СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 87 9 «Г»КЛАССРЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ
/>
Научныйруководитель: СИДОРОВ М. Е.
Исполнитель: КОЛЕСНИКОВА Е. Б.
ВОРОНЕЖ
1999
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………….3
Из истории звука………………………………………………………………3
Что такоезвук?………………………………………………………………...4
Звук ислух……………………………………………………………………..5
Распространениезвука………………………………………………………...7
Литература…………………………………………………………………….10ВВЕДЕНИЕ
Человекживет в мире звуков. Звук – это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей,пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы.Звучат работающие машины, движущийся транспорт и т.д.
Что такое звук?Как он возникает? Чем одни звуки отличаются от других? Ответы на эти вопросыхотели узнать люди.
Раздел физики, вкотором изучаются звуковые явления, называется акустикой.
Услышав какой-то звук, мыобычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматриваяэтот источник, мы всегда найдем в нем что-то колеблющееся.
Если, например,звук исходит от репродуктора, то в нем колеблется мембрана – легкий диск,закрепленный по его окружности. Если звук издает музыкальный инструмент, тоисточник звука – это колеблющийся столб воздуха и другие.
СЛОИСТАЯ СТРУКТУРА АТМОСФЕРЫ НА РАЗЛИЧНЫХ ВЫСОТАХЗАПИСАННАЯ С ПОМОЩЬЮ ЗВУКОЛОКАТОРА.
ИЗ ИСТОРИИ ЗВУКА.
Звуки – нашинеизменные спутники. Они по — разному воздействуют на человека: радуют и раздражают,успокаивают и пугают своей неожиданностью.
В глубокойдревности звук казался людям удивительным, таинственным порождением сверхъестественныхсил. Они верили, что звуки могут укрощать диких животных, сдвигать скалы игоры, преграждать путь воде, вызывать дождь, творить другие чудеса.
Жрецы ДревнегоЕгипта, заметив удивительное воздействие музыки на человека, использовали ее всвоих целях. Ни один праздник не обходился без ритуальных песнопений. Позжемузыка пришла в христианские храмы.
Древние индийцыраньше других овладели высокой музыкальной культурой. Они разработали и широкоиспользовали нотную грамоту задолго до того, как она появилась в Европе. Ихмузыкальная гамма также состояла из семи нот, но названия у них были другие:«са», «ре», «га», «ма», «па», «дха», «ни». Считалось, что каждая из нихотражает определенное духовное состояние: «са» и «ма»- спокойствие иумиротворение, «га» и «дха»- торжественность, «ре»- гнев, «па»- радость, «ни»-печаль.
Понять и изучитьзвук люди стремились с незапамятных времен. Греческий ученый и философ Пифагор,живший две с половиной тысячи лет назад, ставил различные опыты со звуками. Онвпервые доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длиннымструнам. При укорочении струны в двое звук ее повысится на целую октаву. ОткрытиеПифагора положило начало науки об акустики. Первые звуковые приборы былисозданы в театрах Древней Греции и Рима: актеры вставляли в свои маскималенькие рупоры для усиления звука. Известно также применение звуковыхприборов в египетских храмах, где были «шепчущие» статуи богов.
ВыявлениеПифагором и его ученикам гармонические сочетания звуков легли в основу болеепоздних представлении о так называемой гармонии Вселенной. Согласно с этимпредставлением небесные тела и планеты расположены относительно друг друга всоответствии с музыкальными интервалами и излучают « музыку сфер ». Считалось,например, что Сатурн издает самые низкие звуки, звуки Юпитера можно сравнить сбасом, Меркурия-с фальцетом, Марса- с тенором, Земли- с контральто, Венеры- ссопрано. У этой теории была долгая жизнь. Ее признали даже в эпоху Возрождения,когда уже были получены первые вполне научные сведения о природе и движенияпланет. Отголоски этой теории можно обнаружить в трудах великого Кеплера,открывшего закон движения планет и сыгравшего огромную роль в развитии физики иастрономии.
Существует такназываемые вихревые звуки: свист ветра в проводах, такелажа кораблей, ветвяхдеревьев, завывание в трубах, на гребнях скал, в расщелинах и узких оврагах. Людииздавна пользовались ими — на охоте, в быту. В Древнем Китае существовал обычайвыпускать голубей с привязанными к их хвостам маленькие бамбуковые палочки.Воздушный поток, проходивший через трубочку, вызывал нежное посвистывание.Подобные звуки издает и тростниковая дудочка, которая была прообразомзародившейся в Древнем Египте флейты. Позже ее стали называть флейтой Пана — вчесть древнегреческого бога лесов.
Легенда гласит,что в Иерусалиме когда-то находилась «стозвучная» двурогая труба. Во времяжертвоприношения разжигали костер, теплый воздух от которого устремлялся втрубу, заставляя ее выть. Мощные воющие звуки возникали также, когда в нееврывались вихри от пламени пожаров при осаде города.
В 1831 году вПятигорске была построена беседка, названная Эоловой арфой. Внутри неенаходились две арфы, которые с помощью флюгера разворачивались против ветра ипод действием воздушного потока издавала гармонические звуки.
В Лондоне вкафедральном соборе святого Павла есть большой, диаметром почти 50 метров,круглый зал. Человек, находящийся на одной стороне, может говорить шепотом иего превосходно услышат на другой стороне. Ученые после тщательных исследованийдали научное объяснение этому явлению. Оказывается, что при радиусе закруглениястенки, равном 25 метров, звук распространяется вдоль нее, как бы стелясь идоходит до слушателя почти без потерь. При этом звук не отражается в сторону.
В некоторыхмузеях хранятся вазы античной работы, основное назначение которых — нехудожественное украшение, а отражение, усиление и сосредоточение звука. Сделанныеиз алебастра, такие вазы устанавливались в больших залах, театрах, собраниях идаже на площадях. Ораторам не надо было напрягать голос: слушатели воспринималиречь на всем, пространстве достаточно далеко.
В 17 векестроители вместо ваз применяли звукопроводы в виде труб из цемента. Вчастности, подобные звукопроводы можно найти в сооружениях, возведенных попроектам Растрелли. Так собор Смольного монастыря весь в звукопроводах.Предполагается, что они есть и в залах Зимнего дворца.
По всейвероятности, подобные хитроумные акустические устройства были известны и вдревности. Легенда наделила Сиракузского тирана Дионисия способностью слышать всвоем дворце даже легкий шепот. В это нетрудно поверить, если допустить, что водворце были керамические звукособиратели и усилители.ЧТО ТАКОЕ ЗВУК?
Чтоже такое звук? Звук — это распространяющиеся в упругих средах: газах, жидкостяхи твердых телах- механические колебания, воспринимаемые органами слуха.
Рассмотримпримеры, поясняющие физическую сущность звука. Струна музыкального инструментапередает свои колебания окружающим частицам воздуха. Эти колебания будутраспространятся все дальше и дальше, а достигнув уха, вызовут колебаниябарабанной перепонки. Мы услышим звук. Таким образом, то, что мы называемзвуком, представляет собой быструю смену, частицы воздуха не перемещаются, онитолько колеблются, попеременно смещаясь в одну и другую сторону на оченьнебольшие расстояния.
Ноизолированных колебании одного тела не существует. В каждой среде в результатевзаимодействия между частицами колебания передаются все новым и новым частицам,т.е. в среде распространяются звуковые волны.
Другимпростым примером колебательного движения могут служить колебания маятника. Еслимаятник отклонить от его положения равновесия, а затем отпустить то он будетсовершать свободные колебания. Под действием силы тяжести маятник возвращаетсяв свое первоначальное положение, по инерции проходит исходную точку иподнимается вверх, при этом сила тяжести будет тормозить его движение. В точкемаксимального отклонения маятник становится и через мгновение начнет движение вобратном направлении. Циклы колебаний маятника непрерывно повторяются.
Колебаниямогут быть периодическими, когда изменения повторяются через равный промежутоквремени и не периодическими когда нет полного повторения процесса изменения.Среди периодических колебаний очень важную роль играют гармонические колебания.В зависимости от процесса различают колебания механические, электрического токаи напряжения звуковых колебаний.
Наиболеенаглядны волны на поверхности воды. Если бросить камень в воду, вначалепоявится углубление, затем — возвышение воды, а потом возникают волны,представляющие собой последовательно чередующиеся гребни и впадины. Увеличиваясьпо фронту, они распространяются по всем направлениям, но отдельные частицы непередвигаются вместе с волнами, а колеблются только в небольших пределах околонекоторого неизменного положения. В этом можно убедиться, например, наблюдая защепкой, подпрыгивающую на волнах. Она будет подниматься и опускаться, т.е.колебаться, пропуская под собой бегущую волну.
Волныбывают продольные и поперечные; в первом случае колебания частиц средысовершаются вдоль направления распространения волны, во втором — поперек него.
Человеческоеухо способно воспринимать колебания с частотой примерно от 200 до 20000колебаний в секунду. Соответственно этому механические колебания с указаннымичастотами называются звуковыми, или акустическими. Вопросы, которыми занимаетсяакустика, очень разнообразны. Некоторые из них связаны со свойствами иособенностями органов слуха.
Общаяакустика изучает вопросы возникновения, распространения и поглощение звука.
Физическаяакустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последние десятилетияохватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). Приэтом она широко пользуется разнообразными методами превращения механическиеколебания, электрические и обратно. Применительно к звуковым колебаниям, числозадач физической акустики входит и изучение физических явлений, обусловливающихте или иные качества звука, различимые на слух.
Электроакустика,или техническая акустика, занимается получением, передачи, приемом и записьюзвуков при помощи электрических приборов.
Архитектурнаяакустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров иформы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки и. т. д. Приэтом имеется в виду слуховое восприятие звука.
Музыкальнаяакустика исследует природу музыкальных звуков, а также музыкальные настрой исистемы. Мы различаем, например, музыкальные звуки (пение, свист, звон,звучание струн) и шумы (треск, стук, скрип, шипение, гром). Музыкальные звукиболее простые, чем шумы. Комбинация музыкальных звуков может вызвать ощущениешума, но никакая комбинация не даст музыкального звука.
Гидроакустика(морская акустика) занимается изучением явлений, происходящих в водной среде,связанных с излучением, приемом и распространением акустических волн. Онавключает вопросы разработки и создания акустических приборов, предназначенныхдля использования в водной среде.
Атмосфернаяакустика изучает звуковые процессы в атмосфере, в частности распространениезвуковых волн, условие сверхдальнего распространения звука.
Физиологическаяакустика исследует возможности органов слуха, их устройство и действие. Онаизучает образование звуков органами речи и восприятие звуков органами слуха, атакже вопросы анализа и синтеза речи. Создание систем; способных анализироватьчеловеческую речь — важный этап на пути проектирования машин, в особенностироботов- манипуляторов и электронно- вычислительных машин, послушным устнымраспоряжениям оператора. Аппарат для синтеза речи может дать большойэкономический эффект. Если по международным телефонным каналам, передавать несами речевые сигналы, а коды, полученные в результате их анализа, а на выходелиний синтезировать речь, потому же каналу можно передавать несколько разбольше информации. Правда, абонент не услышит настоящего голоса собеседника, нослова- то будут те же, что были сказаны в микрофон. Конечно, это не совсемподходит для семейных разговоров, но удобно для деловых бесед, а именно они- тои перегружают каналы связи.
Биологическаяакустика рассматривает вопросы звукового и ультразвукового общения животных иизучает механизм локации, которым они пользуются, исследует так же проблемышумов, вибрации и борьбы сними за оздоровление окружающей среды.
ЗВУК и СЛУХ.
Основные физические характеристики любогоколебательного движения — период и амплитуды колебания, а применительно кзвуку- частота и интенсивность колебаний.
Периодомколебания называется время, в течение которого совершается полное колебание,когда, например, качающийся маятник из крайнего левого положения. Частотаколебаний — это число полных колебаний (периодов) за одну секунду. Такуюединицу называют герц (Гц). Частота- одна из основных характеристик, по котороймы различаем звуки. Чем больше частота колебаний, тем более высокий тон.
Человеческоеухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 1000 до 3000 Гц. Наибольшаяострота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. Учеловека до 40 лет наибольшая чувствительность находится в области 3000 Гц, от40 до 60 лет- 2000 Гц, старше 60 лет- 1000 Гц.
Впределах до 500 Гц мы способны различить понижение или повышение частоты даже 1Гц. На более высоких частотах наш слуховой аппарат становится менеевосприимчивым к такому незначительному изменению частоты. Так, после 2000 Гц мыможем отличить один звук от другого только, когда разница в частоте будет неменее 5 Гц. При меньшей разнице звуки нам будут казаться одинаковыми. Однакоправил без исключения почти не бывает. Есть люди, обладающие необычайно тонкимслухом. Одаренный музыкант может уловить изменение звука всего на какую-то долюколебаний.
Спериодом и частотой связано понятие о длине волны, т.е. в расстоянии междудвумя гребнями (или впадинами). Наглядное представление об этом понятии даютволны, распространяющиеся по поверхности воды.
Звукимогут отличаться один от другого и по тембру. Это значит, что одинаковые звукипо высоте тона могут звучат по-разному, потому что основной тон звукасопровождается, как правило, второстепенными тонами, которые всегда выше почастоте. Они предают основному звуку дополнительную окраску и называютсяобертонами. Иными словами, темброкачественная характеристика звука. Чем большеобертонов налагается на основной тон, тем «богаче» звук в музыкальномотношении. Если основной звук сопровождается близкими к нему по высотеобертонами, то сам звук будет мягким, «бархатным». Когда же обертонызначительно выше основного тона, появляется «металличность» в голосе или звуке.
Органыслуха благодаря своему замечательному устройству легко отличают одно колебаниеот другого, голос близкого или знакомого человека от голосов других людей.Потому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии,переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг, страх перед опасностью- все это можноуслышать, даже не видя кому принадлежит голос.
Диаграмма восприятия звуков.
Амплитудойколебания называется наибольшее отклонение от положения равновесия пригармонических колебаниях. На примере с маятником амплитуда — максимальноеотклонение его от положения равновесия в крайнее левое или правое положение. Амплитудаколебания определяет интенсивность (силу) звука. С интенсивностью звука связанагромкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако понятия огромкости и интенсивности не равнозначны. Громкость звука- это мера силыслухового ощущения, вызываемого звуком.
Звукодинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковые посвоей громкости слуховые восприятия. Так, например, звуки, одинаковые поинтенсивности, но различающиеся по высоте, воспринимаются ухом с разнойгромкостью в зависимости от особенностей слухового аппарата. Мы не воспринимаемкак очень слабые, так и очень сильные звуки — каждый человек обладает такназываемым порогом слышимости, который определяется наименьшей интенсивностьюзвука, необходимой для того, чтобы звук был услышан.
Звуки,наиболее хорошо воспринимаемые по частоте, лучше различаются и по громкости.При частоте 32 Гц по громкости различаются три звука, при частоте 125 Гц- 94звука, а при частоте 1000 Гц- 374. Увеличение это не беспредельно. Начиная счастоты 8000 Гц число различимых звуков по громкости уменьшается. Например, причастоте 16000 Гц человек может различить только 16 звуков.
Звукиочень большой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает их какощущение давления или боли. Такую силу звука называют порогом болевогоощущения. Исследования показали, что интенсивность, при которой звуки разнойчастоты вызывают болевое ощущение, различна.
Еслисилу звука увеличить в миллион раз, громкость возрастает только в несколькосотен раз. Выяснилось, что ухо преобразует силу звука в громкость, по сложномулогарифмическому закону ограждая свои внутренние части от чрезмерныхвоздействий. Имеется еще одна особенность человеческого уха. Если к звукуопределенной громкости добавить звук той же или близкой к ней частоты, то общаягромкость окажется меньше математической суммы тех же громкостей. Одновременнозвучащие звуки как бы компенсируют или маскируют друг друга. А звуки, далекоотстоящие по частоте, не влияют друг на друга, и их громкость оказываетсямаксимальной. Эту закономерность композиторы используют для достижениянаибольшей мощности звучания оркестра.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА.
Как уже говорилось, звуковые волны могутраспространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушномпространстве волны не возникают. В этом легко убедиться на простом опыте. Еслиэлектрический звонок поместить под воздухонепроницаемый колпак, из которогооткачен воздух, мы никакого звука не услышим. Но как только колпак наполнитсявоздухом, возникает звук.
Скоростьраспространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. Вдалекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживаликонницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. Аизвестный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море,опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишьшум кораблей, очень отдаленных от тебя»
Скоростьраспространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланскойакадемией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположилсянаблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в моментприема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и временипроисхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже несоставляло труда. Она оказалась равной 330 метров в секунду.
Вводе скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году наЖеневском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в водупростейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колоколподожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер истал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звукраспространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью1450 метров в секунду.
Чемвыше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке- 50, в воздухе- 330, вводе- 1450, а в стали — 5000 метров в секунду. Если бы мы, находились в Москве,могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел до Петербурга, то нас услышали бытам только через полчаса, а если бы звук на это же расстояние распространялся встали, то он был бы принят через две минуты.
Наскорость распространения звука оказывает влияние состояние одной и той жесреды. Когда мы говорим, что в воде звук распространяется со скоростью 1450метров в секунду, это вовсе не означает, что в любой воде и при любых условиях.С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, аследовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Иливозьмем сталь. Здесь тоже скорость звука зависит как от температуры, так и откачественного состава стали: чем больше в ней углерода, тем она тверже, темзвук в ней распространяется быстрее.
Встречаяна своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строгоопределенному правилу: угол отражения равен углу падения. Звуковые волны,идущие из воздуха, почти полностью
отразятсяот поверхности воды вверх, а звуковые волны, идущие от источника, находящегосяв воде, отражаются от нее вниз.
Звуковыеволны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначальногоположения, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньшеугла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Еслискорость звука во второй среде больше чем в первой, то угол преломления будетбольше угла падения и наоборот.
В воздухезвуковые волны распространяются в виде расходящийся сферической волны, котораязаполняет все больший объем, так как колебания частиц, вызванные источникамизвука, передаются массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебаниячастиц ослабевают. Известно, что для увеличения дальности передачи, звукнеобходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы наслучше было слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этомслучае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны — распространяютсядальше.
Приувеличении толщины стенки звуколокация на низких средних частотахувеличивается, но
«коварный» резонанс совпадения, вызывающий удушениезвуколокации, начинает проявляться, более низких частотах и захватывает болееширокую их область.
Ослабление звукасвязано и с тем, что звуковая волна постепенно теряет энергию из- за поглощенияее средой. Степень поглощения опять- таки определяется свойствами среды. Вболее вязкой среде, например в вате, каучуке, поглощение больше. Однако оно во многомзависит и от частоты звука. Чем больше частота, тем больше поглощение. Звукчастоты 10000 Гц поглощается в 100 раз больше, чем звук частоты 1000 Гц. Неслучайно орудийный выстрел вблизи кажется нам оглушающе резким, издали — болеемягким, глухим. Это объясняется тем, что звук от выстрела пушки содержит в себекак низкие, так высокие частоты, а звуки высоких частот поглощаются в воздухебольше, чем звуки низких частот. Находясь далеко от стреляющей пушки, мыслышим звуки более низких частот, а звуки высоких не доходят до нас — онипоглощаются. Еще более наглядный пример, подтверждающий это явление- звучаниеудаляющегося оркестра. Сначала пропадают высокие звуки флейт и кларнетов, затемсредние- корнетов и альтов, и наконец, когда оркестр будет уже совсем далеко,слышен только большой барабан.
На дальностьраспространения звука большое влияние оказывает рефракция, то есть искривлениезвуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч.
Дальностьраспространения звука в море, как правило, равна (в зависимости от мощностиисточника звука) десяткам или сотням километров. Но бывают случаи, когдараспространяется по так называемому подводному каналу, который возникает чащевсего в океане. Это область глубин, где скорость звука вначале уменьшается, адостигнув минимума, начинает возрастать. Физически это обусловливается большой
зависимостью распространениязвука в морской воде от ее температуры, солености и гидростатического давления.
С глубинойскорость звука уменьшается, но лишь до тех пор, пока понижается температураводы. Достигнув определенного уровня, скорость начинает возрастать из — заповышения гидростатического давления. Верхние и нижние границы звукового каналаимеют глубину с равными скоростями звука. За ось канала принимается глубина снаименьшей скоростью распространения звука.
Сверхдальнеепроисхождение звука в канале объясняется тем, что звуковые лучи, почтиполностью отражаясь от верхней и нижней границ звукового канала, не выходят заего пределы, а концентрируются и распространяются вдоль оси звукового канала.
«Чтобы лучшепонять это, — говорит академик Л.М. Бреховский, — вспомните, как ведет себяуставший путник, он предпочитает держаться теневой, более прохладной стороны,нести на своих плечах как можно меньше груза и двигаться с минимальнойскоростью. Ведь только при этом он сможет пройти максимальное расстояние.Звуковой луч в морской воде подобен этому путнику. Выйдя из источника, онуходит вверх от оси звукового канала. Чем выше, тем теплее, и луч заворачиваетвниз, «в холодок», и углубляется до тех пор, пока не начинает «ощущать» тяжестьповышающегося гидростатического давления».
Американскиеученые проделали в Атлантическом океане эксперимент, подтверждающий слияниесреды на дальность распространения звука. На глубине 500 метров каждый. Спустянекоторое время взрыв был зафиксирован на Бермудских островах, удаленных отместа эксперимента на 4500 км. Такой взрыв в воздухе слышен всего на расстоянии4 км, а в лесу — не более 200 м. Явление сверх дальнего распространения звука вподводном звуковом канале специалисты использовали для создания спасательнойсистемы «Софар». С кораблей и самолетов, терпящих бедствие, сбрасываютнебольшие бомбочки весом от 0,5 до 2,5 кг, которые взрываются на глубинезалегания оси звукового канала. Береговые посты принимают место взрыва, аследовательно, и место катастрофы.
ЛИТЕРАТУРА.
И.Г. Хорбенко
Звук, ультразвук, инфразвук.
Издательство «Знание» Москва1978г.
И.И. Клюкин
Удивительный мир звука.
Ленинград «Судостроение»1986г.