Добре дошли в звуковата лаборатория. Тук ще експериментираме малко със звуци, ще научим как се произвеждат и как се разпространяват. За да се възползваме по-добре от посещението в тази виртуална лаборатория, нашият компютър трябва да има инсталирана звукова карта със съответните високоговорители и, ако е възможно, микрофон. Но ако нямаме тези неща, ще научим и много.

режим честоти

В "Звукът на обектите", от глава "Експерименти по физика", казахме:

Всички сме чували звука на камбана. Но. как се произвежда този звук? Камбаната е метално тяло, което вибрира при удар, от своя страна тези вибрации на метала причиняват вибрации във въздуха, който ги заобикаля и тези вибрации преминават във въздуха, под формата на звукови вълни, до нашите уши, където вибрират тъпанчето, там се генерират малки електрически токове, които отиват в мозъка ни и след това. нека чуем камбаната .

Звукови вълни. Всичко, което звучи, ги кара да се генерират звукови вълни или акустични вълни, които пътуват във въздуха. Поради тази причина, ако вземем камбаната на Луната, няма да можем да я чуем, защото няма въздух, няма атмосфера. Тези вълни също пътуват през твърдо тяло: ако поставим края на линийка или пръчка от какъвто и да е материал върху едното ухо и остъргнем другия край, ясно ще чуем генерирания звук.

И разбира се звукът се движи и в течности, във вода. Китовете могат да общуват на големи разстояния в океана, като издават звуци като този, който ще чуем при щракване върху фигурата.

Високи звуци, басови звуци. Но какво представляват звуковите вълни? Когато звучи високоговорител, например, конусът, който издава звука (който е направен от хартия или друг тънък материал) се движи напред-назад. Когато върви напред, той компресира въздушните молекули, които се притискат заедно. Когато се върне назад, оставя повече място за молекулите, които се отделят една от друга. И движението се повтаря отново и отново, много бързо (за звуците, които обикновено възприемаме, между 60 и 15 000 пъти в секунда!). По този начин a надлъжна вълна, който пътува във въздуха и отслабва с разстоянието. Колкото по-далеч сме от говорителя, толкова по-слабо ще го чуем.

Можем да получим по-конкретна представа за същността на звука чрез симулация, разработена в Университета на Колорадо, САЩ. За да използваме тази симулация, трябва да слезем надолу тук съответната програма, която идва от сайта phet.colorado.edu. Когато симулацията работи, нека опитаме следните опции: 1) като кликнете върху аудио позволено, ще се появи звукът, излъчен от говорителя или чут от слушател; 2) с тази последна опция опитайте да преместите слушателя, като го плъзнете с мишката; 3) променят честота вълна амплитуда (интензивност) на звука с помощта на курсорите, разположени горе вдясно.

Звуковата вълна е представена от линия, която се издига на местата, където молекулите на въздуха се компресират, събират се и слизат надолу, където молекулите се разширяват, отделят (както се вижда на фигурата). Ако конусът се движи твърде бързо в високоговорителя, ще се получи високочестотна вълна и a остър шум, докато по-бавното движение ще произведе нискочестотна вълна и следователно a нисък звук. Тогава честотата ще бъде количеството на "кръста" на вълната, които се произвеждат във всяка секунда и след това измерваме честотата на звука в цикли в секунда или c.p.s.

И тук можем да чуем примери за нисък и висок звук:

Нисък звук. Остър шум.

Като щракнем върху всяка от фигурите, ще чуем звуците, които съответстват на всяка от тях.

Това, което чухме в предишните примери, бяха чисти звуци, тоест с една честота. Можем да генерираме този тип звук в високоговорителя на компютъра с програмата SONI2.EXE, която трябва да изтеглим на нашия компютър. Веднъж инсталиран, ние го активираме с двойно щракване и му придаваме стойността на честотата на звука, който искаме да генерира, който ще чуем веднага.

Звуците на реалността. Звуците, които ни заобикалят в ежедневието, обикновено се състоят от сложна смесица от различни честоти или чисти звуци. възможно е гледам вълни, които съответстват на различни звуци с помощта на осцилоскоп, който е лабораторен инструмент, към който може да бъде прикрепен микрофон и който показва тези вълни на екран. За щастие в Интернет можем да намерим „виртуални осцилоскопи“, които ни позволяват да правим много интересни експерименти.

Ако в компютъра имаме звукова карта с високоговорители и свързан микрофон, можем да направим някои експерименти, след като изтеглим осцилоскопа, който първоначално се предлагаше на http://polly.phys.msu.ru Компресираният файл (.zip) съдържа осцилоскоп, както и ръководство за потребителя (на английски език). След разархивиране на файла изпълняваме WINSCOPE.EXE и осцилоскопът ще работи в един прозорец, докато Sound Laboratory може да е в друг прозорец.

Някои експерименти:

След като инсталираме осцилоскопа си на екрана, ние го стартираме с първата икона, която се появява в лентата на задачите: на екрана на инструмента трябва да се появи зелена линия. Когато говорим в микрофона, трябва да видим генерираните вълни като сложна следа (курсорът Y1 трябва да е в средата на скалата, а курсорът T под всичко, но можем да опитаме различни позиции). Ако всичко работи добре, започваме нашите експерименти. Нека опитаме например:

- Свирка пред микрофона (но не духайте директно върху него.). Ще видим, че се генерира вълна като тази на чистите звуци, които споменахме преди. За да разберем каква е честотата на тази вълна, щракваме с курсора върху иконата, която има няколко цвята: отиваме в режим честоти и ще видим линия или сигнал. Ако поставим курсора върху този сигнал, ще видим, че честотата се появява на лентата отдолу (например F = 1525,1 Hz или 1525,1 цикъла в секунда). Като подсвиркваме все по-висок и по-висок звук, ще видим как сигналът се движи надясно, при все по-високи честоти. Като щракнете отново върху цветната икона, осцилоскопът се връща в предишния режим (режим вълни).

- Говорете пред микрофона. Ще видим, че в този случай вълните са много сложни. Нека произнесем различните гласни и ще видим как всеки от тях има характерната си вълна. Когато мъжът говори, ще имаме вълна с относително ниски честоти. И когато една жена говори, естествено честотите ще бъдат по-високи.

- Изскубване на акорд за китара пред микрофона. Като натискаме струните една по една, ще видим, че формата на вълните е различна за всяка и че те не са напълно правилни. Когато отидем в режим честоти, Ще проверим дали звукът на всеки низ е съставен от няколко чисти честоти или чисти звуци. Нека се опитаме да „запазим“ звука, за да го изучим по-добре: в режим честоти, Нека щракнем върху втората икона в лентата на задачите (пауза) след натискане на най-високия акорд. Ще видим, че се появява основна честота (по-висок сигнал) и поредица от по-слаби честоти, които са кратни на основната (например, ако 300 е основната, други се появяват на 600, 900, 1200 и т.н.). Тези други честоти са нюанси на основното и допринасят за характерния звук на китарата. Натиснете първата икона отново, за да се върнете към нормална работа.

- Генерирайте звук с програмата SONI2.EXE, спомената по-горе. Възможно е да използвате тази програма в друг прозорец, докато осцилоскопът работи. Ако поставим микрофона близо до високоговорителя на компютъра, можем да видим вълните, съответстващи на всеки звук. Ще видим, че тези звуци понякога не са наистина чисти, защото в режим честоти се появяват два или повече сигнала.

Това са няколко идеи за експериментите, които могат да се направят с осцилоскопа, като се използват само режимите вълни или честоти (преминава от единия към другия с цветната икона) и режимите нормално или пауза (преминава от единия към другия с втората икона). Който иска да научи повече за този виртуален осцилоскоп, ще трябва да прочете придружаващото го ръководство с инструкции.

Музикалните инструменти.

. или вибриращи струни, като в китара.

. или чрез вибриране на въздуха, съдържащ се в тръба, като в орган.

. или на флейта.

На китара, например, когато натиснете струна, тя започва да вибрира. По какъв начин? Тъй като краищата са прикрепени и не могат да се движат, низът може да вибрира само по определени начини или режими. Някои от тези режими могат да се разглеждат с анимация на сайта

избор на опцията Вибриращ низ (Вибриращ низ). Ако честотата е модифицирана, може да се види как струната може да вибрира само с различни режими, които се различават в една дължина на вълната.

В флейта или друг духов инструмент, от друга страна, това, което вибрира, е въздухът, съдържащ се в тръбата, която формира инструмента, и честотата ще зависи от дължината и диаметъра на тръбата, независимо дали има отворен или затворен край и отвори, че тръбата има цялата си дължина. Също така в този случай можете да видите много добра анимация на надлъжните вълни, които се генерират в тръба на мястото:

Там ще намерим подробно обяснение на звуковите вълни, генерирани в тръба, отворена в единия или в двата края. В края на тази страница ще намерим анимацията на този тип вълни, като щракнете върху Следващия можем да променим честотата на акустичната вълна.

Малък „музикален инструмент“ може бързо да бъде изграден от сламка за пиене на сода. В края на една от тези хартиени или пластмасови тръби правим две разрези, образуващи "V" с ножици, както е показано на фигурата. След това смачкваме тръбата (със зъби или с твърд предмет), така че да се образуват чифт зъбки, които трябва да вибрират, когато духаме през този край. Може да се наложи да опитате няколко пъти, докато не подейства. Когато успеем да го накараме да издава звук при духане, можем да опитаме да режем тръбата с чифт ножици, да я скъсяваме и ще чуваме все по-остър звук. Искате ли да чуете как звучи? Натисни тук. Да видим дали ще получат същото.

И за да си починем малко след толкова много проучване, нека кликнете върху ORGANO, за да изтеглите на нашия компютър малка програма за създаване на музикални ноти с помощта на клавиатурата.

Доплеров ефект. И какъв е този ефект? Това е промяна в звука, която всички сме чували от време на време, може би в автомобилно състезание или на магистрала. Този ефект се появява, когато нещо, което произвежда звук, се приближи или се отдалечи бързо от нас. Например линейка, издаваща сирената си. Когато сирената се приближи до нас, звуковите вълни се "трупат", те се "трупат" и тогава ще чуем по-висок звук (по-къса дължина на вълната). От друга страна, когато сирената се отдалечи от нас, вълните се "удължават" и звукът става по-сериозен (по-голяма дължина на вълната). Но това не означава, че честотата, която произвежда сирената, се променя; тази честота винаги е една и съща, но относителната скорост на сирената се променя по отношение на нас. Нека чуем как звучи клаксонът на автомобил, който минава с пълна скорост, като щракнете тук с курсора.

Нека видим добра илюстрация на този ефект, взета от YouTube, като кликнете върху Доплер.

Скорост на звука. В бурни дни много пъти виждаме удар на мълния и само след няколко секунди ние чуваме гръмотевица, която е звукът, причинен от мълния. Това означава, че светлината пътува много, но много по-бързо от звука! Във въздуха скоростта на светлината е около 300 000 километра в секунда, докато скоростта на звука е около 340 метра в секунда или около една трета от километър в секунда. Каква разлика.

Но скоростта на звука зависи от веществото, в което се разпространява. Например в морската вода скоростта е 1500 метра в секунда, много по-висока, отколкото във въздуха. И в желязото е не по-малко от 5100 метра в секунда.

Можем да измерим скоростта на звука, като направим някои експеримент просто? Ако е възможно. Нека да видим какви експерименти могат да се направят.

- Със светлина и звук. На първо място, ще имаме нужда от някой, който да ни помогне. Второ, ще ни трябват няколко ракети или петарди, като тези, използвани през Нова година, плюс някой възрастен човек, който отговаря за безопасното използване на ракетите. Трето, експериментаторите трябва да бъдат разположени на открито и да бъдат разделени на известно разстояние, което може да бъде между 800 и 1000 метра (измерването на това разстояние е най-трудната част, въпреки че може да се направи, като се измине с кола и се види колко е маркировката километраж, при условие че измерва част от километър.). Четвърто, имаме нужда от хронометър, за да измерим секунди и част от секундата. Останалото изглежда лесно, но трябва да се упражнявате: един от експериментаторите пуска ракета, която винаги произвежда светлина (и ще се вижда най-добре по здрач), а другата измерва времето, изминало от отивам светлината до Хей Звук. Тогава става въпрос за разделяне на разстоянието на времето и ще имаме стойност за скоростта на звука.

Същият експеримент може да се направи със звънец, например като източник на звука. Един от експериментаторите удря камбаната и в този момент партньорът му, който наблюдава може би с очила, включва хронометъра и измерва времето, докато чуе звука. ако камбаната звъни достатъчно силно.

Може да се използва и автомобилът, с който е измерено разстоянието между експериментаторите: един от тях свири клаксон за части от секундата и едновременно включва светлините за същото време. Вашият партньор трябва да измери времето, изминало оттогава отивам светлината до Хей рога. Трябва да се отбележи, че клаксонът трябва да е наистина мощен (може също да е удобно да повдигнете капака на двигателя), тъй като не е лесно да чуете звука от разстояние 1 км.

Тези експерименти трябва да се повторят няколко пъти и след това трябва да се изчисли средна стойност на измерванията, за да има надеждна стойност на скоростта на звука.

Върнете се към главата Физика