г. Энгельс МБОУ СОШ № 33 Звук и звуковые явления Работу выполнили: ученики 11 г класса Костин Илья и Руппель Сергей Руководитель: • Учитель физики Ладыгина Татьяна Ивановна 2012 - 2013 учебный год
содержание 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. История звука Источники звука Виды звуковых колебаний Акустика Распространение звука Характеристики звука Эхо Инфразвук Ультразвук
Историческая справка
Аристотель В IV в. до н. э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий.
Роберт Бойль В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распространяется).
Жозеф Савер В 1700 - 1707 гг. Жозеф Савёр первый определил границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800.
Леонард Эйлер Наиболее существенный вклад внес Эйлер. Ему мы обязаны полной теорией колебаний струны, начало построению которой было положено в 1739 году в его труде "Опыт новой теории музыки"
Эрнест Флорес Фридрих Хладни Немецкий физик Эрнест Флорес Фридрих Хладни - отец экспериментальной акустики. Фактическое объяснение эха также принадлежит Хладни.
Христиан Доплер В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер предположил влияние относительного движения на высоту тона (эффект Доплера). А в 1845 году Бейс. Баллот экспериментально обнаружил эффект Доплера для акустических волн.
Томас Алва Эдисон В 1877 году американский учёный Томас Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука. Изобретённый им способ звукозаписи получил название механического.
Пьер и Поль Кюри В 1880 году французские учёные братья Пьер и Поль Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект для создания ультразвука и обнаружения не слышимого человеком ультразвука.
Источники звука Источниками звука являются колеблющиеся тела. Человеческое ухо воспринимает как звук механические колебания от 16 Гц до 20 000 Гц Колебания этого диапазона частот называются звуковыми
Классификации источников звука § По способу возбуждения звуковой волны: Ø Колебательные системы ( струны, пластины) Ø Автоколебательные системы (музыкальные инструменты, голосовой аппарат человека, электрический звонок, сигналы на транспорте) Ø Источники звукового вращения (винты самолета, корабля, вертолета) Ø Источники вихревого звука (свист растяжки, звук провода, обдуваемого ветром, свист хлыста) Ø Электроакустический • По происхождению Ø Естественные Ø Искусственные • По закону колебаний Ø Периодические Ø Импульсивные Ø Гармонические Ø Негармонические
ЗВУК Инфразвук 16 Гц Слышимый звук 16 Гц 20 к. Гц Ультразвук 20 к. Гц
Виды звуковых колебаний Различают три вида звуковых колебаний: • музыкальные звуки • звуковые удары • шумы
Музыкальные звуки
Звуковые удары Ударные волны возникают при выстреле, взрыве, электрическом разряде и при движении твердых тел со скоростью превышающей скорость звука.
Звуковые удары Основной особенностью ударной волны является резкий скачок давления на фронте волны. При этом одновременно скачком изменяются плотность и температура среды. Затем давление медленно падает. Мощность ударной волны зависит от силы взрыва
Скорость ударных волн Скорость распространения ударных волн может быть больше скорости звука в данной среде.
Сверхзвуковой самолет Перед самолётом, который летит со сверхзвуковой скоростью, образуется ударная волна, которая является основным фактором, определяющим сопротивление движению самолёта. Чтобы это сопротивление ослабить, сверхзвуковым самолётам придают стреловидную форму.
Шумы Наложение большого количества колебаний беспорядочно смешанных одно относительно другого и произвольно изменяющих интенсивность во времени, приводят к сложной форме колебаний. Такие сложные колебания, состоящие из большого числа простых звуков различной тональности, называют шумами.
Действие шумов Продолжительные сильные шумы (порядка 90 д. Б и более) оказывают вредное действие на нервную систему человека, а шум морского прибоя или леса успокаивающее.
В шумных районах у людей появляются симптомы шумовой болезни: • повышенная нервная возбудимость, • быстрая утомляемость, • повышенное артериальное давление.
Акустика Раздел физики, занимающийся изучением звуковых явлений, называется акустикой.
Разделы акустики • Предметом физиологической акустики является сам орган слуха, его устройство и действие. • Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях. • Музыкальная акустика исследует музыкальные инструменты и условия их наилучшего звучания. • Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а так же инфра и ультразвука.
Как мы слышим? Ощущение звука вызывается звуковыми волнами, достигающими органа слуха - уха. Важнейшая часть этого органа - барабанная перепонка. Пришедшая к ней звуковая волна вызывает вынужденные колебания барабанной перепонки с частотой колебаний в волне. Они воспринимаются мозгом как звук.
Звуковой диапазон Границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных способностей их слухового аппарата Пожилые люди слышат звуки не превышающими 6 000 Гц А дети воспринимают звуки несколько больше 20 000 ГЦ
Некоторые животные слышат звуки с частотой больше 20 000 Гц или меньше 20 Гц
Архитектурная акустика При распространении звуковой волны происходит затухание звука, связанное с различными необратимыми процессами. Часть энергии, которая переносится звуковыми волнами, поглощается средой.
Распространение звука При своих колебаниях тело попеременно то сжимает слой воздуха, прилегающий к его поверхности, то, наоборот, создаёт разрежение в этом слое. Таким образом, распространение звука в воздухе начинается с колебаний плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела.
Распространение звука Звук распространяется во всех упругих телах - твердых , жидких и газообразных, но не может распространяться в безвоздушном пространстве. В вакууме звук не распространяется. Если звучащее тело, например электрический звонок, поставить под колокол воздушного насоса, то по мере откачивания из под него воздуха - звук будет делаться слабее, и наконец, когда под колом весь воздух кончится, то звук прекратится.
Хорошие проводники звука Упругие тела – хорошие проводники звука: металлы, дерево, газы, жидкости.
Плохие проводники звука Мягкие пористые тела – плохие проводники звука: войлок, ковры, прессованная пробка, опилки, пористые камни Энергия колебательного движения в таких телах превращается во внутреннюю энергию - тела нагреваются
Коэффициент поглощения звука зависит от внутреннего трения (вязкости) поглощающей среды и от её теплопроводности. Он так же зависит от скорости распространения звука в этой среде, от плотности среды и частоты звуковой волны.
Характеристики звука Высота тона Тембр Громкость звука
Высота тона зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука , тем выше издаваемый им звук
Тон звука Звук, создаваемый большим барабаном, это звук низкого тона, свист - звук высокого тона. Простые измерения (развертка колебаний) показывают, что звуки низких тонов - это колебания малой частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука.
Чистый тон Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты. Звуки различных музыкальных инструментов, голоса людей представляют собой совокупность чистых тонов.
Основной тон Тон, соответствующий наименьшей частоте сложного музыкального звука, называют основным тоном, а остальные тоны обертонами Высота сложного звука определяется именно высотой его основного тона
Высшие гармонические тоны Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты основного тона (поэтому их называют высшими гармоническими тонами).
Тембр звука Обертоны определяют тембр звука По различному тембру мы легко распознаём свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, и т. д. , хотя все эти звуки имели бы одну и ту же высоту и громкость. По тембру мы можем узнать голоса разных людей.
Громкость звука Сила воздействия звуковой волны на барабанную перепонку человеческого уха зависит от звукового давления.
Звуковое давление - это дополнительное давление, возникающее в газе или жидкости прохождении звуковой волны. Нижняя граница – 10 -5 Па. Верхняя граница звукового давления – 100 Па.
Громкость и энергия звука По мощности самый громкий звук дошедший до барабанной перепонки, примерно в тысячу миллиардов раз превосходит самый слабый.
Громкость звука Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Громкость зависит от амплитуды колебаний. Но связь между громкостью звука и амплитудой колебаний не простая.
Громкость звука – это субъективное качество слухового ощущения Громкость звука зависит от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя
Громкость звука Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук При одинаковых амплитудах как более громкие мы воспринимаем звуки, частоты которых лежат в пределах от 1 000 Гц до 5 000 Гц Высокий женский голос с частотой 1000 Гц громче низкого мужского с частотой 200 Гц при одинаковых амплитудах голосовых связок
Единица громкости звука называется сон (от латинского «сонус» - звук). Уровень громкости измеряется в фонах. Уровень звукового давления – в белах (Б), или в децибелах (д. Б).
Уровень звукового давления Порог слышимости 0 д. Б Уличный шум 70 д. Б Тиканье часов 10 д. Б Крик 80 д. Б Шепот 20 д. Б Кузнечный цех 100 д. Б Приглушенный разговор 40 д. Б Болевой порог 130 д. Б
Шкала звукового давления
Скорость звука Звуковая волна распространяется с определенной скоростью. Когда мы наблюдаем за стрельбой из ружья, то сначала видим дым и огонь, а потом слышим звук. Измерив расстояние и время задержки звука, вычислим скорость по формуле: V = S/t
Скорость звука в воздухе была определена А. Гумбольдтом в 1822 г. Время распространения звука определялось им как время между вспышкой при выстреле пушки и моментом прихода звука. При нуле градусов скорость звука в воздухе равна 331 м/c, при 200 С 343 м/с.
Скорость звука в воде В 1827 году Ж. Колладон и Я. Штурм провели опыт на Женевском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с.
Опыт по определению скорости звука в воде На одной лодке находящейся на расстоянии 14 км от другой поджигали порох и одновременно ударяли в подводный колокол. Звук улавливался в помощью рупора опущенного в воду. Измерив время и расстояние, они узнали скорость звука в воде 1435 м/с при температуре 8 0 С
Скорость звука в твердых телах Различие в скоростях звука в воздухе и в твердом теле можно обнаружить, если помощник ударит по одному концу рельса, а вы приложите ухо к другому концу, то вы услышите 2 удара. Сначала звук достигает ухо по рельсам, потом уже по воздуху.
Скорость звука в различных средах Вода 1483 м/c Дерево 5000 м/c Свинец 2160 м/c Сталь Медь 4700 м/c Стекло 50006100 м/c 5500 м/c
Эхо С явлением отражения звука связано такое явление, как эхо. Звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвращается к месту, где эта звуковая волна возникла.
эхо Возможно услышать эхо, если промежуток времени между воздействием этих двух звуков на ушную барабанную перепонку составляет не менее 1/15 с. Звук может испытать и несколько отражений. Тогда можно услышать звук много раз. Например, раскаты грома.
Акустический резонанс Звуковые колебания, приносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызывать в этих системах явление резонанса, т. е. заставить их звучать. Такой резонанс называется акустическим резонансом.
Камертон сам по себе даёт очень слабый звук, Его обычно укрепляют на деревянном ящике, подобранном так, чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте звука, создаваемого камертоном. Ящики усиливают звук, вследствие резонанса между камертоном и столбом воздуха, заключённого в ящике. Этот ящик с камертоном называется резонатором или резонансным ящиком.
Эффект Доплера в акустике Изменение частоты звуковых колебаний (высоты звука), связанное с относительным движением источника и наблюдателя называется акустическим эффектом Доплера. Когда источник и приемник звука сближаются, то высота звука повышается, а если они удаляются. то высота звука понижается.
Фонограф Эдисона Американский изобретатель Эдисон в 1877 году изобретёл фонограф - прибор для записи звука. В фонографе лёгкая мембрана воспринимала звук и передавала колебания на иглу, движущуюся вдоль вращающегося валика, покрытого воском. Колебания иглы оставляли на валике звуковую дорожку. Профиль дна этой дорожки – это развёртка колебаний конца иглы. Когда игла вновь проходила по ней, из мембраны доносился записанный звук.
Инфразвуком называют акустические колебания с частотой ниже 16 Гц. "Инфразвук" происходит от лат. infra - "ниже, под" и означает упругие волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже области слышимых человеком частот. Инфразвук - это составляющая звуков леса, моря, атмосферы.
Источники инфразвука Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и орудийные выстрелы. В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разнообразных источников, в том числе от взрывов, обвалов и транспортных возбудителей.
Индикаторы шторма Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. На краю "колокола" у медузы расположены примитивные глаза и органы равновесия слуховые колбочки величиной с булавочную головку. Это и есть "уши" медузы. Они слышат инфразвуки с частотой 8 - 13 герц. Шторм разыгрывается еще за сотни километров от берега, он придет в эти места примерно часов через 20, а медузы уже слышат его и уходят на глубину.
Голос моря В. В. Шулейкин в 1932 году обнаружил явление, которое он назвал "голосом моря". Взаимодействие сильного ветра и морских волн создаёт сильные инфразвуковые волны, которые распространяются со скоростью звука, т. е. значительно быстрее циклона. Они бегут по морским волнам, усиливаясь. Этот инфразвук может служить ранним предвестником бури, шторма или циклона.
При движении рыб, создаются упругие инфразвуковые колебания, распространяющиеся в воде. . Эти колебания хорошо чувствуют акулы за много километров и плывут навстречу добыче
Развитие техники и инфразвук Развитие техники и транспортных средств, способствует появлению инфразвука, который является сравнительно новым, не полностью изученным фактором производственной среды.
Инфразвук в различных средах Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень далёкие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении места сильных взрывов или положения стреляющего орудия.
Влияние инфразвука на организм человека В конце 60 -х годов французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвук определенных частот может вызвать у человека тревожность и беспокойство. Инфразвук с частотой 7 Гц смертелен для человека. Воздействие его происходит не только через слуховой анализатор, но и через механорецепторы кожи. .
Собственные (резонансные) частоты некоторых частей тела человека. Следует принимать особые меры защиты против появления звуковых колебаний со следующими частотами, потому что совпадение частот приводит к возникновению резонанса: • 20 -30 Гц (резонанс головы) • 40 -100 Гц (резонанс глаз) • 0. 5 -13 Гц (резонанс вестибулярного аппарата) • 4 -6 Гц (резонанс сердца) • 2 -3 Гц (резонанс желудка) • 2 -4 Гц (резонанс кишечника) • 6 -8 Гц (резонанс почек) • 2 -5 Гц (резонанс рук)
Влияние инфразвука на организм человека Колебания средней интенсивности могут стать причиной расстройства пищеварения, сердечно-сосудистой, дыхательной систем, нарушения психики с самыми неожиданными последствиями. Инфразвук высокой интенсивности, влекущий за собой резонанс, из-за совпадения частот колебаний внутренних органов и инфразвука, приводит к нарушению работы практически всех внутренних органов, возможен смертельный исход из-за остановки сердца, или разрыва кровеносных сосудов;
Как избежать вредного воздействия инфразвука на организм человека Наиболее эффективным и практически единственным средством борьбы с инфразвуком является снижение его в источнике. При выборе конструкций предпочтение должно отдаваться малогабаритным машинам большой жесткости. В качестве индивидуальных средств защиты рекомендуется применение наушников, вкладышей, защищающих ухо от неблагоприятного действия сопутствующего шума.
Пьезоэлектрический эффект В 1880 году французские учёные братья Пьер и Поль Кюри обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это свойство - пьезоэлектрический эффект - для обнаружения неслышимого человеком ультразвука. И наоборот, если к граням кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь.
Источники ультразвука Ультразвуковые волны можно получить с помощью специальных высокочастотных излучателей. Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал.
Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).
Летучие мыши и ультразвуки Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи
Дельфины и ультразвуки Дельфины излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы, у них они еще совершеннее, чем у летучих мышей.
Общение муравьев Муравьи издают ультразвуковые сигналы с разными частотами в разных ситуациях: "сигнал бедствия", "сигнал агрессии" (во время борьбы) и "пищевые сигналы". Эти сигналы представляют собой кратковременные импульсы, длительностью от 10 до 100 микросекунд в диапазоне частот - от 0, 3 до 5 килогерц.
Применение ультразвука в медицине • • Ультразвук обладает действием: противовоспалительным, рассасывающим спазмолитическим кавитационным усилением проницаемости кожи
Ультразвук в технике Ультразвуковые волны используют в станках для обработки хрупких и твёрдых материалов. Основа станка преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты. Инструмент наносит более 20 000 ударов в одну секунду, поэтому процесс обработки проходит достаточно быстро, и отверстие диаметром 20 - 30 мм в стекле толщиной 10 - 15 мм можно сделать примерно за одну минуту
Звуколокация. На явлении эхо основан метод определения расстояний до различных предметов и обнаружения их месторасположений. Если скорость звука известна, то можно написать: S = vt/2
Эхолокация Главная особенность ультразвуковых волн состоит в том, что их можно сделать направленными, распространяющимися по определённому направлению от источника. Благодаря этому по отражению ультразвука можно не только найти расстояние, но и узнать, где находится тот предмет.
Ультразвуковая дефектоскопия Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии (с использованием частот от 100 МГц до 2 ГГц), позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.
Заключение • • • Человек живет в океане звука. Он обменивается информацией с помощью звука, воспринимает ее от окружающих его людей. Использование звуковых и ультразвуковых волн находит все большее применение в жизни человека. Их используют в медицине и технике. На их использовании основаны многие приборы, особенно для исследования морей и океанов, где из-за сильного поглощения радиоволн звуковые и ультразвуковые колебания есть единственный способ передачи информации. Надо помнить, что сильные шумы опасны для здоровья человека. Поэтому нужно с уважением относиться к столь сложному и интересному явлению, каким является ЗВУК
