Mums apkārt ir daudz cilvēku skaņas avoti: mūzikas un tehniskie instrumenti, cilvēka balss saites, jūras viļņi, vējš un citi. Skaņa vai, citiem vārdiem sakot, skaņas viļņi– tās ir vides mehāniskās vibrācijas ar frekvencēm 16 Hz – 20 kHz(sk. § 11-a).

Padomāsim par pieredzi. Noliekot modinātāju uz paliktņa zem gaisa sūkņa zvana, pamanīsim, ka tikšķēšana kļūs klusāka, taču joprojām būs dzirdama. Izsūknējuši gaisu no zvana apakšas, skaņu vispār pārtrauksim dzirdēt. Šis eksperiments apstiprina, ka skaņa pārvietojas pa gaisu un nepārvietojas vakuumā.

Skaņas ātrums gaisā ir salīdzinoši liels: tas svārstās no 300 m/s pie –50°C līdz 360 m/s pie +50°C. Tas ir 1,5 reizes lielāks nekā pasažieru lidmašīnu ātrums. Šķidrumos skaņa izplatās daudz ātrāk, bet cietās vielās - vēl ātrāk. Piemēram, tērauda sliedēs skaņas ātrums ir » 5000 m/s.

Apskatiet gaisa spiediena svārstību grafikus cilvēka mutē, kas dzied skaņas “A” un “O”. Kā redzat, vibrācijas ir sarežģītas, kas sastāv no vairākām vibrācijām, kas atrodas viena uz otru. Tajā pašā laikā skaidri redzams galvenās svārstības, kuru frekvence ir gandrīz neatkarīga no runātās skaņas. Vīriešu balsij tas ir aptuveni 200 Hz, sieviešu balsij - 300 Hz.

l max = 360 m/s: 200 Hz » 2 m, l min = 300 m/s: 300 Hz » 1 m.

Tātad balss skaņas viļņa garums ir atkarīgs no gaisa temperatūras un balss pamatfrekvences. Atceroties zināšanas par difrakciju, mēs sapratīsim, kāpēc cilvēku balsis ir dzirdamas mežā, pat ja tās ir bloķētas ar kokiem: skaņas ar viļņu garumu 1–2 m viegli izliecas ap koku stumbriem, kuru diametrs ir mazāks par metru.

Veiksim eksperimentu, kas apstiprinās, ka skaņas avoti patiešām ir oscilējoši ķermeņi.

Paņemsim ierīci dakša– uz kastes bez priekšējās sienas uzmontēta metāla slaida labākai skaņas viļņu izstarošanai. Ja ar āmuru trāpīsit pa kamertona skrota galiem, tas radīs “tīru” skaņu, ko sauc mūzikas tonis(piemēram, pirmās oktāvas nots “A” ar frekvenci 440 Hz). Pavirzīsim skanošu kamertonu pretī vieglai bumbiņai uz auklas, un tā uzreiz atsitīsies uz sāniem. Tas notiek tieši kamertonis katapulta galu biežās vibrācijas dēļ.

Iemesli, no kuriem atkarīga ķermeņa vibrācijas biežums, ir tā elastība un izmērs. Jo lielāks ķermeņa izmērs, jo zemāka frekvence. Tāpēc, piemēram, ziloņi ar lielām balss saitēm izdala zemas frekvences skaņas (bass), bet peles, kuru balss saites ir daudz mazākas, izdala augstas frekvences skaņas (čīkst).

No elastības un izmēra ir atkarīgs ne tikai tas, kā ķermenis skanēs, bet arī tas, kā tas uztvers skaņas un reaģēs uz tām. Tiek saukta strauja svārstību amplitūdas palielināšanās parādība, kad ārējās ietekmes biežums sakrīt ar ķermeņa dabisko frekvenci. rezonanse (lat. “saprātīgi” – atbildu). Veiksim eksperimentu, lai novērotu rezonansi.

Novietosim divas vienādas kamertones blakus, pagriežot tās vienu pret otru tajās kastu malās, kur nav sienu. Sitīsim ar āmuru pa kreiso kamertonu. Pēc sekundes mēs to noslīcināsim ar rokām. Dzirdēsim otrā kamertona skaņu, kurai netrāpījām. Viņi saka, ka pareizais kamertonis rezonē, tas ir, tas uztver skaņas viļņu enerģiju no kreisās kamertonis, kā rezultātā palielina savu vibrāciju amplitūdu.

Svārstības– tās ir kustības vai procesi, kam raksturīga noteikta atkārtojamība laika gaitā.

Svārstību periods T– laika intervāls, kurā notiek viena pilnīga svārstība.

Svārstību frekvence– pilno svārstību skaits laika vienībā. SI sistēmā to izsaka hercos (Hz).

Svārstību periods un biežums ir saistīti ar attiecību

Harmoniskās vibrācijas- tās ir svārstības, kurās svārstību lielums mainās atbilstoši sinusa vai kosinusa likumam. Nobīde tiek dota ar

Amplitūda (a), periods (b) un svārstību fāze(ar) divi svārstīgi ķermeņi

Mehāniskie viļņi

Viļņos sauc par periodiskiem traucējumiem, kas laika gaitā izplatās telpā. Viļņi ir sadalīti gareniski un šķērsvirzienā.

Elastīgos viļņus gaisā, kas cilvēkiem izraisa dzirdes sajūtas, sauc par skaņas viļņiem vai vienkārši skaņu. Audio frekvenču diapazons ir no 20 Hz līdz 20 kHz. Viļņus, kuru frekvence ir mazāka par 20 Hz, sauc par infraskaņu, un tos, kuru frekvence pārsniedz 20 kHz, sauc par ultraskaņu. Kāda veida elastīgas vides klātbūtne skaņas pārraidei ir obligāta.

Skaņas skaļumu nosaka skaņas viļņa intensitāte, tas ir, viļņa pārnestā enerģija laika vienībā.

Skaņas spiediens ir atkarīgs no skaņas viļņa spiediena svārstību amplitūdas.

Skaņas (toņa) augstumu nosaka vibrācijas frekvence. Zemas vīriešu balss (basa) diapazons ir aptuveni no 80 līdz 400 Hz. Augstas sieviešu balss (soprāna) diapazons ir no 250 līdz 1050 Hz.

Skaņu rada mehāniskas vibrācijas elastīgos nesējos un ķermeņos, kuru frekvences ir diapazonā no 20 Hz līdz 20 kHz un kuras cilvēka auss spēj uztvert.

Attiecīgi šo mehānisko vibrāciju ar norādītajām frekvencēm sauc par skaņu un akustisku. Nedzirdamas mehāniskās vibrācijas, kuru frekvences ir zemākas par skaņas diapazonu, sauc par infraskaņu, un ar frekvencēm, kas pārsniedz skaņas diapazonu, tās sauc par ultraskaņu.

Ja zem gaisa sūkņa zvana tiek novietots skanošs korpuss, piemēram, elektriskais zvans, tad, izsūknējot gaisu, skaņa kļūs arvien vājāka un beidzot apstāsies pilnībā. Vibrāciju pārnešana no skanošā ķermeņa notiek pa gaisu. Atzīmēsim, ka savu svārstību laikā skanošais ķermenis pārmaiņus saspiež ķermeņa virsmai blakus esošo gaisu un, gluži pretēji, šajā slānī rada vakuumu. Tādējādi skaņas izplatīšanās gaisā sākas ar gaisa blīvuma svārstībām vibrējošā ķermeņa virsmā.

Muzikālais tonis. Skaļums un augstums

Skaņu, ko mēs dzirdam, kad tās avots veic harmoniskas svārstības, sauc par mūzikas toni vai, saīsināti, toni.

Jebkurā mūzikas tonī pēc auss var atšķirt divas īpašības: skaļumu un augstumu.

Vienkāršākie novērojumi mūs pārliecina, ka jebkura noteiktā augstuma toņus nosaka vibrāciju amplitūda. Pēc to sitiena kamertona skaņa pakāpeniski izzūd. Tas notiek kopā ar svārstību slāpēšanu, t.i. ar to amplitūdas samazināšanos. Stiprāk uzsitot kamertoni, t.i. Piešķirot vibrācijām lielāku amplitūdu, mēs dzirdēsim skaļāku skaņu nekā ar vāju sitienu. To pašu var novērot ar stīgu un vispār ar jebkuru skaņas avotu.

Ja ņemam vairākas dažāda izmēra kamertones, nebūs grūti tās sakārtot pēc auss pieaugošā soļa secībā. Tādējādi tie tiks sakārtoti pēc izmēra: lielākā kamertonis dod zemāko skaņu, mazākā - visaugstāko. Tādējādi toņa augstumu nosaka vibrācijas biežums. Jo augstāka ir frekvence un līdz ar to, jo īsāks svārstību periods, jo augstāku skaņu mēs dzirdam.

Akustiskā rezonanse

Rezonanses parādības var novērot jebkuras frekvences mehāniskās vibrācijās, īpaši skaņas vibrācijās.

Novietosim divas vienādas kamertones vienu otrai blakus, kur kastīšu atveres, uz kurām tās ir uzstādītas, ir vērstas viena pret otru. Kastes ir vajadzīgas, jo tās pastiprina kamertonu skaņu. Tas notiek rezonanses dēļ starp kamertonu un kastē ietvertajām gaisa kolonnām; tāpēc kastes sauc par rezonatoriem vai rezonanses kastēm.

Sasitīsim vienu no kamertoniem un tad ar pirkstiem apslāpēsim. Mēs dzirdēsim, kā skan otrā kamertonis.

Ņemsim divas dažādas kamertones, t.i. ar dažādiem soļiem un atkārtojiet eksperimentu. Tagad katrs kamertons vairs nereaģēs uz citas kamertona skaņu.

Šo rezultātu nav grūti izskaidrot. Vienas kamertonis vibrācijas iedarbojas pa gaisu ar zināmu spēku uz otru kamertonu, liekot tai veikt savas piespiedu vibrācijas. Tā kā kamertonis 1 veic harmonisku svārstību, spēks, kas iedarbojas uz kamertonu 2, mainīsies saskaņā ar harmonisko svārstību likumu ar 1. kamertonis frekvenci. Ja spēka frekvence ir atšķirīga, tad piespiedu svārstības būs tik vājas. ka mēs viņus nedzirdēsim.

Trokšņi

Mēs dzirdam muzikālu skaņu (notīti), kad vibrācija ir periodiska. Piemēram, šāda veida skaņu rada klavieru stīga. Ja nospiežat vairākus taustiņus vienlaikus, t.i. izskan vairākas notis, tad mūzikas skaņas sajūta saglabāsies, bet skaidri parādīsies atšķirība starp līdzskaņām (ausai patīkamām) un disonējošām (nepatīkamām) notīm. Izrādās, ka tās notis, kuru periodi ir mazo skaitļu attiecībās, ir līdzskaņi. Piemēram, līdzskaņa tiek iegūta ar periodu attiecību 2:3 (piktā), 3:4 (kvanti), 4:5 (lielā trešdaļa) utt. Ja periodi ir saistīti kā lieli skaitļi, piemēram, 19:23, tad rezultāts ir disonanse - muzikāla, bet nepatīkama skaņa. Mēs vēl vairāk attālināsimies no svārstību periodiskuma, ja vienlaikus nospiedīsim daudzus taustiņus. Skaņa jau būs troksnim līdzīga.

Troksni raksturo spēcīga svārstību formas neperiodiskums: vai nu tās ir ilgstošas ​​svārstības, bet pēc formas ļoti sarežģītas (svilkšana, čīkstēšana), vai arī atsevišķas emisijas (klikšķi, sitieni). No šī viedokļa trokšņos jāiekļauj arī skaņas, kas izteiktas ar līdzskaņiem (šņākšana, lūpu utt.).

Visos gadījumos trokšņa vibrācijas sastāv no milzīga skaita harmonisku vibrāciju ar dažādām frekvencēm.

Tādējādi harmonisko vibrāciju spektrs sastāv no vienas frekvences. Periodiskām svārstībām spektrs sastāv no frekvenču kopas - galvenās un tās daudzkārtņu. Līdzskaņu līdzskaņās mums ir spektrs, kas sastāv no vairākām šādām frekvenču kopām, no kurām galvenās ir saistītas kā mazi veseli skaitļi. Disonanšu līdzskaņās pamatfrekvences vairs nav tik vienkāršās attiecībās. Jo vairāk dažādu frekvenču ir spektrā, jo tuvāk mēs nonākam troksnim. Tipiskiem trokšņiem ir spektri, kuros ir ārkārtīgi daudz frekvenču.

Fizikas ieskaite Mehāniskās vibrācijas un viļņi Skaņa 9. klases skolēniem ar atbildēm. Pārbaudē ir iekļautas 2 iespējas, katrā ir 12 uzdevumi.

1 variants

1. Ar brīvām svārstībām bumbiņa uz auklas pārvietojas no galējā kreisā stāvokļa uz galējo labo 0,1 s. Nosakiet bumbiņas svārstību periodu.

1) 0,1 s
2) 0,2 s
3) 0,3 s
4) 0,4 s

2. Attēlā parādīta uz atsperes piekārtas lodītes centra koordinātu atkarība no laika. Svārstību frekvence ir

1) 0,25 Hz
2) 0,5 Hz
3) 2 Hz
4) 4 Hz

3. Cik pilnīgas svārstības materiālais punkts pabeigs 10 sekundēs, ja svārstību frekvence ir 220 Hz?

1) 22
2) 88
3) 440
4) 2200

4. Kādos virzienos notiek svārstības garenvirziena vilnī?

1) visos virzienos

5. Attālums starp tuvākajām viļņu virsotnēm jūrā ir 6 m. Cik ilgi viļņi skar laivas korpusu, ja to ātrums ir 3 m/s?

1) 0,5 s
2) 2 s
3) 12 s
4) 32 s

6. Kāds vīrietis dzirdēja pērkona skaņu 10 sekundes pēc zibens uzliesmojuma. Nosakiet skaņas ātrumu gaisā, ja zibens iespērs 3,3 km attālumā no novērotāja.

1) 0,33 m/s
2) 33 m/s
3) 330 m/s
4) 33 km/s

7. Kādā vidē skaņas viļņi pārvietojas ar minimālo ātrumu?

1) Cietās vielās
2) Šķidrumos
3) Gāzēs
4) Visur vienādi

8. Kā sauc mehāniskās vibrācijas, kuru frekvence ir mazāka par 20 Hz?

1) Skaņa
2) Ultraskaņa
3) Infraskaņa

9. Nosakiet skaņas viļņa garumu gaisā, ja skaņas avota frekvence ir 200 Hz. Skaņas ātrums gaisā ir 340 m/s.

1) 1,7 m
2) 0,59 m
3) 540 m
4) 68 000 m

10. Kā mainīsies skaņas viļņa garums, kad tā avota svārstību frekvence samazināsies 2 reizes?

1) Palielināsies 2 reizes
2) Samazināsies 2 reizes
3) Nemainīsies
4) Samazināsies 4 reizes

11. Cilvēka auss uztveramās vibrācijas frekvences augšējā robeža ir 22 kHz bērniem un 10 kHz vecākiem cilvēkiem. Gaisā skaņas ātrums ir 340 m/s. Skaņa ar viļņa garumu 20 mm

1) dzirdēs tikai bērns
2) dzirdēs tikai vecs cilvēks
3) dzirdēs gan bērns, gan vecs cilvēks
4) nedzirdēs ne bērns, ne vecs cilvēks

12. Ieroča šāviena radītā atbalss sasniedza šāvēju 2 s pēc šāviena. Nosakiet attālumu līdz šķērslim, no kura notika atstarošana, ja skaņas ātrums gaisā ir 340 m/s.

1) 170 m
2) 340 m
3) 680 m
4) 1360 m

2. iespēja

1. Ar brīvām svārstībām bumbiņa uz auklas pārvietojas no galējās kreisās pozīcijas līdzsvara stāvoklī 0,2 sekundēs. Kāds ir bumbiņas svārstību periods?

1) 0,2 s
2) 0,4 s
3) 0,6 s
4) 0,8 s

2. Attēlā parādīta uz atsperes piekārtas lodītes centra koordinātu atkarība no laika. Svārstību amplitūda ir vienāda ar

1) 10 cm
2) 20 cm
3) -10 cm
2) -20 cm

3. Mērot cilvēka pulsu, 2 minūtēs fiksēti 150 asins pulsācijas. Nosakiet sirds muskuļa kontrakcijas biežumu.

1) 0,8 Hz
2) 1 Hz
3) 1,25 Hz
4) 75 Hz

4. Kādos virzienos svārstās šķērsviļņi?

1) visos virzienos
2) Pa viļņu izplatīšanās virzienu
3) Perpendikulāri viļņu izplatīšanās virzienam
4) Gan viļņu izplatīšanās virzienā, gan perpendikulāri viļņu izplatībai

5. Vilnis ar frekvenci 4 Hz virzās pa vadu ar ātrumu 6 m/s. Viļņa garums ir

1) 0,75 m
2) 1,5 m
3) 24 m
4) nav pietiekami daudz datu, lai atrisinātu

6. Kā mainīsies viļņa garums, kad tā avota svārstību frekvence samazināsies 2 reizes?

1) Palielināsies 2 reizes
2) Samazināsies 2 reizes
3) Nemainīsies
4) Samazināsies 4 reizes

7. Kādā vidē skaņas viļņi nepārvietojas?

1) Cietās vielās
2) Šķidrumos
3) Gāzēs
4) Vakuumā

8. Kā sauc mehāniskās vibrācijas, kuru frekvence pārsniedz 20 000 Hz?

1) Skaņa
2) Ultraskaņa
3) Infraskaņa
4) Neviena no atbildēm nav pareiza

9. Kamera izstaro 0,5 m garu skaņas vilni Skaņas ātrums ir 340 m/s. Kāda ir kamertonis vibrācijas frekvence?

1) 17 Hz
2) 680 Hz
3) 170 Hz
4) 3400 Hz

10. Cilvēka auss spēj uztvert skaņas ar frekvenci no 20 Hz līdz 20 000 Hz. Kāds viļņu garuma diapazons atbilst skaņas vibrāciju dzirdamības diapazonam? Ņemiet, ka skaņas ātrums gaisā ir 340 m/s.

1) No 20 m līdz 20 000 m
2) No 6800 m līdz 6 800 000 m
3) No 0,06 m līdz 58,8 m
4) No 0,017 m līdz 17 m

11. Kādas izmaiņas cilvēks pamana skaņā, palielinoties skaņas viļņa vibrāciju amplitūdai?

1) Paceliet piķi
2) Nolaižot piķi
3) Palieliniet skaļumu
4) Samaziniet skaļumu

12. Kādā attālumā no kuģa atrodas aisbergs, ja sonāra sūtītais ultraskaņas signāls tika saņemts atpakaļ pēc 4 sekundēm? Tiek pieņemts, ka ultraskaņas ātrums ūdenī ir vienāds ar 1500 m/s.

1) 375 m
2) 750 s
3) 3000 m
4) 6000 m

Atbildes uz fizikas testu Mehāniskās vibrācijas un viļņi Skaņa
1 variants
1-2
2-1
3-4
4-2
5-2
6-3
7-3
8-3
9-1
10-1
11-1
12-2
2. iespēja
1-4
2-1
3-3
4-3
5-2
6-1
7-4
8-2
9-2
10-4
11-3
12-3