Волновое сопротивление. Отражение звуковых волн. Реверберация. Распространение и отражение звука Закон отражения звука

По УМК и др..

Глава 2: Звуковые явления

Тема:

Тип урока : комбинированный

Цель урока : изучение характеристик звука и явления отражения звука

Цель урока (учащиеся): приобретение знаний о характеристиках звука и отражении звука

Задачи урока : - формировать знания о физических (амплитуда, частота) и физиологических (высота, громкость, тембр) характеристиках звука;

Развивать личностные, регулятивные, коммуникативные универсальные учебные действия;

Воспитывать познавательный интерес, любознательность, положительную мотивацию к обучению.

Карта обеспеченности урока

Планируемые метапредметные результаты:

Представлять информацию в словесной, графической форме.

Приведите примеры различных звуков. Укажите источник звука в каждом случае.

Как образуется звуковая волна?

Что вам известно о скорости звуковых волн в различных средах?

Почему скорость звука в воде больше, чем в воздухе?

Познавательная деятельность: систематизация и обобщение знаний о звуковых явлениях, источниках звука, распространении и скорости звука

Регулятивная деятельность: контроль самого себя и своих одноклассников в процессе воспроизведения и коррекции опорных знаний

3. Актуализация знаний

Учитель . Человек живёт в мире звуков. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, звук работающих машин. Что общего между этими звуками и чем они отличаются?

Ученик. Общим является то, что все звуки издаются колеблющимися телами (голосовые связки человека, птицы, струны музыкальных инструментов, ветки деревьев и т. д.), а различаться эти звуки могут, например, своей громкостью.

Учитель. Как вы думаете, от чего зависит громкость звука? Чем она определяется? Вы хотели бы узнать ответ на этот вопрос? Очень хорошо. Мы ответим на интересующий нас вопрос, изучив характеристики звука. Запишите тему урока “ Громкость и высота звука. Отражение звука ”. Сегодня мы познакомимся с физическими и физиологическими характеристиками звука, научимся отличать низкие звуки от высоких, громкие от тихих, узнаем, что такое тембр, а также изучим закон отражения звуковых волн.

4 этап. Изучение нового учебного материала

4.1. Создание и решение проблемной ситуации путём эксперимента. Актуализация субъектного опыта

Учитель. Выясним, от чего зависит громкость звука? Проведём следующий эксперимент.

Демонстрация . Ударим молоточком по ножке камертона. Поднесём бусинку на нити к звучащему камертону. Что мы наблюдаем и почему?

Ученик . Бусинка отскакивает от камертона, потому что камертон издаёт звук, следовательно, ножка камертона колеблется.

Учитель . Как вы думаете, изменится ли удаление бусинки от камертона, если я ударю сильнее?

Ученик . Я думаю, чем сильнее ударим по камертону, тем сильнее (больше) будет отклоняться бусинка.

Учитель. Проверим наше предположение. (Демонстрация) Чем отличаются при этом звуки, издаваемые камертонами?

Ученик. Камертоны издают разные звуки. Чем сильнее ударим по камертону, тем с большей амплитудой будет колебаться ножка камертона, следовательно, будет громче звук.

Учитель . Зависимость громкости звука от амплитуды колебаний можно наглядно продемонстрировать с помощью камертона с пером (по рис. 137)

Графически эту зависимость можно представить в следующем виде:

Учитель. Громкость звука - это первая физиологическая характеристика звука, которая определяется амплитудой колебаний источника звука. Переходим ко 2 части нашего эксперимента. На демонстрационном столе находятся два камертона. В чём их внешнее различие?

Ученик : Они разного размера, у них разная масса.

Учитель. Демонстрация. Предлагаю продемонстрировать звучание этих камертонов и прокомментировать результат.

Ученик. Эти камертоны издают разные звуки. Один – низкий, другой - высокий. Я думаю, что это связано с их массой. При одинаковой силе удара ножки камертона будут колебаться с разной частотой.

Учитель . Чтобы проверить это предположение запишем колебания камертонов на закопченной пластине. Первый камертон имеет меньшую частоту и издает низкий звук, второй камертон издаёт более высокий звук, следовательно, чем больше частота колебаний, тем выше звук.

Графически это можно представить следующим образом:

Итак, высота звука – вторая физиологическая характеристика, которая определяется частотой колебаний.

Мы никогда не спутаем с вами звук трубы со звуком фортепиано. Голос своей мамы мы узнаем из тысячи голосов. Различать одни звуки от других нам помогает тембр звука.

Тембр - индивидуальная особенность сложной звуковой волны, он обусловлен тем, что звук состоит из ряда простых звуков разных частот, т. е. имеет определенную «окраску», это качество звука и называют тембром. Это еще одна физиологическая характеристика звука.

А сейчас, попробуйте назвать, какие музыкальные инструменты звучат? (Запись на компьютере)

(Ответы учащихся)

Учитель. Громкость, высоту и тембр называют физиологическими характеристиками звука потому, что они связаны с нашим восприятием. Физиологические характеристики звука связаны с физическими, которые позволяют различать громкие звуки от тихих, высокие от низких, звуки от разных источников. Какие же бывают физические характеристики звука?

Ученик. Физические характеристики звука - амплитуда и частота.

Учитель . А теперь познакомимся с одним из основных свойств звуковых волн. Звуковая волна, как и любая другая может отражаться и преломляться. Отражение волн от препятствий относится к числу очень распространенных явлений. Этот закон отражения является общим волновым законом, т. е. он справедлив для любых волн, в том числе и для звуковых, и для световых. Отражение волн от экрана пронаблюдаем на опыте (опыт по рис. 141) Опыт и наблюдения показывают, что отражение звука подчинено определенному закону: угол падения равен углу отражения.

Учитель. Выполним графическую интерпретацию опыта на доске и сделаем вывод о соотношении между углом падения и отражения

Ученик. Угол отражения равен углу падения.

Учитель. При распространении звуковых волн можно наблюдать такое явление как эхо. Оно объясняется свойством отражения волн от преграды.

В лесу, в горах, в помещениях можно иногда слышать отражение звука от какой-то преграды (лес, горы, стена). Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от ряда препятствий, то получается многократное эхо. Раскаты грома имеют такое же происхождение! Это - многократное повторение очень сильного «треска» огромной электрической искры молнии.

На свойстве отражения звука основана эхолокация

С помощью эхолокации некоторые животные определяют расстояния. Например, дельфины, используя эхолокацию, с большой точностью определяют рельеф дна и местоположение своих собратьев или добычи. Инфразвук, посылаемый летучей мышью, отражается от потенциальной добычи и улавливается мышью. По времени полета звукового сигнала мышь очень точно определяет расстояние до предмета.

Эхолоты – специальные приборы для определения глубины моря – тоже используют явление отражения звука. Глубина моря иногда превышает 10 км, и обычным лотом (грузом, привязанным к веревке) измерить такую глубину невозможно. Эхолот издает сильный и короткий звуковой сигнал, а затем ловит отраженное от морского дна эхо.

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

4.2. Самостоятельная работа учащихся.

В продолжение развития темы и усвоения новых знаний учащимся предлагается самостоятельно изучить материал, который находится у них на столах.

Учитель. Изучите дополнительный материал, рассмотрите рисунки, ответьте на вопросы и проведите взаимопроверку

1) Каковы причины снижения слуха?

2) Каковы нормы, определяющие громкость звука по САНПИНу?

3) Рассмотрите картинку. На сколько децибел громкость дискотеки превышает эти нормы?

Звуки, воспринимаемые человеческим ухом, являются одним из важнейших источников информации об окружающем мире. Ухо – один из наиболее сложных и тонких органов, оно воспринимает и очень слабые, и очень сильные звуки. Орган слуха всегда «бодрствует» даже ночью, во сне он постоянно подвергается внешним раздражителям, так как не обладает никакими защитными приспособлениями, сходными, например, с веками, предохраняющими глаза от света. Поэтому ухо человека надо беречь не только от механических повреждений, но и от громких звуков!

Современный шумовой дискомфорт вызывает у живых организмов болезненные реакции. Шум от пролетающего реактивного самолета, например, угнетающе действует на пчелу, она теряет способность ориентироваться. Этот же шум убивает личинки пчел, разбивает открыто лежащие яйца птиц в гнездах. При воздействии интенсивных звуков коровы дают меньше молока, куры реже несутся, птицы начинают усиленно линять, задерживается прорастание семян и даже наступает разрушение растительных клеток. Не случайно, например, деревья в городе даже в «спальных» районах погибают раньше, чем в естественных условиях.

В современных мегаполисах шум вырос в несколько раз. Если в 60 – 70 годы прошлого столетия уровень громкости на улицах не превышал 80 дБ, то в настоящее время он достигает 100 дБ и более. На многих оживленных магистралях даже ночью шум не бывает ниже 70 дБ, в то время как по санитарным нормам он должен не превышать 40 дБ.

В крупных городах России (Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Красноярск, Екатеринбург, Магнитогорск и др.) на магистралях с интенсивным движением (до 6 – 8 тыс. автомобилей экипажей в час) фиксируется уровень шума в среднем 73 – 83 дБ, а максимальный – до 90 дБ и более.

5 этап. Первичная проверка понимания изученного материала

Цель: установить правильность и осознанность изученного материала, выявить пробелы, провести коррекцию пробелов в осмыслении материала

Методы и приёмы выполнения : подготовка учащимися своих вопросов, своих примеров наблюдения эха, звуков различной громкости и высоты в природе, решение качественных задач на закон отражения.

6. Этап закрепления учебного материала

Цель: обеспечить в ходе закрепления повышение уровня осмысления изученного материала, глубины понимания.

Для закрепления и углубления полученных знаний используется Рабочая тетрадь: № 000, 259, задания позволяют применить теоретические знания на практике,

7 этап. Задание на дом.

Задание творческого уровня предлагаются тем, кто считает возможной для себя самостоятельную творческую работу.

8 этап. Подведение итогов занятия и рефлексия

Цель: дать качественную оценку работы класса и отдельных учащихся; инициировать рефлексию учащихся по поводу мотивации своей деятельности и взаимодействия с учителем и одноклассниками

Учитель. Итак, подведём итоги нашего урока. Теперь мы знаем, что такое высота, громкость и тембр звука и какими физическими величинами они характеризуются, что отражение звука подчиняется определённой закономерности и может привести к наблюдению такого явления, как эхо, а так же познакомились с учетом и применением отражения звука в технике.

Как во всяком волновом процессе, при падении звуковых волн на препят-ствие ограниченных размеров помимо интерференции наблюдается их отраже-ние (рис.1.10). При этом углы падения и отражения равны друг другу. Следова-тельно, плоские и выпуклые поверхности рассеивают звук (рис.1.10 а, б и в.), а вогнутые – фокусируя, концентрируют его в некоторой точке (рис.1.10 г) .

Рис.1.10 Отражение звуковых волн от поверхностей различной формы

При падении волн на границу двух сред (рис.1.11) часть звуковой энергии отражается, а часть проходит во вторую среду.

Рис. 1.11 Отражение и прохождение волн на границе двух сред

Согласно закону сохранения энергии сумма прошедшей Е прош. и отражен-ной Е отр. энергий равна энергии падающей волны Е пад, , т.е.

Разделим правую и левую части формулы на Е пад .

1 = (Е отр./ Епад) +(Епрош/ Епад)

Слагаемые в вышеприведенном соотношении показывают, какая доля па-дающей энергии отразилась, и какая доля прошла дальше. Они представляют собой коэффициенты отражения и прохождения. Вводя для них обозначения η и τ соответственно, получим

На рис.1.12 показано изменение коэффициентов отражения и прохожде-ния в зависимости от соотношения акустических сопротивлений граничащих сред. Из графика видно, что величина коэффициентов зависит только от абсо-

лютного значения отношений акустических сопротивлений сред, но не зависит от того, какое из этих сопротивлений больше. Этим можно объяснить тот факт, что звук, распространяющийся в какой-либо массивной стенке, претерпевает такое же отражение от границы раздела с воздушной средой, что и звук, рас-пространяющийся в воздухе, при отражении от этой стены.

Рис. 1.12. Коэффициенты η и τ в зависимости от соотношения акустических сопротивлей граничаших сред (Z 1 /Z 2)

В ряде случаев представляет интерес знать, как изменится звуковое дав-ление или колебательная скорость частиц при прохождении через границу двух сред. Поскольку интенсивность звуковой энергии пропорциональна квадратам звукового давления и виброскорости, то очевидно коэффициент отражения для давления и скорости можно найти по формуле

Вышеприведенные формулы для коэффициентов отражения и прохождения можно использовать в расчетах одномерных звуководов при изменении их се-чения (рис.1.13), если площади сечения S 1 и S 2 не слишком отличаются. При

Рис.1.13. Изменение сечений звуковода

Звукопоглощение

Поглощение звука (демпфирование, диссипация) - превращение звуко-вой энергии в тепло. Оно вызывается как теплопроводностью и вязкостью (классическое поглощение), так и внутримолекулярным отражением. При очень больших амплитудах, которые встречаются лишь вблизи очень мощных источ-ников звука или при сверхзвуковом ударе, возникают нелинейные процессы, приводящие к искажению формы волны и к усиленному поглощению.

Для звука в газах и жидкостях поглощение имеет практически важное значение только тогда, когда звук распространяется на большие расстояния (как минимум несколько сотен значений длины волны) или если на пути звука встречаются тела с очень большой поверхностью.

Рассмотрим процесс прохождения звука через препятствие (рис.1.14). Энергия падающего звука Е пад . разделяется на энергию отраженную от пре-пятствия Е отр , поглощенную в нем Е погл и энергию прошедшую через препят-

Согласно закону сохранения энергии

Рис.1.14. Распределение энергии при падении звука на препятствие.

Этот процесс можно оценить отношениями энергий прошедшей, погло-щенной и отраженной к энергии, падающей на препятствие:

τ = Е прош. / Е пад; η = Е отр. / Е пад; α = Е погл. / Е пад; (1.67)

Как уже было сказано выше, первые два отношения называют коэффици-ентами прохождения τ и отражения η . Третий коэффициент характеризует долю поглощенной энергии и называется коэффициентом поглощения α. Оче-видно, что из (1.66) следует

Поглощение звука обусловлено переходом колебательной энергии в теп-ло вследствие потерь на трение в материале. Потери на трение велики в порис-тых и рыхлых волокнистых материалах. Конструкции из таких материалов уменьшают интенсивность отраженных от поверхности звуковых волн. Звуко-поглотители, расположенные внутри помещения, могут уменьшать также ин-тенсивность прямого звука, если они располагаются на пути распространения звуковых волн.

Резонаторы.

Эффективным поглотителем звуковых волн, а в некоторых случаях их усилителем может служить так называемый резонатор. Под резонатором пони-

мается система типа "масса-пружина", в которой роль колеблющейся массы играет масса воздуха в узком отверстии или в щели пластины, а роль пружины

– упругий объем воздуха в полости за пластиной. Схематическое изображение резонатора Гельмгольца приведено на рис.1.15

Рис. 1.15. Резонатор Гельмгольца

Рассмотрим простейший воздушный резонатор, т.е. сосуд с жесткими стенками и узким горлом. При падении на него звуковой волны определенной частоты воздушная "пробка" в горле сосуда приходит в интенсивное колеба-тельное движение. Колебательная скорость частиц в горле в несколько раз пре-вышает колебательную скорость в свободном звуковом поле ξ . Во внутреннем объеме резонатора в это время соответственно увеличивается давление р . Если подвести к внутренней полости резонатора трубку, то воспринимаемый звук будет громче.

В тоже время, при достаточно больших потерях на трение резонатор мо-жет выполнять функции не усилителя, а поглотителя звуковой энергии. Если в горло резонатора ввести слой звукопоглощающего материала, то поглощение заметно возрастет.

Собственная круговая частота ω о с массой m на пружине с жесткостью s можно найти по известной формуле

правки, величина которых зависит от формы горлышка и площади его попе-речного сечения. Таким образом, собственная частота резонатора определится как

В таких резонансных системах в присутствии внешнего источника звука заключенный в полости воздух колеблется с ним в унисон с амплитудой, зави-сящей от соотношения между величинами периодов собственного и вынужден-ного колебаний. При отключении источника резонатор отдает назад накоплен-ные внутри него колебания, становясь на короткое время вторичным источни-ком.

В зависимости от характеристик, резонатор может либо усиливать, либо поглощать звуковые колебания на той или иной частоте.

Звукопоглощение резонатора описывается с помощью условной характе-ристики звукопоглощающего сечения А . Под ним понимается условная пло-щадь сечения, перпендикулярного направлению распространения падающей волны, через которую свободной волной (при отсутствии резонатора) передает-ся мощность, равная поглощаемой резонатором.

Положим, что размеры резонатора малы по сравнению с длиной падаю-щей волны. Тогда, в первом приближении, можно пренебречь рассеянием зву-ковой энергии на корпусе резонатора. Если принять отверстие резонатора за-крытым акустически жестко, то звуковое давление в горлышке p h = p l , а ко-лебательная скорость υ = p h / Z h (если резонатор находится на экране, то в приведенных формулах добавится множитель 2 ).

Импеданс горлышка резонатора складывается из внутреннего потерь R i , активного сопротивления излучения R r и реактивных сопротивлений массы и упругости.

2 . П Р О М Ы Ш Л Е Н Н А Я А К У С Т И К А

В ходе урока все желающие смогут получить представление о теме «Отражение волн. Звуковой резонанс». На этом уроке мы исследуем такое интересное явление отражения волн, как эхо, и рассчитаем необходимые для его возникновения условия. Также мы проведем увлекательный опыт с музыкальным камертоном, чтобы лучше понять, что такое звуковой резонанс.

Итак, завершаем 7 главу - «Колебания и волны» - интересными явлениями. Это отражение волн и звуковой резонанс. Вы знаете, что в пустом помещении, в горах или под сводами здания какой-нибудь арки можно замечательное явление наблюдать - эхо. Что такое эхо? Эхо - это явление отражения звуковых волн от плотных объектов. Когда человек может услышать эхо? Оказывается, чтобы человек смог различить (его слуховой аппарат смог различить два сигнала), необходимо, чтобы запаздывание во времени было 0,06 с. Давайте посчитаем: скорость распространения волны 340 м/с в воздухе, поэтому можно рассчитать расстояние до объекта, от которого будет отражаться волна. Должно быть понятно: при перемножении скорости на эту величину, запаздывания мы получаем 20,4 м. L=V . ∆t = 340 м/с 0,06 м/с = 20,4 м.

Но, вы понимаете, что отражение - это движение волны в одну сторону, в другую потом претерпевает отражение, поэтому расстояние, которое мы получили, можно спокойно разделить пополам и поставить человека на расстояние от преграды, от которой будет отражаться звук, и тогда можно эхо услышать. Нужно еще хорошо отражающую поверхность, потому что, если, например, комната достаточно большая, она заставлена большим количеством мебели (мягкой мебели) и людьми, то все эти объекты поглощают звуковую волну, поэтому эхо неразличимо. Просто энергии не хватает для звуковой волны, чтобы было это явление. Где это явление используют? Конечно, занимательно слушать эхо в горах, здорово петь под музыкальными арками, которые в архитектуре XIX века часто используются, но есть реальные устройства, которые используют это свойство. Например, рупор. Если я сейчас сложу вот так ладошки, вы сразу услышали, что мой звук стал мощнее, хотя люди, которые стояли бы у меня сбоку, звук от моих голосовых связок был бы намного тише. Поэтому происходит интересное явление: стенки рупора усиливают звуковую волну, увеличивая мощность сигнала. Что такое эхолот? Это сложное слово, полученное из двух слов: «эхо» - «отражение», «лот» - прибор, который мерит глубину водоема. Лот - это простой камень на веревке у рыбаков. Эхолот у людей, которые плавают на больших суднах, устроен следующим образом. Под бортом корабля располагается приемник и источник звуковых волн. От источника звуковых волна идет звуковая волна, доходит до дна, отражается и попадает в приемник звуковых волн. Время фиксируется, которое проходит между подачей сигнала и приходом его обратно. ∆ t = 0,06 с. И расстояние, которое получается вот таким расчетом, делится пополам, и мы находим глубину водоема. Используются эхолоты не только на звуковых частотах, но и на инфразвуке или на ультразвуке. Мы в прошлом параграфе говорили, как это используется. Принцип один и тот же. Используется явление отражения звуковых волн. Давайте рассмотрим еще одно интересное звуковое явление - это звуковой резонанс . Напоминаю: это явление увеличения амплитуды вынужденных колебаний при соблюдении частоты собственных колебаний системы и вынужденных. Напоминаю: любая система, которая может колебаться, имеет собственную частоту. Эта частота сформирована самой конструкцией прибора, который умеет колебаться. Если мы этот прибор заставим колебаться с внешней силой, которая имеет вот такую частоту вынужденных колебаний n 0 = n ВЫН, произойдет усиление звуковых колебаний, потому что увеличение амплитуды влечет за собой усиление звука, мощности энергетической. Чтобы объяснить это явление подробно, чтобы вы поняли, что значит резонанс , мы будем работать с таким специальным прибором, который используется в музыке. Этот прибор называется камертон. Вилочка сделана из стали, имеет собственную частоту, соответствующую в данном опыте ноте ля. К этому камертону подобран специальный, путем проб и ошибок, путем вычислений математических, резонаторный ящик. Что это за ящик такой? Что он делает со звуком, мы сейчас с вами увидим на опыте. Перед нами камертон. У меня есть резиновый молоточек, которым мы будем вызывать колебания. У этого камертона колебания будут вынужденные. Вот сначала, чтобы понять, для чего нужен резонаторный ящик, я попробую прикрывать простым листом бумаги резонаторный ящик вот так. Слушайте внимательно, что будет происходить с самим звуком. Если вы что-то заметили, давайте повторим еще раз опыт. Я попробую вызвать более серьезное колебание, увеличив энергию в системе. Итак, резонаторный ящик увеличивает амплитуду результирующих колебаний. Как он это делает? Он перераспределяет энергию, которую я сообщила в систему. Значит, камертон вызывает в резонаторном ящике колебание самой деки ящика и воздуха, который находится внутри этого ящика. Колебания складываются и усиливают звук. При этом у нас закон сохранения энергии выполняется, т.е. с резонаторным ящиком камертон звучит меньше по времени, но зато сильнее. Продолжим эксперимент. Давайте посмотрим, как можно колебание это звуковое прекратить. Я коснулась ножек камертона, и коэффициент затухания у данной системы очень большой стал, колебание прекратилось практически мгновенно. Повторим, колебаний нет. Теперь мы посмотрим явление резонанса, что произойдет, если я возьму точно такой, имеющий точно такую звуковую частоту, другой камертон. Посмотрите, резонаторные ящики будут направлены друг на друга, чтобы зазор воздушный был незначительный и чтобы не затухали колебания, и эффект был максимальный. Итак, вызываю колебания вот в этом камертоне. Звуковая волна распространяется, в пространство уходит, и если частота точно такая же у камертона, то должен возникнуть резонанс. Посмотрим, мне слышно, как звучит второй камертон. Давайте повторим еще раз: камертон звучит, прекратил звучание. Давайте проверим, может быть, у меня специальный такой слева камертон стоит. Попробуем вызвать колебание во втором камертоне и послушаем, что будет происходить с первым. Колебание налицо. Итак, выполняется условие резонанса: частоты совпадают, увеличение амплитуды происходит. Откликается система на колебание внешнее избирательно. Выбирает только ту частоту, на которую сам настроен. Давайте это проверим, если я сейчас изменю частоту колебаний одного из камертонов (просто муфточку прикручу вот сюда), у меня изменится по массе то тело, которое колеблется, и у него изменится частота. Поэтому резонанса не будет. Я в этом уверена, давайте проверим на опыте, действительно ли это так. Резонанса нет, и поэтому звучания тоже не было. Давайте посмотрим, если я в обратном порядке выполню, если зазвучит этот камертон, то, возможно, я вас обманываю, посмотрим. Явление резонанса не было.

Итак, мы сегодня изучили важные звуковые явления. Это отражение звуковых волн и явление звукового резонанса. Спасибо за внимание.

Звуковое давление р зависит от скорости v колеблющихся частиц среды. Вычисления показывают, что

где р - плотность среды, с - скорость звуковой волны в среде. Произведение рс называют удельным акустическим импедансом, для плоской волны его называют также волновым сопро­тивлением.

Волновое сопротивление - важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на ее гра­нице.

Представим себе, что звуковая волна попадает на границу раздела двух сред. Часть волны отражается, а часть - преломляется. Законы отражения и преломления звуковой волны аналогичны Законам отражения и преломления света. Преломленная волна может поглотиться во второй среде, а может выйти из нее.

Допустим, что плоская волна падает нормально к границе раз­дела, интенсивность ее в первой среде I 1 интенсивность прелом­ленной (прошедшей) волны во второй среде 1 2 . Назовем

коэффициентом проникновения звуковой волны.

Рэлей показал, что коэффициент проникновения звука опреде­ляется формулой

так как с 1 ρ 1 /с 2 р 2 >>1. Приведем волновые сопротивления некоторых веществ при 20 °С (табл. 14).

Таблица 14

Используем (6.8) для вычисления коэффициента проникнове­ния звуковой волны из воздуха в бетон и в воду:

Эти данные производят впечатление: оказывается, только очень малая часть энергии звуковой волны проходит из воздуха в бетон и в воду.

Во всяком закрытом помещении отраженный от стен, потолков, мебели звук падает на другие стены, полы и пр., вновь отражается и поглощается и постепенно угасает. Поэтому даже после того, как источник звука прекратит действие, в помещении все еще имеются звуковые волны, которые создают гул. Особенно это заметно в больших просторных залах. Процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения источника называют реверберацией.

Реверберация, с одной стороны, полезна, так как восприятие звука усиливается за счет энергии отраженной волны, но, с другой стороны, чрезмерно длительная реверберация может существенно ухудшить восприятие речи, музыки, так как каждая новая часть текста перекрывается предыдущими. В связи с этим обычно указывают некоторое оптимальное время реверберации, которое учитывается при постройке аудиторий, театральных и концертных залов и т. п. Например, время реверберации заполненного Колонного зала Дома союзов в Москве равно 1,70 с, заполненного в большого театра - 1,55 с. Для этих помещений (пустых) время реверберации соответственно 4,55 и 2,06 с.

Физика слуха

Рассмотрим некоторые вопросы физики слуха на примере наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2 (рис. 6.8).В Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в передне-заднем направлении. Поясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости

(рис. 6.9) звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к из­менению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход (более детально вопросы дифракции рассматри­ваются в гл. 19). Человек в результате опыта научился ассоцииро­вать изменение спектра звуковой волны с направлением на источ­ник звука (направления А, Б и Б на рис. 6.9).

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и живот­ные способны установить направление на источник звука и в гори­зонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 6.10). Это объ­ясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит раз­ное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Связь между разностью этих расстояний (5) и разностью фаз (∆φ) выведена в § 19.1 при объясне­нии интерференции света [см. (19.9)]. Если источник звука нахо­дится прямо перед лицом человека, то δ = 0 и ∆φ = 0, если источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в дру­гую ушную раковину он попадет с запаздыванием. Будем считать приближенно, что в этом случае 5 есть расстояние между ушными раковинами. По формуле (19.9) можно рассчитать для v = 1 кГц и δ = 0,15 м разность фаз. Она приблизительно равна 180°.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз между 0° и 180° (для приведенных выше данных). Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точ­ностью до 3°, этому соответствует разность фаз 6°. Поэтому можно полагать, что человек способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.

ухо в результате дифракции (гл. 19).

Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично от­ражается от барабанной перепонки 3 (см. рис. 6.8). В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. В этом случае длина волны в четыре раза, больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте

Наиболее существенной частью среднего уха являются барабан­ная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связ­ками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, при­близительно равное волновому сопротивлению воды. Как было по­казано (см. § 6.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,123% падающей интенсивности. Это слиш­ком мало. Поэтому основное назначение среднего уха - способство­вать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Ис­пользуя технический язык, можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Система косточек (см. рис. 6.8) на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S 1 = 64 мм 2), на дру­гом - стремечком - с овальным окном 7 внутреннего уха (пло­щадь S 2 = 3 мм 2).

На таком уровне увеличивает среднее ухо передачу наружного звукового давления внутреннему уху.

Еще одна из функций среднего уха - ослабление передачи ко­лебаний в случае звука большой интенсивности. Это осуществля­ется рефлекторным расслаблением мышц косточек среднего уха.

Среднее ухо соединяется с атмосферой через слуховую (евста­хиеву) трубу.

Наружное и среднее ухо относятся к звукопроводящей систе­ме. Звуковоспринимающей системой является внутреннее ухо.

Главной частью внутреннего уха является улитка, преобразую­щая механические колебания в электрический сигнал. Кроме улитки к внутреннему уху относится вестибулярный аппарат (см. § 4.3), который к слуховой функции отношения не имеет.

Улитка человека является костным образованием длиной около 35 мм и имеет форму конусообразной спирали с 2 3 / 4 завитков. Диа­метр у основания около 9 мм, высота равна приблизительно 5 мм.

На рис. 6.8 улитка (ограничена штриховой линией) показана схематично развернутой для удобства рассмотрения. Вдоль улитки проходят три канала. Один из них, который начинается от овального окна 7, называется вестибулярной лестницей 8. Дру­гой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия - геликотремы 11. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную перилимфой. Колебания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Простран­ство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улит­ковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецепторные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв (на рис. 6.8 эти подробности не показаны).

Кортиев орган (спиральный орган) и является преобразовате­лем механических колебаний в электрический сигнал.

Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки (от ширины 0,1 до 0,5 мм). Основная мембрана - весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который

представлял основную мембрану аналогично ряду настроенных струн пианино. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонаторной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией, передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распространятся приблизительно до 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм. На основании этих наблюдений были разработаны теории, согласно которым восприятие высоты тона определяется положением максимума колебания основной мембраны. Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная функциональная цепь: колебание мембраны овального окна - колебание перилимфы - сложные колебания основной мембраны - сложные колебания основной мембрны - раздражение волосковых клеток (рецепторы кортиева органа) - генерация электрического сигнала.

Некоторые формы глухоты связаны с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических колебаний. Можно помочь таким глухим, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула.

Такое протезирование основной функции, улитки (кохлеарное протезирование) разра­батывается в ряде стран. В России кохлеар­ное протезирование разработано и осуществ­лено в Российском медицинском университе­те. Кохлеарный протез показан на рис. 6.12, здесь 1 - основной корпус, 2 - заушина с микрофоном, 3 - вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируе­мым электродам.

Определение 1

Эхо - физическое явление, которое заключается в принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны (электромагнитной, звуковой и др.)

Эхо это то же самое отражение, только в зеркале отражается свет, а в случае эха -- звук. Любое препятствие может стать зеркалом для звука. Чем резче, отрывистее звук, тем эхо отчётливее. Лучше всего вызвать эхо хлопаньем в ладоши. Низкий мужской голос отражается плохо, а высокий голос дает отчетливое эхо.

Эхо можно услышать, если произвести звук на месте, в окружении холмов или больших зданий.

Акустическое явление

Акустические волны отражаются от стен и других твердых поверхностей, таких как горы. Когда звук движется через среду, которая не имеет постоянных физических свойств, он может быть преломлен.

Рисунок 1. Пояснение работы эхо

Человеческое ухо не может отличить эхо от первоначального звука, если задержка составляет менее $1/15$ секунды.

Сила эха часто измеряется в дБ уровнях звукового давления (SPL) по отношению непосредственно к передаваемой волне. Эхо - сигналы могут быть желательными (как в сонаре) или нежелательными (например, в телефонных системах).

Отражение звуковых волн от поверхностей также зависит от формы поверхности. Плоские поверхности отражают звуковые волны , таким образом, что угол, при котором волна приближается к поверхности, равен углу, при котором волна покидает поверхность.

Отражение звуковых волн от криволинейных поверхностей приводит к более интересным явлением. Изогнутые поверхности с параболической формой имеют привычку фокусирования звуковых волн в точке. Звуковые волны, отраженные от параболических поверхностей концентрируют всю свою энергию в одной точке пространства; в этот момент, звук усиливается. Ученые долгое время считали, что совы имеют сферические диски на лице, которые могут быть применены с целью сбора и отражения звука.

Использование отражения звука

В воде скорость звука иная, чем в воздухе. Рассмотрим работу эхолота. Он издает резкий звук, которой проходя через толщу воды, достигает дна моря, отражается и бежит обратно в виде эха. Эхолот ловит его и вычисляет расстояние до дна моря.

Рисунок 2. Работа эхолота

Отражение звука используется во многих устройствах. Например, громкоговоритель, звуковой сигнал, стетоскоп, слуховой аппарат, и т.д.

Стетоскоп используется, чтобы услышать звуки внутренних органов пациента; для диагностических целей. Он работает по законам отражения звука.

Летучие мыши используют высокую частоту (малая длина волны) ультразвуковых волн для того, чтобы повысить их способность охотиться. Типичной жертвой летучей мыши является моль - объект не намного больше, чем сама летучая мышь. Летучие мыши используют ультразвуковые методы эхолокации, чтобы обнаружить своих сородичей в воздухе. Но почему ультразвук? Ответ на этот вопрос лежит в физике дифракции. Так как длина волны становится меньше, чем препятствие, с которым она сталкивается, волна уже не в состоянии рассеиваться вокруг него, и вследствие чего отражается. Летучие мыши используют ультразвуковые волны с длинами волн, меньшими, чем размеры их добычи. Эти звуковые волны будут сталкиваться с добычей, и вместо того, чтобы дифрагироваться вокруг добычи, они будут отражаться от добычи, что позволить мыши охотиться с помощью эхолокации.