Звуковые волны. Источники звука

Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, интенсивность звука и другими. Но. кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это - громкость звука, высота тона и тембр.

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое ощущение. На рисунке 15.10 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости. Наибольшее расстояние между кривыми приходится на частоты, к которым ухо наиболее чувствительно (1000-5000 Гц). 

Если интенсивность звука - величина, объективно характеризующая волновой процесс, то субъективной характеристикой звука является громкость Громкость зависит от интенсивности звука, т.е. определяется квадратом амплитуды колебаний в звуковой волне и чувствительностью уха (физиологическими особенностями). Так как интенсивность звука \(~I \sim A^2,\) то чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Высота тона - качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон звука.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, с определенной частотой, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, звуки низкой частоты - как звуки низкого тона. Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Так, например, тон "ля" первой октавы соответствует частоте 440 Гц, тон "ля" второй октавы - частоте 880 Гц.

Музыкальным звукам соответствуют звуки, издаваемые гармонически колеблющимся телом.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте \(~\nu_0\) основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой \(~\nu_0\) называется первой гармоникой, обертон со следующей частотой \(~2 \nu_0\) - второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов - их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

При одной высоте тона звуки, издаваемые, например, скрипкой и пианино, отличаются тембром.

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Шумы - это звуки, образующие сплошной спектр, состоящий из набора частот, т.е. в шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 431-432.

Вопросы.

1. По рисунку 70 расскажите, как исследовалась зависимость высоты звука от частоты колебаний его источника. Какой вывод был сделан?

В опыте на рис. 70 мы имеем линейку, зажатую в тиски, и издающую звук при колебании. Перемещая линейку в тисках, таким образом, чтобы её колеблющийся кусок уменьшился, мы замечаем что при колебании более короткой части линейки издаваемый ею звук становится выше, а частота колебаний увеличивается. Из этого опыта можно сделать вывод, что при увеличении частоты колебаний увеличивается высота звука.

2. С какой целью ставился опыт, изображенный на рисунке 75? Опишите, как этот опыт проводился и какой был сделан вывод.

В опыте на рис. 75 при соприкосновении картонной пластины с вращающимся зубчатым диском слышится звук, раздающийся в результате колебаний пластины. При увеличении скорости вращения зубчатого диска увеличивается частота колебаний и соответственно увеличивается высота звука.

3. Как на опыте удостовериться в том, что из двух камертонов более высокий звук издает тот, у которого больше собственная частота? (Частоты на камертонах не указаны).

Камертон с более высоким звуком на закопченой пластинке будет оставлять более частый след, т.е. колеблется с большей частотой (см. рис. 76)

4. От чего зависит высота звука?

Высота звука зависит от частоты колебаний.

5. Что называется чистым тоном?

Чистым тоном называется звук источника, совершающего грмонические колебания одной частоты.

6. Что такое основной тон и обертоны звука?

Основной тон - частотная составляющая сложного звука с самой низкой (малой) частотой колебания.
Обертоны - совокупность частотных составляющих звука без его основного тона. Частоты обертонов кратны частоте основного тона.

7. Чем определяется высота звука?

Высота звука определяется высотой основного тона.

8. Что такое тембр звука и чем он определяется?

Тембр звука - обертонная окраска звука; специфическая характеристика музыкального звука. Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.

Упражнения.

1. Какое насекомое чаще машет крыльями в полете - шмель, комар или муха? Почему вы так думаете?

Чем выше частота, тем выше звук. Следовательно комар, машет крыльями чаще.

2. Зубья вращающейся циркулярной пилы создают в воздухе звуковую волну. Как изменится высота звука, издаваемого пилой, при ее холостом ходе, если на ней начать распиливать толстую доску из плотной древесины? почему?

Высота звука уменьшится, т.к. уменьшится частота вращения циркулярной пилы.

3. Известно, что чем туже натянута струна на гитаре, тем более высокий звук она издает. Как изменится высота звучания гитарных струн при значительном повышении температуры окружающего воздуха? Ответ поясните.

При повышении температуры гитарная струна растягивается, следовательно увеличивается период колебаний, а значит уменьшается частота и высота звука.

Мы от рождения до смерти пребываем в океане звуков. В городе мы постоянно слышим звуки движущихся машин, разговоры прохожих, фоновые шумы. Дома работают электроприборы, мы включаем телевизоры, радиоприемники, компьютеры. Можно не замечать эти звуки, не обращать на них внимания, но они влияют на наше мировосприятие и на самочувствие. Когда мы находимся, как кажется в тишине, за городом, на природе звуки все равно существуют вокруг нас. листвы, жужжание насекомых, шелест шагов по траве. Абсолютной тишины на Земле в естественных условиях не существует.

С точки зрения физики звук - это упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. От чего зависит высота звука и другие наши ощущения?

С точки зрения физиологии звук связан со слухом. И напрямую связан с нашими органами чувств.

Средой для распространения звуковых волн может быть воздух, вода, металл и другие вещества.

Поскольку звук - это он описывается теми же параметрами, что и любая волна. Это частота, длина волны, амплитуда, вектор волны (направление), скорость.

Человек слышит звуки в диапазоне от 15 Гц до 20 000 Гц. Диапазон ниже уровня слышимости называется инфразвуком, выше уровня и до 1 Ггц называется ультразвуком. Выше 1 Ггц - это гиперзвук.

Высота звука

Единица измерения высоты звука это мел. Мелы распределяются по шкале через интервалы, которые на слух воспринимаются как равные.

Ученые обнаружили, что, если воспроизводить короткие импульсы с интервалом 5 миллисекунд, то на слух они будут восприниматься непрерывно.

Как любая информация наших органов чувств, звуковая информация обрабатывается мозгом. Рассмотрим, от чего зависит частота звука. Известен так называемый эффект Шепарда. Звукоряд, который создает иллюзию постоянно повышающегося или понижающегося тона, хотя на самом деле ничего не меняется. Это достигается наложением звуковых волн по октавам (кратным по частоте). Этот эффект интуитивно использовали Бах, Равель, Шопен.

Тоны звука

Сложный тон - это звучание нескольких частот сразу. Простой тон можно воспроизвести с помощью генератора звуковых сигналов, или камертоном. Сложный тон создается музыкальными инструментами и человеческим голосом. Спектр сложного тона состоит из основной частоты и множества дополнительных гармоник, так называемых обертонов. От чего зависит высота тона звука и самого звука? Она зависит от основной частоты тона. Но и интенсивность влияет на восприятие высоты звучания. Чем интенсивность больше, тем звук кажется ниже.

Громкость звука

Громкость звука характеризует уровень звукового ощущения. От чего зависит громкость и высота звука? Восприятие громкости звука - ощущение субъективное и зависит как от интенсивности звука, так и от возраста, пола, этнической принадлежности, условий прослушивания. Ощущение громкости описывается психофизическим законом Вебера-Фехнера. В соответствии с этим законом, если интенсивность звука растет в геометрической прогрессии, то ощущение громкости - в арифметической. (Логарифмическая зависимость). От чего зависит громкость и высота звучания? От множества причин. Высота звучания кажется ниже, когда громкость увеличивается. Человеку всегда низкие и высокие частоты кажутся тише, чем средние.

Тембр звука

Тембр определяется Окраску спектру придают обертоны (гармоники основной частоты). Они придают эмоциональную окраску любому звучанию. От чего зависят высота и тембр звука? Они зависят от конструкции и материалов музыкальных инструментов, от особенностей человеческого голоса. Возникающие многочисленные обертоны придают звучанию неповторимость.

Каждая из знаменитых скрипок Страдивари обладала уникальным тембром. Это определялось и формой резонатора, и типом дерева, и даже лаком покрытия.

Некоторые считают, что особенное восприятие звука человеком способствовало в древности его выживанию. Для анализа внешних шумов необходимо было понять, от чего зависит высота звука, вычленить из массы шумов, звуковых частот звуки подкрадывающегося хищника или вовремя услышать приближение какой-либо природной катастрофы.

Сейчас появилась возможность синтезировать любые звуки, обрабатывать существующие аудиозаписи для достижения нужного эффекта. Но еще на заре звукозаписи делались звуковые комбинации. Примером такого эффекта может служить знаменитый крик Тарзана, созданный искусственно в 1932 г.

Архитектурная акустика

От чего зависит Конечно, от помещения, в котором он возникает.

Об этом знали еще в древности и строили храмы с учетом акустических элементов, теоретическое обоснование для которых было разработано впоследствии. Это и акустическая форма куполов, и акустические раковины.

С помощью данного видеурока вы сможете изучить тему «Источники звука. Звуковые колебания. Высота, тембр, громкость». На этом занятии вы узнаете, что такое звук. Также мы рассмотрим диапазоны звуковых колебаний, воспринимаемые человеческим слухом. Определим, что может быть источником звука и какие необходимы условия для его возникновения. Также изучим такие характеристики звука, как высота, тембр и громкость.

Тема урока посвящена источникам звука, звуковым колебаниям. Поговорим мы и о характеристиках звука - высоте, громкости и тембре. Прежде чем говорить о звуке, о звуковых волнах, давайте вспомним, что механические волны распространяются в упругих средах. Часть продольных механических волн, которая воспринимается человеческими органами слуха, называется звуком, звуковыми волнами. Звук - это воспринимаемые человеческими органами слуха механические волны, которые вызывают звуковые ощущения .

Опыты показывают, что человеческое ухо, органы слуха человека воспринимают колебания частотами от 16 Гц до 20000 Гц. Именно этот диапазон мы и называем звуковым. Конечно, существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Но этот диапазон, эти разделы человеческим ухом не воспринимаются.

Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха

Как мы говорили, области инфразвука и ультразвука человеческими органами слуха не воспринимаются. Хотя могут восприниматься, например, некоторыми животными, насекомыми.

Что такое ? Источниками звука могут быть любые тела, которые совершают колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)

Рис. 2. Зажатая в тиски колеблющаяся линейка может быть источником звука

Обратимся к опыту и посмотрим, как образуется звуковая волна. Для этого нам потребуется металлическая линейка, которую мы зажмем в тиски. Теперь, воздействуя на линейку, мы сможем наблюдать колебания, но никакого звука не слышим. И тем не менее вокруг линейки создается механическая волна. Обратите внимание, когда линейка смещается в одну сторону, здесь образуется уплотнение воздуха. В другую сторону - тоже уплотнение. Между этими уплотнениями образуется разряжение воздуха. Продольная волна - это и есть звуковая волна, состоящая из уплотнений и разряжений воздуха . Частота колебаний линейки в данном случае меньше звуковой частоты, поэтому мы не слышим этой волны, этого звука. На основе опыта, который мы только что пронаблюдали, в конце XVIII века был создан прибор, который называется камертон.

Рис. 3. Распространение продольных звуковых волн от камертона

Как мы убедились, звук появляется в результате колебаний тела со звуковой частотой. Распространяются звуковые волны во все стороны. Между слуховым аппаратом человека и источником звуковых волн обязательно должна быть среда. Эта среда может газообразной быть, жидкой, твердой, но это обязательно должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звуковых волн должен обязательно происходить там, где есть вещество. Если вещества нет, никакого звука мы не услышим.

Для существования звука необходимы:

1. Источник звука

2. Среда

3. Слуховой аппарат

4. Частота 16-20000 Гц

5. Интенсивность

Теперь перейдем к обсуждению характеристик звука. Первая - это высота звука. Высота звука - характеристика, которая определяется частотой колебаний . Чем больше частота у тела, которое производит колебания, тем звук будет выше. Давайте вновь обратимся к линейке, зажатой в тиски. Как мы уже говорили, мы видели колебания, но не слышали звука. Если теперь длину линейки сделать меньше, то мы будем слышать звук, но увидеть колебания будет гораздо сложнее. Посмотрите на линейку. Если мы подействуем на нее сейчас, звука никакого мы не услышим, но зато наблюдаем колебания. Если укоротим линейку, мы услышим звук определенной высоты. Мы можем сделать длину линейки еще короче, тогда мы услышим звук еще большей высоты (частоты). То же самое мы можем пронаблюдать и с камертонами. Если мы возьмем большой камертон (он еще называется демонстрационный) и ударим по ножкам такого камертона, то можем пронаблюдать колебание, но звука не услышим. Если возьмем другой камертон, то, ударив по нему, услышим определенный звук. И следующий камертон, настоящий настроечный камертон, который используется для настройки музыкальных инструментов. Он издает звук, соответствующий ноте ля, или, как говорят еще, 440 Гц.

Следующая характеристика - тембр звука. Тембром называется окраска звука . Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр - это то, чем отличаются два одинаковых звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Вы все знаете, что нот у нас всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, взятую на скрипке и на фортепиано, то мы отличим их. Мы сразу сможем сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность - окраску звука - и характеризует тембр. Нужно сказать, что тембр зависит от того, какие воспроизводятся звуковые колебания, кроме основного тона. Дело в том, что произвольные звуковые колебания довольно сложные. Они состоят из набора отдельных колебаний, говорят спектра колебаний . Именно воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и характеризует красоту звучания того или иного голоса или инструмента. Тембр является одним из основных и ярких проявлений звука.

Еще одна характеристика - громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний . Давайте посмотрим и убедимся, что громкость связана с амплитудой колебаний. Итак, возьмем камертон. Сделаем следующее: если ударить по камертону слабо, то амплитуда колебаний будет небольшая и звук будет тихий. Если теперь по камертону ударить сильнее, то и звук гораздо громче. Это связано с тем, что амплитуда колебаний будет гораздо больше. Восприятие звука - вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат, каково самочувствие человека.

Список дополнительной литературы:

А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — C. 40-41. Кикоин А.К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. — 1985. — № 9. — С. 26-28. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. - М., 1974.

>>Физика: Громкость и высота звука. Эхо

Слуховые ощущения, которые у нас вызывают различные звуки, во многом зависят от амплитуды звуковой волны и ее частоты. Амплитуда и частота являются физическими характеристиками звуковой волны. Этим физическим характеристикам соответствуют определенные физиологические характеристики, связанные с нашим восприятием звука. Такими физиологическими характеристиками являются громкость и высота звука.

Громкость звука определяется его амплитудой: чем больше амплитуда колебаний в звуковой волне, тем громче звук . Так, когда колебания звучащего камертона затухают, вместе с амплитудой уменьшается и громкость звука. И наоборот, ударив по камертону сильнее и тем симым увеличив амплитуду его колебаний, мы вызовем и более громкий звук.

Громкость звука зависит также от того, насколько чувствительно наше ухо к данному звуку. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает к звуковым волнам с частотой 1-5 кГц.

Измеряя энергию, переносимую звуковой волной за 1 с через поверхность площадью 1 м 2 , мы найдем величину, называемую интенсивностью звука.

Оказалось, что интенсивность самых громких звуков (при которых возникает ощущение боли) превышает интенсивность самых слабых звуков, доступных восприятию человека. в 10 триллионов раз! В этом смысле человеческое ухо оказывается намного более совершенным устройством, чем любой из обычных измерительных приборов. Ни одним из них столь широкий диапазон значений измерить невозможно (у приборов он редко превосходит 100).

Единицу громкости называют соном (от латинского "сонус" - звук). Громкостью в 1 сон обладает приглушенный разговор. Тиканье часов характеризуется громкостью около 0,1 сон. обычный разговор - 2 сон, стук пишущей машинки - 4 сон, громкий уличный шум - 8 сон. В кузнечном цехе громкость достигает 64 сон, а на расстоянии 4 м от работающего двигателя реактивного самолета - 256 сон. Звуки еще большей громкости начинают вызывать болевые ощущения.
Громкость человеческого голоса можно увеличить с помощью мегафона . Он представляет собой конический рупор, приставляемый ко рту говорящего человека (рис. 54). Усиление звука при этом происходит благодаря концентрации излучаемой звуковой энергии в направлении оси рупора. Еще большего увеличения громкости можно достичь при помощи электрического мегафона, рупор которого соединен с микрофоном и специальным транзисторным усилителем.

Рупор можно применять и для усиления принимаемого звука. Для этого его следует приставить к уху. В старые времена (когда еще не было специальных слуховых аппаратов) этим часто пользовались плохо слышащие люди.

Рупоры использовались и в первых аппаратах, предназначенных для записи и воспроизведения звука.

Механическая запись звука была изобретена в 1877 г. Т. Эдисоном (США). Сконструированный им аппарат назывался фонографом . Один из своих фонографов (рис. 55) он прислал Л. Н. Толстому .

Основными частями фонографа являются валик 1, покрытый оловянной фольгой, и мембрана 2, соединенная с иглой из сапфира. Звуковая волна, действуя через рупор на мембрану, заставляла иглу колебаться и то сильнее, то слабее вдавливаться в фольгу. При вращении ручки валик (ось которого имела резьбу) не только вращался, но и перемещался в горизонтальном направлении. На фольге при этом возникала винтовая канавка переменной глубины. Чтобы услышать записанный звук, иглу устанавливали в начало канавки и валик вращали еще раз.

Впоследствии вращающийся валик в фонографе был заменен плоской круглой пластиной и борозду на ней стали наносить в виде сворачивающейся спирали. Так появились граммофонные пластинки.

Помимо громкости, звук характеризуется высотой. Высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук . Колебаниям небольшой частоты соответствуют низкие звуки, колебаниям большой частоты - высокие звуки.

Так, например, шмель машет в полете своими крылышками с меньшей частотой, чем комар: у шмеля она составляет 220 взмахов в секунду, а у комара - 500-600. Поэтому полет шмеля сопровождается низким звуком (жужжанием), а полет комара - высоким (писком).

Звуковую волну определенной частоты иначе называют музыкальным тоном. Поэтому о высоте звука часто говорят как о высоте тона.
Основной тон с "примесью" нескольких колебаний других частот образует музыкальный звук . Например, звуки скрипки и пианино могут включать в себя до 15-20 различных колебаний. От состава каждого сложного звука зависит его тембр .

Частота свободных колебаний струны зависит от ее размеров и натяжения. Поэтому, натягивая струны гитары с помощью колышков и прижимая их к грифу гитары в разных местах, мы изменим их собственную частоту, а следовательно, и высоту издаваемых ими звуков.

В таблице 5 приведены частоты колебаний в звуках различных музыкальных инструментов.

Диапазоны частот, соответствующие голосам певцов и певиц, можно найти в таблице 6.


При обычной речи в мужском голосе встречаются колебания с частотой от 100 до 7000 Гц, а в женском - от 200 до 9000 Гц. Наиболее высокочастотные колебания входят в состав звука согласной "с".

Характер восприятия звука во многом зависит от планировки помещения, в котором слушается речь или музыка. Объясняется это тем, что в закрытых помещениях слушатель воспринимает, кроме прямого звука, еще и слитный ряд быстро следующих друг за другом его повторений, вызванных многократными отражениями звука от находящихся в помещении предметов, стен, потолка и пола.

Увеличение длительности звука, вызванное его отражениями от различных препятствий, называется реверберацией . Реверберация велика в пустых помещениях, где она приводит к гулкости. И наоборот, помещения с мягкой обивкой стен, драпировками, шторами, мягкой мебелью, коврами, а также наполненные людьми хорошо поглощают звук, и потому реверберация в них незначительна.

Отражением звука объясняется и эхо. Эхо - это звуковые волны, отраженные от какого-либо препятствия (зданий, холмов, леса и т. п.) и возвратившиеся к своему источнику. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделенные интервалом времени t>50 - 60 мс, то возникает многократное эхо. Некоторые из таких эхо приобрели всемирную известность. Так, например, скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехии, в определенном месте троекратно повторяют 7 слогов, а в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов!

Название "эхо" связано с именем горной нимфы Эхо, которая, согласно древнегреческой мифологии, была безответно влюблена в Нарцисса. От тоски по возлюбленному Эхо высохла и окаменела, так что от нее остался лишь голос, способный повторять окончания произнесенных в ее присутствии слов.

??? 1. Чем определяется громкость звука? 2. Как называется единица громкости? 3. Почему после удара молоточком по камертону его звук постепенно становится все тише и тише? 4. Чем определяется высота звука? 5. Из чего "состоит" музыкальный звук? 6. Что такое эхо? 7. Расскажите о принципе действия фонографа Эдисона.

С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс

Отослано читателями из интернет-сайтов

Уроки физики, программы по физике, физика рефераты, физика тесты, курс физики , учебники по физике, физика в школе , разработка уроков физика, календарно тематическое планирование по физике

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки