Физика звука. Звуковые колебания и волны. Основные термины и определения

Содержание:

Источники звука. Звуковые колебания

Человек живёт в мире звуков. Звук для человека является источником информации. Он предостерегает людей об опасности. Звук в виде музыки, пения птиц доставляет нам удовольствие. Нам приятно слушать человека с приятным голосом. Звуки важны не только для человека, но и для животных, которым хорошее улавливание звука помогает выжить.

Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах, которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Причина звука – вибрация (колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незаметны для нашего глаза.

КАМЕРТОН - это U-образная металлическая пластина, концы которой могут колебаться после удара по ней. Издаваемый камертоном звук очень слабый и его слышно лишь на небольшом расстоянии. Резонатор - деревянный ящик, на котором можно закрепить камертон, служит для усиления звука. Излучение звука при этом происходит не только с камертона, но и с поверхности резонатора. Однако длительность звучания камертона на резонаторе будет меньше, чем без него.

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда.

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.

Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения, как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Источники звука - физические тела, которые колеблются, т.е. дрожат или вибрируют с частотой от 16 до 20000 раз в секунду. Такие волны называются звуковыми. Вибрирующее тело может быть твердым, например, струна или земная кора, газообразным, например, струя воздуха в духовых музыкальных инструментах или жидким, например, волны на воде.

Колебания с частотой меньше 16 Гц называется инфразвуком. Колебания с частотой больше 20000 Гц называются ультразвуком.

Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). Давайте представим себе, каким образом происходит распространение звуковых волн в пространстве. В результате каких-то возмущений (например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке пространства, возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке, происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой волны. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Привычное для всех нас понятие «звук» означает всего лишь воспринимаемый слуховым аппаратом человека набор звуковых колебаний. О том, какие колебания человек воспринимает, а какие нет, мы поговорим позднее.

 Характеристики звука.

Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой.

Звуковая волна может проходить самые различные расстояния. Орудийная стрельба слышна на 10-15 км, ржание лошадей и лай собак - на 2-3 км, а шепот всего на несколько метров. Эти звуки передаются по воздуху. Но проводником звука может быть не только воздух.

Приложив ухо к рельсам, можно услышать шум приближающегося поезда значительно раньше и на большем расстоянии. Значит металл проводит звук быстрее и лучше, чем воздух. Вода тоже хорошо проводит звук. Нырнув в воду, можно отчетливо слышать, как стучат друг о друга камни, как шумит во время прибоя галька.

Свойство воды – хорошо проводить звук – широко используется для разведки в море во время войны, а также для измерения морских глубин.

Необходимое условие распространения звуковых волн – наличие материальной среды. В вакууме звуковые волны не распространяются, так как там нет частиц, передающих взаимодействие от источника колебаний.

Поэтому на Луне из-за отсутствия атмосферы царит полная тишина. Даже падение метеорита на ее поверхность не слышно наблюдателю.

В отношении звуковых волн очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость распространения.

В каждой среде звук распространяется с разной скоростью.

Скорость звука в воздухе - приблизительно 340 м/с.

Скорость звука в воде — 1500 м/с.

Скорость звука в металлах, в стали — 5000 м/с.

В теплом воздухе скорость звука больше, чем в холодном, что приводит к изменению направления распространения звука.

Высота, тембр и громкость звука

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.

За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости.

На практике громкость измеряют в децибелах (дБ).

1 дБ = 0,1Б. 10 дБ – шепот; 20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;

50 дБ – разговор средней громкости;

70 дБ – шум пишущей машинки;

80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;

120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м

130 дБ – порог болевого ощущения.

Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.

Согласно легенде, Пифагор все музыкальные звуки расположил в ряд, разбив этот ряд на части – октавы, – а октаву – на 12 частей (7 основных тонов и 5 полутонов). Всего насчитывается 10 октав, обычно при исполнении музыкальных произведений используются 7–8 октав. Звуки частотой более 3000 Гц в качестве музыкальных тонов не используются, они слишком резки и пронзительны.

Список Литературы:

1.Абдуллин, Э. Б. Теория музыкального образования [Текст]: учебник / Э. Б. Абдуллин, Е. В. Николаева. - М.: Академия, 2014. - 336 с. – режим доступа: http://biblioclub.ru.

2. Загвязинский, В. И. Теория обучения: современная интерпретация [Текст]: учебное пособие / В. И. Загвязинский. - 4-е изд., стереотип. - М.: Академия, 2017. - 192 с. – режим доступа: http://biblioclub.ru.

3. Диденко Н.М. Развитие интонационного мышления в современном вузовском курсе сольфеджио: учебное пособие / Н.М. Диденко; Министерство культуры Российской Федерации, Г.К. Ростовская; науч. ред. К.А. Жабинский. - Ростов: Издательство РГК им. С. В. Рахманинова, 2014. - 150 с. - (Библиотека методической литературы). - Библ. в кн. - ISBN 978-5-93365-075-1; То же [Электронный ресурс].

4. Сольфеджио: учебно-методический комплекс / Министерство культуры Российской Федерации, ФГБОУ ВПО "Кемеровский государственный университет культуры и искусств", Институт музыки, Кафедра музыкознания и музыкально-прикладного искусства и др. - Кемерово: Кемеровский государственный университет культуры и искусств, 2013. - 64 с.: табл.; То же [Электронный ресурс]. - URL: http://biblioclub.ru Бах, Ф. Э. Сольфеджио [Электронный ресурс]: нотное издание / Ф. Э. Бах. - Москва: Директ-Медиа, 2017. - 4 с. – режим доступа: http://biblioclub.ru.

5. Осеннева, М. С. Теория и методика музыкального воспитания [Текст]: учебник / М. С. Осеннева. - Москва: Академия, 2012. - 272 с.

6.Никонов А. Звукотехническое оборудование радиодомов и телецентров. М.: Радио и связь, 2010.

7.Никульский Е. М., Дворко Н. И., Ершов К. Г. Технология звукозаписи и звукоре-жиссура: Учеб. пособ. Л.: ЛИКИ, 2011.

8. Петелин Ю. В., Петелин Р. Ю. Персональный оркестр... в персональном компьюте-ре. СПб.: Полигон, 2010.

9.Мансфельдерс Э. Музыка, речь и компьютер / Пер. с нем. Киев: Торгово-издательское бюро ВНV, 2015.

10.Динов В.Звуковая картина (записки о звукорежиссуре). С.-П. : Геликон плюс. 2009.

11.Никонов А. Звукотехническое оборудование радиодомов и телецентров. М.: Радио и связь, 2009.

12.Никульский Е. М., Дворко Н. И., Ершов К. Г. Технология звукозаписи и звукоре-жиссура: Учеб. пособ. Л.: ЛИКИ, 2010.

13.Динов В.Звуковая картина (записки о звукорежиссуре). С.-П. : Геликон плюс. 2010