Колебания в результате которого возникает звук ответы

3. Отражение звука. Эхо

Эхо (от лат. ēсhō — отголосок, отзвук, от греч. ἠχώ — звук, отзвук) — отражённая от твёрдых поверхностей звуковая волна, принятая наблюдателем.

На рисунке \(1\) звуковая волна, изображённая дугами синего цвета, отражается от стены, обозначенной серой линией и возвращается динамику с уменьшенной энергий, что показано дугами красного цвета. Это однократное эхо.

Рис. \(1\). Отражение звуковой волны от стены

Почему же мы не слышим эхо в небольшой квартире? Эхо возникает только в том случае, если создаваемый нами звук и звук отраженный от стен (пола или потолка) воспринимается отдельно друг от друга. Это может происходить только в том случае, когда интервал времени между воздействиями основного звука и отраженного звука на барабанную перепонку уха не менее \(0,06\) с.

Услышит ли эхо человек, стоящий в комнате на расстоянии \(3\) м от стены?

1. Звук распространяется со скоростью \(340~\frac\).
2. Его путь составит \(3+3=6~м\) до стены и обратно относительно говорящего.
3. Рассчитаем, через какое время звук вернётся по формуле равномерного движения волнового фронта:
   t = S υ ; вычислим: t = 6 340 ≈ 0,02 с.
4. \(0,02~с

А еще образованию эхо будут мешать любые находящиеся в комнате предметы, ведь они могут поглощать звук, а также отражать звуковые волны. В помещении с рыхлыми поверхностями — тканью, коврами, шторами, обоями — звук в основном поглощается. Из-за этого речь людей в помещении звучит разборчиво и чётко, так как не возникает эха.

Другое дело — большие пустые помещения, в них стены, пол и потолок находятся далеко друг от друга. В таких помещениях звуковых волны накладываются друг на друга в результате отражения от поверхностей помещения, и образуется гул. Избавиться от нежелательного явления можно, используя специальные материалы, поглощающие звук. Этими материалами облицовывают стены таких помещений.

Свойство звука — отражаться от гладких поверхностей используется при производстве рупора. Рупор обычно используют в местах скопления людей для усиления звука (рис. \(2\)).

Рис. \(2\). Громко говорящая через рупор

В конусообразном рупоре звуковые волны, отражаясь от стенок, перенаправляются узким потоком на дальние расстояния (рис. \(3\)). Рупоры использовались на кораблях для увеличения сигнала клаксона, на патефонах. По такому же принципу построен мегафон.

1. Источники звука. Звуковые колебания

Человек получает информацию различными органами чувств. После визуальной информации важной является аудиальная . Звуковые сигналы человек начинает воспринимать ещё до рождения. По звукам он распознаёт родных, по интонации речи воспринимает степень комфорта окружения, подаёт сигналы об опасности или о необходимости в заботе (голод, телесный дискомфорт).

Рис. 1 . Изображение разговаривающего ребёнка
Звуковые сигналы являются мощным стимулом для ментального развития. Обучаемся мы тоже через слово .
Передача звуковой информации происходит с помощью механических волн.
Звуковые (акустические) волны — распространение механических колебаний в упругих средах.
Источниками звука являются колеблющиеся тела.

О колебаниях струны мы можем судить по её звуку. Дрожание происходит с такой частотой, что струна для глаза кажется широкой, размытой линией (рис. \(2\)). Как только остановится колебание струн при прижатии их рукой, звук прекратится.

Рис. 2 . Изображение акустической гитары

Тонкий лёгкий лист бумаги будет отталкиваться дрожащей струной. Причём отталкивание будет производиться периодически, то есть через равные промежутки времени.

На рисунке \(3\) изображён камертон — изогнутый металлический стержень на ножке, который укреплён на резонаторном ящике.

Рис. 3 . Изображение камертона, закрепленного на резонаторном ящике
Чтобы камертон зазвучал, нужно заставить его колебаться с частотой звуковой волны (рис. \(4\)).

Рис. 4 . Изображение камертона после удара по нему палочкой

Механические волны от источника (камертона) будут передавать по воздуху энергию колебания, достаточные для воздействия на лёгкий шарик, подвешенный на нитке (рис. \(5\)). Это подтверждает отскакивание шарика без соприкосновения с камертоном.

Рис. 5 . Изображение камертона и отклоняющегося от положения равновесия шарика

Для того, чтобы увидеть траекторию движения ветвей камертона при колебании частотой около \(16\) Гц, можно закрепить грифель от карандаша на одной из ветвей.

Если ударить по камертону молоточком и перемещать лист бумаги, то грифель карандаша нарисует на бумаге волнообразную линию (рис. \(6\)).

Рис. 6 . Изображение волны

Полученная экспериментальным путем линия напоминает синусоиду. Из этого следует, что ветвь звучащего камертона совершает колебания, которые являются гармоническими.

Источник звука всегда колеблется. Эти колебания могут быть настолько быстрыми, что являются незаметными для глаз. Например, звук человеческого голоса возникает в результате колебаний голосовых связок. В этом можно убедиться, приложив руку к горлу во время разговора. Колебаний мы не видим, но рука их ощущает. Колебания воздуха создают для нас огромный мир звуков, начиная от музыкальных инструментов и заканчивая шумом волн.

Однако, не всегда колеблющееся тело создаёт звук. Например, не издаёт звук покачивание головы из стороны в сторону. Колебание шарика на нити тоже происходит без звука. Не услышите вы и звука колеблющейся линейки, если её свободный конец будет достаточно длинным. В этом случае частота уменьшается настолько, что человеческое ухо не способно воспринимать звуковые колебания.

Оказывается, что человек способен воспринимать звуковые колебания с частотой в пределах от \(16\) до \(20000\) Гц.

Звуковые колебания — механические колебания частотой от \(16\) Гц до \(20\) кГц, передаваемые в упругой среде и воспринимаемые человеком как звуковые сигналы.

Границы слуховых ощущений индивидуальны.
Факторы, влияющие на звуковое восприятие:

• возраст (дети восприимчивее к высоким звукам)
• заболевания (ОРВИ)
• хроническое нарушение слуха
• постоянное шумовое воздействие (машинисты, строители, лётчики)
• воздействие наушников (снижает слуховую чувствительность)

Механические колебания называются ультразвуковыми , если их частота превышает \(20 000\) Гц, а инфразвуковыми называются колебания с частотами менее \(16\) Гц.

Ультразвук и инфразвук так же широко встречаются в природе, как и волны, слышимые человеческим ухом. Ультразвуковые волны излучают и используют для общения между собой дельфины, летучие мыши, в инфразвуковом диапазоне «разговаривают» жирафы.

Дельфины используют ультразвук также для предупреждения сородичей об опасности, при обнаружении косяков рыбы.

Для летучих мышей ультразвук является средством обнаружения добычи (рис. \(7\)).

Рис. 7 . Изображение летучей мыши, охотящейся на бабочку
Медузы чувствуют приближение шторма благодаря улавливанию создаваемой им инфразвуковой волны.
Ультразвук находит широкое применение в технике.

Одно из применений ультразвука — измерение глубины водоёма, например, моря (рис. \(8\)). На днище судна размещают источник ультразвука и устройство для его приема (т.е. приемник ультразвука).

Рис. 8 . Изображение корабля, измеряющего глубину моря с помощью ультразвука

Источник излучает ультразвук короткими импульсами. Ультразвук доходит до дна водоема и отражается от него. Отраженный сигнал регистрируется приёмником. Ультразвук распространяется в воде со скоростью \(v\) и проходит расстояние (до дна водоема и обратно) за определенное время. Это расстояние равно \(2h\), где \(h \)— глубина моря.

Выведем из этой формулы величину \(h\).

Эхолокация (лат. ēсhō — отголосок, отзвук, греч. ἠχώ — звук, отзвук, лат. locatio — положение) — метод определения расстояния до объекта по времени задержки отражённой звуковой волны.

Рис. 1. Изображение разговаривающего ребёнка. © ЯКласс.
Рис. 2. Изображение акустической гитары. © ЯКласс.

Рис. 3. Указание авторства не требуется: Звуковой Ящик Камертон Дерево, https://pixabay.com/images/id-3707792/, бесплатно для коммерческого использования.
Рис. 4. Указание авторства не требуется: Науки Физика Значки Атом Магнит Батареи Шестерня, https://pixabay.com/images/id-5976575/, бесплатно для коммерческого использования.

Рис. 5. Указание авторства не требуется: Науки Физика Значки Атом Магнит Батареи Шестерня, https://pixabay.com/images/id-

5976575/, бесплатно для коммерческого использования.

Рис. 6. Указание авторства не требуется: обои/рельефы, 2017-08-30, https://clck.ru/Uu6tj, бесплатно для коммерческого использования.
Рис. 7. Указание авторства не требуется: Летучая Мышь Черный Птицы Полет Крылья Большие, https://pixabay.com/images/id-34722/, бесплатно для коммерческого использования.

Рис. 8. Изображение корабля, измеряющего глубину моря с помощью ультразвука. © ЯКласс.

2. Распространение звука. Звуковые волны

Наше ухо постоянно слышит различные звуки. Чаще всего звук распространяется по воздуху, но может распространяться и в других средах. Эти среды называют упругими.

Если между ухом и источником звука удалить звукопередающую среду, то мы ничего не услышим. Это означает, что для передачи звука на расстояние необходима звукопередающая среда.

Чтобы изолировать источник звука (будильник) от звукопередающей среды (воздуха), поместим его в установку, где сможем откачать воздух (рис. \(1\)).

Рис. \(1\). Эксперимент с будильником в вакууме

Для чистоты эксперимента послушаем будильник в воздушной среде под колоколом воздушного насоса. Звук слышен очень хорошо. Постепенно начнём откачивать воздух. Громкость звука уменьшается. При достижении вакуума под колоколом звук перестаёт передаваться — будильник не слышно. Этим экспериментом мы подтвердили утверждение о том, что в отсутствие упругой среды звук не передаётся.

Звуковые волны распространяются в упругой среде. Чем больше плотность вещества, тем лучше оно проводит звук.

Проведём эксперимент с доской из древесины (рис. \(2\)). Сможем ли мы расслышать тиканье часов на расстоянии, приложив ухо к одному концу доски, а к другому — наручные часы? Звук хорошо передаётся по доске.

Рис.\(2\). Эксперимент с доской из древесины

Если подвесить металлическую ложку на верёвочке (рис. \(3\)) и привязать другой конец к пальцам, то вибрация будет им передаваться. Проволока из металла будет лучше проводить звук.

Рис. \(3\). Эксперимент с ложкой и верёвочкой

Тела с низкой плотностью, не обладающие упругостью, содержащие звукоизолирующие слои (например, прослойку воздуха) проводят звук в меньшей степени. Например, пробка, поролон, вата.

Чтобы изолировать помещение от посторонних или ненужных звуков, необходимо облицевать потолок, стены и даже пол различными звукопоглощающими материалами. Для этих целей используют минеральную, базальтовую или хлопковую вату, а также газостекло, пенобетон, вспененный полиуретан и меламин и др. Все эти материалы в порах содержат воздух, что и способствует поглощению звука.

Таким образом,

звук может распространяться в любой среде (твёрдой, жидкой и газообразной), где есть молекулы. И не может распространяться там, где молекул нет, т.е. в вакууме.

Колебания источника звука создают в окружающей среде волну звуковой частоты, которая является упругой волной.

Восприятие звука слуховым аппаратом (рис. 4):

1. Волна, достигая наружного уха, воздействует на барабанную перепонку, что заставляет её колебаться с точно такой же частотой, с какой колеблется источник звука.
2. Колебания барабанной перепонки передаются на слуховые косточки в среднем ухе, далее — во внутреннее ухо.
3. Во внутреннем ухе колебания воздействуют на улитку, в которой есть волосковые клетки, которые преобразуют механические колебания в электрические нервные импульсы.
4. Слуховой нерв передаёт электрические нервные импульсы от улитки в головной мозг.
5. Мозг анализирует сигналы: распознаёт, сравнивает, интерпретирует.

Рис. \(4\). Строение слухового аппарата

В газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие волны. Поэтому звук в воздухе передаётся продольными волнами, то есть чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука.

Звуковая волна распространяется в пространстве с определённой скоростью.

Наблюдая за стрельбой из оружия (например, из пушки), мы сначала видим вспышку и только потом (через некоторое время) слышим звук выстрела.

Измерив промежуток времени \(t\) между моментом появления вспышки и моментом, когда звук доходит до уха, а также расстояние между источником звука и наблюдателем, можно определить скорость распространения звука по формуле:

По опытным данным, при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха \(0\) °С скорость звука составляет \(332\) м/с.

В газах скорость звука прямо пропорциональна температуре.

Например, при \(20\) °С скорость звука в воздухе равна \(343\) м/с, при \(60\) °С — \(366\) м/с, при \(100\) °С — \(387\) м/с.

При повышении температуры среды увеличивается скорость движения молекул (или атомов) среды, что повышает интенсивность взаимодействия частиц среды. Значит, увеличивается передача энергии колебательного движения.

На скорость распространения звука оказывает влияние среда, в которой распространяется звук. Это связано не только с плотностью среды, но и расположением частиц этой среды относительно друг друга.

При решении задач скорость звука в воздухе обычно считают равной \(340\) м/с.

При температуре \(0\) °С скорость звука в водороде равна \(1284\) м/с, а в углекислом газе — \(259\) м/с. Это различие связано с массой молекул газов, в которых распространяется звук. Масса молекул водорода меньше массы молекул углекислого газа.

Для измерения скорости звука существуют специальные устройства, принцип действия которых связан с определением времени, за которое звук проходит определенное расстояние.

Плотности жидкостей и твёрдых тел значительно больше плотностей газов. Поэтому молекулы в этих средах находятся значительно ближе друг к другу, а следовательно, взаимодействие между ними более сильное. Это способствует более быстрому распространению звука.

Звуковые колебания

Звуковые колебания – это очень распространенный в Природе процесс, играющий большую роль как в жизни человека, так и в жизни других живых существ. Рассмотрим особенности таких колебаний.

Звуковые колебания в Природе

Для возникновения механических колебаний необходимо наличие упругой среды, которая стремится сохранять свое состояние. Поскольку все природные вещества в той или иной степени обладают упругостью, то все они способны участвовать в колебательных процессах.

Частота таких процессов определяется, с одной стороны, упругостью среды, а с другой – ее плотностью и объемом. Минимальная частота колебаний может лежать в пределах долей герца, максимальная частота – быть больше гигагерца. Однако, наиболее широко распространены механические колебания частотой от 1 Гц до 100 кГц. Такие колебания, как правило, являются продольными, и представляют собой распространяющиеся уплотнения среды, движущиеся с разными скоростями.

Эти колебания возбуждаются практически любыми механическими воздействиями, по их наличию можно делать вывод о событиях, происходящих в отдалении. Поэтому такие колебания играют исключительно важную роль для всех живых существ в Природе, включая человека, и воспринимаются, как звук.

Характеристики звуковых колебаний

Обычно под звуком подразумеваются механические колебания среды, воспринимаемые человеческим ухом.

Верхняя граница частоты звуковых колебаний принимается равной 20 кГц, а нижняя – 20 Гц. При этом, конечно, существуют индивидуальные особенности, некоторые люди слышат частоты, несколько выходящие за этот диапазон, но для большинства такие звуки не слышны.

Колебания с более низкими частотами называются инфразвуком. Инфразвук могут слышать животные с большими размерами слухового анализатора – слоны или киты.

Звуковые колебания с частотами выше 20 кГц называются ультразвуком. Человек также не воспринимает ультразвук, однако, многие животные его способны слышать. Например, большинство собак хорошо слышат ультразвук частотой 30 кГц, некоторые особи слышат 50 кГц, а летучие мыши способны слышать ультразвук частотой свыше 100 кГц.

Второй важной характеристикой звука является его сила. Поскольку чаще всего звук – это распространяющиеся уплотнения воздуха, можно выражать мощность звука в единицах давления. Однако, характер восприятия звука человеком нелинеен. На малых уровнях громкости хорошо слышна очень небольшая разница в давлениях. При больших же уровнях такая же разница становится незаметной. Поэтому для характеристики громкости звука используется логарифмическая шкала со специальными единицами – децибелами. Нулю децибел соответствует порог слышимости, 120 дб – болевой порог.

Если звуковые колебания происходят по закону синуса, они называются гармоническими и воспринимаются нами, как «чистый», музыкальный звук. Музыкальные звуки, частоты которых относятся, как небольшие целые числа (1:2, 2:3 или 3:4) воспринимаются наиболее приятно, именно из них составляются музыкальные аккорды. Звуковые колебания не имеющие гармонического характера, и представляющие собой смесь самых разных частот называются шумом.

Что мы узнали?

Звуковые колебания – это механические колебания упругой среды, с частотами от 20 Гц до 20 кГц. Сила их измеряется в децибелах, и лежит в пределах от 0 дБ (предел слышимости) до 120 дБ (болевой предел).