Resistansi gelombang. Pemantulan gelombang suara. Gema. Perambatan dan pemantulan bunyi Hukum pemantulan bunyi

Menurut UMK, dll.

Bab 2: Fenomena Suara

Tema:

Jenis pelajaran: gabungan

Tujuan pelajaran: mempelajari ciri-ciri bunyi dan fenomena pemantulan bunyi

Tujuan pelajaran (siswa): memperoleh pengetahuan tentang karakteristik suara dan pantulan suara

Tujuan Pelajaran: - untuk membentuk pengetahuan tentang karakteristik fisik (amplitudo, frekuensi) dan fisiologis (nada, kenyaringan, timbre) suara;

Mengembangkan kegiatan pembelajaran universal yang bersifat pribadi, peraturan, dan komunikatif;

Menumbuhkan minat kognitif, rasa ingin tahu, motivasi positif untuk belajar.

Peta Keamanan Pelajaran

Hasil metasubjek yang direncanakan:

Menyajikan informasi dalam bentuk verbal dan grafis.

Berikan contoh suara yang berbeda. Tunjukkan sumber suara dalam setiap kasus.

Bagaimana gelombang suara terbentuk?

Apa yang Anda ketahui tentang kecepatan gelombang suara di lingkungan yang berbeda?

Mengapa cepat rambat bunyi di air lebih tinggi daripada di udara?

Aktivitas kognitif: sistematisasi dan generalisasi pengetahuan tentang fenomena bunyi, sumber bunyi, rambat dan kecepatan bunyi

Aktivitas pengaturan: mengendalikan diri sendiri dan teman sekelas dalam proses mereproduksi dan mengoreksi pengetahuan dasar

3. Memperbarui pengetahuan

Guru... Manusia hidup di dunia suara. Kami mendengar suara orang, kicau burung, suara alat musik, suara hutan, suara mesin yang berjalan. Apa kesamaan suara-suara ini dan bagaimana perbedaannya?

Murid. Hal yang umum adalah bahwa semua suara dipancarkan oleh tubuh yang bergetar (pita suara seseorang, burung, dawai alat musik, cabang pohon, dll.), dan suara-suara ini dapat berbeda, misalnya, dalam kenyaringannya.

Guru. Menurut Anda apa yang bergantung pada volume suara? Bagaimana ditentukan? Apakah Anda ingin tahu jawaban atas pertanyaan ini? Baik sekali. Kami akan menjawab pertanyaan yang menarik minat kami dengan mempelajari karakteristik suara. Catat topik pelajaran “Volume dan Pitch. Refleksi suara”. Hari ini kita akan berkenalan dengan karakteristik fisik dan fisiologis suara, belajar membedakan suara rendah dari tinggi, keras dari tenang, mempelajari apa itu timbre, dan juga mempelajari hukum pemantulan gelombang suara.

Tahap 4. Mempelajari bahan ajar baru

4.1. Penciptaan dan solusi dari situasi masalah dengan eksperimen. Aktualisasi pengalaman subjektif

Guru. Mari kita cari tahu apa yang menentukan volume suara? Mari kita lakukan percobaan berikut.

Demonstrasi... Mari kita pukul kaki garpu tala dengan palu. Mari kita bawa manik-manik pada senar ke garpu tala yang berbunyi. Apa yang kita lihat dan mengapa?

Murid... Manik-manik memantul dari garpu tala karena garpu tala mengeluarkan suara, oleh karena itu, kaki garpu tala bergetar.

Guru... Apakah menurut Anda nada manik dari garpu tala akan berubah jika saya memukul lebih keras?

Murid... Saya pikir semakin keras kita menekan garpu tala, semakin banyak (lebih banyak) manik akan dibelokkan.

Guru. Mari kita periksa asumsi kita. (Demonstrasi) Apa perbedaan antara suara yang dikeluarkan oleh garpu tala?

Murid. Garpu membuat suara yang berbeda. Semakin keras kita menekan garpu tala, semakin besar amplitudo getaran garpu tala, sehingga semakin keras suaranya.

Guru... Ketergantungan volume suara pada amplitudo getaran dapat ditunjukkan dengan jelas menggunakan garpu tala dengan bulu (menurut Gambar 137)

Secara grafis, ketergantungan ini dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Guru. Kerasnya suara adalah karakteristik fisiologis pertama dari suara, yang ditentukan oleh amplitudo getaran sumber suara. Mari kita beralih ke bagian 2 dari percobaan kita. Ada dua garpu tala di meja tampilan. Apa perbedaan eksternal mereka?

Murid: Mereka ukuran yang berbeda, mereka memiliki massa yang berbeda.

Guru. Demonstrasi. Saya mengusulkan untuk mendemonstrasikan suara garpu tala ini dan mengomentari hasilnya.

Murid. Garpu tala ini menghasilkan suara yang berbeda. Yang satu rendah, yang lain tinggi. Saya pikir itu ada hubungannya dengan massa mereka. Dengan gaya tumbukan yang sama, kaki garpu tala akan bergetar pada frekuensi yang berbeda.

Guru... Untuk memeriksa asumsi ini, kami akan merekam getaran garpu tala pada pelat yang diasapi. Garpu tala pertama memiliki frekuensi yang lebih rendah dan mengeluarkan suara yang rendah, garpu tala kedua mengeluarkan suara yang lebih tinggi, oleh karena itu, semakin tinggi frekuensi getarannya, semakin tinggi suaranya.

Secara grafis, ini dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Jadi, pitch adalah karakteristik fisiologis kedua, yang ditentukan oleh frekuensi getaran.

Kami tidak akan pernah mengacaukan suara terompet dengan suara piano dengan Anda. Kami mengenali suara ibu kami dari seribu suara. Timbre suara membantu kita membedakan beberapa suara dari yang lain.

Warnanada- fitur individu gelombang suara yang kompleks, karena fakta bahwa suara terdiri dari serangkaian suara sederhana frekuensi yang berbeda, yaitu, memiliki "warna" tertentu, kualitas suara ini disebut timbre. Ini adalah karakteristik fisiologis lain dari suara.

Sekarang, coba sebutkan yang mana alat-alat musik suara? (Merekam di komputer)

(Respon siswa)

Guru.Volume, Nada dan Timbre disebut karakteristik fisiologis suara karena mereka terkait dengan persepsi kita. Karakteristik fisiologis suara yang terkait dengan fisik, yang memungkinkan Anda membedakan antara suara keras dari suara tenang, tinggi dari rendah, dari sumber yang berbeda. Apa ciri-ciri fisik bunyi?

Murid. Ciri fisik bunyi - amplitudo dan frekuensi.

Guru... Sekarang mari kita berkenalan dengan salah satu sifat utama gelombang suara. Gelombang suara, seperti yang lainnya, dapat dipantulkan dan dibiaskan. Refleksi gelombang hambatan sangat umum. Hukum pemantulan ini adalah hukum gelombang umum, yaitu berlaku untuk semua gelombang, termasuk suara dan cahaya. Kami akan mengamati pantulan gelombang dari layar secara eksperimental (percobaan menurut Gambar 141) Pengalaman dan pengamatan menunjukkan bahwa pantulan suara tunduk pada hukum tertentu: sudut datang sama dengan sudut pantul.

Guru. Mari kita melakukan interpretasi grafis dari eksperimen di papan tulis dan menarik kesimpulan tentang hubungan antara sudut datang dan refleksi

Murid. Sudut pantul sama dengan sudut datang.

Guru. Ketika gelombang suara merambat, Anda dapat mengamati fenomena seperti gema. Hal ini dijelaskan oleh properti refleksi gelombang dari rintangan.

Di hutan, di pegunungan, di kamar, kadang-kadang Anda dapat mendengar pantulan suara dari beberapa jenis rintangan (hutan, gunung, dinding). Jika gelombang suara mencapai kita, berturut-turut dipantulkan dari sejumlah rintangan, maka ternyata banyak gema. Thunderclap memiliki asal yang sama! Ini adalah pengulangan berulang dari "derek" yang sangat kuat dari percikan listrik petir yang sangat besar.

Ekolokasi didasarkan pada sifat pantulan suara

Beberapa hewan menggunakan ekolokasi untuk menentukan jarak. Misalnya, lumba-lumba, dengan menggunakan ekolokasi, menentukan topografi dasar dan lokasi rekan atau mangsanya dengan sangat akurat. Infrasonik yang dikirim oleh kelelawar dipantulkan dari mangsa potensial dan ditangkap oleh tikus. Berdasarkan waktu terbang sinyal suara, mouse sangat akurat menentukan jarak ke objek.

Echo sounder - perangkat khusus untuk menentukan kedalaman laut - juga menggunakan fenomena pantulan suara. Kedalaman laut terkadang melebihi 10 km, dan tidak mungkin mengukur kedalaman seperti itu dengan lot biasa (beban diikat dengan tali). Echo sounder memancarkan kuat dan pendek sinyal suara dan kemudian menangkap gema yang dipantulkan dari dasar laut.

https://pandia.ru/text/80/015/images/image010_21.jpg "lebar =" 252 "tinggi =" 189 ">

4.2. kerja mandiri siswa.

Sebagai kelanjutan dari pengembangan topik dan asimilasi pengetahuan baru, siswa diajak untuk secara mandiri mempelajari materi yang ada di meja mereka.

Guru. Mengeksplorasi material tambahan, tinjau gambar, jawab pertanyaan, dan cek silang

1) Apa penyebab gangguan pendengaran?

2) Apa norma yang menentukan kerasnya suara menurut SANPIN?

3) Perhatikan gambarnya. Berapa desibel volume disko melebihi norma-norma ini?

Suara yang dirasakan oleh telinga manusia adalah salah satu sumber informasi terpenting tentang dunia di sekitar kita. Telinga adalah salah satu organ yang paling kompleks dan halus; ia merasakan suara yang sangat lemah dan sangat kuat. Organ pendengaran selalu "terjaga" bahkan di malam hari, dalam mimpi ia terus-menerus terkena rangsangan eksternal, karena ia tidak memiliki alat pelindung apa pun, mirip, misalnya, kelopak mata yang melindungi mata dari cahaya. Oleh karena itu, telinga manusia harus dilindungi tidak hanya dari kerusakan mekanis, tetapi juga dari suara keras!

Ketidaknyamanan kebisingan modern menyebabkan reaksi menyakitkan pada organisme hidup. Kebisingan dari pesawat jet yang lewat, misalnya, memiliki efek depresi pada lebah, ia kehilangan kemampuannya untuk mengarahkan dirinya sendiri. Suara yang sama membunuh larva lebah, memecahkan telur burung yang bertelur di sarang. Ketika terkena suara yang kuat, sapi memberi lebih sedikit susu, ayam lebih jarang berlari, burung mulai merontokkan dengan kuat, perkecambahan biji tertunda, dan bahkan terjadi penghancuran sel tumbuhan. Bukan kebetulan, misalnya, bahwa pohon-pohon di kota, bahkan di daerah "tidur", mati lebih awal daripada dalam kondisi alami.

Di kota-kota besar modern, kebisingan telah meningkat beberapa kali. Jika pada tahun 60-70-an abad terakhir tingkat kenyaringan di jalanan tidak melebihi 80 dB, sekarang mencapai 100 dB atau lebih. Di banyak jalan raya yang sibuk, bahkan di malam hari, kebisingan tidak turun di bawah 70 dB, sedangkan menurut standar sanitasi, tidak boleh melebihi 40 dB.

Di kota-kota besar Rusia (St. Petersburg, Nizhny Novgorod, Krasnoyarsk, Yekaterinburg, Magnitogorsk, dll.) di jalan raya dengan lalu lintas padat (hingga 6 - 8 ribu awak mobil per jam), tingkat kebisingan rata-rata adalah 73 - 83 dB, dan maksimum - hingga 90 dB atau lebih.

Tahap 5. Pemeriksaan awal pemahaman materi yang dipelajari

Target: menetapkan kebenaran dan kesadaran materi yang dipelajari, mengidentifikasi kesenjangan, memperbaiki kesenjangan dalam pemahaman materi

Metode dan teknik eksekusi: persiapan siswa dari pertanyaan mereka, contoh mereka mengamati gema, suara dengan kenyaringan dan nada yang berbeda di alam, memecahkan masalah kualitatif tentang hukum pemantulan.

6. Tahap konsolidasi materi pendidikan

Target: untuk memastikan, selama konsolidasi, peningkatan tingkat pemahaman materi yang dipelajari, kedalaman pemahaman.

Untuk mengkonsolidasikan dan memperdalam pengetahuan yang diperoleh, Buku Kerja digunakan: No. 000, 259, tugas memungkinkan Anda untuk menerapkan pengetahuan teoretis dalam praktik,

7 tahap. Tugas rumah.

Tugas tingkat kreatif ditawarkan kepada mereka yang menganggapnya mungkin untuk pekerjaan kreatif mandiri.

Tahap 8. Menyimpulkan pelajaran dan refleksi

Target: memberikan penilaian kualitatif terhadap pekerjaan kelas dan individu siswa; memulai refleksi siswa tentang motivasi kegiatan mereka dan interaksi dengan guru dan teman sekelas

Guru. Jadi, mari kita rangkum hasil pelajaran kita. Sekarang kita tahu apa nada, kenyaringan, dan timbre suara dan kuantitas fisik apa yang dicirikan olehnya, bahwa pantulan suara mematuhi pola tertentu dan dapat mengarah pada pengamatan fenomena seperti gema, dan kita juga berkenalan dengan akuntansi dan penerapan refleksi suara dalam teknologi.

Seperti dalam setiap proses gelombang, ketika gelombang suara jatuh pada penghalang dengan ukuran terbatas, selain interferensi, pemantulannya juga diamati (Gambar 1.10). Dalam hal ini, sudut datang dan sudut pantul sama besar. Akibatnya, permukaan datar dan cembung menyebarkan suara (Gbr. 1.10 a, b dan c), dan yang cekung - fokus, konsentrasikan di beberapa titik (Gbr. 1.10 d).

Gambar 1.10 Pemantulan gelombang suara dari permukaan berbagai bentuk

Ketika gelombang jatuh pada batas dua media (Gbr. 1.11), sebagian dari energi suara dipantulkan, dan sebagian lagi masuk ke media kedua.

Beras. 1.11 Pemantulan dan transmisi gelombang pada batas dua media

Menurut hukum kekekalan energi, jumlah yang dilalui E masa lalu. dan tercermin Tidak. energi sama dengan energi gelombang datang E pad, , yaitu

Bagilah ruas kanan dan kiri rumus dengan papan tulis .

1 = (E neg. / Epad) +(Eprosh / Epad)

Suku-suku dalam rasio di atas menunjukkan berapa banyak energi datang yang dipantulkan, dan fraksi apa yang diteruskan lebih jauh. Mereka mewakili koefisien refleksi dan transmisi. Memperkenalkan notasi dan untuk mereka, masing-masing, kami memperoleh

Gambar 1.12 menunjukkan perubahan koefisien refleksi dan transmisi tergantung pada rasio impedansi akustik dari media yang berdampingan. Grafik menunjukkan bahwa nilai koefisien hanya bergantung pada absolut

nilai lute dari rasio impedansi akustik media, tetapi tidak bergantung pada impedansi mana yang lebih besar. Ini dapat menjelaskan fakta bahwa suara yang merambat di dinding masif mana pun mengalami pantulan yang sama dari antarmuka dengan media udara seperti suara yang merambat di udara saat dipantulkan dari dinding ini.

Beras. 1.12. Kemungkinan η dan τ tergantung pada rasio impedansi akustik dari media yang berdekatan (Z 1 / Z 2)

Dalam beberapa kasus, menarik untuk mengetahui bagaimana tekanan suara atau kecepatan vibrasi partikel akan berubah ketika melewati batas dua media. Karena intensitas energi suara sebanding dengan kuadrat tekanan suara dan kecepatan getaran, maka jelas koefisien refleksi untuk tekanan dan kecepatan dapat ditemukan dengan rumus

Rumus di atas untuk koefisien refleksi dan transmisi dapat digunakan dalam perhitungan panduan suara satu dimensi saat mengubah penampangnya (Gbr. 1.13), jika luas penampang S 1 dan S 2 tidak terlalu berbeda. Pada

Gambar 1.13. Mengubah penampang panduan suara

Penyerapan suara

Penyerapan suara (redaman, disipasi) adalah konversi energi suara menjadi panas. Hal ini disebabkan oleh konduktivitas termal dan viskositas (penyerapan klasik) dan refleksi intramolekul. Pada amplitudo yang sangat tinggi, yang hanya ditemukan di dekat sumber suara yang sangat kuat atau selama tumbukan supersonik, proses nonlinier muncul, yang menyebabkan distorsi bentuk gelombang dan peningkatan penyerapan.

Untuk suara dalam gas dan cairan, penyerapan praktis hanya penting ketika suara merambat dalam jarak yang jauh (setidaknya beberapa ratus panjang gelombang) atau jika benda dengan permukaan yang sangat besar bertemu di jalur suara.

Pertimbangkan proses suara melewati rintangan (Gambar 1.14). Energi dari suara insiden papan tulis ... dibagi menjadi energi yang dipantulkan dari rintangan E neg terserap di dalamnya E pogl dan energi melewati rintangan

Menurut hukum kekekalan energi

Gambar 1.14. Distribusi energi ketika suara menabrak rintangan.

Proses ini dapat dinilai dengan rasio energi masa lalu, yang diserap dan dipantulkan dengan energi yang jatuh pada rintangan:

= E masa lalu. / E-pad; = E neg. / E-pad; = E serap. / E-pad; (1.67)

Seperti disebutkan di atas, dua rasio pertama disebut koefisien transmisi τ dan refleksi η ... Koefisien ketiga mencirikan bagian energi yang diserap dan disebut koefisien penyerapan . Jelas bahwa dari (1,66) berikut ini

Penyerapan suara disebabkan oleh transisi energi vibrasi menjadi panas karena kehilangan gesekan pada material. Kerugian gesekan tinggi pada bahan berpori berpori dan longgar. Struktur yang terbuat dari bahan tersebut mengurangi intensitas gelombang suara yang dipantulkan dari permukaan. Peredam suara dalam ruangan juga dapat mengurangi intensitas suara langsung jika ditempatkan di jalur gelombang suara.

Resonator.

Yang disebut resonator dapat berfungsi sebagai penyerap gelombang suara yang efektif, dan dalam beberapa kasus penguatnya. Di bawah resonator,

sistem tipe "massa-pegas" berubah, di mana peran massa berosilasi dimainkan oleh massa udara di lubang sempit atau di celah pelat, dan peran pegas

- volume elastis udara di rongga di belakang pelat. Sebuah representasi skematis dari resonator Helmholtz ditunjukkan pada Gambar. 1.15.

Beras. 1.15. Resonator Helmholtz

Pertimbangkan resonator udara paling sederhana, mis. sebuah kapal dengan dinding kaku dan tenggorokan sempit. Ketika gelombang suara dengan frekuensi tertentu jatuh di atasnya, "sumbat" udara di tenggorokan kapal mulai bergetar secara intensif. Kecepatan getaran partikel di tenggorokan beberapa kali lebih tinggi daripada kecepatan getaran di medan suara bebas ξ ... Dalam volume internal resonator saat ini, tekanannya meningkat R ... Jika tabung dibawa ke rongga bagian dalam resonator, suara yang dirasakan akan lebih keras.

Pada saat yang sama, dengan kerugian gesekan yang cukup besar, resonator tidak dapat berfungsi sebagai penguat, tetapi sebagai penyerap energi suara. Jika lapisan bahan penyerap suara dimasukkan ke dalam tenggorokan resonator, penyerapan akan meningkat tajam.

Frekuensi melingkar alami tentang dengan massa M pada musim semi dengan kekakuan S dapat ditemukan dengan rumus terkenal

suntingan yang besarnya tergantung pada bentuk leher dan luas penampangnya. Dengan demikian, frekuensi alami resonator didefinisikan sebagai

Dalam sistem resonansi seperti itu, dengan adanya sumber suara eksternal, udara yang terperangkap di dalam rongga bergetar bersamanya dengan amplitudo yang bergantung pada rasio antara periode getaran alami dan getaran paksa. Ketika sumber dimatikan, resonator mengembalikan osilasi yang terkumpul di dalamnya, untuk waktu yang singkat menjadi sumber sekunder.

Tergantung pada karakteristiknya, resonator dapat memperkuat atau menyerap getaran suara pada frekuensi tertentu.

Penyerapan suara resonator dijelaskan menggunakan karakteristik kondisional bagian penyerap suara A ... Ini dipahami sebagai area bersyarat dari bagian yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang datang, di mana gelombang bebas (tanpa adanya resonator) mentransmisikan daya yang sama dengan yang diserap oleh resonator.

Mari kita asumsikan bahwa dimensi resonator kecil dibandingkan dengan panjang gelombang datang. Kemudian, sebagai pendekatan pertama, hamburan energi suara pada badan resonator dapat diabaikan. Jika kita menerima rongga resonator tertutup secara akustik secara kaku, maka tekanan suara di leher p h = p l , dan kecepatan osilasi = p h / Z h (jika resonator ada di layar, maka faktor akan ditambahkan dalam rumus yang diberikan 2 ).

Impedansi leher resonator adalah jumlah dari kerugian internal R i , resistensi radiasi aktif R r dan reaktansi massa dan elastisitas.

2. P R O M S W L E N N A Z A K U S T I K A

Selama pelajaran, semua orang akan bisa mendapatkan ide tentang topik “Refleksi gelombang. Resonansi Suara". Dalam pelajaran ini, kita akan mengeksplorasi fenomena refleksi gelombang yang menarik seperti gema, dan menghitung kondisi yang diperlukan untuk kemunculannya. Kami juga akan mengadakan pengalaman menarik dengan garpu tala musik untuk lebih memahami apa itu resonansi suara.

Jadi, kami menyimpulkan Bab 7 - "Osilasi dan Gelombang" - dengan fenomena menarik. Ini adalah refleksi dari gelombang dan resonansi suara. Anda tahu bahwa di ruangan kosong, di pegunungan atau di bawah lengkungan sebuah bangunan, Anda dapat mengamati fenomena yang luar biasa - gema. Apa itu gema? Gema- Ini adalah fenomena pantulan gelombang suara dari benda padat. Kapan seseorang dapat mendengar gema? Ternyata agar seseorang dapat membedakan (alat bantu dengarnya mampu membedakan dua sinyal), diperlukan jeda waktu 0,06 s. Mari kita hitung: kecepatan rambat gelombang adalah 340 m / s di udara, sehingga Anda dapat menghitung jarak ke objek dari mana gelombang akan dipantulkan. Harus jelas: ketika mengalikan kecepatan dengan nilai ini, penundaan kita dapatkan 20,4 m L = V. t = 340 m / s 0,06 m / s = 20,4 m.

Tetapi, Anda mengerti bahwa pemantulan adalah gerakan gelombang ke satu arah, kemudian mengalami pemantulan ke arah lain, sehingga jarak yang kita peroleh dapat dibagi dua dengan aman dan menempatkan orang tersebut pada jarak dari penghalang dari mana suara itu keluar. akan dipantulkan, dan kemudian Anda dapat mendengar gema. Anda juga membutuhkan permukaan yang memantulkan cahaya dengan baik, karena jika, misalnya, ruangan itu cukup besar, itu diisi dengan banyak furnitur ( furnitur berlapis) dan orang, maka semua benda ini menyerap gelombang suara, sehingga gemanya tidak bisa dibedakan. Hanya saja tidak ada energi yang cukup bagi gelombang suara untuk memiliki fenomena ini. Di mana fenomena ini digunakan? Tentu saja, menarik untuk mendengarkan gema di pegunungan, sangat bagus untuk bernyanyi di bawah lengkungan musik, yang sering digunakan dalam arsitektur abad ke-19, tetapi ada perangkat nyata yang menggunakan properti ini. Misalnya, teriakan. Jika sekarang saya melipat tangan seperti ini, Anda segera mendengar bahwa suara saya menjadi lebih kuat, meskipun orang-orang yang akan berdiri di sisi saya, suara dari pita suara saya akan jauh lebih tenang. Oleh karena itu, sebuah fenomena menarik terjadi: dinding klakson memperkuat gelombang suara, meningkatkan kekuatan sinyal. Apa itu echo sounder? Ini adalah kata kompleks yang berasal dari dua kata: "echo" - "reflection", "lot" - alat yang mengukur kedalaman reservoir. Banyak adalah batu sederhana di atas tali untuk nelayan. Echo sounder untuk orang yang berlayar di kapal besar dirancang sebagai berikut. Penerima dan sumber gelombang suara terletak di bawah sisi kapal. Gelombang bunyi berasal dari sumber gelombang bunyi, mencapai dasar, dipantulkan dan masuk ke penerima gelombang bunyi. Waktunya tetap, yang berlalu antara pemberian sinyal dan kedatangannya kembali. t = 0,06 s. Dan jarak, yang diperoleh dengan perhitungan seperti itu, dibagi menjadi dua, dan kami menemukan kedalaman reservoir. Echo sounder digunakan tidak hanya pada frekuensi suara, tetapi juga pada infrasonik atau ultrasound. Kami berbicara tentang bagaimana ini digunakan di paragraf terakhir. Prinsipnya sama. Fenomena pantulan gelombang suara digunakan. Mari kita lihat fenomena suara menarik lainnya - ini dia resonansi suara... Biarkan saya mengingatkan Anda: ini adalah fenomena peningkatan amplitudo osilasi paksa sambil mengamati frekuensi osilasi alami sistem dan osilasi paksa. Biarkan saya mengingatkan Anda: sistem apa pun yang dapat berosilasi memiliki frekuensinya sendiri. Frekuensi ini dibentuk oleh desain perangkat itu sendiri, yang dapat berosilasi. Jika kita memaksa perangkat ini untuk bergetar dengan gaya eksternal, yang hanya memiliki frekuensi getaran paksa n 0 = n CON, akan ada peningkatan getaran suara, karena peningkatan amplitudo memerlukan peningkatan suara, daya energi. Untuk menjelaskan fenomena ini secara rinci sehingga Anda mengerti apa artinya resonansi, kami akan bekerja dengan ini perangkat khusus yang digunakan dalam musik. Alat ini disebut garpu tala. Garpu terbuat dari baja, memiliki frekuensi alami yang sesuai dengan nada dalam percobaan ini. Sebuah kotak resonator khusus dipilih untuk garpu tala ini, dengan coba-coba, dengan perhitungan matematis. Kotak macam apa ini? Apa yang dilakukannya dengan suara, sekarang kita akan melihat dari pengalaman. Di depan kita ada garpu tala. Saya memiliki palu karet yang akan kita gunakan untuk bergetar. Garpu tala ini akan memiliki getaran paksa. Pertama, untuk memahami untuk apa kotak resonator, saya akan mencoba menutupi kotak resonator dengan selembar kertas sederhana seperti ini. Dengarkan baik-baik apa yang akan terjadi pada suara itu sendiri. Jika Anda melihat sesuatu, mari ulangi eksperimen lagi. Saya akan mencoba menginduksi goyangan yang lebih parah dengan meningkatkan energi dalam sistem. Jadi, kotak resonator meningkatkan amplitudo osilasi yang dihasilkan. Bagaimana dia melakukannya? Ini mendistribusikan kembali energi yang telah saya komunikasikan ke sistem. Ini berarti bahwa garpu tala menyebabkan getaran dek kotak itu sendiri dan udara yang ada di dalam kotak ini di dalam kotak resonator. Getaran bertambah dan memperkuat suara. Dalam hal ini, hukum kekekalan energi terpenuhi untuk kita, yaitu. dengan kotak resonator, suara garpu tala terdengar lebih pendek, tetapi lebih kuat. Mari kita lanjutkan eksperimennya. Mari kita lihat bagaimana Anda dapat menghentikan getaran suara ini. Saya menyentuh kaki garpu tala, dan koefisien redaman sistem ini menjadi sangat besar, osilasi berhenti hampir seketika. Sekali lagi, tidak ada keraguan. Sekarang kita akan melihat fenomena resonansi, apa yang terjadi jika saya mengambil persis sama, memiliki frekuensi suara yang sama persis, garpu tala lain. Lihat, kotak resonator akan diarahkan satu sama lain sehingga celah udara tidak signifikan dan osilasi tidak lembab, dan efeknya maksimal. Jadi, saya menyebabkan osilasi di garpu tala ini. Gelombang suara merambat, meninggalkan ruang, dan jika frekuensinya persis sama untuk garpu tala, maka resonansi akan muncul. Mari kita lihat, saya bisa mendengar bagaimana suara garpu tala kedua. Katakanlah lagi: garpu tala berbunyi, telah berhenti berbunyi. Mari kita periksa, mungkin saya memiliki garpu tala khusus di sebelah kiri. Mari kita coba menimbulkan getaran pada garpu tala kedua dan dengarkan apa yang terjadi pada garpu tala pertama. Keraguan itu ada. Jadi, kondisi resonansi terpenuhi: frekuensi bertepatan, amplitudo meningkat. Sistem merespon secara selektif terhadap osilasi eksternal. Hanya memilih frekuensi yang disetel. Mari kita periksa, jika sekarang saya mengubah frekuensi osilasi salah satu garpu tala (saya hanya memasang muff di sini), tubuh saya yang berosilasi akan berubah massa, dan frekuensinya akan berubah. Oleh karena itu, tidak akan ada resonansi. Saya yakin akan hal ini, mari kita periksa berdasarkan pengalaman apakah ini benar-benar demikian. Tidak ada resonansi, dan karena itu juga tidak ada suara. Mari kita lihat, jika saya melakukannya dalam urutan terbalik, jika garpu tala ini berbunyi, maka mungkin saya menipu Anda, kita lihat saja. Tidak ada fenomena resonansi.

Jadi, kita telah mempelajari fenomena suara yang penting hari ini. Ini adalah refleksi gelombang suara dan fenomena resonansi suara. Terimakasih atas perhatiannya.

Tekanan bunyi p bergantung pada kecepatan v partikel medium yang bergetar. Perhitungan menunjukkan bahwa

di mana p adalah rapat massa medium, c adalah cepat rambat gelombang bunyi dalam medium. Produk pc disebut impedansi akustik spesifik, untuk gelombang bidang disebut juga impedansi karakteristik.

Tahanan gelombang adalah karakteristik paling penting dari suatu medium, yang menentukan kondisi pemantulan dan pembiasan gelombang pada batasnya.

Mari kita bayangkan gelombang suara mengenai antarmuka antara dua media. Sebagian gelombang dipantulkan dan sebagian dibiaskan. Hukum pemantulan dan pembiasan gelombang suara mirip dengan hukum pemantulan dan pembiasan cahaya. Gelombang yang dibiaskan dapat diserap pada medium kedua, atau dapat meninggalkannya.

Mari kita asumsikan bahwa gelombang bidang jatuh secara normal ke antarmuka, intensitasnya di media pertama I 1 adalah intensitas gelombang yang dibiaskan (ditransmisikan) di media kedua 1 2. Mari kita panggil

koefisien penetrasi gelombang suara.

Rayleigh menunjukkan bahwa koefisien penetrasi suara ditentukan oleh rumus

karena c 1 1 / c 2 p 2 >> 1. Mari kita berikan impedansi gelombang beberapa zat pada 20 ° C (Tabel 14).

Tabel 14

Kami menggunakan (6.8) untuk menghitung koefisien penetrasi gelombang suara dari udara ke beton dan ke dalam air:

Data ini mengesankan: ternyata hanya sebagian kecil dari energi gelombang suara yang merambat dari udara ke beton dan air.

Di ruangan tertutup mana pun, suara yang dipantulkan dari dinding, langit-langit, perabotan jatuh di dinding lain, lantai, dll., Sekali lagi dipantulkan dan diserap dan berangsur-angsur menghilang. Oleh karena itu, bahkan setelah sumber suara berhenti beroperasi, masih ada gelombang suara di dalam ruangan yang menimbulkan dengungan. Ini terutama terlihat di aula besar yang luas. Proses redaman bertahap suara di ruangan tertutup setelah mematikan sumber disebut gema.

Reverb, di satu sisi, berguna, karena persepsi suara ditingkatkan oleh energi gelombang yang dipantulkan, tetapi, di sisi lain, gema yang terlalu lama dapat secara signifikan merusak persepsi ucapan, musik, karena setiap bagian baru dari teks tumpang tindih dengan yang sebelumnya. Dalam hal ini, beberapa waktu dengung yang optimal biasanya ditunjukkan, yang diperhitungkan saat membangun auditorium, ruang teater dan konser, dll. 55 detik. Untuk ruangan (kosong) ini, waktu dengung masing-masing adalah 4,55 dan 2,06 detik.

Fisika pendengaran

Mari kita perhatikan beberapa pertanyaan fisika pendengaran dengan menggunakan contoh telinga luar, tengah dan dalam. Telinga luar terdiri dari daun telinga 1 dan saluran pendengaran eksternal 2 (Gbr. 6.8) B Daun telinga pada manusia tidak memainkan peran penting untuk pendengaran. Ini membantu untuk menentukan lokalisasi sumber suara ketika terletak di arah anteroposterior. Mari kita jelaskan ini. Suara dari sumber masuk ke daun telinga. Tergantung pada posisi sumber di bidang vertikal

(Gambar 6.9) Gelombang suara akan berdifraksi secara berbeda pada pinna karena bentuknya yang spesifik. Hal ini juga akan menyebabkan perubahan komposisi spektral gelombang suara yang memasuki saluran telinga (lebih rinci, masalah difraksi dibahas dalam Bab 19). Sebagai hasil dari pengalaman, seseorang telah belajar mengasosiasikan perubahan spektrum gelombang suara dengan arah ke sumber suara (arah A, B dan B pada Gambar 6.6).

Memiliki dua penerima suara (telinga), manusia dan hewan dapat menentukan arah ke sumber suara dan pada bidang horizontal (efek binaural; Gambar 6.10). Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa suara dari sumber ke telinga yang berbeda menempuh jarak yang berbeda dan ada perbedaan fase gelombang yang memasuki daun telinga kanan dan kiri. Hubungan antara perbedaan antara jarak (5) dan perbedaan fasa (∆φ) diturunkan dalam 19.1 ketika menjelaskan interferensi cahaya [lihat. (19.9)]. Jika sumber suara terletak tepat di depan wajah seseorang, maka = 0 dan = 0, jika sumber suara terletak di sisi yang berlawanan dengan salah satu daun telinga, maka akan memasuki daun telinga yang lain dengan penundaan. Kami akan mengasumsikan kira-kira bahwa dalam hal ini 5 adalah jarak antara daun telinga. Dengan menggunakan rumus (19.9), perbedaan fasa dapat dihitung untuk v = 1 kHz dan = 0,15 m. Ini kira-kira sama dengan 180 °.

Arah yang berbeda ke sumber suara di bidang horizontal akan sesuai dengan perbedaan fase antara 0 ° dan 180 ° (untuk data di atas). Dipercaya bahwa seseorang dengan pendengaran normal dapat memperbaiki arah ke sumber suara dengan akurasi 3 °, ini sesuai dengan perbedaan fase 6 °. Oleh karena itu, kita dapat berasumsi bahwa seseorang dapat membedakan perubahan perbedaan fase gelombang suara yang masuk ke telinganya, dengan akurasi 6 °.

telinga sebagai akibat difraksi (Bab 19).

Gelombang suara melewati saluran telinga dan sebagian dipantulkan dari membran timpani 3 (lihat Gambar 6.8). Akibat interferensi gelombang datang dan gelombang pantul, resonansi akustik dapat terjadi. Dalam hal ini, panjang gelombang adalah empat kali panjang saluran pendengaran eksternal. Panjang liang telinga pada manusia kira-kira 2,3 cm; oleh karena itu, resonansi akustik terjadi pada frekuensi

Bagian terpenting dari telinga tengah adalah membran timpani 3 dan tulang-tulang pendengaran: maleus 4, inkus 5 dan stapes 6 dengan otot, tendon, dan ligamen yang sesuai. Tulang melakukan transfer getaran mekanis dari lingkungan udara telinga luar ke media cair di dalam. Cairan di telinga bagian dalam memiliki impedansi karakteristik yang kira-kira sama dengan air. Seperti yang telah ditunjukkan (lihat 6.4), dengan transisi langsung gelombang suara dari udara ke air, hanya 0,123% dari intensitas insiden yang ditransfer. Ini terlalu sedikit. Oleh karena itu, tujuan utama dari telinga tengah adalah untuk memfasilitasi transmisi intensitas suara yang lebih besar ke telinga bagian dalam. Dalam istilah teknis, telinga tengah dapat dikatakan cocok dengan impedansi gelombang udara dan cairan di telinga bagian dalam.

Sistem ossicles (lihat Gambar 6.8) di satu ujung dihubungkan dengan palu ke membran timpani (area S 1 = 64 mm 2), di sisi lain - oleh stapes - dengan jendela oval 7 dari telinga bagian dalam ( luas S 2 = 3 mm 2).

Pada tingkat ini, transmisi tekanan suara eksternal ke telinga bagian dalam meningkat ke telinga tengah.

Fungsi lain dari telinga tengah adalah untuk meredam transmisi getaran dalam kasus suara berintensitas tinggi. Hal ini dicapai dengan relaksasi refleksif otot-otot tulang-tulang telinga tengah.

Telinga tengah terhubung ke atmosfer melalui tabung pendengaran (Eustachius).

Telinga luar dan tengah termasuk dalam sistem penghantar suara. Sistem penerima suara adalah telinga bagian dalam.

Bagian utama dari telinga bagian dalam adalah koklea, yang mengubah getaran mekanis menjadi sinyal listrik. Selain koklea, aparatus vestibular termasuk dalam telinga bagian dalam (lihat 4.3), yang tidak ada hubungannya dengan fungsi pendengaran.

Koklea manusia adalah formasi tulang dengan panjang sekitar 35 mm dan berbentuk spiral kerucut dengan 2 3/4 ikal. Diameter di pangkalan sekitar 9 mm, tingginya sekitar 5 mm.

dalam gambar. 6.8 siput (dibatasi oleh garis putus-putus) ditampilkan secara skematis terbuka untuk kemudahan referensi. Tiga kanal berjalan di sepanjang koklea. Salah satunya, yang dimulai dari jendela oval 7, disebut tangga vestibular 8. Saluran lain pergi dari jendela bundar 9, disebut tangga timpani 10. Tangga vestibular dan timpani terhubung di area kubah koklea melalui lubang kecil - helikotreme 11. Jadi, kedua saluran ini dalam beberapa cara mewakili sistem tunggal yang diisi dengan perilimfe. Osilasi stapes 6 ditransmisikan ke membran jendela oval 7, darinya perilimfe dan "menonjolkan" membran jendela bundar 9. Ruang antara tangga vestibular dan timpani disebut kanal koklea 12, diisi dengan endolimfe. Membran (basilar) utama 13 berjalan antara kanal koklea dan tangga timpani sepanjang koklea 13. Ini berisi organ Corti, mengandung sel-sel reseptor (rambut); saraf pendengaran memanjang dari koklea (detail ini tidak ditunjukkan pada Gambar. 6.8).

Organ corti (organ spiral) dan merupakan pengubah getaran mekanis menjadi sinyal listrik.

Panjang membran utama adalah sekitar 32 mm, melebar dan menjadi lebih tipis ke arah dari jendela oval ke puncak koklea (lebar 0,1-0,5 mm). Membran utama adalah struktur yang sangat menarik untuk fisika; ia memiliki sifat selektif frekuensi. Helmholtz juga memperhatikan hal ini.

mewakili membran utama yang mirip dengan deretan senar piano yang disetel. Pemenang hadiah Penghargaan Nobel Bekesy menetapkan kekeliruan teori resonator ini. Dalam karya Bekesy, ditunjukkan bahwa membran utama adalah garis yang tidak homogen, mentransfer eksitasi mekanis. Ketika terkena stimulus akustik, gelombang merambat di sepanjang membran utama. Tergantung pada frekuensi, gelombang ini dilemahkan dengan cara yang berbeda. Semakin rendah frekuensinya, semakin jauh dari jendela oval gelombang akan merambat di sepanjang membran utama sebelum mulai meluruh. Jadi, misalnya, gelombang dengan frekuensi 300 Hz, sebelum awal redaman, akan merambat hingga sekitar 25 mm dari jendela oval, dan gelombang dengan frekuensi 100 Hz mencapai maksimumnya di dekat 30 mm. Berdasarkan pengamatan ini, teori telah dikembangkan yang menurutnya persepsi nada ditentukan oleh posisi osilasi maksimum membran utama. Dengan demikian, rantai fungsional tertentu dapat dilacak di telinga bagian dalam: osilasi membran jendela oval - osilasi perilimfe - osilasi kompleks membran utama - osilasi kompleks membran utama - iritasi sel rambut (reseptor organ Corti). ) - pembangkitan sinyal listrik.

Beberapa bentuk ketulian berhubungan dengan kerusakan pada aparatus reseptor koklea. Dalam hal ini, koklea tidak menghasilkan sinyal listrik saat terkena getaran mekanis. Orang tuli tersebut dapat dibantu dengan menanamkan elektroda ke dalam koklea dan memasok mereka dengan sinyal listrik yang sesuai dengan yang terjadi ketika terkena rangsangan mekanik.

Prostetik seperti itu dengan fungsi utama koklea (prostetik koklea) sedang dikembangkan di sejumlah negara. Di Rusia, prostetik koklea telah dikembangkan dan diimplementasikan di Universitas Kedokteran Rusia. Prostesis koklea ditunjukkan pada Gambar. 6.12, di sini 1 - bodi utama, 2 - klip telinga dengan mikrofon, 3 - colokan konektor listrik untuk koneksi ke elektroda implan.

Definisi 1

Gema- fenomena fisik, yang terdiri dari penerimaan oleh pengamat gelombang yang dipantulkan dari rintangan (elektromagnetik, suara, dll.)

Gema adalah pantulan yang sama, hanya cahaya yang dipantulkan di cermin, dan dalam kasus gema, suara. Rintangan apa pun bisa menjadi cermin bagi suara. Semakin tajam, dendeng suara, semakin jelas gemanya. Cara terbaik untuk membangkitkan gema adalah dengan bertepuk tangan. Pendek suara laki-laki dipantulkan dengan buruk, dan suara bernada tinggi menghasilkan gema yang berbeda.

Gema dapat terdengar jika suara dihasilkan secara lokal, dikelilingi oleh perbukitan atau gedung-gedung besar.

Fenomena akustik

Gelombang akustik memantul dari dinding dan permukaan keras lainnya seperti gunung. Ketika suara merambat melalui media yang tidak memiliki sifat fisik permanen, itu dapat dibiaskan.

Gambar 1. Penjelasan tentang cara kerja gema

Telinga manusia tidak dapat membedakan gema dari suara aslinya jika penundaannya kurang dari $1/$15 per detik.

Kekuatan gema sering diukur dalam dB tingkat tekanan suara (SPL) dalam kaitannya dengan gelombang yang ditransmisikan itu sendiri. Gema dapat diinginkan (seperti dalam sonar) atau tidak diinginkan (seperti dalam sistem telepon).

Pantulan gelombang suara dari permukaan juga tergantung pada bentuk permukaan. Permukaan datar memantulkan gelombang suara sehingga sudut di mana gelombang mendekati permukaan sama dengan sudut di mana gelombang meninggalkan permukaan.

Pemantulan gelombang suara dari permukaan melengkung menghasilkan fenomena yang lebih menarik. Permukaan lengkung parabola memiliki kebiasaan memfokuskan gelombang suara pada suatu titik. Gelombang suara yang dipantulkan dari permukaan parabola memusatkan semua energinya pada satu titik di ruang angkasa; pada saat ini, suara diperkuat. Para ilmuwan telah lama percaya bahwa burung hantu memiliki cakram bulat di wajah mereka yang dapat digunakan untuk mengumpulkan dan memantulkan suara.

Menggunakan pantulan suara

Cepat rambat bunyi di air berbeda dengan di udara. Mari kita pertimbangkan pengoperasian echo sounder. Itu membuat suara yang tajam, yang melewati kolom air, mencapai dasar laut, dipantulkan dan mengalir kembali dalam bentuk gema. Echo sounder menangkapnya dan menghitung jarak ke dasar laut.

Gambar 2. Pengoperasian echo sounder

Refleksi suara digunakan di banyak perangkat. Misalnya, pengeras suara, klakson, stetoskop, alat bantu dengar, dll.

Stetoskop digunakan untuk mendengar suara organ dalam pasien; untuk tujuan diagnostik. Ia bekerja sesuai dengan hukum refleksi suara.

Kelelawar menggunakan gelombang ultrasonik frekuensi tinggi (panjang gelombang pendek) untuk meningkatkan kemampuan berburu mereka. Mangsa khas kelelawar adalah ngengat - objeknya tidak lebih besar dari kelelawar itu sendiri. Kelelawar menggunakan teknik ekolokasi ultrasonik untuk mendeteksi kerabat mereka di udara. Tapi kenapa USG? Jawaban atas pertanyaan ini terletak pada fisika difraksi. Karena panjang gelombang menjadi lebih pendek dari hambatan yang bertabrakan, gelombang tidak lagi dapat menyebar di sekitarnya, dan sebagai hasilnya dipantulkan. Kelelawar menggunakan gelombang ultrasonik pada panjang gelombang yang lebih pendek dari ukuran mangsanya. Gelombang suara ini akan bertabrakan dengan mangsanya, dan bukannya terdifraksi di sekitar mangsanya, mereka akan memantul dari mangsanya, memungkinkan tikus untuk berburu menggunakan ekolokasi.