Что такое звук? Когда он возникает?

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Какого цвета нужно делать противотуманные фары?

Почему возникает эффект обратного вращения колеса?

Правда ли, что Земля замедляет ход?

Как измеряют кровяное давление?

Введение:

Звук это механические колебания, которые распространяются в эластичных средах газах, жидкостях и твердых телах и воспринимаются органами слуха.

Теперь давайте немного подумаем. Если, например, камень упал в горах, и поблизости не было никого, кто мог бы услышать звук его падения, был этот звук или нет? На вопрос можно ответить как положительно, так и отрицательно, так как слово «звук» имеет двойное значение. Поэтому необходимо договориться о том, что считать звуком физическим явлением в виде распространения звуковых колебаний в воздухе или ощущений слушателя. Первое по сути является причиной, второе следствием, в то время как первое понятие звука объективно, второе субъективно. 

В первом случае звук это действительно поток энергии, текущий как речной поток. Такой звук может изменить среду, через которую он проходит, и сам он изменяется. Во втором случае под звуком мы подразумеваем те ощущения, которые возникают у слушателя, когда звуковая волна воздействует на мозг через слуховой аппарат. Услышав звук, человек может испытывать разные чувства. Самые разнообразные эмоции вызывают в нас сложный комплекс звуков, который мы называем музыкой. Звуки составляют основу речи, которая служит основным средством общения в человеческом обществе. Наконец, существует такая форма звука, как шум. Анализ звука с точки зрения субъективного восприятия сложнее, чем с объективной оценкой. 

Распространение звука

Когда звуковая волна достигает любой точки пространства, частицы материи, которые ранее не совершали упорядоченных движений, начинают вибрировать. Любое движущееся тело, в том числе колеблющееся, способно выполнять работу, то есть обладает энергией. Следовательно, распространение звуковой волны сопровождается распространением энергии. Источником этой энергии является колеблющееся тело, которое излучает энергию в окружающее пространство (вещество). 

Органы слуха человека способны воспринимать вибрации с частотой от 15-20 герц до 16-20 тысяч герц. Механические колебания с заданными частотами называются звуковыми или акустическими (акустика исследование звука). 

Итак, звук это волновой колебательный процесс, который возникает в упругой среде и вызывает слуховые ощущения. Однако восприимчивость человека к звукам избирательна, поэтому мы говорим о слышимых и не слышимых звуках. Комбинация обоих обычно напоминает спектр солнечных лучей, в которых есть видимая область от красного до фиолетового и два невидимых инфракрасный и ультрафиолетовый. По аналогии с солнечным спектром звуки, которые не воспринимаются человеческим ухом, называются инфразвуками, ультразвуками и гиперзвуками. 

Что происходит в органах слуха с различными системами и процессами трансформации слуха? Рассмотрим структуру слуховой системы человека. 

Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового канала, соединяющих его с барабанной перепонкой. Основная функция внешнего уха заключается в определении направления на источник звука. Ушной канал, представляющий собой сужающуюся внутрь трубку длиной два сантиметра, защищает внутренние части уха и действует как резонатор. Ушной канал заканчивается барабанной перепонкой, мембраной, которая вибрирует звуковыми волнами. Именно здесь, на внешней границе среднего уха, происходит трансформация объективного звука в субъективный. За барабанной перепонкой находятся три маленькие кости, соединенные друг с другом: молоток, вкруг и стремянка, с помощью которых вибрации передаются во внутреннее ухо. 

Там, в слуховом нерве, они преобразуются в электрические сигналы. Небольшая полость, где расположены лодыжка, инк и стремя, заполнена воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой трубкой. Благодаря последнему, одинаковое давление поддерживается на внутренней и внешней сторонах барабанной перепонки. Обычно евстахиева труба закрыта и открывается только тогда, когда происходит внезапное изменение давления (при зевании, глотании) для выравнивания. Если евстахиева труба человека закрыта, например, из-за холода, то давление не выравнивается, и человек чувствует боль в ушах. 

Кроме того, вибрации передаются от барабанной перепонки к овальному окну, которое является началом внутреннего уха.

Сила, действующая на барабанную перепонку, равна произведению давления и площади барабанной перепонки.

Но настоящие таинства слуха начинаются с овального окна. Звуковые волны распространяются в жидкости (перилимфе), которой улитка заполнена. Этот орган внутреннего уха, имеющий форму улитки, имеет длину три сантиметра и разделен перегородкой на две части по всей своей длине. Звуковые волны достигают перегородки, огибают ее, а затем распространяются почти к тому же месту, где они впервые коснулись перегородки, но с другой стороны. 

Перегородка улитки состоит из базовой мембраны, которая очень толстая и плотная. Звуковые колебания создают волнообразные пульсации на его поверхности, в то время как гребни для разных частот лежат в совершенно определенных областях мембраны. 

Механические колебания преобразуются в электрические колебания в специальном органе (орган Корти), расположенном над верхней частью главной мембраны.

Текториальная мембрана расположена над органом Корти. Оба эти органа погружены в жидкость эндолимфу и отделены от остальной части улитки мембраной Рейснера. Волосы, растущие из кортиева органа, почти проникают сквозь текториальную мембрану, и когда появляется звук, они соприкасаются звук трансформируется, теперь он кодируется в виде электрических сигналов. 

Кожа и кости черепа играют важную роль в улучшении нашей способности воспринимать звуки, что обусловлено их хорошей проводимостью. Например, если вы прикладываете ухо к рельсу, то движение приближающегося поезда можно обнаружить задолго до того, как оно появится. 

Звуковые свойства и характеристики

Основными физическими характеристиками звука являются частота и интенсивность вибрации. Они также влияют на слуховое восприятие людей. 

Период колебаний это время, в течение которого происходит одно полное колебание. Примером является качающийся маятник, когда он перемещается из крайнего левого положения в крайнее правое положение и возвращается в исходное положение. 

Частота колебаний это число полных колебаний (периодов) за одну секунду. Эта единица называется герц (Гц). Чем выше частота вибрации, тем выше звук, который мы слышим, то есть звук имеет более высокую высоту звука. Согласно принятой международной системе единиц, 1000 Гц называется килогерц (кГц), а 1.000.000 мегагерц (МГц). 

Распределение частот: слышимые звуки в пределах 15–20 кГц, инфразвуки ниже 15 Гц; ультразвук в диапазоне 1,5 · 104 109 Гц; гиперзвуки в пределах 109 1013 Гц. 

Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 2000 до 5000 кГц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. Слух ухудшается с возрастом. 

Понятие длины волны связано с периодом и частотой колебаний. Длина звуковой волны это расстояние между двумя последовательными утолщениями или разрежениями среды. Для примера волн, распространяющихся по поверхности воды, это расстояние между двумя гребнями. 

Звуки также различаются по тембру. Основной тон звука сопровождается второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте (обертон). Тембр это качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается на основной тон, тем «сочнее» звучит музыкально. 

Второй основной характеристикой является амплитуда колебаний. Это наибольшее отклонение от положения равновесия при гармонических колебаниях. Например, с маятником его максимальное отклонение в крайнее левое положение или в крайнее правое положение. Амплитуда вибрации определяет интенсивность (силу) звука. 

Сила звука или его интенсивность определяется количеством акустической энергии, протекающей за одну секунду через площадь в один квадратный сантиметр. Поэтому интенсивность акустических волн зависит от величины акустического давления, создаваемого источником в среде. 

Громкость, в свою очередь, связана с интенсивностью звука. Чем выше интенсивность звука, тем он громче. Однако эти понятия не эквивалентны. Громкость это мера силы слухового ощущения, вызванного звуком. Звук одинаковой интенсивности может дать разным людям различное восприятие слуха. У каждого человека свой порог слуха. 

Человек перестает слышать звуки очень высокой интенсивности и воспринимает их как чувство давления и даже боли. Эта звуковая сила называется болевым порогом. 

Шум. Музыка. Речь

С точки зрения восприятия звуков органами слуха их можно разделить в основном на три категории: шум, музыка и речь. Это разные области звуковых явлений с информацией, специфичной для человека. 

Шум это случайная комбинация большого количества звуков, то есть слияние всех этих звуков в один противоречивый голос. Считается, что шум это категория звуков, которая беспокоит или раздражает человека. 

Люди могут выдержать только определенное количество шума. Но если проходит час или два, и шум не прекращается, то появляются напряжение, нервозность и даже боль. 

Звук может убить человека. В средние века была даже такая казнь, когда человека посадили под колокол и стали его избивать. Постепенно звон колокола убил человека. Но это было в средние века. В наше время появились сверхзвуковые самолеты. Если такой самолет пролетит над городом на высоте 1000-1500 метров, то стекло в домах лопнет. 

Музыка это особое явление в мире звуков, но, в отличие от речи, она не передает точных смысловых или языковых значений. Эмоциональное насыщение и приятные музыкальные ассоциации начинаются в раннем детстве, когда ребенок еще имеет словесное общение. Ритмы и мелодии связывают его с матерью, а пение и танцы являются элементом общения в играх. Роль музыки в жизни человека настолько велика, что в последние годы медицина приписывает ей целебные свойства. 

С помощью музыки вы можете нормализовать биоритмы, обеспечить оптимальный уровень активности сердечно-сосудистой системы.

Но остается только вспомнить, как солдаты вступают в бой. С незапамятных времен песня была неотъемлемым атрибутом солдатского марша. 

Речь является важнейшим средством мышления и общения людей. Речь состоит из более или менее продолжительных шумов и тонов, составляющих группы. Владение речью происходит даже в младенчестве, когда ребенок просто слушает и пытается воспроизвести самые простые и легко произносимые слова: «мама» и «папа». 

Законы распространения звука

К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.

На расстояние звукопоглощения влияет коэффициент звукопоглощения, то есть необратимая передача энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором также является направление излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и ее конкретного состояния. 

Акустические волны распространяются от источника звука во всех направлениях. Если звуковая волна проходит через относительно маленькое отверстие, она распространяется во всех направлениях и не направляется в направленном луче. Например, уличные звуки, проникающие в комнату через открытое окно, можно услышать во всех точках, а не только напротив окна. 

Распространение звуковых волн в препятствии зависит от соотношения размера препятствия и длины волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие и распространяется во всех направлениях. 

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, с какой среды поступает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше, чем угол падения, и наоборот. 

Когда они встречают препятствие на своем пути, звуковые волны отражаются от него согласно строго определенному правилу угол отражения равен углу падения это связано с понятием эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей на разных расстояниях, возникает многократное эхо. 

Звук распространяется в форме расходящейся сферической волны, которая заполняет все больший объем. С увеличением расстояния колебания частиц среды ослабевают, а звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук должен быть сконцентрирован в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем руки ко рту или используем мундштук. 

Дифракция, то есть изгиб звуковых лучей, оказывает большое влияние на диапазон распространения звука. Чем более неоднородна среда, тем больше звуковой луч изгибается и, соответственно, короче расстояние распространения звука. 

Инфразвук, ультразвук, гиперзвук

Инфразвук упругие колебания и волны с частотами ниже диапазона частот, слышимых человеком. Обычно в качестве верхнего предела инфразвукового диапазона принимается значение 15–4 Гц; такое определение является произвольным, поскольку при достаточной интенсивности слуховое восприятие также возникает на частотах в несколько Гц, хотя тональный характер ощущения исчезает, и различимы становятся только отдельные циклы колебаний. Нижний предел частоты инфразвука не определен. В настоящее время область его исследования распространяется примерно до 0,001 Гц. Таким образом, инфразвуковой частотный диапазон охватывает около 15 октав. 

Инфразвуковые волны распространяются в воздушной и водной среде, а также в земной коре (в данном случае они называются сейсмическими и изучаются сейсмологией). Инфразвуки также включают низкочастотные колебания крупногабаритных конструкций, в частности транспортных средств и зданий. 

Основной особенностью инфразвука из-за его низкой частоты является низкое поглощение. При распространении в глубоком море и в атмосфере на уровне земли инфразвуковые волны с частотой 10-20 Гц затухают на расстоянии 1000 км не более чем на несколько дБ (децибел). Из-за большой длины волны на инфразвуковых частотах в естественной среде мало рассеивается звук; заметное рассеяние создается только очень крупными объектами холмами, горами, большими зданиями и т. д.

Из-за низкого поглощения и рассеяния инфразвук может распространяться на очень большие расстояния. Известно, что звуки вулканических извержений, атомных взрывов могут многократно распространяться по всему земному шару, сейсмические волны могут пересекать всю толщу Земли. По тем же причинам инфразвук практически невозможно изолировать, и все звукопоглощающие материалы теряют свою эффективность на инфразвуковых частотах. 

Источниками инфразвука, связанного с деятельностью человека, являются взрывы, выстрелы, ударные волны от сверхзвукового самолета, акустическое излучение реактивных двигателей и т. д. любой очень громкий звук, как правило, несет с собой инфразвуковую энергию. Характерно, что процесс формирования речи сопровождается излучением инфразвука. Транспортные шумы как аэродинамического, так и вибрационного происхождения вносят значительный вклад в инфразвуковое загрязнение окружающей среды. 

Было установлено, что инфразвук с высоким уровнем интенсивности (120 дБ и более) оказывает вредное воздействие на организм человека. Инфразвуковые колебания еще более вредны, поскольку при воздействии на них могут возникать опасные резонансные явления отдельных органов. Мощный инфразвук может вызвать разрушение и повреждение конструкций и оборудования. В то же время инфразвук, благодаря своей большой дальности распространения, находит полезное практическое применение при изучении океанической среды, верхних слоев атмосферы, при определении места извержения или взрыва. Инфразвуковые волны, излучаемые подводными извержениями, предсказывают возникновение цунами. 

Ультразвук упругие волны с частотами приблизительно (1,5 2) · 104 Гц (15 20 кГц) до 109 Гц (1 ГГц); Диапазон частот волн от 109 до 1012 1013 Гц обычно называют гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно разделить на 3 диапазона: низкочастотный ультразвук (1,5 104 105 Гц), среднечастотный ультразвук (105 107 Гц), высокочастотный ультразвук (107 109 Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими характеристиками генерации, приема, распределения и применения. 

По своей физической природе ультразвук это упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуком и ультразвуковыми волнами является условной. Однако из-за более высоких частот и, следовательно, малых длин волн, существует ряд особенностей распространения ультразвука. 

Из-за малой длины волны ультразвука его природа определяется прежде всего молекулярной структурой среды. Ультразвук в газе, в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела, как правило, являются хорошими ультразвуковыми проводниками, затухание в них значительно меньше. Поэтому области применения ультразвука средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твердым веществам, и только низкие частоты используются в воздухе и газах. 

Ультразвуковые волны нашли наибольшее применение во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, медицине, в повседневной жизни ультразвук использовался для бурения нефтяных скважин и т. д. из искусственных источников ультразвук с интенсивностью несколько сотен Вт / см² может быть полученным. 

Ультразвук может излучаться и восприниматься животными, такими как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и т. д. летучие мыши издают короткие высокие звуки во время полета. В своем полете они руководствуются отражением этих звуков от объектов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только отголосками своей маленькой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвук). 

Гиперзвук это упругие волны с частотами от 109 до 1012 1013 Гц. По своей физической природе гиперзвук ничем не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Из-за более высоких частот и, следовательно, ниже, чем в ультразвуковой области, длины волн становятся гораздо более значимыми взаимодействиями гиперзвука с квазичастицами в среде с электронами проводимости, тепловыми фононами и т. д. гиперзвук также часто представляется в виде потока квазичастиц фононы. 

Заключение

Частотный диапазон гиперзвука соответствует частотам электромагнитных колебаний в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах (так называемые сверхвысокие частоты). Частота 109 Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре должна быть того же порядка, что и длина свободного пробега молекул в воздухе при тех же условиях.

Однако упругие волны могут распространяться в среде, только если их длина волны заметно больше, чем длина свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому гиперзвуковые волны не могут распространяться в газах (в частности, в воздухе) при нормальном атмосферном давлении.

В жидкостях ослабление гиперзвука очень велико, а дальность распространения мала. Гиперзвук относительно хорошо распространяется в твердых телах монокристаллах, особенно при низких температурах. Но даже в таких условиях гиперзвук способен преодолевать расстояние всего 1, максимум 15 сантиметров.