Sažetak: Izvori zvuka. Zvučne vibracije

Ima mnogo toga oko nas izvori zvuka: muzički i tehnički instrumenti, glasne žice ljudi, morski valovi, vjetar i drugo. zvuk, ili na neki drugi način zvučni talasi- to su mehaničke vibracije medija sa frekvencijama od 16 Hz - 20 kHz(vidi § 11-a).

Uzmite u obzir iskustvo. Postavljanjem budilnika na jastuk ispod zvona vazdušne pumpe, primetićemo da će kucanje postati tiše, ali će se i dalje čuti. Nakon što smo ispumpali vazduh ispod zvona, uopšte ćemo prestati da čujemo zvuk. Ovo iskustvo potvrđuje da se zvuk širi kroz vazduh, a ne u vakuumu.

Brzina zvuka u vazduhu je relativno velika: kreće se u rasponu od 300 m/s na –50°S do 360 m/s na +50°S. To je 1,5 puta više od brzine putničkog aviona. Zvuk putuje mnogo brže u tečnostima i unutra čvrste materije- čak i brže. U čeličnoj šini, na primjer, brzina zvuka je » 5000 m/s.

Pogledajte grafikone fluktuacija vazdušnog pritiska na ustima osobe koja peva glasove "A" i "O". Kao što vidite, oscilacije su složene, sastoje se od nekoliko oscilacija koje se međusobno preklapaju. Istovremeno, jasno vidljivo osnovne fluktuacije,čija je frekvencija gotovo nezavisna od izgovorenog zvuka. Za muški glas, to je otprilike 200 Hz, za ženski - 300 Hz.

l max = 360 m/s: 200 Hz » 2 m, l min = 300 m/s: 300 Hz » 1 m.

Dakle, dužina zvučnog talasa glasa zavisi od temperature vazduha i osnovne frekvencije glasa. Sjećajući se našeg znanja o difrakciji, shvatit ćemo zašto se glasovi ljudi čuju u šumi, čak i ako ih ometa drveće: zvuci s valnim dužinama od 1-2 m lako se savijaju oko stabala drveća čija su promjera manja od metra.

Uradimo eksperiment koji potvrđuje da su izvori zvuka zaista oscilirajuća tijela.

Uzmimo uređaj viljuška- metalna praćka postavljena na kutiju bez prednjeg zida radi boljeg zračenja zvučni talasi. Ako čekićem udarite po krajevima viljuške radiona, ispustit će se "čist" zvuk tzv. muzički ton(na primjer, nota "la" prve oktave sa frekvencijom od 440 Hz). Pomaknimo zvučnu viljušku na laganu kuglicu na niti i ona će odmah odskočiti u stranu. To se događa upravo zbog čestih fluktuacija krajeva praćke viljuške.

Razlozi o kojima ovisi frekvencija vibracija tijela su njegova elastičnost i veličina. Kako veća veličina tijela, frekvencija je niža. Stoga, na primjer, slonovi s velikim glasnim žicama emituju zvukove niske frekvencije (bas), a miševi, čije su glasne žice mnogo manje, emituju zvukove visoke frekvencije (škripanje).

Ne samo kako će tijelo zvučati, već i kako će uhvatiti zvukove i reagirati na njih ovisi o elastičnosti i veličini. Fenomen naglog povećanja amplitude oscilacija kada se frekvencija vanjskog utjecaja poklapa sa prirodnom frekvencijom tijela naziva se rezonancija (lat. “razumno” - odgovaram). Hajde da uradimo eksperiment da posmatramo rezonanciju.

Postavimo dvije identične viljuške jednu pored druge, okrećući ih jednu prema drugoj na onim stranama kutija gdje nema zidova. Udarite čekićem u lijevu viljušku. U sekundi ćemo ga prigušiti rukom. Čućemo da se oglasi drugi kamerton, u koji nismo udarili. Kažu da je prava viljuška za podešavanje rezonira odnosno hvata energiju zvučnih valova iz lijevog kamerona, zbog čega povećava amplitudu vlastitih oscilacija.

Ova lekcija pokriva temu "Zvučni talasi". U ovoj lekciji nastavićemo da učimo akustiku. Prvo ponavljamo definiciju zvučnih valova, zatim razmatramo njihove frekvencijske opsege i upoznajemo se s pojmom ultrazvučnih i infrazvučnih valova. Također ćemo razgovarati o svojstvima zvučnih valova u različitim medijima i saznati koje karakteristike imaju. .

Zvučni talasi - to su mehaničke vibracije koje, šireći se i u interakciji sa organom sluha, osoba percipira (slika 1).

Rice. 1. Zvučni talas

Odjeljak koji se bavi ovim valovima u fizici naziva se akustika. Profesija ljudi koje se obično naziva "slušačima" je akustika. Zvučni val je val koji se širi u elastičnom mediju, to je longitudinalni val, a kada se širi u elastičnom mediju, naizmjenično se kompresija i razrjeđivanje. Prenosi se tokom vremena na daljinu (slika 2).

Rice. 2. Širenje zvučnog talasa

Zvučni valovi uključuju takve vibracije koje se izvode frekvencijom od 20 do 20.000 Hz. Ove frekvencije odgovaraju talasnim dužinama od 17 m (za 20 Hz) i 17 mm (za 20 000 Hz). Ovaj opseg će se zvati zvučni zvuk. Ove talasne dužine date su za vazduh, brzina širenja zvuka u kojoj je jednaka.

Postoje i takvi rasponi kojima se bave akustičari - infrazvučni i ultrazvučni. Infrazvučni su oni koji imaju frekvenciju manju od 20 Hz. A ultrazvučni su oni koji imaju frekvenciju veću od 20.000 Hz (slika 3).

Rice. 3. Opseg zvučnih talasa

Svaka obrazovana osoba treba da se vodi u frekvencijskom opsegu zvučnih talasa i da zna da ako ode na ultrazvuk, onda će se slika na ekranu kompjutera graditi sa frekvencijom većom od 20.000 Hz.

ultrazvuk - To su mehanički valovi slični zvučnim valovima, ali sa frekvencijom od 20 kHz do milijardu herca.

Zovu se talasi sa frekvencijom većom od milijardu herca hipersonični.

Ultrazvuk se koristi za otkrivanje nedostataka na livenim dijelovima. Struja kratkih ultrazvučnih signala usmjerava se na dio koji se testira. Na mjestima gdje nema kvarova, signali prolaze kroz dio, a da ih prijemnik ne registruje.

Ako u dijelu postoji pukotina, zračna šupljina ili druga nehomogenost, tada se ultrazvučni signal odbija od njega i, vraćajući se, ulazi u prijemnik. Takav metod se zove ultrazvučna detekcija grešaka.

Drugi primjeri upotrebe ultrazvuka su uređaji ultrazvuk, ultrazvučni aparati, ultrazvučna terapija.

infrazvuk - mehanički talasi slični zvučnim talasima, ali sa frekvencijom manjom od 20 Hz. Ljudsko uho ih ne percipira.

Prirodni izvori infrazvučnih talasa su oluje, cunamiji, zemljotresi, uragani, vulkanske erupcije, grmljavine.

Infrazvuk su također važni valovi koji se koriste za vibriranje površine (na primjer, za uništavanje nekih velikih objekata). Lansiramo infrazvuk u tlo - i tlo se drobi. Gdje se ovo koristi? Na primjer, u rudnicima dijamanata, gdje uzimaju rudu koja sadrži komponente dijamanata i usitnjavaju je male čestice da pronađe ove dijamantske inkluzije (slika 4).

Rice. 4. Primjena infrazvuka

Brzina zvuka zavisi od uslova okoline i temperature (slika 5).

Rice. 5. Brzina prostiranja zvučnog talasa u različitim medijima

Napomena: u zraku je brzina zvuka jednaka , dok se brzina povećava za . Ako ste istraživač, onda bi vam takvo znanje moglo biti od koristi. Možda ćete čak smisliti i neku vrstu temperaturnog senzora koji će otkriti temperaturne razlike promjenom brzine zvuka u mediju. Već znamo da što je medij gušći, što je ozbiljnija interakcija između čestica medija, to se talas širi brže. O tome smo raspravljali u prošlom pasusu koristeći primjer suhog zraka i vlažnog zraka. Za vodu, brzina širenja zvuka. Ako stvorite zvučni val (kucnite po kameri), tada će brzina njegovog širenja u vodi biti 4 puta veća nego u zraku. Vodom će informacije stizati 4 puta brže nego zrakom. I još brže u čeliku: (Sl. 6).

Rice. 6. Brzina širenja zvučnog talasa

Znate iz epova koje je Ilja Muromets koristio (i svi heroji i obični ruski ljudi i dečaci iz Gajdarovog Revolucionarnog vojnog saveta), koristio je veoma zanimljiv način otkrivanje objekta koji se približava, ali je još uvijek daleko. Zvuk koji proizvodi kada se kreće još se ne čuje. Ilya Muromets, sa uhom do zemlje, može je čuti. Zašto? Jer se zvuk prenosi preko čvrstog tla većom brzinom, što znači da će brže doći do uha Ilje Murometsa i on će se moći pripremiti za susret s neprijateljem.

Najzanimljiviji zvučni talasi su muzički zvuci i šumovi. Koji objekti mogu stvoriti zvučne valove? Ako uzmemo izvor talasa i elastičnu sredinu, ako izvor zvuka učinimo da vibrira harmonično, onda ćemo imati divan zvučni talas, koji će se zvati muzički zvuk. Ovi izvori zvučnih valova mogu biti, na primjer, žice gitare ili klavira. To može biti zvučni val koji se stvara u otvoru zračne cijevi (orgulje ili cijevi). Sa časova muzike znate note: do, re, mi, fa, sol, la, si. U akustici se nazivaju tonovima (slika 7).

Rice. 7. Muzički tonovi

Sve stavke koje mogu da emituju tonove imaće karakteristike. Po čemu se razlikuju? Razlikuju se po talasnoj dužini i frekvenciji. Ako ove zvučne valove ne stvaraju tijela harmonijskog zvuka ili nisu povezani u zajednički orkestarski komad, onda će se takav broj zvukova zvati šum.

Buka- slučajne fluktuacije različite fizičke prirode, koje karakteriše složenost vremenske i spektralne strukture. Pojam buke je svakodnevan i fizički, vrlo su slični, te ga stoga uvodimo kao poseban važan predmet razmatranja.

Idemo dalje kvantitativne procjene zvučni talasi. Koje su karakteristike muzičkih zvučnih talasa? Ove karakteristike se odnose isključivo na harmonijske zvučne vibracije. dakle, jačina zvuka. Šta određuje jačinu zvuka? Razmotrite širenje zvučnog talasa u vremenu ili oscilacije izvora zvučnog talasa (slika 8).

Rice. 8. Jačina zvuka

U isto vrijeme, ako nismo dodali mnogo zvuka sistemu (na primjer tiho pritisnuli tipku klavira), onda će biti tih zvuk. Ako glasno, visoko podižući ruku, pozovemo ovaj zvuk pritiskom na tipku, dobijamo glasna buka. Od čega zavisi? Tihi zvukovi imaju manje vibracija od glasnih zvukova.

Sljedeći važna karakteristika muzički zvuk i bilo koji drugi - visina. Šta određuje visinu zvuka? Visina tona zavisi od frekvencije. Možemo učiniti da izvor oscilira često, ili ga možemo učiniti da ne oscilira vrlo brzo (to jest, napraviti manje oscilacija po jedinici vremena). Uzmite u obzir vremenski sweep visokog i niskog zvuka iste amplitude (slika 9).

Rice. 9. Pitch

Može se izvući zanimljiv zaključak. Ako osoba pjeva na basu, tada njen izvor zvuka (to su glasne žice) fluktuira nekoliko puta sporije nego kod osobe koja pjeva sopran. U drugom slučaju glasne žice vibriraju češće, stoga češće uzrokuju žarišta kompresije i razrjeđivanja u širenju vala.

Postoji još jedan zanimljiva karakteristika zvučni talasi, koje fizičari ne proučavaju. to timbre. Poznajete i lako razlikujete isto muzičko djelo koje se svira na balalaji ili na violončelu. Koja je razlika između ovih zvukova ili ove izvedbe? Na početku eksperimenta zamolili smo ljude koji proizvode zvuke da ih naprave približno iste amplitude kako bi jačina zvuka bila ista. To je kao u slučaju orkestra: ako ne treba izdvajati instrument, svi sviraju otprilike na isti način, sa istom snagom. Dakle, tembar balalajke i violončela je drugačiji. Kada bismo pomoću dijagrama nacrtali zvuk koji se izdvaja iz jednog instrumenta, iz drugog, onda bi oni bili isti. Ali ove instrumente možete lako razlikovati po zvuku.

Još jedan primjer važnosti tembra. Zamislite dva pjevača koji završe istu muzičku školu sa istim profesorima. Jednako dobro su učili i sa peticama. Iz nekog razloga, jedan postaje izvanredan izvođač, dok je drugi cijeli život nezadovoljan svojom karijerom. Zapravo, to određuje isključivo njihov instrument, koji uzrokuje samo glasovne vibracije u okolini, odnosno glasovi im se razlikuju po tembru.

Bibliografija

1. Sokolovich Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: priručnik sa primjerima rješavanja problema. - 2. redistribucija izdanja. - X.: Vesta: izdavačka kuća "Ranok", 2005. - 464 str.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fizika. 9. razred: udžbenik za opšte obrazovanje. institucije / A.V. Peryshkin, E.M. Gutnik. - 14. izd., stereotip. - M.: Drfa, 2009. - 300 str.

1. Internet portal "eduspb.com" ()
2. Internet portal "msk.edu.ua" ()
3. Internet portal "class-fizika.narod.ru" ()

Zadaća

1. Kako se širi zvuk? Šta može biti izvor zvuka?
2. Može li zvuk putovati svemirom?
3. Da li on percipira svaki talas koji dopre do ljudskog uha?

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 iz 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, a frekvencijom preko 20 kHz - ultrazvuk.Čovjek ne čuje takve vibracije, ali postoje životinje koje čuju infrazvuke zemljine kore prije zemljotresa. Čuvši ih, životinje napuštaju opasno područje.

U muzici odgovaraju akustične frekvencije ali tamo. Nota "la" glavne oktave (taster C) odgovara frekvenciji od 440 Hz. Nota "la" sledeće oktave odgovara frekvenciji od 880 Hz. I tako se sve ostale oktave razlikuju po frekvenciji tačno dva puta. Unutar svake oktave izdvaja se 6 tonova ili 12 polutonova. Svaki ton ima frekvenciju od yf2~ 1.12 različita od frekvencije prethodnog tona, svaki poluton razlikuje se od prethodne za "$2. Vidimo da se svaka naredna frekvencija razlikuje od prethodne ne za nekoliko Hz, već za isti broj puta. Takva skala se zove logaritamski, budući da će jednaka udaljenost između tonova biti tačno na logaritamskoj skali, gdje nije ucrtana 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. Gotovo uvijek, zvuk sadrži skup frekvencija, tj. njegov spektar (vidi odjeljak 8 ovo poglavlje) je komplikovano. Muzičke vibracije uvijek sadrže osnovni ton cco = 2n / T, gdje je T period, i skup tonova 2 (Oo, Zco 0, 4coo, itd. Skup prizvuka koji ukazuje na njihov intenzitet u muzici naziva se timbre. Drugačije muzički instrumenti, različiti pjevači koji uzimaju istu notu imaju različit tembar. To im daje različite boje.

Moguća je i mješavina neviše frekvencija. U klasičnoj evropskoj muzici to se smatra disonantnim. Međutim, koristi se u modernoj muzici. Koristi se čak i sporo kretanje bilo koje frekvencije u smjeru povećanja ili smanjenja (ukulele).

U nemuzičkim zvucima moguća je bilo koja kombinacija frekvencija u spektru i njihova promjena u vremenu. 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 Bijela boja je ukupnost svih frekvencija).

Zvukovi ljudskog govora su veoma složeni. Imaju složen spektar koji se brzo mijenja tokom vremena kada izgovaraju jedan zvuk, riječ ili cijelu frazu. To daje govoru različite intonacije i akcente. Kao rezultat toga, moguće je razlikovati jednu osobu od druge po glasu, čak i ako izgovaraju iste riječi.

Zvuk nastaje mehaničkim vibracijama u elastičnim medijima i tijelima, čije se frekvencije nalaze u rasponu od 20 Hz do 20 kHz i koje ljudsko uho može osjetiti.

Shodno tome, mehaničke vibracije sa naznačenim frekvencijama nazivaju se zvučnim i akustičnim. Nečujne mehaničke vibracije sa frekvencijama ispod zvučnog opsega nazivaju se infrazvučnim, a one sa frekvencijama iznad zvučnog opsega nazivaju se ultrazvučnim.

Ako se zvučno tijelo, kao što je električno zvono, stavi ispod zvona zračne pumpe, tada će, kako se zrak ispumpava, zvuk postajati sve slabiji i, konačno, potpuno će prestati. Prenos vibracija sa sondažnog tela vrši se kroz vazduh. Imajte na umu da tokom svojih vibracija, sondirajuće tijelo tokom svojih vibracija naizmjenično komprimira zrak u blizini površine tijela, a zatim, naprotiv, stvara razrjeđivanje u ovom sloju. Dakle, širenje zvuka u zraku počinje fluktuacijama gustoće zraka na površini oscilirajućeg tijela.

muzički ton. Glasnoća i visina

Zvuk koji čujemo kada njegov izvor napravi harmonijsku oscilaciju naziva se muzički ton ili, ukratko, ton.

U svakom muzičkom tonu na sluh možemo razlikovati dva kvaliteta: glasnoću i visinu.

Najjednostavnija zapažanja nas uvjeravaju da je ton bilo koje date visine određen amplitudom vibracija. Zvuk viljuške za podešavanje nakon udaranja postepeno jenjava. Ovo se dešava zajedno sa prigušenjem oscilacija, tj. sa smanjenjem njihove amplitude. Jače udaranje u kamerton, tj. dajući vibracijama veliku amplitudu, čućemo glasniji zvuk nego pri slabom udaru. Isto se može primijetiti i sa žicom i općenito sa bilo kojim izvorom zvuka.

Ako uzmemo nekoliko tuning viljuški različitih veličina, onda ih neće biti teško rasporediti po uhu u redoslijedu povećanja visine tona. Tako će se i oni nalaziti u veličini: najveća viljuška za podešavanje daje najniži zvuk, najmanja - najviši zvuk. Dakle, visina je određena frekvencijom oscilovanja. Što je frekvencija veća, a samim tim i kraći period oscilovanja, to je viši ton koji čujemo.

akustična rezonanca

Fenomen rezonancije može se uočiti na mehaničkim vibracijama bilo koje frekvencije, posebno na zvučnim vibracijama.

Stavljamo dvije identične viljuške jednu pored druge, okrećući rupe kutija na kojima su postavljene jedna prema drugoj. Kutije su potrebne jer pojačavaju zvuk viljuški za podešavanje. To je zbog rezonancije između viljuške za podešavanje i stupova zraka sadržanih u kutiji; stoga se kutije nazivaju rezonatorima ili rezonantnim kutijama.

Udarimo jednu od kamerona i onda je prigušimo prstima. Čućemo zvuk drugog kamertona.

Uzmimo dvije različite tuning viljuške, tj. sa različitim visinama i ponovite eksperiment. Sada svaka od viljuški za podešavanje više neće reagovati na zvuk druge viljuške za podešavanje.

Nije teško objasniti ovaj rezultat. Vibracije jednog kamertona djeluju kroz zrak s određenom silom na drugu viljušku, uzrokujući da izvrši svoje prisilne vibracije. Budući da kamerona 1 vrši harmonijske oscilacije, tada će se sila koja djeluje na kamerton 2 mijenjati prema zakonu harmonijske oscilacije sa frekvencijom kamertona 1. Ako je frekvencija sile drugačija, tada će prisilne oscilacije biti toliko slabe da ih nećemo čuti.

Buke

Čujemo muzički zvuk (notu) kada je oscilacija periodična. Na primjer, ovakav zvuk proizvodi žica za klavir. Ako pritisnete nekoliko tastera istovremeno, tj. pustite nekoliko nota, tada će osjećaj muzičkog zvuka biti sačuvan, ali razlika između suglasnih (ugodnih za uho) i disonantnih (neprijatnih) nota će se jasno pojaviti. Ispostavilo se da su one note čiji su periodi u omjeru malih brojeva saglasni. Na primjer, konsonancija se dobija kada je omjer perioda 2:3 (kvinta), 3:4 (kvant), 4:5 (glavna terca), itd. Ako su periodi povezani kao veliki brojevi, na primjer, 19:23, onda dobijete disonancu - muzikalan, ali neprijatan zvuk. Ići ćemo još dalje od periodičnosti vibracija ako pritisnemo više tastera u isto vreme. Zvuk će biti bučan.

Šumove karakterizira snažna neperiodičnost oblika oscilovanja: ili je riječ o dugoj oscilaciji, ali vrlo složenog oblika (šištanje, škripanje), ili o pojedinačnim emisijama (klikovima, kucanjima). S ove tačke gledišta, zvukove izražene suglasnicima (šištanje, labijalni, itd.) također treba pripisati šumovima.

U svim slučajevima oscilacije buke se sastoje od ogromnog broja harmonijskih oscilacija različitih frekvencija.

Dakle, spektar harmonijske oscilacije se sastoji od jedne frekvencije. Za periodičnu oscilaciju, spektar se sastoji od skupa frekvencija - osnovnih i višekratnika. Kod suglasnika imamo spektar koji se sastoji od nekoliko takvih skupova frekvencija, od kojih su glavni povezani kao mali cijeli brojevi. U disonantnim harmonijama, osnovne frekvencije više nisu u tako jednostavnom odnosu. Što je više različitih frekvencija u spektru, to smo bliže šumu. Tipični šumovi imaju spektre u kojima ima izuzetno mnogo frekvencija.