Да преминем към разглеждането на звуковите явления.

Светът на звуците, които ни заобикалят, е разнообразен - гласовете на хората и музиката, пеенето на птици и бръмченето на пчелите, гръмотевиците по време на гръмотевична буря и шумът на гората във вятъра, звукът от преминаващи коли, самолети и други предмети .

Обърни внимание!

Източниците на звук са вибриращи тела.

пример:

Фиксираме еластична метална линийка в менгеме. Ако свободната му част, чиято дължина е избрана по определен начин, се доведе в осцилаторно движение, тогава линийката ще издаде звук (фиг. 1).

По този начин осцилиращата линийка е източникът на звука.

Помислете за изображението на звучаща струна, чиито краища са фиксирани (фиг. 2). Замъглените очертания на тази струна и видимото удебеляване в средата показват, че струната вибрира.

Ако приближите края на хартиената лента до звучащата струна, тогава лентата ще отскочи от ударите на струната. Докато струната вибрира, се чува звук; спрете струната и звукът спира.

Фигура 3 показва камертон - извит метален прът на крака, който е монтиран върху резонаторна кутия.

Ако ударите камертона с мек чук (или нарисувате лък над него), тогава камертонът ще прозвучи (фиг. 4).

Нека донесем лека топка (стъклено зърно), окачена на конец към звучащ камертон - топката ще отскочи от камертона, което показва вибрации на клоните му (фиг. 5).

За да се „записват“ вибрации на камертон с малка (от порядъка на \(16\) Hz) собствена честота и голяма амплитуда на трептене, може да се завинти тънка и тясна метална лента с накрайник в края края на единия му клон. Върхът трябва да бъде огънат надолу и леко да го докоснете с опушена стъклена чиния, лежаща на масата. Когато плочата се движи бързо под осцилиращите клони на камертона, върхът оставя следа върху плочата под формата на вълнообразна линия (фиг. 6).

Вълнообразната линия, начертана върху плочата с връх, е много близка до синусоида. По този начин можем да предположим, че всеки клон на звучащия камертон извършва хармонични трептения.

Различни експерименти показват, че всеки източник на звук задължително осцилира, дори ако тези трептения са незабележими за окото. Например, звуците на гласовете на хора и много животни възникват в резултат на вибрациите на гласните им струни, звука на духови музикални инструменти, звука на сирена, свирката на вятъра, шумоленето на листата, гръмотевиците се дължат на колебанията във въздушните маси.

Обърни внимание!

Не всяко вибриращо тяло е източник на звук.

Например, вибрираща тежест, окачена на конец или пружина, не издава звук. Металната линийка също ще спре да звучи, ако свободният й край се удължи, така че честотата на нейните трептения да стане по-малка от \ (16 \) Hz.

Човешкото ухо е в състояние да възприема като звук механични вибрации с честота в диапазона от \(16\) до \(20000\) Hz (обикновено предавани по въздуха).

Механичните вибрации, чиято честота е в диапазона от \(16\) до \(20000\) Hz, се наричат ​​​​звукови.

Посочените граници на звуковия диапазон са условни, тъй като зависят от възрастта на хората и индивидуалните характеристики на техния слухов апарат. Обикновено с възрастта горната граница на честотата на възприеманите звуци намалява значително - някои възрастни хора могат да чуват звуци с честоти, ненадвишаващи \(6000\) Hz. Децата, напротив, могат да възприемат звуци, чиято честота е малко по-висока от \ (20 000 \) Hz.

Механичните вибрации, чиято честота надвишава \(20 000\) Hz се наричат ​​ултразвукови, а вибрациите с честоти по-малки от \(16\) Hz се наричат ​​инфразвукови.

Ултразвукът и инфразвукът са толкова разпространени в природата, колкото и звуковите вълни. Те се излъчват и използват за своите "преговори" от делфините, прилепитеи някои други живи същества.

Звукът се причинява от механични вибрации в еластични среди и тела, чиито честоти са в диапазона от 20 Hz до 20 kHz и които човешкото ухо може да възприема.

Съответно механичните вибрации с посочените честоти се наричат ​​звукови и акустични. Нечуваните механични вибрации с честоти под звуковия диапазон се наричат ​​инфразвукови, а тези с честоти над звуковия диапазон се наричат ​​ултразвукови.

Ако звуково тяло, като електрическа камбана, се постави под камбаната на въздушна помпа, тогава с изпомпването на въздуха звукът ще става все по-слаб и накрая напълно ще спре. Предаването на вибрации от сондиращия корпус се осъществява чрез въздуха. Обърнете внимание, че по време на своите вибрации звуковото тяло по време на своите вибрации последователно компресира въздуха в съседство с повърхността на тялото, след което, напротив, създава разреждане в този слой. По този начин разпространението на звука във въздуха започва с флуктуации в плътността на въздуха на повърхността на трептящо тяло.

музикален тон. Сила и височина

Звукът, който чуваме, когато източникът му прави хармонично трептене, се нарича музикален тон или, накратко, тон.

Във всеки музикален тон можем да различим две качества на ухо: силата на звука и височината.

Най-простите наблюдения ни убеждават, че тонът на всяка дадена височина се определя от амплитудата на вибрациите. Звукът от камертона след удара постепенно затихва. Това се случва заедно с затихването на трептенията, т.е. с намаляване на тяхната амплитуда. Удрянето на камертона по-силно, т.е. като придаваме на вибрациите голяма амплитуда, ще чуем по-силен звук, отколкото при слаб удар. Същото може да се наблюдава и при струна и изобщо при произволен източник на звук.

Ако вземем няколко камертона с различни размери, тогава няма да е трудно да ги подредим на ухо в ред на увеличаване на височината. По този начин те също ще бъдат разположени по размер: най-големият камертон дава най-нисък звук, най-малкият - най-висок звук. По този начин височината се определя от честотата на трептене. Колкото по-висока е честотата и следователно колкото по-кратък е периодът на трептене, толкова по-висока е височината, която чуваме.

акустичен резонанс

Резонансните явления могат да се наблюдават при механични вибрации с всякаква честота, по-специално при звукови вибрации.

Поставяме две еднакви камертони една до друга, като завъртаме дупките на кутиите, върху които са монтирани един към друг. Кутиите са необходими, защото усилват звука на камертоните. Това се дължи на резонанса между камертона и колоните въздух, съдържащи се в кутията; следователно кутиите се наричат ​​резонатори или резонансни кутии.

Да ударим един от камертоните и след това да го заглушим с пръсти. Ще чуем звука на втория камертон.

Да вземем два различни камертона, т.е. с различна височина и повторете експеримента. Сега всеки от камертоните вече няма да реагира на звука на друг камертон.

Не е трудно да се обясни този резултат. Вибрациите на един камертон действат във въздуха с известна сила върху втория камертон, карайки го да изпълнява своите принудителни вибрации. Тъй като камертонът 1 извършва хармонични трептения, тогава силата, действаща върху камертон 2, ще се промени според закона за хармоничните трептения с честотата на камертона 1. Ако честотата на силата е различна, тогава принудителните трептения ще бъдат толкова слаби че няма да ги чуем.

Шумове

Чуваме музикален звук (нота), когато трептенето е периодично. Например, този вид звук се произвежда от струна на пиано. Ако натиснете няколко клавиша едновременно, т.е. накарайте да прозвучат няколко ноти, тогава усещането за музикален звук ще се запази, но разликата между съгласни (приятни за ухото) и дисонантни (неприятни) ноти ще излезе ясно. Оказва се, че тези бележки, чиито периоди са в съотношение на малки числа, съзвучни. Например, съзвучие се получава, когато съотношението на периодите е 2:3 (пета), при 3:4 (квант), 4:5 (главна трета) и т.н. Ако периодите са свързани като големи числа, например 19:23, тогава се получава дисонанс – музикален, но неприятен звук. Ще отидем още по-далеч от периодичността на вибрациите, ако натиснем много клавиши едновременно. Звукът ще бъде шумен.

Шумовете се характеризират със силна непериодичност на формата на трептене: или е продължително трептене, но много сложна по форма (съскане, скърцане), или отделни излъчвания (щраквания, удари). От тази гледна точка към шумовете трябва да се причисляват и звуците, изразявани от съгласни (съскащи, лабиални и др.).

Във всички случаи шумовите трептения се състоят от огромен брой хармонични трептения с различни честоти.

По този начин спектърът на хармонично трептене се състои от една честота. За периодично трептене спектърът се състои от набор от честоти - основната и кратната на нея. При съгласните имаме спектър, състоящ се от няколко такива набора от честоти, като основните са свързани като малки цели числа. В дисонантните хармонии основните честоти вече не са в такава проста връзка. Колкото повече са различни честоти в спектъра, толкова повече се доближаваме до шума. Типичните шумове имат спектри, в които има изключително много честоти.

Звукова вълна (звукови вибрации) е механична вибрация на молекулите на вещество (например въздух), предавана в пространството.

Но не всяко трептящо тяло е източник на звук. Например, осцилираща тежест, окачена на нишка или пружина, не издава звук. Металната линийка също ще спре да звучи, ако я преместите нагоре в менгеме и по този начин удължите свободния край, така че честотата му на трептене да стане по-малка от 20 Hz. Изследванията показват, че човешкото ухо е в състояние да възприема като звук механичните вибрации на телата, възникващи с честота от 20 Hz до 20 000 Hz. Следователно вибрациите, чиито честоти са в този диапазон, се наричат ​​​​звукови. Механичните вибрации, чиято честота надвишава 20 000 Hz, се наричат ​​ултразвукови, а вибрациите с честоти под 20 Hz - инфразвукови. Трябва да се отбележи, че тези граници на звуковия диапазон са произволни, тъй като зависят от възрастта на хората и индивидуалните характеристики на техния слухов апарат. Обикновено с възрастта горната граница на честотата на възприеманите звуци намалява значително - някои по-възрастни хора могат да чуват звуци с честоти, които не надвишават 6000 Hz. Децата, напротив, могат да възприемат звуци, чиято честота е малко повече от 20 000 Hz. Някои животни чуват трептения, чиито честоти са по-големи от 20 000 Hz или по-малко от 20 Hz. Светът е изпълнен с голямо разнообразие от звуци: тиктакане на часовници и тътен на двигатели, шумолене на листа и вой на вятъра, пеене на птици и гласове на хора. За това как се раждат звуците и какво представляват, хората започнаха да гадаят много отдавна. Те забелязали, например, че звукът се създава от тела, вибриращи във въздуха. Дори древногръцкият философ и учен-енциклопедист Аристотел, въз основа на наблюдения, правилно обяснява естеството на звука, вярвайки, че звучащото тяло създава алтернативно компресиране и разреждане на въздуха. Така една трептяща струна сега компресира, след това разрежда въздуха и поради еластичността на въздуха тези редуващи се влияния се предават по-нататък в пространството - от слой на слой възникват еластични вълни. Достигайки до ухото ни, те въздействат върху тъпанчетата и предизвикват усещане за звук. На ухо човек възприема еластични вълни с честота в диапазона от около 16 Hz до 20 kHz (1 Hz - 1 трептене в секунда). В съответствие с това еластичните вълни във всяка среда, чиито честоти лежат в посочените граници, се наричат ​​звукови вълни или просто звук. Във въздуха при температура 0 ° C и нормално налягане звукът се разпространява със скорост 330 m / s, в морска вода- около 1500 m / s, при някои метали скоростта на звука достига 7000 m / s. Еластични вълни с честота по-малка от 16 Hz се наричат ​​инфразвук, а вълните, чиято честота надвишава 20 kHz, се наричат ​​ултразвук.

Източник на звук в газове и течности могат да бъдат не само вибриращи тела. Например, куршум и стрела свирят в полет, вятърът вие. И ревът на турбореактивен самолет се състои не само от шума на работните блокове - вентилатор, компресор, турбина, горивна камера и т.н., но и от шума на реактивен поток, вихър, турбулентни въздушни потоци, които възникват, когато самолетът се движи наоколо с висока скорост. Тяло, което бързо се втурва във въздуха или във вода, сякаш прекъсва потока около него, периодично генерира области на разреждане и компресия в средата. Резултатът е звукови вълни. Звукът може да се разпространява под формата на надлъжни и напречни вълни. В газообразна и течна среда възникват само надлъжни вълни, когато осцилаторното движение на частиците се случва само в посоката, в която се разпространява вълната. В твърдите тела освен надлъжните вълни възникват и напречни вълни, когато частиците на средата осцилират в посоки, перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната. Там, удряйки струната, перпендикулярно на нейната посока, караме вълната да тече по струната. Човешкото ухо не е еднакво чувствително към звуци. различна честота. Той е най-чувствителен към честоти от 1000 до 4000 Hz. При много висока интензивност вълните вече не се възприемат като звук, причинявайки усещане за притискаща болка в ушите. Интензитетът на звуковите вълни, при който това се случва, се нарича праг на болка. Понятията за тон и тембър на звука също са важни при изучаването на звука. Всеки реален звук, било то човешки глас или игра музикален инструмент, не е просто хармонично трептене, а вид смес от много хармонични трептения с определен набор от честоти. Този с най-ниска честота се нарича основен тон, останалите са обертонове. Различен брой обертонове, присъщи на даден звук, му придава специален цвят - тембър. Разликата между един и друг тембър се дължи не само на броя, но и на интензивността на обертоновете, които придружават звука на основния тон. По тембър можем лесно да различим звуците на цигулка и пиано, китара и флейта, разпознаваме гласовете на познати хора.

• Честота на трептененаречен брой пълни трептения в секунда. Единицата за честота е 1 херц (Hz). 1 херц съответства на едно пълно (в едната и другата посока) трептене, възникващо за една секунда.
• месечен цикълнаречено времето (s), през което настъпва едно пълно трептене. Колкото по-висока е честотата на трептене, толкова по-кратък е техният период, т.е. f=1/T. По този начин честотата на трептенията е по-голяма, колкото по-кратък е техният период и обратно. Човешкият глас създава звукови вибрации с честота от 80 до 12 000 Hz, а слухът възприема звукови вибрации в диапазона 16-20 000 Hz.
• Амплитудатрептенията се наричат ​​най-голямото отклонение на трептящо тяло от първоначалното му (спокойно) положение. Колкото по-голяма е амплитудата на вибрациите, толкова по-силен е звукът. Звуците на човешката реч са сложни звукови вибрации, състоящи се от един или друг брой прости вибрации, различни по честота и амплитуда. Всеки звук от речта има само своя собствена комбинация от вибрации с различни честоти и амплитуди. Следователно формата на вибрациите на един звук на речта се различава значително от формата на друг, който показва графиките на вибрациите по време на произнасянето на звуците a, o и y.

Човек характеризира всякакви звуци в съответствие със своето възприятие по отношение на силата на звука и височината.

В технологиите и света около нас често ни се налага да се справяме периодично издание(или почти периодично) процеси, които се повтарят на редовни интервали. Такива процеси се наричат осцилаторни.

Вибрациите са един от най-често срещаните процеси в природата и технологиите. Крила на насекоми и птици в полет, високи сгради и високоволтови проводници под действието на вятъра, махалото на часовник и кола на пружини по време на движение, нивото на реката през годината и температурата човешкото тялов случай на заболяване звукът е колебания в плътността и налягането на въздуха, радиовълните са периодични променисилата на електрическите и магнитните полета, видимата светлина също е електромагнитни трептения, само с малко по-различна дължина на вълната и честота, земетресенията са вибрации на почвата, импулсните удари са периодични контракции на човешкия сърдечен мускул и т.н.

Вибрациите са механични, електромагнитни, химически, термодинамични и различни други. Въпреки това разнообразие, всички те имат много общо.

Осцилаторните явления от различно физическо естество са подчинени на общи закони. Например колебанията на тока в електрическа веригаи трептенията на математическо махало могат да бъдат описани със същите уравнения. Общността на осцилаторните закономерности позволява да се разглеждат колебателни процеси от различно естество от една гледна точка. Признак за осцилаторно движение е неговата периодичност.

Механични вибрации -Товадвижения, които се повтарят точно или приблизително на равни интервали.

Примери за прости осцилаторни системи са тежест върху пружина (пружинно махало) или топка върху нишка (математическо махало).

При механични вибрации кинетичната и потенциалната енергия се променят периодично.

В максимално отклонениетялото от равновесното положение, неговата скорост и следователно и кинетичната енергия отива на нула. В тази позиция потенциална енергияосцилиращо тяло достига максималната стойност. За натоварване на пружина, потенциалната енергия е енергията на еластичната деформация на пружината. За математическо махало това е енергията в гравитационното поле на Земята.

Когато едно тяло в своето движение преминава през равновесно положение, скоростта му е максимална. Тялото прескача положението на равновесие според закона за инерцията. В този момент има максимална кинетична и минимална потенциална енергия. Увеличаването на кинетичната енергия се получава за сметка на намаляване на потенциалната енергия.

При по-нататъшно движение потенциалната енергия започва да се увеличава поради намаляването на кинетичната енергия и т.н.

Така при хармонични вибрации има периодично преобразуване на кинетичната енергия в потенциална и обратно.

Ако няма триене в осцилаторната система, тогава общата механична енергия по време на механичните вибрации остава непроменена.

За пружинно натоварване:

В положение на максимално отклонение общата енергия на махалото е равна на потенциалната енергия на деформираната пружина:

При преминаване през положението на равновесие общата енергия е равна на кинетичната енергия на товара:

За малки трептения на математическо махало:

В положение на максимално отклонение общата енергия на махалото е равна на потенциалната енергия на тялото, издигнато на височина h:

При преминаване през положението на равновесие общата енергия е равна на кинетичната енергия на тялото:

Тук ч ме максималната височина на повдигане на махалото в гравитационното поле на Земята, х ми υ м = ω 0 х мса максималните отклонения на махалото от равновесното положение и неговата скорост.

Хармонични трептения и техните характеристики. Уравнение на хармоничните трептения.

Най-простият тип осцилаторни процеси са прости хармонични вибрации, които се описват с уравнението

х = х м cos(ω т + φ 0).

Тук х- изместване на тялото от равновесно положение,
х м- амплитудата на трептенията, тоест максималното изместване от равновесното положение,
ω – циклична или кръгова честотаколебание,
т- време.

Характеристики на осцилаторното движение.

Отместване x -отклонение на осцилиращата точка от положението на равновесие. Мерната единица е 1 метър.

Амплитуда на трептене A -максималното отклонение на осцилиращата точка от положението на равновесие. Мерната единица е 1 метър.

Период на трептенет- се нарича минималният интервал от време, за който възниква едно пълно трептене. Мерната единица е 1 секунда.

където t е времето на трептене, N е броят на трептенията, направени през това време.

Според графиката на хармоничните трептения можете да определите периода и амплитудата на трептения:

Честота на трептене ν –физическа величина, равна на броя трептения за единица време.

Честотата е реципрочна на периода на трептене:

Честотатрептения ν показва колко трептения възникват за 1 с. Единицата за честота е херц(Hz).

Циклична честота ωе броят на трептенията за 2π секунди.

Честотата на трептене ν е свързана с циклична честота ωи период на трептене тсъотношения:

Фазахармоничен процес - стойност, която е под знака на синус или косинус в уравнението на хармоничните трептения φ = ω т+ φ 0 . В т= 0 φ = φ 0 , следователно φ 0 Наречен начална фаза.

Графика на хармоничните трептенияе синусоида или косинусова вълна.

И в трите случая за сините криви φ 0 = 0:

самопо-голяма амплитуда(x" m > x m);

червената крива е различна от синята самостойност месечен цикъл(Т" = Т/2);

червената крива е различна от синята самостойност начална фаза(радвам се).

Когато тялото осцилира по права линия (ос OX) векторът на скоростта винаги е насочен по тази права линия. Скоростта на тялото се определя от израза

В математиката процедурата за намиране на границата на съотношението Δx / Δt при Δ т→ 0 се нарича изчисляване на производната на функцията х(т) по време ти се обозначава като х"(т).Скоростта е равна на производната на функцията x( т) по време т.

За хармоничния закон на движението х = х м cos(ω т+ φ 0) изчисляването на производната води до следния резултат:

υ х =х"(т)= ω х мгрях (ω т + φ 0)

Ускорението се дефинира по подобен начин а хтела под хармонични вибрации. Ускорение ае равна на производната на функцията υ( т) по време т, или втората производна на функцията х(т). Изчисленията дават:

a x \u003d υ x "(t) =х""(т)= -ω 2 х м cos(ω т+ φ 0)=-ω 2 х

Знакът минус в този израз означава, че ускорението а(т) винаги има противоположен знак на отместването х(т), и следователно, според втория закон на Нютон, силата, която кара тялото да извършва хармонични трептения, винаги е насочена към положението на равновесие ( х = 0).

Фигурата показва графики на координатите, скоростта и ускорението на тяло, което извършва хармонични трептения.

Графики на координата x(t), скорост υ(t) и ускорение a(t) на тяло, извършващо хармонични трептения.

Пружинно махало.

Пружинно махалонаричаме товар с някаква маса m, прикрепен към пружина с коравина k, чийто втори край е фиксиран неподвижно.

естествена честотаω 0 свободни вибрации на натоварването на пружината се намира по формулата:

месечен цикъл т хармонични вибрации на натоварването на пружината е равно на

Това означава, че периодът на трептене на пружинното махало зависи от масата на товара и от коравината на пружината.

Физически свойства на осцилаторната система определят само честотата на собствените трептения ω 0 и периода т . Такива параметри на процеса на трептене като амплитуда х ми началната фаза φ 0 , се определят от начина, по който системата е изведена от равновесие в началния момент от време.

Математическо махало.

Математическо махалонаречено тяло с малки размери, окачено върху тънка неразтеглива нишка, чиято маса е незначителна в сравнение с масата на тялото.

В равновесно положение, когато махалото виси на отвес, силата на гравитацията се уравновесява от силата на опъване на нишката N. Когато махалото се отклони от положението на равновесие с определен ъгъл φ, се появява тангенциална компонента на силата на гравитацията Ф τ = – mgгрях фи. Знакът минус в тази формула означава, че тангенциалният компонент е насочен в посока, противоположна на отклонението на махалото.

математическо махало.φ - ъглово отклонение на махалото от положението на равновесие,

х= lφ – преместване на махалото по дъгата

Естествената честота на малките трептения на математическо махало се изразява с формулата:

Период на трептене на математическо махало:

Това означава, че периодът на трептене на математическо махало зависи от дължината на нишката и от ускорението свободно паданезоната, където е монтирано махалото.

Свободни и принудителни вибрации.

Механичните трептения, подобно на осцилаторните процеси от всякакво друго физическо естество, могат да бъдат Безплатнои принуден.

Безплатни вибрации -Това са трептения, които възникват в системата под действието на вътрешни сили, след като системата е изведена от положение на стабилно равновесие.

Трептенията на тежест върху пружина или трептенията на махало са свободни трептения.

AT реални условиявсяка осцилаторна система е под въздействието на силите на триене (съпротивление). В този случай част от механичната енергия се превръща във вътрешната енергия на топлинното движение на атомите и молекулите и вибрациите стават затихване.

Разлагащи се наречени вибрации, чиято амплитуда намалява с времето.

За да не затихнат трептенията, е необходимо да се придаде допълнителна енергия на системата, т.е. действат върху осцилаторната система с периодична сила (например за замахване на люлка).

Наричат ​​се трептения, които възникват под въздействието на външна периодично променяща се силапринуден.

Външната сила извършва положителна работа и осигурява приток на енергия към осцилаторната система. Не позволява на трептенията да избледняват, въпреки действието на силите на триене.

Периодичната външна сила може да варира във времето според различни закони. Особен интерес представлява случаят, когато външна сила, променяща се по хармоничен закон с честота ω, действа върху осцилаторна система, способна да извършва собствени трептения с определена честота ω 0 .

Ако се появят свободни вибрации с честота ω 0 , която се определя от параметрите на системата, тогава винаги се появяват постоянни принудителни трептения честота ω на външната сила .

Феноменът на рязко увеличаване на амплитудата на принудителните трептения, когато честотата на собствените трептения съвпада с честотата на външната движеща сила, се наричарезонанс.

Амплитудна зависимост х мпринудителни трептения от честотата ω на движещата сила се наричат резонансна характеристикаили резонансна крива.

Резонансни криви при различни нивазатихване:

1 - осцилаторна система без триене; при резонанс амплитудата x m на принудителните трептения се увеличава неограничено;

2, 3, 4 - реални резонансни криви за осцилаторни системи с различно триене.

При липса на триене амплитудата на принудителните трептения при резонанс трябва да се увеличава неограничено. В реални условия амплитудата на стационарните принудителни трептения се определя от условието: работата на външна сила през периода на трептения трябва да бъде равна на загубата на механична енергия за същото време поради триене. Колкото по-малко е триенето, толкова по-голяма е амплитудата на принудителните трептения при резонанс.

Явлението резонанс може да причини разрушаване на мостове, сгради и други конструкции, ако собствените честоти на техните трептения съвпадат с честотата на периодично действаща сила, която е възникнала например поради въртенето на небалансиран двигател.

Звук- Това са еластични надлъжни вълни с честота от 20 Hz до 20 000 Hz, които предизвикват слухови усещания у човек.

Източник на звук- различни осцилиращи тела, като например плътно опъната струна или тънка стоманена плоча, захванати от едната страна.

Как възникват осцилаторните движения? Достатъчно е да дръпнете и освободите струната на музикален инструмент или стоманена плоча, захваната в единия край в менгеме, тъй като те ще издадат звук. Вибрациите на струна или метална плоча се предават на околния въздух. Когато плочата се отклони, например, надясно, тя компресира (компресира) слоевете въздух, съседни на нея отдясно; в този случай слоят въздух, съседен на плочата от лявата страна, ще бъде разреден. Когато плочата се отклони от лявата страна, тя притиска въздушните слоеве отляво и разрежда слоевете въздух, съседни на нея от дясната страна и т.н. Компресирането и разреждането на въздушните слоеве, съседни на плочата, ще се прехвърлят към съседните слоеве. Този процес ще се повтаря периодично, като постепенно отслабва, докато трептенията спрат напълно.

Така вибрациите на струна или плоча възбуждат вибрации на околния въздух и, разпространявайки се, достигат до човешкото ухо, предизвиквайки трептене на тъпанчето, предизвиквайки дразнене на слуховия нерв, което ние възприемаме като звук.

Скорост на звуковата вълна различни среди. Зависи от еластичността на средата, в която се разпространяват. Звукът се разпространява най-бавно в газове. Във въздуха скоростта на разпространение на звуковите вибрации е средно 330 m/s, но може да варира в зависимост от неговата влажност, налягане и температура. Звукът не се разпространява в безвъздушно пространство. В течности звукът се разпространява по-бързо. В твърди вещества - още по-бързо. В стоманена релса, например, звукът се разпространява със скорост » 5000 m/s.

В разпространениезвук в атоми и молекули вибрират заеднопосоката на разпространение на вълната, след това звукът - надлъжна вълна.

ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ЗВУК

1. Обем.Силата на звука зависи от амплитудата на вибрациите в звуковата вълна. Сила на звуказвукът се определя амплитудавълни.

Единицата за сила на звука е 1 Бел (в чест на Александър Греъм Бел, изобретателят на телефона). Силата на звука е 1 B, ако силата му е 10 пъти по-висока от прага на чуваемост.

На практика силата на звука се измерва в децибели (dB).

1 dB = 0,1B. 10 dB - шепот; 20–30 dB - стандарт за шум в жилищни помещения;
50 dB - разговор със средна сила на звука;
70 dB - шум от пишеща машина;
80 dB - шум на двигателя камион;
120 dB - шум на работещ трактор на разстояние 1 m
130 dB - праг на болка.

Звук над 180 dB може дори да причини разкъсване на тъпанчето.

2. Наклон. Височиназвукът се определя честотавълни или честотата на вибрациите на източника на звук.

• бас - 80-350 Hz,
• баритон - 110-149 Hz,
• тенор - 130-520 Hz,
• високи честоти - 260–1000 Hz,
• сопрано - 260-1050 Hz,
• колоратурно сопрано - до 1400 Hz.

Човешкото ухо е в състояние да възприема еластични вълни с честота приблизително от 16 Hz до 20 kHz.Как чуваме?

Човешки слухов анализатор - ухо- се състои от четири части:

външно ухо

Външното ухо включва ушната мида, ушния канал и тъпанчевата мембрана, която покрива вътрешния край на ушния канал. Ушният канал има неправилна извита форма. При възрастен е около 2,5 см дължина и около 8 мм диаметър. Повърхността на ушния канал е покрита с косми и съдържа жлези, които отделят ушна кал, която е необходима за поддържане на влажността на кожата. Слуховият проход също така осигурява постоянна температура и влажност на тъпанчевата мембрана.

Средно ухо

Средното ухо е пълна с въздух кухина зад тъпанчето. Тази кухина се свързва с назофаринкса през евстахиевата тръба, тесен хрущялен канал, който обикновено е затворен. Преглъщането отваря евстахиевата тръба, което позволява на въздуха да влезе в кухината и изравнява налягането от двете страни на тъпанчето за оптимална подвижност. Средното ухо съдържа три миниатюрни слухови костици: чукчето, наковалнята и стремето. Единият край на малеуса е свързан с тъпанчевата мембрана, другият му край е свързан с наковалнята, която от своя страна е свързана със стремето, а стремето - с кохлеята на вътрешното ухо. Тимпаничната мембрана постоянно трепти под въздействието на звуци, уловени от ухото, а слуховите костици предават вибрациите си към вътрешното ухо.

вътрешно ухо

Вътрешното ухо съдържа няколко структури, но само кохлеята, която получава името си от спираловидната си форма, е от значение за слуха. Кохлеята е разделена на три канала, пълни с лимфни течности. Течността в средния канал се различава по състав от течността в другите два канала. Органът, пряко отговорен за слуха (органът на Корти), се намира в средния канал. Органът на Корти съдържа около 30 000 космени клетки, които улавят колебанията в течността в канала, причинени от движението на стремето, и генерират електрически импулси, които се предават по слуховия нерв към слуховата кора на мозъка. Всяка космена клетка реагира на специфична звукова честота, като високите честоти се улавят от клетките в долната кохлея и клетките се настройват на ниски честоти, разположен в горната част на кохлеята. Ако космените клетки умрат по някаква причина, човекът престава да възприема звуците на съответните честоти.

слухови пътища

Слуховите пътища са съвкупност от нервни влакна, които провеждат нервни импулси от кохлеята до слуховите центрове на кората на главния мозък, което води до слухово усещане. Слуховите центрове са разположени в темпоралните лобове на мозъка. Времето, необходимо на слуховия сигнал да премине от външното ухо до слуховите центрове на мозъка е около 10 милисекунди.

Звуково възприятие

Ухото последователно преобразува звуците в механични вибрации на тъпанчевата мембрана и слуховите костици, след това в вибрации на течността в кохлеята и накрая в електрически импулси, които се предават по пътищата на централната слухова система към темпоралните дялове на мозъка за разпознаване и обработка.
Мозъкът и междинните възли на слуховите пътища извличат не само информация за височината и силата на звука, но и други характеристики на звука, например интервала от време между моментите, когато звукът се улавя от дясно и отляво уши - това е основата за способността на човек да определи посоката, в която идва звукът. В същото време мозъкът оценява както информацията, получена от всяко ухо поотделно, така и комбинира цялата получена информация в едно усещане.

Нашите мозъци съхраняват модели за звуците около нас – познати гласове, музика, опасни звуци и т.н. Това помага на мозъка в процеса на обработка на информация за звука бързо да различава познати звуци от непознати. При загуба на слуха мозъкът започва да получава изкривена информация (звуците стават по-тихи), което води до грешки в интерпретацията на звуците. От друга страна, мозъчното увреждане поради стареене, нараняване на главата или неврологични заболявания и разстройства може да бъде придружено от симптоми, подобни на тези при загуба на слуха, като невнимание, откъсване от околната среда, неадекватна реакция. За правилното чуване и разбиране на звуците е необходима координираната работа на слуховия анализатор и мозъка. Така без преувеличение можем да кажем, че човек чува не с ушите си, а с мозъка си!

Животните възприемат вълните с други честоти като звук.

Ултразвук - надлъжни вълни с честота над 20 000 Hz.

Използването на ултразвук.

С помощта на сонари, инсталирани на кораби, те измерват дълбочината на морето, откриват стаи риба, приближаващ айсберг или подводница.

Ултразвукът се използва в индустрията за откриване на дефекти в продуктите.

В медицината с помощта на ултразвук се заваряват костите, откриват се тумори и се диагностицират заболявания.

Биологичният ефект на ултразвука позволява да се използва за стерилизиране на мляко, лекарствени вещества и медицински инструменти.

Прилепите и делфините имат перфектни ултразвукови локатори.

Тест по физика Механични вибрации и вълни Звук за ученици от 9 клас с отговори. Тестът включва 2 варианта, всеки с 12 задачи.

1 вариант

1. В свободни вибрациитопчето върху конеца се движи от крайно ляво положение до крайно дясно за 0,1 s. Определете периода на трептене на топката.

1) 0,1 с
2) 0,2 с
3) 0,3 с
4) 0,4 с

2. Фигурата показва зависимостта на координатата на центъра на топка, окачена от време на време върху пружина. Честотата на трептене е

1) 0,25 Hz
2) 0,5 Hz
3) 2Hz
4) 4Hz

3. Колко пълни трептения ще направи материална точка за 10 s, ако честотата на трептене е 220 Hz?

1) 22
2) 88
3) 440
4) 2200

4. В какви посоки се трепти надлъжна вълна?

1) Във всички посоки

5. Разстоянието между най-близките гребени на вълните в морето е 6 м. Какъв е периодът на удари на вълните върху корпуса на лодката, ако скоростта им е 3 m/s?

1) 0,5 с
2) 2 сек
3) 12 с
4) 32 с

6. Мъжът чул звука от гръм 10 секунди след светкавицата. Определете скоростта на звука във въздуха, ако мълния удари на разстояние 3,3 km от наблюдателя.

1) 0,33 m/s
2) 33 m/s
3) 330 m/s
4) 33 км/сек

7. В каква среда звуковите вълни се движат с най-ниска скорост?

1) В твърди вещества
2) В течности
3) В газове
4) Навсякъде е едно и също

8. Как се наричат ​​механични вибрации, чиято честота е по-малка от 20 Hz?

1) Звук
2) Ултразвук
3) Инфразвук

9. Определете дължината на звуковата вълна във въздуха, ако честотата на източника на звук е 200 Hz. Скоростта на звука във въздуха е 340 m/s.

1) 1,7 м
2) 0,59 m
3) 540 м
4) 68 000 m

10. Как ще се промени дължината на звуковата вълна, когато честотата на колебанията на нейния източник намалее 2 пъти?

1) ще се увеличи с 2 пъти
2) Намалете с 2 пъти
3) Няма да се промени
4) Намалете с 4 пъти

11. Горната граница на честотата на трептене, възприемана от човешкото ухо, е 22 kHz за деца и 10 kHz за възрастни хора. Във въздуха скоростта на звука е 340 m/s. Звук с дължина на вълната 20 мм

1) само дете ще чуе
2) само възрастен човек ще чуе
3) и детето, и възрастните хора ще чуят
4) нито детето, нито възрастните хора ще чуят

12. Ехото, причинено от изстрел с оръжие, достига до стрелеца 2 секунди след изстрела. Определете разстоянието до препятствието, от което е настъпило отражението, ако скоростта на звука във въздуха е 340 m/s.

1) 170 м
2) 340 м
3) 680 м
4) 1360 м

Вариант 2

1. При свободни вибрации топчето върху нишката се придвижва от крайно ляво положение до равновесно положение за 0,2 s. Какъв е периодът на трептене на топката?

1) 0,2 с
2) 0,4 с
3) 0,6 с
4) 0,8 с

2. Фигурата показва зависимостта на координатата на центъра на топка, окачена от време на време върху пружина. Амплитудата на трептене е

1) 10 см
2) 20 см
3) -10 см
2) -20 см

3. При измерване на пулса на човек са регистрирани 150 кръвни пулсации за 2 минути. Определете честотата на свиване на сърдечния мускул.

1) 0,8 Hz
2) 1 Hz
3) 1,25 Hz
4) 75 Hz

4. В какви посоки трепти напречната вълна?

1) Във всички посоки
2) По посоката на разпространение на вълната
3) Перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната
4) Както в посоката на разпространение на вълната, така и перпендикулярно на разпространението на вълната

5. Вълна с честота 4 Hz се разпространява по дължината на кабела със скорост 6 m/s. Дължината на вълната е

1) 0,75 m
2) 1,5 м
3) 24 м
4) няма достатъчно данни за решаване

6. Как ще се промени дължината на вълната, когато честотата на трептене на нейния източник намалее 2 пъти?

1) ще се увеличи с 2 пъти
2) Намалете с 2 пъти
3) Няма да се промени
4) Намалете с 4 пъти

7. В каква среда звуковите вълни не се разпространяват?

1) В твърди вещества
2) В течности
3) В газове
4) Във вакуум

8. Как се наричат ​​механични вибрации, чиято честота надвишава 20 000 Hz?

1) Звук
2) Ултразвук
3) Инфразвук
4) Нито един от отговорите не е верен

9. Камертонът излъчва звукова вълна с дължина 0,5 м. Скоростта на звука е 340 m/s. Каква е честотата на камертона?

1) 17 Hz
2) 680Hz
3) 170Hz
4) 3400 Hz

10. Човешкото ухо може да възприема звуци с честоти от 20 Hz до 20 000 Hz. Какъв диапазон от дължини на вълната съответства на интервала на чуваемост на звуковите вибрации? Вземете скоростта на звука във въздуха, равна на 340 m/s.

1) От 20 m до 20 000 m
2) От 6800 m до 6 800 000 m
3) От 0,06m до 58,8m
4) От 0,017m до 17m

11. Какви промени забелязва човек в звука с увеличаване на амплитудата на трептения в звукова вълна?

1) Вдигнете се
2) Понижаване на терена
3) Увеличаване на звука
4) Намаляване на звука

12. Колко далеч е айсбергът от кораба, ако ултразвуковият сигнал, изпратен от сонара, е получен обратно след 4 s? Скоростта на ултразвука във вода се приема за 1500 m/s.

1) 375 м
2) 750 с
3) 3000 м
4) 6000 м

Отговори на теста по физика Механични вибрации и вълни Звук
1 вариант
1-2
2-1
3-4
4-2
5-2
6-3
7-3
8-3
9-1
10-1
11-1
12-2
Вариант 2
1-4
2-1
3-3
4-3
5-2
6-1
7-4
8-2
9-2
10-4
11-3
12-3