Żyjemy w oceanie dźwięków. Czym są dźwięki? Jak one powstają? Dlaczego nie można usłyszeć szumu silników rakiety w kosmosie? Dlaczego grzmoty słyszymy później, niż widzimy błyskawicę? Dlaczego w studium zapisywania dźwięku ściany są pokryte warstwą materiału, pochłaniającego dźwięk? Jak w całkowitej ciemności nietoperze i delfiny znajdują swoją zdobycz? Spróbujmy znaleźć odpowiedzi na te pytania.
Zapoznajemy się ze źródłami i odbiornikami dźwięku
Przyciśnij do brzegu stołu jeden z końców linijki i uderz po jej wolnym końcu - zacznie on drgać, usłyszysz dźwięk (rys. 18.1). Chodzi o to, że drganie linijki powoduje zagęszczenie i rozrzedzenie powietrza i jako skutek — okresowe zwiększenie i zmniejszenie ciśnienia w strefie drgań. Ściśnięte powietrze, rozszerzając się, ciśnie na sąsiednie warstwy, tym samym ściskając je. Tym sposobem od linijki we wszystkie strony zaczyna rozchodzić się podłużna fala mechaniczna, która w końcu dotrze do twoich uszu. Ciśnienie powietrza obok błony bębenkowej ucha okresowo zmienia się i błona zaczyna drgać. Koniec linijki zaczyna drgać z częstotliwością powyżej 20 Hz i z taką samą częstotliwością zaczyna drgać błona bębenkowa ucha, a drgania o częstotliwości od 20 do 20 000 Hz człowiek odbiera jako dźwięk.
Dźwięk - jest to zjawisko fizyczne w postaci fali mechanicznej o częstotliwości od 20 do 20 000 Hz.
Źródła dźwięku są to różnorodne ciała drgające z częstotliwością 20-20 000 Hz. Dlatego źródłami dźwięków są błony słuchawek i struny instrumentów muzycznych, dyfuzory głośników i skrzydła owadów, części maszyn. W trąbce, flecie, gwizdku dźwięk powstaje na skutek drgań słupa powietrza w środku instrumentu. Aparaty głosowe człowieka i zwierząt również są źródłami dźwięku.
Podaj jeszcze kilka przykładów źródeł dźwięku.
Do badania dźwięku wygodnie jest stosować ka-merton (rys. 18.2). Jest to urządzenie, składające się z metalowej „procy”, umocowanej na pudełku z twardego drewna bez jednej bocznej ścianki. Gdy gumowym młotkiem uderzymy po widełkach kamertonu, kamerton zacznie wydawać wyraźny długi dźwięk, który stopniowo słabnie przy niezmiennej częstotliwości.
W odbiornikach dźwięku zachodzi przekształcanie sygnałów dźwiękowych na inne sygnały, dzięki czemu dźwięk można odbierać i analizować. Do odbiorników dźwięku, między innymi, należą narządy słuchu człowieka i zwierząt - w nich dźwiękowe (mechaniczne) drgania przekształcają się na nerwowe impulsy. W technice do odbierania dźwięku w większości przypadków wykorzystuje się urządzenia, w których drgania dźwiękowe zazwyczaj przekształcają się na elektryczne (rys. 18.3).
Mierzymy prędkość rozchodzenia się dźwięku
Jeżeli z daleka zauważymy moment, w którym powstaje dźwięk (uderzenie dzwonu, klaśnięcie itp.) zauważymy, iż dźwięk słyszymy po pewnym czasie. Znając odległość do źródła dźwięku i czas opóźnienia, można zmierzyć prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu.
Po raz pierwszy prędkość rozpowszechnienia się dźwięku w powietrzu zmierzył uczony francuski Marin Mersenne (1588—1648) w 1636 r.
Przy temperaturze 20° C prędkość dźwięku w powietrzu stanowi około 340 m/s. To prawie milion razy mniej od prędkości rozchodzenia się światła. Właśnie dlatego grzmoty słyszymy później, niż widzimy błyskawicę (rys. 18.4).
Prędkość rozchodzenia, się dźwięku zależy od temperatury, gęstości, składu i innych charakterystyk ośrodka. Tak więc w cieczach dźwięk rozchodzi się prędzej niż w gazach i wolniej niż w ciałach stałych. Prędkość rozchodzenia się dźwięku zazwyczaj zwiększa się wraz ze zwiększeniem temperatury ośrodka. Oprócz tego, im mniejsza jest masa cząsteczek ośrodka tym szybciej rozchodzi się dźwięk. Rozwiązując zadania będziemy wykorzystywać przybliżone wartości prędkości rozchodzenia się dźwięku (patrz tabelę na s. 120).
Pierwszych dokładnych pomiarów prędkości rozchodzenia się dźwięku w wodzie dokonali szwajcarscy uczeni Jean Colladon i Charles Sturm w 1826 r.
Jeden z badaczy siedział w łodzi na jeziorze w Genewie i uderzał po zanurzonym w wodzie dzwonie. Jednocześnie z uderzeniem zapalano proch. Drugi badacz, znajdując się na odległości 16 km, mierzył czas pomiędzy zapałaniem prochu i dźwiękiem od uderzenia dzwonu, który on słyszał przez zanurzoną do wody rurę.
Przeanalizuj tabelę. Dlaczego, twoim zdaniem, prędkość rozchodzenia się dźwięku w wodorze jest większa niżeli w powietrzu, a w stali większa niżeli w wodzie?
Zwróć uwagę! Ponieważ dźwięk - to fala mechaniczna, a do rozchodzenia się fali mechanicznej niezbędny jest ośrodek, fala dźwiękowa nie rozchodzi się w próżni (rys. 18.5).
Badamy cechy dźwięku Dźwięki o różnej częstotliwości odbieramy jako dźwięki różnego tonu: im większa częstotliwość dźwięku, tym wyższy jest ton dźwięku i odwrotnie. Z łatwością rozróżniamy wysoki ton brzmienia komara od niskiego tonu brzęczenia trzmiela, brzmienie skrzypiec od brzmienia kontrabasu.
Głośność dźwięku jest określana przede wszystkim amplitudą fali dźwiękowej (największą zmianą ciśnienia w miejscu obserwacji): im większa jest amplituda, tym głośniejszy jest dźwięk. Jednak głośność dźwięku również zależy od jego tonu (częstotliwości fali dźwiękowej). Ucho ludzkie dobrze rozróżnia dźwięki o niskich (około 20 Hz) i wysokich (około 20 000 Hz) częstotliwościach i najlepiej - o średnich częstotliwościach (1000-3000 Hz).
Podczas rozchodzenia się dźwięku zachodzi stopniowe rozpraszanie i tłumienie dźwięku, czyli zmniejszanie jego głośności. Wiedza o prawidłowościach rozpraszania dźwięku jest ważna do określenia zasięgu rozchodzenia się sygnału dźwiękowego. Tak, na zasięg rozchodzenia się dźwięku w powietrzu ma wpływ temperatura i ciśnienie atmosferyczne, siła i prędkość wiatru itp. Czasem na dużych głębokościach oceanu powstają warunki do największego (powyżej 5000 km) rozchodzenia się dźwięku - w takim przypadku mówi się o podwodnym kanale dźwiękowym.
Oprócz głośności i wysokości tonu rozróżniamy dźwięki według barwy: ta sama nuta zagrana na fortepianie, saksofonie lub odtwarzana przez różnych ludzi, brzmi inaczej. Takie różnorodne „odcienie” dźwięków nazywamy barwami.
Chodzi o to, że dźwięki są złożone: oprócz podstawowej częstotliwości (według której oceniamy wysokość dźwięku) dowolny dźwięk zawiera kilka bardziej słabych i bardziej wysokich częstotliwości - alikwotów. Im więcej alikwotów zawiera podstawowy dźwięk, tym jest on bardziej bogaty.
Obserwujemy odbicie dźwięku
Porównując rozchodzenie się dźwięku i rozchodzenie się światła można zauważyć niektóre wspólne cechy. Jest to logiczne: światło również jest falą, lecz nie mechaniczną (o tym dowiesz się później). Na granicy podziału różnych ośrodków, fala dźwiękowa, podobnie do światła, załamuje się, pochłania się i odbija się. Bardziej szczegółowo zatrzymamy się na odbiciu dźwięku.
Jeżeli staniemy niedaleko skały lub pojedynczo stojącego wieżowca i klaśniemy w dłonie czy głośno krzykniemy, to przez niewielki odcinek czasu usłyszymy powtórzenie dźwięku. Jest to echo (rys. 18.6).
Echo - to dźwięk odbity od oddalonej przeszkody.
Jeżeli odległość do przeszkody jest dość duża, a dźwięk krótki (uderzenie, klaśnięcie, okrzyk), słyszymy wyraźne powtórzenie dźwięku. Jeżeli dźwięk jest długi, to echo miesza się z pierwotnym dźwiękiem i odbity dźwięk będzie niewyraźny.
Dlaczego, według ciebie, podczas burzy po pierwszym uderzeniu grzmotu jeszcze jakiś czas słyszymy jego brzmienie?
Odbicie dźwięku jest podstawą działania dźwiękochłonnych ekranów, które ustawia się wzdłuż autostrady i w pobliżu lotniska. Badania odbicia, rozpraszania i tłumienia dźwięku w gazach, cieczach i ciałach stałych pozwala otrzymać informację o wewnętrznej budowie ośrodka, w którym rozchodzi się dźwięk.
Rozróżniamy infradźwięki i ultradźwięki
Fale dźwiękowe - niesłyszalne dla człowieka dźwięki o częstotliwości mniejszej niż 20 Hz nazywamy infradźwiękami (z łac. infra — niżej, pod).
Infradźwięki powstają podczas pracy niektórych mechanizmów, podczas wybuchów, zawałów, mocnych wiatrów, podczas burzy na morzu, trzęsienia ziemi.
Infradźwięk jest bardzo niebezpieczny dla człowieka i zwierząt: może powodować symptomy choroby morskiej, ślepotę, agresję. W przypadku dłuższego działania intensywne infradźwiękowe promieniowanie może doprowadzić do zatrzymania serca. Przy tym człowiek nawet nie rozumie, co odbywa się, ponieważ nie słyszy infradźwięku.
Fale dźwiękowe — niesłyszalne dla człowieka dźwięki o częstotliwości większej niż 20 kHz nazywamy ultradźwiękami (z łac. ultra -powyżej, poza granicami).
Ultradźwięk jest w szumie wiatru i wodospadu, w dźwiękach, które wydają niektóre istoty żywe. Udowodniono, że ultradźwięk do 100 kHz jest odbierany przez wiele owadów i zwierząt (rys. 18.7); takie drgania słyszą też psy. Ciekawe jest to, że dzieci, w odróżnieniu od dorosłych, również słyszą sygnały ultradźwiękowe (do 24 000 Hz).
Niektóre istoty stosują ultradźwięk do orientacji lub polowania. Nietoperze i delfiny promieniują
ultradźwięk i odbierają jego echo, dzięki czemu mogą w całkowitej ciemności odszukać drogę lub złapać zdobycz. W takich przypadkach mówi się, że zwierzęta wykorzystują echolokacją (rys. 18.8).
Echolokacja - sposób odnalezienia i otrzymania informacji o obiekcie za pomocą echa.
Ludzie nauczyli się wykorzystywać echolokację w różnych dziedzinach, przy czym najczęściej w echolokacji wykorzystywany jest ultradźwięk.
Na przykład, w medycynie echolokacja pozwala „zobaczyć” jeszcze nienarodzone dziecko, zbadać stan narządów wewnętrznych, zobaczyć obce ciała w tkankach. W technice echolokacja jest wykorzystywana do poszukiwania defektu w wyrobach, do pomiaru głębokości mórz i oceanów (rys. 18.9) i in.
Oprócz tego, za pomocą ultradźwięku sterylizuje się instrumenty chirurgiczne, leki, ręce chirurgów itp. Leczenie za pomocą ultradźwięku czasami pozwala obejść się bez zabiegów chirurgicznych.
Ultradźwięk jest wykorzystywany do obrabiania materiałów, oczyszczenia powierzchni od zabrudzenia.
Pytania kontrolne
1. Co nazywamy dźwiękiem? 2. Podaj przykłady źródeł i odbiorników dźwięku. 3. Dlaczego źródło dźwięku promieniuje dźwięk? 4. Od czego zależy prędkość rozchodzenia się dźwięku? 5. Jaką fizyczną wielkością określa się wysokość tonu? 6. Czym określa się głośność dźwięku? 7. Skutkiem jakiego zjawiska jest echo? 8. Co nazywamy infradźwiękiem? Jak wpływa on na człowieka? 9. Co nazywamy ultradźwiękiem? Podaj przykłady zastosowania ultradźwięku w przyrodzie, medycynie, technice. 10. Czym jest echolokacja?
Ćwiczenie nr 18
1. Widełki kamertonu drgają z częstotliwością 440 Hz. Czy odbieramy falę, rozchodzącą się od widełek jako dźwięk?
2. Dlaczego lecącego motyla nie słyszymy, a gdy leci komar, to słyszymy jego brzęczenie?
3. Oblicz długość fali dźwiękowej o częstotliwości 4 kHz w powietrzu; wodzie; stali.
Dlaczego muzyka i głosy śpiewaków inaczej brzmią w pustej sali i w sali, wypełnionej publicznością?
5. Za pomocą ultradźwięku mierzono głębokość morza (patrz rys. 18.9). Sygnał odbity od dna morza zarejestrowano po 4 s od jego wysłania. Jaka jest głębokość morza w miejscu mierzenia? Ile drgań wykonuje źródło dźwięku w ciągu 5 s, jeżeli długość fali w powietrzu wynosi 1 m?
7. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w metalu po raz pierwszy obliczył francuski fizyk Jean-Baptiste Biot (1774—1862). Wykorzystał on rurę zrobioną z mosiądzu o długości 951 m. Gdy po jednym końcu rury uderzano młotkiem, na drugim końcu słychać było podwójne uderzenie. O ile sekund dźwięk rozchodzący się w mosiądzu wyprzedzał dźwięk rozchodzący się w powietrzu?
8. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się, gdzie jest wykorzystywany ultradźwięk.
9. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się, jak wpływa szum na zdrowie człowieka. Jak można maksymalnie zmniejszyć szkodliwe działanie szumu?
10. Źródło światła i zwierciadło znajdują się na jednej prostej na odległości 10,8 km od siebie. Po jakim czasie błysk światła dotrze do zwierciadła i wróci z powrotem?
Doświadczenie
1. „Prawie Pitagoras”. Badania dźwięku, który wydaje drgająca struna, dokonał jeszcze starożytny grecki uczony Pitagoras (VI w. p.n.e.). badał on zależność wysokości tonu od długości struny. Za pomocą naciągniętej nici wyjaśnij, jak wysokość tonu zależy od długości nici.
2. „Linijka muzyczna”. Powtórz doświadczenie, pokazane na rys. 18.1. Zmniejszając długość części linijki drgającej udowodnij, że im mniejsza jest ta długość, tym większa jest częstotliwość dźwięku.
3. „Czuła kulka”. Za pomocą podwieszonej na nitce lekkiej kulki udowodnij, że podczas promieniowania dźwięku widełki kamertonu drgają, a głośność dźwięku zależy od amplitudy drgań.
Fizyka i technika na Ukrainie
Borys Grabowski (1901-1966) - ukraiński fizyk i wynalazca, twórca elektronicznego systemu przekazywania ruchomego obrazu na odległość (na tej zasadzie pracuje współczesna telewizja); syn wybitnego ukraińskiego poety Pawła Grabowskiego.
Pierwszy wynalazek B. Grabowskiego - komutator katodowy, który stał się podstawą dla sporządzenia kineskopu, a następny - projekt urządzenia telewizyjnego, który autor nazwał „radiotelefot".
26 lipca 1928 r. w Taszkiencie przeprowadzono doświadczenie, podczas którego po raz pierwszy za pomocą elektronicznej metody pokazano ruchomy obraz (twarz laboranta).
Wśród wynalazków Borysa Grabowskiego - małolitrażowy helikopter, trójskrzydłowy szybowiec, przyrząd do orientacji niewidomych i aparat dla głuchoniemych. Opatentowaną przez uczonego ideę otrzymywania katodowego promienia sukcesywnie wykorzystano w instytucie elektrospawania, o czym wynalazcy osobiście napisał dyrektor instytutu akademik B. Paton.
W 1977 r. w Taszkiencie założono muzeum telewizji elektronicznej imienia B. Grabowskiego. Są muzea B. Grabowskiego w Tiumieni i we wsi Puszkarne (obecnie Grabowskie na Sumszczyźnie).
PRACA LABORATORYJNA NR 6
Temat. Badanie drgań dźwiękowych różnorodnych źródeł dźwięku za pomocą współczesnych cyfrowych urządzeń.
Cel: wyjaśnić związek pomiędzy charakterysty
kami fali dźwiękowej (amplituda, częstotliwość) a głośnością i wysokością dźwięku.
Przyrządy: komputer (lub telefon komórkowy) z
odpowiednimi programami, mikrofon, kamerton, generator dźwiękowych częstotliwości.
Wiedza teoretyczna
Zapisywać dźwięk można na różne sposoby: magnetyczny, optyczny, cyfrowy. Zapis dźwięku w komputerach jest zapisem cyfrowym. Zapisany dźwięk jest przechowywany w pliku audio i po opracowaniu przekazywany na monitor komputera w postaci wykresu, który pokazuje zmiany ciśnienia w strefie przesłuchiwania przez równe niewielkie odcinki czasu (patrz rysunek).
Według wykresu można określić:
1) głośność dźwięku - wyznacza się amplitudą A fali dźwiękowej;
2) ton dźwięku - wyznacza się częstotliwością v (okresem T) fali dźwiękowej. Na przykład, według wykresu na rysunku wyznaczamy, że w ciągu 10 ms odbyło się prawie 9 drgań (dokładnie 8,8) więc, częstotliwość fali dźwiękowej wynosi:
Tak, więc na wykresie podano cyfrowy zapis brzmienia nuty „la” drugiej oktawy (patrz tabelę).
WYKONANIE PRACY
Przygotowanie się do doświadczenia
1. Przed wykonaniem pracy przypomnij sobie: 1) zasady bezpieczeństwa podczas wykonywania prac laboratoryjnych; 2) podstawowe cechy dźwięków.
2. Włącz komputer, podłącz do niego mikrofon.
3. Uruchom program „Zapisywanie dźwięków” (ze zbioru standardowych programów SO Windows), dlatego kliknij przycisk „Start” i wybierz polecenia: Programy —> Standardowy —> Rozrywki —> Zapis dźwięku.
Doświadczenie
Przestrzegaj reguł bezpieczeństwa (patrz wklejka).
Otrzymane pliki audio zachowaj pod odpowiednią nazwą.
1. Włącz generator częstotliwości dźwiękowej, ustawiając sygnał wyjściowy na częstotliwość 440 Hz.
2. Włącz zapis sygnału. Wyłącz zapis po 4-6 s.
3. Nie zmieniając częstotliwości, zwiększ głośność sygnału generatora, powtórz działania opisane w p. 2.
4. Ustaw sygnał wyjściowy na częstotliwość 880 Hz i powtórz działania opisane w p. 2.
5. Postaw kamerton. Uderz po nim gumowym młoteczkiem i powtórz działania opisane w p. 2.
6. Zaśpiewaj do mikrofonu kilka nut, dla każdej nuty powtórz działanie opisane w p. 2.
Opracowanie wyników doświadczenia
Wyniki pomiarów i obliczeń wpisuj do tabeli.
1. Dla każdego doświadczenia wyznacz częstotliwość fali dźwiękowej. W tym celu:
1) otwórz plik audio (na ekranie zobaczysz wykres podobny do wykresu na rysunku);
2) oblicz ilość drgań, na przykład w ciągu 10 ms;
3) według wzoru v = N/t, oblicz częstotliwość fali dźwiękowej.
2. Wykonaj rysunki dowolnych trzech doświadczeń. Podpisz je.
Analiza wyników doświadczenia
Przeanalizuj doświadczenie i jego wyniki. Sformułuj wniosek, w którym: 1) otrzymane wyniki porównaj z daną częstotliwością generatora, częstotliwością kamertonu, wartościami częstotliwości danymi w tabeli, które odpowiadają pewnym nutom; 2) wskaż przyczyny możliwej rozbieżności wyników.
Zadanie „z gwiazdką"
Według wzoru:
oblicz względny błąd pomiaru jednego
z doświadczeń.
Zadanie twórcze
Pomyśl, jakie doświadczenie należy przeprowadzić, aby wykryć, który z materiałów lepiej pochłania dźwięk; w których materiałach dźwięk rozchodzi się lepiej. Zapisz plan doświadczenia. Przeprowadź doświadczenie, zapisz jego wyniki.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar