Звукова хвиля (звукові коливання) - це механічні коливання молекул речовини (наприклад, повітря), що передаються в просторі.

Але далеко не всяке тіло, що вагається, є джерелом звуку. Наприклад, не видає звуку вага, що коливається, підвішений на нитці або пружині. Перестане звучати і металева лінійка, якщо перемістити її в лещатах вгору і тим самим подовжити вільний кінець настільки, щоб частота його коливань стала меншою за 20 Гц. Дослідження показали, що людське вухо здатне сприймати як звук механічні коливання тіл, що відбуваються з часткою від 20 Гц до 20000 Гц. Тому коливання, частоти яких у цьому діапазоні, називаються звуковими. Механічні коливання, частота яких перевищує 20 000 Гц, називаються ультразвуковими, а коливання із частотами менше 20 Гц – інфразвуковими. Слід зазначити, що зазначені межі звукового діапазону умовні, оскільки залежать від віку людей індивідуальних особливостейїхнього слухового апарату. Зазвичай з віком верхня частотна межа сприйманих звуків значно знижується - деякі люди похилого віку можуть чути звуки з частотами, що не перевищують 6000 Гц. Діти ж, навпаки, можуть сприймати звуки, частота яких трохи більша за 20000 Гц. Коливання, частоти яких більші за 20 000 Гц або менше 20 Гц, чують деякі тварини. Світ наповнений найрізноманітнішими звуками: цокання годинника і гул моторів, шелест листя та завивання вітру, спів птахів та голоси людей. Про те, як народжуються звуки, і що вони є, люди почали здогадуватися дуже давно. Помічали, наприклад, що звук утворюють ті, що вібрують у повітрі. Ще давньогрецький філософ і вчений-енциклопедист Аристотель, виходячи зі спостережень, чітко пояснював природу звуку, вважаючи, що тіло, що звучить, створює поперемінне стиск і розрідження повітря. Так, струна, що коливається, то ущільнює, то розріджує повітря, а завдяки пружності повітря ці чергувальні впливи передаються далі в простір — від шару до шару, виникають пружні хвилі. Досягаючи нашого вуха, вони впливають на барабанні перетинки та викликають відчуття звуку. На слух людина сприймає пружні хвилі, що мають частоту в межах від 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 коливання в секунду). Відповідно пружні хвилі в будь-якому середовищі, частоти яких лежать у зазначених межах, називають звуковими хвилями або просто звуком. У повітрі при температурі 0° С та нормальному тиску звук поширюється зі швидкістю 330 м/с, морській воді- близько 1500 м/с, у деяких металах швидкість звуку досягає 7000 м/с. Пружні хвилі із частотою менше 16 Гц називають інфразвуком, а хвилі, частота яких перевищує 20 кГц, – ультразвуком.

Джерелом звуку в газах і рідинах можуть бути не тільки ті тіла, що вібрують. Наприклад, свистять у польоті куля та стріла, завиває вітер. І рев турбореактивного літака складається не тільки з шуму працюючих агрегатів - вентилятора, компресора, турбіни, камери згоряння і т. д., але також шуму реактивного струменя, вихрових, турбулентних потоків повітря, що виникають при обтіканні літака на великих швидкостях. Стрімко мчить у повітрі або у воді тіло як би розриває обтікає його потік, періодично породжує серед області розрідження і стиснення. Через війну виникають звукові хвилі. Звук може поширюватися у вигляді поздовжніх та поперечних хвиль. У газоподібному і рідкому середовищі виникають лише поздовжні хвилі, коли коливальний рух частинок відбувається лише у тому напрямі, у якому поширюється хвиля. В твердих тілахкрім поздовжніх виникають також і поперечні хвилі, коли частинки середовища коливаються у напрямках, перпендикулярні напряму поширення хвилі. Там ударяючи по струні перпендикулярно до її напрямку, ми змушуємо бігти хвилю вздовж струни. Людське вухо неоднаково сприйнятливе до звуків різної частоти. Найбільш чутливе воно до частот від 1000 до 4000 Гц. При дуже великій інтенсивності хвилі перестають сприйматися як звук, викликаючи у вухах відчуття болю, що давить. Величину інтенсивності звукових хвиль, за якої це відбувається, називають порогом больового відчуття. Важливі у вченні про звук також поняття тону та тембру звуку. Будь-який реальний звук, чи то голос людини, чи гра музичного інструменту, — це не просте гармонійне коливання, а своєрідна суміш багатьох гармонійних коливаньз певним набором частот. Те, що має найнижчу частоту, називають основним тоном, інші — обертонами. Різна кількість обертонів, властивих тому чи іншому звуку, надає йому особливого забарвлення – тембр. Відмінність одного тембру від іншого обумовлена ​​не тільки числом, а й інтенсивністю обертонів, що супроводжують звучання основного тону. За тембром ми легко відрізняємо звуки скрипки та рояля, гітари та флейти, дізнаємось голоси знайомих людей.

• Частотою коливаньназивають кількість повних коливань за секунду. За одиницю виміру частоти прийнято 1 герц (Гц). 1 герц відповідає одному повному (в один і інший бік) коливанню, що відбувається за одну секунду.
• Періодомназивають час (с), протягом якого відбувається одне повне коливання. Чим більша частота коливань, тим менше їх період, тобто. f=1/T. Отже, частота коливань тим більше, що менше їх період, і навпаки. Голос людини створює звукові коливання частотою від 80 до 12000 Гц, а слух сприймає звукові коливання діапазоні 16-20000 Гц.
• Амплітудоюколивань називають найбільше відхилення тіла, що коливається, від його первісного (спокійного) положення. Чим більша амплітуда коливання, тим голосніше звук. Звуки людської мови є складними звуковими коливаннями, що складаються з тієї чи іншої кількості простих коливань, різних за частотою і амплітудою. У кожному звуку мови є лише йому властиве поєднання коливань різної частоти та амплітуди. Тому форма коливань одного звуку мови помітно відрізняється від форми іншого, на якому зображені графіки коливань при вимові звуків а, про та у.

Будь-які звуки людина характеризує відповідно до свого сприйняття за рівнем гучності та висотою.

Перейдемо розгляду звукових явищ.

Світ навколишніх звуків різноманітний - голоси людей і музика, спів птахів і дзижчання бджіл, грім під час грози і шум лісу на вітрі, звук автомобілів, літаків та інших об'єктів.

Зверни увагу!

Джерелами звуку є ті, що коливаються.

Приклад:

Закріпимо в лещатах пружну металеву лінійку. Якщо її вільну частину, довжина якої підібрана певним чином, привести до коливального руху, то лінійка видаватиме звук (рис. 1).

Таким чином, лінійка, що коливається, є джерелом звуку.

Розглянемо зображення струни, що звучить, кінці якої закріплені (рис. 2). Розмиті обриси цієї струни і потовщення в середині свідчать про те, що струна коливається.

Якщо до струни, що звучить, наблизити кінець паперової смужки, то смужка буде підстрибувати від поштовхів струни. Поки струна вагається, чути звук; зупинимо струну, і звук припиняється.

На малюнку 3 зображено камертон - вигнутий металевий стрижень на ніжці, який укріплений на резонаторному ящику.

Якщо по камертону вдарити м'яким молоточком (або провести по ньому смичком), камертон зазвучить (рис. 4).

Піднесемо до звучного камертону легка кулька (скляна бусинка), підвішена на нитці, - кулька відскакуватиме від камертону, свідчивши про коливання його гілок (мал. 5).

Щоб «записати» коливання камертону з малою (порядку (16\) Гц) власною частотою і великою амплітудою коливань, можна до кінця однієї його гілки пригвинтити тонку і вузьку металеву смужку з вістрям на кінці. Вістря необхідно загнути вниз і злегка торкнутися ним закопченої скляної пластинки, що лежить на столі. При швидкому переміщенні пластинки під гілками камертону, що коливаються, вістря залишає на платівці слід у вигляді хвилеподібної лінії (рис. 6).

Хвиляста лінія, прокреслена на платівці вістрям, дуже близька до синусоїди. Таким чином, можна вважати, що кожна гілка камертону чинить гармонійні коливання.

Різні досліди свідчать, що будь-яке джерело звуку обов'язково коливається, навіть якщо ці коливання непомітні для ока. Наприклад, звуки голосів людей і багатьох тварин виникають у результаті їх вагань голосових зв'язок, звучання духових музичних інструментів, звук сирени, свист вітру, шелест листя, гуркіт грому обумовлені коливаннями мас повітря.

Зверни увагу!

Не всяке тіло, що вагається, є джерелом звуку.

Наприклад, не видає звуку вага, що коливається, підвішений на нитці або пружині. Перестане звучати і металева лінійка, якщо подовжити її вільний кінець настільки, щоб частота його коливань стала менше (16) Гц.

Людське вухо здатне сприймати як звук механічні коливання з частотою в межах від (16) до (20000) Гц (передаються зазвичай через повітря).

Механічні коливання, частота яких лежить в діапазоні від (16) до (20000) Гц називаються звуковими.

Зазначені межі звукового діапазону умовні, оскільки залежить від віку покупців, безліч індивідуальних особливостей їх слухового апарату. Зазвичай з віком верхня частотна межа сприйманих звуків значно знижується - деякі люди похилого віку можуть чути звуки з частотами, що не перевищують (6000) Гц. Діти ж, навпаки, можуть сприймати звуки, частота яких дещо більша (20 000) Гц.

Механічні коливання, частота яких перевищує (20 000) Гц, називаються ультразвуковими, а коливання з частотами менше (16) Гц - інфразвуковими.

Ультразвук та інфразвук поширені в природі так само широко, як хвилі звукового діапазону. Їх випромінюють і використовують для своїх «переговорів» дельфіни, кажани та деякі інші живі істоти.

Коливання– це рухи чи процеси, які характеризуються певною повторюваністю у часі.

Період коливань T- Інтервал часу, протягом якого відбувається одне повне коливання.

Частота коливань- Число повних коливань в одиницю часу. У системі СІ виявляється у герцах (Гц).

Період та частота коливань пов'язані співвідношенням

Гармонічні коливання– це коливання, у яких коливається величина змінюється за законом синуса чи косинуса. Зміщення визначається формулою

Амплітуда (а), період (b) та фаза коливань(с) двох тіл, що вагаються

Механічні хвилі

Хвилями називають періодичні обурення, що поширюються у просторі з часом. Хвилі поділяються на поздовжні та поперечні.

Пружні хвилі в повітрі, що викликають у людини слухові відчуття, називають звуковими хвилями або просто звуком. Діапазон звукових частот лежить у межах від 20 Гц до 20 кГц. Хвилі із частотою менше 20 Гц називаються інфразвуком, із частотою понад 20 кГц – ультразвуком. Наявність будь-якого пружного середовища передачі звуку обов'язково.

Гучність звуку визначається інтенсивністю звукової хвилі, тобто енергією, що переноситься хвилею в одиницю часу.

Звуковий тиск залежить від амплітуди коливань тиску в звуковій хвилі.

Висота звуку (тону) визначається частотою коливань. Діапазон низького чоловічого голосу (басу) – приблизно від 80 до 400 Гц. Діапазон високого жіночого голосу (сопрано) – від 250 Гц до 1050 Гц.

У техніці та навколишньому світі часто доводиться стикатися з періодичними(або майже періодичними) процесами, що повторюються через однакові проміжки часу. Такі процеси називають коливальними.

Коливання – один із найпоширеніших процесів у природі та техніці. Крила комах та птахів у польоті, висотні будівлі та високовольтні дроти під дією вітру, маятник заведеного годинника та автомобіль на ресорах під час руху, рівень річки протягом року та температура людського тіла при хворобі, звук - це коливання щільності та тиску повітря, радіохвилі - періодичні зміни напруженостей електричного та магнітного полів, видиме світло - теж електромагнітні коливання, Тільки з дещо іншими довжиною хвилі і частотою, землетруси - коливання грунту, биття пульсу - періодичні скорочення серцевого м'яза людини і т.д.

Коливання бувають механічні, електромагнітні, хімічні, термодинамічні та інші. Незважаючи на таку різноманітність, усі вони мають між собою багато спільного.

Коливальні явища різної фізичної природи підпорядковуються загальним закономірностям. Наприклад, коливання струму в електричного ланцюгата коливання математичного маятникаможуть описуватися однаковими рівняннями. Спільність коливальних закономірностей дозволяє розглядати коливальні процеси різної природиз єдиного погляду. Ознакою коливального рухує його періодичність.

Механічні коливання –церухи, які точно або приблизно повторюються через однакові проміжки часу.

Прикладами простих коливальних систем можуть бути вантаж на пружині (пружинний маятник) або кулька на нитки (математичний маятник).

При механічних коливаннях кінетична та потенційна енергії періодично змінюються.

При максимальному відхиленнітіла від положення рівноваги його швидкість, а отже, і кінетична енергія перетворюються на нуль. У цьому становищі потенціальна енергіявагаючого тіла досягає максимального значення. Для вантажу пружини потенційна енергія – це енергія пружних деформацій пружини. Для математичного маятника – це енергія у полі тяжіння Землі.

Коли тіло при своєму русі проходить через положення рівновагийого швидкість максимальна. Тіло проскакує положення рівноваги згідно із законом інерції. У цей момент воно має максимальною кінетичною та мінімальною потенційною енергією. Збільшення кінетичної енергії відбувається рахунок зменшення потенційної енергії.

При подальшому русі починає збільшуватися потенційна енергія за рахунок зменшення кінетичної енергії тощо.

Таким чином, при гармонійних коливаннях відбувається періодичне перетворення кінетичної енергії на потенційну і навпаки.

Якщо коливальній системі відсутня тертя, то повна механічна енергія при механічних коливаннях залишається незмінною.

Для вантажу на пружині:

У положенні максимального відхилення повна енергія мятника дорівнює потенційній енергії деформованої пружини:

При проходженні положення рівноваги повна енергія дорівнює кінетичній енергії вантажу:

Для малих коливань математичного маятника:

У положенні максимального відхилення повна енергія мятника дорівнює потенційній енергії піднятого на висоту h тіла:

При проходженні положення рівноваги повна енергія дорівнює кінетичній енергії тіла:

Тут h m– максимальна висота підйому маятника у полі тяжіння Землі, x mта υ m = ω 0 x m– максимальні значення відхилення маятника від положення рівноваги та її швидкості.

Гармонічні коливання та його характеристики. Рівняння гармонійного коливання.

Найпростішим видом коливального процесу є прості гармонійні коливання, які описуються рівнянням

x = x m cos (ω t + φ 0).

Тут x- Зміщення тіла від положення рівноваги,
x m- Амплітуда коливань, тобто максимальне зсув від положення рівноваги,
ω – циклічна чи кругова частотаколивань,
t- Час.

Характеристики коливального руху.

Зміщення х –відхилення точки, що коливається, від положення рівноваги. Одиниця виміру – 1 метр.

Амплітуда коливань А –максимальне відхилення точки, що коливається, від положення рівноваги. Одиниця виміру – 1 метр.

Період коливаньT- Мінімальний інтервал часу, за який відбувається одне повне коливання, називається. Одиниця виміру – 1 секунда.

де t - час коливань, N - кількість коливань, скоєних цей час.

За графіком гармонічних коливань можна визначити період та амплітуду коливань:

Частота коливань ν –фізична величина, що дорівнює кількості коливань за одиницю часу.

Частота – величина, обернена до періоду коливань:

Частотаколивань ν показує, скільки коливань відбувається за 1 с. Одиниця частоти – герц(Гц).

Циклічна частота ω- Число коливань за 2π секунди.

Частота коливань пов'язана з циклічною частотою ωта періодом коливань Tспіввідношеннями:

Фазагармонійного процесу – величина, що стоїть під знаком синуса чи косинуса у рівнянні гармонічних коливань φ = ω t+ φ 0 . При t= 0 φ = φ 0 тому φ 0 називають початковою фазою.

Графік гармонійних коливаньє синусоїдом або косінусоїдом.

У всіх трьох випадках для синіх кривих φ 0 = 0:

тількибільшої амплітудою(x" m> x m);

червона крива відрізняється від синій тількизначенням періоду(T" = T/2);

червона крива відрізняється від синій тількизначенням початкової фази(Радий).

При коливальному русі тіла вздовж прямої лінії (вісь OX) Вектор швидкості спрямований завжди вздовж цієї прямої. Швидкість руху тіла визначається виразом

В математиці процедура знаходження межі відношення Δх/Δt при Δ t→ 0 називається обчисленням похідної функції x(t) по часу tі позначається як x"(t).Швидкість дорівнює похідній функції х( t) по часу t.

Для гармонійного закону руху x = x m cos (ω t+ φ 0) обчислення похідної призводить до наступного результату:

υ х =x"(t)= ω x m sin (ω t + φ 0)

Аналогічним чином визначається прискорення a xтіла при гармонійних коливаннях Прискорення aі похідної функції υ( t) по часу t, або другий похідний функції x(t). Обчислення дають:

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

Знак мінус у цьому вираженні означає, що прискорення a(t) завжди має знак, протилежний знаку усунення x(t), і, отже, за другим законом Ньютона сила, що змушує тіло здійснювати гармонійні коливання, спрямована завжди у бік положення рівноваги ( x = 0).

На малюнку наведено графіки координати, швидкості та прискорення тіла, що здійснює гармонічні коливання.

Графіки координати x(t), швидкості υ(t) та прискорення a(t) тіла, що здійснює гармонічні коливання.

Пружинний маятник.

Пружинним маятникомназивають вантаж деякої маси m, прикріплений до пружини жорсткості k, другий кінець якої закріплений нерухомо.

Власна частотаω 0 вільних коливань вантажу на пружині знаходиться за формулою:

Період T гармонійних коливань вантажу на пружині дорівнює

Значить період коливань пружинного маятника залежить від маси вантажу і від жорсткості пружини.

Фізичні властивості коливальної системи визначають лише власну частоту коливань ω 0 та період T . Такі параметри процесу коливань, як амплітуда x mі початкова фазаφ 0 визначаються способом, за допомогою якого система була виведена зі стану рівноваги в початковий момент часу.

Математичний маятник.

Математичним маятникомназивають тіло невеликих розмірів, підвішене на тонкій нерозтяжній нитці, маса якої дуже мала в порівнянні з масою тіла.

У положенні рівноваги, коли маятник висить по схилу, сила тяжіння врівноважується силою натягу нитки N. При відхиленні маятника з положення рівноваги на деякий кут φ з'являється дотична складова сили тяжіння F τ = – mg sin φ. Знак «мінус» у цій формулі означає, що дотична складова спрямована у бік, протилежний відхиленню маятника.

Математичний маятник. φ – кутове відхилення маятника від положення рівноваги,

x= lφ – усунення маятника по дузі

Власна частота малих коливань математичного маятника виражається формулою:

Період коливань математичного маятника:

Отже, період коливань математичного маятника залежить від довжини нитки і зажадав від прискорення вільного падіння місцевості, де встановлено маятник.

Вільні та вимушені коливання.

Механічні коливання, як і коливальні процеси будь-якої іншої фізичної природи, можуть бути вільнимиі вимушеними.

Вільні коливання –це коливання, які виникають у системі під дією внутрішніх сил, після того, як система була виведена із положення стійкої рівноваги.

Коливання вантажу на пружині чи коливання маятника є вільними коливаннями.

У реальних умовах будь-яка коливальна система перебуває під впливом сил тертя (опору). При цьому частина механічної енергіїперетворюється на внутрішню енергію теплового руху атомів і молекул, і коливання стають загасаючими.

Загасаючими називають коливання, амплітуда яких зменшується з часом.

Щоб коливання не згасали, необхідно повідомляти системі додаткову енергію, тобто. впливати на коливальну систему періодичною силою (наприклад, для розгойдування гойдалки).

Коливання, що здійснюються під впливом зовнішньої сили, що періодично змінюється, називаютьсявимушеними.

Зовнішня сила здійснює позитивну роботу і забезпечує приплив енергії до коливальної системи. Вона не дає коливань загасати, незважаючи на дію сил тертя.

Періодична зовнішня сила може змінюватись у часі за різними законами. Особливий інтерес представляє випадок, коли зовнішня сила, що змінюється за гармонічним законом із частотою ω, впливає на коливальну систему, здатну здійснювати власні коливання деякою частотою ω 0 .

Якщо вільні коливання відбуваються на частоті 0, яка визначається параметрами системи, то вимушені коливання, що встановилися, завжди відбуваються на частоті ω зовнішньої сили .

Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань при збігу частоти власних коливань із частотою зовнішньої змушуючої сили називаєтьсярезонансом.

Залежність амплітуди x mвимушених коливань від частоти ω вимушальної сили називається резонансною характеристикоюабо резонансної кривої.

Резонансні криві при різних рівнях згасання:

1 - коливальна система без тертя; при резонансі амплітуда x m вимушених коливань необмежено зростає;

2, 3, 4 – реальні резонансні криві для коливальних систем із різним тертям.

За відсутності тертя амплітуда вимушених коливань при резонансі має необмежено зростати. У реальних умовах амплітуда вимушених коливань, що встановилися, визначається умовою: робота зовнішньої сили протягом періоду коливань повинна дорівнювати втратам механічної енергії за той же час через тертя. Що менше тертя, то більше вписувалося амплітуда вимушених коливань при резонансі.

Явище резонансу може спричинити руйнування мостів, будівель та інших споруд, якщо власні частоти їх коливань співпадуть із частотою періодично. чинної сили, що виникла, наприклад, через обертання незбалансованого двигуна.

Звук- це пружні поздовжні хвилі частотою від 20 Гц до 20000 Гц, що викликають у людини слухові відчуття.

Джерело звуку- різні тіла, що коливаються, наприклад туго натягнута струна або тонка сталева пластина, затиснута з одного боку.

Як виникають коливальні рухи? Достатньо відтягнути та відпустити струну музичного інструменту або сталеву пластину, затиснуту одним кінцем у лещатах, як вони будуть видавати звук. Коливання струни або металевої платівкипередаються навколишньому повітрі. Коли пластинка відхилиться, наприклад праворуч, вона ущільнює (стискає) шари повітря, прилеглі до неї праворуч; при цьому шар повітря, що прилягає до пластини з лівого боку, розрідиться. При відхиленні пластини в ліву сторону вона стискає шари повітря ліворуч і розріджує шари повітря, що прилягають до неї праворуч, і т.д. Стиснення та розрідження прилеглих до пластини шарів повітря передаватиметься сусіднім шарам. Цей процес періодично повторюватиметься, поступово слабшаючи, до повного припинення коливань.

Таким чином коливання струни або платівки збуджують коливання навколишнього повітря і, поширюючись, досягають вуха людини, змушуючи коливатися його барабанну перетинку, викликаючи роздратування слухового нерва, що сприймається нами як звук.

Швидкість розповсюдження звукових хвиль в різних середовищахнеоднакова. Вона залежить від пружності середовища, в якому вони поширюються. Найповільніше звук поширюється в газах. У повітрі швидкість поширення звукових коливань у середньому дорівнює 330 м/с, проте може змінюватися залежно від його вологості, тиску і температури. У безповітряному просторі звук не поширюється. У рідинах звук поширюється швидше. У твердих тілах ще швидше. У сталевій рейці, наприклад, звук поширюється зі швидкістю 5000 м/с.

При поширеннізвуку в атоми та молекули коливаються вздовжнапрями поширення хвилі, значить звук - поздовжня хвиля.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКУ

1. Гучність.Гучність залежить від амплітуди коливань у звуковій хвилі. Гучністьзвуку визначається амплітудоюхвилі.

За одиницю гучності звуку прийнято 1 Бел (на честь Олександра Грехема Белла, винахідника телефону). Гучність звуку дорівнює 1 Б, якщо його потужність у 10 разів більша за поріг чутності.

Насправді гучність вимірюють в децибелах (дБ).

1 дБ = 0,1 Б. 10 дБ – шепіт; 20–30 дБ – норма шуму у житлових приміщеннях;
50 дБ – розмова середньої гучності;
70 дБ - шум друкарської машинки;
80 дБ – шум працюючого двигуна вантажного автомобіля;
120 дБ – шум працюючого трактора на відстані 1 м
130 дБ – поріг болючого відчуття.

Звук гучністю понад 180 дБ може навіть спричинити розрив барабанної перетинки.

2. Висота тону. Висотазвуку визначається частотоюхвилі, або частота коливань джерела звуку.

• бас - 80-350 Гц,
• баритон - 110-149 Гц,
• тенор - 130-520 Гц,
• дискант - 260-1000 Гц,
• сопрано - 260-1050 Гц,
• колоратурне сопрано – до 1400 Гц.

Людське вухо здатне сприймати пружні хвилі з частотою приблизно від 16 Гц до 20 кГц.А як ми чуємо?

Слуховий аналізатор людини вухо- складається з чотирьох частин:

Зовнішнє вухо

До зовнішнього вуха відносяться вушна раковина, слуховий прохід та барабанна перетинка, що закриває внутрішній кінець слухового проходу. Слуховий прохід має неправильну вигнуту форму. У дорослої людини довжина становить близько 2,5 см, а діаметр близько 8 мм. Поверхня слухового проходу покрита волосками і містить залози, що виділяють вушну сірку, яка необхідна підтримки вологості шкіри. Слуховий прохід забезпечує також постійну температуру та вологість барабанної перетинки.

Середнє вухо

Середнє вухо – це заповнена повітрям порожнина за барабанною перетинкою. Ця порожнина з'єднується з носоглоткою за допомогою євстахієвої труби – вузького хрящового каналу, який зазвичай знаходиться у закритому стані. Глотальні рухи відкривають євстахієву трубу, що забезпечує надходження повітря в порожнину та вирівнювання тиску по обидва боки барабанної перетинки для її оптимальної рухливості. У порожнині середнього вуха знаходяться три мініатюрні слухові кісточки: молоточок, ковадло та стрем'я. Одним кінцем молоточок з'єднаний з барабанною перетинкою, інший його кінець пов'язаний з ковадлом, яка, у свою чергу, з'єднана зі стремем, а стремена з равликом внутрішнього вуха. Барабанна перетинка постійно коливається під дією вухом звуків, а слухові кісточки передають її коливання у внутрішнє вухо.

Внутрішнє вухо

У внутрішньому вусі міститься кілька структур, але до слуху відношення має лише равлик, який отримав свою назву через спіральну форму. Равлик розділений на три канали, заповнені лімфатичними рідинами. Рідина в середньому каналі відрізняється за складом рідини в двох інших каналах. Орган, безпосередньо відповідальний за слух (Кортієв орган), знаходиться в середньому каналі. Кортієвий орган містить близько 30000 волоскових клітин, які вловлюють коливання рідини в каналі, викликані рухом стремена, і генерують електричні імпульси, які по слуховому нерву передаються до слухової зони кори головного мозку. Кожна волоскова клітина реагує на певну звукову частоту, причому високі частоти вловлюються клітинами нижньої частини равлика, а клітини, налаштовані на низькі частоти, розташовуються у верхній частині равлика. Якщо волоскові клітини з якихось причин гинуть, людина перестає сприймати звуки відповідних частот.

Слухові провідні шляхи

Слухові провідні шляхи - це сукупність нервових волокон, що проводять нервові імпульси від равлика до слухових центрів кори головного мозку, у результаті виникає слухове відчуття. Слухові центри розташовані у скроневих частках головного мозку. Час, витрачений на проходження слухового сигналу від зовнішнього вуха до слухових центрів мозку, становить близько 10 мілісекунд.

Сприйняття звуку

Вухо послідовно перетворює звуки в механічні коливання барабанної перетинки і слухових кісточок, потім коливання рідини в равлику і, нарешті, в електричні імпульси, які по провідних шляхах центральної слухової системи передаються в скроневі частки мозку для розпізнавання та обробки.
Мозок і проміжні вузли слухових провідних шляхів отримують не тільки інформацію про висоту і гучність звуку, але й інші характеристики звуку, наприклад, інтервал часу між моментами вловлювання звуку правим і лівим вухом - на цьому заснована здатність людини визначати напрямок, по якому приходить звук. При цьому мозок оцінює як інформацію, отриману від кожного вуха окремо, так і поєднує всю отриману інформацію в єдине відчуття.

У нашому мозку зберігаються «шаблони» навколишніх звуків – знайомих голосів, музики, небезпечних звуків тощо. Це допомагає мозку в процесі обробки інформації про звук швидше відрізнити знайомі звуки від незнайомих. При зниженні слуху мозок починає отримувати спотворену інформацію(Звуки стають тихішими), що призводить до помилок в інтерпретації звуків. З іншого боку, порушення у роботі мозку внаслідок старіння, травми голови або неврологічних хвороб та розладів можуть супроводжуватися симптомами, схожими на симптоми зниження слуху, наприклад, неуважність, відчуженість від оточення, неадекватна реакція. Для того щоб правильно чути та розуміти звуки, необхідна узгоджена робота слухового аналізатора та мозку. Таким чином, без перебільшення можна сказати, що людина чує не вухами, а мозком!

Тварини як звук сприймають хвилі інших частот.

Ультразвук - поздовжні хвилі з частотою понад 20 000Гц.

Застосування ультразвуку.

За допомогою гідролокаторів встановлених на кораблях вимірюють глибину моря, виявляють косяки риб, зустрічний айсберг або підводний човен.

Ультразвук використовують у промисловості виявлення дефектів у виробах.

У медицині з допомогою ультразвуку здійснюють зварювання кісток, виявляють пухлини, здійснюють діагностику захворювань.

Біологічна дія ультразвуку дозволяє використовувати її для стерилізації молока, лікарських речовин, а також медичних інструментів.

Вчинені ультразвукові локатори мають летючі миші та дельфіни.

Тест з фізики Механічні коливання та хвилі Звук для учнів 9 класу з відповідями. Тест включає 2 варіанти, в кожному по 12 завдань.

1 варіант

1. При вільних коливаннях куля нитки проходить шлях від крайнього лівого становища до крайнього правого за 0,1 з. Визначте період коливань кулі.

1) 0,1 с
2) 0,2 с
3) 0,3 с
4) 0,4 с

2. На малюнку представлена ​​залежність координати центру кулі, що підвішена на пружині, від часу. Частота коливань дорівнює

1) 0,25 Гц
2) 0,5 Гц
3) 2 Гц
4) 4 Гц

3. Скільки повних коливань зробить матеріальна точказа 10 с, якщо частота коливань 220 Гц?

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

4. У яких напрямках відбуваються коливання у поздовжній хвилі?

1) У всіх напрямках

5. Відстань між найближчими гребенями хвиль у морі 6 м. Який період ударів хвиль об корпус човна, якщо їхня швидкість 3 м/с?

1) 0,5 с
2) 2 с
3) 12 с
4) 32 с

6. Людина почув звук грому через 10 с після спалаху блискавки. Визначте швидкість звуку у повітрі, якщо блискавка вдарила на відстані 3,3 км від спостерігача.

1) 0,33 м/с
2) 33 м/с
3) 330 м/с
4) 33 км/с

7. У якому середовищі звукові хвилі поширюються з мінімальною швидкістю?

1) У твердих тілах
2) У рідинах
3) У газах
4) Скрізь однаково

8. Як називаються механічні коливання, частота яких менша за 20 Гц?

1) Звукові
2) Ультразвукові
3) Інфразвукові

9. Визначте довжину звукової хвилі повітря, якщо частота коливань джерела звуку 200 Гц. Швидкість звуку повітря становить 340 м/с.

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

10. Як зміниться довжина звукової хвилі у разі зменшення частоти коливань її джерела у 2 рази?

1) Збільшиться у 2 рази
2) Зменшиться у 2 рази
3) Не зміниться
4) Зменшиться у 4 рази

11. Верхня межа частоти коливань, сприймається вухом людини, становить дітей 22 кГц, а людей похилого віку 10 кГц. У повітрі швидкість звуку дорівнює 340 м/с. Звук із довжиною хвилі 20 мм

1) почує лише дитина
2) почує лише літня людина
3) почує і дитина, і літня людина
4) не почує ні дитина, ні літня людина

12. Відлуння, викликане збройовим пострілом, дійшло до стрільця через 2 с після пострілу. Визначте відстань до перешкоди, від якої відбито, якщо швидкість звуку в повітрі 340 м/с.

1) 170 м
2) 340 м
3) 680 м
4) 1360 м

2 варіант

1. При вільних коливаннях куля нитки проходить шлях від крайнього лівого становища до положення рівноваги за 0,2 з. Який період коливань кулі?

1) 0,2 с
2) 0,4 с
3) 0,6 с
4) 0,8 с

2. На малюнку представлена ​​залежність координати центру кулі, що підвішена на пружині, від часу. Амплітуда коливань дорівнює

1) 10 см
2) 20 см
3) -10 см
2) -20 см

3. При вимірі пульсу людини було зафіксовано 150 пульсацій крові за 2 хв. Визначте частоту скорочення серцевого м'яза.

1) 0,8 Гц
2) 1 Гц
3) 1,25 Гц
4) 75 Гц

4. У яких напрямках відбуваються коливання поперечної хвилі?

1) У всіх напрямках
2) Вздовж напрямку поширення хвилі
3) Перпендикулярно до напряму поширення хвилі
4) І за напрямом поширення хвилі, і перпендикулярно до поширення хвилі

5. Хвиля із частотою 4 Гц поширюється шнуром зі швидкістю 6 м/с. Довжина хвилі дорівнює

1) 0,75 м
2) 1,5 м
3) 24 м
4) для вирішення не вистачає даних

6. Як зміниться довжина хвилі при зменшенні частоти коливань її джерела у 2 рази?

1) Збільшиться у 2 рази
2) Зменшиться у 2 рази
3) Не зміниться
4) Зменшиться у 4 рази

7. У якому середовищі звукові хвилі не поширюються?

1) У твердих тілах
2) У рідинах
3) У газах
4) У вакуумі

8. Як називаються механічні коливання, частота яких перевищує 20000 Гц?

1) Звукові
2) Ультразвукові
3) Інфразвукові
4) Серед відповідей немає правильної

9. Камертон випромінює звукову хвилю завдовжки 0,5 м. Швидкість звуку 340 м/с. Яка частота коливань камертону?

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

10. Людське вухо може приймати звуки частотою від 20 Гц до 20 000 Гц. Який діапазон довжин хвиль відповідає інтервалу чутності звукових коливань? Швидкість звуку в повітрі прийміть 340 м/с.

1) Від 20 м до 20 000 м
2) Від 6800 м до 6800000 м
3) Від 0,06 м до 58,8 м
4) Від 0,017 м до 17 м

11. Які зміни відзначає людина у звуці зі збільшенням амплітуди коливань у звуковій хвилі?

1) Підвищення висоти тону
2) Зниження висоти тону
3) Підвищення гучності
4) Зменшення гучності

12. На якій відстані від корабля знаходиться айсберг, якщо надісланий гідролокатором ультразвуковий сигнал був прийнятий назад через 4 с? Швидкість ультразвуку у воді прийняти рівною 1500 м/с.

1) 375 м
2) 750 с
3) 3000 м
4) 6000 м

Відповіді на тест з фізики Механічні коливання та хвилі Звук
1 варіант
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 варіант
1-4
2-1
3-3
4-3
5-2
6-1
7-4
8-2
9-2
10-4
11-3
12-3