Ласкаво просимо до звукової лабораторії. Тут ми збираємося трохи поекспериментувати зі звуками, дізнатися, як вони створюються і як вони поширюються. Щоб краще скористатися відвідуванням цієї віртуальної лабораторії, на нашому комп’ютері повинна бути встановлена звукова карта з відповідними динаміками та, якщо можливо, мікрофон. Але якщо у нас цих речей немає, ми також багато чому навчимось.
У "Звуку об'єктів", з розділу "Фізичні експерименти", ми сказали:
Ми всі чули звук дзвона. Але. як створюється цей звук? Дзвін - це металеве тіло, яке вібрує при ударі, в свою чергу ці вібрації металу викликають коливання в повітрі, яке їх оточує, і ці вібрації рухаються по повітрю, у вигляді звукових хвиль, до наших вух, де вони вібрують барабанну перетинку, там утворюються невеликі електричні струми, які надходять у наш мозок, а потім. почуємо дзвоник .
Звукові хвилі. Все, що звучить, змушує їх генеруватися звукові хвилі або акустичні хвилі, що подорожують по повітрю. З цієї причини, якби ми піднесли дзвін до Місяця, ми б не змогли його почути, оскільки немає повітря, немає атмосфери. Ці хвилі також проходять крізь тверде тіло: якщо ми покладемо кінець лінійки або стрижень будь-якого матеріалу на одне вухо, а подряпаємо інший кінець, ми чітко почуємо генеруваний звук.
І, звичайно, звук також подорожує в рідинах, у воді. Кити можуть спілкуватися на великій відстані в океані, видаючи звуки, подібні до того, який ми почуємо, натискаючи на малюнок.
Високі звуки, басові звуки. Але що таке звукові хвилі? Наприклад, коли звучить динамік, конус, що видає звук (який виготовлений з паперу або іншого тонкого матеріалу), рухається вперед і назад. Коли він рухається вперед, він стискає молекули повітря, які стискаються між собою. Коли він рухається назад, це залишає більше місця для молекул, які відокремлюються одна від одної. І рух повторюється знову і знову, дуже швидко (для звуків, які ми зазвичай сприймаємо, від 60 до 15 000 разів на секунду!). Таким чином a поздовжня хвиля, що подорожує по повітрю і з віддаленням стає слабшим. Чим далі ми будемо від оратора, тим слабше ми будемо його чути.
Ми можемо отримати більш конкретне уявлення про природу звуку за допомогою моделювання, розробленого в Університеті Колорадо, США. Щоб скористатися цим моделюванням, ми повинні спуститися вниз тут відповідна програма, яка надходить із сайту phet.colorado.edu. Під час запущеного моделювання спробуємо такі варіанти: 1) натиснувши аудіо дозволено, з’явиться звук, виданий диктором або почутий слухачем; 2) за допомогою цієї останньої опції спробуйте перемістити слухача, перетягнувши його за допомогою миші; 3) змінювати частота хвиля амплітуда (інтенсивність) звуку за допомогою курсорів, розташованих праворуч угорі.
Звукова хвиля представлена лінією, яка піднімається в місцях, де молекули повітря стискаються, зближуються і спускаються там, де молекули розширюються, відокремлюючись (як видно на малюнку). Якщо конус рухається занадто швидко в динаміку, буде створюватися хвиля високої частоти і a різкий шум, тоді як повільніший рух вироблятиме низькочастотну хвилю, а отже, низький звук. Потім частота буде величиною "попереку" хвилі, що утворюється щосекунди, і тоді ми вимірюємо частоту звуку циклів в секунду або c.p.s.
І тут ми можемо почути приклади низького та високого звуку:
Низький звук. Різкий шум.
Натиснувши на кожну з фігур, ми почуємо звуки, які відповідають кожній з них.
У попередніх прикладах ми чули чисті звуки, тобто з однією частотою. Ми можемо генерувати цей тип звуку в динаміку ПК за допомогою програми SONI2.EXE, яку ми повинні завантажити на наш комп’ютер. Після встановлення ми активуємо його подвійним клацанням і надаємо йому значення частоти звуку, який ми хочемо генерувати, який ми почуємо негайно.
Звуки реальності. Звуки, які нас оточують у повсякденному житті, зазвичай складаються із складної суміші різних частот або чистих звуків. це можливо дивитися хвилі, які відповідають різним звукам за допомогою осцилографа, який є лабораторним інструментом, до якого може бути приєднаний мікрофон, і який відображає ці хвилі на екрані. На щастя, в Інтернеті ми можемо знайти «віртуальні осцилографи», які дозволяють робити дуже цікаві експерименти.
Якщо на нашому комп’ютері є звукова карта з динаміками та підключеним мікрофоном, ми можемо провести деякі експерименти після завантаження осцилографа, який спочатку пропонувався на http://polly.phys.msu.ru. Стислий файл (.zip) містить осцилограф, а також посібник користувача (англійською мовою). Після розпакування файлу ми запускаємо WINSCOPE.EXE, і осцилограф буде працювати в одному вікні, тоді як Лабораторія звуку може бути в іншому вікні.
Деякі експерименти:
Після встановлення осцилографа на екрані ми запускаємо його за допомогою першого значка, який з’являється на панелі завдань: на екрані приладу повинна з’явитися зелена лінія. Говорячи в мікрофон, ми повинні бачити хвилі, що генеруються, як ускладнений слід (курсор Y1 повинен знаходитися в середині шкали, а курсор T - нижче всього, але ми можемо спробувати різні позиції). Якщо все працює нормально, ми починаємо наші експерименти. Спробуємо наприклад:
- Свистіть перед мікрофоном (але не дуйте прямо на нього.). Ми побачимо, що хвиля породжується подібно до чистого звуку, про який ми згадували раніше. Щоб дізнатись, якою є частота цієї хвилі, ми натискаємо курсором на піктограму, яка має кілька кольорів: ми переходимо в режим частоти і ми побачимо лінію або сигнал. Якщо ми розташуємо курсор на цьому сигналі, ми побачимо, що частота відображається на рядку нижче (наприклад, F = 1525,1 Гц або 1525,1 циклу в секунду). Свистячи все вищий і вищий звук, ми побачимо, як сигнал рухається вправо, зі збільшенням частот. Повторним клацанням на кольоровій піктограмі осцилограф повертається до попереднього режиму (режим хвилі).
- Говори перед мікрофоном. Ми побачимо, що в цьому випадку хвилі дуже складні. Давайте вимовимо різні голосні, і ми побачимо, як кожен із них має свою характерну хвилю. Коли самець розмовляє, у нас буде хвиля з відносно низькими частотами. І коли жінка говорить, природно частоти будуть вищими.
- Вищипування гітарного акорду перед мікрофоном. Натискаючи струни по черзі, ми побачимо, що форма хвиль у кожної з них різна, і що вони не є повністю регулярними. Коли ми переходимо в режим частоти, Ми перевіримо, чи звук кожної струни складається з декількох чистих частот чи чистих звуків. Спробуємо «зберегти» звук, щоб краще вивчити його: у режимі частоти, Клацніть на другу піктограму на панелі завдань (пауза) після натискання найвищого акорду. Ми побачимо, що з’являється головна частота (вищий сигнал) і ряд слабших частот, кратних головній (наприклад, якщо 300 є головною, інші з’являються на 600, 900, 1200 тощо). Ці інші частоти є обертони вести і сприяти характерному звуку гітари. Знову натисніть перший значок, щоб повернутися до нормальної роботи.
- Виробляти звук з програмою SONI2.EXE, згаданою вище. Цю програму можна використовувати в іншому вікні, поки у нас працює осцилограф. Якщо розмістити мікрофон біля динаміка ПК, ми можемо побачити хвилі, відповідні кожному звуку. Ми побачимо, що ці звуки часом не бувають насправді чистими, оскільки в режимі частоти з'являються два або більше сигналів.
Це кілька ідей щодо експериментів, які можна зробити з осцилографом, використовуючи лише режими хвилі або частоти (переходить від одного до іншого за допомогою кольорового значка) та режими нормальний або пауза (переходить від одного до іншого з другим значком). Той, хто хоче дізнатись більше про цей віртуальний осцилограф, повинен буде прочитати інструкцію з експлуатації, що додається до нього.
Музичні інструменти.
. або вібраційні струни, як у гітари.
. або за допомогою вібрації повітря, що міститься в трубці, як в органі.
. або на сопілці.
Наприклад, на гітарі, коли ти натискаєш струну, вона починає вібрувати. Яким чином? Оскільки кінці прикріплені і не можуть рухатися, струна може вібрувати лише певними способами або режимами. Деякі з цих режимів можна переглядати з анімацією на сайті
вибираючи варіант Вібраційна струна (Вібраційна струна). Якщо частота модифікується, можна побачити, як рядок може вібрувати лише з різними режими, що відрізняються на одній довжині хвилі.
У сопілці чи іншому духовому інструменті, з іншого боку, вібрує повітря, що міститься в трубці, що утворює інструмент, і частота буде залежати від довжини та діаметра трубки, незалежно від того, чи має вона відкритий чи закритий кінець та отвори, що трубка має повну довжину. Також у цьому випадку ви можете побачити дуже хорошу анімацію поздовжніх хвиль, що генеруються в трубі на місці:
Там ми знайдемо детальне пояснення звукових хвиль, що утворюються в трубці, відкритій на одному або обох кінцях. В кінці цієї сторінки ми знайдемо анімацію цього типу хвиль, де натиснувши на Далі ми можемо змінити частоту акустичної хвилі.
| Можна швидко побудувати маленький «музичний інструмент» із соломинки, щоб пити газовану воду. На кінці однієї з цих паперових або пластикових трубок ми робимо два надрізи, утворюючи ножицями «V», як показано на малюнку. Потім ми подрібнюємо трубку (зубами або яким-небудь твердим предметом) так, щоб утворилася пара язичків, які повинні вібрувати, коли ми дуємо через цей кінець. Можливо, доведеться спробувати кілька разів, поки це не спрацює. Коли нам вдається змусити його видавати звук під час дмухання, ми можемо спробувати розрізати трубку ножицями, вкоротити її, і ми почуємо дедалі різкіший звук. Ви хочете почути, як це звучить? Натисніть тут. Подивимось, чи отримають вони однакові. |
А щоб трохи відпочити після стілького вивчення, натисніть на ORGANO, щоб завантажити на наш комп’ютер невелику програму для створення музичних нот за допомогою клавіатури.
Ефект Доплера. І що це за ефект? Це зміна звуку, яку ми всі чули час від часу, можливо, в автомобільних перегонах або на шосе. Цей ефект з’являється, коли щось, що видає звук, наближається або швидко віддаляється від нас. Наприклад, швидка допомога, яка видає свою сирену. Коли сирена наближається до нас, звукові хвилі «нагромаджуються», вони «нагромаджуються», і тоді ми почуємо вищий звук (менша довжина хвилі). З іншого боку, коли сирена віддаляється від нас, хвилі «подовжуються», і звук стає більш серйозним (більша довжина хвилі). Але це не означає, що частота, яку виробляє сирена, змінюється; ця частота завжди однакова, але відносна швидкість сирени змінюється щодо нас. Послухаємо, як звучить звуковий сигнал автомобіля, який проїжджає нас на повній швидкості, клацнувши тут курсором.
Давайте побачимо хорошу ілюстрацію цього ефекту, взяту з YouTube, натиснувши на Доплерівський.
Швидкість звуку. У бурхливі дні багато разів ми бачимо удар блискавки і лише через кілька секунд ми чуємо грім, це звук, спричинений блискавкою. Це означає, що світло подорожує багато, але набагато швидше, ніж звук! У повітрі швидкість світла становить близько 300 000 кілометрів на секунду, тоді як швидкість звуку становить приблизно 340 метрів на секунду, або приблизно третину кілометра на секунду. Яка різниця.
Але швидкість звуку залежить від речовини, в якій він поширюється. Наприклад, у морській воді швидкість становить 1500 метрів в секунду, набагато вища, ніж у повітрі. А в залізі це не менше 5100 метрів в секунду.
Ми можемо виміряти швидкість звуку, виконавши деякі дії експеримент просто? Якщо можливо. Давайте подивимося, які експерименти можна робити.
- Зі світлом і звуком. Перш за все, нам потрібен буде хтось, хто нам допоможе. По-друге, нам знадобляться деякі ракети або петарди, такі як ті, що використовувались на Новий рік, а також деякий літній чоловік, який відповідає за безпечне використання ракет. По-третє, експериментатори повинні розташовуватися на відкритому повітрі та відокремлюватися відомою відстанню, яка може становити від 800 до 1000 метрів (вимірювання цієї відстані є найскладнішою частиною, хоча це можна зробити, проїхавши її на машині та подивившись, наскільки велика відмітка одометр, за умови, що він вимірює частку кілометра.). По-четверте, нам потрібен секундомір, щоб виміряти секунди та частку секунди. Решта здається легким, але вам доведеться потренуватися: один з експериментаторів запускає ракету, яка завжди виробляє світло (і це буде найкраще видно в сутінках), а інший вимірює час, що минув з піти світло до Привіт Звук. Тоді мова йде про ділення відстані на час, і ми отримаємо значення швидкості звуку.
Той самий експеримент можна зробити з дзвоном, наприклад, як джерелом звуку. Один із експериментаторів б'є в дзвін, і в цей момент його партнер, який спостерігає, можливо, в окулярах, запускає секундомір і вимірює час, поки не почує звук. якщо дзвін дзвонить досить голосно.
Також може бути використана машина, з якою вимірювали відстань між експериментаторами: один із них на частку секунди звучить, і одночасно вмикає світло на той самий час. Ваш партнер повинен виміряти час, що минув з того часу піти світло до Привіт Ріг. Слід зазначити, що гудок повинен бути справді потужним (можливо, зручно піднімати капот двигуна), оскільки почути звук на відстані 1 км непросто.
Ці експерименти необхідно повторити кілька разів, а потім розрахувати середнє значення вимірювань, щоб отримати достовірне значення швидкості звуку.
Повернутися до розділу Фізика