«Физика и музыка»
проект по физике (7 класс) на тему

III межшкольная  научно – практическая конференция     «Шаг в науку - 2012»

Секция: физико–математематических наук.

Название работы: «Физика и музыка»

Ставрополь, 2012

Содержание

Введение

Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков. Звучат вокруг нас голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот моторов и шелест листвы. С помощью речи люди общаются, с помощью слуха получают информацию об окружающем мире. Не меньшее значение звук имеет для животных. С точки зрения физики, звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п.

Способность человека воспринимать упругие колебания,  слушать их отразились в названии учения о звуке - акустика (от греческого akustikos - слуховой, слышимый). Вообще человеческое ухо слышит звук только тогда, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 16 Гц но не выше 20 000 Гц. Колебания же с более низкими или с более высокими частотами для человеческого уха неслышимы.

Вопросы, которыми занимается акустика, очень      разнообразны. Некоторые из них связаны со свойствами и особенностями нашего слуха.

Предметом физиологической акустики и является сам орган слуха, его устройство и действие.

Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки, и т.д.  При этом опять имеется в виду слуховое восприятие звука.

Музыкальная акустика исследует музыкальные инструменты и условия их наилучшего звучания.

Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последнее время охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). Она широко использует разнообразные методы для превращения механических колебаний в электрические и обратно (электроакустика).

Применительно к звуковым колебаниям в число задач  физической акустики входит и выяснение физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различаемые на слух.

Историческая справка

Звуки начали изучать ещё в далёкой древности. Первые наблюдения по  акустики  были  проведены  в  VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издающей звук.

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.

В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип  независимости звуковых волн от различных источников.

В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не   распространяется).

В 1700 - 1707 гг. вышли мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской Академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное  конструкторам органов: если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающиеся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колебаний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соответствует 32 колебаниям в секунду, а другой - 40 колебаниям, то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго звука и, таким образом происходит усиление звукаОн назвал эти ноты высшими гармоническими тонами, и этому названию суждено было остаться в науке. Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800.

За тем, Ньютон, основываясь  на этих экспериментальных работах Савёра, дал первый расчет длины волны звука и пришел к выводу, хорошо известному сейчас в физике, что для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы. "И в этом состоят главнейшие звуковые явления".

После экспериментальных  исследований Савёра к математическому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор, положив этим начало математической физике в собственном смысле слова. Ему удалось рассчитать зависимость числа колебаний струны от её длины, веса, натяжения и местного значения ускорения силы тяжести. Ею занимались среди прочих Иоганн Бернулли и его сын Даниил Бернулли, Риккати и Даламбер. Последний нашел уравнения в частных производных, определяющие малые колебания однородной струны, и  проинтегрировал их методом, применяемым и поныне. Но 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"  и  продолжалось в многочисленных последующих докладах. В частности, из теории Эйлера вытекало, что скорость распространения волны по струне не зависит от длины волны возбуждаемого звука. Эйлер производил также теоретические исследования колебаний стержней, колец, колоколов, но полученные результаты не совпали с результатами экспериментальной проверки, предпринятой немецким физиком Эрнестом Флоресом Фридрихом Хладни, которого считают отцом экспериментальной акустики. Хладни первым точно исследовал колебания камертона и в 1796 году установил законы колебаний стержней.

Фактическое объяснение эха, явления довольно капризного, также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду. Эти измерения, многократно повторяемые физиками до сих пор, весьма  субъективны  и  зависят от интенсивности и характера звука. Но особенно известны опыты Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые "акустические фигуры", носящие названия фигур Хладни и получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку песком. Эти экспериментальные исследования поставили новую задачу математической физики - задачу о колебаниях мембраны.

Хладни начал исследования продольных волн в твердых телах и сопоставил продольные и поперечные колебания стержня при различных способах возбуждения (ударом, трением и др.). Исследование продольных волн были продолжены экспериментально Саваром, а теоретически - Лапласом и Пуассоном.

В 1787 году Хладни, основоположник  экспериментальной акустики открыл продольные колебания струн, пластин, камертонов и колоколов. Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе. Он изобрёл ряд музыкальных инструментов. В 1802 году вышел труд Эрнеста Хладни "Акустика", где он дал систематическое изложение акустики.

После Хладни французский учёный Жан Батист Био в 1809 году измерял скорость звука в твёрдых телах.

В 1816 году французский физик Пьер Симон Лаплас вывел формулу для скорости звука в газах.

В  1827 году Ж. Колладон и Я. Штурм провели опыт на Женевском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с.

В 1877 году американский учёный Томас Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука, который потом сам же в 1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи получил название механического.

В 1880 году французские учёные братья Пьер и Поль Кюри сделали  открытие, которое  оказалось очень  важным для   акустики. Они обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это  свойство - пьезоэлектрический  эффект - для обнаружения не слышимого человеком ультразвука. И наоборот, Если к  граням  кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь.

Основные понятия акустики

Звуковые явления.

При распространении звуковой волны происходит затухание звука, связанное с различными необратимыми  процессами. Часть энергии, которая переносится  звуковыми волнами, поглощается средой.

Коэффициент поглощения 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.

Звуковая волна, распространяясь в некоторой  среде, когда-нибудь доходит до границы этой среды,  за которой начинается другая среда, состоящая из   других частиц, в которой и скорость звука другая. На такой границе происходит явление отражения звуковой волны. При этом сгущение частиц превращается в разрежение, а разрежение - в сгущение.

Происходит это потому, что колебания, принесённые волной к границе, передаются частицами второй среды и  они сами становятся источником новой звуковой волны. Эта вторичная волна распространяется не только во второй среде, но и в первой, откуда пришла первичная волна. Это и есть отраженная волна.

На границе двух сред происходит частичное  поглощение и прохождение звука в другую среду. Отражение звука, распространяющегося в воздухе, от твёрдого тела или жидкой поверхности происходит практически полностью. Звук, распространяющийся в плотной среде, также  практически полностью отражается на границе раздела с воздухом.

Если преграда представляет собой более плотную среду, то при отражении происходит потеря полуволны. В большом помещении после каждого звука возникает  гул, который является результатом наложения звуковых волн, отраженных от различных преград в этом помещении.  Например  от  стен,  потолка,  колонны   и  т.п.. Это явление называется реверберацией. Если в помещении много отражающих поверхностей, особенно  мягких, сильно поглощающих звук, то реверберация отсутствует. Явление реверберации учитывают в архитектуре, при проектировании больших залов, добиваясь определённой окраски звука, который приобретает мягкость и объёмность.

С явлением отражения звука связано такое  известное явление, как эхо. Оно состоит в том, что  звук от источника доходит до какого-то препятствия, которое и является границей двух сред, отражается от него, и возвращается к месту, где эта звуковая волна возникла. И если первичный звук и звук отражённый доходят до слушателя не одновременно, то он слышит звук дважды. Звук может испытать и несколько отражений. Тогда можно услышать звук много раз. Например раскаты грома.

При отражении звуковой волны от менее плотной  среды, например лёгкие газы, звуковая волна,  распространяющаяся в воздухе, проходит через неё, вовлекая частицы этой среды в волновое движение и частично отражаясь.

Для звуковых волн выполняются законы отражения и преломления, аналогичные законам отражения и преломления света.

Звуковые частоты

Колебания упругой пластинки, зажатой в тисках, имеют тем более высокую частоту, чем короче  свободный колеблющийся конец пластинки. Когда  частота колебаний делается выше чем 16 Гц, мы начинаем слышать колебания этой пластинки.

Таким образом, звук обусловливается механическими  колебаниями в упругих средах и телах (твёрдых, жидких и газообразных), но не в вакууме.

То, что воздух - проводник звука, было доказано поставленным опытом Роберта Бойля в 1660 году. 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 колоколом весь воздух кончится, то звук прекратится.

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.

Свойства звука.

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.

Звуки бывают разные. Мы легко различаем свист и дробь барабана, мужской голос (бас) от женского (сопрано).

Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие мы называем звуками высокого тона. Ухо их легко различает. 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.

Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это   камертоны различных размеров - простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках. Чем больше размеры камертона, тем ниже  звук, который он испускает при ударе по нему.

Если взять несколько камертонов разного размера, то не представит труда расположить их на слух в порядке возрастания высоты звука. Тем самым они  окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон даёт низкий звук, а маленький - наиболее высокий.

Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Громкость звука связана с амплитудой колебаний. Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колебаний. Но связь между громкостью звука и  амплитудой колебаний не простая.

Самый слабый ещё слышимый звук, дошедший до барабанной перепонки, приносит в 1 секунду энергию,  равную примерно 10-16 Дж, а самый громкий звук (звук реактивного ракетного двигателя в нескольких метрах  от него) - около 10-4 Дж. Следовательно, по мощности  самый громкий звук примерно в тысячу миллиардов раз превосходит самый слабый.

Интенсивности звука при слуховом восприятии соответствует ощущение громкости звука. При   определенной минимальной интенсивности человеческое  ухо не воспринимает звука. Эта минимальная  интенсивность называется порогом слышимости. Порог  слышимости имеет различные значения для различных частот. При больших интенсивностях ухо испытывает  болевое ощущение. Наибольшая интенсивность при  болевом восприятии звука называется порогом болевого ощущения.

Уровень интенсивности звука определяется в  децибелах (дБ). Например, громкость звука, шороха листьев оценивается в 10 дБ, шёпота - 20 дБ, уличного  шума - 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ ощущается кожей и вызывает ощущение боли.

Простейшие наблюдения показывают, что громкость  тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой  колебаний. Звук камертона после удара по нему  постепенно затихает. Это происходит вместе с затуханием колебаний, т.е. с уменьшением их   амплитуды. Ударив камертон сильнее, т.е. сообщив колебаниям большую амплитуду, мы услышим более громкий звук, чем при слабом ударе. То же можно наблюдать и со струной, и вообще со всяким другим источником звука.

Таким образом, если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет ещё одно качество, кроме высоты и громкости, а именно -  специфический оттенок, называемый тембром. По  различному тембру мы легко распознаём звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты, гармони и т.д., хотя все эти звуки имели бы одну и ту же высоту и громкость. По тембру мы можем узнать голоса разных людей.

Скорость распространения звука.

В том, что распространение звуковых волн происходит не мгновенно, можно увидеть из простейших наблюдений. Если в дали происходит гроза, выстрел, взрыв, свисток паровоза, удар топором и т.п., то  сначала все эти явления видно, а только потом, спустя некоторое время, слышен звук.

Как и всякая волна, звуковая волна  характеризуется скоростью распространения колебаний в ней. В сухом воздухе,  при температуре 0 0C скорость звука равна 331,5 м/с, а с повышением температуры увеличивается.

 В воде звук распространяется примерно в 4,25 раза  быстрее, чем в воздухе, а в твёрдых телах - ещё  быстрее (около 5•103 - 6•103 м/с).

С длиной волны λ и частотой колебаний ν, скорость звуковой волны  связана формулой:

Скорость звука различна в разных средах. Например в водороде скорость распространения звуковых волн  любой длины равна 1284 м/c, в резине - 1800 м/с, а в железе - 5850 м/c.

Музыкальная акустика.

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с набором частот, который определяет  акустический спектр звуковой волны. Различают три  вида звуковых колебаний: музыкальные звуки, звуковые  удары и шумы. Периодические колебания определённой частоты вызывают простой музыкальный тон.

 Сложные  музыкальные звуки - это сочетания отдельных тонов.  Тон, соответствующий наименьшей частоте сложного музыкального звука, называют основным тоном, а остальные тоны - обертонами. Если частота обертона кратна частоте основного тона, то обертон называют гармоническим. При этом основной тон с минимальной частотой ν0 называют первой гармоникой, обертон, с  частотой  2ν0   - второй  гармоникой и т.д.

Относительная интенсивность, звуковой волны а так же характер нарастания и спада их амплитуд во время  затухания, определяют окраску (или тембр) звука. Различные музыкальные инструменты (рояль, скрипка  флейта и т.п.) отличаются тембром издаваемых этими инструментами звуков. Совокупность звуков разной высоты которыми пользуются в музыке, составляет музыкальный строй. Относительный музыкальный строй состоит из звуков, находящихся в определённых соотношениях. Если звуки музыкального строя заданы высотой исходного тона, с которого начинается  настройка инструментов, то такой строй называют абсолютным. Исходный (стандартный) тон в   европейском абсолютном музыкальном строе равен 440 Гц (звук "ля" первой октавы). Относительное различие    в высоте двух тонов, обусловленное соотношением  между частотами этих тонов, называют интервалом.  Соотношение частот 2:1 определяет октаву, 5 : 4 -  большую терцию, 4 : 3 - кварту, 3 : 2 - квинту.

Резонанс в акустике.

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. Резонансные явления можно наблюдать на механических колебаниях любой частоты. Т.к. камертон  сам по себе даёт очень слабый звук, потому, что площадь поверхности колеблющихся ветвей камертона, соприкасающихся с воздухом, очень мала и в колебательное движение приходит слишком мало частиц воздуха, то камертон 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.

Пример акустического  резонанса  можно наблюдать   в следующем опыте. Роль ящиков в этом опыте чисто вспомогательная.

Поставим рядом два одинаковых камертона, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, друг к другу. Ударим один из камертонов и затем приглушим его пальцами. Мы услышим, как звучит второй камертон.

Возьмём два разных камертона, т.е. с различной  высотой тона, и повторим опыт. Теперь каждый из камертонов не будет откликаться на звук другого камертона.

Этот результат объясняется тем, что колебания одного камертона действуют через воздух с некоторой силой на второй камертон, заставляя его совершать вынужденные колебания. Так как первый камертон совершает гармоническое колебание, то и сила,  действующая на второй камертон, будет меняться по закону гармонического колебания с частотой первого камертона. Если частота силы та же, что и  собственная сила второго камертона, то второй камертон начинает сильно раскачиваться. Это явление  называется акустическим резонансом. Если же частота   силы другая, то вынужденные колебания второго камертона будут настолько слабыми, что их будет невозможно услышать.

Так как камертоны обладают очень небольшим затуханием, то у них резонанс будет очень сильно выражен (острый резонанс). Поэтому уже небольшая  разность между частотами камертонов приводит к тому, что один камертон перестаёт откликаться на колебания другого. Достаточно, например, приклеить к ветвям одного из двух камертонов кусочки пластилина или воска, и камертоны уже будут расстроены, резонанса не будет.

Если у пианино нажать на педаль и сильно крикнуть на него, то от него можно будет услышать отзвук, который будет слышится некоторое время, с тоном (частотой) очень похожим на первоначальный звук.

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. Примерами могут служить шелест листьев в лесу, грохот водопада, шум на улице города. К шумам также можно отнести звуки, выражаемые согласными. Шумы могут отличатся  распределением по силе звука, по частоте и продолжительности звучания во времени. Длительное  время звучат шумы, создаваемые ветром, падающей воды,  морским прибоем. Относительно кратковременны раскаты грома, рокот волн - это низкочастотные шумы. Механические шумы могут вызываться вибрацией твёрдых тел. Возникающие при лопании пузырьков и полостей в  жидкости звуки, которые сопровождают процессы  кавитации, приводят к кавитационным шумам.

В прикладной акустике изучение шумов проводится в связи с проблемой борьбы с их вредностью, для усовершенствования шумопеленгаторов в гидроакустике,  а также для повышения точности измерений в  аналоговых и цифровых устройствах обработки  информации. Продолжительные сильные шумы  (порядка  90 дБ и более) оказывают вредное действие на нервную  систему человека, шум морского прибоя или леса - успокаивающее.

Ультразвуки и инфразвуки.

Сейчас акустика, как область физики рассматривает более широкий спектр упругих колебаний - от самых  низких до предельно высоких, вплоть до 1012 - 1013 Гц.  Не слышимые человеком звуковые волны с частотами ниже 16 Гц  называют  инфразвуком,  звуковые  волны  с частотами от 20 000 Гц до 109Гц - ультразвуком, а  колебания с частотами выше чем 109Гц называют гиперзвуком.

Этим неслышимым звукам нашли много применения.

Ультразвуки и инфразвуки имеют очень важную роль и в живом мире. Так, например, рыбы и другие морские животные чутко улавливают инфразвуковые волны, создаваемые штормовыми волнениями. Таким образом, они заранее чувствуют приближение шторма или циклона, и  уплывают в более безопасное место. Инфразвук - это  составляющая звуков леса, моря, атмосферы.

При движении рыб, создаются упругие   инфразвуковые колебания, распространяющиеся в воде. Эти колебания хорошо чувствуют акулы за много  километров и плывут на встречу добыче.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи,  летучие мыши и др. 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. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).

Проведённые наблюдения показали, что муравьи так же издают ультразвуковые сигналы с разными частотами в разных ситуациях. Все записанные эти муравьиные  звуковые сигналы можно разделить на три группы: "сигнал бедствия", "сигнал агрессии" (во время борьбы) и "пищевые сигналы". Эти сигналы представляют собой кратковременные импульсы, длительностью от 10  до 100 микросекунд. Муравьи издают звуки в сравнительно широком диапазоне частот - от 0,3 до 5 килогерц.

Применение звуковых волн

Звукозапись и фонограф Эдисона

Вряд ли сегодня можно встретить человека, Который ни разу бы не слышал радио, магнитофон или проигрыватель. Без звукозаписи наша жизнь кажется немыслимой. А ведь всего немного более века прошло с того времени, когда американский изобретатель Эдисон в 1877 году впервые продемонстрировал изобретённый им 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 в сущности есть развёртка или осцилограмма колебаний конца иглы. Когда игла вновь проходила по ней, из мембраны доносился записанный звук.

Изобретённый Эдисоном способ звукозаписи получил название механического. Используют его и сейчас, но, конечно, в новом качестве: мембрану, с её низкой чувствительностью заменили высокочувствительные микрофоны с электронными усилителями, а сигнал, преобразованный в механические колебания, записывают на металлической матрице, с которой затем печатают  грампластинки. Запись ведут уже не иглой, а специальным резцом. Запись звука в виде борозды переменной глубины была заменена поперечной записью, то есть в виде борозды с поперечными извилинами. На современных пластинках звуковая дорожка имеет форму спирали, по которой при вращении пластинки движется игла, обычно от края пластинки к её центру. Извилины этой дорожки легко рассмотреть в сильное увеличительное стекло.

Звуколокация.

На явлении эхо основан метод определения расстояний до различных предметов и обнаружения их месторасположений. Допустим, что каким-нибудь источником звука испущен звуковой сигнал и зафиксирован момент его испускания. Звук встретил какое-то препятствие, отразился от него, вернулся и был принят приёмником звука. Если при этом был измерен промежуток времени между моментами испускания и приёма, то легко найти и расстояние до препятствия. За измеренное время t звук прошёл расстояние 2s, где s - это расстояние до препятствия, а 2s - расстояние от источника звука до препятствия и от препятствия до приёмника звука. Если скорость звука υ  известна, то можно написать:

Откуда:

По этой формуле можно найти расстояние до отражателя сигнала. Но ведь надо ещё знать, где он находится, в каком направлении от источника сигнал встретил его. Между тем звук распространяется по всем направлениям, и отраженный сигнал мог прийти с разных сторон. Чтобы избежать этой трудности используют не обычный звук, а ультразвук.

Ультразвуковые волны по своей природе такие же, как обычные звуковые волны, но не воспринимаются человеком как звук. Это объясняется тем, что частота колебаний в них больше, чем 20 000 Гц. Такие волны наблюдаются в природе. Есть даже такие живые существа, способные их испускать и принимать.

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, который их отразил. Так можно, например, измерять глубину моря под кораблем.

Звуколокаторы позволяют обнаруживать и определять местоположение различных повреждений в изделиях, например пустоты, трещины, постороннего включения и  др. В медицине ультразвук используют для обнаружения различных аномалий в теле больного - опухолей, искажений формы органов или их частей и т.д. Чем короче длина ультразвуковой волны, тем меньше размеры обнаруживаемых деталей. Ультразвук используется также для лечения некоторых болезней.

Голос моря.

Ещё полстолетия назад неслышимый звук был мало кому известен; первые научные изыскания носили чисто академический характер. Однако практика поставила некоторые неотложные задачи и новые открытия наметили пути к их разрешению. Неслышимый звук получил многочисленные применения.

Ещё сравнительно недавно никто не мог предположить, что звуком станут не только измерять глубину моря, но и сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи.

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.

Ультразвуковая обработка.

Ультразвуковым волнам было найдено больше применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2.

 Ультразвуковые волны так же используют в станках для обработки хрупких и твёрдых материалов.

Заключение.

Мы изучили понятие звука, рассмотрели свойства звука.

Звук это волна распространяющаяся в упругой среде с определенными, слышимыми человеком частотами.

Для различных животных разные. Например, для человека от 20 до 20000 Гц.

Звук нашел очень широкое распространение в живой природе и технике. Большое количество информации к человеку поступает благодаря звуку. А для некоторых животных звук является основным источником информации об окружающей среде. Большое значение имеет звук также в искусстве, музыке.

Список литературы

1. Брюханов А.В., Пустовалов Г.Е., Рыдник В. И. Толковый физический словарь. Основные термины: около 3600 терминов. - М.: Рус. яз., 1987.
2. Кикоин И.К., Кикоин А.К.  Физика: Учеб. для 9 кл. сред. шк. -  3-е изд. - М.: Просвещение, 1994.
3. Кошкин Н. И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике10-е изд., М.: Наука, 1988.
4. Льоццы М. История физики. -  М.: Мир, 1970.
5. Пирс Дж. Почти всё о волнах.- М.: Мир, 1976.
6. Разговор муравьёв."Наука и жизнь", 1978, No.1, стр. 141
7. Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. -2-е изд. -  М.: Наука, 1983.
8. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. / Под ред. Г.С. Ландсберга: Т.III. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. 11-е изд.--М.: Наука. Физматлит, 1995.

1. Название работы:
   «Физика и музыка»
2. ЗАДАЧА

Изучить звуковые явления, их свойства и применение

3. Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков. Звучат вокруг нас голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот моторов и шелест листвы. С помощью речи люди общаются, с помощью слуха получают информацию об окружающем мире. Не меньшее значение звук имеет для животных. С точки зрения физики, звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле.
4. Акустика

Способность человека воспринимать упругие колебания,  слушать их отразились в названии учения о звуке - акустика (от греческого akustikos - слуховой, слышимый). Вообще человеческое ухо слышит звук только тогда, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 16 Гц но не выше 20 000 Гц. Колебания же с более низкими или с более высокими частотами для человеческого уха неслышимы.

5. Вопросы, которыми занимается акустика.

Предметом физиологической акустики и является сам орган слуха, его устройство и действие.

Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки, и т.д.  

Музыкальная акустика исследует музыкальные инструменты и условия их наилучшего звучания.

Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последнее время охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика).

6. Историческая справка

Первые наблюдения по  акустики  были  проведены  в  VI веке до нашей эры Пифагором. В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука.

В 1700г  Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800.

7. В 1787 году ЭрнстХладни измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах.

В  1827 году Жан-Даниэль Колладон и Якоб Штурм провели опыт на Женевском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с.

8. В 1877 году американский учёный Томас Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука
9. Звуковые явления 

При распространении звуковой волны происходит затухание звука, связанное с различными необратимыми  процессами. Часть энергии, которая переносится  звуковыми волнами, поглощается средой.

На границе двух сред происходит частичное  поглощение и прохождение звука в другую среду.

 В большом помещении после каждого звука возникает  гул, который является результатом наложения звуковых волн, отраженных от различных преград в этом помещении.  Например  от  стен,  потолка,  колонны   и  т.п.. Это явление называется реверберацией.

10. С явлением отражения звука связано такое  известное явление, как эхо. Оно состоит в том, что  звук от источника доходит до какого-то препятствия, которое и является границей двух сред, отражается от него, и возвращается к месту, где эта звуковая волна возникла. И если первичный звук и звук отражённый доходят до слушателя не одновременно, то он слышит звук дважды. Звук может испытать и несколько отражений. Тогда можно услышать звук много раз. Например раскаты грома.
11. Звуковые частоты

Колебания упругой пластинки, зажатой в тисках, имеют тем более высокую частоту, чем короче  свободный колеблющийся конец пластинки. Когда  частота колебаний делается выше чем 16 Гц, мы начинаем слышать колебания этой пластинки.

Таким образом, звук обусловливается механическими  колебаниями в упругих средах и телах (твёрдых, жидких и газообразных), но не в вакууме. 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.

12. Свойства звука

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.

13. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука. Звуки низких тонов - это колебания малой частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний.

Звук, создаваемый большим барабаном, это звук низкого тона, свист - звук высокого тона.

Существуют особые источники звука, испускающие единственную частоту, так называемый чистый тон. Это   камертоны различных размеров - простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках

14. Если взять несколько камертонов разного размера, то не представит труда расположить их на слух в порядке возрастания высоты звука. Тем самым они  окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон даёт низкий звук, а маленький - наиболее высокий.
15. Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Громкость звука связана с амплитудой колебаний.

Самый слабый ещё слышимый звук, дошедший до барабанной перепонки, приносит в 1 секунду энергию,  равную примерно 10-16 Дж, а самый громкий звук (звук реактивного ракетного двигателя в нескольких метрах  от него) - около 10-4 Дж. Следовательно, по мощности  самый громкий звук примерно в тысячу миллиардов раз превосходит самый слабый.

16. Интенсивности звука при слуховом восприятии соответствует ощущение громкости звука. При   определенной минимальной интенсивности человеческое  ухо не воспринимает звука. Эта минимальная  интенсивность называется порогом слышимости.

Уровень интенсивности звука определяется в  децибелах (дБ). Например, громкость звука, шороха листьев оценивается в 10 дБ, шёпота - 20 дБ, уличного  шума - 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ ощущается кожей и вызывает ощущение боли.

17. Если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет ещё одно качество, кроме высоты и громкости, а именно -  специфический оттенок, называемый тембром. По  различному тембру мы легко распознаём звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты, гармони и т.д., хотя все эти звуки имели бы одну и ту же высоту и громкость. По тембру мы можем узнать голоса разных людей.

18. Скорость распространения звука

В том, что распространение звуковых волн происходит не мгновенно, можно увидеть из простейших наблюдений. Если в дали происходит гроза, выстрел, взрыв, свисток паровоза, удар топором и т.п., то  сначала все эти явления видно, а только потом, спустя некоторое время, слышен звук.

Как и всякая волна, звуковая волна  характеризуется скоростью распространения колебаний в ней.

19. В сухом воздухе,  при температуре 0 0C скорость звука равна 331,5 м/с, а с повышением температуры увеличивается.

Скорость звука различна в разных средах. Например в водороде скорость распространения звуковых волн  любой длины равна 1284 м/c, в резине - 1800 м/с, а в железе - 5850 м/c.

20. Музыкальная акустика.

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с набором частот, который определяет  акустический спектр звуковой волны. Различают три  вида звуковых колебаний: музыкальные звуки, звуковые  удары и шумы. Периодические колебания определённой частоты вызывают простой музыкальный тон.

Сложные  музыкальные звуки - это сочетания отдельных тонов.  Тон, соответствующий наименьшей частоте сложного музыкального звука, называют основным тоном, а остальные тоны - обертонами. При этом основной тон с минимальной частотой       0 называют первой гармоникой, обертон, с  частотой  2     0   - второй  гармоникой и т.д. 

21. 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.

Пример акустического  резонанса  можно наблюдать   в следующем опыте. Роль ящиков в этом опыте чисто вспомогательная.

Поставим рядом два одинаковых камертона, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, друг к другу. Ударим один из камертонов и затем приглушим его пальцами. Мы услышим, как звучит второй камертон.

Если у пианино нажать на педаль и сильно крикнуть на него, то от него можно будет услышать отзвук, который будет слышится некоторое время, с тоном (частотой) очень похожим на первоначальный звук.

22. 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. Примерами могут служить шелест листьев в лесу, грохот водопада, шум на улице города.

Продолжительные сильные шумы  (порядка  90 дБ и более) оказывают вредное действие на нервную  систему человека, шум морского прибоя или леса - успокаивающее.

23. Ультразвуки и инфразвуки.

Сейчас акустика, как область физики рассматривает более широкий спектр упругих колебаний - от самых  низких до предельно высоких, вплоть до 1012 - 1013 Гц.  Не слышимые человеком звуковые волны с частотами ниже 16 Гц  называют  инфразвуком,  звуковые  волны  с частотами от 20 000 Гц до 109Гц - ультразвуком, а  колебания с частотами выше чем 109Гц называют гиперзвуком.

Рыбы и другие морские животные чутко улавливают инфразвуковые волны, создаваемые штормовыми волнениями.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи,  летучие мыши.

24. Применение звуковых волн

Вряд ли сегодня можно встретить человека, Который ни разу бы не слышал радио, магнитофон или проигрыватель. Без звукозаписи наша жизнь кажется немыслимой. А ведь всего немного более века прошло с того времени, когда американский изобретатель Эдисон в 1877 году впервые продемонстрировал изобретённый им фонограф - прибор для записи звука

25. 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 в сущности есть развёртка или осцилограмма колебаний конца иглы. Когда игла вновь проходила по ней, из мембраны доносился записанный звук.

Изобретённый Эдисоном способ звукозаписи получил название механического.

26. Звуколокация.

Звуколокаторы позволяют обнаруживать и определять местоположение различных повреждений в изделиях, например пустоты, трещины, постороннего включения и  др. В медицине ультразвук используют для обнаружения различных аномалий в теле больного - опухолей, искажений формы органов или их частей и т.д. Чем короче длина ультразвуковой волны, тем меньше размеры обнаруживаемых деталей. Ультразвук используется также для лечения некоторых болезней

27. Заключение

Мы изучили понятие звука, рассмотрели свойства звука.

Звук это волна распространяющаяся в упругой среде с определенными, слышимыми человеком частотами.

Для различных животных разные. Например, для человека от 20 до 20000 Гц.

Звук нашел очень широкое распространение в живой природе и технике. Большое количество информации к человеку поступает благодаря звуку. А для некоторых животных звук является основным источником информации об окружающей среде. Большое значение имеет звук также в искусстве, музыке.

28. Спасибо за внимание.