же звуки, созданные разными людьми, отличаются друг от друга.

Все это свидетельствует о необходимости ввести характеристики, с помощью которых можно было бы оценивать излучения и восприятия звука.

Скорость звука

Звук распространяется не мгновенно и скорость распространения его значительно меньше скорости распространения света (которая составляет 300000 км/с).

Пример из истории и литературы: Дмитрий Донской перед Куликовской битвой прикладывал ухо к земле. Зачем? Так как скорость распространения звука в земле больше, чем в воздухе, он услышал топот копыт противника раньше, чем увидел конницу.

Распространение звуковых волн в различных средах происходит с неодинаковой скоростью. С помощью опытов было обнаружено, что в воздух при температуре 0 градусов по Цельсию скорость звука составляет 332 м/с. В воде из температуре 0oC этот показатель составляет примерно 1485 м/с. В твердых телах скорость звука еще больше, чем в жидкостях. В некоторых металлах скорость звукадостигает нескольких тысяч метров в секунду: в частности, в свинце — 1300 м/с, в меди — 4560 м/с, в стали — 5100 м/с. Интересно, что через резину звук проходит со скорость всего 54 м/с, сквозь пробку — 500 м/с, кирпичную стену — 3480 м/с, гранит — 3950 м/с, стекло 5000 м/с. Можно заметить закономерность, чем тверже материал, тем выше скорость звука в нем.

Читать ещё:  Илон Маск показал альтернативу российскому «Союзу»

Громкость звука

Громкость звука определяется амплитудой колебаний тела, которое издает звук. Чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем звук кажется более громким, но громкость для звуков различных частот будет разной. Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких частот (около 20 Гц) и высоких (около 20 кГц) частот и значительно лучше — звуки средних частот (от 300 Гц до 3000 Гц). Это объясняется строением органов слуха человека.

Высота звука

Если специальным резиновым молоточком ударить по «ножках» камертона, то он будет издавать звук, который называется музыкальным тоном.

Мы хорошо знаем, что звук бывает высокий и низкий. Как известно, бас поет низким голосом, а тенор — высоким. От какой же характеристики звуковой волны зависит высота звука? Опыты показывают, что высота звука определяется частотой звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше.

Частота звуковых колебаний, создаваемых струнными и духовыми музыкальными инструментами, может изменяться от 20 до 4000 Гц.

Писк комара соответствует 500-600 взмахам его крыльев в секунду, жужжание шмеля — 220 взмахам. Колебания голосовых связок певцов могут создавать звуки в диапазоне от 80 до 1400 Гц, хотя в эксперименте фиксировались рекордно низкая (44 Гц) и высокая (2350 Гц) частоты.

В телефоне для воспроизведения человеческой речи используется область частот от 300 до 2000 Гц.

Тембр звука

Звуки одинаковой высоты и громкости, создаваемые различными музыкальными инструментами, звучат по-разному, даже та же нота, взятая различными певцами, звучит по-разному. Особое качество звука — его окрас, характерный для каждого голоса или музыкального инструмента, — называют тембром. Тембр связан со специфическими свойствами источника звука.

От чего же зависит тембр звука? Оказывается, что любой источник звука (есть редкие исключения, например, камертон) осуществляет сложные несинусоидальные колебания. Их можно наблюдать с помощью осциллографа. Если подключить микрофон и спеть какую-нибудь мелодию, то на экране осциллографа появится не синусоида, а сложная кривая.

Читать ещё:  Что получается, когда наука вдохновляется природой?

Несинусоидальное колебание может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с различными частотами. Колебания с наименьшей частотой называется основным тоном, а колебания с более высокой частотой называется обертоном, или гармоникой.

Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов — частот, кратных основной. Именно благодаря тембру, звуки различных музыкальных инструментов имеют разное звучание. Чем больше обертонов, тем «насыщеннее», красивее звук. Волшебный, бархатистый оттенок голосов хороших певцов обусловлен именно обертонами.

Отражение звука

Звук, распространяясь в какой-либо среде, доходит до препятствия и почти полностью отражается. В этом можно убедиться на многих опытах.

В лесу, горах, иногда в помещениях нам приходилось слышать эхо. Звуковые волны отражаются от различных препятствий, даже от облаков. Иногда можно услышать даже многократное эхо — результат нескольких отражений.

Эти и другие опыты с звуковыми волнами позволяют сформулировать обобщения: механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред. Отражение звука происходит по такому же закону, что и отражения света: угол отражения равен углу падения.

Неслышимые звуки

Звук, который воспринимается или слышится ухом человека, имеет частоты в диапазоне 20-20 000 Гц. Звуковые волны с более низкими частотами называют инфразвуком, а с выше — ультразвуком.

Опубликовано: 16.03.2019 в 23:19

Автор:

Категории: Новости технологий

Оставить комментарий

avatar