Свойства звука

Свойства звука

Экзаменационный реферат по физике

Свойства звука

Псков, 2011г.

Содержание

Введение

Основная часть

. Что такое звук?

2. Свойства звука

2.1    Высота звука

.2      Громкость звука

.3      Скорость звука

.3.1 Расчет скорости в жидкости и газе

.3.2 Скорость звука в твердых телах

2.3.3 Скорость звука в воде

.4      Акустический резонанс

. Использование звука

.1 Применение свойства отражения

.2 Применение свойства поглощения

.3 Научные достижения

. Воздействие шума на человека

. Борьба за тишину

Заключение

Ресурсы

Приложение

Введение

Звук мы ощущаем благодаря специальному органу слуха - уху. Этот орган является приемникомзвука -одного из видов информации, которую человек получает из окружающего мира помимо других органов чувств.

В современном мире звук и акустические свойства изучает множество наук, не имеющих на первый взгляд ничего общего. Это, в первую очередь, физика, а также гидроакустика, изучающая излучение, прием и распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океанах, морях, озёрах и т. д.) для целей подводной локации, связи и т. п.;акустика речи - теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.;музыкальная акустика - проблемы создания, распространения и восприятия звуков, используемых в музыке;биоакустика - теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.;психоакустика - основные законы слухового восприятия, определения связи объективных и субъективных параметров звука, определения законов расшифровки «звукового образа». Благодаря этим наукам мы можем узнать, каковы свойства звука,где ихможно применять,сколько он приносит пользы и сколько вреда человеку. В своей работе я изучил физическую природу звука, его физические свойства, практическое применение и воздействия на организм человека.

Экспериментальные модели новых разработок отечественных и зарубежных ученых, говорят о еще более широком применении звука в будущем,показывая актуальность данной темы.

Основная часть

1. Что такое звук?

Звук, с физической точки зрения- упругие волны, продольно распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; с точки зрения физиологии организмов - субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека. Для восприятия звука необходима среда, в которой он распространяется: твердая, жидкая или газообразная. В безвоздушном пространстве упругие волны не распротраняются.

Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка). Мы слышим звук потому, наши уши чувствительны к изменению давления воздуха - звуковым волнам. Когда мы хлопаем в ладоши, воздух между ладонями выталкивается и создается звуковая волна. Услышав звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника, в котором всегда есть что-то колеблющееся. Убедиться в этом несложно. Если поднести звучащий камертон к подвешенному на нити легкому бузиновому шарику и заставить его стержень касаться шарика, то шарик придет в колебательное движение.

2.Свойства звука

.1 Высота звука

Человеческий слух способен улавливать звуки с частотой от 16 до 20000 Гц (Гц - Герц - единица измерения частоты - количество колебаний в единицу времени). Но честно говоря, этот диапазон доступен не всем людям, средний человек слышит до 16-18 кГц. А с возрастом этот диапазон может ещё сокращаться. Всё что ниже 16 Гц - называется инфразвуком, авыше 20 кГц - ультразвуком.

Как Вы знаете, источником звучания инструмента является колебание струн, переходящее в колебание воздуха. Таким образом, толстые и длинные струны издают низкий (мягкий) звук, а вот тонкие и короткие - высокий.

.2 Громкость звука

Эту характеристику так же называютдинамикой и силой звука. Единица измерения - децибел (обозначается дБ). При этом если звук увеличивается в 2-а раза, это значит увеличение громкости звука на 10 дБ. Чрезмерная громкость звука вредна для человеческого здоровья, так вредный порог начинается с 90 дБ, а болезненный со 130 дБ, при этом звук более 180 дБ уже смертельно опасен.

Если мы приведем таблицу громкости, то будет видно, что рок-концерты обладают весьма существенной динамикой.

От сюда видно, что рок-концерты находятся во вредном диапазоне звучания. Именно поэтому во многих странах действую ограничения на громкость звука. В принципе на концерты мы ходим не каждый день, поэтому организм успешно справляется с таким стрессом.

.3 Скорость звука

Скорость звука - скорость распространения упругих волн в среде - как продольных в газах, жидкостях и твердых телах, так и поперечных (сдвиговых) в твердой среде. Определяется упругостью и плотностью среды. Скорость звука в газах, жидкостях и изотропных твёрдых средах обычно величина постоянная для данного вещества, в монокристаллах зависит от направления распространения волны и при заданных внешних условиях обычно не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда это не выполняется и скорость звука зависит от частоты.

.3.1Расчет скорости в жидкости и газе.

Скорость звука в однородной жидкости (или газе) вычисляется по формуле

где β - адиабатическая сжимаемость

ρ - плотность.

Данные выражения являются приближенными, поскольку основываются на уравнениях, описывающих поведение идеального газа. При больших давлениях и температурах необходимо вносить соответствующие поправки.

Для растворов и других сложных физико-химических систем (например, природный газ, нефть) данные выражения могут давать очень большую погрешность.(рис.3)

.3.2 Скорость звука в Твердых телах

В многофазных средах из-за явлений неупругого поглощения энергии скорость звука, вообще говоря, зависит от частоты колебаний. При достаточно высоких частотах, в такой среде возникают не только продольные и поперечные волны, но также и продольная волна II-рода. При частоте колебаний ниже частоты, скорость упругих волн может быть приблизительно оценена. При наличии границ раздела, упругая энергия может передаваться посредством поверхностных волн различных типов, скорость которых отличается от скорости продольных и поперечных волн. Энергия этих колебаний может во много раз превосходить энергию объемных волн.

2.3.3 Скорость звука в воде

В чистой воде скорость звука составляет 1 348 м/с.

Прикладное значение имеет также скорость звука в солёной воде океана. Скорость звука увеличивается в более солёной и более тёплой воде. При большем давлении скорость также возрастает, то есть чем глубже, тем скорость звука больше. Разработано несколько теорий распространения звука в воде.

При температуре 24 °C, солёности 35 промилле и нулевой глубине (пляж), скорость звука равна около 1 640 м/c. При T = 4 °C, глубине 100 м и той же солёности (подводная лодка на задании) скорость звука равна 1 570 м/с.

2.4 Акустический резонанс

Звуковые колебания, переносимые звуковой волной, могут служить вынуждающей, периодически изменяющейся силой для колебательных систем и вызвать в этих системах явление резонанса, т.е . заставить их звучать. Приведем простой пример. Камертон- как источник одной частоты. Сам по себе этот прибор дает очень слабый звук, потому что площадь поверхности колеблющихся ветвей камертона, соприкасающейся с воздухом, мала и в колебательное движение приходит слишком мало частиц воздуха. Поэтому камертон укрепляют так, чтобы частота его собственных колебаний была равна частоте звука, создаваемого камертоном. Благодаря резонансу стенки крепежа тоже начинают колебаться с частотой камертона. Это колебания большой амплитуды (резонанс), а крепеж называют -резонатор.

звук громкость акустика

3. Использование звука

Отражение звука - возвращение звуковой волны при встрече с границей раздела двух сред, обладающих различными плотностью и сжимаемостью, "обратно" в ту среду, из которой она подошла к границе раздела. Одно из проявлений отражения звука - эхо.

Распространение звука в помещениях, „ звучание ” помещений важно для строителей, музыкантов. По звуковым сигналам сейчас исследуют пути миграций перелетных птиц в биологи, рыбаки находят косяки рыб в океане.

Явление отражения ультра звука используется в дефектоскопе. Приборе позволяющим выявлять дефекты в изделиях. Дефектоскоп излучает ультра звук и регистрирует отраженный сигнал, ультра звук отражается от неровности в металле выявляя мельчайшие дефекты.

Ультразвуковое исследование (УЗИ) -исследование организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн. Составляющие системы ультразвуковой диагностики.

Ультразвуковой датчик

В качестве детектора применяется сложный датчик, состоящий из нескольких сотен мелких пьезокристаллических преобразователей, работающих в одинаковом режиме. В датчик вмонтирована фокусирующая линза, что дает возможность создать фокус на определенной глубине.

Виды датчиков

Все ультразвуковые датчики делятся на механические и электронные. В механических сканирование осуществляется за счет движения излучателя (он или вращается или качается). В электронных развертка производится электронным путем. Недостатками механических датчиков являются шум, вибрация, производимые при движении излучателя, а также низкое разрешение. Механические датчики морально устарели и в современных сканерах не используются. Используются три типа ультразвукового сканирования: линейное (параллельное), конвексное и секторное. Соответственно датчики ультразвуковых аппаратов называются линейные, конвексные и секторные. Выбор датчика для каждого исследования проводится с учетом глубины и характера положения органа.

Ультразвук обладает действием:

противовоспалительным, рассасывающим

аналгезирующим, спазмолитическим

кавитационным усилением проницаемости кожи

лечебное вещество при введении ультразвуком не разрушается

синергизм действия ультразвука и лечебного вещества.

.2 Применение свойства поглощения

Поглощение звука - ослабление интенсивности звука при прохождении его через какую-либо среду вследствие превращения энергии звуковой волны в другие виды энергии, напр. в теплоту.

Геологи с помощью ультразвука исследуют земную кору в поисках новых месторождений полезных ископаемых. Сейсмологи, изучая распространение звуков в земле, учатся предсказывать землетрясения и цунами. Для военных большое значение имеет профиль корпусов военных кораблей и подводных лодок, ведь это влияет на скорость движения корабля и на издаваемый им шум, который для подводных лодок должен быть минимальным.

Так же поглощение звука происходит в следствии рассеиванием звука неоднородностями среды. На распространение звуков высокой частоты, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: пузырьки газов, микроорганизмы и т. д.

Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации (процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях) сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания.

Пределы дальности распространения подводных звуков так же ограничиваются собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение:

·        часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя

·        другая часть связана с морской фауной (звуки, производимые гидробионтами: рыбами и др. морскими животными). Этим очень серьезным аспектом занимается биогидроакустика.

.3 Научные достижения

На основе достижений в изучении звуковых волн, появилась возможность использования звуковых волн в медицине. Благодаря новым изобретениям акустическим генераторам. Акустические генераторы способны создавать резонансные режимы с динамичной средой ДНК и исцелять больных. Генератор звука ударного действия совершенно оригинальной конструкции, изготовленный в виде механоакустического диска имеет широкий диапазон звучания, богатую полифонию, а также возможность настройки на заданные частоты оздоровления. Необходимо провести испытания дисковых генераторов разных типоразмеров для последующего их использования с целью оздоровления человека и экологизации среды его обитания. Здесь открываются чрезвычайно широкие возможности и перспективы. Исследователи делают только первые попытки проникнуть в суть явления, заглянуть за горизонт, за которым открываются новые широкие позитивные возможности для человека и экологии его обитания. Инициирование работ в этом направлении ведет к овладению звуковым гармонизированным пространством.

Создание звукового лазера, имеющий принцип работы. Колонна сделанной из чередующихся слоев арсенида галлия и арсенида алюминия. Когда луч лазера "ударял" в вершину колонны, возникающие звуковые волны заставляли электроны арсенида галлия туннелировать сквозь слой арсенида алюминия. Последовательные акты туннелирования усиливали звук определенной частоты, который дополнительно стимулировал процесс туннелирования. Однако в данном случае получался не столь чистый сазерный луч. Созданная установка может широко использоваться на практике. Так, в перспективе, при помощи лучей сазера возможно создавать приборы, способные разрешать микроскопические объекты намного эффективнее, чем это могут делать современные микроскопы.

Одно из направлений Электричество из звука. На первый взгляд прибор своей мигающей лампочкой напоминает R2D2 - незабываемого робота из Звездных войн. Однако, в действительности речь идет о термоакустическом генераторе. Машина обещает быть такой же эффективной, как топливный элемент и одновременно такой же дешевой как традиционный двигатель внутреннего сгорания.в первую очередь предназначен для обеспечения домашних хозяйств водой и электричеством. Кроме того, он мог бы перерабатывать отработанное тепло солнечных коллекторов и таким образом повышать их эффективность. Компьютерные модели прибора обещают более 40% КПД. Делается ставка на термоакустическую конструкцию: в герметической камере находится газ, через который при нагревании двигаются звуковые волны. Их интенсивность зависит от энергии, попадающей в камеру. Механическую энергию выводит из камеры не поршень, а металлическая пластина. Когда гелий, находящийся под давлением, нагревается, звуковые волны в газе усиливаются и приводят к колебаниям пластины. Эти колебания через слой гелия передаются находящейся под ним металлической мембране, которая периодически нажимает на вал. Вал в свою очередь приводит в движение ротор генератора переменного тока. Благодаря такому процессу в цикле термодинамического процесса нет механического трения. Первый коммерческий прибор появится в 2012 году, и он должен при температуре 700 градусов достичь 40% КПД. При температуре в 1000 градусов КПД составит 50%.

Данные направления интересны, они будут проверяться, усовершенствоваться, возможно даже применяться.

4. Воздействие шума на человека

I.       Шум звукового диапазона приводит к снижению внимания и увеличению ошибок при выполнении различных видов работ.. Шум замедляет реакцию человека на поступающие от технических устройств сигналы..  Шум угнетает центральную нервную систему (ЦНС), вызывает изменения скорости дыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, язвы желудка, гипертонической болезни.

При воздействии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при ещё более высоких (более 160 дБ) и смерть.

5.Борьба за тишину

Гигиеническое нормирование уровней шума - контроль за уровнем шума в соответствии с санитарными нормами. «Санитарные нормы допустимого шума в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки» устанавливают допустимые параметры шума для различных мест пребывания человека в зависимости от физиологических процессов и рода деятельности в данных условиях. В жилых комнатах дневного пребывания физиологические процессы связаны с активным отдыхом, прослушиванием радио- и телепередач, выполнением домашней работы, в спальнях со сном, в кабинете с умственной работой. Для ночного времени с 23 до 7 часов утра для всех этих помещений допустимые уровни звука укладываются в индифферентную зону до 30 дБ. Для дневного времени к ним добавляют еще 10 дБ. Указанные нормативы распространяются на условия, когда в наиболее шумные 30 минут шум действует от 56 до 100% времени. Если же длительность действия шума лишь 18-56% времени, то для дневного времени можно добавить к 30 дБ еще 15 дБ, если 6-18% 20дБ, менее 6% 25 дБ.

В местах отдыха внутри кварталов, во дворах шум не должен превышать 40-45 дБ. На территории жилой застройки для шума самолетов приняты следующие допустимые уровни:

) эквивалентный уровень звука днем 65 дБ, ночью 55 дБ;

) максимальный уровень звука днем 90 дБ, ночью 80 дБ.

Меры борьбы с шумом.

Для защиты от шума могут применяться следующие основные методы:

) технические устранение причин шум образования или ослабление его в источнике возникновения;

) планировочные снижение уровня шума по пути его распространения;

) организационные или административные.

Наиболее радикальны технические меры, которые направлены на источники шума. Однако эффективность мероприятий по снижению шума эксплуатируемых машин, механизмов и оборудования довольно мала. Снижения или устранения шума в источнике следует добиваться, прежде всего, в процессе проектирования.

Уменьшение уровней шумов, проникающих в помещения от внутренних источников, должно обеспечиваться рациональной планировкой помещения, соблюдением мероприятий по звукоизоляции ограждающих конструкций (стен, потолка и пола), санитарно-технического и инженерного оборудования зданий.

Защита территории жилой застройки от внешних шумов должна осуществляться рациональными градостроительными средствами. В этом случае средствами защиты от городских шумов являются расстояние и применение экранирующих средств.

Организационные меры направлены на предотвращение или регулирование во времени эксплуатации тех или иных источников шума. Работы по уборке улиц, дворов, тротуаров от мусора и снега должны начинаться не ранее 7 часов утра и заканчиваться не позднее 23 часов.

Большое значение имеют административные меры. К ним относятся ограничение звуковых сигналов уличного транспорта, упорядочение движения грузовых и легковых машин на определенных улицах, ограничение шума громкоговорителей, расположенных на улицах и площадях и т. д.

Заключение

Мы выяснили, что мы ощущаем звук благодаря специальному органу слуха - уха. Оказывается звук имеет множество свойств. Выяснили что применение звука очень широко. Мы изучили понятие звука, рассмотрели свойства звука. Прекрасно понимаем, что еще не все свойства звуковых волн досконально изучены, то что есть еще вопросы и есть куда развиваться в данном направлении. Звук это волна распространяющаяся в упругой среде с определенными, слышимыми человеком частотами. Переносчиком звука является любая упругая среда. Звук нашел очень широкое распространение в живой природе и технике. Большое количество информации к человеку поступает благодаря звуку. А для некоторых животных звук является основным источником информации об окружающей среде. Большое значение имеет звук также в искусстве, музыке. Так же звук не всегда является полезным, бывает вредным, а в некоторых случаях даже смертелен. В результате данных особенностей были введены административные меры.

Ресурсы

Доктор наук Г.А. Розман в помощь учителю физики - г. Псков 2001г

Кикоин И.К. - Физика: Учебное пособие 9 кл. -1997г

Орехов В.П. Колебания и волны (курс физики) - пособие для учителей 1999г

Пурышева Н.С.Учебник физика 9 класс

Перышкин А.В. Физика:Учебник 9 кл. -2009г://elementy.ru/(cтатьяЮрия Ерина звуковая черна дыра; статья

http://stakeblog.ru/(статья Игорь Иванов <http://elementy.ru/news?theme=261885>тайна быстрого звука в воде)

http://music-teoria.ru/zvuk-vysota/(2011 Музыкальная-теория.ru.Звук. Его высота)

http://www.megabook.ru/Article.asp?AID=594180(Компания «Кирилл и Мефодий» <http://www.megabook.ru/Article.asp?AID=639739> (коллектив авторов составил более 300 человек) статья ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ УРОВНЕЙ ШУМА)://school-collection.edu.ru/(Едина коллекция цифровых образовательных ресурсов.Звуковые файлы разных свойств.)

Приложение

Рис.1

Рис.3

Рис.2