По УМК и др..
Глава 2: Звуковые явления
Тема:
Тип урока : комбинированный
Цель урока : изучение характеристик звука и явления отражения звука
Цель урока (учащиеся): приобретение знаний о характеристиках звука и отражении звука
Задачи урока : - формировать знания о физических (амплитуда, частота) и физиологических (высота, громкость, тембр) характеристиках звука;
Развивать личностные, регулятивные, коммуникативные универсальные учебные действия;
Воспитывать познавательный интерес, любознательность, положительную мотивацию к обучению.
Карта обеспеченности урока
Учебный элемент | Используемое демонстрационное оборудование |
||||
Используемые бумажные источники | Используемые электронные ресурсы |
||||
Громкость и высота звука. Отражение звука. | УМК, «Физика 7», (учебник, рабочая тетрадь) | Электронное приложение к УМК, «Физика 7» | Две пары камертонов с одинаковой и разной частотой, молоточек резиновый, штатив, две бусинки на нити, волновая ванна с принадлежностями, громкоговоритель, микрофон, экран |
Планируемые метапредметные результаты:
Представлять информацию в словесной, графической форме.
Приведите примеры различных звуков. Укажите источник звука в каждом случае.
Как образуется звуковая волна?
Что вам известно о скорости звуковых волн в различных средах?
Почему скорость звука в воде больше, чем в воздухе?
Познавательная деятельность: систематизация и обобщение знаний о звуковых явлениях, источниках звука, распространении и скорости звука
Регулятивная деятельность: контроль самого себя и своих одноклассников в процессе воспроизведения и коррекции опорных знаний
3. Актуализация знаний
Учитель . Человек живёт в мире звуков. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, звук работающих машин. Что общего между этими звуками и чем они отличаются?
Ученик. Общим является то, что все звуки издаются колеблющимися телами (голосовые связки человека, птицы, струны музыкальных инструментов, ветки деревьев и т. д.), а различаться эти звуки могут, например, своей громкостью.
Учитель. Как вы думаете, от чего зависит громкость звука? Чем она определяется? Вы хотели бы узнать ответ на этот вопрос? Очень хорошо. Мы ответим на интересующий нас вопрос, изучив характеристики звука. Запишите тему урока “ Громкость и высота звука. Отражение звука ”. Сегодня мы познакомимся с физическими и физиологическими характеристиками звука, научимся отличать низкие звуки от высоких, громкие от тихих, узнаем, что такое тембр, а также изучим закон отражения звуковых волн.
4 этап. Изучение нового учебного материала
Цели и задачи для учителя | Цели и задачи для уч-ся | Методы и приёмы | Формирование УУД |
Предметные задачи: продолжить формирование знаний о звуковых явлениях, ввести понятие громкости и высоты звука, сформулировать закон отражения звуковых волн, с помощью эксперимента доказать зависимость громкости звука от амплитуды, а высоты – от частоты колебаний. Метапредметные : развивать анализ, синтез, логическое мышление. Обеспечить восприятие, осмысление и первичное запоминание изучаемых физических закономерностей. Личностные: обеспечить мотивацию, актуализацию субъектного опыта Коммуникативные: учить вести диалог, слушать и слышать собеседника Регулятивные: Учить контролировать понимание материала | Воспроизводить: Формулировку закона отражения звука; Применять закон отражения при решении качественных задач; Объяснять зависимость громкости звука от амплитуды колебаний, а высоты – от частоты. Запомнить, что все звуки различаются по громкости, высоте и тембру. Научиться сравнивать звуки различные по громкости и высоте. Объяснять зависимость громкости звука от амплитуды, а высоты – от частоты на основе эксперимента. Иметь представление о влиянии звуков на различные физиологические процессы Приводить примеры звуков различной громкости и высоты, возникающие в природе. Понимать, что отражение звука подчиняется закону отражения, а громкость и высота звука определяется его характеристиками: амплитудой и частотой. | Частично-поисковый метод обучения. Использование знаний ученика, имеющиеся у него на момент конкретного занятия, для усвоения нового материал. | Познавательные: систематизация и обобщение знаний о звуковых явлениях, умение сравнивать, и группировать звуки на основе существенных признаков, ориентироваться в учебнике, определять тему. Строить логические рассуждения и делать выводы. Уметь оформлять свои мысли в устной и письменной форме. Коммуникативные : отвечать на вопросы учителя, товарищей по классу, участвовать в диалоге, соблюдать нормы речевого этикета, слушать и понимать речь других. Регулятивные: осуществлять самоконтроль за качеством и уровнем освоения новых знаний Личностные : выражать положительное отношение к процессу познания, желание узнать новое, проявлять внимание, работать в коллективе, высказывать свою точку зрения при объяснении примеров, приводимых одноклассниками. |
4.1. Создание и решение проблемной ситуации путём эксперимента. Актуализация субъектного опыта
Учитель. Выясним, от чего зависит громкость звука? Проведём следующий эксперимент.
Демонстрация . Ударим молоточком по ножке камертона. Поднесём бусинку на нити к звучащему камертону. Что мы наблюдаем и почему?
Ученик . Бусинка отскакивает от камертона, потому что камертон издаёт звук, следовательно, ножка камертона колеблется.
Учитель . Как вы думаете, изменится ли удаление бусинки от камертона, если я ударю сильнее?
Ученик . Я думаю, чем сильнее ударим по камертону, тем сильнее (больше) будет отклоняться бусинка.
Учитель. Проверим наше предположение. (Демонстрация) Чем отличаются при этом звуки, издаваемые камертонами?
Ученик. Камертоны издают разные звуки. Чем сильнее ударим по камертону, тем с большей амплитудой будет колебаться ножка камертона, следовательно, будет громче звук.
Учитель . Зависимость громкости звука от амплитуды колебаний можно наглядно продемонстрировать с помощью камертона с пером (по рис. 137)
Графически эту зависимость можно представить в следующем виде:
Учитель. Громкость звука - это первая физиологическая характеристика звука, которая определяется амплитудой колебаний источника звука. Переходим ко 2 части нашего эксперимента. На демонстрационном столе находятся два камертона. В чём их внешнее различие?
Ученик : Они разного размера, у них разная масса.
Учитель. Демонстрация. Предлагаю продемонстрировать звучание этих камертонов и прокомментировать результат.
Ученик. Эти камертоны издают разные звуки. Один – низкий, другой - высокий. Я думаю, что это связано с их массой. При одинаковой силе удара ножки камертона будут колебаться с разной частотой.
Учитель . Чтобы проверить это предположение запишем колебания камертонов на закопченной пластине. Первый камертон имеет меньшую частоту и издает низкий звук, второй камертон издаёт более высокий звук, следовательно, чем больше частота колебаний, тем выше звук.
Графически это можно представить следующим образом:
Итак, высота звука – вторая физиологическая характеристика, которая определяется частотой колебаний.
Мы никогда не спутаем с вами звук трубы со звуком фортепиано. Голос своей мамы мы узнаем из тысячи голосов. Различать одни звуки от других нам помогает тембр звука.
Тембр - индивидуальная особенность сложной звуковой волны, он обусловлен тем, что звук состоит из ряда простых звуков разных частот, т. е. имеет определенную «окраску», это качество звука и называют тембром. Это еще одна физиологическая характеристика звука.
А сейчас, попробуйте назвать, какие музыкальные инструменты звучат? (Запись на компьютере)
(Ответы учащихся)
Учитель. Громкость, высоту и тембр называют физиологическими характеристиками звука потому, что они связаны с нашим восприятием. Физиологические характеристики звука связаны с физическими, которые позволяют различать громкие звуки от тихих, высокие от низких, звуки от разных источников. Какие же бывают физические характеристики звука?
Ученик. Физические характеристики звука - амплитуда и частота.
Учитель . А теперь познакомимся с одним из основных свойств звуковых волн. Звуковая волна, как и любая другая может отражаться и преломляться. Отражение волн от препятствий относится к числу очень распространенных явлений. Этот закон отражения является общим волновым законом, т. е. он справедлив для любых волн, в том числе и для звуковых, и для световых. Отражение волн от экрана пронаблюдаем на опыте (опыт по рис. 141) Опыт и наблюдения показывают, что отражение звука подчинено определенному закону: угол падения равен углу отражения.
Учитель. Выполним графическую интерпретацию опыта на доске и сделаем вывод о соотношении между углом падения и отражения
Ученик. Угол отражения равен углу падения.
Учитель. При распространении звуковых волн можно наблюдать такое явление как эхо. Оно объясняется свойством отражения волн от преграды.
В лесу, в горах, в помещениях можно иногда слышать отражение звука от какой-то преграды (лес, горы, стена). Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от ряда препятствий, то получается многократное эхо. Раскаты грома имеют такое же происхождение! Это - многократное повторение очень сильного «треска» огромной электрической искры молнии.
На свойстве отражения звука основана эхолокация
С помощью эхолокации некоторые животные определяют расстояния. Например, дельфины, используя эхолокацию, с большой точностью определяют рельеф дна и местоположение своих собратьев или добычи. Инфразвук, посылаемый летучей мышью, отражается от потенциальной добычи и улавливается мышью. По времени полета звукового сигнала мышь очень точно определяет расстояние до предмета.
Эхолоты – специальные приборы для определения глубины моря – тоже используют явление отражения звука. Глубина моря иногда превышает 10 км, и обычным лотом (грузом, привязанным к веревке) измерить такую глубину невозможно. Эхолот издает сильный и короткий звуковой сигнал, а затем ловит отраженное от морского дна эхо.
https://pandia.ru/text/80/015/images/image010_21.jpg" width="252" height="189">
4.2. Самостоятельная работа учащихся.
В продолжение развития темы и усвоения новых знаний учащимся предлагается самостоятельно изучить материал, который находится у них на столах.
Учитель. Изучите дополнительный материал, рассмотрите рисунки, ответьте на вопросы и проведите взаимопроверку
1) Каковы причины снижения слуха?
2) Каковы нормы, определяющие громкость звука по САНПИНу?
3) Рассмотрите картинку. На сколько децибел громкость дискотеки превышает эти нормы?
Звуки, воспринимаемые человеческим ухом, являются одним из важнейших источников информации об окружающем мире. Ухо – один из наиболее сложных и тонких органов, оно воспринимает и очень слабые, и очень сильные звуки. Орган слуха всегда «бодрствует» даже ночью, во сне он постоянно подвергается внешним раздражителям, так как не обладает никакими защитными приспособлениями, сходными, например, с веками, предохраняющими глаза от света. Поэтому ухо человека надо беречь не только от механических повреждений, но и от громких звуков!
Современный шумовой дискомфорт вызывает у живых организмов болезненные реакции. Шум от пролетающего реактивного самолета, например, угнетающе действует на пчелу, она теряет способность ориентироваться. Этот же шум убивает личинки пчел, разбивает открыто лежащие яйца птиц в гнездах. При воздействии интенсивных звуков коровы дают меньше молока, куры реже несутся, птицы начинают усиленно линять, задерживается прорастание семян и даже наступает разрушение растительных клеток. Не случайно, например, деревья в городе даже в «спальных» районах погибают раньше, чем в естественных условиях.
В современных мегаполисах шум вырос в несколько раз. Если в 60 – 70 годы прошлого столетия уровень громкости на улицах не превышал 80 дБ, то в настоящее время он достигает 100 дБ и более. На многих оживленных магистралях даже ночью шум не бывает ниже 70 дБ, в то время как по санитарным нормам он должен не превышать 40 дБ.
В крупных городах России (Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Красноярск, Екатеринбург, Магнитогорск и др.) на магистралях с интенсивным движением (до 6 – 8 тыс. автомобилей экипажей в час) фиксируется уровень шума в среднем 73 – 83 дБ, а максимальный – до 90 дБ и более.
5 этап. Первичная проверка понимания изученного материала
Цель: установить правильность и осознанность изученного материала, выявить пробелы, провести коррекцию пробелов в осмыслении материала
Методы и приёмы выполнения : подготовка учащимися своих вопросов, своих примеров наблюдения эха, звуков различной громкости и высоты в природе, решение качественных задач на закон отражения.
6. Этап закрепления учебного материала
Цель: обеспечить в ходе закрепления повышение уровня осмысления изученного материала, глубины понимания.
Для закрепления и углубления полученных знаний используется Рабочая тетрадь: № 000, 259, задания позволяют применить теоретические знания на практике,
7 этап. Задание на дом.
Цели для учителя | Цели для учащихся | Критерии успешного выполнения д/з | Методы и приёмы выполнения |
Обеспечить понимание учащимися цели, содержания и способов выполнения домашнего задания | Д/ з: § 47-48, задание, Р. Т. № 000 - экспериментальное задание позволяет учащимся развить свои творческие способности, работа с Э. П. - самим выбрать уровень сложности и оценить свои силы в изучении материала. | Знать физиологические и физические характеристики звука, правильно давать формулировку закона отражения, приводить примеры учета и применения отражения в природе и технике. | Три уровня домашнего задания: стандартный минимум, повышенный (подобрать примеры звуков различной высоты, встречающихся в живой природе), творческий (выполнение задания 260 Р. Т.) |
Задание творческого уровня предлагаются тем, кто считает возможной для себя самостоятельную творческую работу.
8 этап. Подведение итогов занятия и рефлексия
Цель: дать качественную оценку работы класса и отдельных учащихся; инициировать рефлексию учащихся по поводу мотивации своей деятельности и взаимодействия с учителем и одноклассниками
Учитель. Итак, подведём итоги нашего урока. Теперь мы знаем, что такое высота, громкость и тембр звука и какими физическими величинами они характеризуются, что отражение звука подчиняется определённой закономерности и может привести к наблюдению такого явления, как эхо, а так же познакомились с учетом и применением отражения звука в технике.
Если звуковая волна не встречает препятствий на своём пути, она распространяется равномерно по всем направлениям. Но и не всякое препятствие становится преградой для неё.
Встретив препятствие на своём пути, звук может огибать его, отражаться, преломляться или поглощаться.
Дифракция звука
Мы можем разговаривать с человеком, стоящим за углом здания, за деревом или за забором, хотя и не видим его. Мы слышим его, потому что звук способен огибать эти предметы и приникать в область, находящуюся за ними.
Способность волны огибать препятствие называется дифракцией .
Дифракция возможна, когда длина звуковой волны превышает размер препятствия. Звуковые волны низкой частоты имеют довольно большую длину. Например, при частоте 100 Гц она равна 3,37 м. С уменьшением частоты длина становится ещё больше. Поэтому звуковая волна с лёгкостью огибает объекты, соизмеримые с ней. Деревья в парке совершенно не мешают нам слышать звук, потому что диаметры их стволов значительно меньше длины звуковой волны.
Благодаря дифракции, звуковые волны проникают через щели и отверстия в препятствии и распространяются за ними.
Расположим на пути звуковой волны плоский экран с отверстием.
В случае, когда длина звуковой волны ƛ намного превышает диаметр отверстия D , или эти величины примерно равны, то позади отверстия звук достигнет всех точек области, которая находится за экраном (область звуковой тени). Фронт выходящей волны будет выглядеть как полусфера.
Если же ƛ лишь немного меньше диаметра щели, то основная часть волны распространяется прямо, а небольшая часть незначительно расходится в стороны. А в случае, когда ƛ намного меньше D , вся волна пойдёт в прямом направлении.
Отражение звука
В случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред, возможны разные варианты её дальнейшего распространения. Звук может отразиться от поверхности раздела, может перейти в другую среду без изменения направления, а может преломиться, то есть перейти, изменив своё направление.
Предположим, на пути звуковой волны появилось препятствие, размер которого намного больше длины волны, например, отвесная скала. Как поведёт себя звук? Так как обогнуть это препятствие он не может, то он отразится от него. За препятствием находится зона акустической тени .
Отражённый от препятствия звук называется эхом .
Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.
Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.
Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале.
Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.
Выпуклая поверхность звук рассеивает.
Эффект рассеивания дают выпуклые колонны, крупные лепные украшения, люстры и т.д.
Звук не переходит из одной среды в другую, а отражается от неё, если плотности сред значительно отличаются. Так, звук, появившийся в воде, не переходит в воздух. Отражаясь от границы раздела, он остаётся в воде. Человек, стоящий на берегу реки, не услышит этот звук. Это объясняется большой разницей волновых сопротивлений воды и воздуха. В акустике волновое сопротивление равно произведению плотности среды на скорость звука в ней. Так как волновое сопротивление газов значительно меньше волновых сопротивлений жидкостей и твёрдых тел, то попадая на границу воздуха и воды, звуковая волна отражается.
Рыбы в воде не слышат звук, появляющийся над поверхностью воды, но хорошо различают звук, источником которого является тело, вибрирующее в воде.
Преломление звука
Изменение направления распространения звука называется преломлением . Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны.
Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.
где i – угол падения,
r – угол отражения,
v 1 – скорость распространения звука в первой среде,
v 2 – скорость распространения звука во второй среде,
n – показатель преломления.
Преломление звука называют рефракцией .
Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о, то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.
Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.
В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.
Поглощение звука
При встрече звуковой волны с поверхностью, часть её энергии поглощается. А какое количество энергии может поглотить среда, можно определить, зная коэффициент поглощения звука. Этот коэффициент показывает, какую часть энергии звуковых колебаний поглощает 1 м 2 препятствия. Он имеет значение от 0 до 1.
Единицу измерения звукопоглощения называют сэбин . Своё название она получила по имени американского физика Уоллеса Клемента Сэбина, основателя архитектурной акустики. 1 сэбин – это энергия, которую поглощает 1 м 2 поверхности, коэффициент поглощения которой равен 1. То есть, такая поверхность должна поглощать абсолютно всю энергию звуковой волны.
Реверберация
Уоллес Сэбин
Свойство материалов поглощать звук широко используют в архитектуре. Занимаясь исследованием акустики Лекционного зала, части построенного Fogg Museum, Уоллес Клемент Сэбин пришёл к выводу, что существует зависимость между размерами зала, акустическими условиями, типом и площадью звукопоглощающих материалов и временем реверберации .
Реверберацией называют процесс отражения звуковой волны от препятствий и её постепенное затухание после выключения источника звука. В закрытом помещении звук может многократно отражаться от стен и предметов. В результате возникают различные эхосигналы, каждый из которых звучит как бы обособленно. Этот эффект называют эффектом реверберации .
Самой важной характеристикой помещения является время реверберации , которое ввёл и вычислил Сэбин.
где V – объём помещения,
А – общее звукопоглощение.
где a i – коэффициент звукопоглощения материала,
S i - площадь каждой поверхности.
Если время реверберации велико, звуки словно "бродят" по залу. Они накладываются друг на друга, заглушают основной источник звука, и зал становится гулким. При маленьком времени реверберации стены быстро поглощают звуки, и они становятся глухими. Поэтому для каждого помещения должен быть свой точный расчёт.
По результатам своих вычислений Сэбин расположил звукопоглощающие материалы таким образом, что уменьшился «эффект эха». А Симфонический Зал Бостона, при создании которого он был акустическим консультантом, до сих пор считается одним из лучших залов в мире.
Каждый из вас знаком с таким звуковым явлением, как эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград - стен большого пустого помещения, леса, сводов высокой арки в здании.
Эхо слышно лишь в том случае, когда отражённый звук воспринимается отдельно от произнесённого. Для этого нужно, чтобы промежуток времени между воздействием этих двух звуков на барабанную перепонку уха составлял не менее 0,06 с.
Определим, через какое время после произнесённого вами короткого возгласа отражённый от стены звук достигнет вашего уха, если вы стоите на расстоянии 3 м от этой стены.
Звук должен пройти расстояние до стены и обратно, т. е. 6 м, распространяясь со скоростью 340 м/с. На это потребуется время t = s/v, т.е. t = 6м /340м/с = 0,02 с.
Интервал между двумя воспринимаемыми вами звуками - произнесённым и отражённым - значительно меньше того, который необходим, чтобы услышать эхо. Кроме того, образованию эха в комнате препятствует находящаяся в ней мебель, шторы и другие предметы, частично поглощающие отражённый звук. Поэтому в таком помещении речь людей и другие звуки не искажаются эхом и звучат чётко и разборчиво.
Большие полупустые помещения с гладкими стенами, полом и потолком обладают свойством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию предшествующих звуковых волн на последующие получается наложение звуков, и образуется гул. Для улучшения звуковых свойств больших залов и аудиторий их стены часто облицовывают звукопоглощающими материалами.
На свойстве звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора - расширяющейся трубы обычно круглого или прямоугольного сечения. При использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счёт чего мощность звука увеличивается и он распространяется на большее расстояние.Несколько знаменитых многократных эхо: в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов. Развалины замка Деренбург возле Гальберштадта давали 27-сложное эхо, которое, однако, умолкло с тех пор, как одна стена была взорвана. Скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехословакии, повторяют в определенном месте, троекратно 7 слогов; но в нескольких шагах от этой точки даже звук выстрела не дает никакого эхо. Весьма многократное эхо наблюдалось в одном (ныне несуществующем) замке близ Милана: выстрел, произведенный из окна флигеля, повторялся эхом 40-50 раз, а громкое слово - раз 30… В частном случае эхо составляет сосредоточение звука посредством отражения его от вогнутых кривых поверхностей. Так, если источник звука помещен в одном из двух фокусов эллипсоидального свода, то звуковые волны собираются в другом его фокусе. Таким образом объясняется, например, знаменитое "ухо Диониса " в Сиракузах - грот или углубление в стене, из которого каждое слово, произнесенное заключенными в нем, могло быть услышано в некотором удаленном от него месте. Подобным акустическим свойством обладала одна церковь в Сицилии, где в известном месте можно было слышать произносимые шепотом слова в исповедальне. Известны также в этом отношении храм мормонов у Соленого озера в Америке и гроты в монастырском парке Олива около Данцига. В Олимпии (Греция) в храме Зевса сохранился до наших дней «Портик Эхо». В нем голос повторяется 5…7 раз. В Сибири на реке Лене севернее Киренска есть удивительное место. Рельеф скалистых берегов там таков, что эхо гудков идущих по реке теплоходов может повторяться до 10 и даже 20 раз (при благоприятных погодных условиях). Такое эхо подчас воспринимается как постепенно затухающий звук, а иногда как звук, порхающий с различных направлений. Многократное эхо можно слышать также на Телецком озере в горах Алтая. Это озеро имеет 80 км в длину и всего несколько километров в ширину; его берега высоки и круты, покрыты лесами. Выстрел из ружья или резкий громкий крик порождает здесь до 10 эхо-сигналов, которые звучат в течение 10…15 с. Любопытно, что часто звуковые отклики представляются наблюдателю приходящими откуда – то сверху, как если бы эхо было подхвачено прибрежными возвышенностями.
В зависимости от рельефа местности, места и ориентации наблюдателя, погодных условий, времени года и суток эхо изменяет свою громкость, тембр, длительность; меняется число его повторений. Кроме того, может измениться и частота звукового отклика; она может оказаться более высокой или, напротив, более низкой по сравнению с частотой исходного звукового сигнала.
Не так просто отыскать место, где эхо отчетливо слышно и один раз. В России, впрочем, найти подобные места сравнительно легко. Есть много равнин, окруженных лесами, много полян в лесах; стоит громко крикнуть на такой поляне, чтобы от стены леса донеслось более или менее отчетливое эхо.
Звуковое давление р зависит от скорости v колеблющихся частиц среды. Вычисления показывают, что
где р - плотность среды, с - скорость звуковой волны в среде. Произведение рс называют удельным акустическим импедансом, для плоской волны его называют также волновым сопротивлением.
Волновое сопротивление - важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на ее границе.
Представим себе, что звуковая волна попадает на границу раздела двух сред. Часть волны отражается, а часть - преломляется. Законы отражения и преломления звуковой волны аналогичны Законам отражения и преломления света. Преломленная волна может поглотиться во второй среде, а может выйти из нее.
Допустим, что плоская волна падает нормально к границе раздела, интенсивность ее в первой среде I 1 интенсивность преломленной (прошедшей) волны во второй среде 1 2 . Назовем
коэффициентом проникновения звуковой волны.
Рэлей показал, что коэффициент проникновения звука определяется формулой
Если волновое сопротивление второй среды весьма велико по сравнению с волновым сопротивлением первой среды (с 2 р 2 >> с 1 ρ 1), то вместо (6.7) имеем
так как с 1 ρ 1 /с 2 р 2 >>1. Приведем волновые сопротивления некоторых веществ при 20 °С (табл. 14).
Таблица 14
Используем (6.8) для вычисления коэффициента проникновения звуковой волны из воздуха в бетон и в воду:
Эти данные производят впечатление: оказывается, только очень малая часть энергии звуковой волны проходит из воздуха в бетон и в воду.
Во всяком закрытом помещении отраженный от стен, потолков, мебели звук падает на другие стены, полы и пр., вновь отражается и поглощается и постепенно угасает. Поэтому даже после того, как источник звука прекратит действие, в помещении все еще имеются звуковые волны, которые создают гул. Особенно это заметно в больших просторных залах. Процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения источника называют реверберацией.
Реверберация, с одной стороны, полезна, так как восприятие звука усиливается за счет энергии отраженной волны, но, с другой стороны, чрезмерно длительная реверберация может существенно ухудшить восприятие речи, музыки, так как каждая новая часть текста перекрывается предыдущими. В связи с этим обычно указывают некоторое оптимальное время реверберации, которое учитывается при постройке аудиторий, театральных и концертных залов и т. п. Например, время реверберации заполненного Колонного зала Дома союзов в Москве равно 1,70 с, заполненного в большого театра - 1,55 с. Для этих помещений (пустых) время реверберации соответственно 4,55 и 2,06 с.
Физика слуха
Рассмотрим некоторые вопросы физики слуха на примере наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2 (рис. 6.8).В Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. Поясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости
(рис. 6.9) звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход (более детально вопросы дифракции рассматриваются в гл. 19). Человек в результате опыта научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука (направления А, Б и Б на рис. 6.9).
Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и животные способны установить направление на источник звука и в горизонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 6.10). Это объясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит разное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Связь между разностью этих расстояний (5) и разностью фаз (∆φ) выведена в § 19.1 при объяснении интерференции света [см. (19.9)]. Если источник звука находится прямо перед лицом человека, то δ = 0 и ∆φ = 0, если источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в другую ушную раковину он попадет с запаздыванием. Будем считать приближенно, что в этом случае 5 есть расстояние между ушными раковинами. По формуле (19.9) можно рассчитать для v = 1 кГц и δ = 0,15 м разность фаз. Она приблизительно равна 180°.
Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз между 0° и 180° (для приведенных выше данных). Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точностью до 3°, этому соответствует разность фаз 6°. Поэтому можно полагать, что человек способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.
|
Кроме фазового различия бинауральному эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также и «акустическая тень» от головы для одного уха. На рис. 6.10 схематично показано, что звук от источника попадает в левое
ухо в результате дифракции (гл. 19).
Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки 3 (см. рис. 6.8). В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. В этом случае длина волны в четыре раза, больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте
Наиболее существенной частью среднего уха являются барабанная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, приблизительно равное волновому сопротивлению воды. Как было показано (см. § 6.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Это слишком мало. Поэтому основное назначение среднего уха - способствовать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Используя технический язык, можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.
Система косточек (см. рис. 6.8) на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S 1 = 64 мм 2), на другом - стремечком - с овальным окном 7 внутреннего уха (площадь S 2 = 3 мм 2).
На овальное окно внутреннего уха при этом действует сила F 2 , создающая Звуковое давление р 2 в жидкой среде. Связь между ними:
Разделив (6.9) на (6.10) и сопоставляя это соотношение с (6.11), получаем
откуда |
или в логарифмических единицах (см. § 1.1)
На таком уровне увеличивает среднее ухо передачу наружного звукового давления внутреннему уху.
Еще одна из функций среднего уха - ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществляется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха.
Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евстахиеву) трубу.
Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей системе. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.
Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразующая механические колебания в электрический сигнал. Кроме улитки к внутреннему уху относится вестибулярный аппарат (см. § 4.3), который к слуховой функции отношения не имеет.
Улитка человека является костным образованием длиной около 35 мм и имеет форму конусообразной спирали с 2 3 / 4 завитков. Диаметр у основания около 9 мм, высота равна приблизительно 5 мм.
На рис. 6.8 улитка (ограничена штриховой линией) показана схематично развернутой для удобства рассмотрения. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 7, называется вестибулярной лестницей 8. Другой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия - геликотремы 11. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перилимфой. Колебания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв (на рис. 6.8 эти подробности не показаны).
Кортиев орган (спиральный орган) и является преобразователем механических колебаний в электрический сигнал.
Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки (от ширины 0,1 до 0,5 мм). Основная мембрана - весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который
представлял основную мембрану аналогично ряду настроенных струн пианино. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонаторной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией, передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распространятся приблизительно до 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм. На основании этих наблюдений были разработаны теории, согласно которым восприятие высоты тона определяется положением максимума колебания основной мембраны. Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная функциональная цепь: колебание мембраны овального окна - колебание перилимфы - сложные колебания основной мембраны - сложные колебания основной мембрны - раздражение волосковых клеток (рецепторы кортиева органа) - генерация электрического сигнала.
Некоторые формы глухоты связаны с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических колебаний. Можно помочь таким глухим, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула.
Такое протезирование основной функции, улитки (кохлеарное протезирование) разрабатывается в ряде стран. В России кохлеарное протезирование разработано и осуществлено в Российском медицинском университете. Кохлеарный протез показан на рис. 6.12, здесь 1 - основной корпус, 2 - заушина с микрофоном, 3 - вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируемым электродам.
Определение 1
Эхо - физическое явление, которое заключается в принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны (электромагнитной, звуковой и др.)
Эхо это то же самое отражение, только в зеркале отражается свет, а в случае эха -- звук. Любое препятствие может стать зеркалом для звука. Чем резче, отрывистее звук, тем эхо отчётливее. Лучше всего вызвать эхо хлопаньем в ладоши. Низкий мужской голос отражается плохо, а высокий голос дает отчетливое эхо.
Эхо можно услышать, если произвести звук на месте, в окружении холмов или больших зданий.
Акустическое явление
Акустические волны отражаются от стен и других твердых поверхностей, таких как горы. Когда звук движется через среду, которая не имеет постоянных физических свойств, он может быть преломлен.
Рисунок 1. Пояснение работы эхо
Человеческое ухо не может отличить эхо от первоначального звука, если задержка составляет менее $1/15$ секунды.
Сила эха часто измеряется в дБ уровнях звукового давления (SPL) по отношению непосредственно к передаваемой волне. Эхо - сигналы могут быть желательными (как в сонаре) или нежелательными (например, в телефонных системах).
Отражение звуковых волн от поверхностей также зависит от формы поверхности. Плоские поверхности отражают звуковые волны , таким образом, что угол, при котором волна приближается к поверхности, равен углу, при котором волна покидает поверхность.
Отражение звуковых волн от криволинейных поверхностей приводит к более интересным явлением. Изогнутые поверхности с параболической формой имеют привычку фокусирования звуковых волн в точке. Звуковые волны, отраженные от параболических поверхностей концентрируют всю свою энергию в одной точке пространства; в этот момент, звук усиливается. Ученые долгое время считали, что совы имеют сферические диски на лице, которые могут быть применены с целью сбора и отражения звука.
Использование отражения звука
В воде скорость звука иная, чем в воздухе. Рассмотрим работу эхолота. Он издает резкий звук, которой проходя через толщу воды, достигает дна моря, отражается и бежит обратно в виде эха. Эхолот ловит его и вычисляет расстояние до дна моря.
Рисунок 2. Работа эхолота
Отражение звука используется во многих устройствах. Например, громкоговоритель, звуковой сигнал, стетоскоп, слуховой аппарат, и т.д.
Стетоскоп используется, чтобы услышать звуки внутренних органов пациента; для диагностических целей. Он работает по законам отражения звука.
Летучие мыши используют высокую частоту (малая длина волны) ультразвуковых волн для того, чтобы повысить их способность охотиться. Типичной жертвой летучей мыши является моль - объект не намного больше, чем сама летучая мышь. Летучие мыши используют ультразвуковые методы эхолокации, чтобы обнаружить своих сородичей в воздухе. Но почему ультразвук? Ответ на этот вопрос лежит в физике дифракции. Так как длина волны становится меньше, чем препятствие, с которым она сталкивается, волна уже не в состоянии рассеиваться вокруг него, и вследствие чего отражается. Летучие мыши используют ультразвуковые волны с длинами волн, меньшими, чем размеры их добычи. Эти звуковые волны будут сталкиваться с добычей, и вместо того, чтобы дифрагироваться вокруг добычи, они будут отражаться от добычи, что позволить мыши охотиться с помощью эхолокации.