Конспект урока: Механические волны. Звук

Звуковые волны

Человеческое ухо воспринимает только узкий диапазон механических волн, частота которых лежит в пределах от 16 Гц до 20 кГц. Колебания, частота которых лежит в этом диапазоне, называются звуковыми.
 

Обозначенные границы звукового диапазона не являются жёсткими, так как они зависят от индивидуальных особенностей каждого человека.

Упругие волны, частота которых меньше 16 Гц, называются инфразвуком, волны с частотой больше 20 кГц — ультразвуком.

Звук — это механическая волна, распространяющаяся в упругой среде: жидкости, газе или твёрдом веществе. Чем ближе молекулы среды друг к другу, тем быстрее распространяется звуковая волна, поэтому скорость звука в твёрдых телах будет намного больше, чем в воздухе. Скорость распространения звука в различных средах приведена в таблице 1.
 

Таблица 1. Скорость звука в различных средах
 

В жидкостях и газах звуковая волна представляет собой продольную волну; в твёрдых телах звук распространяется как в виде продольных, так и в виде поперечных волн.

Рис. 1. Камертон

Источником звуковой волны является колеблющееся 
тело — струна, камертон (рис. 1) или другое тело, частота колебаний которого лежит в пределах звукового диапазона частот. Источник звука человеческой речи — голосовые связки.
 

Понятно, что для передачи механической волны необходима упругая среда. По этой причине звук не может быть передан в безвоздушной среде — вакууме. Находясь на Земле, мы никогда не услышим взрывы, происходящие на Солнце.

Громкость, высота тона и тембр звука

Звук характеризуют такими параметрами, как громкость, высота тона и тембр. Для исследования этих характеристик используется установка, состоящая из микрофона, усилителя и осциллографа.

Рис. 2. Осциллограф

Микрофон представляет собой приёмник звука. Основная его функция — преобразование механических звуковых колебаний в колебания электрического напряжения. С помощью усилителя колебания передаются осциллографу (рис. 2) — прибору, который позволяет получить графическую зависимость напряжения от времени.

На экран осциллографа выводится изображение колебаний напряжения, соответствующих колебаниям звука.

Рис. 3. Экран осциллографа, отображающий колебания звука определённой частоты

В качестве источника звука используем камертон (рис. 3), который позволяет получать звук определённой частоты. Ударим по ветви камертона лёгким молоточком, в результате колебаний прибора мы услышим звук. Осциллограф покажет зависимость напряжения от времени, которая будет иметь форму синусоиды (рис. 3). Следовательно, колебания звука являются гармоническими.

Если ударить по ветви камертона с большей силой, мы услышим более громкий звук, кривая, отображаемая на экране осциллографа, будет иметь большую амплитуду. Можно сделать вывод, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний звуковой волны (от энергии звуковой волны). 

При этом если энергия звуковой волны увеличивается в 10 раз, человеческое ухо воспринимает это изменение как увеличение громкости в 2 раза. Это связано с тем, что громкость воспринимаемого звука зависит не только от амплитуды звуковой волны, но и от её частоты.

Каждый камертон позволяет получить звуковую волну определённой частоты. Такие звуки называют чистыми музыкальными. Звуки камертонов различаются по высоте тона.

Низкий человеческий голос называется басом — это звук, частота которого лежит в пределах от 70 до 300 Гц. Высокий голос называется сопрано — это звук, частота которого лежит в пределах от 300 до 1 400 Гц.
 

Струны гитары и других музыкальных инструментов колеблются с разной частотой, поэтому каждая из струн будет иметь свой тон.

Рис. 4. Экран осциллографа, отображающий колебания сложного звука музыкального инструмента

Попробуем сыграть одну и ту же ноту на разных музыкальных инструментах. В этом случае осциллограф покажет сложную периодически изменяющуюся кривую (рис. 4). Это связано с тем, что звук музыкального инструмента представляет собой совокупность колебаний с разными амплитудами и кратными частотами. Колебание с минимальной частотой и наибольшей амплитудой называется основным тоном, все остальные колебания — обертонами или гармониками (рис. 5). Высота основного тона определяет высоту сложного звука музыкального инструмента.

Рис. 5. Основной тон и обертоны сложного звука

Тембр звука — это окраска звука, отличительная черта каждого музыкального инструмента и каждого человеческого голоса. Уникальность каждого тембра определяется разным набором обертонов. Именно различные тембры позволяют нам различать голоса людей и легко отличать звуки разных музыкальных инструментов, играющих одну и ту же мелодию.

Итоги

• Звуковые волны — это упругие волны, частота которых лежит в пределах от 16 Гц до 20 кГц.
• Упругие волны, частота которых меньше 16 Гц, называются инфразвуком, а с частотой больше 20 кГц — ультразвуком.
• Громкость звука, воспринимаемого человеком, зависит от энергии звуковой волны (амплитуды колебаний) и частоты колебаний.
• Звуки, издаваемые телами, колеблющимися с определённой частотой, называют чистыми музыкальными.
• Сложный звук представляет собой совокупность основного тона и обертонов. Набор обертонов определяет тембр того или иного звука.