Конференция на тему "Звуковые волны"

Механические колебания

Звуковые волны

Объективные и субъективные

характеристики звуковых волн.

Подготовили ученицы 10инф.-мат. класса Тормышева Светлана и Сторожева Анастасия

Звуковые волны

Звук, в широком смысле —упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Визуальное представление звуковых волн

Поперечные звуковые волны

Частицы в поперечных волнах колеблются под прямым углом к направлению волны

Продольные звуковые волны

В продольных волнах частицы колеблются в направлении движения волны. Частицы среды колеблются вперед и назад, как спирали пружины, когда они сжимаются и растягиваются. Звуковые волны являются продольными. Спирали этой вибрирующей пружины показывают, как движутся продольные волны

Основные характеристики звуковых волн

• Скорость звука
• Распространение звуковых волн
• Интенсивность звука
• Объективные характеристики звука
• Субъективные характеристики звука

Скорость звука

,

Скорость звука – скорость распространения звуковых волн в среде.

,

В твердых телах:

В жидкостях и газах:

Где К – модуль объемного сжатия вещества

где Е – модуль Юнга,

G - модуль сдвига в твердых телах

Распространение звуковых волн

Восприятие звуковой волны

Интенсивность звука

Природные и техногенные звуки и их интенсивность

Звук

L, Дб

Порог слышимости

Звук

0

Тиканье часов

Шепот

L, Дб

Уличный шум

10

20

Тихая улица

Крик

70

80

Пневматическое сверло

30

Приглушенный разговор

90

Кузнечный цех

40

Разговор

Клепальный молот

100

50

Пишущая машинка

110

Самолетный двигатель

60

120

Болевой порог

130

Объективные характеристики

звуковых волн

• Частота
• Интенсивность
• Амплитуда
• Время

Частота и амплитуда звуковых волн

Субъективные характеристики

звуковых волн

• Громкость
• Тембр
• Высота тона

Громкость звука

Громкость звука - величина слухового ощущения, зависящая от интенсивности звука и его частоты. При неизменной частоте громкость звука растет с увеличением интенсивности.

Тембр звука

Тембр - субъективно воспринимаемая особенность звука, его окраска, связанная с одновременным воздействием различных звуковых частот.

Высота тона

Высота тона определяется количеством воспроизводящих его колебаний. Чем число колебаний больше, тем тон выше.

Ультразвук

Подготовила ученица 10 инф.-мат. класса Щигарцова Анна

Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой частоты.

Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16-20 кГц; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов Гц.

Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах.

Источники ультразвука

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

Свисток Гальтона

Первый ультразвуковой свисток сделал в 1883 году англичанин Гальтона. Ультразвук здесь создается подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играет «губа» в маленькой цилиндрической резонансной полости. Газ, пропускаемый под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об эту «губу»; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак.

Ультразвуковой свисток Гальтона с резонансной полостью: 1 - сжатый газ; 2 - цилиндрический поршень; 3 - кольцевое сопло; 4 - резонансная область; 5 - опорная стойка.

Жидкостный ультразвуковой свисток

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в жидкой среде. Так как ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, наиболее удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов 20 века. В нем поток жидкости под высоким давлением выходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается только колеблющаяся пластинка) такие системы долговечны и недороги.

Схема жидкостного свистка :

1 — металлическая пластина;

2 — сопло.

Сирена

Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на вращающемся внутри камеры диске - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Поперечное сечение ультразвуковой сирены: 1 - мотор; 2 - ротор; 3 - статор; 4 - камера; 5 - отверстие; 6 - входное отверстие для подачи в камеру воздуха.

Ультразвук в природе

Летучие мыши, использующие при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом или имеющим форму параболического зеркала носовым отверстием сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. На расстоянии 1 — 5 см от головы животного давление ультразвука достигает 60 мбар, то есть соответствует в слышимой нами частотной области давлению звука, создаваемого отбойным молотком. Эхо своих сигналов летучие мыши способны воспринимать при давлении всего 0,001 мбар, то есть в 10000 раз меньше, чем у испускаемых сигналов. При этом летучие мыши могут обходить при полете препятствия даже в том случае, когда на эхолокационные сигналы накладываются ультразвуковые помехи с давлением 20 мбар. Механизм этой высокой помехоустойчивости еще неизвестен.

Ультразвуковой импульс летучей мыши на расстоянии 10 см от ее рта, сфотографированный с экрана осциллографа, частота ультразвука в импульсе 48 кгц .

Подковоносы могут ориентироваться и с помощью только одного уха (моноурально), что существенно облегчается крупными непрерывно движущимися ушными раковинами. Они способны компенсировать даже частотный сдвиг между испускаемыми и отражёнными сигналами, обусловленный эффектом Доплера (при приближении к предмету эхо является более высокочастотным, чем посылаемый сигнал). Понижая во время полёта эхолокационную частоту таким образом, чтобы частота отражённого ультразвука оставалась в области максимальной чувствительности их «слуховых» центров, они могут определить скорость собственного перемещения.

У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых.

Не менее умелые навигаторы — жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки — от Панамы на северо-западе до Перу на юге и Суринама на востоке. Самый большой подарок природы — это способность гуахаро к эхолокацию. Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, свободно улавливаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц).

Применение

ультразвука

Ультразвук в медицине

Ультразвук обладает действием:

• противовоспалительным, рассасывающим
• анальгезирующим, спазмолитическим
• кавитационным усилением проницаемости кожи

Ультразвук широко и успешно применяется в медицине – как средство диагностики

Звуковое изображение человеческого плода возраста 17 недель, полученное с помощью ультразвука частотой 5 МГц .

Резка металла с помощью ультразвука

На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. Тут без слесаря не обойдёшься, а с помощью ультразвука это можно сделать. Магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуковое долото вполне заменяет фрезерный станок. Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе.

Приготовление смесей с помощью ультразвука

Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде. Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.

Применение ультразвука в биологии

Способность ультразвука разрывать оболочки клеток нашла применение в биологических исследованиях, например, при необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Другое применение ультразвука в биологии связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведённые в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко работать.

Применение ультразвука для очистки

В лабораториях и на производстве применяются ультразвуковые ванны для очистки лабораторной посуды и деталей от мелких частиц. В ювелирной промышленности ювелирные изделия очищают от мелких частиц полировальной пасты в ультразвуковых ваннах. В некоторых стиральных машинах применяют ультразвук для стирки белья.

Применение ультразвука для очистки корнеплодов

В некоторых пищевых производствах применяют ультразвуковые ванны для очистки корнеплодов (картофеля, моркови, свеклы и др.) от частиц земли.

Применение ультразвука в эхолокацию

В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.

Применение ультразвука в расходометрии

Для контроля расхода и учета воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры. Неоспоримые достоинства ультразвуковых расходомеров: малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления, надежность (так как нет подвижных механических элементов), высокая точность, быстродействие, помехозащищенность – определили их широкое распространение.

Применение ультразвука в дефектоскопии

Ультразвук хорошо распространяется в некоторых материалах, что позволяет использовать его для ультразвуковой дефектоскопии изделий из этих материалов. В последнее время получает развитие направление ультразвуковой микроскопии (с использованием частот от 100 МГц до 2 ГГц), позволяющее исследовать подповерхностный слой материала с хорошей разрешающей способностью.

Явление резонанса

в музыкальных

инструментах

Подготовила ученица 10инф.-мат. Класса Донина Светлана

Явление резонанса

Резонанс (фр.  resonance , от лат.  resono  — откликаюсь) — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы.

Увеличение амплитуды - это лишь следствие резонанса, а причина - совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы.

Резонанс в музыкальных звуках

• Явление резонанса является основным механизмом, изменяющим первоначальное звучание источника звука в различных музыкальных инструментах. Резонанс является причиной усиления различных групп обертонов, т. е. основным темброобразующим механизмом. Явление резонанса в быту общеизвестно.

• Резонанс происходит тогда, когда, например, фортепиано с нажатой педалью отвечает нам сильной раскачкой той струны, тон которой совпадает со звуком, извлеченным на другом инструменте. (Правда, раскачивается еще несколько струн, но значительно слабее).

Это явление весьма важно для понимания многих феноменов, связанных с певческим голосом, и потому должно быть хорошо понято и глубоко продумано каждым занимающимся вокальным искусством.

• Понимание резонанса необходимо не только для того, чтобы правильно оценить работу так называемых «верхнего и нижнего резонаторов» певцов, но и для того, чтобы разобраться в формировании тембра певческого голоса, и образовании звуков речи вообще.

• В чем сущность данного феномена, и почему на фортепиано сильно ответила только одна струна, а не все, хотя звуковые волны от другого инструмента дошли до всех его струн?

• Как известно, струна, натянутая на колок, издает звук определенной высоты, и это зависит от ее упругости, длины, толщины и характера материала, из которого она сделана. Каждая струна фортепиано имеет свою высоту звучания, т. е. свою собственную частоту колебаний.

• Звуковые волны, исходящие от другого инструмента, действительно достигают всех струн фортепиано, и под влиянием первой волны они все выйдут из покойного состояния и начнут колебаться. Однако под влиянием многочисленной серии волн раскачается сильно только та струна, собственная частота колебаний которой будет совпадать с частотой подходящих волн.

• Только при этом совпадении частот резонирующая струна будет получать в такт своей собственной раскачки с каждой новой подходящей волной — новую маленькую порцию энергии, и станет постепенно раскачиваться все больше и больше. В других струнах от этих малых порций ритмически поступающей энергии (т. е. периодических толчков) раскачки не произойдет, потому что толчки будут осуществляться не в такт собственным колебаниям струн.

• Если собственная частота струны ровно вдвое, втрое и т. д. больше, чем частота подходящих волн, то такие струны тоже раскачиваются, получая подталкивание в такт через одно, два и т. д. колебания. Но в этом случае раскачка получается менее сильной.

• Поэтому фортепиано отвечает не только раскачкой той струны, которая по собственной частоте совпадает с частотой подходящих волн, но и слабой раскачкой октавной струны к этому тону, квинтовой струны через октаву и т. д., составная часть которых в 2, 3, 4 и т. д. раза больше частоты подходящих волн. Поэтому явление резонанса возникает не только в случае совпадения основных тонов, но и обертонов Только в этом случае раскачка получается менее сильной.

• Теперь рассмотрим вопрос о том, произошло ли усиление звука в результате резонанса струны, и откуда взялась энергия в резонирующей струне? Легко понять, что для слушающего данный звук оказался усиленным, так как одновременно со звуком от другого инструмента до его уха доходят и колебания от резонирующей струны.

• Однако столь же очевидно, что энергию для своих колебаний резонирующая струна получила от другого инструмента, что эта энергия не родилась в ней, а лишь постепенно накопилась, аккумулировалась, аналогично энергии, накапливающейся от нашей руки при раскачивании в такт качелей. Следовательно при явлении резонанса струны фортепиано звук усиливается за счет отдачи накопленной энергии.

• Сначала звуковая энергия переходит из воздуха в механические колебания струны (раскачка), а затем снова отдается, т.е. имеется переход механической энергии колебания в звуковые волны. Между тем в других струнах эта энергия не аккумулируется (один толчок раскачивает, а второй — останавливает). При резонансе получается усиление звучания, хотя новой энергии тут не возникает, не добавляется. В приведенном примере мы коснулись для наглядности резонанса в струнах. В голосовом аппарате мы имеем дело с резонансом объемов воздуха.

• В струнных инструментах основным механизмом, меняющим исходный тембр струн, являются деки. Под деками понимаются специально сконструированные деревянные доски, образующие, например в скрипичных инструментах, их корпус. Деки отдают воздушной среде те колебания, которые они получили от источника колебаний — от струн. Однако они являются не только передатчиками, но и трансформаторами тембра исходного звука струн.

• Для того чтобы понять, как это происходит, мы позволим себе привести следующий пример. Всем известен ксилофон — инструмент, состоящий из отдельных деревянных дощечек — брусочков различной длины, которые при ударе их палочкой издают музыкальный тон определенной высоты. Этот тон зависит от длины брусочка ,его толщины и материала, из которого он сделан. Соответственно и резонировать дощечка будет на этот тон.

• Деки можно себе представить как сумму таких дощечек, скрепленных воедино и имеющих у разных инструментов различную форму.

• Звук от колеблющейся струны, имея вид убывающего частокола амплитуд, передается декам. Последние начинают колебаться с присущими им собственными колебаниями, в результате чего излучается в пространство не столько тот спектр, что рожден струной, сколько тот, который свойствен декам, корпусам инструментов.

• Общеизвестно, что ценность скрипки определяется особенностями строения ее корпуса, ее дек, а не качеством натянутых на нее струн. То же относится и к фортепиано, где кроме механики ценится прежде всего то, что дает красивый звук, т. е. качество деревянных конструкций, дек.

Вывод

• Особенности явления резонанса служат основой музыкальных способностей и качеств большинства музыкальных инструментов. Использование резонанса повсеместно в быту, творчестве и просто является физиологической особенностью каждого из нас.