Звуковые колебания камертона. Реферат: Источники звука. Звуковые колебания. Характеристики звуковых волн

Звук , как мы помним, является упругими продольными волнами. А волны порождаются колеблющимися предметами.

Примеры источников звука : колеблющаяся линейка, один конец которой зажат, колеблющиеся струны, мембрана динамика.

Но не всегда колеблющиеся предметы порождают слышимый ухом звук – если частота их колебаний ниже 16 Гц, то они порождают инфразвук , а если больше 20кГц, то ультразвук .

Ультразвук и инфразвук – с точки зрения физики такие же упругие колебания среды, как и обычный звук, но ухо не способно их воспринять, так как эти частоты слишком далеки от резонансной частоты барабанной перепонки (перепонка просто не может колебаться с такой частотой).

Звуки высокой частоты ощущаются как более тонкие, звуки низкой частоты – как более басовитые.

Если колебательная система совершает гармонические колебания одной частоты, то её звук называется чистым тоном . Обычно источники звука издают звуки сразу нескольких частот – тогда наименьшая частота называется основным тоном , а остальные называются обертонами . Обертона определяют тембр звука – именно из-за них мы легко отличим пианино от скрипки, даже когда основная частота у них одинаковая.

Громкость звука – это субъективное ощущение, позволяющее сравнивать звуки как «более громкие» и «менее громкие». Громкость зависит от многих фактором – он частоты, от длительности, от индивидуальных особенностей слушателя. Но сильнее всего она зависит от звукового давления, которое напрямую связано с амплитудой колебаний того предмета, что издаёт звук.

Единица измерения громкости называется сон .

В практических задачах обычно используют величину, называемую уровень громкости или уровень звукового давления . Измеряется эта величина в белах [Б] или, чаще, в децибелах [дБ] .

Эта величина логарифмически зависит от звукового давления – то есть увеличение давления в 10 раз увеличивает уровень громкости на 1 дБ.

Звук листания газеты – это примерно 20 дБ, будильник – 80 дБ, звук взлетающего самолёта – это 100-120 дБ (на грани болевых ощущений).

Одно из необычных применений звука (точнее ультразвука) – это эхолокация . Можно издать звук и измерить время, через которое придёт эхо. Чем больше расстояние до препятствия, тем больше будет задержка. Обычно такой способ измерения расстояний используется под водой, но летучие мыши применяют его прямо в воздухе.

Расстояние при эхолокации определяется следующим образом:

2r = vt , где v – скорость звука в среде, t – время задержки до эха, r – расстояние до преграды.

Редактировать этот урок и/или добавить задание и получать деньги постоянно* Добавить свой урок и/или задания и получать деньги постоянно

Звук обуславливается механическими колебаниями в упругих средах и телах, частоты которых лежат в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц и которые способно воспринимать человеческое ухо.

Соответственно этому механическому колебанию с указанными частотами называются звуковыми и акустическими. Неслышимые механические колебания с частотами ниже звукового диапазона называются инфразвуковыми, а с частотами выше звукового диапазона называются ультразвуковыми.

Если звучащее тело, например электрический звонок, поставить под колокол воздушного насоса, то по мере откачивания воздуха звук будет делаться все слабее и слабее и, наконец, совсем прекратится. Передача колебаний от звучащего тела осуществляется через воздух. Отметим, что при своих колебаниях звучащее тело при своих колебаниях попеременно то сжимает воздух, прилегающий к поверхности тела, то, наоборот, создает разрежение в этом слое. Таким образом, распространение звука в воздухе начинается с колебаний плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела.

Музыкальный тон. Громкость и высота тона

Звук, который мы слышим тогда, когда источник его совершает гармоническое колебание, называется музыкальным тоном или, коротко, тоном.

Во всяком музыкальном тоне мы можем различить на слух два качества: громкость и высоту.

Простейшие наблюдения убеждают нас в том, что тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Звук камертона после удара по нему постепенно затихает. Это происходит вместе с затуханием колебаний, т.е. со спаданием их амплитуды. Ударив камертон сильнее, т.е. сообщив колебаниям большую амплитуду, мы услышим более громкий звук, чем при слабом ударе. То же можно наблюдать и со струной и вообще со всяким источником звука.

Если мы возьмем несколько камертонов разного размера, то не представит труда расположить их на слух в порядке возрастания высоты звука. Тем самым они окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон дает наиболее низкий звук, самый маленький – наиболее высокий звук. Таким образом, высота тона определяется частотой колебаний. Чем выше частота и, следовательно, чем короче период колебаний, тем более высокий звук мы слышим.

Акустический резонанс

Резонансные явления можно наблюдать на механических колебаниях любой частоты, в частности и на звуковых колебаниях.

Поставим рядом два одинаковых камертона, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, друг к другу. Ящики нужны потому, что они усиливают звук камертонов. Это происходит вследствие резонанса между камертоном и столбов воздуха, заключенного в ящике; поэтому ящики называются резонаторами или резонансными ящиками.

Ударим один из камертонов и затем приглушим его пальцами. Мы услышим, как звучит второй камертон.

Возьмем два разных камертона, т.е. с различной высотой тона, и повторим опыт. Теперь каждый из камертонов уже не будет откликаться на звук другого камертона.

Нетрудно объяснить этот результат. Колебания одного камертона действует через воздух с некоторой силой на второй камертон, заставляя его совершать его вынужденные колебания. Так как камертон 1 совершает гармоническое колебания, то и сила, действующая на камертон 2, будет меняться по закону гармонического колебания с частотой камертона 1. Если частота силы иная то вынужденные колебания будут настолько слабы, что мы их не услышим.

Шумы

Музыкальный звук (ноту) мы слышим тогда, когда колебание периодическое. Например, такого рода звук издает струна рояля. Если одновременно ударить несколько клавиш, т.е. заставить звучать несколько нот, то ощущение музыкального звука сохранится, но отчетливо выступит различие консонирующих (приятных на слух) и диссонирующих (неприятных) нот. Оказывается, что консонируют те ноты, периоды которых находятся отношениях небольших чисел. Например, консонанс получается при отношении периодов 2:3 (квинта), при 3:4 (кванта), 4:5 (большая терция) и т.д. Если же периоды относятся как большие числа, например 19:23, то получается диссонанс – музыкальный, но неприятный звук. Еще дальше мы уйдем от периодичности колебаний, если одновременно ударим по многим клавишам. Звук получится уже шумоподобным.

Для шумов характерна сильная непериодичность формы колебаний: либо это – длительное колебание, но очень сложное по форме (шипение, скрип), либо отдельные выбросы (щелчки, стуки). С этой точки зрения шумам следует отнести и звуки, выражаемые согласными (шипящими, губными и т.д.).

Во всех случаях шумовые колебания состоят из огромного количества гармонических колебаний с разными частотами.

Таким образом, у гармонического колебания спектр состоит из одной-единственной частоты. У периодического колебания спектр состоит из набора частот – основной и кратных ей. У консонирующих созвучий мы имеем спектр, состоящий из нескольких таких наборов частот, причем основные относятся как небольшие целые числа. У диссонирующих созвучий основные частоты уже не находятся в таких простых отношениях. Чем больше в спектре разных частот, тем ближе мы подходим к шуму. Типичные шумы имеют спектры, в которых присутствуют чрезвычайно много частот.

Вопросы.

1. Расскажите об опытах, изображенных на рисунках 70-73. Какой вывод из них следует?

В первом опыте (рис. 70) зажатая в тиски металлическая линейка издает звук при ее колебании.
Во втором опыте (рис. 71) можно наблюдать колебания струны, которая при этом тоже издает звук.
В третьем опыте (рис. 72) наблюдается звучание камертона.
В четвертом опыте (рис. 73) колебания камертона "записываются" на закопченую пластинку. Все эти опыты демонстрируют колебательный характер возникновения звука. Звук появляется в результате колебаний. В четвертом опыте это можно еще и наглядно наблюдать. Острие иглы оставляет след в виде близком к синусоиде. При этом звук не появляется ниоткуда, а порождается источниками звука: линейкой, струной, камертоном.

2. Каким общим свойством обладают все источники звука?

Любой источник звука обязательно колеблется.

3. Механические колебания каких частот называются звуковыми и почему?

Звуковыми называются механические колебания с частотами от 16 Гц до 20 000 Гц, т.к. в данном частотном диапазоне они воспринимаются человеком.

4. Какие колебания называются ультразвуковыми? инфразвуковыми?

Колебания с частотами более 20 000 Гц называются ультразвуковыми, а с частотами ниже 16 Гц - инфразвуковыми.

5. Расскажите об измерении глубины моря методом эхолокации.

Упражнения.

1. Звук от взмахов крыльев летящего комара мы слышим. а летящей птицы - нет. Почему?

Частота колебаний крыльев комара 600 Гц (600 взмахов в секунду), воробья 13 ГЦ, а человеческое ухо воспринимает звуки от 16 Гц.

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.

Вопросы

Расскажите о ходе опытов, изображённых на рисунках 74-77. Какой вывод из них следует?
Что является источниками звука?
Механические колебания каких частот называются звуковыми и почему?
Какие колебания называются ультразвуковыми; инфразвуковыми?
Расскажите об измерении глубины моря методом эхолокации.

Упражнение 28

Звук от взмахов крыльев летящего комара мы слышим, а летящей птицы - нет. Почему?

Источники звука.

Звуковые колебания

Конспект урока.

1.Организационный момент

Здравствуйте, ребята! Наш урок имеет широкое практическое применение в повседневной практике. Поэтому ваши ответы будут зависеть от наблюдательности в жизни и от умения анализировать свои наблюдения.

2. Повторение опорных знаний.

На экране проектора высвечиваются слайды №1, 2, 3, 4, 5 (приложение 1).

Ребята, перед вами кроссворд, разгадав который вы узнаете ключевое слово урока.

1-й фрагмент: назовите физическое явление

2-й фрагмент: назовите физический процесс

3-й фрагмент: назовите физическую величину

4-й фрагмент: назовите физический прибор

Р	З	Н
В
			У
			К

Обратите внимание на выделенное слово. Это слово «ЗВУК», оно является ключевым словом урока. Наш урок посвящён звуку и звуковым колебаниям. Итак, тема урока «Источники звука. Звуковые колебания». На уроке вы узнаете, что является источником звука, что такое звуковые колебания их возникновение и некоторые практические применения в вашей жизни.

3. Объяснение нового материала.

Проведём опыт. Цель опыта: выяснить причины возникновения звука.

Опыт с металлической линейкой (приложение 2).

Что вы наблюдали? Какой можно сделать вывод?

Вывод: колеблющееся тело создаёт звук.

Проведём следующий опыт. Цель опыта: выяснить, всегда ли звук создаётся колеблющимся телом.

Прибор, который вы видите перед собой, называется камертон.

Опыт с камертоном и теннисным шариком, повешенным на нити (приложение 3).

Вы слышите звук, который издаёт камертон, но колебаний камертона не заметно. Чтобы убедиться в том, что камертон колеблется, осторожно пододвинем его к тенистому шарики подвешенному на нити и увидим, что колебания камертона передались шарику, который пришёл в периодическое движение.

Вывод: звук порождается любым колеблющимся телом.

Мы живём в океане звуков. Звук создаётся источниками звука. Существуют как искусственные, так и естественные источники звука. К естественным источникам звука относятся голосовые связки (приложение 1 – слайд №6).Воздух, которым мы дышим, выходит из лёгких через дыхательные пути в гортань. В гортани находятся голосовые связки. Под давлением выдыхаемого воздуха они начинают колебаться. Роль резонатора играют полости рта и носа, а также грудь. Для членораздельной речи кроме голосовых связок необходимы также язык, губы, щёки, мягкое нёбо и надгортанник.

К естественным источникам звука относятся также жужжание комара, мухи, пчелы (колеблются крылья ).

Вопрос: за счёт чего создаётся звук.

(Воздух в шарике находится под давлением в сжатом состоянии. Затем, резко расширяется и создаёт звуковую волну.)

Итак, звук создаёт не только колеблющееся, но и резко расширяющееся тело. Очевидно, что во всех случаях возникновения звука происходит перемещение слоёв воздуха, т. е. возникает звуковая волна.

Звуковая волна невидимая, её только можно услышать, а также зарегистрировать физическими приборами. Для регистрации и исследования свойств звуковой волны применим компьютер, который в настоящее время широко применяется учёными-физиками для исследований. На компьютере установлена специальная исследовательская программа, а также подключен микрофон, который улавливает звуковые колебания (приложение 4). Посмотрите на экран. На экране вы видите графическое представление звукового колебания. Что представляет собой данный график? (синусоиду)

Проведем опыт с камертоном с пером. Резиновым молоточком ударяем по камертону. Учащиеся видят колебания вилки камертона, но звука не слышат.

Вопрос: Почему колебания есть, а звук вы не слышите?

Оказывается, ребята, человеческое ухо воспринимает звуковые диапазоны в пределах от 16 Гц доГц, это слышимый звук.

Послушайте их через компьютер и уловите изменение частот диапазона (приложение 5). Обратите внимание на то, как меняется вид синусоиды при изменении частоты звуковых колебаний (период колебаний уменьшается, а следовательно частота увеличивается).

Есть неслышимые звуки для человеческого уха. Это инфразвук (диапазон колебаний меньше 16 Гц) и ультразвук (диапазон большеГц). Схему частотных диапазонов вы видите на доске, зарисуйте её в тетрадь (приложение 5). Исследуя инфра и ультразвуки учёные открыли много интересных особенностей этих звуковых волн. Об этих интересных фактах нам расскажут ваши одноклассники (приложение 6).

4. Закрепление изученного материала.

Для закрепления изученного материала на уроке предлагаю сыграть в игру ВЕРНО-НЕВЕРНО. Я зачитываю ситуацию, а вы поднимаете табличку с надписью, ВЕРНО или НЕВЕРНО, и поясняете свой ответ.

Вопросы. 1. Верно ли, что источником звука является любое колеблющееся тело? (верно).

2. Верно ли, что в зале, заполненном публикой, музыка звучит громче, чем в пустом? (неверно, т. к. пустой зал действует как резонатор колебаний).

3. Верно ли, что комар быстрее машет крыльями, чем шмель? (верно, т. к. звук, производимый комаром выше, следовательно, выше и частота колебаний крыльев).

4. Верно ли, что колебания звучащего камертона быстрее затухают, если его ножку поставить на стол? (верно, т. к. колебания камертона передаются столу).

5. Верно ли, что летучие мыши видят с помощью звука? (верно, т. к. летучие мыши излучают ультразвук, а затем слушают отражённый сигнал).

6. Верно ли, что некоторые животные «предсказывают» землетрясение с помощью инфразвука? (верно, например, слоны чувствуют землетрясение за несколько часов и при этом крайне возбуждены).

7.Верно ли, что инфразвук вызывает психические расстройства у людей? (верно, в Марселе (Франция) рядом с научным центром была построена небольшая фабрика. Вскоре после ее пуска в одной из научных лабораторий обнаружили странные явления. Пробыв в ее помещении пару часов, исследователь становился абсолютно тупым: он с трудом решал даже несложную задачу).

И в заключение предлагаю вам из разрезанных букв, путём перестановки получить ключевые слова урока.