Как связаны скорость распространения волны длина волны и частота (периодом).

Лекционный материал к занятию № 21

Звуковые волны.

Звуковые волны — механические колебания, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразной упругой среде и воспринимаемые органами слуха.

В безвоздушном пространстве звуковые волны не распространяются. Человеческое ухо воспринимает колебания, частоты которых лежат в интервале от 16 Гц до 20000 Гц.

Упругие волны, распространяющиеся с частотой меньше 16 Гц, называются инфразвуком.

Упругие волны, распространяющиеся с частотой больше 20000 Гц, называются ультразвуком.

Высокочастотные упругие волны в диапазоне 10⁹ — 10¹³ Гц относятся к гиперзвуку.

Любое тело, колеблющееся со звуковой частотой, является источником звука

(камертон — 440 Гц, музыкальные инструменты, взрывы, полет пуль, завывание ветра и т.д.).

В каждой среде звук распространяется с определенной скоростью. В твердых телах скорость звука выше, чем в жидкостях, а в жидкостях выше, чем в газах (почему?). Скорость звука зависит от природы вещества и от его температуры.

Например, скорость звука в воздухе при температуре 0⁰ С — u = 331 м/с,

а при 20⁰ С — u = 343 м/с.

При 0⁰ С скорость звука в водороде u = 1284 м/с, в гелии — u = 965 м/с, в кислороде — u = 316 м/с. Чем больше масса молекул газа, тем меньше скорость звука в нем.

При 20⁰ С в воде — u = 1450 м/с, в стали — u = 5000 м/с.

Приемники звука служат для восприятия звуковой энергии и преобразования её в другие виды энергии. К приемникам звука относятся, в частности, слуховой аппарат человека и животных, микрофоны (в воздухе), гидрофоны (в воде) и геофоны (в земной коре). Звуковая волна достигает человеческого уха, заставляет барабанную перепонку совершать вынужденные колебания с частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожания барабанной перепонки передаются посредством системы косточек окончаниям слухового нерва, раздражают их и тем вызывают у человека определенные слуховые ощущения. Человеческое ухо - очень чувствительный прибор. С возрастом из-за потери эластичности барабанной перепонки верхняя граница воспринимаемых человеком частот постепенно снижается. Ухудшается слух людей и в результате длительного воздействия громких звуков. Работа вблизи мощных самолетов, в очень шумных заводских цехах, частое посещение дискотек и чрезмерное увлечение аудиоплеерами негативно влияют на остроту восприятия звуков (особенно высокочастотных) и в некоторых случаях могут привести к потере слуха.

Характеристики звука.

1. Сила звука (или интенсивность) I — зависит от энергии, ежесекундно переносимой через единицу площади, расположенной перпендикулярно направлению распространения звуковой волны.

I = W /(St)

[I] = Вт/м²

I = 10^-12 Вт/м - порог слышимости

I = 1 Вт/м² - порог болевого ощущения.

2. Громкость звука — зависит от его интенсивности. Громкость звука определяется амплитудой: чем больше амплитуда колебаний в звуковой волне, тем больше громкость.

Единицу громкости называют соном. Громкостью в 1 сон обладает приглушенный

разговор, обычный разговор — 2 сона, тиканье часов— 0, 1 сона, стук пишущей

машинки — 4 сона, громкий уличный шум — 8 сон. В кузнечном цехе громкость

достигает 64 сона, на расстоянии 4 м от работающего двигателя реактивного самолета — 264 сона. Звуки еще большей громкости начинают вызывать болевые ощущения.

3. Высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук. Колебаниям небольшой частоты соответствуют низкие звуки, колебаниям большой частоты — высокие звуки (у шмеля 220 взмахов в секунду — низкий звук (жужжание), у комара — 500-600, высокий (писк)). В мужском голосе колебания с частотой от 100 до 7000 Гц, в женском — от 200 до 9000 Гц.

4. Тон — звуковая волна определенной частоты. О высоте звука часто говорят как о высоте тона.

Вопрос. Что можно сказать о высоте тона мужчины и женщины?

Основной тон с примесью нескольких колебаний других частот образуют музыкальный звук. Звуки, издаваемые музыкальными инструментами, являются сложными тонами. Например: звуки скрипки и пианино могут включать до 15-20 различных колебаний.

Основной тон — звук с наименьшей частотой. Остальные обертоны.

От состава каждого сложного звука зависит его тембр.

5. Тембр звука — определяется его составом (спектром) и зависит от громкости отдельных обертонов. По тембру звука различают ноты, взятые на различных музыкальных инструментах, голоса людей и т. д.

Характер восприятия звука во многом зависит от планировки помещения. В закрытых помещениях слушатель воспринимает, кроме прямого звука, еще и слитный ряд следующих друг за другом повторений, вызванных многократными отражениями звука от находящихся в помещении предметов, стен, потолка и пола.

Контрольные вопросы

1. 1.Какие волны называются звуковыми?

2. Что является источником звуковых волн?

3. Какой диапазон частот звуковых волн воспринимает человек?