Полученные знания о колебаниях и волнах позволяют нам перейти к рассмотрению звуко- вых явлений. Мир окружающих нас звуков разнообра- зен - голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчёл, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомоби- лей, самолётов и т. д. Источниками звука яв- ляются колеблющиеся тела. В этом можно убе- диться 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 колеба- тельное 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 изо- бражена звучащая струна, концы которой за- креплены. Размытые очертания этой струны и кажущееся утолщение в середине свидетельст вуют о том, что струна колеблется. Если к зву чащей струне приблизить конец бумажной по- лоски, то полоска будет подпрыгивать от тол- чков струны. Пока струна колеблется, слышен звук; остановим струну, и звук прекращается. Прибор, изображённый на рисунке 76, на- зывается камертоном. Он представляет со- бой изогнутый металлический стержень на ножке. В данном случае камертон укреплён на резонаторном ящике (о назначении которого вы узнаете из § 40). Если по камертону ударить мягким моло- точком или провести по нему смычком, то ка- мертон зазвучит. Поднесём к звучащему ка- мертону лёгкий шарик (стеклянную бусинку), подвешенный на нитке, шарик будет отска- кивать от камертона, свидетельствуя о колеба- ниях его ветвей. На рисунке 77 показано, как можно «записать» колебания камертона с малой (порядка 16 Гц) собственной частотой и большой амп- литудой колебаний. К концу одной ветви камертона привинчена тонкая и узкая металли ческая полоска, оканчивающаяся остриём. Острие загнуто вниз и слегка касается лежа- щей на столе закопчённой стеклянной пла стинки. При быстром перемещении пластинки под колеблющимися ветвями острие оставляет на ней след в виде волнообразной линии. Волнообразная линия, прочерченная на пла стинке остриём, очень близка к синусоиде. Та- ким образом, можно считать, что каждая ветвь звучащего камертона совершает гармониче ские колебания. Различные опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука обязательно колеб лется (хотя чаще всего эти колебания неза- метны для глаза). Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в ре- зультате колебаний их голосовых связок, зву чание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, шелест листьев, рас- каты грома обусловлены колебаниями масс воздуха. Но далеко не всякое колеблющееся тело яв ляется источником звука. Например, не издаёт звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и ме таллическая линейка, изображённая на рисун- ке 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 механи- ческие колебания с частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц (передающиеся обычно через воз- дух). Поэтому колебания этого диапазона час- тот называются звуковыми. Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особен- ностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимае- мых звуков значительно понижается неко- торые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, ча стота которых несколько больше 20 000 Гц. Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультра- звуковыми, а колебания с частотами менее 16 Гц - инфразвуковыми. Ультразвук и инфразвук распространены в природе так же широко, как и волны звуко- вого диапазона. Их излучают и используют для своих «переговоров дельфины, летучие мыши и некоторые другие живые существа. Ультразвук находит широкое применение в технике. Например, направленные узкие пучки ультразвука применяются для измере- ния глубины моря (рис. 78). Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приёмник ультразвука. Излучатель даёт короткие сигна- лы, которые доходят до дна и, отражаясь от не- го, достигают приёмника. Моменты излучения и приёма сигнала регистрируются. Таким обра- зом, за время, которое проходит с момента от- правления сигнала до момента его приёма, сиг нал, распространяющийся со скоростью и, про- ходит путь, равный удвоенной глубине моря, т. е. 2h: 2hvt. Отсюда легко вычислить глубину моря: h=vt/2 Описанный метод определения расстояния до объекта называется эхолокацией. Обратимся ещё раз к опыту, изображённому на рисунке 74. Как уже говорилось, свободная часть линейки создаёт звук только в том случае, если она колеблется с частотой, не меньшей чем 16 Гц. Переместим линейку в тисках вниз (уко- ротив тем самым верхнюю часть) и приведём её в колебательное движение. Заметим, что часто- та колебаний линейки увеличилась, а издавае- мый ею звук стал выше. Продолжая периодиче- ски укорачивать колеблющуюся часть линей- ки, убедимся в том, что с увеличением частоты колебаний звук повышается. Проверим этот вывод на другом опыте. Возь- мём зубчатый диск (рис. 79, а), с помощью спе- циального устройства приведём его во враще- ние и прикоснёмся к зубчатому краю тонкой картонной пластинкой (рис. 79, б). Под воздей- ствием зубьев вращающегося диска пластинка начнёт совершать вынужденные колебания, в результате чего мы услышим звук. Увеличим скорость вращения диска, и пластинка станет колебаться чаще, а издаваемый ею звук будет выше. На основании описанного опыта можно за- ключить, что высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Напомним, что ветви камертона совершают гармонические (синусоидальные) колебания, которые являются самым простым видом коле- баний. Таким колебаниям присуща только од- на строго определённая частота. Звук камерто- на является чистым тоном. Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармониче ские колебания одной частоты. Звуки от других источников (например, аву ки различных музыкальных инструментов, го- лоса людей, звук сирены и многие другие) представляют собой совокупность гармониче ских колебаний разных частот, т. е. совокуп- ность чистых тонов. Самая низкая (т. е. самая малая) частота та- кого сложного звука называется основной ча стотой, а соответствующий ей звук опреде лённой высоты основным тоном (иногда его называют просто тоном). Высота сложно го звука определяется именно высотой его основного тона. Все остальные тоны сложного звука называ- ются обертонами. Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона (поэтому их называют так- же высшими гармоническими тонами). Обертоны определяют тембр звука, т. е. та кое его качество, которое позволяет нам отли чать звуки одних источников от звуков других. Например, мы легко отличаем звук рояля от звука скрипки даже в том случае, если эти зву ки имеют одинаковую высоту, т. е. одну и ту же частоту основного тона. Отличие же этих звуков обусловлено разным набором обертонов (совокупность обертонов различных источни ков может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот). Таким образом, высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше ча- стота основного тона, тем выше звук. Тембр звука определяется совокупностью его обертонов. Чтобы выяснить, от чего зависит громкость звука, вернёмся к опыту, изображённому на рисунке 76. К одной ветви камертона подводят вплотную маленький висящий на нити шарик, а по другой слегка ударяют молоточком. Обе ветви камертона приходят в колебательное движение. Слышен негромкий звук. Шарик отскакивает от колеблющейся ветви на неболь шое расстояние. Затем камертон глушат и сно- ва ударяют по нему, но гораздо сильнее, чем в первый раз. Теперь камертон звучит громче, а шарик отскакивает на большее расстояние, что свидетельствует о большей амплитуде ко- лебаний ветвей. 10 10 Гц Этот и многие другие опыты позволяют сде- лать вывод о том, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше ампли- туда колебаний, тем громче звук. В рассмотренном опыте частоты колебаний обоих звуков тихого и громкого одинако- вы, так как их источником является один и тот же камертон. Но если сравнить звуки разных частот, то кроме амплитуды колебаний при- шлось бы учитывать ещё один фактор, влияю- щий на громкость. Дело в том, что чувстви тельность человеческого уха к звукам разной частоты различна. При одинаковых амплиту дах как более громкие воспринимаются зву ки, частоты которых лежат в пределах от 1000 до 5000 Гц. Поэтому, например, высокий женский голос с частотой 1000 Гц будет для на- шего уха громче низкого мужского с частотой 200 Гц, даже если амплитуды колебаний голо- совых связок в обоих случаях одинаковы. Громкость звука зависит также от его дли тельности и от индивидуальных особенно- стей слушателя. Vt.c 50 Гц женский ий оту, Громкость звука это субъективное качест- во слухового ощущения, позволяющее распо- лагать все звуки по шкале от тихих до гром- ких. Единица громкости звука называется сон. В практических задачах громкость звука принято характеризовать уровнем звукового давления, измеряемым в белах (Б) или децибе лах (дБ), составляющих десятую часть бела. Например, звуку, возникающему при листа- нии газеты, соответствует уровень звукового давления порядка 20 дБ, звуку звонка будиль ника примерно 80 дБ, двигателя самолёта - порядка 130 дБ (такой громкий звук вызывает у человека болевое ощущение). Систематическое воздействие на человека громких звуков, особенно шумов (совокупно- сти звуков разной громкости, высоты тона, тембра), неблагоприятно отражается на его здоровье. В шумных районах у многих людей появля ются симптомы шумовой болезни: повышен- ная нервная возбудимость, быстрая утомляе мость, повышенное артериальное давление. Поэтому в больших городах приходится при- нимать специальные меры для уменьшения шумов, например запрещать звуковые сигна- лы автомобилей. Мы воспринимаем звуки, находясь на рас- стоянии от их источников. Обычно звук дохо дит до нас по воздуху. Воздух является упругой средой, передающей звук. Если между источником и приёмником уда- лить звукопередающую среду, то звук распро страняться не будет и, следовательно, приём ник не воспримет его. Продемонстрируем это на опыте. Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник (рис. 80). Пока в колоколе находится воздух, звук звонка слышен ясно. При откачивании воздуха из-под колокола звук постепенно слабеет и, наконец, становит ся неслышимым. Без передающей среды коле- бания тарелки звонка не могут распростра- няться, и звук не доходит до нашего уха. Впу- стим под колокол воздух и снова услышим звон. Хорошо проводят звуки упругие вещества, например металлы, древесина, жидкости, газы. Положим на один конец деревянной доски карманные часы, а сами отойдём к другому концу. Приложив ухо к доске, услышим ход часов. Привяжем к металлической ложке бечёвку. Конец бечёвки приложим к уху. Ударяя по ложке, услышим сильный звук. Ещё более сильный звук услышим, если бечёвку заменим проволокой. Мягкие и пористые тела плохие провод- ники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних зву ков, стены, пол и потолок прокладывают про- слойками из звукопоглощающих материалов. В качестве прослоек используют войлок, прес- сованную пробку, пористые камни, различные синтетические материалы (например, пено- пласт), изготовленные на основе вспененных полимеров. Звук в таких прослойках быстро затухает. Жидкости хорошо проводят звук. Рыбы, на пример, хорошо слышат шаги и голоса на бере- гу, это известно опытным рыболовам. Итак, звук распространяется в любой упру гой среде - твёрдой, жидкой и газообразной, но не может распространяться в простран стве, где нет вещества. Колебания источника создают в окружаю- щей его среде упругую волну звуковой часто- ты. Волна, достигая уха, воздействует на ба рабанную перепонку, заставляя её колебаться с частотой, соответствующей частоте источни ка звука. Дрожания барабанной перепонки пе- редаются посредством системы косточек окон- чаниям слухового нерва, раздражают их и тем вызывают ощущение звука. Напомним, что в газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие вол- ны. Звук в воздухе, например, передаётся про- дольными волнами, т. е. чередующимися сгу щениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука. Звуковая волна, как и любые другие меха- нические волны, распространяется в простран- стве не мгновенно, а с определённой скоро- стью. В этом можно убедиться, например, на- блюдая издалека за стрельбой из ружья. Сначала видим огонь и дым, а потом через не- которое время слышим звук выстрела. Дым появляется в то же время, когда происходит первое звуковое колебание. Измерив промежуток времени в между моментом возникновения звука (момент появления дыма) и моментом, когда он доходит до уха, можно определить скорость распространения звука: V=s/t Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 0 °С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с. Скорость звука в газах тем больше, чем вы ше их температура. Например, при 20 °С ско- рость звука в воздухе равна 343 м/с, при 60 °С - 366 м/с, при 100 °С - 387 м/с. Объяс- няется это тем, что с повышением температуры возрастает упругость газов, а чем больше упру- гие силы, возникающие в среде при её дефор- мации, тем больше подвижность частиц и тем быстрее передаются колебания от одной точки к другой. Скорость звука зависит также от свойств среды, в которой распространяется звук. На- пример, при 0 °С скорость звука в водороде равна 1284 м/с, а в углекислом газе 259 м/с, так как молекулы водорода менее массивны и менее инертны. В настоящее время скорость звука может быть измерена в любой среде. В таблице 2 при- ведены скорости звука в некоторых средах. Молекулы в жидкостях и твёрдых телах рас- положены ближе друг к другу и сильнее взаи- модействуют, чем молекулы газов. Поэтому скорость звука в жидких и твёрдых средах больше, чем в газообразных. Поскольку звук это волна, то для опреде- ления скорости звука, помимо формулы, можно пользоваться известными вам формула- λ ми: v= и υ = νλ. При решении задач ско- T рость звука в воздухе обычно считают равной 340 м/с. Каждый из вас знаком с таким звуковым яв лением, как эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград стен большого пустого помещения, леса, сводов вы- сокой арки в здании (рис. 81). Но почему мы не слышим эха в небольшой квартире? Ведь и в ней звук должен отражать- ся от стен, потолка, пола. Оказывается, эхо слышно лишь в том слу чае, когда отражённый звук воспринимается отдельно от произнесённого. Для этого нужно, чтобы промежуток времени между воздействи- ем этих двух звуков на барабанную перепонку уха составлял не менее 0,06 с. тражение волн Определим, через какое время после произ- несённого вами короткого возгласа отражён- ный от стены звук достигнет вашего уха, если вы стоите на расстоянии 3 м от этой стены. Звук должен пройти расстояние до стены и обратно, т. е. 6 м, распространяясь со скоро- стью 340 м/с. На это потребуется время t = 3, т. е. t= 6 м 0 м/с = 0,02 с. 340 В данном случае интервал между двумя вос- принимаемыми вами звуками произнесён- ным и отражённым значительно меньше то- го, который необходим, чтобы услышать эхо. Кроме того, образованию эха в комнате пре- пятствует находящаяся в ней мебель, шторы и другие предметы, частично поглощающие от- ражённый звук. Поэтому в таком помещении речь людей и другие звуки не искажаются эхом и звучат чётко и разборчиво. Большие полупустые помещения с гладки- ми стенами, полом и потолком обладают свой- ством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию пред шествующих звуковых волн на последующие получается наложение звуков, и образуется гул. Для улучшения звуковых свойств боль ших залов и аудиторий их стены часто облицо вывают звукопоглощающими материалами. На свойстве звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора рас- ширяющейся трубы обычно круглого или пря моугольного сечения (рис. 82). При использо вании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счёт чего мощность звука увеличива- ется и он распространяется на большее рассто- яние. Напомним, что при резонансе амплитуда установившихся вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебатель- ной системы. Например, довольно тяжёлый нитяной ма- ятник (рис. 83) можно сильно раскачать, если периодически дуть на него (даже очень слабой струёй) в направлении его движения с часто- той, равной его собственной частоте. Резонанс может быть вызван и действием звуковых волн. Чтобы пронаблюдать это, про- делаем следующий опыт. Возьмём два камер- тона А и В с одинаковыми собственными часто- тами и поставим их рядом, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, навстречу друг другу (рис. 84). Ударяя резиновым молоточ- ком по камертону А, приведём его в колебание, а затем приглушим паль- цами. Мы услышим звук, издавае- мый камертоном В, который отзыва- ется на колебания камертона А подоб- но тому, как в опытах с маятниками (см. рис. 68, б) маятник 1 отзывался на колебания маятника 3. Изменим период колебания камертона В, надев на его ножку небольшую муфточку С. Повторив опыт, обнаружим, что теперь камер тон В уже не отзывается на колебания камер- тона А. Звуковые волны, образованные камертоном А. дойдя до камертона В, возбуждают в нём вынужденные колебания. Поскольку собст венные частоты колебаний камертонов оди наковы, то имеет место резонанс: камертон В колеблется с наибольшей возможной ампли тудой и издаёт звук. Но при наличии на ка мертоне В муфты С его собственная частота колебаний меняется, и амплитуда колебаний уменьшается настолько, что звука мы не услы шим. Ящики, на которых установлены камерто- ны, способствуют усилению звука и наиболее полной передаче энергии от одного камертона к другому. Усиление звука происходит за счёт колебаний самого ящика и особенно столба воздуха в нём. Размеры ящика подбирают та ким образом, чтобы собственная частота воз- душного столба в нём совпадала с частотой ко- лебаний камертона. При этом столб воздуха колеблется в резонанс с камертоном, т. е. ам- плитуда его колебаний и соответственно гром- кость звука достигают наибольших значений. Камертон, снабжённый таким ящиком (ре- зонатором), издаёт более громкий, но менее длительный звук (по закону сохранения энер- гии). В музыкальных инструментах роль резона- торов выполняют части их корпусов. Напри- мер, в гитаре, скрипке и других подобных им струнных инструментах резонаторами служат деки, которые усиливают издаваемые струна- ми звуки и придают звучанию инструмента ха- рактерную для него окраску тембр. Тембр звука зависит не только от формы и размера резонатора, но и от того, из какого дерева он изготовлен, и даже от состава лака, покрывающего его. Тембр определяется также материа- лом, из которого сделана струна, и тем, глад кая она или витая. Резонаторы имеются и в голосовом аппарате человека. Источники звука в голосовом аппа- рате голосовые связки. Они приходят в ко- лебание благодаря продуванию воздуха из лёг ких и возбуждают звук, основной тон которого зависит от их натяжения. Этот звук богат обер- тонами. Гортань усиливает те из обертонов, ча- стота колебаний которых близка к её собствен- ной частоте. Дальше звуковые волны попадают в полость рта. Для произнесения каждой глас- ной необходимо особое положение губ, языка и определённая форма резонаторной полости во рту. Физика 9 класс сделать конспект (звук, виды звуков с указанием частоты. Характеристики слышимого звука: громкость, тон, тембр, от чего зависят, как и тд)