«Мир звука»

Вид материала

Реферат

Содержание Из истории звука. Что такое звук? Общая акустика Архитектурная акустика Музыкальная акустика Диаграмма восприятия звуков. Распространение звука. Применение звуковых волн.

Подобный материал:

• Тема: Алгоритмы и программы, 17.38kb.
• И. Клюкин Удивительный мир звука, 1737.92kb.
• Методические указания к работе с модулем М7 «Источники звука. Звуковые колебания. Высота., 668.66kb.
• Коррекция нарушений произношения звука, 341.06kb.
• Одна из тайн Преображения Господня в явлении нетварного света, и звука, 188.44kb.
• Автоматизация звука [Л] в слогах, 260.92kb.
• Программа курса лекций, 22.23kb.
• Армянская Апостольская Церковь празднует 6 января. Ирекомендуем посетить и Армения, 241.76kb.
• Собрание сочинений в 4 т. Т. М., Мысль, 1993 с. 347 Основной, 749.26kb.
• Конспект открытого индивидуального занятия по автоматизации звука, проведенного с воспитанником, 45.79kb.

Муниципальное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №11


Реферат по физике на тему:

«Мир звука»


Выполнил:

ученик 9 класса

Бурдин Дмитрий


Учитель:

Михайлова

Лилия Викторовна


Тверь, 2010г.


Содержание:

1. Введение…………………………………………..3
   
2. Из истории звука………………………………….4
   
3. Что такое звук?........................................................6
   
4. Звук и слух………………………………………...8
   
5. Диаграмма восприятия звуков…………………..11
   
6. Распространение звука…………………………..12
   
7. Шумы……………………………………………...16
   
8. Ультразвуки и инфразвуки………………………16
   
9. Применение звуковых волн……………………..17
   
10. Заключение. «Мир звука младенца»……………21
    

11. Используемая литература……………………....23


Введение.


«Те, кто обрекает всех рыб на молчание и глухоту,

весьма мало знает природу рыб»

Клавдий Элиан.


Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы. Звучат работающие машины, движущийся транспорт и т.д. С помощью речи люди общаются, с помощью слуха получают информацию об окружающем мире. Звуки – наши неизменные спутники. Они по - разному воздействуют на человека: радуют и раздражают, успокаивают и пугают своей неожиданностью. Не меньшее значение звук имеет для животных и птиц. В работе зоолога 13в. Ф. Гогенштауфена уже содержались интересные сведения о строении слуховой системы некоторых пернатых. Сейчас птичьи голоса иногда используются в практических целях. Так, чтобы предотвратить столкновение птиц с самолетами (для которых они могут оказаться губительными), транслируют через мощный репродуктор записи криков ужаса самих птиц и эти крики отпугивают пернатых от трасс полетов. Известен опыт воспроизведения магнитофонных записей тех же птичьих голосов для того, чтобы отгонять полчища насекомых от посевов или садов.

Что такое звук? Как он возникает? Чем одни звуки отличаются от других? Ответы на эти вопросы хотели узнать люди.

Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой. Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматривая этот источник, мы всегда найдем в нем что-то колеблющееся. Если, например, звук исходит от репродуктора, то в нем колеблется мембрана – легкий диск, закрепленный по его окружности. Если звук издает музыкальный инструмент, то источник звука – колеблющийся столб воздуха и другие. Таким образом с точки зрения физики, звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твердом теле и т.п.

Из истории звука.

В глубокой древности звук казался людям удивительным, таинственным порождением сверхъестественных сил. Они верили, что звуки могут укрощать диких животных, сдвигать скалы и горы, преграждать путь воде, вызывать дождь, творить другие чудеса.

Жрецы Древнего Египта, заметив удивительное воздействие музыки на человека, использовали ее в своих целях. Ни один праздник не обходился без ритуальных песнопений. Позже музыка пришла в христианские храмы.

Древние индийцы раньше других овладели высокой музыкальной культурой. Они разработали и широко использовали нотную грамоту задолго до того, как она появилась в Европе. Их музыкальная гамма также состояла из семи нот, но названия у них были другие: «са », «ре», «га», «ма», «па», «дха», «ни». Считалось, что каждая из них отражает определенное духовное состояние: «са» и «ма» - спокойствие и умиротворение, «га» и «дха» -торжественность, «ре» - гнев, «па» - радость, «ни» - печаль.

Понять и изучить звук люди стремились с незапамятных времен. Греческий ученый и философ Пифагор, живший две с половиной тысячи лет назад, ставил различные опыты со звуками. Он впервые доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длинным струнам. При укорочении струны вдвое звук ее повысится на целую октаву. Открытие Пифагора положило начало науки об акустики. Первые звуковые приборы были созданы в театрах Древней Греции и Рима: актеры вставляли в свои маски маленькие рупоры для усиления звука. Известно также применение звуковых приборов в египетских храмах, где были «шепчущие» статуи богов.

Выявленные Пифагором и его учениками гармонические сочетания звуков легли в основу более поздних представлений о так называемой гармонии Вселенной. Согласно с этим представлением небесные тела и планеты расположены относительно друг друга в соответствии с музыкальными интервалами и излучают «музыку сфер». Считалось, например, что Сатурн издает самые низкие звуки, звуки Юпитера можно сравнить с басом, Меркурия – с фальцетом, Марса – с тенором, Земли – с контральто, Венеры – с сопрано. У этой теории была долгая жизнь. Ее признали даже в эпоху Возрождения, когда уже были получены первые вполне научные сведения о природе и движения планет. Отголоски этой теории можно обнаружить в трудах великого Кеплера, открывшего закон движения планет и сыгравшего огромную роль в развитии физики и астрономии.

Существуют так называемые вихревые звуки: свист ветра в проводах, такелажа кораблей, ветвях деревьев, завывание в трубах, на гребнях скал, в расщелинах и узких оврагах. Люди издавна пользовались ими – на охоте, в быту. В древнем Китае существовал обычай выпускать голубей с привязанными к их хвостам маленькими бамбуковыми палочками. Воздушный поток, проходивший через трубочку, вызывал нежное посвистывание. Подобные звуки издает и тростниковая дудочка, которая была прообразом зародившейся в Древнем Египте флейты. Позже ее стали называть флейтой Пана – в честь древнегреческого бога лесов.

Легенда гласит, что в Иерусалиме когда-то находилась «стозвучная» двурогая труба. Во время жертвоприношения разжигали костер, теплый воздух от которого устремлялся в трубу, заставляя ее выть. Мощные воющие звуки возникали так же, когда в нее врывались вихри от пламени пожаров при осаде города.

В 1831 году в Пятигорске была построена беседка, названная «Эоловой» арфой. Внутри нее находились две арфы, которые с помощью флюгера разворачивались против ветра и под действием воздушного потока издавали гармонические звуки.

В Лондоне в кафедральном соборе святого Павла есть большой, диаметром почти 50метров, круглый зал. Человек, находящийся на одной стороне, может говорить шепотом и его превосходно услышать на другой стороне. Ученые после тщательных исследований дали научное объяснение этому явлению. Оказывается, что при радиусе закругления стенки, равном 25 метров, звук распространяется вдоль нее, как бы стелясь и доходит до слушателя почти без потерь. При этом звук не отражается в сторону.

В некоторых музеях хранятся вазы античной работы, основное назначение которых – не художественное украшение, а отражение, усиление и сосредоточение звука. Сделанные из алебастра, такие вазы устанавливались в больших залах, театрах, собраниях и даже на площадях. Ораторам не надо было напрягать голос: слушатели воспринимали речь на всем, пространстве достаточно далеко.

В 17 веке строители вместо ваз применяли звукопроводы в виде труб из цемента. В частности, подобные звукопроводы можно найти в сооружениях, возведенных по проектам Растрелли. Так собор Смольного монастыря весь в звукопроводах. Предполагается, что они есть и в залах Зимнего дворца.

По всей вероятности, подобные хитроумные акустические устройства были известны и в древности. Легенда наделила Сиракузского тирана Дионисия способностью слышать в своем дворце даже легкий шепот. В это нетрудно поверить, если допустить, что во дворце были керамические звукособиратели и усилители.

ЧТО ТАКОЕ ЗВУК?

Что же такое звук? Звук - это распространяющиеся в упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах - механические колебания, воспринимаемые органами слуха.

Рассмотрим примеры, поясняющие физическую сущность звука. Струна музыкального инструмента передает свои колебания окружающим частицам воздуха. Эти колебания будут распространяться все дальше и дальше, а достигнув уха, вызовут колебания барабанной перепонки. Мы услышим звук. В каждой среде в результате взаимодействия между частицами колебания передаются все новым и новым частицам, т.е. в среде распространяются звуковые волны.

Человеческое ухо способно воспринимать колебания с частотой примерно от 200 до 20000 колебаний в секунду. Соответственно этому механические колебания с указанными частотами называются звуковыми, или акустическими. Вопросы, которыми занимается акустика, очень разнообразны. Некоторые из них связаны со свойствами и особенностями органов слуха.

Общая акустика изучает вопросы возникновения, распространения и поглощение звука.

Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последние десятилетия охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). При этом она широко пользуется разнообразными методами превращения механические колебания, электрические и обратно. Применительно к звуковым колебаниям, число задач физической акустики входит и изучение физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различимые на слух.

Электроакустика, или техническая акустика, занимается получением, передачи, приемом и записью звуков при помощи электрических приборов.

Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки и. т. д. При этом имеется в виду слуховое восприятие звука.

Музыкальная акустика исследует природу музыкальных звуков, а также музыкальные настрой и системы. Мы различаем, например, музыкальные звуки (пение, свист, звон, звучание струн) и шумы (треск, стук, скрип, шипение, гром). Музыкальные звуки более простые, чем шумы. Комбинация музыкальных звуков может вызвать ощущение шума, но никакая комбинация не даст музыкального звука.

Гидроакустика (морская акустика) занимается изучением явлений, происходящих в водной среде, связанных с излучением, приемом и распространением акустических волн. Она включает вопросы разработки и создания акустических приборов, предназначенных для использования в водной среде.

Атмосферная акустика изучает звуковые процессы в атмосфере, в частности распространение звуковых волн, условие сверхдальнего распространения звука.

Физиологическая акустика исследует возможности органов слуха, их устройство и действие. Она изучает образование звуков органами речи и восприятие звуков органами слуха, а также вопросы анализа и синтеза речи. Создание систем, способных анализировать человеческую речь - важный этап на пути проектирования машин, в особенности роботов- манипуляторов и электронно - вычислительных машин, послушным устным распоряжениям оператора. Аппарат для синтеза речи может дать большой экономический эффект. Если по международным телефонным каналам, передавать не сами речевые сигналы, а коды, полученные в результате их анализа, а на выходе линий синтезировать речь, потому же каналу можно передавать несколько раз больше информации. Правда, абонент не услышит настоящего голоса собеседника, но слова-то будут те же, что были сказаны в микрофон. Конечно, это не совсем подходит для семейных разговоров, но удобно для деловых бесед, а именно они-то и перегружают каналы связи.

Биологическая акустика рассматривает вопросы звукового и

ультразвукового общения животных и изучает механизм локации, которым они пользуются, исследует так же проблемы шумов, вибрации и борьбы сними за оздоровление окружающей среды.

ЗВУК и СЛУХ.

Основные физические характеристики любого колебательного движения - период и амплитуда колебания, а применительно к звуку - частота и интенсивность колебаний. Частота - одна из основных характеристик, по которой мы различаем звуки. Чем больше частота колебаний, тем более высокий тон.

Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 1000 до 3000 Гц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность находится в области 3000 Гц, от 40 до 60 лет - 2000 Гц, старше 60 лет - 1000 Гц.

В пределах до 500 Гц мы способны различить понижение или повышение частоты даже 1 Гц. На более высоких частотах наш слуховой аппарат становится менее восприимчивым к такому незначительному изменению частоты. Так, после 2000 Гц мы можем отличить один звук от другого только, когда разница в частоте будет не менее 5 Гц. При меньшей разнице звуки нам будут казаться одинаковыми. Однако правил без исключения почти не бывает. Есть люди, обладающие необычайно тонким слухом. Одаренный музыкант может уловить изменение звука всего на какую-то долю колебаний.

Звуки могут отличаться один от другого и по тембру. Это значит, что одинаковые звуки по высоте тона могут звучат по-разному, потому что основной тон звука сопровождается, как правило, второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте. Они предают основному звуку дополнительную окраску и называются обертонами. Иными словами, темброкачественная характеристика звука. Чем больше обертонов налагается на основной тон, тем «богаче» звук в музыкальном отношении. Если основной звук сопровождается близкими к нему по высоте обертонами, то сам звук будет мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, появляется «металличность» в голосе или звуке.

Органы слуха благодаря своему замечательному устройству легко отличают одно колебание от другого, голос близкого или знакомого человека от голосов других людей. Потому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг, страх перед опасностью - все это можно услышать, даже не видя кому принадлежит голос.

Природа, наделяя живые существа слухом, проявила немалую изобретательность. Органы, воспринимающие звук, расположены у них на участках весьма различных, а подчас и неожиданных: у кузнечика и сверчка, к примеру, на голенях передних ножек, у саранчи - на брюшке, у комаров - на усиках-антеннах. У позвоночных органы слуха в процессе эволюции заняли почетное место по бокам головы, а у млекопитающих появилась и развитая ушная раковина. Низшие животные довольствуются защитными складками кожи, прикрывающими слуховой проход: крокодилу, к примеру, такие складки помогают во время погружения под воду; у птиц - аиста, утки, воробья - аналогичную защитную роль выполняет тонкая пленка. Ушная раковина - чаще ее называют попросту ухом - у многих животных весьма подвижна. Собака прислушивается, «играя ушами» - поднимая, опуская или отводя их в стороны. Определяя направление звука, шевелят ушами лошадь и еж, олень и заяц. А воронкообразные уши африканского носорога, если надо, действуют независимо друг от друга: стараясь распознать шорохи спереди и сзади, носорог может одновременно отвести одно ухо вперед, а другое назад.

Универсальную акустическую систему представляют собой органы слуха некоторых земноводных. Так, лягушка на воздухе слышит при помощи барабанной перепонки и цепочки слуховых косточек, под водой проводником звуковых волн в ее внутреннее ухо служит жидкая среда организма, а на суше - мышцы и кости лапок. Волк улавливает шаги охотника не менее чем за 50 метров; шум такой же интенсивности человек слышит на расстоянии лишь 5 метров. Во время зимней охоты лисица по шороху находит мышей под слоем снега и ледяной коркой наста.

Крот различает запахи и звуки через толщу почвы. На пути к добыче по этим ориентирам он и прокладывает свои замысловатые подземные ходы. Недоступные человеческому уху звуки сверхнизких частот способны воспринимать медузы, рыбы и другие морские животные. Они первыми слышат инфрасигналы надвигающегося шторма и, повинуясь «голосу моря», стараются покинуть прибрежную полосу. Полагают, что чайки, крайне беспокойные в канун непогоды, так как чувствительны к инфразвуку. В ультразвуковых диапазонах частот хорошо слышат кошки и собаки. Для собак, к примеру, доступны частоты до 60 тыс. герц, для кошек - и того больше. Существуют методы дрессировки собак ультразвуковыми свистками, сигналов которых не слышит и сам дрессировщик. Способность комаров обмениваться информацией на ультразвуковых частотах заманила их в ловушку, имитирующую «брачный призыв» насекомых. Самцы, мчащиеся на такой сигнал, находили вместо самок... засасывающий их вместе с воздухом аппарат, снабженный ультразвуковым генератором-приманкой.

Поистине необычайна, фантастична острота слуха летучих мышей. Шорох крыльев крохотной бабочки они слышат за десятки метров. Во время полета летучие мыши посылают прерывистые ультразвуковые сигналы, а в паузах между сигналами при помощи развитых ушных раковин-локаторов принимают эхо, отраженное от препятствий на пути. Вот некоторые данные из «досье» этих видов рукокрылых: сигналы они подают по 60 раз в секунду на частотах от 90 до 200 тысяч герц. Отраженный сигнал-эхо, который они принимают, по интенсивности в миллион раз слабей исходного звука. Локация такого рода позволяет зверьку на полной скорости обогнуть капроновую нить 0,08 миллиметра толщиной, а за секунду поймать до двух мошек весом в несколько тысячных долей грамма каждая.

Диаграмма восприятия звуков.

Амплитуда колебания определяет интенсивность (силу) звука. С интенсивностью звука связана громкость. Чем больше интенсивность

звука, тем он громче. Однако понятия о громкости и интенсивности не равнозначны. Громкость звука - это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком.

Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковые по своей громкости слуховые восприятия. Так, например, звуки, одинаковые по интенсивности, но различающиеся по высоте, воспринимаются ухом с разной громкостью в зависимости от особенностей слухового аппарата. Мы не воспринимаем как очень слабые, так и очень сильные звуки - каждый человек обладает так называемым порогом слышимости, который определяется наименьшей интенсивностью звука, необходимой для того, чтобы звук был услышан.

Звуки, наиболее хорошо воспринимаемые по частоте, лучше различаются и по громкости. При частоте 32 Гц по громкости различаются три звука, при частоте 125 Гц - 94 звука, а при частоте 1000 Гц - 374. Увеличение это не беспредельно. Начиная с частоты - 8000 Гц число различимых звуков по громкости уменьшается. Например, при частоте 16000 Гц человек может различить только 16 звуков.

Звуки очень большой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает их как ощущение давления или боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения. Исследования показали, что интенсивность, при которой звуки разной частоты вызывают болевое ощущение, различна.

Если силу звука увеличить в миллион раз, громкость возрастает только в несколько сотен раз. Выяснилось, что ухо преобразует силу звука в громкость, по сложному логарифмическому закону ограждая свои внутренние части от чрезмерных воздействий. Имеется еще одна особенность человеческого уха. Если к звуку определенной громкости добавить звук той же или близкой к ней частоты, то общая громкость окажется меньше математической суммы тех же громкостей. Одновременно звучащие звуки как бы компенсируют или маскируют друг друга. А звуки, далеко отстоящие по частоте, не влияют друг на друга, и их громкость оказывается максимальной. Эту закономерность композиторы используют для достижения наибольшей мощности звучания оркестра.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА.

Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень отдаленных от тебя»

Скорость распространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в момент приема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и времени происхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже не составляло труда. Она оказалась равной - 330 метров в секунду.

В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847 метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью 1450 метров в секунду.

Чем выше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке - 50, в воздухе - 330, в воде - 1450, а в стали - 5000 метров в секунду. Если бы мы, находились в Москве, могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел до Петербурга, то нас услышали бы там только через полчаса, а если бы звук на это же расстояние распространялся в стали, то он был бы принят через две минуты.

На скорость распространения звука оказывает влияние состояние одной и той же среды. Когда мы говорим, что в воде звук распространяется со скоростью 1450 метров в секунду, это вовсе не означает, что в любой воде и при любых условиях. С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, а, следовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Или возьмем сталь. Здесь тоже скорость звука зависит как от температуры, так и от качественного состава стали: чем больше в ней углерода, тем она тверже, тем звук в ней распространяется быстрее.

Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определенному правилу: угол отражения равен углу падения. Звуковые волны, идущие из воздуха, почти полностью

отразятся от поверхности воды вверх, а звуковые волны, идущие от источника, находящегося в воде, отражаются от нее вниз.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального положения, т.е. преломляются.

Известно, что для увеличения дальности передачи, звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше было слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны - распространяются дальше.

Ослабление звука связано и с тем, что звуковая волна постепенно теряет энергию из-за поглощения ее средой. Степень поглощения опять-таки определяется свойствами среды. В более вязкой среде, например в вате, каучуке, поглощение больше. Однако оно во многом зависит и от частоты звука. Чем больше частота, тем больше поглощение. Звук частоты 10000 Гц поглощается в 100 раз больше, чем звук частоты 1000 Гц. Не случайно орудийный выстрел вблизи кажется нам оглушающе резким, издали - более мягким, глухим. Это объясняется тем, что звук от выстрела пушки содержит в себе как низкие, так высокие частоты, а звуки высоких частот поглощаются в воздухе больше, чем звуки низких частот. Находясь далеко от стреляющей пушки, мы слышим звуки более низких частот, а звуки высоких не доходят до нас - они поглощаются. Еще более наглядный пример, подтверждающий это явление - звучание удаляющегося оркестра. Сначала пропадают высокие звуки флейт и кларнетов, затем средние - корнетов и альтов, и, наконец, когда оркестр будет уже совсем далеко, слышен только большой барабан.

На дальность распространения звука большое влияние оказывает рефракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч.

Дальность распространения звука в море, как правило, равна (в зависимости от мощности источника звука) десяткам или сотням километров. Но бывают случаи, когда распространяется по так называемому подводному каналу, который возникает чаще всего в океане. Это область глубин, где скорость звука вначале уменьшается, а, достигнув минимума, начинает возрастать. Физически это обусловливается большой зависимостью распространения звука в морской воде от ее температуры, солености и гидростатического давления. С глубиной скорость звука уменьшается, но лишь до тех пор, пока понижается температура воды. Достигнув определенного уровня, скорость начинает возрастать из за повышения гидростатического давления. Верхние и нижние границы звукового канала имеют глубину с равными скоростями звука. За ось канала принимается глубина с наименьшей скоростью распространения звука. Сверхдальнее происхождение звука в канале объясняется тем, что звуковые лучи, почти полностью отражаясь от верхней и нижней границ звукового канала, не выходят за его пределы, а концентрируются и распространяются вдоль оси звукового канала.

«Чтобы лучше понять это, - говорит академик Л.М. Вреховский, -вспомните, как ведет себя уставший путник, он предпочитает держаться теневой, более прохладной стороны, нести на своих плечах как можно меньше груза и двигаться с минимальной скоростью. Ведь только при этом он сможет пройти максимальное расстояние. Звуковой луч в морской воде подобен этому путнику. Выйдя из источника, он уходит вверх от оси звукового канала. Чем выше, тем теплее, и луч заворачивает вниз, «в холодок», и углубляется до тех пор, пока не начинает «ощущать» тяжесть повышающегося гидростатического давления».

Американские ученые проделали в Атлантическом океане эксперимент, подтверждающий слияние среды на дальность распространения звука. На глубине 500 метров каждый. Спустя некоторое время взрыв был зафиксирован на Бермудских островах, удаленных от места эксперимента на 4500 км. Такой взрыв в воздухе слышен всего на расстоянии 4 км, а в лесу - не более 200 м. Явление сверхдальнего распространения звука в подводном звуковом канале специалисты использовали для создания спасательной системы «Софар». С кораблей и самолетов, терпящих бедствие, сбрасывают небольшие бомбочки весом от 0,5 до 2,5 кг, которые взрываются на глубине залегания оси звукового канала. Береговые посты принимают место взрыва, а, следовательно, и место катастрофы.

Шумы.

Наложение большого количества колебаний беспорядочно смешанных одно относительно другого и произвольно изменяющих интенсивность во времени, приводят к сложной форме колебаний. Такие сложные колебания, состоящие из большого числа простых звуков различной тональности, называют шумами. Примерами могут служить шелест листьев в лесу, грохот водопада, шум на улице города. К шумам также можно отнести звуки, выражаемые согласными. Шумы могут отличаться распределением по силе звука, по частоте и продолжительности звучания во времени. Длительное время звучат шумы, создаваемые ветром, падающей воды, морским прибоем. Относительно кратковременны раскаты грома, рокот волн - это низкочастотные шумы. Механические шумы могут вызываться вибрацией твёрдых тел. Возникающие при лопании пузырьков и полостей в жидкости звуки, которые сопровождают процессы кавитации, приводят к кавитационным шумам.

В прикладной акустике изучение шумов проводится в связи с проблемой борьбы с их 'вредностью, для усовершенствования шумопеленгаторов в гидроакустике, а также для повышения точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации. Продолжительные сильные шумы (порядка 90 дБ и более) оказывают вредное действие на нервную систему человека, шум морского прибоя или леса успокаивающее.

Ультразвуки и инфразвуки.

Сейчас акустика, как область физики, рассматривает более широкий спектр упругих колебаний - от самых низких до предельно высоких, вплоть до 10¹² - 10¹³ Гц. Не слышимые человеком звуковые волны с частотами ниже 16 Гц называют инфразвуком, звуковые волны с частотами от 20 000 Гц до 10⁹Гц - ультразвуком, а колебания с частотами выше чем 10⁹Гц называют гиперзвуком. Этим неслышимым звукам нашли много применения.

Ультразвуки и инфразвуки имеют очень важную роль и в живом мире. Так, например, рыбы и другие морские животные чутко улавливают инфразвуковые волны, создаваемые штормовыми волнениями. Таким образом, они заранее чувствуют приближение шторма или циклона, и уплывают в более безопасное место. Инфразвук - это составляющая звуков леса, моря, атмосферы.

При движении рыб, создаются упругие инфразвуковые колебания, распространяющиеся в воде. Эти колебания хорошо чувствуют акулы за много километров и плывут на встречу добыче. Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки). Проведённые наблюдения показали, что муравьи так же издают ультразвуковые сигналы с разными частотами в разных ситуациях. Все записанные эти муравьиные Звуковые сигналы можно разделить на три группы: "сигнал бедствия", "сигнал агрессии" (во время борьбы) и "пищевые сигналы". Эти сигналы представляют собой кратковременные импульсы, длительностью от 10 до 100 микросекунд. Муравьи издают звуки в сравнительно широком диапазоне частот - от 0,3 до 5 килогерц.


Применение звуковых волн.

Звукозапись и фонограф Эдисона

Вряд ли сегодня можно встретить человека, Который ни разу бы не слышал радио, магнитофон или проигрыватель. Без звукозаписи наша жизнь кажется немыслимой. А ведь всего немного более века прошло с того времени, когда американский изобретатель Эдисон в 1877 году впервые продемонстрировал изобретённый им фонограф - прибор для записи звука. В фонографе лёгкая мембрана воспринимала звук и передавала колебания на иглу, движущуюся вдоль вращающегося валика, покрытого воском. Колебания иглы оставляли на валике звуковую дорожку. Профиль дна этой дорожки в сущности есть развёртка или осциллограмма колебаний конца иглы. Когда игла вновь проходила по ней, из мембраны доносился записанный звук. Изобретённый Эдисоном способ звукозаписи получил название механического. Используют его и сейчас, но, конечно, в новом качестве: мембрану, с её низкой чувствительностью заменили высокочувствительные микрофоны с электронными усилителями, а сигнал, преобразованный в механические колебания, записывают на металлической матрице, с которой затем печатают грампластинки. Запись ведут уже не иглой, а специальным резцом. Запись звука в - виде борозды переменной глубины была заменена поперечной записью, то есть в виде борозды с поперечными извилинами. На современных пластинках звуковая дорожка имеет форму спирали, по которой при вращении пластинки движется игла, обычно от края пластинки к её центру. Извилины этой дорожки легко рассмотреть в сильное увеличительное стекло.

Звуколокация.

На явлении «эхо» основан метод определения расстояний до различных предметов и обнаружения их месторасположений. Допустим, что каким-нибудь источником звука испущен звуковой сигнал и зафиксирован момент его испускания. Звук встретил какое-то препятствие, отразился от него, вернулся и был принят приёмником звука. Если при этом был измерен промежуток времени между моментами испускания и приема, то легко найти и расстояние до препятствия. Но ведь надо ещё знать, где оно находится, в каком направлении от источника сигнал встретил его. Между тем звук распространяется по всем направлениям, и отраженный сигнал мог прийти с разных сторон. Чтобы избежать этой трудности используют не обычный звук, а ультразвук.

Ультразвуковые волны по своей природе такие же, как обычные звуковые волны, но не воспринимаются человеком как звук. Это объясняется тем, что частота колебаний в них больше, чем 20 000 Гц. Такие волны наблюдаются в природе. Есть даже такие живые существа, способные их испускать и принимать. Ультра­звуковые волны и притом большой мощности можно создавать с помощью электрических и магнитных методов. Главная особенность ультразвуковых волн состоит в том, что их можно сделать направленными, распространяющимися по определённому направлению от источника. Благодаря этому по отражению ультразвука можно не только найти расстояние, но и узнать, где находится тот предмет, который их отразил. Так можно, например, измерять глубину моря под кораблем.

Звуколокаторы позволяют обнаруживать и определять местоположение различных повреждений в изделиях, например пустоты, трещины, постороннего включения и др. В медицине ультразвук используют для обнаружения различных аномалий в теле больного - опухолей, искажений формы органов или их частей и т.д. Чем короче длина ультразвуковой волны, тем меньше размеры обнаруживаемых деталей. Ультразвук используется также для лечения некоторых болезней.

Применение ультразвуков и инфразвуков.

Ещё полстолетия назад неслышимый звук был мало кому известен; первые научные изыскания носили чисто академический характер. Однако практика поставила некоторые неотложные задачи и новые открытия наметили пути к их разрешению. Неслышимый звук получил многочисленные применения. Ещё сравнительно недавно никто не мог предположить, что звуком станут не только измерять глубину моря, но и сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи. В.В. Шулейкин в 1932 году обнаружил явление, которое он назвал "голосом моря". Взаимодействие сильного ветра и морских волн создаёт сильные инфразвуковые волны, которые распространяются со скоростью звука, т.е. значительно быстрее циклона. Они бегут по морским волнам, усиливаясь. Этот инфразвук может служить ранним предвестником бури, шторма или циклона.

Ультразвуковым волнам было найдено больше применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см².

Ультразвуковая обработка.

Ультразвуковые волны так же используют в станках для обработки хрупких и твёрдых материалов. Основа станка – преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока. Ток поступает на обмотку преобразователя от электронного генератора и превращается в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты. К преобразователю присоединён специальный волновод, который, увеличивая амплитуду колебаний, передаёт их к инструменту такой формы, какой нужно получить отверстие. Инструмент прижимают к материалу, в котором надо получить отверстие, а к месту обработки подводят зёрна абразива размером меньше 100 мкм, смешанные с водой. Эти зёрна попадают между инструментом и материалом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. Если материал хрупкий, то зёрна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1-5 мкм. Но это не так мало! Частиц абразива под инструментом сотни и инструмент наносит более 20 000 ударов в одну секунду, поэтому процесс обработки проходит достаточно быстро, и отверстие диаметром 20 - 30 мм в стекле толщиной 10 - 15 мм можно сделать примерно за одну минуту.

Заключение.

«Мир звука младенца»

Мир полон звуков, причем для младенцев этот мир гораздо шире, чем для взрослых. Иногда этот мир звуков заполнен массой посторонних шумов, которые ставят перед малышом трудную задачу, - отличить единственный нужный звук матери или другого человека из всего окружающего шума, говорят ученые из Университета Вашингтона. "Дело в том, что младенцы слышат все частоты одновременно, причем так, что они могут отвечать на неожиданные звуки, подражая им", сообщает Линн Вернер, профессор речи и слуха в Университете Вашингтона, опубликовавшая свои результаты исследования в майском выпуске Журнала Акустического Общества Америки. Наверное, по этой причине, младенцы до года сначала издают звуки, похожие на писк и визг, которые исходят отовсюду, но в других диапазонах звука, не доступных для восприятия взрослому человеку. Эти звуки являются преобладающими в общем потоке звуковой информации, поэтому, ребенок именно им и подражает. По мере взросления, грань звукового восприятия сужается и тогда ребенок начинает подражать звукам взрослых, развивая речь.

В реальной жизни мы сопоставлены с массой разновидностей звуков. Так или иначе мозг взрослого человека собирает все звуки, которые мы слышим, и определяет, откуда они исходят, и затем сосредотачивается на тех, которые мы хотим слышать и к которым привыкли. Взрослые обычно слышат в узком диапазоне звука, в то время как младенцы, используют различный подход к звуковому восприятию информации. Они пока не имеют избирательной преимущественной сосредоточенности на звуках взрослых, и поэтому они не обращают постоянного внимания на какие-то отдельные объекты - источники звука, все время их меняя. "Они всегда, слушают широкополосный набор частот или даже все частоты одновременно", говорит Вернер. Усовершенствования звукового восприятия продолжаются до 10 летнего возраста, когда слух ребенка в среднем сопоставим слуху взрослому.

Чтобы далее понять, как слышат младенцы, Вернер изучила 73 младенцев в возрасте от 7 до 9 месяцев и 40 взрослых в возрасте от 18 до 30 лет. Все они имели нормальный слух. Они были подвергнуты индивидуально искусственным звуковым воздействиям машины, генерирующей звуковые колебания частот в диапазоне 1000 герц. Машина издавала звуки, подобные тоновому набору номера телефона или меняющиеся статически. Иногда тон или шум были сыграны в одном звуке, замаскированные помехами. Звуки были сыграны на различных уровнях громкости, чтобы понять, могли ли они быть обнаружены в этом случае и влияет ли уровень громкости на восприятие. Испытуемые слышали звуки через наушник, вставленный на правую ушную раковину. Компьютер беспорядочно производил четыре различных типа звуков. При этом младенцы были предварительно обучены отвечать, если они слышали звук. Младенцы были помещены на коленях матери, а оба они находились в звуконепроницаемой кабине, в которой также находился и помощник, задача которого состояла в поддержке внимания ребенка и развлечении его, управляя игрушками перед ним. Помощник и мать одевали наушники и слушали звуки маскировки, гарантируя тем самым, что они не могли слышать никаких звуков, представленных ребенку. Наблюдатель вне кабины, следил за реакцией ребенка на звуковые сигналы через окно на мониторе, транслирующем сигнал с видеокамеры. Младенцы вознаграждались за ответ на звуковой сигнал запуском механической игрушки. Обычно младенцы реагировали на звук изменением физической реакции. Также гарантией того, что они что-то слышали, являлись изменения в их мимике лица или резко обращенный взгляд на мать.

Взрослые проверялись подобным способом, сидя по одному в кабине. Им говорили, чтобы они поднимали руку, когда они слышали какой-то звук.

Вернер говорит, что "на младенцах среднего возраста лучше обнаруживаются шумы, чем тоновые звуки. Преимущество младенцев в восприятии звуков по сравнению со взрослыми было оценено в среднем в 15 децибел". Кроме того, Вернер заметил, что предварительное испытание психометрической функции у 11 младенцев показало, что степень обнаружения широкополосного шума не поддерживает идею, предложенную некоторыми учеными, по которой младенцы уделяют больше внимания широкополосному шуму, чем узкополосному.

"Если Вы - младенец, Вы слышите в широкополосном диапазоне звука, что было необходимо нашим древним первобытным предкам для выживания", говорит Вернер. "Но в современной западной культуре младенец находится в большом дискомфорте. Весь шум, которым мы подвергаем воздействию людей, делает наши собственные звуки трудными для восприятия младенцев. Практический урок от этого исследования состоит в том, что если Вы говорите с младенцем или читаете ему историю или сказку, посторонние помехи в виде пения птиц, включенного телевизора или радио, звуков машин с улицы или дребезжания дрели соседа, могут быть проблемой для восприятия того, что Вы ему читаете. Поэтому, Ваша задача - выключить все возможные источники звуков и оградить ребенка от других посторонних внешних шумов хорошей звукоизоляцией.


Используемая литература.

1. Вили К. «Биология». - М.: Мир, 1968.

2. Дубровский И. М., Егоров Б. В., Рябошапка К.П. «Справочник по физике». - Киев: Наукова думка, 1986.

3. Кикоин И.К. «Физика»: учеб. для 9 кл. сред. шк. - 3-е изд. - М.: Просвещение, 1994.

4. Кошкин Н. И., Ширкевич М.Г. «Справочник по элементарной физике», 10-е изд., М.: Наука, 1988.

5. Льоццы М. «История физики». - М.: Мир, 1970.

6. Мясников Л.Л. «Неслышимый звук».

7. Пирс Дж. «Почти всё о волнах». - М.: Мир, 1976.

8. «Разговор муравьев». "Наука и жизнь", 1978, N0.1, стр. 141

9. «Энциклопедия»/ Сост. Б. В. Зубков С. В. Чумаков. 2-е изд., М.: Педагогика, 1987.