الموجة الصوتية (الاهتزازات الصوتية) هي اهتزاز ميكانيكي لجزيئات مادة (على سبيل المثال ، الهواء) تنتقل في الفضاء.

لكن ليس كل جسم متأرجح مصدرًا للصوت. على سبيل المثال ، لا يُصدر وزن متذبذب معلق على خيط أو زنبرك صوتًا. ستتوقف المسطرة المعدنية أيضًا عن السبر إذا حركتها لأعلى في ملزمة وبالتالي تطيل الطرف الحر بحيث يصبح تردد التذبذب أقل من 20 هرتز. أظهرت الدراسات أن الأذن البشرية قادرة على إدراك الاهتزازات الميكانيكية للأجسام على أنها صوت تحدث بتردد يتراوح من 20 هرتز إلى 20000 هرتز. لذلك ، تسمى الاهتزازات التي تقع تردداتها في هذا النطاق بالصوت. تسمى الاهتزازات الميكانيكية التي يتجاوز ترددها 20000 هرتز بالموجات فوق الصوتية ، وتسمى الاهتزازات ذات الترددات الأقل من 20 هرتز بالموجات فوق الصوتية. تجدر الإشارة إلى أن حدود نطاق الصوت المشار إليها تعسفية ، لأنها تعتمد على عمر الأشخاص و الخصائص الفرديةمعيناتهم السمعية. عادة ، مع تقدم العمر ، ينخفض ​​الحد الأعلى للتردد للأصوات المدركة بشكل ملحوظ - يمكن لبعض كبار السن سماع أصوات بترددات لا تتجاوز 6000 هرتز. على العكس من ذلك ، يمكن للأطفال إدراك الأصوات التي يزيد ترددها قليلاً عن 20000 هرتز. بعض الحيوانات تسمع التذبذبات التي يزيد ترددها عن 20000 هرتز أو أقل من 20 هرتز. يمتلئ العالم بمجموعة متنوعة من الأصوات: دقات الساعات وقعقعة المحركات ، حفيف أوراق الشجر وعواء الريح ، غناء الطيور وأصوات الناس. حول كيفية تولد الأصوات وما تمثله ، بدأ الناس في التخمين منذ زمن طويل جدًا. لاحظوا ، على سبيل المثال ، أن هذا الصوت ينتج عن اهتزاز الأجسام في الهواء. حتى الفيلسوف اليوناني القديم والعالم الموسوعي أرسطو ، بناءً على الملاحظات ، أوضح بشكل صحيح طبيعة الصوت ، معتقدًا أن الجسم السبر يخلق ضغطًا بديلًا وخلخلة للهواء. وهكذا ، فإن الخيط المتذبذب الآن يضغط ، ثم يخلخ الهواء ، وبسبب مرونة الهواء ، تنتقل هذه التأثيرات المتناوبة إلى الفضاء - من طبقة إلى أخرى ، تنشأ موجات مرنة. عند الوصول إلى أذننا ، فإنها تعمل على طبلة الأذن وتسبب الإحساس بالصوت. عن طريق الأذن ، يرى الشخص موجات مرنة لها تردد يتراوح من حوالي 16 هرتز إلى 20 كيلو هرتز (1 هرتز - 1 تذبذب في الثانية). وفقًا لهذا ، فإن الموجات المرنة في أي وسيط تقع تردداته ضمن الحدود المشار إليها تسمى الموجات الصوتية أو الصوت ببساطة. في الهواء عند درجة حرارة 0 درجة مئوية وضغط عادي ، ينتشر الصوت بسرعة 330 م / ث ، في مياه البحر- حوالي 1500 م / ث ، تصل سرعة الصوت في بعض المعادن إلى 7000 م / ث. تسمى الموجات المرنة التي يقل ترددها عن 16 هرتز بالموجات فوق الصوتية ، وتسمى الموجات التي يتجاوز ترددها 20 كيلو هرتز الموجات فوق الصوتية.

لا يمكن أن يكون مصدر الصوت في الغازات والسوائل أجسامًا اهتزازية فقط. على سبيل المثال ، رصاصة وصافرة سهم أثناء الطيران ، تعوي الرياح. ولا يقتصر هدير الطائرة التوربينية على ضوضاء وحدات التشغيل - المروحة ، والضاغط ، والتوربينات ، وغرفة الاحتراق ، وما إلى ذلك ، ولكن أيضًا من ضوضاء التيار النفاث ، والدوامة ، وتدفقات الهواء المضطربة التي تحدث عندما تكون الطائرة يتدفق بسرعة عالية. الجسم الذي يندفع بسرعة عبر الهواء أو الماء ، كما كان ، يكسر التدفق حوله ، ويولد بشكل دوري مناطق من الخلخلة والضغط في الوسط. والنتيجة هي موجات صوتية. يمكن أن ينتشر الصوت في شكل موجات طولية وعرضية. في الوسط الغازي والسائل ، تظهر الموجات الطولية فقط ، عندما تحدث الحركة التذبذبية للجسيمات فقط في الاتجاه الذي تنتشر فيه الموجة. في المواد الصلبةبالإضافة إلى الموجات الطولية ، تنشأ أيضًا الموجات المستعرضة عندما تتأرجح جسيمات الوسط في اتجاهات متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة. هناك ، بضرب الخيط بشكل عمودي على اتجاهه ، نجعل الموجة تسير على طول الخيط. لا تتقبل الأذن البشرية بشكل متساوٍ الأصوات ذات الترددات المختلفة. هو الأكثر حساسية للترددات من 1000 إلى 4000 هرتز. عند الشدة العالية جدًا ، لم يعد يُنظر إلى الموجات على أنها صوت ، مما يتسبب في الشعور بألم ضاغط في الأذنين. تسمى شدة الموجات الصوتية التي يحدث عندها هذا بعتبة الألم. تعتبر مفاهيم النغمة وجرس الصوت مهمة أيضًا في دراسة الصوت. أي صوت حقيقي ، سواء كان صوتًا بشريًا أو عزفًا على آلة موسيقية ، ليس تذبذبًا توافقيًا بسيطًا ، ولكنه نوع من مزيج من العديد الاهتزازات التوافقيةمع مجموعة معينة من الترددات. تسمى النغمة ذات التردد الأقل النغمة الأساسية ، بينما تسمى النغمات الأخرى نغمات إيحائية. يعطي عدد مختلف من النغمات الكامنة في صوت معين لونًا خاصًا - الجرس. الفرق بين جرس وآخر لا يرجع فقط إلى العدد ، ولكن أيضًا إلى شدة النغمات المصاحبة لصوت النغمة الأساسية. من خلال الجرس ، يمكننا بسهولة التمييز بين أصوات الكمان والبيانو والجيتار والناي ، ونتعرف على أصوات الأشخاص المألوفين.

• تردد التذبذبيسمى عدد التذبذبات الكاملة في الثانية. وحدة التردد هي 1 هرتز (هرتز). 1 هرتز يتوافق مع تذبذب كامل (في اتجاه واحد وفي الاتجاه الآخر) يحدث في ثانية واحدة.
• فترةيسمى الوقت (الأوقات) التي يحدث خلالها تذبذب واحد كامل. كلما زاد تردد التذبذب ، كلما كانت الفترة أقصر ، أي و = 1 / T. وبالتالي ، فإن تواتر التذبذبات يكون أكبر ، وكلما كانت مدتها أقصر ، والعكس صحيح. يخلق الصوت البشري اهتزازات صوتية بتردد يتراوح من 80 إلى 12000 هرتز ، ويسمع السمع اهتزازات صوتية في نطاق 16-20000 هرتز.
• السعةتسمى التذبذبات أكبر انحراف لجسم متأرجح عن موقعه الأصلي (الهادئ). كلما زادت سعة التذبذب ، فإن بصوت أعلى. أصوات الكلام البشري هي اهتزازات صوتية معقدة ، تتكون من عدد أو آخر من الاهتزازات البسيطة ، تختلف في التردد والسعة. كل صوت كلام له تركيبة خاصة به من الاهتزازات ذات الترددات والسعات المختلفة. لذلك ، يختلف شكل التذبذبات لأحد الأصوات بشكل ملحوظ عن شكل صوت آخر ، مما يُظهر الرسوم البيانية للتذبذبات أثناء نطق الأصوات a و o و y.

يميز الشخص أي أصوات وفقًا لتصوره من حيث الحجم والارتفاع.

دعنا ننتقل إلى دراسة الظواهر الصوتية.

عالم الأصوات من حولنا متنوع - أصوات الناس والموسيقى ، غناء الطيور وطنين النحل ، الرعد أثناء العاصفة الرعدية وضجيج الغابة في الريح ، صوت السيارات والطائرات المارة وأشياء أخرى .

انتبه!

مصادر الصوت هي أجسام تهتز.

مثال:

نصلح مسطرة معدنية مرنة في ملزمة. إذا تم إدخال الجزء الحر ، الذي تم اختيار طوله بطريقة معينة ، في حركة تذبذبية ، فإن المسطرة ستصدر صوتًا (الشكل 1).

وبالتالي ، فإن المسطرة المتذبذبة هي مصدر الصوت.

ضع في اعتبارك صورة سلسلة صوتية ، نهاياتها ثابتة (الشكل 2). تشير الخطوط العريضة غير الواضحة لهذا الخيط والسمك الظاهر في المنتصف إلى أن الوتر يهتز.

إذا قربت نهاية الشريط الورقي من سلسلة السبر ، فسوف يرتد الشريط من صدمات الخيط. طالما أن الوتر يهتز ، يُسمع صوت ؛ أوقف الخيط ، ويتوقف الصوت.

يوضح الشكل 3 شوكة رنانة - قضيب معدني منحني على ساق ، مثبت على صندوق مرنان.

إذا قمت بضرب الشوكة الرنانة بمطرقة ناعمة (أو سحبت قوسًا فوقها) ، فسيصدر صوت شوكة الرنين (الشكل 4).

نحضر كرة ضوئية (حبة زجاجية) معلقة على خيط إلى شوكة رنانة - سترتد الكرة عن الشوكة الرنانة ، مما يشير إلى اهتزازات فروعها (الشكل 5).

من أجل "تسجيل" اهتزازات الشوكة الرنانة بتردد طبيعي صغير (بترتيب \ (16 \) هرتز) وسعة تذبذب كبيرة ، يمكن ربط شريط معدني رفيع وضيق بطرف في النهاية نهاية أحد فروعها. يجب ثني الحافة للأسفل ولمسها برفق بلوحة زجاجية مدخنة ملقاة على الطاولة. عندما تتحرك اللوحة بسرعة تحت الفروع المتذبذبة للشوكة الرنانة ، يترك الطرف علامة على اللوحة على شكل خط متموج (الشكل 6).

الخط المتموج المرسوم على الصفيحة بطرف قريب جدًا من الجيب. وبالتالي ، يمكننا أن نفترض أن كل فرع من فروع الشوكة الرنانة يؤدي التذبذبات التوافقية.

تظهر التجارب المختلفة أن أي مصدر للصوت يتذبذب بالضرورة ، حتى لو كانت هذه التذبذبات غير محسوسة للعين. على سبيل المثال ، تنشأ أصوات الناس والعديد من الحيوانات نتيجة اهتزازاتها. الحبال الصوتية، صوت الآلات الموسيقية للرياح ، صوت صفارات الإنذار ، صفير الريح ، حفيف الأوراق ، دوي الرعد بسبب التقلبات في الكتل الهوائية.

انتبه!

ليس كل جسم مهتز هو مصدر الصوت.

على سبيل المثال ، لا يُصدر وزن اهتزازي معلق على خيط أو زنبرك صوتًا. ستتوقف المسطرة المعدنية أيضًا عن الصوت إذا تم إطالة نهايتها الحرة بحيث يصبح تردد اهتزازاتها أقل من \ (16 \) هرتز.

الأذن البشرية قادرة على إدراك الاهتزازات الميكانيكية الصوتية بتردد يتراوح من \ (16 \) إلى \ (20000 \) هرتز (تنتقل عادةً عبر الهواء).

الاهتزازات الميكانيكية ، التي يقع ترددها في المدى من \ (16 \) إلى \ (20000 \) هرتز ، تسمى صوتًا.

حدود نطاق الصوت المشار إليها مشروطة ، لأنها تعتمد على عمر الأشخاص والخصائص الفردية للمعينات السمعية الخاصة بهم. عادة ، مع تقدم العمر ، يقل حد التردد الأعلى للأصوات المدركة بشكل ملحوظ - يمكن لبعض كبار السن سماع أصوات بترددات لا تتجاوز \ (6000 \) هرتز. على العكس من ذلك ، يمكن للأطفال إدراك الأصوات التي يزيد ترددها قليلاً عن \ (20.000 \) هرتز.

تسمى الاهتزازات الميكانيكية التي يتجاوز ترددها \ (20000 \) هرتز بالموجات فوق الصوتية ، وتسمى الاهتزازات ذات الترددات الأقل من \ (16 \) هرتز بالأشعة تحت الصوتية.

تنتشر الموجات فوق الصوتية والموجات فوق الصوتية في الطبيعة مثل الموجات الصوتية. يتم إطلاقها واستخدامها في "مفاوضاتها" بواسطة الدلافين والخفافيش وبعض الكائنات الحية الأخرى.

تقلبات- هذه حركات أو عمليات تتميز بتكرار معين في الوقت المناسب.

فترة التذبذبتيهي الفترة الزمنية التي يحدث خلالها تذبذب واحد كامل.

تردد التذبذبهو عدد التذبذبات الكاملة لكل وحدة زمنية. في النظام الدولي للوحدات ، يتم التعبير عنها بالهرتز (هرتز).

ترتبط فترة التذبذبات وتواترها بالعلاقة

الاهتزازات التوافقية- هذه هي التذبذبات التي تتغير فيها القيمة المتذبذبة وفقًا لقانون الجيب أو جيب التمام. يتم تحديد الإزاحة بواسطة الصيغة

السعة (أ) والفترة (ب) ومرحلة التذبذبات(من) جسمان متأرجحان

موجات ميكانيكية

أمواج تسمى الاضطرابات الدورية التي تنتشر في الفضاء بمرور الوقت. تنقسم الأمواج إلى طولية وعرضية.

تسمى الموجات المرنة في الهواء التي تسبب إحساسًا سمعيًا لدى الإنسان بالموجات الصوتية أو ببساطة الصوت. نطاق تردد الصوت من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز. تسمى الموجات التي يقل ترددها عن 20 هرتز بالموجات فوق الصوتية ، وتسمى الموجات التي يزيد ترددها عن 20 كيلو هرتز بالموجات فوق الصوتية. إن وجود أي وسيط مرن لنقل الصوت إلزامي.

يتم تحديد جهارة الصوت من خلال شدة الموجة الصوتية ، أي الطاقة التي تحملها الموجة لكل وحدة زمنية.

يعتمد ضغط الصوت على سعة تقلبات الضغط في الموجة الصوتية.

يتم تحديد درجة الصوت (النغمة) من خلال تردد الاهتزازات. يتراوح نطاق صوت الذكور المنخفض (الجهير) ما يقرب من 80 إلى 400 هرتز. يتراوح مدى الصوت الأنثوي العالي (السوبرانو) من 250 إلى 1050 هرتز.

في التكنولوجيا والعالم من حولنا ، غالبًا ما يتعين علينا التعامل معها دورية(أو شبه دورية) العمليات التي تتكرر على فترات منتظمة. تسمى هذه العمليات تذبذبي.

الاهتزازات هي واحدة من أكثر العمليات شيوعًا في الطبيعة والتكنولوجيا. أجنحة الحشرات والطيور أثناء الطيران ، المباني الشاهقة والأسلاك عالية الجهد تحت تأثير الرياح ، بندول ساعة الجرح وسيارة على الينابيع أثناء الحركة ، مستوى النهر خلال العام ودرجة حرارة جسم الإنسان أثناء المرض ، الصوت هو تقلبات في كثافة الهواء وضغطه ، موجات الراديو - تغييرات دورية في قوة المجالين الكهربائي والمغناطيسي ، والضوء المرئي أيضًا التذبذبات الكهرومغناطيسية، فقط مع طول موجي وتردد مختلفين قليلاً ، الزلازل - اهتزازات التربة ، دقات النبض - تقلصات دورية لعضلة قلب الإنسان ، إلخ.

الاهتزازات ميكانيكية وكهرومغناطيسية وكيميائية وثرموديناميكية وغيرها. على الرغم من هذا التنوع ، فإنهم جميعًا لديهم الكثير من القواسم المشتركة.

تخضع الظواهر التذبذبية ذات الطبيعة الفيزيائية المختلفة للقوانين العامة. على سبيل المثال ، التقلبات الحالية في دائرة كهربائيةوالتقلبات البندول الرياضييمكن وصفها بنفس المعادلات. يجعل عمومية الانتظام المتذبذب من الممكن النظر فيها عمليات التذبذب طبيعة مختلفةمن وجهة نظر واحدة. إشارة حركة متذبذبةهو له دورية.

الاهتزازات الميكانيكية -هذهحركات تتكرر تمامًا أو تقريبًا على فترات منتظمة.

من أمثلة الأنظمة التذبذبية البسيطة الوزن على زنبرك (بندول زنبركي) أو كرة على خيط (بندول رياضي).

أثناء الاهتزازات الميكانيكية ، تتغير الطاقات الحركية والمحتملة بشكل دوري.

في أقصى انحرافالجسم من وضع التوازن ، وسرعته ، وبالتالي ، و تذهب الطاقة الحركية إلى الصفر. في هذا الموقف الطاقة الكامنةتتأرجح الجسم يصل إلى القيمة القصوى. بالنسبة للحمل على الزنبرك ، فإن الطاقة الكامنة هي طاقة التشوه المرن للزنبرك. بالنسبة إلى البندول الرياضي ، هذه هي الطاقة في مجال جاذبية الأرض.

عندما يمر جسم في حركته وضع التوازن، سرعته القصوى. يتخطى الجسم وضع التوازن وفقًا لقانون القصور الذاتي. في هذه اللحظة لديها الطاقة الحركية القصوى والحد الأدنى من الطاقة الكامنة. تحدث الزيادة في الطاقة الحركية على حساب انخفاض الطاقة الكامنة.

مع مزيد من الحركة ، تبدأ الطاقة الكامنة في الزيادة بسبب انخفاض الطاقة الحركية ، إلخ.

وبالتالي ، مع الاهتزازات التوافقية ، هناك تحول دوري للطاقة الحركية إلى طاقة كامنة والعكس صحيح.

إذا لم يكن هناك احتكاك في النظام التذبذب ، فإن الطاقة الميكانيكية الكلية أثناء الاهتزازات الميكانيكية تظل دون تغيير.

لتحميل الربيع:

في وضع الانحراف الأقصى ، الطاقة الكلية للبندول تساوي الطاقة الكامنة للزنبرك المشوه:

عند المرور في وضع التوازن ، فإن إجمالي الطاقة يساوي الطاقة الحركية للحمل:

للتذبذبات الصغيرة للبندول الرياضي:

في موضع الانحراف الأقصى ، تكون الطاقة الإجمالية للبندول مساوية للطاقة الكامنة للجسم المرفوعة إلى الارتفاع h:

عند المرور في وضع التوازن ، فإن إجمالي الطاقة يساوي الطاقة الحركية للجسم:

هنا ح مهو أقصى ارتفاع رفع للبندول في مجال جاذبية الأرض ، س مو υ م = ω 0 س مهي أقصى انحرافات للبندول عن موضع التوازن وسرعته.

التذبذبات التوافقية وخصائصها. معادلة التذبذب التوافقي.

أبسط نوع من العمليات التذبذبية بسيط الاهتزازات التوافقية, التي وصفتها المعادلة

x = س مكوس (ω ر + φ 0).

هنا x- إزاحة الجسم من وضعية التوازن ،
س م- سعة التذبذبات ، أي أقصى إزاحة من موضع التوازن ،
ω – التردد الدوري أو الدائريتردد،
ر- زمن.

خصائص الحركة التذبذبية.

الأوفست X -انحراف نقطة التذبذب عن موضع التوازن. وحدة القياس 1 متر.

سعة التذبذب أ -أقصى انحراف لنقطة التذبذب من موضع التوازن. وحدة القياس 1 متر.

فترة التذبذبتي- يسمى الحد الأدنى للفاصل الزمني الذي يحدث فيه تذبذب كامل. وحدة القياس هي ثانية واحدة.

حيث t هو وقت التذبذب ، N هو عدد التذبذبات التي حدثت خلال هذا الوقت.

وفقًا للرسم البياني للتذبذبات التوافقية ، يمكنك تحديد فترة وسعة التذبذبات:

تردد التذبذب ν -كمية مادية تساوي عدد التذبذبات لكل وحدة زمنية.

التردد هو مقلوب فترة التذبذب:

تكررتظهر التذبذبات ν عدد التذبذبات التي تحدث في ثانية واحدة ، وهي وحدة التردد هيرتز(هرتز).

التردد الدوري ωهو عدد التذبذبات في ثانيتين ونصف.

تردد التذبذب ν مرتبط بـ التردد الدوري ωوفترة التذبذب تيالنسب:

مرحلةعملية توافقية - قيمة تحت علامة الجيب أو جيب التمام في معادلة التذبذبات التوافقية φ = ω ر+ φ 0 . في ر= 0 φ = φ 0 ، إذن φ 0 مسمى المرحلة الأولى.

رسم بياني للتذبذبات التوافقيةهي موجة جيبية أو موجة جيب تمام.

في جميع الحالات الثلاث للمنحنيات الزرقاء φ 0 = 0:

فقطأكبر السعة(س "م> س م) ؛

يختلف المنحنى الأحمر عن المنحنى الأزرق فقطالمعنى فترة(T "= T / 2) ؛

يختلف المنحنى الأحمر عن المنحنى الأزرق فقطالمعنى المرحلة الأولى(مسرور).

عندما يتأرجح الجسم على طول خط مستقيم (المحور ثور) يتم توجيه متجه السرعة دائمًا على طول هذا الخط المستقيم. يتم تحديد سرعة الجسم من خلال التعبير

في الرياضيات ، الإجراء الخاص بإيجاد نهاية النسبة Δx / t عند Δ ر→ 0 يسمى حساب مشتق الوظيفة x(ر) بالوقت رويشار إليه على أنه x "(ر).السرعة تساوي مشتق الدالة x ( ر) بالوقت ر.

لقانون الحركة التوافقي x = س مكوس (ω ر+ φ 0) يؤدي حساب المشتق إلى النتيجة التالية:

υ X =x "(ر)= ω س مالخطيئة (ω ر + φ 0)

يتم تعريف التسارع بطريقة مماثلة فأسالأجسام تحت الاهتزازات التوافقية. التسريع أيساوي مشتق الوظيفة υ ( ر) بالوقت ر، أو المشتق الثاني للدالة x(ر). تعطي الحسابات:

أ س \ u003d υ x "(ر) =x ""(ر) =-2 س مكوس (ω ر+ φ 0) = - 2 x

تعني علامة الطرح في هذا التعبير أن العجلة أ(ر) لديه دائمًا إشارة معاكسة للإزاحة x(ر) ، وبالتالي ، وفقًا لقانون نيوتن الثاني ، فإن القوة التي تجعل الجسم يقوم بأداء التذبذبات التوافقية يتم توجيهها دائمًا نحو وضع التوازن ( x = 0).

يوضح الشكل الرسوم البيانية للإحداثيات والسرعة والتسارع لجسم يؤدي التذبذبات التوافقية.

الرسوم البيانية للإحداثيات x (t) والسرعة υ (t) والتسارع a (t) لجسم يؤدي التذبذبات التوافقية.

بندول الربيع.

بندول الربيعتسمى حمولة من بعض الكتلة m ، متصلة بنابض صلابة k ، والنهاية الثانية ثابتة بلا حراك.

تردد طبيعيتم العثور على ω 0 اهتزازات مجانية للحمل على الزنبرك بواسطة الصيغة:

فترة تي الاهتزازات التوافقية للحمل على الزنبرك تساوي

هذا يعني أن فترة تذبذب البندول الزنبركي تعتمد على كتلة الحمل وعلى صلابة الزنبرك.

الخصائص الفيزيائية للنظام التذبذب تحديد فقط تردد التذبذب الطبيعي ω 0 والفترة تي . معلمات عملية التذبذب مثل السعة س مو المرحلة الأولىφ 0 ، يتم تحديدها من خلال الطريقة التي تم بها إخراج النظام من التوازن في اللحظة الأولى من الزمن.

البندول الرياضي.

البندول الرياضييسمى جسمًا صغيرًا معلقًا على خيط رفيع غير مرن ، تكون كتلته ضئيلة مقارنةً بكتلة الجسم.

في وضع التوازن ، عندما يتدلى البندول على خط راسيا ، يتم موازنة قوة الجاذبية بواسطة قوة شد الخيط N عندما ينحرف البندول عن موضع التوازن بزاوية معينة φ ، يظهر عنصر مماسي لقوة الجاذبية F τ = – ملغالخطيئة فاي. تعني علامة الطرح في هذه الصيغة أن المكون المماسي موجه في الاتجاه المعاكس لانحراف البندول.

البندول الرياضي. - الانحراف الزاوي للبندول عن موضع التوازن ،

x= lφ - إزاحة البندول على طول القوس

يتم التعبير عن التردد الطبيعي للتذبذبات الصغيرة للبندول الرياضي بالصيغة:

فترة التذبذب للبندول الرياضي:

هذا يعني أن فترة تذبذب البندول الرياضي تعتمد على طول الخيط وعلى تسارع السقوط الحر للمنطقة التي تم تركيب البندول فيها.

الاهتزازات الحرة والقسرية.

يمكن أن تكون التذبذبات الميكانيكية ، مثل العمليات التذبذبية من أي طبيعة فيزيائية أخرى مجاناو قسري.

الاهتزازات الحرة -هذه هي التذبذبات التي تحدث في النظام تحت تأثير القوى الداخلية ، بعد إخراج النظام من وضع التوازن المستقر.

تعتبر اهتزازات الوزن على زنبرك أو اهتزازات البندول ذبذبات حرة.

في الظروف الواقعية ، يخضع أي نظام تذبذب لتأثير قوى الاحتكاك (المقاومة). في نفس الوقت ، جزء الطاقة الميكانيكيةتتحول إلى الطاقة الداخلية للحركة الحرارية للذرات والجزيئات ، وتصبح الاهتزازات بهوت.

الاضمحلال تسمى الاهتزازات ، والتي يتناقص اتساعها بمرور الوقت.

لكي لا تبلل التذبذبات ، من الضروري نقل طاقة إضافية للنظام ، أي يعمل على النظام التذبذب بقوة دورية (على سبيل المثال ، للتأرجح والتأرجح).

تسمى التذبذبات التي تحدث تحت تأثير قوة خارجية متغيرة بشكل دوريقسري.

تؤدي القوة الخارجية عملاً إيجابيًا وتوفر تدفقًا للطاقة إلى النظام التذبذب. لا يسمح للتذبذبات أن تتلاشى بالرغم من تأثير قوى الاحتكاك.

يمكن أن تختلف القوة الخارجية الدورية بمرور الوقت وفقًا للقوانين المختلفة. ذات أهمية خاصة هي الحالة عندما تعمل قوة خارجية ، تتغير وفقًا لقانون توافقي بتردد ω ، على نظام تذبذب قادر على أداء التذبذبات الطبيعية عند تردد معين ω 0.

إذا حدثت اهتزازات حرة عند تردد ω 0 ، والذي يتم تحديده بواسطة معلمات النظام ، إذن تحدث التذبذبات القسرية الثابتة دائمًا في تردد ω للقوة الخارجية .

تسمى ظاهرة الزيادة الحادة في سعة التذبذبات القسرية عندما يتزامن تواتر التذبذبات الطبيعية مع تواتر القوة الدافعة الخارجيةصدى.

الاعتماد على السعة س متسمى التذبذبات القسرية من التردد ω للقوة الدافعة خاصية الرنينأو منحنى الرنين.

منحنيات الرنين عند مستويات التخميد المختلفة:

1 - نظام تذبذب بدون احتكاك ؛ عند الرنين ، يزداد السعة x م للتذبذبات القسرية إلى أجل غير مسمى ؛

2 ، 3 ، 4 - منحنيات رنين حقيقية للأنظمة التذبذبية ذات الاحتكاك المختلف.

في حالة عدم وجود احتكاك ، يجب زيادة سعة الاهتزازات القسرية عند الرنين إلى ما لا نهاية. في الظروف الحقيقية ، يتم تحديد سعة التذبذبات القسرية في الحالة المستقرة حسب الحالة: يجب أن يكون عمل القوة الخارجية خلال فترة التذبذب مساويًا لفقدان الطاقة الميكانيكية خلال نفس الوقت بسبب الاحتكاك. كلما قل الاحتكاك ، زادت سعة الاهتزازات القسرية عند الرنين.

ظاهرة الرنين يمكن أن تسبب تدمير الجسور والمباني وغيرها من الهياكل ، إذا كانت الترددات الطبيعية لتذبذباتها تتزامن مع التردد بشكل دوري قوة التشغيلناتج ، على سبيل المثال ، عن دوران محرك غير متوازن.

صوت- هذه موجات طولية مرنة بتردد من 20 هرتز إلى 20000 هرتز ، والتي تسبب إحساسًا سمعيًا لدى الإنسان.

مصدر الصوت- أجسام متذبذبة مختلفة ، مثل خيط مشدود بإحكام أو صفيحة فولاذية رفيعة ، مثبتة على جانب واحد.

كيف تحدث الحركات التذبذبية؟ يكفي سحب وتر من آلة موسيقية أو صفيحة فولاذية مثبتة في أحد طرفي الملزمة وتحريرهما ، لأنها ستصدر صوتًا. اهتزازات سلسلة أو طبق معدنيتنتقل إلى الهواء المحيط. عندما تنحرف اللوحة ، على سبيل المثال ، إلى الجانب الأيمن ، فإنها تضغط (تضغط) طبقات الهواء المجاورة لها على اليمين ؛ في هذه الحالة ، سوف تتخلخل طبقة الهواء المجاورة للصفيحة الموجودة على الجانب الأيسر. عندما تنحرف اللوحة إلى الجانب الأيسر ، فإنها تضغط طبقات الهواء على اليسار وتخلخ طبقات الهواء المجاورة لها على الجانب الأيمن ، إلخ. سيتم نقل ضغط وخلخلة طبقات الهواء المجاورة للوحة إلى الطبقات المجاورة. ستتكرر هذه العملية بشكل دوري ، وتضعف تدريجيًا ، حتى تتوقف الاهتزازات تمامًا.

وبالتالي ، فإن اهتزازات الوتر أو الصفيحة تثير اهتزازات الهواء المحيط وتنتشر وتصل إلى الأذن البشرية ، مما يتسبب في اهتزاز طبلة الأذن ، مما يسبب تهيجًا في العصب السمعي الذي نعتبره صوتًا.

سرعة الموجة الصوتية في بيئات مختلفةليس نفس الشيء. يعتمد ذلك على مرونة الوسط الذي تنتشر فيه. ينتقل الصوت بشكل أبطأ في الغازات. في الهواء ، تبلغ سرعة انتشار الاهتزازات الصوتية في المتوسط ​​330 م / ث ، ومع ذلك ، يمكن أن تختلف تبعًا للرطوبة والضغط ودرجة الحرارة. لا ينتشر الصوت في الفضاء الخالي من الهواء. ينتقل الصوت بشكل أسرع في السوائل. في المواد الصلبة - حتى أسرع. في سكة حديدية ، على سبيل المثال ، ينتشر الصوت بسرعة »5000 م / ث.

في النشرالصوت في الذرات والجزيئات تهتز على امتداداتجاه انتشار الموجة ، ثم الصوت - موجه طويلة.

خصائص الصوت

1. الحجم.الجهارة تعتمد على سعة الاهتزازات في الموجة الصوتية. الصوتيتم تحديد الصوت السعةأمواج.

وحدة حجم الصوت هي 1 بيل (تكريما لمخترع الهاتف الكسندر جراهام بيل). جهارة الصوت هي 1 ب إذا كانت قوته 10 أضعاف عتبة السمع.

في الممارسة العملية ، يتم قياس جهارة الصوت بالديسيبل (ديسيبل).

1 ديسيبل = 0.1 بي. 10 ديسيبل - الهمس. 20-30 ديسيبل - معيار الضوضاء في المباني السكنية ؛
50 ديسيبل - محادثة متوسطة الحجم ؛
70 ديسيبل - ضوضاء الآلة الكاتبة ؛
80 ديسيبل - ضجيج محرك الشاحنة الجاري ؛
120 ديسيبل - ضوضاء الجرار العامل على مسافة 1 متر
130 ديسيبل - عتبة الألم.

يمكن أن يتسبب الصوت فوق 180 ديسيبل في تمزق طبلة الأذن.

2. الملعب. ارتفاعيتم تحديد الصوت تكررموجات ، أو تردد اهتزاز مصدر الصوت.

• صوت جهير - 80-350 هرتز ،
• الباريتون - 110-149 هرتز ،
• التينور - 130-520 هرتز ،
• ثلاثة أضعاف - 260-1000 هرتز ،
• سوبرانو - 260-1050 هرتز ،
• كولوراتورا سوبرانو - حتى 1400 هرتز.

الأذن البشرية قادرة على إدراك الموجات المرنة بتردد تقريبي من 16 هرتز إلى 20 كيلو هرتز.كيف نسمع؟

محلل السمع البشري - أذن- تتكون من أربعة أجزاء:

الأذن الخارجية

تشمل الأذن الخارجية الأذن وقناة الأذن والغشاء الطبلي الذي يغطي النهاية الداخلية لقناة الأذن. قناة الأذن ذات شكل منحني غير منتظم. يبلغ طولها عند البالغين حوالي 2.5 سم وقطرها حوالي 8 ملم. سطح قناة الأذن مغطى بالشعر ويحتوي على غدد تفرز شمع الأذن الضروري للحفاظ على رطوبة الجلد. يوفر الصماخ السمعي أيضًا درجة حرارة ثابتة ورطوبة غشاء الطبلة.

الأذن الوسطى

الأذن الوسطى عبارة عن تجويف مليء بالهواء خلف طبلة الأذن. يتصل هذا التجويف بالبلعوم الأنفي من خلال قناة استاكيوس ، وهي قناة غضروفية ضيقة عادة ما تكون مغلقة. يؤدي البلع إلى فتح قناة استاكيوس ، التي تسمح للهواء بالدخول إلى التجويف ومعادلة الضغط على جانبي طبلة الأذن من أجل الحركة المثلى. تحتوي الأذن الوسطى على ثلاث عظيمات سمعية مصغرة: المطرقة والسندان والركاب. يرتبط أحد طرفي المطرقة بالغشاء الطبلي ، بينما يتصل الطرف الآخر بالسندان ، والذي بدوره متصل بالرِّكاب والركاب بقوقعة الأذن الداخلية. يتأرجح الغشاء الطبلي باستمرار تحت تأثير الأصوات التي تلتقطها الأذن ، وتنقل العظيمات السمعية اهتزازاتها إلى الأذن الداخلية.

الأذن الداخلية

تحتوي الأذن الداخلية على عدة تراكيب ، ولكن القوقعة فقط ، التي حصلت على اسمها من شكلها الحلزوني ، هي ذات الصلة بالسمع. تنقسم القوقعة إلى ثلاث قنوات مليئة بالسوائل اللمفاوية. يختلف السائل الموجود في القناة الوسطى في تكوينه عن السائل في القناتين الأخريين. يقع العضو المسؤول مباشرة عن السمع (عضو كورتي) في القناة الوسطى. يحتوي عضو كورتي على حوالي 30000 خلية شعر تلتقط التقلبات في السائل في القناة الناتجة عن حركة الرِّكاب وتولد نبضات كهربائية تنتقل عبر العصب السمعي إلى القشرة السمعية للدماغ. تستجيب كل خلية شعرية لتردد صوتي محدد ، مع ترددات عالية تلتقطها الخلايا في القوقعة السفلية وتضبط الخلايا على الترددات المنخفضة في القوقعة العلوية. إذا ماتت خلايا الشعر لأي سبب من الأسباب ، يتوقف الشخص عن إدراك أصوات الترددات المقابلة.

المسارات السمعية

المسارات السمعية عبارة عن مجموعة من الألياف العصبية التي تنقل النبضات العصبية من القوقعة إلى المراكز السمعية في القشرة الدماغية ، مما يؤدي إلى إحساس سمعي. تقع المراكز السمعية في الفص الصدغي للدماغ. الوقت الذي تستغرقه الإشارة السمعية للانتقال من الأذن الخارجية إلى المراكز السمعية في الدماغ حوالي 10 مللي ثانية.

الإدراك السليم

تقوم الأذن بتحويل الأصوات بالتتابع إلى اهتزازات ميكانيكية للغشاء الطبلي والعظميات السمعية ، ثم إلى اهتزازات للسائل في القوقعة ، وأخيراً إلى نبضات كهربائية تنتقل عبر مسارات الجهاز السمعي المركزي إلى الفص الصدغي للدماغ للاعتراف والمعالجة.
لا يستخرج الدماغ والعقد الوسيطة للمسارات السمعية معلومات حول طبقة الصوت وارتفاعه فحسب ، بل يستخرج أيضًا خصائص الصوت الأخرى ، على سبيل المثال ، الفاصل الزمني بين اللحظات التي يتم فيها التقاط الصوت عن طريق اليمين واليسار آذان - هذا هو الأساس لقدرة الشخص على تحديد الاتجاه الذي يأتي فيه الصوت. في الوقت نفسه ، يقوم الدماغ بتقييم كل من المعلومات الواردة من كل أذن على حدة ويجمع كل المعلومات الواردة في إحساس واحد.

تخزن أدمغتنا أنماطًا للأصوات من حولنا - الأصوات المألوفة والموسيقى والأصوات الخطرة وما إلى ذلك. يساعد هذا الدماغ في عملية معالجة المعلومات حول الصوت للتمييز السريع بين الأصوات المألوفة وغير المألوفة. مع فقدان السمع ، يبدأ الدماغ في الاستلام معلومات مشوهة(تصبح الأصوات أكثر هدوءًا) مما يؤدي إلى أخطاء في تفسير الأصوات. من ناحية أخرى ، قد يصاحب تلف الدماغ الناتج عن الشيخوخة أو إصابة الرأس أو الأمراض والاضطرابات العصبية أعراض مشابهة لأعراض فقدان السمع ، مثل عدم الانتباه ، والانفصال عن البيئة ، والاستجابة غير الكافية. من أجل سماع الأصوات وفهمها بشكل صحيح ، فإن العمل المنسق للمحلل السمعي والدماغ ضروري. هكذا وبدون مبالغة نستطيع أن نقول إن الإنسان لا يسمع بأذنيه بل بدماغه!

تنظر الحيوانات إلى موجات الترددات الأخرى على أنها صوت.

الموجات فوق الصوتية - موجات طولية بتردد يتجاوز 20.000 هرتز.

استخدام الموجات فوق الصوتية.

بمساعدة السونارات المثبتة على السفن ، يقيسون عمق البحر ، ويكتشفون مجموعات الأسماك ، أو جبل جليدي قادم أو غواصة.

تستخدم الموجات فوق الصوتية في الصناعة لاكتشاف العيوب في المنتجات.

في الطب باستخدام الموجات فوق الصوتية يتم لحام العظام واكتشاف الأورام وتشخيص الأمراض.

يسمح التأثير البيولوجي للموجات فوق الصوتية باستخدامه في تعقيم الحليب والمواد الطبية والأدوات الطبية.

تمتلك الخفافيش والدلافين محددات مثالية بالموجات فوق الصوتية.

اختبار الفيزياء الاهتزازات الميكانيكية والموجات الصوتية لطلاب الصف التاسع مع الإجابات. يتضمن الاختبار خيارين ، لكل منهما 12 مهمة.

1 خيار

1. مع الاهتزازات الحرة ، تنتقل الكرة الموجودة على الخيط من أقصى الموضع الأيسر إلى أقصى الموضع الأيمن في 0.1 ثانية. حدد فترة اهتزاز الكرة.

1) 0.1 ثانية
2) 0.2 ثانية
3) 0.3 ثانية
4) 0.4 ثانية

2. يوضح الشكل اعتماد إحداثيات مركز الكرة المعلقة في زنبرك من وقت لآخر. تردد التذبذب هو

1) 0.25 هرتز
2) 0.5 هرتز
3) 2 هرتز
4) 4 هرتز

3. كم عدد التذبذبات الكاملة نقطة ماديةلمدة 10 ثوانٍ ، إذا كان تردد التذبذب 220 هرتز؟

1) 22
2) 88
3) 440
4) 2200

4. في أي اتجاهات تتأرجح الموجة الطولية؟

1) في كل الاتجاهات

5. المسافة بين أقرب قمم الموجة في البحر 6 م ما هي فترة تأثير الموجة على بدن القارب إذا كانت سرعتها 3 م / ث؟

1) 0.5 ثانية
2) 2 ثانية
3) 12 ثانية
4) 32 ثانية

6. سمع الرجل صوت الرعد بعد وميض البرق بعشر ثوان. أوجد سرعة الصوت في الهواء إذا ضرب البرق على مسافة 3.3 كم من الراصد.

1) 0.33 م / ث
2) 33 م / ث
3) 330 م / ث
4) 33 كم / ثانية

7. في أي وسيط تنتقل الموجات الصوتية بأدنى سرعة؟

1) في المواد الصلبة
2) في السوائل
3) في الغازات
4) كل مكان هو نفسه

8. ما هي الاهتزازات الميكانيكية التي يقل ترددها عن 20 هرتز؟

1) الصوت
2) بالموجات فوق الصوتية
3) بالموجات فوق الصوتية

9. حدد طول الموجة الصوتية في الهواء إذا كان تردد مصدر الصوت 200 هرتز. سرعة الصوت في الهواء 340 م / ث.

1) 1.7 م
2) 0.59 م
3) 540 م
4) 68000 م

10. كيف سيتغير طول الموجة الصوتية عندما يتناقص تردد اهتزازات مصدرها بمقدار ضعفين؟

1) ستزيد بمقدار 2 مرات
2) إنقاص بمقدار 2 مرات
3) لن يتغير
4) إنقاص 4 مرات

11. الحد الأعلى لتردد التذبذب الذي تدركه الأذن البشرية هو 22 كيلو هرتز للأطفال و 10 كيلو هرتز لكبار السن. سرعة الصوت في الهواء 340 م / ث. صوت بطول موجي 20 مم

1) فقط الطفل سيسمع
2) لا يسمع إلا المسن
3) سيسمع كل من الطفل وكبار السن
4) لن يسمع الطفل ولا المسن

12. وصل الصدى الناتج عن طلقة سلاح إلى مطلق النار بعد ثانيتين من الطلقة. أوجد المسافة إلى العائق الذي حدث منه الانعكاس إذا كانت سرعة الصوت في الهواء 340 م / ث.

1) 170 م
2) 340 م
3) 680 م
4) 1360 م

الخيار 2

1. مع الاهتزازات الحرة ، تنتقل الكرة الموجودة على الخيط من أقصى الموضع الأيسر إلى موضع التوازن في 0.2 ثانية. ما هي فترة اهتزاز الكرة؟

1) 0.2 ثانية
2) 0.4 ثانية
3) 0.6 ثانية
4) 0.8 ثانية

2. يوضح الشكل اعتماد إحداثيات مركز الكرة المعلقة في زنبرك من وقت لآخر. سعة التذبذب هي

1) 10 سم
2) 20 سم
3) -10 سم
2) -20 سم

3. عند قياس نبض الشخص ، تم تسجيل 150 نبضة دم في دقيقتين. تحديد وتيرة انقباض عضلة القلب.

1) 0.8 هرتز
2) 1 هرتز
3) 1.25 هرتز
4) 75 هرتز

4. في أي اتجاهات تتأرجح الموجة المستعرضة؟

1) في كل الاتجاهات
2) على طول اتجاه انتشار الموجة
3) عمودي على اتجاه انتشار الموجة
4) كلاهما في اتجاه انتشار الموجة وعمودي على انتشار الموجة

5. تنتشر موجة بتردد 4 هرتز على طول الحبل بسرعة 6 م / ث. الطول الموجي هو

1) 0.75 م
2) 1.5 م
3) 24 م
4) لا توجد بيانات كافية لحلها

6. كيف سيتغير الطول الموجي عندما يتناقص تردد التذبذب لمصدره بمقدار ضعفين؟

1) ستزيد بمقدار 2 مرات
2) إنقاص بمقدار 2 مرات
3) لن يتغير
4) إنقاص 4 مرات

7. في أي وسط لا تنتشر الموجات الصوتية؟

1) في المواد الصلبة
2) في السوائل
3) في الغازات
4) في الفراغ

8. ما تسمى الاهتزازات الميكانيكية التي يزيد ترددها عن 20000 هرتز؟

1) الصوت
2) بالموجات فوق الصوتية
3) بالموجات فوق الصوتية
4) لا توجد إجابة صحيحة

9. الشوكة الرنانة تصدر موجة صوتية طولها 0.5 م ، وسرعة الصوت 340 م / ث. ما هو تردد الشوكة الرنانة؟

1) 17 هرتز
2) 680 هرتز
3) 170 هرتز
4) 3400 هرتز

10. يمكن للأذن البشرية إدراك الأصوات بترددات تتراوح من 20 هرتز إلى 20000 هرتز. ما نطاق الأطوال الموجية الذي يتوافق مع الفترة الزمنية لسماع اهتزازات الصوت؟ أوجد سرعة الصوت في الهواء تساوي 340 م / ث.

1) من 20 م إلى 20000 م
2) من 6800 م إلى 6.800.000 م
3) من 0.06 م إلى 58.8 م
4) من 0.017 م إلى 17 م

11. ما هي التغييرات التي يلاحظها الشخص في الصوت مع زيادة سعة الاهتزازات في الموجة الصوتية؟

1) العرض
2) خفض حدة الصوت
3) رفع الصوت
4) خفض الصوت

12. كم يبعد الجبل الجليدي عن السفينة إذا تم إرجاع إشارة الموجات فوق الصوتية المرسلة من السونار بعد 4 ثوانٍ؟ يتم أخذ سرعة الموجات فوق الصوتية في الماء تساوي 1500 م / ث.

1) 375 م
2) 750 ثانية
3) 3000 م
4) 6000 م

إجابات الاختبار في الفيزياء الاهتزازات الميكانيكية والموجات الصوتية
1 خيار
1-2
2-1
3-4
4-2
5-2
6-3
7-3
8-3
9-1
10-1
11-1
12-2
الخيار 2
1-4
2-1
3-3
4-3
5-2
6-1
7-4
8-2
9-2
10-4
11-3
12-3