Звук Учитель физики МОУ «СОШ №1» г. Магнитогорска Касалинская А.А. 1

Звук
Учитель физики МОУ «СОШ №1» г.
Магнитогорска Касалинская А.А.
1
Пытаются шептать клочки афиш,
Пытается кричать железо крыш,
И в трубах петь пытается вода,
И так мычат бессильно провода...
К.Я.Ваншенкин
2
План
 Определение
 Механизм возникновения
 Шкала звуковых частот
 Виды звуков
 Диапазон частот
 Источники
 Приемники
 Скорость звука в разных средах
 Сравнение звуковых и электромагнитных волн
 Характеристики звука
 Свойства звука
3
Определения
 Звук - это воспринимаемые органами слуха колебания
частиц среды
 Звук – это продольные механические волны частотой
от 16 до 20 000 Гц
 Звук – это продольные механические волны с
частотой, воспринимаемой ухом
 Звук – это распространение колебаний давления
воздуха
4
Механизм
возникновения
 Колеблющаяся поверхность источника звука вызывает
изменения давления (плотности) окружающего
воздуха, распространяющиеся во все стороны в виде
чередующихся областей повышенного и пониженного
давления, называемых звуковыми волнами.
 Достигнув уха, звуковые волны вызывают
механические колебания барабанной перепонки,
которые затем преобразуются в электрические сигналы
нервной системы и передаются в головной мозг,
интерпретирующий их как звуки.
5
Для возникновения звукового
ощущения необходимы:
 Источник звука
 Среда для
распространен
ия звука
 Приёмник
звука
6
Шкала звуковых волн
 Инфразвук
 0,001 – 20 Гц
 Звук
 20 – 20 000 Гц
 Ультразвук
 20 000 – 109 Гц
 Гиперзвук
 109 – 1013 Гц
Инфразвук
0
20
Звук
Ультразвук
20000
Гиперзвук
109
1013
ν, Гц
7
Виды звуков
 Чистый звук, тон (гармоническое колебание с
одной частотой)
 Сложный звук, звучание (колебание,
разлагаемое на основной тон и обертоны)
 Воющий тон – звук, частота которого
периодически изменяется около среднего
значения
 Шум (набор частот, непрерывно заполняющих
некоторый интервал )
8
Источники звука
•Источники звука – тела или
системы тел, движения которых
относительно окружающей среды
периодически или импульсивно
(резко) нарушают её равновесное
состояние.
•Источники звука – тела, колеблющиеся
со звуковой частотой
9
Классификации источников
звука
 По способу возбуждения звуковой
волны:





Колебательные системы ( струны, пластины)
Автоколебательные системы (музыкальные
инструменты, голосовой аппарат человека,
электрический звонок, сигналы на транспорте)
Источники звукового вращения (винты самолета,
корабля, вертолета)
Источники вихревого звука (свист растяжки, звук
провода, обдуваемого ветром, свист хлыста)
Электроакустический.
10
Классификация источников
звука
 По происхождению ( естественные и
искусственные)
 По закону колебаний (периодические,
импульсивные, гармонические,
негармонические)
11
Приемники звуковых волн
Искусственные:
Микрофон
Естественные:
Ухо
Обладает высокой
чувствительностью
(p=10-6 Па) и
избирательностью
(например, дирижер
улавливает звуки
отдельных
инструментов
оркестра).
12
Строение человеческого уха
1.Слуховой канал
2.Барабанная
перепонка
3.Молот
4.Наковальня
5.Стремечко
6.Овальное окно
7.Евстахиева труба
8.Улитка
9.Слуховой нерв
13
Интенсивность звука,
воспринимаемая человеком
Минимальная
 10-12 Вт/м2
Максимальная
(вызывает болевые
ощущения)
 ≈100 Вт/м2
Отличие на 14 порядков!
14
Скорость звука – скорость
распространения звуковых волн в среде.
υ  v
υ – скорость звука
λ – длина волны
v – частота звука
Скорость распространения звуковых волн
определяется скоростью передачи взаимодействия
между частицами.
15
Скорость звука
340 м/с ≈ 1324 км/ч
Скорость звука зависит от свойств среды, в которой
распространяется звук. В воздухе при повышении температуры на
1°С скорость звука возрастает приблизительно на 0,60 м/с.
16
Это важно !!
При переходе звуковых волн из одной среды в другую
меняется их скорость. В результате волны
отклоняются от прямолинейности распространения
(преломляются).
υ  v
Скорость изменяется только за счёт длины волны - λ ,
частота же – ν остаётся неизменной.
Частота (ν ) - основная характеристика волны!
17
Измерение скорости звука
 Скорость звука в воде была измерена в 1826 г. Ж. Колладоном и Я.
Штурмом.Опыт проводили на Женевском озере в Швейцарии.На
одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в колокол,
опущенный в воду.Звук этого колокола с помощью специального
рупора также,опущенного в воду, улавливался на другой лодке,
которая находилась на расстоянии 14 км от первой. По интервалу
времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала
определили скорость звука в воде. При температуре 8 °С она
примерно 1440 м/с.
18
Основные характеристики звука
Физиологические
Физические
 Громкость ( дБ)  Амплитуда
 Высота
 Частота
 Тембр
 Набор дополнительных
частот
 Звуковое давление
 Интенсивность ( сила
звука)
 Длина волны
 Период
 Скорость
19
Громкость звука
За единицу громкости звука принят 1 Бел
(в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя
телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его
мощность в 10 раз больше порога слышимости.
На практике громкость измеряют в децибелах (дБ).
1 дБ = 0,1Б.
10 дБ – шепот;
20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор средней громкости;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
110 дБ - дискотека;
120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м
130 дБ – порог болевого ощущения.
Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать
разрыв барабанной перепонки.
21
Человеческое ухо способно воспринимать волны,
в которых звуковое давление изменяется в
десять миллионов раз!
 Порог слышимости соответствует значению p0
порядка 10–10 pатм., то есть 10–5 Па. При таком
слабом звуке молекулы воздуха колеблются в
звуковой волне с амплитудой всего лишь 10–7
см!
 «Если бы порог слышимости был порядка 10-6
Па, мы слышали бы броуновское движение.
Природа защитила нас от непрерывных
звуковых перегрузок, вызываемых «толкотней»
молекул воздуха с пылинками. Вот когда бы мы
всем миром боролись за чистоту воздуха».
Т.В. Романова
 Болевой порог соответствует значению p0
порядка 10–3 pатм. или 100 Па.
22
Это интересно
 Рыбы говорят человеческим языком, только в
сказках, но они вовсе не глухи и могут
издавать звуки. Различные звуки они издают с
помощью зубов, воздушного пузыря, хвоста.
Звуки им служат для общения и для отпугивать
врагов. Рыбаки знают, что пескарь может
пищать, а лещи издавать булькающие звуки.
Рыбы и воспринимают звук. Так хищники
спешат на то место, где произошел всплеск
другой, мелкой рыбы.
23
Высота звука
-
-
Звуки человеческого голоса по высоте делят на
несколько диапазонов:
бас – 80–350 Гц,
баритон – 110–149 Гц,
тенор – 130–520 Гц,
дискант – 260–1000 Гц,
сопрано – 260–1050 Гц,
колоратурное сопрано–
до 1400 Гц.
25
ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН
ВОСПРИНИМАЕМЫХ ЗВУКОВ









Бабочка
8 000 - 160 000 Гц
Дельфин
40 - 200 000 Гц
Кошка
250 - 100 000 Гц
Кузнечик
50 - 50 000 Гц
Летучая мышь 2 000 - 150 000 Гц
Медведь
300 - 70 000 Гц
Попугай
300 - 15 000 Гц
Собака
200 - 50 000 Гц
Человек
16 - 20 000 Гц
26
Диапазоны частот слышимых звуков
для людей разного возраста
Дети
20 лет
16 – 22000 Гц 16 – 20000 Гц
35 лет
50 лет
25 – 15000 Гц 30 – 12000 Гц
27
Высота звука
Комар делает крылышками 500 — 600 колебаний в секунду.
Для сравнения: пропеллер самолета делает в среднем около 25
оборотов в секунду
28
Частота, соответствующая разным нотам
первой октавы
до
ре
ми
Частота,
Гц
264
297
330
Диезы
277
311
Тон
фа
соль
ля
352
396
440
370
415
460
си
495
до
528
29
Тембр
 Тембр звука зависит
от наличия в нем
"частичных" тонов
(обертонов, гармоник).
Самая низкочастотная
синусоидальная
составляющая сложного
звука,(обычно наиболее
громкая) называется
основной составляющей
(основным тоном).
30
Одна и та же высота, но
различные тембры
31
Диапазон длин звуковых волн в
различных средах
Среда
Длина волны
Воздух
17 м – 0,017 м
Вода
75 м – 0,075 м
Стекло
215 м – 0,215 м
Алюминий
320 м – 0,32 м
33
Свойства звука
 Отражение
 Преломление
 Поглощение
 Дифракция
 Интерференция
34
Взаимодействие звуковой волны с
преградой
 Отражение
(размер преграды
больше длины
волны)
 Огибание
(дифракция)
(размер преграды
сравним или
меньше длины
волны)
 Преломление
 Поглощение
35
Опыт по отражению звука
 Звук отражается от любой




поверхности,
Вогнутая поверхность
сосредотачивает звук.
Поставьте на стол глубокую
тарелку на дно положите
источник тихого звука
(тикающие часы или таймер)
Другую тарелку держите
около уха так, как показано на
фотографии.
Если положение часов, уха и
тарелок найдено верно, то вы
услышите тиканье часов,
словно оно исходит от той
тарелки, которую вы держите
около уха.
36
Отражение звука
 Если местность
между источником
звука и отражающим
препятствием имеет
углубление, то это
способствует
возникновению эха,
если же наоборот выпуклой, то эха не
будет.
37
Пример отражения звуковых волн от
твердых поверхностей - эхо.
 Наиболее
отчетливое эхо
возникает от резкого
отрывистого звука,
человеческий голос
менее пригоден для
этого, особенно
мужской, высокие
женские и детские
голоса дают более
отчетливое эхо.
Известные эхо:
 в замке Вудсток в Англии
эхо отчетливо повторяет 17
слогов,
 развалины замка Деренбург
возле Гальберштадта давали
27-сложное эхо, до тех пор,
пока одна из стен не была
взорвана.
 Скалы, раскинутые кругом
возле Адерсбаха в
Чехословакии, повторяют в
определенном месте
троекратно 7 слогов, но в
нескольких шагах от этой
точки даже выстрел не
производит никакого эха.
38
Сравнение
механических и
электромагнитных
волн
Механические
 Для распространения
нуждаются в среде
 υв воздухе ≈ 340 м/с
 Поперечные или
продольные
 Воспринимаются
непосредственно
органом слуха
Электромагнитные
 Могут
распространяться и
в вакууме
 υв воздухе ≈ 3·108 м/с
 Поперечные
 Для восприятия
необходимо
преобразовать в звук,
ток, цвет и т.д.
39
Интерференция гармонических волн
разных частот – биения
Даже если частота биений очень
• Когда две частоты мало
различаются, возникают
так называемые биения.
• Биения — это изменения
амплитуды звука,
происходящие с частотой,
равной разности исходных
частот.
мала, человеческое ухо способно
уловить периодическое
нарастание и убывание громкости
звука. Поэтому биения являются
весьма чувствительным методом
настройки в звуковом диапазоне.
Если настройка не точна, то
разность частот можно
определить на слух, подсчитав
число биений за одну секунду.
В музыке на слух
воспринимаются и биения
высших гармонических
составляющих, что применяется
40
при настройке фортепиано.
Интерференция звуковых волн – наложение двух
или большего числа волн
 Стоячие волны – результат наложения двух волн
одинаковой амплитуды, фазы и частоты,
распространяющихся в противоположных направлениях.
 Амплитуда в пучностях стоячей волны равна удвоенной
амплитуде каждой из волн.
 Поскольку интенсивность волны пропорциональна
квадрату ее амплитуды, это означает, что интенсивность
в пучностях в 4 раза больше интенсивности каждой из
волн или же в 2 раза больше суммарной интенсивности
двух волн.
 Здесь нет нарушения закона сохранения энергии,
поскольку в узлах интенсивность равна нулю.
41
Происхождение слов
 Ультразвук ( от лат. ультра – сверх )
 Инфразвук ( от лат. инфра – под )
 Гиперзвук ( от греч. гипер – над )
 Акустика (от греческого akustikos –
слуховой, слышимый)
42
Частоты колебаний, опасные для
живых организмов
Частота, Гц
 0,02
 0,6
 1-3 (дельта-ритм мозга)
 5-7 (тета -ритм мозга)
 8-12 (альфа-ритм мозга)
 5-17 (бета-ритм мозга)
 40-70
 1000-12000
Отрицательный эффект
 Увеличение времени






ответной реакции
Стойкое психическое
торможение
Стресс
Стресс, умственное
утомление
Эмоциональное
возбуждение
Ухудшение процессов
обмена, беспокойство
Снижение слуха
44
Инфразвук
Действия инфразвука
 Головные боли
 Осязаемое движение
барабанных перепонок
 Вибрации внутренних
органов
 Появление чувства
страха
 Нарушение функции
вестибулярного
аппарата




Борьба с инфразвуком:
Повышение
быстроходности машин
Повышение жесткости
конструкций
Устранение
низкочастотных вибраций
Установка глушителей
45
Область ультразвуковых частот
 Низкие ( 1,5·104 – 105 Гц ) ;
 Средние ( 105 – 107 Гц ) ;
 Высокие ( 107 – 109 Гц ).
Низкие
1,5·104
Средние
105
Высокие
107
109
ν, Гц
48
Защита от ультразвука
 Изготовление оборудования, излучающего
ультразвук, в звукоизолирующем
исполнении
 Устройство экранов ( сталь, дюралюминий,
оргстекло)
 Размещение ультразвуковых установок в
специальных помещениях
 Применение индивидуальных защитных
средств.
49
Шум
Ущерб здоровью
Методы борьбы
 Глухота
 Психические расстройства
 Повышение








артериального давления
Уменьшение способности
сосредотачиваться
Раздражение
Усталость или истощение
Боли в желудке
Бессонница
Головокружение





Уменьшение шума в источнике его
возникновения (точность изготовления
узлов, замена стальных шестерен
пластмассовыми и т.д.).
Звукопоглощение (применение
материалов из минерального войлока,
стекловаты, поролона и т.д.).
Звукоизоляция. Звукоизолирующие
конструкции изготавливаются из
плотного материала (металл, дерево,
пластмасса).
Установка глушителей шума.
Рациональное размещение цехов и
оборудования, имеющих интенсивные
источники шума.
Зеленые насаждения (уменьшают
шум на 10 – 15 дБ).
Индивидуальные средства защиты
(вкладыши, наушники, шлемы).
56
Проверь себя
1.Бас у тебя, говорил регент,- хороший, точно пушка стреляет.
(Н.Лесков «Соборяне»)
К каким звуковым волнам относится бас?
А) высокочастотные Б) низкочастотные В) свой вариант
2. «Не услышишь выстрела, которым будешь убит» (пословица).
О чем идет речь?
А) о тембре звука Б) о громкости В) о высоте Г) о скорости
3. «Пустая телега сильно гремит». О чем идет речь в пословице?
А) о высоте звука Б) о громкости В) о резонансе Г) о
скорости
4. На какую характеристику звука реагирует наше ухо?
А) длина волны
Б) частота
В) скорость
Г) на все три
5. Звук - это…
А) продольная волна Б) поперечная волна
57
Проверь себя
 Что сначала: мы слышим гром или видим блеск
молнии?
Вы услышали гром через 5 с после наблюдения
молнии. На каком расстоянии от вас возникла
молния?
58
Проверь себя
 Почему, когда мы
прикладываем
руки ко рту, то усиливается
звук?
59
Проверь себя
 Чем отличается полет бабочки от полета пчелы?
60
Проверь себя
 Как проверяют наличие трещин в колесах вагонов? В
стеклянной и фарфоровой посуде?
61
Ресурсы
 Физика – школьный иллюстрированный
справочник. Авторы: Крис Окслед, Корин
Стокли, Джейн Уертхайь, 1988 г.
 Большой энциклопедический словарь, раздел
физика. Авторы: А. М. Прохоров, Д. М.
Алексеев…,1998г
 Универсальная школьная энциклопедия,
раздел физика. Авторы: Хлебалина …,
издательство “Аванта+”.
 Малая советская энциклопедия. Главный
редактор Б. А. Введенский, 1960 г.
 http://www.Fizika.ru
 http://www.Fizikaanimacia.ru
 http://www.Fizikazvuk.ru
62