Звуковые и ультразвуковые колебания в физике с примерами

Содержание:

Звуковые и ультразвуковые колебания и их использование:

Звуковые явления возникают из-за механических колебаний различных тел. Однако не любые механические колебания образуют звук и не всегда. Рассматривая колебания маятника, можно заметить, что звуковые колебания в этом случае не возникают, хотя амплитуда таких колебаний может быть достаточно большой. Следовательно, амплитуда не является той основной характеристикой, по которой отличаются звуковые колебания от просто механических.

Проще всего можно получить звуковые колебания, закрепив в тисках стальную линейку (пластину), вывести ее из состояния равновесия и резко отпустить (рис. 25).

Исследуем колебания генератора звуковой частоты, одновременно подавая их на громкоговоритель и на вход электронного осциллографа (рис. 26). Громкоговоритель превращает электрические колебания генератора Г в механические колебания диффузора Д, которые сообщают колебательное движение частичкам воздуха - в окружающем пространстве распространяется звуковая волна. Эта волна достигает органов слуха человека (или других приемников), вызывая колебания барабанной перепонки. Однако звук мы слышим не всегда.

Звуковые колебания

Начнем исследования колебаний с небольших частот - нескольких колебаний в секунду (рис. 27, а). На экране осциллографа наблюдаем график: диффузор громкоговорителя колеблется, но звука мы не слышим. Постепенно увеличиваем частоту колебаний. При определенной частоте возникает звук. Человек начинает его слышать только тогда, когда частота колебаний достигает 16—20 Гц. Колебания с меньшими частотами называются инфразвуковыми.

Продолжим постепенно увеличивать частоту колебаний. В этом случае изменяется физиологическая характеристика звука, которая называется высотой тона. Таким образом, физической характеристике звука - часто те - соответствует физиологическая характеристика - высота тона. На рисунке 27, б, в изображены графики звуков разной высоты тона. Частота звука на рисунке 27, в большая, соответственно выше тон звука.

Ультразвуки

Если постепенно увеличивать частоту звуковых колебаний, то высота тона возрастает. При достижении определенной частоты мы уже не будем слышать звук, хотя колебания достигают наших органов слуха. Человек перестает слышать звуки, если частота их превышает 20 ООО Гц. Для разных людей этот предел может быть разным. Звуковые колебания, частота которых превышает 20 кГц, называют ультразвуковыми.

Таким образом, звуковыми есть колебания, частота которых находится в пределах 16-20 Гц - 20 кГц.

Некоторые животные, например собаки и летучие мыши, слышат ультразвуки. Это свойство используют во время дрессировки собак, а летучим мышам оно дает возможность ориентироваться в пространстве.

Не стоит думать, что звуки могут образовываться только в случае колебаний твердых тел: ножек камертона, диффузора громкоговорителя, струны и т. п. (рис. 28). Достаточно сильные звуки можно получить и от колебания воздуха.

Возьмите небольшую трубку, закройте один ее конец и подуйте в другой. У вас получится свисток определенной высоты. Если хотите изменять высоту тона звука, вставьте в трубку поршень. Теперь можно изменять длину столбика воздуха в трубке и получать звук разной высоты тона. Установите зависимость высоты тона звука от длины столбика воздуха.

Так можно получать не только звуковые, но и инфра- и ультразвуковые колебания, что используют в технике.

Используя генератор, громкоговоритель и осциллограф, установим, от чего зависит громкость звука. Если амплитуда колебаний небольшая (рис. 29, а), то громкость звука небольшая. С увеличением амплитуды колебаний (рис. 29, б, в) возрастает и громкость звука. Однако когда амплитуда колебаний небольшая, то звука можно не услышать из-за недостаточной чувствительности органов слуха. Существует определенный порог чувствительности. Когда амплитуда звуковых колебаний большая, то звуки вызывают болевые ощущения.

Сложные звуки

До сих пор мы рассматривали только простые звуки. Но большинство звуков в природе являются сложными. Сложный звук можно разложить на некоторое количество простых звуков. Основным тоном сложного звука считают самый низкий, который имеет наименьшую частоту колебаний. Сложный звук имеет такой же период колебаний, как и основной тон. Другие простые тона, которые входят в сложный звук и имеют частоты, большие частоты основного тона (в целое число раз), называют высшими гармоническими тонами, или обертонами. Количество и амплитуды высших гармонических тонов образуют специфическую «окраску» звука, характеризующуюся понятием тембр звука.

Звук в воздухе распространяется со скоростью 331 при температуре воздуха О°С, в водороде (О°С) - 1286 углекислом газе (О°С) - 258. Скорость  распространения звука в воде (О°С) 1485. Звук в твердых телах распространяется со скоростью: в стали 5100, граните 3950, древесине 4000.

Количество и амплитуды высших гармонических тонов определяют тембр звука.

Эхо

Звуковые и ультразвуковые волны в любых средах распространяются с разными скоростями и могут отражаться от различных преград (эхо) (рис. 30). Отражение звуковых и ультразвуковых волн используется в технике. Ото явление можно наблюдать и в живой природе.

Использование ультразвуков

Значение звуковых колебаний в жизни человека общеизвестно. Не менее важную роль играют в современной технике и научных исследованиях и ультразвуковые колебания. Ультразвуковые методы начали широко использовать в хирургии, с помощью ультразвуковых колебаний можно разрезать и сшивать костную ткань.

• Заказать решение задач по физике

Ультразвуки эффективно используются в хирургии.

Ультразвуковые волны, распространяясь в упругой среде, отражаются от различных препятствий. Отраженные колебания можно улавливать приборами. Зная скорость их распространения в определенной среде, можно просто определить расстояние к препятствию. На этом принципе основано действие эхолота, который впервые был сконструирован в 1918 г. П. Ланжевеном. На корабле устанавливают ультразвуковой излучатель, который посыла-28    ет в определенном направлении импульсы ультразвуковых колебаний (рис. 31). Отраженные волны принимаются и усиливаются. Самописец автоматически переносит на бумажную ленту рельеф дна. Если на пути распространения ультразвука появится косяк рыбы, то ультразвук отразится и от него, и это можно сразу увидеть.

Аналогично работают и ультразвуковые дефектоскопы - приборы для проверки качества различных деталей, например после сварки. Если в детали есть трещины, полости и прочее, то в этих местах ультразвук отразится, что и фиксируется электронным осциллографом В технике используют различные типы дефектоскопов.

Ультразвук широко используют и в технологических процессах, например для изготовления эмульсий. При обычных условиях очень трудно смешать ртуть и воду или подсолнечное масло и воду, но под действием ультразвуковых колебаний такое смешивание осуществляется быстро и надежно.

Распространено использование ультразвуковых измерительных приборов: для определения вязкости жидкостей (акустические вискозиметры), прохождения жидкостей в трубопроводах и прочее.

Под действием интенсивных ультразвуковых колебаний значительно увеличивается скорость некоторых химических реакций, что также используется в технике.

Ультразвук стал надежным помощником человека уже сегодня, но исследования его возможностей продолжаются.

Аналогично действию эхолота работают ультразвуковые дефектоскопы. Ультразвук широко применяют в технологических процессах. Достаточно распространены ультразвуковые измерительные приборы: для определения вязкости жидкостей (акустические вискозиметры), расхода жидкостей в трубопроводах и прочее.

Несмотря на то что человек начал изучать колебания очень давно, существуют такие отрасли колебаний, которые тщательно исследуются только в последнее время. В первую очередь это касается инфразвуковых колебаний, вредное влияние которых на человеческий организм выявили французские ученые. Они доказали, что инфразвуки достаточной мощности с частотами 6-9 Гц могут быть для человека даже смертельными, поскольку внутренние органы имеют собственную частоту колебаний именно 6-9 Гц. Вследствие действия на человека инфразвука соответственной частоты возникает резонанс, возрастает амплитуда колебаний тех или иных органов, что может вызвать смерть. Действие на организм человека колебаний различной природы и частоты изучено еще недостаточно. И в технике тоже существует немало проблем, связанных с использованием колебаний, а также с ликвидацией их вредных проявлений.

Ультразвук ускоряет химические реакции.    

Инфразвуковые колебания могут вредить организму человека.

Итоги:

• Изменение положения тела в пространстве называется механическим движением.
• Механическое движение относительно. Характеристики движения зависят от выбора тела отсчета.
• Каждая точка тела, пребывающего в движении, описывает линию, которая называется траекторией.
• Траектории могут иметь различную форму. Поэтому различают прямолинейное и криволинейное движение.
• Вид траектории зависит от выбора тела отсчета. Форма траектории относительна.
• Движение происходит в пространстве и во времени.
• Движение тела в пространстве характеризует путь - длина траектории.
• Движение тела во времени характеризует скорость - физическая величина, которая равна пути, пройденному телом за единицу времени.
• Одним из видов механического движения является вращательное, при котором точки тела описывают траектории в виде окружностей.
• Вращательное движение характеризуется частотой и периодом вращения.
• Колебательное движение характеризуется амплитудой, частотой и периодом колебаний.
• Звук - это механические колебания соответственных частот, которые распространяются в упругих средах.
• В воздухе звук распространяется со средней скоростью 331 м/с.
• Громкость звука зависит от амплитуды колебаний, а высота тона — от их частоты.
• Ухо человека воспринимает колебания частотой от 16 Гц до 20 кГц.
• Инфразвуки и ультразвуки используются в медицине и технике.