Les ondes sonores et leurs caractéristiques. Des ondes sonores autour de nous

Il y a beaucoup de monde autour de nous sources sonores : instruments de musique et techniques, cordes vocales humaines, vagues de la mer, vent et autres. Le son ou, en d'autres termes, les ondes sonores– ce sont des vibrations mécaniques du milieu avec des fréquences de 16 Hz – 20 kHz(voir § 11-a).

Considérons l'expérience. En plaçant le réveil sur un pad sous la cloche de la pompe à air, on remarquera que le tic-tac deviendra plus silencieux, mais sera toujours audible. Après avoir pompé l'air sous la cloche, nous cesserons d'entendre le son du tout. Cette expérience confirme que le son se propage dans l’air et non dans le vide.

La vitesse du son dans l'air est relativement élevée : elle varie de 300 m/s à –50°C à 360 m/s à +50°C. C'est 1,5 fois plus rapide que la vitesse des avions de passagers. Le son se propage beaucoup plus rapidement dans les liquides, et encore plus vite dans les solides. Dans un rail en acier, par exemple, la vitesse du son est de » 5 000 m/s.

Jetez un œil aux graphiques des fluctuations de la pression atmosphérique à la bouche d'une personne chantant les sons « A » et « O ». Comme vous pouvez le constater, les vibrations sont complexes, constituées de plusieurs vibrations superposées les unes aux autres. En même temps, clairement visible principales fluctuations, dont la fréquence est presque indépendante du son parlé. Pour une voix masculine, cela représente environ 200 Hz, pour une voix féminine, 300 Hz.

l max = 360 m/s : 200 Hz » 2 m, l min = 300 m/s : 300 Hz » 1 m.

Ainsi, la longueur d'onde sonore de la voix dépend de la température de l'air et de la fréquence fondamentale de la voix. En faisant appel à nos connaissances en diffraction, nous comprendrons pourquoi les voix des gens peuvent être entendues dans la forêt, même si elles sont bloquées par des arbres : des sons d'une longueur d'onde de 1 à 2 m se courbent facilement autour des troncs d'arbres dont le diamètre est inférieur à un mètre.

Réalisons une expérience confirmant que les sources sonores sont bien des corps oscillants.

Prenons l'appareil fourchette– une fronde métallique montée sur un caisson sans paroi frontale pour un meilleur rayonnement des ondes sonores. Si vous frappez les extrémités de la fronde d’un diapason avec un marteau, cela produira un son « propre » appelé ton musical(par exemple, la note « A » de la première octave avec une fréquence de 440 Hz). Déplaçons un diapason sonore vers une boule légère sur une corde, et elle rebondira immédiatement sur le côté. Cela se produit précisément à cause des vibrations fréquentes des extrémités du lance-pierre à diapason.

Les raisons dont dépend la fréquence de vibration d’un corps sont son élasticité et sa taille. Plus la taille du corps est grande, plus la fréquence est basse. Ainsi, par exemple, les éléphants dotés de grandes cordes vocales émettent des sons à basse fréquence (graves) et les souris, dont les cordes vocales sont beaucoup plus petites, émettent des sons à haute fréquence (grincement).

Non seulement la façon dont le corps va sonner, mais aussi la façon dont il captera les sons et y répondra dépend de l'élasticité et de la taille. Le phénomène d'une forte augmentation de l'amplitude des oscillations lorsque la fréquence d'une influence externe coïncide avec la fréquence naturelle du corps est appelé résonance (Lat. "raisonnablement" - je réponds). Faisons une expérience pour observer la résonance.

Plaçons côte à côte deux diapasons identiques, en les tournant l'un vers l'autre sur les côtés des boîtes où il n'y a pas de murs. Frappons le diapason gauche avec un marteau. Dans une seconde, nous le noierons avec nos mains. Nous entendrons le bruit du deuxième diapason, que nous n'avons pas frappé. On dit que le bon diapason résonne, c'est-à-dire qu'il capte l'énergie des ondes sonores du diapason gauche, ce qui augmente l'amplitude de ses propres vibrations.

Le son est provoqué par des vibrations mécaniques dans des milieux et des corps élastiques dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz et que l'oreille humaine peut percevoir.

En conséquence, cette vibration mécanique aux fréquences indiquées est appelée sonore et acoustique. Les vibrations mécaniques inaudibles avec des fréquences inférieures à la plage sonore sont appelées infrasoniques, et avec des fréquences supérieures à la plage sonore, elles sont appelées ultrasoniques.

Si un corps sonore, par exemple une cloche électrique, est placé sous la cloche d'une pompe à air, alors à mesure que l'air est pompé, le son deviendra de plus en plus faible et finira par s'arrêter complètement. La transmission des vibrations du corps sonore se fait par l'air. Notons que lors de ses oscillations, le corps sonore comprime alternativement l'air adjacent à la surface du corps, et crée au contraire un vide dans cette couche. Ainsi, la propagation du son dans l’air commence par des fluctuations de la densité de l’air à la surface du corps vibrant.

Ton musical. Volume et hauteur

Le son que nous entendons lorsque sa source effectue une oscillation harmonique est appelé tonalité musicale ou, en abrégé, tonalité.

Dans toute tonalité musicale, nous pouvons distinguer à l'oreille deux qualités : le volume et la hauteur.

Les observations les plus simples nous convainquent que les tonalités d'une hauteur donnée sont déterminées par l'amplitude des vibrations. Le bruit d’un diapason s’estompe progressivement après l’avoir frappé. Cela se produit avec l'amortissement des oscillations, c'est-à-dire avec une diminution de leur amplitude. En frappant plus fort sur le diapason, c'est-à-dire En donnant aux vibrations une plus grande amplitude, on entendra un son plus fort qu'avec un coup faible. La même chose peut être observée avec une corde et en général avec n’importe quelle source sonore.

Si l'on prend plusieurs diapasons de tailles différentes, il ne sera pas difficile de les disposer à l'oreille par ordre croissant de hauteur. Ainsi, ils seront disposés en taille : le plus grand diapason donne le son le plus grave, le plus petit donne le son le plus aigu. Ainsi, la hauteur d’un ton est déterminée par la fréquence de vibration. Plus la fréquence est élevée et, par conséquent, plus la période d’oscillation est courte, plus le son que nous entendons est aigu.

Résonance acoustique

Des phénomènes de résonance peuvent être observés dans les vibrations mécaniques de toute fréquence, notamment dans les vibrations sonores.

Plaçons deux diapasons identiques l'un à côté de l'autre, les trous des boîtiers sur lesquels ils sont montés se faisant face. Les caissons sont nécessaires car ils amplifient le bruit des diapasons. Cela se produit en raison de la résonance entre le diapason et les colonnes d’air enfermées dans la boîte ; c'est pourquoi les boîtes sont appelées résonateurs ou boîtes résonantes.

Frappons l'un des diapasons, puis étouffons-le avec nos doigts. Nous entendrons le son du deuxième diapason.

Prenons deux diapasons différents, c'est-à-dire avec des hauteurs différentes et répétez l'expérience. Désormais, chacun des diapasons ne répondra plus au son d’un autre diapason.

Il n'est pas difficile d'expliquer ce résultat. Les vibrations d’un diapason agissent dans l’air avec une certaine force sur le deuxième diapason, l’amenant à effectuer ses vibrations forcées. Puisque le diapason 1 effectue une oscillation harmonique, la force agissant sur le diapason 2 changera selon la loi de l'oscillation harmonique avec la fréquence du diapason 1. Si la fréquence de la force est différente, alors les oscillations forcées seront si faibles que nous ne les entendrons pas.

Des bruits

On entend un son musical (note) lorsque la vibration est périodique. Par exemple, ce type de son est produit par une corde de piano. Si vous appuyez sur plusieurs touches en même temps, c'est à dire. faites sonner plusieurs notes, alors la sensation de son musical restera, mais la différence entre les notes consonnes (agréables à l'oreille) et dissonantes (désagréables) apparaîtra clairement. Il s'avère que les notes dont les périodes sont dans le rapport des petits nombres sont consonantes. Par exemple, la consonance est obtenue avec un rapport de périodes de 2:3 (quinte), 3:4 (quanta), 4:5 (tierce majeure), etc. Si les périodes sont liées sous forme de grands nombres, par exemple 19h23, alors le résultat est une dissonance - un son musical mais désagréable. On s'éloignera encore plus de la périodicité des oscillations si l'on frappe plusieurs touches en même temps. Le son ressemblera déjà à du bruit.

Le bruit se caractérise par une forte non-périodicité de la forme de l'oscillation : soit il s'agit d'une oscillation longue, mais de forme très complexe (sifflement, craquement), soit d'émissions individuelles (clics, coups). De ce point de vue, les bruits doivent également inclure les sons exprimés par des consonnes (sifflement, labial, etc.).

Dans tous les cas, les vibrations sonores sont constituées d’un grand nombre de vibrations harmoniques de fréquences différentes.

Ainsi, le spectre d’une vibration harmonique est constitué d’une seule fréquence. Pour une oscillation périodique, le spectre est constitué d'un ensemble de fréquences - la principale et ses multiples. Dans les consonances consonnes, nous avons un spectre composé de plusieurs ensembles de fréquences, les principales étant liées sous forme de petits nombres entiers. Dans les consonances dissonantes, les fréquences fondamentales ne sont plus dans des relations aussi simples. Plus il y a de fréquences différentes dans le spectre, plus on se rapproche du bruit. Les bruits typiques ont des spectres dans lesquels il existe un très grand nombre de fréquences.

Avec l'aide de cette leçon vidéo, vous pouvez étudier le sujet « Sources sonores. Vibrations sonores. Hauteur, timbre, volume." Dans cette leçon, vous apprendrez ce qu'est le son. Nous considérerons également les gammes de vibrations sonores perçues par l'audition humaine. Déterminons quelle peut être la source du son et quelles conditions sont nécessaires à son apparition. Nous étudierons également des caractéristiques sonores telles que la hauteur, le timbre et le volume.

Le sujet de la leçon est consacré aux sources sonores et aux vibrations sonores. Nous parlerons également des caractéristiques du son - hauteur, volume et timbre. Avant de parler de son, d'ondes sonores, rappelons que les ondes mécaniques se propagent dans des milieux élastiques. La partie des ondes mécaniques longitudinales perçue par les organes auditifs humains est appelée son, ondes sonores. Le son est constitué des ondes mécaniques perçues par les organes auditifs humains et qui provoquent des sensations sonores. .

Des expériences montrent que l'oreille humaine et les organes auditifs humains perçoivent des vibrations dont les fréquences varient de 16 Hz à 20 000 Hz. C'est cette gamme que nous appelons le son. Bien entendu, il existe des ondes dont la fréquence est inférieure à 16 Hz (infrasons) et supérieure à 20 000 Hz (ultrasons). Mais cette gamme, ces sections ne sont pas perçues par l'oreille humaine.

Riz. 1. Portée auditive de l'oreille humaine

Comme nous l'avons dit, les zones d'infrasons et d'ultrasons ne sont pas perçues par les organes auditifs humains. Bien qu’ils puissent être perçus, par exemple, par certains animaux et insectes.

Ce qui s'est passé ? Les sources sonores peuvent être n'importe quel corps qui vibre à une fréquence sonore (de 16 à 20 000 Hz).

Riz. 2. Une règle oscillante serrée dans un étau peut être une source sonore.

Passons à l'expérience et voyons comment se forme une onde sonore. Pour ce faire, nous avons besoin d'une règle en métal que nous serrerons dans un étau. Désormais, lorsque nous agirons sur la règle, nous pourrons observer des vibrations, mais nous n’entendrons aucun son. Et pourtant une onde mécanique se crée autour de la règle. Veuillez noter que lorsque la règle est déplacée d'un côté, un joint d'air se forme ici. Dans l'autre sens, il y a aussi un sceau. Un vide d'air se forme entre ces joints. Onde longitudinale - il s'agit d'une onde sonore constituée de compactages et de raréfaction de l'air. La fréquence d'oscillation de la règle dans ce cas est inférieure à la fréquence du son, on n'entend donc pas cette onde, ce son. À partir de l’expérience que nous venons d’observer, à la fin du XVIIIe siècle, un appareil appelé diapason fut créé.

Riz. 3. Propagation des ondes sonores longitudinales à partir d'un diapason

Comme nous l'avons vu, le son apparaît comme le résultat des vibrations d'un corps avec une fréquence sonore. Les ondes sonores se propagent dans toutes les directions. Il doit y avoir un milieu entre l'aide auditive humaine et la source des ondes sonores. Ce milieu peut être gazeux, liquide ou solide, mais il doit s'agir de particules capables de transmettre des vibrations. Le processus de transmission des ondes sonores doit nécessairement se produire là où se trouve la matière. S’il n’y a pas de substance, nous n’entendrons aucun son.

Pour que le son existe il faut :

1. Source sonore

2. Mercredi

3. Aide auditive

4. Fréquence 16-20000Hz

5. Intensité

Passons maintenant à la discussion des caractéristiques sonores. Le premier est le pitch. Hauteur sonore - caractéristique déterminée par la fréquence des oscillations. Plus la fréquence du corps qui produit les vibrations est élevée, plus le son sera aigu. Regardons à nouveau le dirigeant tenu dans un étau. Comme nous l'avons déjà dit, nous avons vu des vibrations, mais n'avons entendu aucun son. Si nous réduisons maintenant la longueur de la règle, nous entendrons le son, mais il sera beaucoup plus difficile de voir les vibrations. Regardez la ligne. Si nous agissons maintenant, nous n’entendrons aucun son, mais nous observerons des vibrations. Si nous raccourcissons la règle, nous entendrons un son d'une certaine hauteur. Nous pouvons rendre la longueur de la règle encore plus courte, nous entendrons alors un son d'une hauteur (fréquence) encore plus élevée. On peut observer la même chose avec les diapasons. Si nous prenons un grand diapason (également appelé diapason de démonstration) et frappons les jambes d'un tel diapason, nous pouvons observer la vibration, mais nous n'entendrons pas le son. Si nous prenons un autre diapason, lorsque nous le frapperons, nous entendrons un certain son. Et le prochain diapason, un véritable diapason, qui sert à accorder les instruments de musique. Il émet un son correspondant à la note A, ou, comme on dit aussi, 440 Hz.

La caractéristique suivante est le timbre du son. Timbre appelé couleur du son. Comment illustrer cette caractéristique ? Le timbre est la différence entre deux sons identiques interprétés par des instruments de musique différents. Vous savez tous que nous n’avons que sept notes. Si nous entendons la même note A jouée sur un violon et sur un piano, nous pouvons les distinguer. Nous pouvons immédiatement savoir quel instrument a créé ce son. C'est cette caractéristique - la couleur du son - qui caractérise le timbre. Il faut dire que le timbre dépend des vibrations sonores reproduites, en plus de la tonalité fondamentale. Le fait est que les vibrations sonores arbitraires sont assez complexes. Ils consistent en un ensemble de vibrations individuelles, disent-ils. spectre vibratoire. C'est la reproduction de vibrations supplémentaires (harmoniques) qui caractérisent la beauté du son d'une voix ou d'un instrument particulier. Timbre est l’une des manifestations principales et les plus brillantes du son.

Une autre caractéristique est le volume. Le volume du son dépend de l'amplitude des vibrations. Jetons un coup d'oeil et assurons-nous que le volume est lié à l'amplitude des vibrations. Alors, prenons un diapason. Faisons ceci : si vous frappez faiblement le diapason, l'amplitude des vibrations sera faible et le son sera faible. Si vous frappez maintenant plus fort sur le diapason, le son sera beaucoup plus fort. Cela est dû au fait que l’amplitude des oscillations sera beaucoup plus grande. La perception du son est une chose subjective, elle dépend du type d'aide auditive utilisée et de ce que ressent la personne.

Liste de la littérature supplémentaire :

Ce son vous est-il si familier ? // Quantique. - 1992. - N° 8. - P. 40-41. Kikoin A.K. À propos des sons musicaux et de leurs sources // Quantum. - 1985. - N° 9. - P. 26-28. Manuel de physique élémentaire. Éd. G.S. Landsberg. T. 3. - M., 1974.

Avant de comprendre quelles sont les sources sonores, réfléchissez à ce qu’est le son ? Nous savons que la lumière est un rayonnement. Réfléchi par les objets, ce rayonnement atteint nos yeux et nous pouvons le voir. Le goût et l'odorat sont de petites particules du corps qui sont perçues par nos récepteurs respectifs. Quel genre d'animal est ce son ?

Les sons sont transmis dans l'air

Vous avez probablement vu comment on joue de la guitare. Peut-être pouvez-vous le faire vous-même. Une autre chose importante est le son que produisent les cordes d’une guitare lorsque vous les pincez. C'est exact. Mais si vous pouviez placer une guitare dans le vide et pincer les cordes, vous seriez très surpris que la guitare ne fasse aucun son.

De telles expériences ont été réalisées avec une grande variété de corps, et le résultat était toujours le même : aucun son ne pouvait être entendu dans un espace sans air. La conclusion logique s’ensuit : le son se transmet par l’air. Par conséquent, le son est quelque chose qui arrive aux particules d’air et aux corps producteurs de son.

Sources sonores - corps oscillants

Plus loin. À la suite d'une grande variété de nombreuses expériences, il a été possible d'établir que le son est dû à la vibration des corps. Les sources sonores sont des corps qui vibrent. Ces vibrations sont transmises par les molécules d'air et notre oreille, percevant ces vibrations, les interprète en sensations sonores que nous comprenons.

Ce n'est pas difficile à vérifier. Prenez un verre ou un gobelet en cristal et placez-le sur la table. Tapotez-le légèrement avec une cuillère en métal. Vous entendrez un son long et fin. Touchez maintenant le verre avec votre main et frappez à nouveau. Le son va changer et devenir beaucoup plus court.

Laissez maintenant plusieurs personnes enrouler le plus complètement possible leurs mains autour du verre, ainsi que de la tige, en essayant de ne pas laisser une seule zone libre, à l'exception d'un très petit endroit pour frapper avec une cuillère. Frappez à nouveau le verre. Vous n'entendrez pratiquement aucun son, et celui qui sera émis sera faible et très court. Qu'est-ce que cela signifie?

Dans le premier cas, après l'impact, le verre oscillait librement, ses vibrations se transmettaient dans l'air et atteignaient nos oreilles. Dans le second cas, la plupart des vibrations étaient absorbées par notre main, et le son devenait beaucoup plus court à mesure que les vibrations du corps diminuaient. Dans le troisième cas, presque toutes les vibrations du corps étaient instantanément absorbées par les mains de tous les participants et le corps vibrait à peine, et ne faisait donc presque aucun son.

Il en va de même pour toutes les autres expériences auxquelles vous pouvez penser et mener. Les vibrations des corps, transmises aux molécules de l'air, seront perçues par nos oreilles et interprétées par le cerveau.

Vibrations sonores de différentes fréquences

Le son est donc une vibration. Les sources sonores nous transmettent des vibrations sonores à travers l’air. Pourquoi alors n’entendons-nous pas toutes les vibrations de tous les objets ? Parce que les vibrations ont des fréquences différentes.

Le son perçu par l'oreille humaine est constitué de vibrations sonores d'une fréquence d'environ 16 Hz à 20 kHz. Les enfants entendent des sons de fréquences plus élevées que les adultes, et les plages de perception des différentes créatures vivantes varient généralement considérablement.

Les oreilles sont un instrument très fin et délicat qui nous est offert par la nature, c'est pourquoi nous devons en prendre soin, car il n'y a pas de remplacement ou d'analogue dans le corps humain.