Источники звука и звуковые колебания
Источники звука. Звуковые колебания
Одним из видов механического движения является колебательное движение. Колебания могут быть или свободными, или вынужденными. В обоих случаях они могут распространяться в окружающем пространстве. Описывая это распространение, мы используем понятие волн — возмущений, которые постепенно удаляются от места их возникновения — от источника колебаний (рисунок 1).
С одним из проявлений распространения колебаний в окружающей среде мы сталкиваемся каждый день. Речь идет о тех звуках, которые мы слышим вокруг нас. Абсолютно все звуки, будь то песня вашей любимой музыкальной группы или шуршание тапочек по ворсу ковра, напрямую связаны с колебаниями. На данном уроке мы рассмотрим, как именно связан звук и колебания, дадим определение звуковым колебаниям и познакомимся с несколькими их видами.
Источник звука
Нас постоянно окружают разнообразные звуки: мелодия будильника, от которой мы просыпаемся, наш собственный голос и голоса окружающих людей, лай собак, шелест листьев на ветру, жужжание пчел и многое другое. Со стороны физики все эти звуки являются волнами, а объекты, которые издают их, — источниками звука.
Дело в том, что источник звука — это колеблющееся тело. Сейчас мы с вами в этом убедимся на нескольких простых опытах.
Опыты по определению источника звука
Возьмем металлическую упругую линейку. Закрепим ее в тисках, как показано на рисунке 2. Если мы правильно подберем длину ее свободной части, то, заставив ее колебаться, услышим звук.
Очевидно, что тут звук, который мы услышим, будет исходить именно от колеблющейся линейки.
Проведем еще один маленький эксперимент со струной. Закрепим ее за оба конца и, отклонив на небольшую амплитуду, заставим колебаться (рисунок 3).
Может показаться, что при наличии звука струна будто неподвижна — ее колебания бывает сложно увидеть невооруженным глазом. Струна обретает размытые очертания, а в ее середине нам видится утолщение. Если при этом поднести к звучащей струне бумажную полоску, то ее конец будет подпрыгивать от толчков струны. Значит, она все-таки колеблется. При этом мы слышим звук. Остановим струну — и звук прекратится.
То же самое происходит и при игре на струнных музыкальных инструментах, таких как гитара, скрипка, виолончель и т. д. Мы слышим звук, источником которого являются колеблющиеся струны.
Камертон
Всем музыкантам известен такой прибор, как камертон. Он используется для настройки музыкальных инструментов. Этот прибор представляет собой изогнутый металлический стержень на ножке (рисунок 4). Если провести по нему смычком или аккуратно ударить мягким молоточком, то он издаст протяжный звук.
Поднесем к звучащему камертону легкий шарик, подвешенный на нитке (рисунок 5). Шарик начнет отскакивать от камертона. Это является свидетельством того, что ветви камертона совершают колебания, которые нам сложно увидеть из-за их маленькой амплитуды.
Существуют камертоны, ветви которых могут колебаться и с большей амплитудой. Возьмем подобный прибор и закрепим его в плоскости параллельной рабочему столу (рисунок 6). К концу одной из ветвей прикрепим тонкую заостренную на конце металлическую полоску. Острие этой полоски загнуто вниз. Оно должно касаться закопченной стеклянной пластины, которую мы расположим на столе под камертоном.
Заставим ветви камертона колебаться. Потянем стеклянную пластину на себя (рисунок 7).
Мы увидим, что острие металлической полоски, которое будет колебаться вместе с ветвью камертона, оставляет на стеклянной пластине след — волнообразную линию. Эта линия или окажется синусоидой, или будет очень близка к ней. Получается, что ветвь звучащего камертона совершает гармонические колебания.
Звуковые колебания
Самые разнообразные опыты устанавливают, что любой источник звука совершает колебания. Зачастую эти колебания незаметны для наших глаз, но могут ощущаться на ощупь как вибрация.
Например, свист ветра или шелест листьев обусловлены колебаниями больших масс воздуха. Звук нашего голоса и других людей, а также звуки, которые издают большинство животных, — результат колебаний. Колеблются наши голосовые связки, когда через них проходит воздух, который мы вдыхаем или выдыхаем (рисунок 8). Можно почувствовать эти колебания, приложив руку к горлу во время разговора.
При том, что каждый источник звука колеблется, очень важно отметить, что не каждое колеблющееся тело является источником звука. Например, от колеблющегося нитяного маятника мы ничего не услышим. Или, если мы переместим линейку с рисунка 2 вверх и удлиним таким образом ее свободный конец, то тоже не услышим ни звука. Дело в том, что частота колебаний свободного конца линейки станет меньше $20 \space Гц$.
Человеческое ухо воспринимает как звук не все механические колебания, а только их часть. Такие колебания должны обладать определенной частотой.
Звуковые колебания — это механические колебания c частотой в пределах от $20$ до $20 \space 000 \space Гц$.
Обычно колебания указанных частот передаются через воздух. Об этом мы подробнее узнаем, когда будем рассматривать звуковые волны.
Часто звуковые колебания называют акустическими.
Акустика — это раздел физики, изучающий звуковые колебания.
Обратите внимание, что указанные границы звукового диапазона являются условными. Наша чувствительность к различным звукам зависит от возраста и индивидуальных особенностей нашего слухового аппарата.
Так, дети способны воспринимать звуки, исходящие от колеблющихся тел, частота которых превышает $20 \space 000 \space Гц$. С возрастом верхняя граница обычно снижается. Поэтому многие пожилые люди слышат только звуки с частотами, не превышающими $6000 \space Гц$.
Также на звуковое восприятие могут влиять различные заболевания, хронические нарушения слуха, постоянное шумовое воздействие, которое испытывают машинисты, строители, летчики и др.
Восприятие звуков человеком
Более подробно рассмотрим механизм нашего восприятия звуков.
Пусть какое-то тело совершает звуковые колебания. Эти колебания распространяются — идет волна. Она проходит через наружное ухо в среднее и достигает барабанной перепонки (рисунок 9).
Барабанная перепонка начинает колебаться с той же частотой, что и источник колебаний. От нее колебания передаются на маленькие слуховые косточки (молоточек, наковальню и стремечко). От них колебания идут дальше — во внутреннее ухо.
Во внутреннем ухе колебания доходят до улитки. Внутри нее есть специальные волосковые клетки. Они преобразуют механические колебания в электрические нервные импульсы. Эти импульсы передаются в слуховой центр нашего мозга с помощью слухового нерва.
Ультразвук и инфразвук
Помимо звуковых колебаний, выделяют ультразвуковые и инфразвуковые колебания, недоступные человеческому уху (рисунок 10).
Ультразвуковые колебания — это механические колебания с частотой более $20 \space 000 \space Гц$.
Инфразвуковые колебания — это механические колебания с частотой менее $20 \space Гц$.
Они широко распространены в природе и технике. Их хорошо воспринимают некоторые животные, рыбы и насекомые.
Ультразвук (рисунок 11) часто является средством общения животных. Именно его используют дельфины, чтобы предупреждать сородичей об опасности и об обнаружении косяков рыбы. При этом они используют ультразвук самых высоких частот — до $200 \space кГц$. А летучие мыши используют ультразвук для обнаружения добычи.
В технике ультразвуковые колебания используются на морских судах для измерения глубины моря (рисунок 12). На корабле размещают излучатель (источник колебаний) и приемник ультразвука. Излучатель выдает короткие сигналы, которые доходят до дна. После они отражаются от него, распространяются в обратном направлении, доходят до приемника. При этом обязательно фиксируется время отправки сигнала и момента, его получения.
Получается, что за некоторое время $t$ сигнал, распространяющийся с некоторой известной нам скоростью $\upsilon$, проходит путь, равный удвоенной глубине моря $2h$:
$2h = \upsilon t$.
Из этого уравнения легко выразить искомую глубину моря:
$h = \frac{\upsilon t}{2}$.
Этот метод определения расстояния до объекта называется эхолокацией.
В медицине ультразвук используется для получения изображения внутренних органов с помощью аппарата УЗИ. С помощью инфразвуковых волн проводят диагностику и лечение некоторых заболеваний (например, заболеваний суставов, глаз).
Медузы и многие рыбы могут воспринимать инфразвуковые колебания с частотой в диапазоне от $8$ до $13 \space Гц$. Такие колебания возникают во время шторма. Поэтому эти живые обитатели морей могут чувствовать его приближение.
Люди тоже это используют. Инфразвуковые колебания регистрируются не только при штормах, но и при других природных катаклизмах: они генерируются земной корой при землетрясениях, ударах молний, при сильном ветре и др. Таким образом, вовремя зарегистрировав инфразвуковые волны, люди узнают о приближающейся непогоде или стихийном бедствии.
Упражнение
Звук от взмахов крыльев летящего комара мы слышим, а летящей птицы — нет. Почему?
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Человеческое ухо воспринимает звук только колебаний, частота которых находится в диапазоне от $20$ до $20 \space 000 \space Гц$. Если мы слышим звук от взмахов крыльев летящего комара, значит, они колеблются с частотой в этом диапазоне. Частота взмахов крыльев комара может составлять от $500$ до $1000 \space Гц$. Птица же обычно машет крыльями с частотой меньше $20 \space Гц$, поэтому мы этого не слышим.
Часто задаваемые вопросы
На рисунке 2 в тисках закреплена металлическая линейка. Если заставить колебаться ее свободный конец, то линейка будет издавать звук.
Рисунок 3: используется струна, концы которой закреплены. Мы слышим звук, пока она колеблется. Это можно проверить, поднеся к ней конец бумажной ленты — он будет подпрыгивать от колебаний струны. Если остановить струну, звук прекратится.
Рисунок 5: если провести смычком по камертону, он начнет издавать звук. Чтобы проверить, что ветви камертона совершают колебания, можно поднести к любой из них легкий шарик, подвешенный на нити. Он будет отскакивать от камертона, что подтверждает наличие колебаний, которые сложно заметить невооруженным глазом.
На рисунке 7 показана запись колебаний ветви камертона. К ее концу прикреплена металлическая полоска, заканчивающаяся острием. Оно направлено вниз и слегка касается закопченной стеклянной пластины, расположенной под камертоном. Если заставить ветви камертона колебаться и перемещать пластину под ними, то острие оставит на ней волнообразную линию. Эта линия очень близка к синусоиде. Значит, ветвь камертона совершает гармонические колебания.
Все эти опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука совершает колебания.
Источниками звука являются тела, совершающие механические колебания.
Звуковые колебания — это механические колебания с частотой в пределах от $20$ до $20 \space 000 \space Гц$. Только такие механические колебания человеческое ухо воспринимает как звук.
Ультразвуковые колебания — это механические колебания с частотой, превышающей $20 \space 000 \space Гц$. При инфразвуковых колебаниях их частота составляет менее $16 \space Гц$.
В нижней части судна располагают излучатель и приемник. Излучатель дает ультразвуковые волны, которые доходят до дна, отражаются, достигают приемника. Фиксируется время излучения и приема. Получается, что за время $t$ сигнал, распространяющийся со скоростью $\upsilon$, проходит расстояние, равное удвоенной глубине моря: $2h = \upsilon t$. Отсюда легко можно выразить глубину $h$: $h = \frac{\upsilon t}{2}$.
5
5
1
Хотите оставить комментарий?
Войти