Исследование некоторых свойств звука и явлений с ними связанных

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

Личный портфель

Исследование некоторых свойств звука и явлений с ними связанных

Ошкварков П.В. 1
1МАОУ "Лицей №38"
Еделев А.Ю. 1
1МАОУ "Лицей №38"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение:

Меня со второго класса интересует музыка, а следовательно и звуки, потому что я пошел в музыкальную школу. Также звуки окружают нас повсюду, ведь уши такой же важный орган восприятия окружающего, как и зрение, и осязание, и обоняние. Поэтому, мне кажется, что почти каждому интересно узнать некоторые его свойства.

Таким образом, я, думаю, достаточно причин для изучения данного вопроса.

Цель:

Изучить звуковые волны их свойства, используя школьное и собственное оборудование. Изучить явление интерференции и биения звуковых волн.

Задачи

  1. Изучить явления интерференции.

  2. Изучить биения.

  3. Узнать значение резонатора для звука.

  4. Проанализировать звук разных музыкальных инструментов.

Методы исследования:

  1. Анализ данных из свободного доступа.

  2. Постановка эксперимента.

  3. Наблюдение и фиксация измерений

Актуальность описана выше.

Теоретическая часть

Звуковые волны - это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). Можно сказать, что звук это чередование областей сгущения и разрежения частиц. Не трудно сообразить, что в областях упругой среды, которые имеют почти нулевое смещение близко или равное нулю, а направление их скорости сонаправленно с движением волны будет область сгущения, а в областях, где смешение также равно или близко к нулю, но движение частиц противонаправлены будут области разряжения.

Частота - количество волнообразных колебаний, произошедших за секунду. Она определяет то, что мы называем высотой звука. Чем больше частота, тем выше звук. Частота измеряется в герцах. 1 герц - одно колебание в секунду. Человек способен воспринимать звуки от 20 до 20 000 герц. Все что ниже - инфразвук, выше - супер и гиперзвук. В музыкальных инструментах самым низким звуком обладает октобас, но это экспериментальный инструмент, а самым высоким скрипка, примечательно, что оба инструмента струнно-смычковые. Колебания бывают: линейные, нелинейные и релаксационные. Интересуют меня линейные колебания. Линейные колебания в свою очередь деляться на вынужденные и свободные. Свободные - силу проложили один раз, вынужденные - сила прикладывается постоянно. Также, колебания делятся на продольные и поперечные. Звук распространяется в воздухе только продольными колебаниями.

Перейдем к амплитуде.

Амплитудой называют максимальное смещение от положения равновесия (тишина).

Длина волны - Расстояние, между областями одинакового сжатия воздуха. Зависит от частоты, больше частота – короче волна и наоборот. Например: при частоте 440 герц, длина волны примерно 75 сантиметров. Длину волны можно найти по формуле: – скорость распространения волны умножить на период колебаний.

Тембр - окраска звука, его спектр, о спектре подробнее.

Спектр - сочетание всех приведенных выше понятий, с добавлением к ним, применяемой силы. Основой звука, с точки зрения спектра является его фундаментальная, или собственная частота. Все частоты, которые выше собственной частоты звука называют обертонами, они и придают звуку характерный тембр.

В свою очередь, обертоны могут быть гармоническими - кратные собственной частоте звука и негармоническим - чаще встречаются в реальном мире, заметно отклоняются от величин гармонических тонов. Тембр очень важен для музыки, ведь именно он определяет, то каким будет звук выходящий из инструмента - звонким или глухим, сильно влияет на звуковысотное восприятие человека.

Не менее важна громкость звука. Громкость - это субъективное восприятие звукового давления, которое оказывается на барабанную перепонку, позволяет различать звуки по шкале от тихих до громких, наиболее сильно громкость зависит от интенсивности звука, т.е от того какое количество энергии переносится за единицу времени через единицу площади поверхности(вт/м²), также громкость зависит и от других характеристик звуковой волны, таких как частота и форма колебаний. Единицей измерения громкости считается децибел.

Перейдем к явлениям, связанным со звуковыми волнами:

  1. Интерференция волн – это явление, возникающее при столкновении двух или более волн, распространяющихся в одной среде. Результатом интерференции волн является изменение формы среды, которое определяется результирующим влиянием двух или более отдельно взятых волн на частицы среды.

Например, если 2 волны будут сходится по фазе, то результирующая волна будет очевидно больше. Если волны будут расходится по фазе, они будут поглощать друг друга. Т.е. интерференцию можно считать алгебраическим сложением волн.

Следствием интерференции является биение - явление возникающее при наложение двух волн с близкими частотами, например при частотах 330 и 334 Гц. Человек воспринимает биения с частотой примерно 25 Гц и меньше. Применения биения находят при настройке музыкальных инструментов, например, мы дергаем струне фортепиано с нотой ля первой октавы и в это же время ударяем по камертону, чем меньше биений, тем ближе ля фортепиано к звуку камертона.

  1. Дифракция волн - явление огибания препятствий звуковыми волнами. Также говорят, что дифракция это проникновение волны в область геометрической тени. Дифракция проявляется только тогда, когда длин волны сравнима с размером препятствия.

Данные явления широко используются в проектировании концертных залов, при их строительстве также учитываются реверберация( процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях)звука и его диффузность(равномерность звукового поля).

Как я уже говорил, звук, производимый музыкальным инструментом состоит не из одной определенной частоты - он наполнен обертонами. Многие обертоны выражены числовыми соотношениям с основынм тоном, например интервал октава относится как 2/1. Это соотношение открыл Пифагор - он натянул струну и укоротил её в 2 раза, тем самым получив октаву, например для ноты ля с частотой 440 Гц будет ля следующей октавы фортепиано с частотой уже 880 Гц. Кроме того существуют и другие интервалы, например квинта - ⅔, кварта ¾ и т.д. Но пифагорейский строй таил в себе изъян разрешение которому найдут лишь в XVI веке. Вот в чем состоял изъян: Предположим, что мы взяли струну произвольной длины и она играет ноту «до». Теперь мы берем еще одну струну и вспоминаем пифагорово открытие — она будет короче, ее длина относится к длине первой как 2 к 3. Это будет нота «соль» — интервал между ними называется квинтой и считается одним из самых красивых созвучий. Потом можно взять струну, которая относится к «до» как 3 к 4. Это будет нота «фа», а интервал будет квартой. После этого можно настроить ноту «ре», взяв кварту от «соль» — струна для «ре» будет соотноситься со струной для «соль» как 4 к 3.

После этого можно взять «ля», отложив квинту от «ре» и взяв струну, которая короче струны для «ре» на треть. Или нет? Можно ведь взять «ля», использовав как эталон струну от «фа» и использовав соотношение 5 к 4. Если мы попробуем и так и эдак, то увидим, что «ля» получилась разная. Разница в нотах ля стала называться коммой.

Но вот, примерно с начала XVI века начались поиски новой системы и её нашли. Для этого комму “Размазали” по всем нотам, из-за этого все красивейшие интервалы стали менее красивыми, но ровно на столько, что человеческое ухо почти не заметили разницы, а комма исчезла. В современной темперированной системе полутон = частота звука от которого хотим получить полутон ⋅ (корень 12 степени из двух).

Практическая часть

Проводимые исследования.

Итак для этой работы я провёл 5 исследований:

  1. Зависимость колебаний графика от частоты сигнала.

  2. Зависимость вида графика от громкости звука.

  3. Звуковое явление интерференции.

  4. Биения

  5. Особенности звучания музыкальных инструментов.

  6. Начало исследования.

Для начала своего исследования я взял в кабинете физики цифровой датчик звука, установил специальную программу на свой домашний компьютер и подключил к нему датчик. Дома я нашёл водопроводную пластиковую трубу диаметром 11 см и длиной 1 метр, которая будет выступать в роли резонаторной полости в 3 опытe.

Фото № 1. Датчик звука, используемый в третьем опыте.

Фото № 2. Труба, используемая в третьем опыте.

1 исследование:

Для начала опыта я скачал на мобильный телефон приложение Oscope и произвел с помощью компьютера звуки с частотой 440 Гц и 880 Гц. Заметно что график с первым проигрыванием обладает меньшей частотой, чем второй.

Граф. № 1 - график звука с частотой 440 Гц, исследование 1.

Граф. № 2 - График с частотой 880 Гц, исследование 1.

2 исследование:

Во втором исследовании, я произвел звуки на том же компьютере, но с разной громкостью, пусть первый будет тихим, а второй громким. Заметно, что амплитуды графиков значительно отличаются.

Граф № 3. Звук с частотой 440 Гц, громкий. Исследование 2.

Граф № 4. Звук с частотой 440 Гц, тихий. Исследование 2.

3 исследование:

Для третьего опыта, как я и говорил понадобиться пластиковая труба, выступающая в качестве резонатора. Я помешаю телефон в трубу, он издает звук определенной частоты. По графикам видно, что звук значительно усиливается, т.е увеличивается амплитуда колебаний графика. Это объясняется явлением интерференции, т.е. звуковые волны, отражаясь от стенок трубы “накладываются” друг на друга и складываются тем самым усиливаясь. Также во время опыта, я заметил, что если закрыть одно из отверстий резонатора, звук станет ещё громче. При чём может получиться и так, что звук не усилится.

Граф № 5. Показывает разницу громкости звука при наличии резонаторной полости и её отсутствии. Исследование 3.

Граф № 6. Зависимость громкости звука с усилением резонаторной полости с двумя отверстиями, если одно из отверстий закрыто рукой.

Вывод: я изучил явления связанные со звуковыми волнами, оказалось. что если поместить источник звука в резонаторную полость, то его громкость усилится, а если закрыть одно из отверстий, то при наличии 2х из другого будет выходить ещё более громкий звук.

4 исследование.

Изучение биений.

Для проведения опыта я взял частоты звуков 442 Гц и 483 Гц (для того чтобы их биение полностью помещалось на графике). Области тихого звука и усиления звука можно спрогнозировать, если даны графики исходных частот.

Граф № 7. Совмещенные графики двух частот, для примерного предсказания областей уменьшения и увеличения громкости звука, при биениях. Исследование 4.

Граф № 8. Биения двух частот(442 и 483 Гц). Исследование 4.

Биения можно описать как довольно неприятный звук, который становиться то тише, то громче, это связано с тем, что разница производимых частот невелика и они сходятся то в фазе, то в противофазе, т.е то усиливают друг друга, то ослабляют. Также биения можно услышать при игре на баяне и аккордеоне на специальном регистре.

В ходе опыта и изучения дополнительной литературы я узнал о интересном явлении о котором раньше не догадывался, хотя уже 8 лет учусь играть на аккордеоне.

Исследование 5.

Тембры различных музыкальных инструментов.

Для проведения опыта я взял 4 музыкальных инструмента: гитару, аккордеон и блок - флейту. Затем, сыграл на каждом инструменте ноту ля первой октавы (440 Гц), потом воспользовался уже знакомым приложением Oscope. И проанализировал графики им построенные.

По графикам можно заметить, что звук у флейты наиболее простой звук.

Граф № 9. График звучания флейты.

У аккордеона самый сложный, если судить по форме графика.

Граф № 10. График звучания аккордеона.

Также стоит отметить количество обертонов в звуке аккордеона, их сложно сосчтитать, причем это все та же нота ля.

Граф № 11. Количество обертонов в звучании аккордеона.

Звук гитары по графику занимает среднюю позицию, в нем присутствуют обертоны.

Граф № 12. Количество обертонов в звучании гитары.

Граф № 13. График звучания гитары.

В ходе пятого исследования я узнал новую информацию о музыкальных инструментах. Разница их звучания связана с самыми фундаментальными техническими особенностями - способом звукоизвлечения.

Вывод:

В ходе проделанной работы я узнал много нового, хотя уже 8 лет занимаюсь музыкой, ведь раньше я не интересовался особенностями звука и звучания музыкальных инструментов. В ходе работы я узнал о биениях, явлении интерференции звука, познакомился со школьным оборудованием и с узнал о приложении Oscope, которое очень помогло мне в данной работе.

По итогу можно сказать, что работа получилась интересная и познавательная.

Список использованной литературы:

  1. https://www.yaklass.ru/p/fizika/9-klass/mekhanicheskie-kolebaniia-i-volny-18755/poperechnye-i-prodolnye-volny-dlina-volny-260612/re-ca5c6006-b2cb-4517-86b2-da5fdb26ab43

  2. Про звук https://nssound.ru/o-zvuke-i-zvukovykh-signalakh/zvuk-kak-osobyj-vid-mehanicheskih-kolebanij/#:~:text=%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%82%D1%81%D1%8F%20%D0%BD%D0%B0%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%B8,%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%83%D1%88%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%B1%D0%BE%D0%B2%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%83%D1%85%D0%B0.

  3. Проблемы Пифагорова строя: https://nauka.tass.ru/lyudi-i-veschi/6816707?utm_source=google.com&utm_medium=organic&utm_campaign=google.com&utm_referrer=google.com

  4. Явление интерференции и биения: https://www.audiomania.ru/content/art-4081.html

  5. Про тембр: https://www.musenc.ru/html/t/tembr.html

  6. Л.Д. Ландау и А.И. Китайгородский. “Физика для всех”.

  7. Энциклопедический словарь юного физика/

Э61 Сост. В.А. Чуянов. - М.: Педагогика, 1984. - 352с., ил.

Просмотров работы: 48