A hanghullám (hangrezgések) egy anyag (például levegő) molekuláinak térben átvitt mechanikus rezgése.

De nem minden rezgő test hangforrás. Például egy menetre vagy rugóra felfüggesztett oszcilláló súly nem ad ki hangot. A fém vonalzó is abbahagyja a hangzást, ha felfelé mozgatja egy satuban, és ezáltal meghosszabbítja a szabad végét, hogy rezgési frekvenciája 20 Hz alá csökkenjen. A kutatások kimutatták, hogy az emberi fül hangként képes érzékelni a testek 20 Hz és 20 000 Hz közötti frekvenciájú mechanikai rezgéseit. Ezért azokat a rezgéseket, amelyek frekvenciája ebben a tartományban van, hangnak nevezzük. Mechanikai rezgések a 20 000 Hz-et meghaladó rezgéseket ultrahangnak, a 20 Hz-nél kisebb frekvenciájú rezgéseket infrahangnak nevezzük. Megjegyzendő, hogy a hangtartomány jelzett határai önkényesek, mivel az emberek életkorától és egyéni jellemzők hallókészüléküket. Az életkor előrehaladtával jellemzően az észlelt hangok felső frekvenciahatára jelentősen csökken - egyes idősek 6000 Hz-et meg nem haladó frekvenciájú hangokat hallanak. A gyerekek éppen ellenkezőleg, olyan hangokat érzékelnek, amelyek frekvenciája valamivel magasabb, mint 20 000 Hz. Egyes állatok 20 000 Hz-nél nagyobb vagy 20 Hz-nél kisebb frekvenciájú rezgéseket hallanak. A világ tele van sokféle hanggal: az órák ketyegése és a motorzúgás, a levelek susogása és a szél üvöltése, a madarak éneke és az emberek hangja. Az emberek nagyon régen kezdtek találgatni arról, hogyan születnek a hangok és mik azok. Észrevették például, hogy a hangot a levegőben vibráló testek hozzák létre. Még az ókori görög filozófus és enciklopédista Arisztotelész is, megfigyelések alapján, helyesen magyarázta a hang természetét, hisz a hangzó test váltakozó sűrítést és levegőritkulást hoz létre. Így egy rezgő húr vagy összenyomja vagy ritkítja a levegőt, és a levegő rugalmasságának köszönhetően ezek a váltakozó hatások továbbterjednek a térbe - rétegről rétegre rugalmas hullámok keletkeznek. Amikor elérik a fülünket, a dobhártyát érintik, és hangérzetet okoznak. Az ember füllel érzékeli a körülbelül 16 Hz-től 20 kHz-ig terjedő frekvenciájú rugalmas hullámokat (1 Hz - 1 rezgés másodpercenként). Ennek megfelelően bármilyen közegben lévő rugalmas hullámokat, amelyek frekvenciája a meghatározott határokon belül van, hanghullámoknak vagy egyszerűen hangnak nevezzük. 0°C hőmérsékletű és normál nyomású levegőben a hang 330 m/s sebességgel terjed. tengervíz- körülbelül 1500 m/s, egyes fémeknél a hangsebesség eléri a 7000 m/s-ot. A 16 Hz-nél kisebb frekvenciájú rugalmas hullámokat infrahangnak, a 20 kHz-nél nagyobb frekvenciájú hullámokat ultrahangnak nevezzük.

A hangforrás gázokban és folyadékokban nem csak rezgő testek lehetnek. Például egy golyó és egy nyíl fütyül repülés közben, a szél süvít. A turbósugárzós repülőgép zúgása pedig nemcsak a működési egységek - ventilátor, kompresszor, turbina, égéstér stb. - zajából áll, hanem a sugáráramlás zajából, az örvénylésből, a turbulens légáramok zajából is, amelyek akkor keletkeznek, amikor a levegő körül áramlik. repülőgépek nagy sebességgel. A levegőn vagy vízen gyorsan átszáguldó test mintha megtörné a körülötte áramló áramlást, és időnként ritkulás és összenyomódás régióit hoz létre a közegben. Ennek eredményeként hanghullámok keletkeznek. A hang hosszanti és keresztirányú hullámok formájában terjedhet. Gáznemű és folyékony közegben csak hosszanti hullámok keletkeznek, ha a részecskék rezgőmozgása csak abban az irányban történik, amelyben a hullám terjed. BAN BEN szilárd anyagok A longitudinális hullámok mellett keresztirányú hullámok is keletkeznek, amikor a közeg részecskéi a hullám terjedési irányára merőleges irányban oszcillálnak. Ott a húrnak az irányára merőlegesen ütve egy hullámot kényszerítünk a húr mentén való futásra. Az emberi fül nem egyformán érzékeny a különböző frekvenciájú hangokra. A legérzékenyebb az 1000 és 4000 Hz közötti frekvenciákra. Nagyon nagy intenzitás esetén a hullámokat már nem érzékelik hangként, és nyomó fájdalmat okoznak a fülben. A hanghullámok intenzitását, amelynél ez előfordul, fájdalomküszöbnek nevezik. A hang tónusának és hangszínének fogalma is fontos a hang tanulmányozásában. Bármilyen valódi hang, legyen az emberi hang vagy hangszerjáték, nem egy egyszerű harmonikus rezgés, hanem sokfélék sajátos keveréke. harmonikus rezgések egy bizonyos frekvenciakészlettel. A legalacsonyabb frekvenciát alaphangnak, a többit felhangnak nevezzük. Az adott hangban rejlő különböző felhangok száma különleges színezést - hangszínt ad. Az egyik és a másik hangszín közötti különbséget nemcsak a szám, hanem az alaphang hangját kísérő felhangok intenzitása is meghatározza. Hangszín alapján könnyen megkülönböztetjük a hegedű és a zongora, a gitár és a furulya hangjait, felismerjük az ismerős emberek hangját.

• Oszcillációs frekvencia a másodpercenkénti teljes oszcillációk számának nevezzük. A frekvencia mértékegysége 1 hertz (Hz). Az 1 hertz egy teljes (egyik vagy másik irányú) rezgésnek felel meg, amely egy másodperc alatt következik be.
• Időszak az az idő(k), amely alatt egy teljes oszcilláció bekövetkezik. Minél nagyobb a rezgések gyakorisága, annál rövidebb periódusuk, azaz. f=1/T. Így a rezgések gyakorisága nagyobb, minél rövidebb periódusuk, és fordítva. Az emberi hang 80-12 000 Hz frekvenciájú hangrezgéseket hoz létre, a fül pedig 16-20 000 Hz-es hangrezgéseket érzékel.
• Amplitúdó a rezgés az oszcilláló test legnagyobb eltérése eredeti (csendes) helyzetétől. Minél nagyobb az oszcilláció amplitúdója, az hangosabb hang. Az emberi beszéd hangjai összetett hangrezgések, amelyek egy vagy több egyszerű rezgésből állnak, változó frekvenciájú és amplitúdójú. Minden beszédhangnak megvan a maga egyedi kombinációja a különböző frekvenciájú és amplitúdójú rezgéseknek. Ezért az egyik beszédhang rezgésének alakja észrevehetően eltér egy másik hang alakjától, amely az a, o és y hangok kiejtése közbeni rezgések grafikonját mutatja.

Az ember minden hangot érzékelésének megfelelően hangerőszinttel és hangmagassággal jellemez.

Térjünk át a hangjelenségek vizsgálatára.

A körülöttünk lévő hangok világa sokszínű - az emberek hangja és a zene, a madarak éneke és a méhek zümmögése, a mennydörgés zivatar idején és az erdő zaja a szélben, az elhaladó autók, repülőgépek és egyéb tárgyak hangja. .

Figyelj!

A hang forrásai a rezgő testek.

Példa:

Rögzítsünk egy rugalmas fém vonalzót egy satuba. Ha annak szabad részét, amelynek hosszát meghatározott módon választjuk meg, rezgőmozgásba állítjuk, akkor a vonalzó hangot ad (1. ábra).

Így az oszcilláló vonalzó a hang forrása.

Tekintsük egy hangzó húr képét, melynek végei rögzítettek (2. ábra). Ennek a húrnak az elmosódott körvonala és a közepén látható látszólagos megvastagodás azt jelzi, hogy a húr vibrál.

Ha egy papírcsík végét közelebb viszed a hangzó húrhoz, a csík visszapattan a húr ütéseitől. Amíg a húr rezeg, hang hallatszik; állítsa le a húrt, és a hang elhallgat.

A 3. ábrán egy hangvilla látható - egy ívelt fémrúd egy lábon, amely egy rezonátordobozra van felszerelve.

Ha puha kalapáccsal megütöd a hangvillát (vagy íjjal tartod), megszólal a hangvilla (4. ábra).

A hangzó hangvillához vigyünk egy menetre felfüggesztett könnyű labdát (üveggyöngyöt) - a labda visszapattan a hangvilláról, jelezve ágainak rezgését (5. ábra).

Az alacsony (körülbelül \(16\) Hz) sajátfrekvenciás és nagy rezgésamplitúdójú hangvilla oszcillációinak „rögzítéséhez” csavarozhat egy vékony és keskeny fémszalagot, amelynek egy hegye van a végén. egyik ága. A hegyét le kell hajolni, és finoman meg kell érinteni az asztalon fekvő füstölt üveglapot. Amikor a lemez gyorsan elmozdul a hangvilla oszcilláló ágai alatt, a csúcs hullámvonal formájában nyomot hagy a lemezen (6. ábra).

A lapra egy ponttal húzott hullámvonal nagyon közel áll a szinuszhoz. Feltételezhetjük tehát, hogy egy hangzó hangvilla minden ága harmonikus rezgéseket hajt végre.

Különféle kísérletek azt mutatják, hogy minden hangforrás szükségszerűen rezeg, még akkor is, ha ezek a rezgések a szem számára láthatatlanok. Például az emberek és sok állat hangjai a rezgéseik következtében keletkeznek. hangszalagok, a fúvós hangszerek hangját, a sziréna hangját, a szél sípját, a levelek suhogását, a mennydörgés zúgását a légtömegek ingadozása okozza.

Figyelj!

Nem minden rezgő test hangforrás.

Például egy menetre vagy rugóra felfüggesztett oszcilláló súly nem ad ki hangot. A fém vonalzó akkor is abbahagyja a hangzást, ha szabad vége annyira meghosszabbodik, hogy rezgési frekvenciája kisebb lesz, mint \(16\) Hz.

Az emberi fül hangként képes érzékelni a \(16\) és \(20000\) Hz közötti frekvenciájú mechanikai rezgéseket (általában levegőn keresztül továbbítjuk).

Hangnak nevezzük azokat a mechanikai rezgéseket, amelyek frekvenciája \(16\) és \(20000\) Hz között van.

A hangtartomány jelzett határai önkényesek, mivel függenek az emberek életkorától és hallókészülékük egyéni jellemzőitől. Általában az életkor előrehaladtával az észlelt hangok felső frekvenciahatára jelentősen csökken - egyes idősek olyan hangokat hallanak, amelyek frekvenciája nem haladja meg a \(6000\) Hz-et. A gyerekek éppen ellenkezőleg, olyan hangokat érzékelnek, amelyek frekvenciája valamivel magasabb, mint \(20 000\) Hz.

Azokat a mechanikai rezgéseket, amelyek frekvenciája meghaladja a \(20 000\) Hz-et, ultrahangnak, a \(16\) Hz-nél kisebb frekvenciájú rezgéseket infrahangosnak nevezzük.

Az ultrahang és az infrahang ugyanolyan elterjedt a természetben, mint a hanghullámok. Ezeket delfinek, denevérek és más élőlények bocsátják ki és használják „tárgyalásaikhoz”.

Oszcillációk– ezek olyan mozgások vagy folyamatok, amelyeket bizonyos időbeli megismételhetőség jellemez.

Oszcillációs periódus T– az az időintervallum, amely alatt egy teljes oszcilláció bekövetkezik.

Oszcillációs frekvencia– a teljes oszcillációk száma egységnyi idő alatt. Az SI rendszerben hertzben (Hz) fejezik ki.

Az oszcilláció periódusát és gyakoriságát az összefüggés összefügg

Harmonikus rezgések- ezek olyan oszcillációk, amelyekben a rezgési mennyiség a szinusz vagy koszinusz törvénye szerint változik. Az eltolást a

A rezgések amplitúdója (a), periódusa (b) és fázisa(Val vel) két oszcilláló test

Mechanikus hullámok

Hullámokban periodikus zavaroknak nevezzük, amelyek időben terjednek a térben. A hullámok fel vannak osztva hosszanti és keresztirányú.

A levegőben lévő rugalmas hullámokat, amelyek hallásérzést okoznak az emberben, hanghullámoknak vagy egyszerűen hangnak nevezik. A hangfrekvencia tartomány 20 Hz és 20 kHz között van. A 20 Hz-nél kisebb frekvenciájú hullámokat infrahangnak, a 20 kHz-nél nagyobb frekvenciájúakat ultrahangnak nevezzük. A hangátvitelhez valamilyen rugalmas közeg jelenléte kötelező.

A hang hangerejét a hanghullám intenzitása határozza meg, vagyis a hullám által egységnyi idő alatt átadott energia.

A hangnyomás a hanghullám nyomásingadozásának amplitúdójától függ.

A hang (tónus) magasságát a rezgés frekvenciája határozza meg. Az alacsony férfihang (basszus) tartománya körülbelül 80-400 Hz. A magas női hang (szoprán) tartománya 250 és 1050 Hz között van.

A technológiában és a minket körülvevő világban gyakran kell megküzdenünk időszakos(vagy szinte időszakos) rendszeres időközönként ismétlődő folyamatok. Az ilyen folyamatokat ún oszcilláló.

Az oszcilláció az egyik leggyakoribb folyamat a természetben és a technológiában. Rovarok és madarak szárnyai repülés közben, sokemeletes épületek és magasfeszültségű vezetékek a szél hatására, egy óra és egy autó ingája rugókon vezetés közben, a folyó szintje egész évben és a víz hőmérséklete az emberi test betegség során, hang a levegő sűrűségének és nyomásának ingadozása, rádióhullámok - elektromos és mágneses mezők erősségének periodikus változása, a látható fény is elektromágneses rezgés, csak kissé eltérő hullámhosszú és frekvenciájú, földrengés talajrezgés, az impulzus az emberi szívizom időszakos összehúzódása stb.

Az oszcilláció lehet mechanikus, elektromágneses, kémiai, termodinamikai és sok más. A sokféleség ellenére mindegyikben sok a közös.

A különféle fizikai természetű oszcillációs jelenségekre általános törvények vonatkoznak. Például a jelenlegi ingadozások elektromos áramkörés ingadozások matematikai inga ugyanazokkal az egyenletekkel írhatók le. A rezgésminták általánossága lehetővé teszi, hogy megfontoljuk oszcillációs folyamatok eltérő természetű egyetlen nézőpontból. Jel oszcilláló mozgás az övé periodicitás.

Mechanikus rezgések -Ezpontosan vagy megközelítőleg szabályos időközönként ismétlődő mozgások.

Az egyszerű oszcillációs rendszerek példái a rugó terhelése (rugóinga) vagy a húron lévő golyó (matematikai inga).

A mechanikai rezgések során a kinetikai és a potenciális energiák periodikusan változnak.

Nál nél maximális eltérés test egyensúlyi helyzetéből, sebességéből, és ezért a mozgási energia nullára megy. Ebben a pozícióban helyzeti energia oszcilláló test eléri a maximális értéket. A rugó terhelésénél a potenciális energia a rugó rugalmas alakváltozásának energiája. Egy matematikai ingánál ez a Föld gravitációs mezőjében lévő energia.

Amikor egy test mozgásában áthalad egyensúlyi helyzet, sebessége maximális. A test a tehetetlenség törvénye szerint túllép az egyensúlyi helyzeten. Jelen pillanatban megvan maximális kinetikus és minimális potenciális energia. A kinetikus energia növekedése a potenciális energia csökkenése miatt következik be.

További mozgással a potenciális energia növekedni kezd a kinetikus energia csökkenése miatt stb.

Így a harmonikus rezgések során a kinetikus energia periodikus átalakulása potenciális energiává és fordítva történik.

Ha az oszcillációs rendszerben nincs súrlódás, akkor a mechanikai rezgések során a teljes mechanikai energia változatlan marad.

Rugóterheléshez:

A maximális elhajlás helyzetében az inga teljes energiája megegyezik a deformált rugó potenciális energiájával:

Az egyensúlyi helyzeten való áthaladáskor a teljes energia megegyezik a terhelés kinetikai energiájával:

Matematikai inga kis oszcillációihoz:

A maximális eltérés helyén az inga összenergiája megegyezik a h magasságba emelt test potenciális energiájával:

Az egyensúlyi helyzeten áthaladva a teljes energia megegyezik a test mozgási energiájával:

Itt h m- az inga legnagyobb magassága a Föld gravitációs terében, x més υ m = ω 0 x m– az inga egyensúlyi helyzetétől való eltérésének maximális értékei és sebessége.

Harmonikus rezgések és jellemzőik. A harmonikus rezgés egyenlete.

Az oszcillációs folyamatok legegyszerűbb típusai egyszerűek harmonikus rezgések, amelyeket az egyenlet ír le

x = x m cos(ω t + φ 0).

Itt x- a test elmozdulása az egyensúlyi helyzetből,
x m– az oszcilláció amplitúdója, azaz az egyensúlyi helyzetből való legnagyobb elmozdulás,
ω – ciklikus vagy körkörös frekvencia habozás,
t- idő.

Az oszcillációs mozgás jellemzői.

Eltolás x – egy oszcilláló pont eltérése az egyensúlyi helyzetétől. A mértékegység 1 méter.

Oszcillációs amplitúdó A – egy oszcilláló pont maximális eltérése egyensúlyi helyzetétől. A mértékegység 1 méter.

Oszcillációs periódusT– az a minimális időintervallum, amely alatt egy teljes oszcilláció fellép. A mértékegység 1 másodperc.

ahol t az oszcilláció ideje, N az ezen idő alatt végrehajtott rezgések száma.

A harmonikus rezgések grafikonjából meghatározhatja az oszcillációk periódusát és amplitúdóját:

Oszcillációs frekvencia ν – egy fizikai mennyiség, amely megegyezik az egységnyi idő alatti rezgések számával.

A frekvencia az oszcillációs periódus reciproka:

Frekvencia A ν rezgések azt jelzik, hogy hány rezgés fordul elő 1 s alatt. A frekvencia egysége hertz(Hz).

Ciklikus frekvencia ω– oszcillációk száma 2π másodpercben.

A ν rezgési frekvencia összefügg azzal ciklikus frekvencia ωés az oszcillációs periódus T arányok:

Fázis harmonikus folyamat - a harmonikus rezgések egyenletében a szinusz vagy koszinusz elője alatt lévő mennyiség φ = ω t+ φ 0 . Nál nél t= 0 φ = φ 0 tehát φ 0 hívott kezdeti fázis.

Harmonikus gráf szinusz vagy koszinusz hullámot jelent.

Mindhárom esetben kék görbék esetén φ 0 = 0:

csak nagyobb amplitúdó(x" m > x m);

a piros görbe különbözik a kéktől csak jelentése időszak(T" = T/2);

a piros görbe különbözik a kéktől csak jelentése kezdeti fázis(boldog).

Amikor egy test egy egyenes mentén (tengely ÖKÖR) a sebességvektor mindig ezen egyenes mentén irányul. A test mozgási sebességét a kifejezés határozza meg

A matematikában az eljárás a Δх/Δt arány Δ-nél való határértékének meghatározására t→ 0-t a függvény deriváltjának kiszámításának nevezzük x(t) idő szerint tés úgy jelöljük x"(t).A sebesség egyenlő az x() függvény deriváltjával t) idő szerint t.

A harmonikus mozgástörvényhez x = x m cos(ω t+ φ 0) a derivált kiszámítása a következő eredményhez vezet:

υ x =x"(t)= ω x m bűn (ω t + φ 0)

A gyorsulás meghatározása hasonló módon történik egy x testek harmonikus rezgések során. Gyorsulás a egyenlő a υ( függvény deriváltjával t) idő szerint t, vagy a függvény második deriváltja x(t). A számítások a következőket adják:

és x =υ x "(t) =x""(t)= -ω 2 x m cos(ω t+ φ 0)=-ω 2 x

A mínusz jel ebben a kifejezésben azt jelenti, hogy a gyorsulás a(t) mindig az elmozdulás jelével ellentétes előjellel rendelkezik x(t), ezért Newton második törvénye szerint a testet harmonikus rezgések végrehajtására késztető erő mindig az egyensúlyi helyzet felé irányul ( x = 0).

Az ábra a harmonikus rezgéseket végző test koordinátáit, sebességét és gyorsulását ábrázolja.

A harmonikus rezgéseket végző test x(t) koordinátáinak, υ(t) sebességének és a(t) gyorsulásának grafikonjai.

Rugós inga.

Rugós ingavalamilyen m tömegű terhelés egy k merevségű rugóra erősítve, amelynek második vége szilárdan rögzített.

Természetes frekvencia A rugó terhelésének ω 0 szabad rezgését a következő képlet határozza meg:

Időszak T a rugó terhelésének harmonikus rezgései egyenlő

Ez azt jelenti, hogy a rugóinga lengési ideje a terhelés tömegétől és a rugó merevségétől függ.

Az oszcillációs rendszer fizikai tulajdonságai csak az ω 0 rezgések sajátfrekvenciáját és periódusát határozza meg T . Az oszcillációs folyamat paraméterei, például az amplitúdó x mÉs kezdeti fázis A φ 0 értékét az határozza meg, ahogyan a rendszert az idő kezdeti pillanatában kihozták az egyensúlyból.

Matematikai inga.

Matematikai ingavékony, nyújthatatlan fonalra felfüggesztett kis testnek nevezzük, amelynek tömege a test tömegéhez képest elhanyagolható.

Egyensúlyi helyzetben, amikor az inga függőlegesen lóg, a nehézségi erőt az N menet feszítőereje egyensúlyozza ki. Amikor az inga egy bizonyos φ szöggel eltér az egyensúlyi helyzetétől, megjelenik a gravitációs erő érintőleges összetevője. F τ = – mg sin φ. A mínusz jel ebben a képletben azt jelenti, hogy az érintőleges komponens az inga kitérésével ellentétes irányba van irányítva.

Matematikai inga.φ – az inga szögeltérése az egyensúlyi helyzettől,

x= lφ – az inga elmozdulása az ív mentén

A matematikai inga kis oszcillációinak természetes frekvenciáját a következő képlet fejezi ki:

A matematikai inga lengési periódusa:

Ez azt jelenti, hogy a matematikai inga lengési periódusa a menet hosszától és a gyorsulástól függ. szabadesés az a terület, ahol az inga fel van szerelve.

Szabad és kényszer rezgések.

A mechanikai rezgések, mint bármely más fizikai természetű oszcillációs folyamat, lehetnek ingyenesÉs kényszerű.

Szabad rezgések -Ezek olyan oszcillációk, amelyek a rendszerben belső erők hatására lépnek fel, miután a rendszert eltávolították a stabil egyensúlyi helyzetből.

A rugón lévő súly rezgései vagy az inga lengései szabad rezgések.

Valós körülmények között bármely rezgőrendszer súrlódási erők (ellenállás) hatása alatt áll. Sőt, rész mechanikus energia belső energiává alakul hőmozgás atomok és molekulák, és a rezgések válnak elhalványul.

Elhalványulás oszcillációnak nevezzük, amelynek amplitúdója idővel csökken.

Az oszcillációk elhalványulásának megakadályozása érdekében a rendszert többletenergiával kell ellátni, pl. periodikus erővel befolyásolni az oszcillációs rendszert (például hintázni).

A külső, periodikusan változó erő hatására fellépő oszcillációkat nevezzükkényszerű.

Egy külső erő pozitív munkát végez, és energiaáramlást biztosít az oszcillációs rendszernek. Nem engedi a rezgések elhalását, a súrlódási erők hatása ellenére.

Egy periodikus külső erő idővel változhat különböző törvények szerint. Különösen érdekes az az eset, amikor egy ω frekvenciájú harmonikus törvény szerint változó külső erő olyan rezgőrendszerre hat, amely bizonyos ω 0 frekvencián képes saját rezgéseit végrehajtani.

Ha szabad rezgések lépnek fel ω 0 frekvencián, amelyet a rendszer paraméterei határoznak meg, akkor állandó kényszerrezgések mindig fordulnak elő frekvencia ω külső erő .

A kényszerrezgések amplitúdójának meredek növekedésének jelenségét, amikor a természetes rezgések gyakorisága egybeesik a külső hajtóerő frekvenciájával, ún.rezonancia.

Amplitúdó függés x m a hajtóerő ω frekvenciájából származó kényszerrezgéseket nevezzük rezonáns jellemző vagy rezonancia görbe.

Rezonanciagörbék különböző csillapítási szinteken:

1 – súrlódás nélküli oszcillációs rendszer; rezonancián a kényszerrezgések x m amplitúdója korlátlanul növekszik;

2, 3, 4 – valós rezonanciagörbék különböző súrlódású oszcillációs rendszerekre.

Súrlódás hiányában a rezonancia alatti kényszerrezgések amplitúdójának korlátlanul kell növekednie. Valós körülmények között az állandósult állapotú kényszerrezgések amplitúdóját a feltétel határozza meg: a külső erő rezgési periódus alatti munkájának meg kell egyeznie a súrlódás miatti mechanikai energiaveszteséggel. Minél kisebb a súrlódás, annál nagyobb a rezonancia során fellépő kényszerrezgések amplitúdója.

A rezonancia jelensége hidak, épületek és egyéb építmények tönkretételét okozhatja, ha ezek rezgéseinek sajátfrekvenciája periodikusan egybeesik a frekvenciával ható erő, amely például egy kiegyensúlyozatlan motor forgása miatt keletkezett.

Hang- Ezek rugalmas longitudinális hullámok, amelyek frekvenciája 20 Hz és 20 000 Hz között van, és hallásérzést okoznak az emberben.

Hangforrás- különféle oszcilláló testek, például egy szorosan megfeszített zsinór vagy egy vékony acéllemez, amely az egyik oldalon van befogva.

Hogyan jönnek létre az oszcilláló mozgások? Elég meghúzni és elengedni egy hangszer húrját vagy az egyik végén satuba szorított acéllemezt, és hangot adnak. Húrrezgések ill fém lemezátkerül a környező levegőbe. Amikor a lemez eltér, például jobbra, akkor a jobb oldalon szomszédos levegőrétegeket tömöríti (összenyomja); ebben az esetben a bal oldali lemez melletti levegőréteg elvékonyodik. Amikor a lemezt balra eltérítjük, a bal oldali levegőrétegeket összenyomja, a jobb oldalon pedig ritkítja a szomszédos levegőrétegeket stb. A lemez melletti levegőrétegek összenyomódása és ritkítása átkerül a szomszédos rétegekre. Ez a folyamat időnként megismétlődik, fokozatosan gyengülve, amíg az oszcillációk teljesen meg nem szűnnek.

Így egy húr vagy lemez rezgései rezgéseket gerjesztenek a környező levegőben, és szétterjedve elérik az emberi fület, aminek hatására a dobhártyája vibrál, ami a hallóideg irritációját okozza, amit hangként érzékelünk.

A hanghullámok terjedési sebessége V különböző környezetekben nem ugyanaz. Ez annak a közegnek a rugalmasságától függ, amelyben terjednek. A hang a gázokban terjed a leglassabban. Levegőben a hangrezgések terjedési sebessége átlagosan 330 m/s, de páratartalmától, nyomásától és hőmérsékletétől függően változhat. A hang nem terjed levegőtlen térben. A hang gyorsabban terjed folyadékokban. Szilárd anyagokban még gyorsabb. Például egy acélsínben a hang » 5000 m/s sebességgel terjed.

Nál nél elterjesztés A hang az atomokban és molekulákban vibrál mentén a hullám terjedésének iránya, ami hangot jelent - hosszanti hullám.

HANGJELLEMZŐK

1. Kötet. A hangerő a hanghullám rezgésének amplitúdójától függ. Hangerő hang meghatározott amplitúdó hullámok.

A hangerő mértékegysége 1 Bel (Alexander Graham Bell, a telefon feltalálója tiszteletére). Egy hang hangereje 1 B, ha ereje 10-szerese a hallhatósági küszöbértéknek.

A gyakorlatban a hangerőt decibelben (dB) mérik.

1 dB = 0,1 B. 10 dB – suttogás; 20–30 dB – zajszabvány lakóhelyiségekben;
50 dB – közepes hangerősségű beszélgetés;
70 dB – írógépzaj;
80 dB – futó teherautó motorjának zaja;
120 dB – futó traktor zaja 1 m távolságban
130 dB – fájdalomküszöb.

A 180 dB-nél erősebb hang akár dobhártya-repedést is okozhat.

2. Hangmagasság. Magasság hang meghatározott frekvencia hullámok, vagy egy hangforrás rezgésének frekvenciája.

• basszus - 80-350 Hz,
• bariton – 110-149 Hz,
• tenor – 130-520 Hz,
• magas - 260-1000 Hz,
• szoprán – 260-1050 Hz,
• koloratúrszoprán – 1400 Hz-ig.

Az emberi fül kb. frekvenciájú rugalmas hullámok érzékelésére képes 16 Hz-től 20 kHz-ig. Hogyan halljuk?

Emberi halláselemző - fül- négy részből áll:

Külső fül

A külső fül magában foglalja a fülkagylót, a hallójáratot és a dobhártyát, amely a hallójárat belső végét takarja. A hallójárat szabálytalanul ívelt alakú. Felnőtt emberben hossza körülbelül 2,5 cm, átmérője körülbelül 8 mm. A hallójárat felületét szőrszálak borítják, és fülzsírt választó mirigyeket tartalmaznak, amelyek szükségesek a bőr nedvességtartalmának fenntartásához. A hallójárat állandó hőmérsékletet és páratartalmat is biztosít a dobhártyának.

Középfül

A középfül egy levegővel töltött üreg a dobhártya mögött. Ez az üreg az Eustachianus csövön keresztül kapcsolódik az orrgarathoz, amely egy keskeny porcos csatorna, amely általában zárva van. A nyelési mozdulatok megnyitják az Eustach-csövet, amely lehetővé teszi a levegő bejutását az üregbe, és kiegyenlíti a nyomást a dobhártya mindkét oldalán az optimális mobilitás érdekében. A középfül üregében három miniatűr hallócsont található: a malleus, az incus és a stapes. A malleus egyik vége a dobhártyához, a másik vége az incushoz kapcsolódik, amely viszont a kengyelhez, a kengyel pedig a belső fül cochleájához kapcsolódik. A dobhártya a fül által felvett hangok hatására folyamatosan rezeg, rezgéseit a hallócsontok továbbítják a belső fülbe.

Belső fül

A belső fül számos szerkezetet tartalmaz, de csak a fülkagyló, amely nevét spirális alakjáról kapta, kapcsolódik a halláshoz. A cochlea három csatornára oszlik, amelyek nyirokfolyadékkal vannak feltöltve. A középső csatornában lévő folyadék összetétele eltér a másik két csatorna folyadékától. A hallásért közvetlenül felelős szerv (Corti szerve) a középső csatornában található. A Corti szerve körülbelül 30 000 szőrsejtet tartalmaz, amelyek érzékelik a csatornában a tapepek mozgása által okozott folyadékrezgéseket, és elektromos impulzusokat generálnak, amelyek a hallóideg mentén a hallókéregbe jutnak. Minden szőrsejt egy meghatározott hangfrekvenciára reagál, a magas frekvenciákat a fülkagyló alsó részében, az alacsony frekvenciákra hangolt sejteket pedig a fülkagyló felső részében. Ha a szőrsejtek bármilyen okból elpusztulnak, az ember nem érzékeli a megfelelő frekvenciájú hangokat.

Auditív utak

A hallópályák olyan idegrostok összessége, amelyek a fülkagylóból az agykéreg hallóközpontjaiba vezetik az idegimpulzusokat, ami hallásérzést eredményez. A hallóközpontok az agy temporális lebenyeiben helyezkednek el. Körülbelül 10 milliszekundum az idő, amíg a hallójel a külső fülből az agy hallóközpontjaiba eljut.

Hangérzékelés

A fül szekvenciálisan alakítja át a hangokat a dobhártya és a hallócsontok mechanikai rezgéseivé, majd a fülkagylóban lévő folyadék rezgéseivé, végül elektromos impulzusokká, amelyek a központi hallórendszer útvonalain továbbítják az agy halántéklebenyeit. felismerése és feldolgozása.
Az agy és a hallópályák közbenső csomópontjai nemcsak a hang magasságáról és hangerejéről nyernek információkat, hanem a hang egyéb jellemzőiről is, például a jobb és a bal fül hangfelvételének pillanatai közötti időintervallumról. - ez az alapja annak, hogy az ember meg tudja határozni a hang irányát. Ebben az esetben az agy az egyes fülekből kapott információkat külön-külön értékeli, és az összes kapott információt egyetlen érzetté egyesíti.

Agyunk a körülöttünk lévő hangok „mintáit” tárolja – ismerős hangok, zene, veszélyes hangok stb. Ez segít az agynak a hangokkal kapcsolatos információk feldolgozása során gyorsan megkülönböztetni az ismerős hangokat az ismeretlenektől. Amikor halláskárosodás lép fel, az agy elkezd fogadni torz információk(a hangok halkabbá válnak), ami a hangok értelmezési hibáihoz vezet. Másrészt az öregedésből, fejsérülésből, vagy idegrendszeri betegségekből és rendellenességekből adódó agyi problémákat a halláskárosodáshoz hasonló tünetek kísérhetik, mint például a figyelmetlenség, a környezettől való elzárkózás, a nem megfelelő reakciók. A hangok helyes hallásához és megértéséhez a halláselemző és az agy összehangolt munkájára van szükség. Így túlzás nélkül kijelenthetjük, hogy az ember nem a fülével hall, hanem az agyával!

Az állatok más frekvenciájú hullámokat hangként érzékelik.

Ultrahang - 20 000 Hz-et meghaladó frekvenciájú longitudinális hullámok.

Ultrahang alkalmazása.

Hajókra szerelt szonárok segítségével mérik a tenger mélységét, észlelik a halrajokat, a közeledő jéghegyet vagy a tengeralattjárót.

Az ultrahangot az iparban használják a termékek hibáinak kimutatására.

Az orvostudományban az ultrahangot csontok hegesztésére, daganatok kimutatására és betegségek diagnosztizálására használják.

Az ultrahang biológiai hatása lehetővé teszi tej, gyógyhatású anyagok, orvosi műszerek sterilizálására.

A denevérek és delfinek tökéletes ultrahangos lokátorral rendelkeznek.

Fizika teszt Mechanikai rezgések és hullámok Hang 9. osztályos tanulóknak válaszokkal. A teszt 2 lehetőséget tartalmaz, mindegyik 12 feladatot tartalmaz.

1 lehetőség

1. Szabad oszcillációkkal egy húron lévő labda a bal szélső helyzetből a jobb szélső helyzetbe 0,1 s alatt halad. Határozza meg a labda rezgési periódusát!

1) 0,1 s
2) 0,2 s
3) 0,3 s
4) 0,4 s

2. Az ábra egy rugóra felfüggesztett golyó középpontjának koordinátáinak időbeli függését mutatja. Az oszcillációs frekvencia az

1) 0,25 Hz
2) 0,5 Hz
3) 2 Hz
4) 4 Hz

3. Hány teljes oszcillációt fog okozni? anyagi pont 10 s alatt, ha a rezgési frekvencia 220 Hz?

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

4. Milyen irányokban fordulnak elő oszcillációk egy longitudinális hullámban?

1) Minden irányban

5. A legközelebbi hullámhegyek távolsága a tengerben 6 m. Mennyi ideig éri a hullámok a hajótestet, ha sebességük 3 m/s?

1) 0,5 s
2) 2 s
3) 12 s
4) 32 s

6. Egy férfi mennydörgést hallott 10 másodperccel a villámlás után. Határozza meg a hang sebességét a levegőben, ha a megfigyelőtől 3,3 km-es távolságban villámcsap.

1) 0,33 m/s
2) 33 m/s
3) 330 m/s
4) 33 km/s

7. Milyen közegben haladnak a hanghullámok minimális sebességgel?

1) Szilárd anyagokban
2) Folyadékokban
3) Gázokban
4) Mindenhol ugyanaz

8. Hogyan nevezzük azokat a mechanikai rezgéseket, amelyek frekvenciája kisebb, mint 20 Hz?

1) Hang
2) Ultrahangos
3) Infrasonic

9. Határozza meg a hanghullám hosszát a levegőben, ha a hangforrás frekvenciája 200 Hz! A hang sebessége a levegőben 340 m/s.

1) 1,7 m
2) 0,59 m
3) 540 m
4) 68 000 m

10. Hogyan változik a hanghullám hossza, ha forrásának rezgési frekvenciája 2-szeresére csökken?

1) 2-szeresére nő
2) 2-szeresére csökken
3) Nem fog változni
4) 4-szeresére csökken

11. Az emberi fül által érzékelt rezgésfrekvencia felső határa gyermekeknél 22 kHz, idősebbeknél 10 kHz. Levegőben a hangsebesség 340 m/s. 20 mm hullámhosszú hang

1) csak a gyermek hallja
2) csak egy idős ember hallja
3) gyermek és idős ember is hallja
4) sem gyermek, sem idős ember nem hallja

12. A fegyverlövés okozta visszhang a lövés után 2 másodperccel érte el a lövőt. Határozza meg az akadály távolságát, amelyről a visszaverődés keletkezett, ha a hangsebesség levegőben 340 m/s.

1) 170 m
2) 340 m
3) 680 m
4) 1360 m

2. lehetőség

1. Szabad lengésekkel a húron lévő labda a bal szélső helyzetből az egyensúlyi helyzetbe 0,2 s alatt jut el. Mennyi a labda rezgési periódusa?

1) 0,2 s
2) 0,4 s
3) 0,6 s
4) 0,8 s

2. Az ábra egy rugóra felfüggesztett golyó középpontjának koordinátáinak időbeli függését mutatja. A rezgések amplitúdója egyenlő

1) 10 cm
2) 20 cm
3) -10 cm
2) -20 cm

3. Egy személy pulzusmérésekor 2 perc alatt 150 vérpulzációt rögzítettek. Határozza meg a szívizom összehúzódási gyakoriságát.

1) 0,8 Hz
2) 1 Hz
3) 1,25 Hz
4) 75 Hz

4. Milyen irányokba oszcillálnak a keresztirányú hullámok?

1) Minden irányban
2) A hullámterjedés iránya mentén
3) A hullámterjedés irányára merőlegesen
4) Mind a hullámterjedés irányában, mind a hullámterjedésre merőlegesen

5. A zsinór mentén egy 4 Hz frekvenciájú hullám 6 m/s sebességgel halad. A hullámhossz az

1) 0,75 m
2) 1,5 m
3) 24 m
4) nincs elég adat a megoldáshoz

6. Hogyan változik a hullámhossz, ha forrásának rezgési frekvenciája 2-szeresére csökken?

1) 2-szeresére nő
2) 2-szeresére csökken
3) Nem fog változni
4) 4-szeresére csökken

7. Milyen közegben nem terjednek a hanghullámok?

1) Szilárd anyagokban
2) Folyadékokban
3) Gázokban
4) Vákuumban

8. Hogyan nevezzük azokat a mechanikai rezgéseket, amelyek frekvenciája meghaladja a 20 000 Hz-et?

1) Hang
2) Ultrahangos
3) Infrasonic
4) Egyik válasz sem helyes

9. A hangvilla 0,5 m hosszú hanghullámot bocsát ki, a hangsebesség pedig 340 m/s. Mekkora a hangvilla rezgési frekvenciája?

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

10. Az emberi fül 20 Hz és 20 000 Hz közötti frekvenciájú hangokat képes érzékelni. Milyen hullámhossz-tartomány felel meg a hangrezgések hallhatósági tartományának? Vegyük a hang sebességét levegőben 340 m/s-nak.

1) 20 m-től 20 000 m-ig
2) 6800 m-től 6 800 000 m-ig
3) 0,06 m-től 58,8 m-ig
4) 0,017 m-től 17 m-ig

11. Milyen változásokat észlel az ember a hangban, ha a hanghullámban a rezgések amplitúdója megnő?

1) Emelje meg a pályát
2) A hangmagasság leengedése
3) Növelje a hangerőt
4) Hangerő csökkentése

12. Milyen távolságra van a hajótól a jéghegy, ha a szonár által küldött ultrahangjel 4 s után visszaérkezett? Az ultrahang sebességét vízben 1500 m/s-nak veszik.

1) 375 m
2) 750 s
3) 3000 m
4) 6000 m

Fizikai teszt válaszai Mechanikai rezgések és hullámok Hang
1 lehetőség
1-2
2-1
3-4
4-2
5-2
6-3
7-3
8-3
9-1
10-1
11-1
12-2
2. lehetőség
1-4
2-1
3-3
4-3
5-2
6-1
7-4
8-2
9-2
10-4
11-3
12-3