Мир звуков и красок

 

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:

 

Открытие электрона

Старое и новое об элементах и батареях

Почему скрипит мел, снег, а после снегопада тихо?

При каких условиях возникает полярное сияние?

Введение:

Человек живет в мире звуков. Звук это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, музыкальные инструменты, лесной шум, гром во время грозы. Звук рабочих машин, движущихся транспортных средств и т. д. 

Что такое звук? Как это возникает? Чем одни звуки отличаются от других? Люди хотели знать ответы на эти вопросы. 

Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.

Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он пришел к нам из какого-то источника. Учитывая этот источник, мы всегда найдем что-то колеблющееся в нем. 

Если, например, звук исходит из громкоговорителя, то в нем вибрирует мембрана легкий диск, закрепленный по его окружности. Если звук испускается музыкальным инструментом, то источником звука является колеблющийся столб воздуха и другие. 

Из истории

Звуки наши постоянные спутники. Они воздействуют на человека по-разному: они радуют и раздражают, успокаивают и пугают своим удивлением. 

В древние времена этот звук казался людям удивительным, загадочным продуктом сверхъестественных сил. Они верили, что звуки могут приручать диких животных, перемещать камни и горы, блокировать путь воды, вызывать дождь и совершать другие чудеса. 

Священники Древнего Египта, замечая удивительное влияние музыки на людей, использовали ее в своих целях. Ни один праздник не был полным без ритуальных песнопений. Позже музыка пришла в христианские церкви. 

Древние индейцы освоили высокую музыкальную культуру раньше других. Они разработали и широко использовали музыкальные обозначения задолго до того, как они появились в Европе. Их музыкальная гамма также состояла из семи нот, но их имена были разными: «са», «ре», «га», «ма», «па», «дха», «ни». Считалось, что каждый из них отражает определенное духовное состояние: "са" и "ма" мир и спокойствие, "га" и "дха" торжественность, "ре" гнев, "па" радость, "ни" печаль. 

Люди стремились понять и изучить звук с незапамятных времен. Греческий ученый и философ Пифагор, живший две с половиной тысячи лет назад, поставил различные эксперименты со звуками. Сначала он доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присущи длинным струнам. Когда струна укорачивается вдвое, ее звук возрастает на целую октаву. Открытие Пифагора положило начало науке об акустике. Первые звуковые устройства были созданы в театрах Древней Греции и Рима: актеры вставляли в свои маски маленькие рожки, чтобы усилить звук. Известно также использование звуковых устройств в египетских храмах, где были «шепчущие» статуи богов. 

Открытие гармоничных комбинаций звуков Пифагором и его учениками легло в основу более поздних представлений о так называемой гармонии Вселенной. Согласно этой концепции, небесные тела и планеты расположены относительно друг друга в соответствии с музыкальными интервалами и испускают «музыку сфер». Считалось, например, что Сатурн издает самые низкие звуки, звуки Юпитера можно сравнить с басом, Меркурий с фальцетом, Марс как тенор, Контральто Земли, Сопрано Венеры. Эта теория имеет долгую жизнь. Это было признано еще во времена Ренессанса, когда уже были получены первые полностью научные сведения о природе и движении планет. Отголоски этой теории можно найти в работах великого Кеплера, который открыл закон движения планет и сыграл огромную роль в развитии физики и астрономии. 

Есть так называемые вихревые звуки: свист ветра в проводах, такелаж корабля, ветки деревьев, вой в трубах, на гребнях скал, в расщелинах и узких оврагах. Люди давно использовали их для охоты, в повседневной жизни. В древнем Китае существовал обычай выпускать голубей с маленькими бамбуковыми палочками, привязанными к их хвостам. Воздушный поток, проходящий через трубу, вызвал легкий свист. Подобные звуки издаются тростниковой трубой, которая была прототипом флейты, возникшей в Древнем Египте. Позже он стал известен как флейта Пан в честь древнегреческого бога лесов. 

Легенда гласит, что когда-то в Иерусалиме была «звучащая» двурогая труба. Во время жертвоприношения разгорелся огонь, теплый воздух из которого устремился в трубу, заставляя ее выть. Мощные воющие звуки также раздавались, когда вихри от пламени пожаров во время осады города врывались в нее. 

В 1831 году в Пятигорске была построена беседка, которая называлась эолийской арфой. Внутри были две арфы, которые с помощью флюгера поворачивались против ветра и под воздействием воздушного потока издавали гармонические звуки. 

В Лондоне у собора Святого Павла есть большой, почти 50 метров в диаметре, круглый зал. Человек с одной стороны может говорить шепотом, а с другой стороны его прекрасно услышат. Ученые, после тщательного исследования, предоставили научное объяснение этому явлению. Получается, что при радиусе кривизны стены, равном 25 метрам, звук распространяется вдоль нее, как будто ползучий, и достигает слушателя практически без потерь. В этом случае звук не отражается в сторону. 

В некоторых музеях хранятся вазы с антикварными произведениями, основное назначение которых не художественное оформление, а отражение, усиление и концентрация звука. Изготовленные из алебастра, эти вазы были установлены в больших залах, театрах, на собраниях и даже на площадях. Ораторам не нужно было напрягать голоса: слушатели воспринимали речь во всем, пространство достаточно далеко. 

В 17 веке вместо ваз строители использовали прочные трубы в виде цементных труб. В частности, похожие звуковые линии можно найти в конструкциях, построенных по эскизам Растрелли. Так что собор Смольного монастыря весь в звуковых трубопроводах. Предполагается, что они также находятся в залах Зимнего дворца. 

По всей вероятности, такие гениальные акустические устройства были известны еще в древние времена. Легенда наделила сиракузского тирана Дионисия способностью слышать даже легкий шепот в своем дворце. В это нетрудно поверить, если предположить, что во дворце были керамические звукосборники и усилители. 

Что такое звук?

Что такое звук? Звук это механические колебания, распространяющиеся в упругих средах: газы, жидкости и твердые частицы, воспринимаемые органами слуха. 

Давайте рассмотрим примеры, объясняющие физическую природу звука. Струна музыкального инструмента передает свои вибрации окружающим частицам воздуха. Эти вибрации будут распространяться все дальше и дальше, и когда они достигнут уха, они будут вызывать вибрацию барабанной перепонки. Мы услышим звук. Таким образом, то, что мы называем звуком, это быстрое изменение, частицы воздуха не двигаются, они только колеблются, попеременно смещаясь в одну сторону, а другую на очень короткие расстояния. 

Но изолированных вибраций одного тела не существует. В каждой среде в результате взаимодействия между частицами вибрации передаются все большему числу частиц, т.е. в среде распространяются звуковые волны. 

Другой простой пример колебательного движения колебание маятника. Если маятник отклоняется от своего положения равновесия, а затем освобождается, то он будет совершать свободные колебания. Под действием силы тяжести маятник возвращается в исходное положение, по инерции он проходит начальную точку и поднимается вверх, а сила тяжести замедляет его движение. В точке максимального отклонения маятник становится и через мгновение начнет двигаться в противоположном направлении. Циклы колебаний маятника непрерывно повторяются. 

Колебания могут быть периодическими, когда изменения повторяются через равные промежутки времени, и непериодическими, когда нет полного повторения процесса изменения. Среди периодических колебаний гармонические колебания играют очень важную роль. В зависимости от процесса различаются механические колебания, электрический ток и напряжение звуковой вибрации. 

Наиболее видимые волны на поверхности воды. Если вы бросите камень в воду, сначала появится депрессия, затем поднимется вода, а затем появятся волны, которые последовательно сменяют друг друга гребни и впадины. Увеличиваясь вдоль фронта, они распространяются во всех направлениях, но отдельные частицы не движутся вместе с волнами, а колеблются только в небольших пределах вокруг определенного фиксированного положения. Это можно увидеть, например, наблюдая, как на волнах подпрыгивает щепка. Он будет подниматься и опускаться, т.е. колебаться, пропуская под ним бегущую волну. 

Волны продольные и поперечные; в первом случае колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны, во втором через нее. 

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

Общая акустика изучает вопросы происхождения, распространения и поглощения звука.

Физическая акустика связана с изучением самих звуковых вибраций, и в последние десятилетия она также охватила вибрации, выходящие за пределы слышимости (ультразвук). В то же время она широко использует различные методы преобразования механических колебаний в электрические и наоборот. Что касается звуковых колебаний, то ряд проблем в физической акустике включает в себя изучение физических явлений, определяющих определенные качества звука, различимые на слух. 

Электроакустика, или техническая акустика, занимается приемом, передачей, приемом и записью звуков с использованием электрических устройств.

Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойства материалов, покрывающих стены и потолки и т. Д. И т. д. это относится к слуховому восприятию звука. 

Музыкальная акустика исследует природу музыкальных звуков, а также музыкальные настроения и системы. Мы различаем, например, музыкальные звуки (пение, свист, звон, звучание струн) и шумы (треск, стук, скрип, шипение, гром). Музыкальные звуки проще, чем шумы. Комбинация музыкальных звуков может создавать ощущение шума, но никакая комбинация не будет производить музыкальный звук. 

Гидроакустика (морская акустика) изучает явления, происходящие в водной среде, связанные с излучением, приемом и распространением акустических волн. Он включает разработку и создание акустических устройств, предназначенных для использования в водной среде. 

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

Физиологическая акустика исследует возможности органов слуха, их строение и действие. Она изучает формирование звуков органами речи и восприятие звуков органами слуха, а также вопросы анализа и синтеза речи. Создание систем; Способность анализировать человеческую речь является важным этапом проектирования машин, особенно роботизированных манипуляторов и электронных компьютеров, подчиняющихся устным инструкциям оператора. Устройство синтеза речи может быть очень экономичным. Если по международным телефонным каналам передаются не сами речевые сигналы, а коды, полученные в результате их анализа, и речь выводится на выходе линий, следовательно, канал может передавать в несколько раз больше информации. Правда, абонент не услышит настоящий голос собеседника, но слова будут такими же, что были сказаны в микрофон. Конечно, это не совсем подходит для семейных разговоров, но это удобно для деловых разговоров, а именно, они перегружают каналы связи. 

Биологическая акустика рассматривает вопросы звукового и ультразвукового общения животных и изучает механизм локализации, который они используют, также исследует проблемы шума, вибрации и борьбы за улучшение окружающей среды.

Звук и слух

Основными физическими характеристиками любого колебательного движения являются период и амплитуда колебаний, а также зависимость от частоты звука и интенсивности колебаний.

Период колебаний это время, в течение которого происходит полное колебание, когда, например, маятник качается из крайнего левого положения. Частота колебаний это число полных колебаний (периодов) за одну секунду. Эта единица называется герц (Гц). Частота является одной из основных характеристик, по которым мы различаем звуки. Чем выше частота вибрации, тем выше высота тона. 

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

До 500 Гц мы можем различить уменьшение или увеличение частоты, даже 1 Гц. На более высоких частотах наши слуховые аппараты становятся менее восприимчивыми к таким небольшим изменениям частоты. Таким образом, после 2000 Гц мы можем отличить один звук от другого только тогда, когда разница в частоте составляет не менее 5 Гц. С меньшей разницей звуки покажутся нам одинаковыми. Однако практически нет правил без исключения. Есть люди с необычайно хорошим слухом. Одаренный музыкант может ощутить изменение звука только частью вибрации. 

Понятие длины волны связано с периодом и частотой, т. е. с расстоянием между двумя гребнями (или впадинами). Четкое представление об этом понятии дают волны, распространяющиеся по поверхности воды. 

Звуки могут отличаться друг от друга и по тембру. Это означает, что звуки одной и той же высоты могут звучать по-разному, поскольку основной тон звука обычно сопровождается второстепенными тонами, которые всегда имеют более высокую частоту. Они придают дополнительный цвет основному звуку и называются обертонами. Другими словами, тембрально-качественная характеристика звука. Чем больше обертонов применяется к основному тону, тем богаче звучит музыка. Если основной звук сопровождается близкими по тону обертонами, то сам звук будет мягким, бархатистым. Когда обертоны намного выше основного тона, в голосе или звуке появляется металличность. 

Слуховые органы благодаря своему замечательному устройству легко отличают одну вибрацию от другой, голос любимого человека или знакомство от голосов других людей. Поэтому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, страх, страх опасности все это можно услышать, даже не видя, кому принадлежит голос. 

Схема восприятия звука

Амплитуда колебаний является наибольшим отклонением от положения равновесия при гармонических колебаниях. В примере с маятником амплитуда это его максимальное отклонение от положения равновесия в крайнее левое или правое положение. Амплитуда вибрации определяет интенсивность (силу) звука. Громкость связана с интенсивностью звука. Чем выше интенсивность звука, тем он громче. Однако понятия громкости и интенсивности не совпадают. Громкость звука это мера силы слухового ощущения, вызванного звуком. 

Звук одинаковой интенсивности может создавать разные слуховые восприятия у разных людей. Так, например, звуки одинаковой интенсивности, но разной высоты, воспринимаются ухом с различной громкостью, в зависимости от характеристик слухового аппарата. Мы не воспринимаем как очень слабые, так и очень сильные звуки. У каждого человека есть так называемый порог слуха, который определяется самой низкой интенсивностью звука, необходимой для слышимого звука. 

Звуки, которые лучше всего воспринимаются по частоте, также лучше различаются по громкости. На частоте 32 Гц три звука различаются по громкости, на частоте 125 Гц 94, а на частоте 1000 Гц 374. Увеличение не является неограниченным. Начиная с частоты 8000 Гц количество слышимых звуков уменьшается по громкости. Например, на частоте 16000 Гц человек может различить только 16 звуков. 

Человек перестает слышать звуки очень высокой интенсивности и воспринимает их как чувство давления или боли. Эта звуковая сила называется болевым порогом. Исследования показали, что интенсивность, с которой звуки разных частот вызывают боль, различна. 

Если звук увеличится в миллион раз, громкость увеличится только в несколько сотен раз. Оказалось, что ухо преобразует силу звука в громкость по сложному логарифмическому закону, защищая свои внутренние части от чрезмерных воздействий. Есть еще одна особенность человеческого уха. Если звук той же или близкой к нему частоты добавляется к звуку определенной громкости, то общая громкость будет меньше, чем математическая сумма той же громкости. Звучащие одновременно звуки, кажется, компенсируют или маскируют друг друга. А звуки, которые сильно отличаются друг от друга по частоте, не влияют друг на друга, а их громкость оказывается максимальной. Композиторы используют этот паттерн для достижения величайшей силы звучания оркестра. 

Как уже упоминалось, звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. Волны не возникают в безвоздушном пространстве. Это легко проверить простым опытом. Если электрический звонок находится под герметичным колпаком, из которого был удален воздух, мы не услышим никакого звука. Но как только капот наполняется воздухом, появляется звук. 

Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В древние времена воины прислушивались к земле и таким образом обнаруживали вражескую конницу намного раньше, чем они появлялись в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи писал в 15 веке: «Если вы, находясь в море, положите отверстие трубы в воду, а другой конец к уху, вы услышите шум кораблей, очень далеких от ты.

Скорость распространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов была установлена ​​пушка, а на другом наблюдательный пункт. Время было обнаружено как во время снимка (по вспышке), так и во время получения звука. Исходя из расстояния между точкой наблюдения и пистолетом и времени возникновения сигнала, скорость распространения звука больше не трудно вычислить. Это оказалось равным 330 метрам в секунду. 

В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки были расположены на расстоянии 13847 метров друг от друга. На первом под колоколом был подвешен колокол, а на втором в воду был спущен простой гидрофон (гудок). На первой лодке порох был подожжен в то же время, когда прозвенел звонок, для второй, в момент вспышки, наблюдатель запустил секундомер и стал ждать звукового сигнала от звонка. Оказалось, что звук распространяется в воде более чем в 4 раза быстрее, чем в воздухе, то есть со скоростью 1450 метров в секунду. 

Чем выше упругость среды, тем выше скорость: в резине50, в воздухе330, в воде1450 и в стали 5000 метров в секунду. Если бы мы, находясь в Москве, могли так громко кричать, что звук достиг Санкт-Петербурга, нас бы услышали там только через полчаса, и если бы звук распространялся на такое же расстояние в стали, он был бы получен через две минуты. 

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

Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определенному правилу: угол отражения равен углу падения. Звуковые волны выходят из воздуха почти полностью отражается от поверхности воды вверх, а звуковые волны, исходящие от источника в воде, отражаются вниз от нее.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего исходного положения, т.е. 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, чем в первой, то угол преломления будет больше, чем угол падения, и наоборот. 

В воздухе звуковые волны распространяются в форме расходящейся сферической волны, которая заполняет все больший объем, поскольку вибрации частиц, вызванные источниками звука, передаются воздушной массе. Однако с увеличением расстояния вибрации частиц становятся слабее. Известно, что для увеличения дальности передачи звук должен быть сконцентрирован в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше слышали, мы прикладываем руки ко рту или используем мундштук. В этом случае звук будет меньше ослабляться, а звуковые волны будут распространяться дальше. 

С увеличением толщины стенки гидролокатор на низких средних частотах увеличивается, но «Коварный» резонанс совпадений, который вызывает удушье сонара, начинает проявляться на более низких частотах и ​​охватывает их более широкий диапазон.

Затухание звука также связано с тем, что звуковая волна постепенно теряет энергию из-за ее поглощения средой. Скорость поглощения снова определяется свойствами среды. В более вязких средах, таких как вата, резина, поглощение больше. Однако это также во многом зависит от частоты звука. Чем выше частота, тем больше поглощение. Звук при 10000 Гц поглощается в 100 раз больше, чем звук при 1000 Гц. Не случайно выстрел из пистолета кажется нам оглушительно острым крупным планом, более мягким и глухим на расстоянии. Это связано с тем, что звук выстрела пушки содержит как низкие, так и высокие частоты, а высокочастотные звуки поглощаются в воздухе больше, чем низкочастотные звуки. Находясь далеко от пушки, мы слышим звуки более низких частот, а звуки высоких частот не доходят до нас, они поглощаются. Еще более ярким примером, подтверждающим это явление, является звук отступающего оркестра. Сначала исчезают высокие звуки флейты и кларнета, затем средние корнеты и альты, и, наконец, когда оркестр уже очень далеко, слышен только большой барабан. 

На расстояние распространения звука большое влияние оказывает преломление, то есть изгиб звуковых лучей. Чем более неоднородна среда, тем больше изгибается звуковой луч. 

Дальность распространения звука в море обычно равна (в зависимости от мощности источника звука) десяткам или сотням километров. Но бывают случаи, когда он распространяется по так называемому подводному каналу, который чаще всего встречается в океане. Это область глубин, где скорость звука сначала уменьшается, и, достигнув минимума, она начинает увеличиваться. Физически это связано с большими зависимость распространения звука в морской воде от его температуры, солености и гидростатического давления.

С глубиной скорость звука уменьшается, но только до тех пор, пока температура воды уменьшается. Достигнув определенного уровня, скорость начинает увеличиваться из-за увеличения гидростатического давления. Верхняя и нижняя границы звукового канала имеют глубину с равными скоростями звука. Глубина с наименьшей скоростью распространения звука принимается за ось канала. 

Очень дальний источник звука в канале объясняется тем фактом, что звуковые лучи, почти полностью отражая от верхней и нижней границ звукового канала, не выходят за его пределы, а концентрируются и распространяются вдоль оси звуковой канал.

Заключение

«Чтобы лучше это понять, говорит академик Л.М. Бреховский, помните, как ведет себя усталый путешественник, он предпочитает придерживаться тенистой, прохладной стороны, нести на плечах как можно меньше груза и двигаться с минимальной скоростью. Ведь только в этом случае он сможет проехать максимальное расстояние. Звуковой луч в морской воде, как этот путешественник. Выходя из источника, он идет вверх от оси звукового канала. Чем выше, тем теплее, и луч поворачивает вниз, «в холод», и углубляется, пока не начнет «ощущать» вес растущего гидростатического давления. 

Американские ученые провели эксперимент в Атлантическом океане, подтверждающий слияние среды на дальность распространения звука. На глубине 500 метров каждый. Через некоторое время взрыв был зафиксирован на Бермудских островах, в 4500 км от места проведения эксперимента. Такой взрыв можно услышать в воздухе только на расстоянии 4 км, а в лесу не более 200 м.

Специалисты по созданию системы спасения Sophar использовали феномен распространения звука на большие расстояния в подводном звуковом канале. Небольшие бомбы весом от 0,5 до 2,5 кг сбрасываются с кораблей и самолетов, терпящих бедствие, которые взрываются на глубине оси звукового канала. Береговые посты занимают место взрыва и, следовательно, место катастрофы.