Физика уха

Ухо представляет собой сложный звукоприёмный аппарат, работающий в чрезвычайно широком диапазоне частот и амплитуд. Звуковые волны достигают нашего наружного уха – его ушной раковины, которая представляет собой рупор, собирающий звуковые волны. По наружному слуховому проходу звуковые волны достигают барабанной перепонки 1, отделяющей наружное ухо от среднего. Под влиянием приходящих волн эта перепонка колеблется, совершая вынужденные колебания с частотой воспринимаемого звука. Колебания барабанной перепонки через посредство действующей как рычаг системы сочленённых косточек 2: молоточка, наковальни и стремечка – передаются так называемому овальному окну 3, закрывающему внутреннюю полость ушного лабиринта. Ушной лабиринт в той его части, где лежат чувствительные к механическому раздражению окончания слухового нерва, заполнен жидкостью – эндолимфой.

Внутри находится так называемая основная мембрана 4, состоящая из нескольких тысяч (около 4500) волокон различной длины, настроенных каждое на некоторый определённый тон.

Подробнее...

Фаза колебаний и сдвиг фаз

Если два маятника, двигаясь в одну и ту же сторону, в некоторый момент одновременно проходят положение равновесия, то принято говорить, что в этот момент они находятся в одинаковых фазах. Эта одинаковость фаз будет иметь место непрерывно и дальше при условии, если частоты колебаний маятников одинаковы. Такой случай изображён на рисунке. Синусоидальные кривые, представляющие собой графическую запись колебательных движений обоих маятников, при наложении совпадают одна с другой (если амплитуды колебаний маятников одинаковы).

Возможен случай, когда маятники, достигая положения равновесия, движутся в противоположные стороны. В этом случае маятники колеблются в противоположных фазах. Синусоидальные кривые, изображающие такой случай колебания, сдвинуты друг относительно друга во времени на половину периода.

Фаза есть одна из величин, характеризующих колебательное движение. Установим меру этой величины. Для этого свяжем колебательное движение с равномерным движением точки по окружности. На рисунке буквами 0, 01, 02 и т. д. обозначены различные положения небольшого шарика, движущегося равномерно по окружности, а буквами Р0, Р1, Р2 и т. д. – положения его проекций на плоскость MN. Проекция шарика колеблется около среднего положения Р0, отклоняясь от него вверх и вниз. Докажем, что это движение является гармоническим колебанием.

Для какого-нибудь положения проекции Р1 величина отклонения равна:

Подробнее...

Скорость распространения звука

Простые наблюдения показывают, что звук распространяется в каждой среде с определенной скоростью.

Когда мы смотрим издалека на стрельбу из ружья, то сначала видим огонь и дым, а потом через некоторое время слышим звук выстрела. Дым появляется в то же время, когда происходит первое звуковое колебание. Измерив промежуток времени (t сек) между моментом возникновения звука (момент появления дыма) и моментом, когда он доходит до уха, и, зная расстояние (s м) от нас до источника звука, можно определить скорость распространения звуковых волн, или скорость звука:

v = s/t

Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 0°С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/сек.

При повышении температуры воздуха скорость звука возрастает, так как при этом возрастает упругость воздуха. Например, при 15°С скорость звука в воздухе равна 342 м/сек , при 30°С – 349 м/сек , при 100°С – 386 м/сек .

Подробнее...

Ультразвуковая дефектоскопия

Важное техническое применение ультразвука - ультразвуковая дефектоскопия, созданная советским учёным С. Я. Соколовым. Идею ультразвуковой дефектоскопии поясняет рисунок.

В бак с маслом погружены пьезокварцевые излучатель И и приёмник Щ (щуп) ультразвука, а также исследуемое металлическое изделие. Если на пути ультразвука в металле нет трещин, интенсивность волны, достигающей щупа, сравнительно велика, что фиксируется соответствующими приборами приёмника. Но если в металле есть трещина, то ультразвук почти полностью отражается от неё и приёмник не регистрирует ультразвуковых колебаний.

Метод ультразвуковой дефектоскопии нашёл сейчас широкое применение в промышленности.

Сила и громкость звука 

Силой звука называется величина, измеряемая количеством энергии, ежесекундно протекающей через площадку в 1 см2 , перпендикулярную к направлению звуковой волны.

Силу звука измеряют в эрг/см2 · сек или в дж/м2сек.

Силе звука соответствует ощущение громкости, подобно тому, как частоте колебаний – высота тона.

Сила звука и громкость – понятия неравнозначные. Сила звука характеризует физический процесс независимо от того, воспринимается ли он слушателем или нет, громкость же – субъективное качество звука.

Рассмотрим теперь, от чего зависит сила звука, а следовательно, и его громкость. Запишем для этого колебания камертона последовательно несколько раз с некоторыми промежутками во времени. Звук камертона постепенно затихает, и это сейчас же отражается на графике его колебаний.

Как видно из графиков 1, 2, 3, период колебаний камертона не менялся: гребни и впадины на всех трёх графиках одинаково часты. Но по мере ослабления звука уменьшалась амплитуда колебаний. У самого сильного звука амплитуда была наибольшей (график 1); когда звук стал почти неслышимым, амплитуда колебаний оказалась маленькой (график 3). Когда камертон перестанет колебаться, график обратится в прямую линию.

Таким образом, мы видим, что сила звука связана с амплитудой колебаний.

Чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее звук, чем меньше амплитуда, тем звук слабее.

Подробнее...

Тембр звука

Всем хорошо известно, что звуки одной и той же высоты, воспроизведённые на скрипке, кларнете, рояле, певцом или певицей, отличаются друг от друга особым качеством – мягкостью или резкостью, меньшей или большей выразительностью. Мы по голосу узнаём знакомых нам людей. Даже у одного и того же человека различные гласные отличаются друг от друга.

Это качество звука, его своеобразная «окраска», называется тембром.

О тембре тона данной высоты можно судить по форме той периодической кривой линии, которая изображает колебания, производимые источником.

Гармонические колебания тел создают волну, имеющую форму, изображённую на рисунке и называемую синусоидальной волной. Такая волна даёт ощущение простого, или чистого, тона.

В скрипке же, где колебания струн возбуждаются смычком, или, например, в язычковой трубе получаются волны более сложной формы, которым соответствуют и более сложные звуки.

При помощи специальных анализаторов звука можно установить, что всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых тонов, частоты колебаний которых относятся, как 1:2:3:4... Наиболее низкий тон в сложном музыкальном звуке называется основным. Он имеет такую же частоту, что и сложный звук. Остальные простые тоны, имеющие вдвое, втрое, вчетверо и т.д, большие частоты, называются высшими гармоническими тонами или обертонами. В ранних статьях было установлено, что сложение гармонических колебаний различных частот даёт результирующее колебание, которое изображается сложной периодической кривой. Анализатор же позволяет выделить те простые колебания, которые образуют сложный звук.

Подробнее...

Резонанс

Рассматривая колебания маятника, мы установили, что возможны два типа колебаний: 1) собственные колебания, частота которых определяется свойствами самого колеблющегося тела, и 2) вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменений внешней силы, действующей на тело,

Случай, когда частота собственных колебаний тела совпадает с частотой вынужденных колебаний, особенно важен. Рассмотрим его на опыте.

На рисунке изображена установка, позволяющая наблюдать вынужденные колебания. К верёвочной растяжке подвешены маятники А и В. Длину маятника А можно изменять, подтягивая рукой, свободный конец нити, на которой он висит.

Когда маятник А находится в положении, обозначенном на рисунке цифрой I, приведём его в колебание. Мы заметим, что и маятник В придёт в колебание. Будем теперь изменять длину маятника А и наблюдать за маятником В. Отмечая при разных длинах маятника А амплитуду маятника В, можно обнаружить, что с изменением длину маятника А меняемся амплитуда колебаний маятника В. Наибольшего значения амплитуда колебания маятника В достигнет тогда, когда длины обоих маятников будут одинаковы.

Это явление находит очень простое объяснение. Всем хорошо известно, что при раскачивании какого-нибудь подвешенного на верёвке тела (например, качелей) необходимо подталкивать его извне, хотя и с небольшой силой, но действующей на тело в такт с его собственными колебаниями. Любой же несогласованный толчок (против хода) вызовет уменьшение амплитуды.

Подробнее...

Стоячие волны

Встряхнём рукой свободный конец висячей верёвки. По верёвке побежит волна. Волна дойдёт до закреплённого конца, отразится здесь и пойдёт обратно. Если мы будем непрерывно колебать рукой конец верёвки, то получится ряд непрерывно бегущих волн, следующих одна за другой, а навстречу им от закреплённого конца побежит такой же ряд отражённых волн. Обе системы волн будут накладываться друг на друга, образуя так называемую стоячую волну. Рассмотрим процесс образования стоячей волны.

Пусть периоды и амплитуды бегущих и отражённых волн одинаковы. В некоторый момент времени обе волны будут налагаться друг на друга так, как показано на рисунке. Затем эти волны разойдутся: одна передвинется на некоторое расстояние вправо, другая – на такое же расстояние влево.

При совпадении волн точки а1, а2, а3 и т. д. находятся в положении равновесия. Оно сохранится и в случае расхождения волн. Действительно, при расхождении волн одна волна будет смещать точки вверх, другая – настолько же вниз. Такие неподвижные точки называются узлами.

Вся верёвка разбивается узлами на несколько одинаковых колеблющихся участков. В то время как один из этих участков идёт вверх (гребень), соседний участок отклоняется вниз (впадина).

Подробнее...

Распространение звука

Мы воспринимаем звук благодаря нашему органу слуха – уху. Ухо является для нас приёмником звука. Между ухом и звучащим (колеблющимся) телом – вибратором – находится передающая среда; чаще всего ею служит воздух.

Когда какое-нибудь тело звучит, оно колеблется, его колебания передаются прилежащим частицам воздуха, которые тоже начинают колебаться и передают колебания соседним частицам, а эти в свою очередь передают колебания дальше и т. д. В результате в воздухе образуются и распространяются звуковые волны. Эти волны вызываются колебательным движением частиц среды (воздуха), причём частицы колеблются в направлении распространения волны, т.е. совершают продольные колебания.

Необходимое условие для передачи звука от вибратора к приёмнику (в частности, к нашему уху) – существование упругой среды между вибратором и приёмником. Схематически процесс распространения звука можно представить так:

вибратор – передающая среда – приёмник.

Если между вибратором и приёмником удалить упругую звукопередающую среду, то звуковые волны не возникнут и, следовательно, приёмник не воспримет звука.

Поместим под колокол воздушного насоса часы будильник. Пока в колоколе находится воздух, звук звонка мы слышим ясно. При откачивании воздуха из–под колокола звук постепенно слабеет и, наконец, становится неслышимым. Молоточек продолжает ударять по тарелке звонка, следовательно, тарелка колеблется, но эти колебания дальше уже не могут распространяться (нет передающей среды) и не могут дойти до нашего уха. Впустим под колокол воздух и снова услышим звон.

Положим на один конец деревянной доски карманные часы, а сами отойдём к другому концу. Приложив ухо к доске, мы ясно услышим ход часов.

Подробнее...

Сложение гармонических колебательных движений

Гармоническое колебательное движение, как было установлено, происходит под действием силы, пропорциональной величине смещения и направленной к положению равновесия тела.

Такой силой является, например, сила упругости.

Рассмотрим теперь, как будет колебаться тело, если на него будет действовать не одна, а несколько подобного рода сил. Каждая из действующих на тело сил будет вызывать гармоническое колебательное движение, причём каждое движение будет происходить независимо от других в соответствии с принципом независимости движения.

Задача сводится к нахождению результирующего гармонического колебательного движения, т.е. к сложению гармонических колебаний.

Простейший случай – это тот, когда складываются два гармонических колебательных движения, совершающихся по одной и той же прямой с одинаковыми периодами (следовательно, и с одинаковыми частотами) и одинаковыми фазами. Амплитуды колебаний могут быть различны. В данном и в некоторых других случаях задача сложения колебаний весьма просто решается графическим методом.

Пусть ОА1В1С1 – синусоида одного гармонического колебания, а ОА2В2С2 – синусоида второго. Сложим алгебраически для любого момента времени ординаты, выражающие смещения колеблющегося тела в каждом из этих двух движений. Соединив концы суммарных ординат, мы получим кривую OKLC, которая является также синусоидой, имеющей период, одинаковый с периодами слагаемых движений.

Подробнее...

Происхождение звука

Среди разнообразных колебательных и волновых движений, встречающихся в природе и технике, особо важное значение в жизни человека имеют звуковые колебания и волны, или, просто, звуки. Достаточно сказать, что наша речь, дающая нам возможность общаться друг с другом, состоит из ряда следующих друг за другом звуков. Мы легко отличаем голос одного человека от голоса другого, одно слово от другого слова.

Ухо, при помощи которого мы воспринимаем звук, улавливает даже мельчайшие оттенки человеческого голоса: радость, грусть, гнев и т.д.

Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.

Простые наблюдения показывают нам, что части звучащего тела колеблются.

Присмотримся внимательно к звучащей струне: она стала в середине как бы толще, а очертания её сделались менее ясными. Вид струны изменился оттого, что она колеблется между крайними положениями 1 и 2. Колебания струны настолько быстры, что мы не можем следить за её движением. Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то полоска будет подпрыгивать от толчков струны. Пока струна колеблется, мы слышим звук; остановим струну, и звук прекращается.

При изучении звуковых явлений очень часто в качестве источника звука пользуются камертоном. Если по камертону ударить мягким молоточком или провести по нему смычком, то камертон зазвучит.

Подробнее...

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ