Звук вокруг нас

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Звук вокруг нас

Коваленко К.С. 1
1МБОУ "Лицей №17"
Назаренко О.Г. 1
1МБОУ "Лицей №17"

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Цель работы: Изучить звуки, вызывающие приятные и неприятные ощущения и их физические характеристики.

Задачи:

Выделить источники приятных и неприятных звуков вокруг нас;

Измерить громкость и частоту звуков в учебном заведении.

Получить спектры различных звуков и провести их анализ.

Актуальность работы:

Сегодня мы живём в мире звуков, в мире, где отсутствует абсолютная тишина. Не всегда звук действует на организм благотворно, он может вызывать дискомфорт и даже вызвать заболевания, поэтому наша работа актуальна для сегодняшнего дня.

Объект исследования:

Звук

Предмет исследования:

Спектры приятных и неприятных звуков.

Практическая значимость:

Изучая проблему влияния звука на человека, выявить, какие физические параметры соответствуют приятным, а какие неприятным для человека звукам.

Методы исследования:

Анализ литературы и ресурсов Интернета.

Эксперимент.

Построение графиков и диаграмм.

Анализ результатов.

1.Введение

Весь окружающий нас мир — это совокупность колебаний. Колеблется все, начиная от элементарных частиц и кончая галактиками. Колебания порождают волны, в частности звук. Человеческое ухо воспринимает очень узкий диапазон вибраций, но это не значит, что звуки, находящиеся за пределами нашего слуха, не воздействуют на наш организм — воздействуют вплоть до изменения структур тканей организма на молекулярном уровне. Раньше считалось, что звук  нейтрален в отношении воздействия на человека. Известен пример, когда на демонстрации первых паровых движителей, где стоял довольно-таки хороший шум, создатель машин Уайт стал его уменьшать. Присутствующие попросили его оставить всё как есть — шум понравился, особенно его фон и монотонность. Долгое время шум вообще считался обязательным спутником развития техники и успехов технологий. Мало кто предполагал, что это явление станет опасным для функционирования живых организмов, тем более, что человеку в некоторой степени присуща слуховая адаптация, которая, кстати, не защищает от потери слуха и иных патологических процессов в организме.

2. Звук и шум

2.1 Звук

Звуком называют регулярные и периодические колебания, а шумом — совокупность звуков различной силы и высоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих неприятные субъективные ощущения.

Энергетической характеристикой звука как механической волны является интенсивность. Но на практике для оценки звука удобнее использовать звуковое давление, которое дополнительно возникает при прохождении звуковых волн в жидкостях или газах. Рассмотренные характеристики звука являются объективными характеристиками, так как их можно оценивать с помощью приборов. В слуховом ощущении субъективно (звук оценивается человеком) различаются высота, громкость и тембр звука. Каждая из этих характеристик, в свою очередь, зависит от физических величин, имеющих объективный смысл: частоты и интенсивности звуковой волны.

Высота тона зависит от частоты колебаний. Чем больше частота, тем выше кажется звук. Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который, в основном, определяется частотами и амплитудами обертонов

Громкость звука зависит от интенсивности звука. Наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органами слуха называется порогом слышимости. Наибольшая интенсивность звуковой волны, при которой восприятие звука не вызывает болевого ощущения, называется порогом болевого ощущения или порогом осязания

Тембр – это характеристика звукового ощущения, которая определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Уровень интенсивности звука выражается в белах (Б). Если уровень какого-то звука на 1Б выше, чем у другого, то отношение интенсивностей этих звуков равно 10. Обычно уровни интенсивностей звуков выражают в децибелах (дБ):1 дБ=0,1 Б.

2.2 Шум

Физическая же сущность шума состоит в механическом колебании частиц среды, которые возникают в результате влияния любой возбуждающей силы. Говоря об опасности шума, прежде всего подразумеваются воздействия трёх его характеристик: интенсивность, продолжительность и частота. Все величины измеримы, и результаты измерений служат для определения степени опасности воздействия и оценки эффективных защитных мероприятий. Человеческое ухо выдерживает звуковое давление в диапазоне от 0.00002 (порог звукового восприятия) до 200 Па (порог болевого ощущения), или силу звука от 10-12—10-5 Вт/м2 и частоту 16—20 000 Гц. Болезни и возраст очень влияют на чувствительность.

Шум интенсивностью в 60—70 дБ улучшает показатели умственной деятельности, а более 80 дБ — снижает внимание и производительность труда.

Известно, что определённые звуковые частоты вызывают у людей чувство страха и панику, другие — останавливают сердце. В диапазоне частот 7—13 Гц звучит природная «волна страха», излучаемая тайфунами, землетрясениями и извержениями вулканов, побуждающая все живое покидать очаги стихийных бедствий. При помощи этого инфразвука можно довести человека до самоубийства. Звук с частотой между 7 и 8 Гц вообще чрезвычайно опасен. Теоретически такой, достаточно мощный, звук может разорвать все внутренние органы.

2.3. Влияние звука на человека

Неприязнь к отдельным звукам идет из первобытных времен. Например, плач ребенка прописан в человеке как событие, которое должно, в свою очередь, привести к каким-то действиям: укачать, покормить. А когда капает вода, мы думаем, что придется делать ремонт у соседей, если ее не остановить. Как правило, в основе неприятных звуков заложены какие-то тревожащие события.

Вообще, повторяющиеся звуки навязывают человеку некий ритм, который может быть для него абсолютно неприемлем, и возникает раздражение. А если изначально человек уже нервничает или утомлен, то для него это некий дополнительный стимул, не попадающий в резонанс, который дает какие-то тревожные знаки. Здесь речь идет про астенический синдром, когда у человека изменяется порог раздражительности. Вилка по тарелке и любой прибор по стеклу — это просто резкий звук. Человеку нравится тишина, в ней приятно, хорошо, а сильный звуковой стимул выбрасывает из мыслей, из стабильного состояния.

Итак, согласно выводам учёных десять самых неприятных звуков выглядит так:

Звук от ножа по бутылке;

Вилки по стеклу;

Мелом по доске;

Линейкой по бутылке;

Ногтем по доске;

Женский крик;

Звук шлифовальной машинки;

Визжащие тормоза;

Плач ребёнка;

Звук от электродрели.

Наиболее приятные звуки:

Аплодисменты;

Детский смех;

Гром;

Журчание воды

2.4. Опасные звуки и их воздействие

Инфразвук - упругие волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 16—25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона неопределенна. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей Гц, то есть с периодами в десяток секунд. Инфразвук содержится в шуме атмосферы, леса и моря. Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и орудийные выстрелы (Приложение 1).

Инфразвуковые колебания даже небольшой интенсивности вызывают тошноту и звон в ушах, уменьшают остроту зрения;

Колебания средней интенсивности могут стать причиной расстройства пищеварения, нарушения функций мозга с самыми неожиданными последствиями;

Инфразвук высокой интенсивности, влекущий за собой резонанс, приводит к нарушению работы практически всех внутренних органов, возможен смертельный исход из - за остановки сердца, или разрыва кровеносных сосудов;

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГц. Верхний предел ультразвуковых частот условно считают равным 109 - 1010 Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна. Источником ультразвука могут быть как естественные явления, так и искусственные установки - генераторы ультразвука. Естественными источниками УЗ являются животные, издающие ультразвук (кузнечики, саранча, сверчки, летучие мыши, дельфины). Все эти животные воспроизводят УЗ и воспринимают его специальными рецепторными аппаратами. Например, летучие мыши издают УЗ с частотой 70-80кГц. Издаваемые ими колебания отражаются от окружающих предметов и воспринимаются специальными механорецепторами как своеобразные сигналы о лежащих на пути препятствиях. С помощью своего ультразвукового локатора летучие мыши очень точно ориентируются в полете. Ультразвук воспринимают не только летучие мыши и некоторые насекомые, но и дельфины, киты, кошки, собаки, грызуны, лягушки. (Приложение 2).

Источником ультразвука может быть и неживая природа: шум ветра, водопады, морской прибой. Ультразвук возникает также при работе ракетных двигателей, некоторых двигателей и станков. В технике ультразвук получают с помощью устройств, называемые УЗ-излучателями (генераторы УЗ).

В зависимости от интенсивности, частоты, длительности УЗ вызывает разные биологические эффекты. При низкой интенсивности и длительности облучения УЗ вызывает чаще положительный эффект, при большой интенсивности и длительности - отрицательный.

Резонансзвука - частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, который проявляется в резком увеличении амплитуды стационарных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с определёнными значениями, характерными для данной системы. При резонансе амплитуда установившихся вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. Резонанс может быть вызван и действием звуковых волн.

Резонаторы присутствуют и в организм человека.  Источники звука в голосовом аппарате — голосовые связки (Приложение 3). Они приходят в колебание благодаря продуванию воздуха из лёгких и возбуждают звук, основной тон которого зависит от их натяжения. Этот звук богат обертонами.  Гортань усиливает те из обертонов, частота колебаний которых близка к её собственной частоте. Дальше звуковые волны попадают в полость рта. Полости глотки, рта, носа являются как бы продолжением гортани и называются верхними (головными) резонаторы. Те резонаторы, которые находятся ниже гортани – в грудной клетке — трахея, бронхи — нижние резонаторы (грудные).

Для произнесения каждой гласной необходимо особое положение губ, языка и определённая форма резонаторной полости во рту.

Собственные (резонансные) частоты некоторых частей тела человека. Следует принимать особые меры защиты против появления звуковых колебаний со следующими частотами:

20-30 Гц (резонанс головы)

40-100 Гц (резонанс глаз)

0.5-13 Гц (резонанс вестибулярного аппарата)

4-6 Гц (резонанс сердца)

2-3 Гц (резонанс желудка)

2-4 Гц (резонанс кишечника)

6-8 Гц (резонанс почек)

2-5 Гц (резонанс рук)

3.Шумомер

Шумомер — прибор для объективного измерения уровня звука. Шумомер содержит ненаправленный микрофон, усилитель, корректирующие фильтры, детектор, интегратор (для интегрирующих шумомеров) и индикатор.

Фактически шумомер представляет собой микрофон, к которому подключен вольтметр, отградуированный в децибелах. Поскольку электрический сигнал на выходе с микрофона пропорционален исходному звуковому сигналу, прирост уровня звукового давления, воздействующего, на мембрану микрофона вызывает соответствующий прирост напряжения электрического тока на входе в вольтметр, что и отображается посредством индикаторного устройства, отградуированного в децибелах. Общая схема шумомера выбирается так, чтобы его свойства приближались к свойствам человеческого уха.
Поскольку чувствительность уха зависит как от частоты звука, так и от его интенсивности, в шумомере используются несколько комплектов фильтров, отвечающих разной интенсивности шума. Фильтр А примерно используется при слабых уровнях шума, фильтр B — при сильных уровнях шума. Фильтр D был разработан для оценки авиационного шума.

4.Спектры звуков

Спектральным анализом называется определение амплитуд и частот (или отдельных частотных участков) колебаний, входящих в состав измеряемого сигнала.

Мною были получены спектры звуков, на которых отмечено распределение по частотам и уровням громкости сигналов. Я изучила неприятные звуки для человека: звонок, женский крик, плач ребёнка и шум на переменах, и для сравнения выбрала приятный звук – звук журчания воды. Анализ спектров позволил выделить основную и дополнительную громкость и частоты. Для чистоты эксперимента спектры были получены в одинаковых условиях, приемник звука располагался на расстоянии 1м от источника звука и спектры были построены с помощью одной компьютерной программы: Spectr.

Самая высокая громкость и частота у звонка, его основная максимальная громкость - 95Дб, частота – 818Гц, дополнительная максимальная громкость – 80Дб, частота – 5663Гц.(Приложение 5)

Самая низкая громкость и частота у журчания воды, основная максимальная громкость – 60Дб, частота – 150Гц, дополнительная максимальная громкость – 55Дб, частота – 1787Гц.

Спектр плача ребёнка имеет максимальную громкость 70Дб, и для дополнительного максимума 65Дб. Основная максимальная частота плача ребёнка – 236Гц, дополнительная – 2627Гц.

Шум на перемене имеет основную максимальная громкость – 95Дб, частота – 387Гц, дополнительную – 1636Гц, громкость – 80Дб.

5.Заключение

Я изучила материал по проблеме звука и шума. Рассмотрела виды звуков и их характеристики, явление резонанса. Изучила влияние звука на органы человека, выделила источники приятных и неприятных звуков вокруг нас.

Оказалось, что некоторые звуки оказывают полезное действие на человека - благотворно сказываются на его умственной деятельности. Шум громкость в 60—70 дБ улучшает показатели умственной деятельности, а более 80 дБ — снижает внимание и производительность труда. Два звука(журчание воды и плач ребёнка) практический совпадают основными частотами, но отличаются дополнительными частотами, что доказывает различие между приятными и неприятными звуками, приносящие разные впечатления о себе.

При анализе спектров оказалось, что и приятный звук (журчание воды) и неприятный звук (плач ребенка) имеют одинаковую громкость, благотворно влияющую на восприятие человека(60-70Дб), но разные частоты. И в целом воспринимаются, как приятный и неприятный звук.

В дальнейшем я планирую найти пары звуков, которые имеют одинаковую громкость и разные частоты, чтобы определить, какая частота звука вызывает у человека неприятные, а какая – приятные ощущения. Создать рекомендации по использованию таких звуков.

6.Литература

1.https://econet.ru/articles/64266-zvuki-kotorye-ubivayut

http://www.the-village.ru/village/city/asking-question/258434-ot-zvukov-ploho

https://www.epochtimes.ru/content/view/67201/7/

https://www.liveinternet.ru/users/2918592/post336758347

Кабардин О. Ф. и др. Факультативный курс физики: 10 кл.: Учеб. пособие для учащихся / О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Н. И. Шефер.— 3-е изд., перераб. — М.: Просвещение, 1987. — 208 с.

Приложение 1.

Основные источники инфразвуковых волн 

Источник инфразвука

Характерный частотный
диапазон инфразвука

Уровни инфразвука

Автомобильный транспорт

Весь спектр инфразвукового диапазона

Снаружи 70-90 дБ,
внутри до 120 дБ

Железнодорожный транспорт и трамваи

10-16 Гц

Внутри и снаружи
от 85 до 120 дБ

Промышленные установки аэродинамического и ударного действия

8-12 Гц

До 90-105 дБ

Вентиляция промышленных установок и помещений, то же в метрополитене

3-20 Гц

До 75-95 дБ

Реактивные самолеты

Около 20 Гц

Снаружи до 130 дБ

Приложение 2.

Верхняя граница частот (в кГц), воспринимаемых органом слуха:

чайки

8

кузнечик

100

лягушки

30

летучие мыши

150

собаки

60

бабочки

160

кошки

100

дельфины

200

Приложение 3.

Строение гортани, голосовые связки

Приложение 4.

Шум во время перемен и уроков.

Левое Крыло/Правое крыло

 

Понедельник

Вторник

Среда

Четверг

Пятница

Первый этаж

63/58Дб

75/82Дб

73/80Дб

80/74Дб

57/60Дб

Второй этаж

60/62Дб

64/76Дб

80/82Дб

75/82Дб

63/75Д

Третий этаж

71/68Дб

76/81Дб

70/75Дб

77/79Дб

69/75Дб

Четвёртый этаж

76/79Дб

68/65Дб

68/53Дб

57/80Дб

71/77Дб

В классе шум.

(Понедельник)

 

Во время урока

Во время перемен

Первый урок

67Дб

65Дб

Второй урок

70Дб

68Дб

Третий урок

72Дб

68Дб

Четвёртый урок

72Дб

69Дб

Пятый урок

80Дб

79Дб

Шестой урок

79Дб

81Дб

Приложение 5.

Измерение громкости и частоты звуков.

Звук

Основной максимальный

Дополнительный максимальный

Громкость (Дб)

Частота (Гц)

Громкость (Дб)

Частота (Гц)

1.

Звонок (1м)

95

818

80

43

30

5663

19143

258

2.

Плач ребёнка

70

236

65

15

22

2627

21

480

3.

Журчание воды (1м)

60

258

55

25

25

1787

1830

130

4.

Шум на переменах

80

387

70

36

22

1636

2217

950

Приложение 6

Звонок Плач ребёнка

Журчание воды Женский крик

Просмотров работы: 288