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.
Полученные знания о колебаниях и волнах позволяют нам перейти к рассмотрению звуковых явлений.
Мир окружающих нас звуков разнообразен - голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчел, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолётов и т. д. Источниками звука являются колеблющиеся тела. В этом можно убедиться на простых опытах. Рассмотрим их.
Рис. 74. Пример источника звука
На рисунке 74 изображена укреплённая в тисках упругая металлическая линейка. Если её свободную часть, длина которой подобрана определённым образом, привести в колебательное движение (крайние положения колеблющейся линейки показаны штриховыми линиями), то линейка будет издавать звук. В данном случае колебания источника звука очевидны.
Теперь обратимся к рисунку 75. На нём изображена звучащая струна, концы которой закреплены. Размытые очертания этой струны и кажущееся утолщение в середине свидетельствуют о том, что струна колеблется. Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то полоска будет подпрыгивать от толчков струны. Пока струна колеблется, слышен звук; остановим струну, и звук прекращается.
Рис. 75. Звучащая струна, концы которой закреплены, совершает колебания
Прибор, изображённый на рисунке 76, называется камертоном. Он представляет собой изогнутый металлический стержень на ножке. В данном случае камертон укреплён на резонаторном ящике (о назначении которого вы узнаете из § 40).
Рис. 76. Обнаружение колебаний ветвей звучащего камертона
Если по камертону ударить мягким молоточком или провести по нему смычком, то камертон зазвучит. Поднесём к звучащему камертону лёгкий шарик (стеклянную бусинку), подвешенный на нитке, - шарик будет отскакивать от камертона, свидетельствуя о колебаниях его ветвей.
На рисунке 77 показано, как можно «записать» колебания камертона с малой (порядка 16 Гц) собственной частотой и большой амплитудой колебаний. К концу одной ветви камертона привинчена тонкая и узкая металлическая полоска, оканчивающаяся остриём. Остриё загнуто вниз и слегка касается лежащей на столе закопчённой стеклянной пластинки. При быстром перемещении пластинки под колеблющимися ветвями остриё оставляет на ней след в виде волнообразной линии.
Рис. 77. Запись колебаний ветви камертона
Волнообразная линия, прочерченная на пластинке остриём, очень близка к синусоиде. Таким образом, можно считать, что каждая ветвь звучащего камертона совершает гармонические колебания.
Различные опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука обязательно колеблется (хотя чаще всего эти колебания незаметны для глаза). Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, шелест листьев, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.
Дельфины излучают и используют ультразвук для общения друг с другом, предупреждения сородичей об опасности, обнаружении косяков рыбы
Для летучих мышей ультразвук является средством обнаружения добычи
Медузы чувствуют приближение шторма благодаря улавливанию создаваемой им инфразвуковой волны
Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издаёт звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, изображённая на рисунке 74, если переместить её в тисках вверх и тем самым удлинить свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше 16 Гц.
Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц (передающиеся обычно через воздух). Поэтому колебания этого диапазона частот называются звуковыми.
Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается - некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20 000 Гц.
Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 16 Гц - инфразвуковыми.
Ультразвук и инфразвук распространены в природе так же широко, как и волны звукового диапазона. Их излучают и используют для своих «переговоров» дельфины, летучие мыши и некоторые другие живые существа.
Рис. 78. Использование ультразвуковых колебаний для измерения глубины моря
Ультразвук находит широкое применение в технике. Например, направленные узкие пучки ультразвука применяются для измерения глубины моря (рис. 78). Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приёмник ультразвука. Излучатель даёт короткие сигналы, которые доходят до дна и, отражаясь от него, достигают приёмника. Моменты излучения и приёма сигнала регистрируются. Таким образом, за время t, которое проходит с момента отправления сигнала до момента его приёма, сигнал, распространяющийся со скоростью v, проходит путь, равный удвоенной глубине моря, т. е. 2h:
Отсюда легко вычислить глубину моря:
Описанный метод определения расстояния до объекта называется эхолокацией.
Звук от взмахов крыльев летящего комара мы слышим, а летящей птицы - нет. Почему?
Источники звука. Звуковые колебания
Человек живёт в мире звуков. Звук для человека является источником информации. Он предостерегает людей об опасности. Звук в виде музыки, пения птиц доставляет нам удовольствие. Нам приятно слушать человека с приятным голосом. Звуки важны не только для человека, но и для животных, которым хорошее улавливание звука помогает выжить.
Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах , которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.
Причина звука – вибрация (колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незаметны для нашего глаза.
КАМЕРТОН - это U-образная металлическая пластина , концы которой могут колебаться после удара по ней. Издаваемый камертоном звук очень слабый и его слышно лишь на небольшом расстоянии. Резонатор - деревянный ящик, на котором можно закрепить камертон, служит для усиления звука. Излучение звука при этом происходит не только с камертона, но и с поверхности резонатора. Однако длительность звучания камертона на резонаторе будет меньше, чем без него.
Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда .
Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.
Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.
Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Источники звука - физические тела, которые колеблются, т.е. дрожат или вибрируют с частотой от 16 до 20000 раз в секунду. Такие волны называются звуковыми. Вибрирующее тело может быть твердым, например, струна или земная кора, газообразным, например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах или жидким, например, волны на воде.
Колебания с частотой меньше 16 Гц называется инфразвуком . Колебания с частотой больше 20000 Гц называются ультразвуком .
Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). Давайте представим себе, каким образом происходит распространение звуковых волн в пространстве. В результате каких-то возмущений (например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке пространства, возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке, происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой волны. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.
Привычное для всех нас понятие «звук» означает всего лишь воспринимаемый слуховым аппаратом человека набор звуковых колебаний. О том, какие колебания человек воспринимает, а какие нет, мы поговорим позднее.
Характеристики звука.
Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой.
Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак - на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.
Приложив ухо к рельсам, можно услышать шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит металл проводит звук быстрее и лучше, чем воздух. Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит во время прибоя галька.
Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а также для измерения морских глубин.
Необходимое условие распространения звуковых волн – наличие материальной среды. В вакууме звуковые волны не распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от источника колебаний.
Поэтому на Луне из-за отсутствия атмосферы царит полная тишина. Даже падение метеорита на ее поверхность не слышно наблюдателю.
В отношении звуковых волн очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость распространения.
В каждой среде звук распространяется с разной скоростью.
Скорость звука в воздухе - приблизительно 340 м/с.
Скорость звука в воде - 1500 м/с.
Скорость звука в металлах, в стали - 5000 м/с.
В теплом воздухе скорость звука больше, чем в холодном, что приводит к изменению направления распространения звука.
Высота, тембр и громкость звука
Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.
За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости.
На практике громкость измеряют в децибелах (дБ).
1 дБ = 0,1Б. 10 дБ – шепот; 20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор средней громкости;
70 дБ – шум пишущей машинки;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м
130 дБ – порог болевого ощущения.
Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.
Частота зв уковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.
Звуки от разны х источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наиболь шего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окрас ку, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретно го голоса.
Согласно легенде,
Пифаго
р все
музыкальные звуки расположил в ряд, разбив
этот ряд на части – октавы,
– а
октаву – на 12 частей (7 основных то нов и 5 полутонов). Всего насчитывается 10 октав, обычно при исполнении музыкальных произведений используются 7–8 октав. Звуки частотой более 3000 Гц в качестве музыкальных тонов не используются, они слишком резки и пронзительны.
Перейдём к рассмотрению звуковых явлений.
Мир окружающих нас звуков разнообразен - голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчел, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолётов и других объектов.
Обрати внимание!
Источниками звука являются колеблющиеся тела.
Пример:
Закрепим в тисках упругую металлическую линейку. Если её свободную часть, длина которой подобрана определённым образом, привести в колебательное движение, то линейка будет издавать звук (рис. 1).
Таким образом, колеблющаяся линейка является источником звука.
Рассмотрим изображение звучащей струны, концы которой закреплены (рис. 2). Размытые очертания этой струны и кажущееся утолщение в середине свидетельствуют о том, что струна колеблется.
Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то полоска будет подпрыгивать от толчков струны. Пока струна колеблется, слышен звук; остановим струну, и звук прекращается.
На рисунке 3 изображён камертон - изогнутый металлический стержень на ножке, который укреплён на резонаторном ящике.
Если по камертону ударить мягким молоточком (или провести по нему смычком), то камертон зазвучит (рис. 4).
Поднесём к звучащему камертону лёгкий шарик (стеклянную бусинку), подвешенный на нитке, - шарик будет отскакивать от камертона, свидетельствуя о колебаниях его ветвей (рис. 5).
Чтобы «записать» колебания камертона с малой (порядка \(16\) Гц) собственной частотой и большой амплитудой колебаний, можно к концу одной его ветви привинтить тонкую и узкую металлическую полоску с остриём на конце. Остриё необходимо загнуть вниз и слегка коснуться им лежащей на столе закопчённой стеклянной пластинки. При быстром перемещении пластинки под колеблющимися ветвями камертона остриё оставляет на пластинке след в виде волнообразной линии (рис. 6).
Волнообразная линия, прочерченная на пластинке остриём, очень близка к синусоиде. Таким образом, можно считать, что каждая ветвь звучащего камертона совершает гармонические колебания.
Различные опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука обязательно колеблется, даже если эти колебания незаметны для глаза. Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, шелест листьев, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.
Обрати внимание!
Не всякое колеблющееся тело является источником звука.
Например, не издаёт звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, если удлинить её свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше \(16\) Гц.
Человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от \(16\) до \(20000\) Гц (передающиеся обычно через воздух).
Механические колебания, частота которых лежит в диапазоне от \(16\) до \(20000\) Гц называются звуковыми.
Указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается - некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими \(6000\) Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше \(20 000\) Гц.
Механические колебания, частота которых превышает \(20 000\) Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее \(16\) Гц - инфразвуковыми.
Ультразвук и инфразвук распространены в природе так же широко, как и волны звукового диапазона. Их излучают и используют для своих «переговоров» дельфины, летучие мыши и некоторые другие живые существа.
