VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Музыкальный тон и шумы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Источники звука. Звуковые колебания.
Акустика – это раздел физики, занимающийся изучением звука, его свойствами, звуковыми явлениями.
Причина звука - вибрация (колебания) тел, хотя эти колебания зачастую незаметны для нашего глаза.
Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах. Волны, которые вызывают ощущение звука, с частотой от 16 Гц до 20 000 Гц называют звуковыми волнами (в основном - продольные).
Опыт с линейкой:
Материалы: линейка, стол.
Последовательность действий:
1.Положи линейку на стол так, чтобы половина её свешивалась с края стола.
2.Тот конец, который лежит на столе, крепко прижми рукой, зафиксировав на месте. Другой рукой приподними свободный конец линейки (только не очень сильно, чтобы не сломать) и отпусти.
3. Прислушайся к получившемуся гудящему звуку.
4.Теперь немного продвинь линейку, так, чтобы уменьшить длину свешивающейся части. Опять согни и отпусти линейку.
5.Продвинь линейку еще дальше.
Научное объяснение.
Гудящий звук производит вибрация той части линейки, которая свешивается за край стола. Та часть, которая прижата к столу, не может вибрировать и поэтому не издает звуков вообще. Чем короче вибрирующий конец линейки, тем более высокий звук получается, чем длиннее – тем ниже звук.
Источники звука бывают:
1.Естествеенные (Голос, шелест листьев, журчание ручейка и т.д.)
2. Искусственные (Струна, мембрана, колокол, камертон и т.д.)
Камертон- был изобретен в 1711 г. английским музыкантом Дж. Шором. Инструмент предназначен для фиксации и воспроизведения эталонной высоты звука, которая также называется словом «камертон». В исполнительской практике применяется для настройки музыкальных инструментов, хористов и др. Существуют механические, акустические и электронные камертоны.
Не всякое колеблющееся тело является источником звука!
Например, не издает звука колеблющийся грузик, подвешенный на нитке или пружине
Чтобы услышать звук, необходимо:
1. источник звука;
2. упругая среда между ним и ухом;
3. определенный диапазон частот колебаний источника звука – между 16 Гц и 20 кГц,
4. достаточная для восприятия ухом мощность звуковых волн.
Музыкальные звуки издают различные музыкальные инструменты. Источники звука в них разные, поэтому музыкальные инструменты делятся на несколько групп:
Ударные – бубны, барабаны, ксилофоны и т.д. (Здесь колеблются от удара палочки или руки натянутый материал, металлические пластинки и т.д.);
Духовые – флейты, горны и фанфары, кларнеты, валторны, трубы (колебания столба воздуха внутри инструмента
Струнные – скрипка, гитара и т.д.
Клавишные – пианино, клавесины (колебания струн вызывается здесь ударом по ним молоточков);
Нотная запись звуков
Если принять за единицу число колебаний в основном тоне, то число колебаний в частичных тонах выразятся натуральным рядом чисел. Такой ряд звуков называется натуральным звукорядом.
Шум
Шум – звуковые волны с беспорядочным набором апериодичных колебаний различной громкости и частоты.
Энергетическая характеристика шума
|
№ |
Источник звука |
Громкость (децибелы) |
|
1. |
Зимний лес в безветренную погоду |
0 |
|
2. |
Тихий шепот на расстоянии |
10 |
|
3. |
Тикают часы, капает вода из крана |
20 |
|
4. |
Сельская местность |
30 |
|
5. |
Тихий разговор, читальный зал |
40 |
|
6. |
Машбюро |
60 |
|
7. |
Шум оживленной улицы |
70 |
|
8. |
Крик |
80 |
|
9. |
Отбойный молоток |
90 |
|
10. |
Тяжелый грузовик, большой оркестр |
100 |
|
11. |
Оркестр поп - музыки |
110 |
|
12. |
Гром |
120-130 |
|
13. |
Шум взлетающего самолета |
120-140 |
|
14. |
Старт космической ракеты |
150-174 |
|
15. |
Выстрел винтовки |
160 |
|
16. |
Выстрел из орудия |
170 |
Шумы бывают:
(по типам):
1.Стационарный — характеризуемый постоянством всех параметров (интенсивности, мощности и т.п.).
2.Квазистационрный — шум, являющийся следствием действия множества автономных источников, таких как толпа, море, ветер и т.п.
3.Нестационарный — шум, длящийся на коротком временном отрезке. Например, шум проехавшего мимо автомобиля, какие-то случайные помехи и т. д.
(по частотной характеристике):
1.Низкочастотный
2.Среднечастотный
3.Высокочастотный
(по временной характеристике):
1.Постоянный
2.Непостоянный
(по цветам):
1.Белый 4.Коричневый 7.Серый
2.Розовый 5.Синий
3.Зеленый 6.Фиолетовый
Так же существуют и другие цвета шумов, например: черный, оранжевый, но они редко используются в практике.
Белый Шум
Белый шум — стационарный шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены. Примерами белого шума являются шум близкого водопада.
Розовый Шум
Розовым шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты. Его интерпретацией является шум далёкого водопада или летнего дождя.
Зеленый Шум
Зелёный шум — шум естественной среды. Подобен розовому шуму с усиленной областью частот в районе 500 Гц.
Коричневый Шум
Коричневый шум является обозначением естественного шума, характерного для больших водоёмов — морей и океанов, поглощающих высокие частоты. На слух воспринимается более «тёплым», чем белый.
Синий Шум
Синий шум — вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 3 дБ на октаву. На слух синий шум воспринимается более резким, нежели белый.
Фиолетовый Шум
Фиолетовый шум — вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 6 дБ на октаву. Спектр фиолетового шума зеркально противоположен спектру коричневого.
Серый Шум
Спектр серого шума получается, если сложить спектры коричневого и фиолетового шумов.
Влияние шума на человека
Ультразвук
Ультразвук - это распространяющееся волнообразно колебательное движение, которое совершают частицы среды. Ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях. В природе встречается и как компонент множества естественных шумов (водопада, дождя, в сопровождающих разряды грозы звуках и т. д. Им пользуются некоторые виды животных для ориентировки в пространстве, обнаружения препятствий, например: дельфины, у них может быть большая мощность излучаемых локационных сигналов. Известно, что дельфины способны обнаруживать косяки рыб, находящиеся на расстоянии до километра от них
Излучатели (источники) ультразвука
1.Генераторы, в которых колебания возбуждаются из-за наличия в них препятствий, установленных на пути движения постоянного потока - струи жидкости или газа. 2.Электроакустические преобразователи, которые превращают заданные колебания тока или электрического напряжения в механическое колебание, совершаемое твердым телом, излучающее акустические волны в окружающую среду.
Применение ультразвука
1.Ультразвук в медицине:
В хирургии
В стоматологии
В исследовании внутренних органов
2. Очистка с помощью ультразвука
3. Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов
4. Ультразвук в радиоэлектронике
Очистка с помощью ультразвука
При ультразвуковой очистки остается не более 0,5 % загрязнений. Серьезная проблема - загрязнение воздуха. Можно использовать ультразвуковой способ очистки воздуха и газа в газоотводах независимо от влажности среды и температуры. Если УЗ-излучатель поместить в пылеосадочную камеру, в сотни раз увеличится эффективность ее действия. Беспорядочно движущиеся в воздухе пылинки сильнее и чаще ударяются друг о друга под действием ультразвуковых колебаний. При этом размер их увеличивается за счет того, что они сливаются. Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц. Специальными фильтрами улавливаются утяжеленные и укрупненные их скопления.
Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов
Ультразвук может проделывать различные работы. Для абразивных зерен источником энергии являются продольные колебания. Они и разрушают обрабатываемый материал. Движение подачи (вспомогательное) может быть круговым, поперечным и продольным. Обработка с помощью ультразвука имеет большую точность. В зависимости от того, какую зернистость имеет абразив, она составляет от 50 до 1 мк. Используя инструменты разной формы, можно делать не только отверстия, но также и сложные вырезы, криволинейные оси, гравировать, шлифовать, изготовлять матрицы и даже сверлить алмаз. Используемые как абразив материалы - корунд, алмаз, кварцевый песок, кремень.
Ультразвук в радиоэлектронике
Ученые нашли удачное решение, предложив использовать ультразвуковые линии задержки (сокращенно - ЛЗ). Их действие основано на том, что электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые механические колебания. Скорость ультразвука существенно меньше, чем та, которую развивают электромагнитные колебания. Импульс напряжения после обратного преобразования в электрических механических колебаниях будет задержан на выходе линии относительно импульса входного. Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи используют для преобразования колебаний электрических в механические и обратно. ЛЗ соответственно этому делятся на пьезоэлектрические и магнитострикционные.
Ультразвук в хирургии
Кавитация и сильное нагревание при больших интенсивностях приводят к разрушению тканей. Фокусный ультразвук используют для хирургических операций, что позволяет осуществлять локальные разрушения в самых глубинных структурах (к примеру, мозга), не повреждая при этом окружающие. В хирургии также используются ультразвуковые инструменты, в которых рабочий конец имеет вид пилки, скальпеля, иглы. Колебания, накладываемые на них, придают новые качества этим приборам. Требуемое усилие значительно снижается, следовательно, уменьшается травматизм операции. К тому же проявляется обезболивающий и кровоостанавливающий эффект. Воздействие тупым инструментом с применением ультразвука используется для разрушения появившихся в организме некоторых видов новообразований. Воздействие на биологические ткани осуществляется для разрушения микроорганизмов и используется в процессах стерилизации лекарственных средств и медицинских инструментов.
Исследование внутренних органов
В основном речь идет об исследовании брюшной полости. Ультразвук может применяться для нахождения и распознавания различных аномалий тканей и анатомических структур. Ультразвук полезен при исследовании печени и для решения других задач, к которым относится обнаружение непроходимости и заболеваний желчных протоков, а также исследование желчного пузыря для выявления наличия в нем камней и других патологий. В области гинекологии, главным образом при анализе яичников и матки, применение ультразвука является в течение длительного времени главным направлением, в котором оно осуществляется особенно успешно. Зачастую здесь также нужна дифференциация доброкачественных и злокачественных образований, что требует обычно наилучшего контрастного и пространственного разрешения. Подобные заключения могут быть полезны и при исследовании множества других внутренних органов.
Применение ультразвука в стоматологии
Ультразвук также нашел свое применение и в стоматологии, где он используется для удаления зубного камня. Он позволяет быстро, бескровно и безболезненно снять налет и камень. При этом слизистая полость рта не травмируется, а "карманы" полости обеззараживаются. Вместо боли пациент испытывает ощущение теплоты.
Инфразвук
Инфразвук (от лат. infra — ниже, под) – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом. Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, поэтому он способен распространятся на огромные расстояния в воздухе, в воде и в земной коре.
Инфразвук в воде
Инфразвук может порождаться морем в результате периодических сжатий и разрежений воды. В этом случае инфразвук называют «голос моря». «Голос моря» может предупредить о приближающемся шторме. Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. На краю «колокола» у медуз расположены примитивные слуховые колбочки, способные воспринимать инфразвуки с частотой 8-13 Гц. Они слышат шторм за сотни километров и за 20 часов до того, как он достигнет этой местности, и уходят на глубину.
Естественными источниками инфразвуковых волн является не только шторм, но и цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гром.
К основным техногенный источникам инфразвука относится мощное оборудование (станки, котельные, транспорт), подводные и подземные взрывы, ветряные электростанции и даже вентиляционные шахты.
Инфразвук в медицине
В современной медицине используются не мало оборудования, применяющего для лечения инфразвук. В основном инфразвук применяется при лечении рака и глазных заболеваниях.
Сложность применения инфразвука в медицине обусловлена, тем, что он оказывает губительное воздействие на организм человека. Нужно провести большое количество испытаний, потратить множество лет работы, чтобы найти подходящие параметры воздействия.
Влияние инфразвука на человека
Инфразвук негативно влияет на здоровье людей, особенно на психическое здоровье.
Наш мозг, работая, колеблется с разными частотами, в зависимости от вида деятельности. Мозг спящего человека колеблется с частотой 0,3-4 Гц, мозг бодрствующего человека – с частотой 9-13 Гц. Если на наш мозг будут действовать колебания той же или очень близкой частоты, то произойдет сбой работы мозга, сопровождаемый галлюцинациями.
Инфразвук может воздействовать на центральную нервную систему, поэтому люди под действием инфразвука испытывают неприятные ощущения: от угнетенности до панического страха.
Инфразвуковое оружие
Инфразвуковое оружие – один из видов ОМП (оружие массового поражения), основанное на использовании направленного излучения мощных инфразвуковых колебаний. Это излучение способно проникать даже через бетонные стены и металлические преграды. В США разработали 4 вида инфразвукового оружия (на картинке – вид инфразвукового оружия, предназначенное для одиночного бойца). Планируется, что инфразвуковое оружие войдет в военное применение
станет атрибутом американских полицейских.
Список литературы
1.Сивухин, Д.В. Общий курс физики, т.т. 1-5 / Д.В. Сивухин.- М.: Высшая школа, 2018
2. Савельев, И.В. Курс физики, т.т. 1-5 / И.В.. Савельев. - М.: Наука, 2016.
3. Кирьянов, А.П., Кубарев, С.И., Разинова, С.М. Общая физика. Сборник задач: Учебное пособие / А.П. Кирьянов, С.И. Кубарев, С.М. Разинова, И.П. Шапкарин. - М.: КноРус, 2017.
4. Гартман, З. Занимательная физика, или Физика во время прогулки / З. Гартман. - М.: ЛИБРОКОМ, 2017.