Sóng âm và đặc điểm của chúng. Sóng âm xung quanh chúng ta

Xung quanh chúng ta có rất nhiều người nguồn âm thanh: nhạc cụ và kỹ thuật, dây thanh âm của con người, sóng biển, gió và những thứ khác. Âm thanh hay nói cách khác là sóng âm– đây là những dao động cơ học của môi trường có tần số 16 Hz – 20 kHz(xem § 11-a).

Hãy xem xét kinh nghiệm. Bằng cách đặt đồng hồ báo thức trên một tấm đệm dưới chuông của máy bơm không khí, chúng ta sẽ nhận thấy tiếng tích tắc sẽ nhỏ hơn nhưng vẫn có thể nghe được. Sau khi bơm không khí ra khỏi chuông, chúng ta sẽ không còn nghe thấy âm thanh nữa. Thí nghiệm này xác nhận rằng âm thanh truyền trong không khí và không truyền trong chân không.

Tốc độ truyền âm trong không khí tương đối cao: nó dao động từ 300 m/s ở –50°C đến 360 m/s ở +50°C. Tốc độ này nhanh gấp 1,5 lần tốc độ của máy bay chở khách. Âm thanh truyền đi nhanh hơn nhiều trong chất lỏng và thậm chí còn nhanh hơn trong chất rắn. Ví dụ, trong một đường ray thép, tốc độ âm thanh là » 5000 m/s.

Quan sát biểu đồ dao động áp suất không khí ở miệng người hát âm “A” và “O”. Như bạn có thể thấy, các rung động rất phức tạp, bao gồm nhiều rung động chồng lên nhau. Đồng thời, có thể thấy rõ biến động chính tần số của nó gần như không phụ thuộc vào âm thanh nói. Đối với giọng nam, tần số này là khoảng 200 Hz, đối với giọng nữ - 300 Hz.

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

Vì vậy, bước sóng âm thanh của giọng nói phụ thuộc vào nhiệt độ không khí và tần số cơ bản của giọng nói. Nhắc lại kiến thức về nhiễu xạ, chúng ta sẽ hiểu tại sao trong rừng vẫn có thể nghe thấy giọng nói của con người, ngay cả khi bị cây cối chặn: âm thanh có bước sóng 1–2 m dễ dàng uốn cong quanh các thân cây có đường kính nhỏ hơn một mét.

Chúng ta hãy tiến hành một thí nghiệm chứng minh rằng nguồn âm thực sự là các vật dao động.

Hãy lấy thiết bị cái nĩa– một súng cao su bằng kim loại được gắn trên một hộp không có vách phía trước để bức xạ sóng âm tốt hơn. Nếu bạn dùng búa đập vào hai đầu súng cao su của âm thoa, nó sẽ tạo ra âm thanh “sạch” gọi là giai điệu âm nhạc(ví dụ: nốt “A” của quãng tám đầu tiên có tần số 440 Hz). Chúng ta hãy di chuyển âm thoa phát ra âm thanh về phía một quả bóng nhẹ trên một sợi dây, và nó sẽ lập tức nảy sang một bên. Điều này xảy ra chính xác là do sự rung động thường xuyên của các đầu của súng cao su âm thoa.

Những lý do mà tần số rung động của một vật phụ thuộc vào độ đàn hồi và kích thước của nó. Kích thước cơ thể càng lớn thì tần số càng thấp. Do đó, ví dụ, những con voi có dây thanh âm lớn phát ra âm thanh tần số thấp (âm trầm) và những con chuột có dây thanh âm nhỏ hơn nhiều sẽ phát ra âm thanh tần số cao (tiếng rít).

Không chỉ cơ thể sẽ phát ra âm thanh như thế nào mà còn cách cơ thể nắm bắt âm thanh và phản ứng với chúng phụ thuộc vào độ đàn hồi và kích thước. Hiện tượng biên độ dao động tăng mạnh khi tần số của ngoại lực trùng với tần số tự nhiên của cơ thể gọi là hiện tượng cộng hưởng (tiếng Latinh “hợp lý” - tôi trả lời). Hãy làm một thí nghiệm để quan sát sự cộng hưởng.

Chúng ta hãy đặt hai âm thoa giống hệt nhau cạnh nhau, xoay chúng về phía nhau ở các cạnh của hộp không có tường. Hãy dùng búa đập vào âm thoa bên trái. Trong giây lát chúng ta sẽ nhấn chìm nó bằng tay. Chúng ta sẽ nghe thấy âm thanh của âm thoa thứ hai mà chúng ta không đánh vào. Họ nói rằng âm thoa đúng cộng hưởng, nghĩa là nó thu năng lượng của sóng âm thanh từ âm thoa bên trái, do đó nó làm tăng biên độ dao động của chính nó.

Âm thanh được tạo ra bởi các dao động cơ học trong môi trường và vật thể đàn hồi, tần số nằm trong khoảng từ 20 Hz đến 20 kHz mà tai người có thể cảm nhận được.

Theo đó, rung động cơ học với tần số được chỉ định này được gọi là âm thanh và âm thanh. Các rung động cơ học không nghe được có tần số dưới dải âm thanh được gọi là hạ âm và với tần số trên dải âm thanh chúng được gọi là siêu âm.

Nếu một vật phát ra âm thanh, chẳng hạn như chuông điện, được đặt dưới chuông của máy bơm không khí, thì khi không khí được bơm ra ngoài, âm thanh sẽ ngày càng yếu đi và cuối cùng dừng hẳn. Sự truyền rung động từ cơ thể phát ra âm thanh xảy ra trong không khí. Chúng ta hãy lưu ý rằng trong quá trình dao động của nó, vật phát ra âm thanh lần lượt nén không khí gần bề mặt của vật thể, và ngược lại, tạo ra chân không trong lớp này. Do đó, sự lan truyền âm thanh trong không khí bắt đầu bằng sự dao động về mật độ không khí ở bề mặt của vật dao động.

Giai điệu âm nhạc. Âm lượng và cao độ

Âm thanh mà chúng ta nghe thấy khi nguồn của nó thực hiện một dao động điều hòa được gọi là âm sắc hay gọi tắt là âm sắc.

Trong bất kỳ giai điệu âm nhạc nào, chúng ta có thể phân biệt hai phẩm chất bằng tai: âm lượng và cao độ.

Những quan sát đơn giản nhất thuyết phục chúng ta rằng âm sắc của bất kỳ cao độ nào cũng được xác định bởi biên độ của dao động. Âm thanh của âm thoa dần dần nhỏ đi sau khi gõ vào nó. Điều này xảy ra cùng với việc tắt dần các dao động, tức là với sự giảm biên độ của chúng. Bằng cách nhấn âm thoa mạnh hơn, tức là. Bằng cách tạo cho dao động một biên độ lớn hơn, chúng ta sẽ nghe thấy âm thanh to hơn so với một cú đánh yếu. Điều tương tự có thể được quan sát thấy với một sợi dây và nói chung với bất kỳ nguồn âm thanh nào.

Nếu chúng ta lấy một số âm thoa có kích thước khác nhau thì sẽ không khó để sắp xếp chúng theo tai theo thứ tự tăng dần độ cao. Như vậy, chúng sẽ được sắp xếp theo kích thước: âm thoa lớn nhất cho âm thanh thấp nhất, âm thoa nhỏ nhất cho âm thanh cao nhất. Do đó, cao độ của âm thanh được xác định bởi tần số dao động. Tần số càng cao và do đó chu kỳ dao động càng ngắn thì âm thanh chúng ta nghe được càng cao.

Cộng hưởng âm thanh

Hiện tượng cộng hưởng có thể được quan sát thấy trong các dao động cơ học ở bất kỳ tần số nào, đặc biệt là các dao động âm thanh.

Chúng ta hãy đặt hai âm thoa giống hệt nhau cạnh nhau, với các lỗ của hộp nơi chúng được gắn đối diện nhau. Cần có những chiếc hộp vì chúng khuếch đại âm thanh của âm thoa. Điều này xảy ra do sự cộng hưởng giữa âm thoa và các cột không khí chứa trong hộp; do đó các hộp được gọi là hộp cộng hưởng hoặc hộp cộng hưởng.

Hãy đánh vào một trong các âm thoa và sau đó dùng ngón tay bóp nghẹt nó. Chúng ta sẽ nghe thấy âm thoa thứ hai phát ra như thế nào.

Hãy lấy hai âm thoa khác nhau, tức là. với các cao độ khác nhau và lặp lại thí nghiệm. Bây giờ mỗi âm thoa sẽ không còn phản hồi với âm thanh của âm thoa khác nữa.

Không khó để giải thích kết quả này. Các dao động của một âm thoa tác động lên không khí bởi một lực nào đó tác động lên âm thoa thứ hai, khiến nó thực hiện các dao động cưỡng bức của mình. Vì âm thoa 1 thực hiện một dao động điều hòa nên lực tác dụng lên âm thoa 2 sẽ thay đổi theo quy luật dao động điều hòa với tần số của âm thoa 1. Nếu tần số của lực khác nhau thì dao động cưỡng bức sẽ rất yếu rằng chúng ta sẽ không nghe thấy chúng.

Tiếng ồn

Chúng ta nghe thấy một âm thanh (nốt nhạc) khi dao động có tính tuần hoàn. Ví dụ, loại âm thanh này được tạo ra bởi dây đàn piano. Nếu bạn nhấn nhiều phím cùng lúc, tức là. tạo ra nhiều nốt nhạc thì cảm giác về âm thanh vẫn còn, nhưng sự khác biệt giữa các nốt phụ âm (dễ chịu đối với tai) và các nốt không hòa hợp (khó chịu) sẽ xuất hiện rõ ràng. Hóa ra những nốt có dấu chấm tỷ lệ với số nhỏ là phụ âm. Ví dụ: phụ âm thu được với tỷ lệ chu kỳ là 2:3 (thứ năm), 3:4 (lượng tử), 4:5 (thứ ba chính), v.v. Nếu các dấu chấm có liên quan với nhau bằng những con số lớn, chẳng hạn như 19:23, thì kết quả là sự bất hòa - một âm thanh mang tính nhạc nhưng khó chịu. Chúng ta sẽ càng rời xa tính tuần hoàn của dao động nếu chúng ta nhấn nhiều phím cùng một lúc. Âm thanh sẽ giống như tiếng ồn.

Tiếng ồn được đặc trưng bởi tính chất không tuần hoàn mạnh của hình dạng dao động: hoặc là một dao động dài, nhưng có hình dạng rất phức tạp (tiếng rít, tiếng cọt kẹt) hoặc phát ra riêng lẻ (tiếng lách cách, tiếng gõ). Từ quan điểm này, tiếng ồn cũng nên bao gồm các âm thanh được thể hiện bằng các phụ âm (tiếng rít, tiếng môi, v.v.).

Trong mọi trường hợp, rung động tiếng ồn bao gồm một số lượng lớn các dao động điều hòa với các tần số khác nhau.

Do đó, phổ của dao động điều hòa bao gồm một tần số duy nhất. Đối với một dao động định kỳ, phổ bao gồm một tập hợp các tần số - tần số chính và bội số của nó. Trong các phụ âm phụ âm, chúng ta có một phổ bao gồm một số tập hợp tần số như vậy, trong đó các tần số chính có liên quan là các số nguyên nhỏ. Trong các phụ âm không hòa âm, các tần số cơ bản không còn có mối quan hệ đơn giản như vậy nữa. Càng có nhiều tần số khác nhau trong quang phổ thì chúng ta càng đến gần tiếng ồn. Tiếng ồn điển hình có quang phổ trong đó có rất nhiều tần số.

Với sự trợ giúp của bài học video này, bạn có thể nghiên cứu chủ đề “Nguồn âm thanh. Âm thanh rung động. Cao độ, âm sắc, âm lượng." Trong bài học này bạn sẽ tìm hiểu âm thanh là gì. Chúng ta cũng sẽ xem xét phạm vi rung động âm thanh mà thính giác của con người cảm nhận được. Hãy xác định nguồn âm thanh có thể là gì và những điều kiện nào cần thiết cho sự xuất hiện của nó. Chúng ta cũng sẽ nghiên cứu các đặc điểm âm thanh như cao độ, âm sắc và âm lượng.

Chủ đề của bài học tập trung vào nguồn âm thanh và sự dao động của âm thanh. Chúng ta cũng sẽ nói về các đặc điểm của âm thanh - cao độ, âm lượng và âm sắc. Trước khi nói về âm thanh, về sóng âm, chúng ta hãy nhớ rằng sóng cơ truyền truyền trong môi trường đàn hồi. Phần sóng cơ dọc được cơ quan thính giác của con người cảm nhận được gọi là âm thanh, sóng âm. Âm thanh là sóng cơ học được cơ quan thính giác của con người cảm nhận được và gây ra cảm giác âm thanh .

Thí nghiệm cho thấy tai người và cơ quan thính giác của con người cảm nhận được những rung động có tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz. Đó là phạm vi mà chúng tôi gọi là âm thanh. Tất nhiên, có những sóng có tần số nhỏ hơn 16 Hz (hạ âm) và hơn 20.000 Hz (siêu âm). Nhưng phạm vi này, những phần này tai con người không cảm nhận được.

Cơm. 1. Tầm nghe của tai người

Như chúng tôi đã nói, cơ quan thính giác của con người không cảm nhận được vùng sóng hạ âm và siêu âm. Mặc dù chúng có thể được cảm nhận, chẳng hạn như bởi một số động vật và côn trùng.

Chuyện gì đã xảy ra vậy? Nguồn âm thanh có thể là bất kỳ vật thể nào dao động ở tần số âm thanh (từ 16 đến 20.000 Hz)

Cơm. 2. Một thước đo dao động được kẹp vào một cái kẹp có thể là nguồn âm thanh.

Hãy cùng trải nghiệm và xem sóng âm được hình thành như thế nào nhé. Để làm điều này, chúng ta cần một thước kim loại, chúng ta sẽ kẹp nó vào một cái kẹp. Bây giờ, khi tác động lên thước, chúng ta sẽ quan sát được sự rung động nhưng sẽ không nghe thấy bất kỳ âm thanh nào. Tuy nhiên, một làn sóng cơ học được tạo ra xung quanh thước. Xin lưu ý rằng khi di chuyển thước sang một bên, một lớp đệm khí sẽ được hình thành ở đây. Ở hướng khác cũng có một con dấu. Chân không hình thành giữa các vòng đệm này. Sóng dọc -đây là sóng âm bao gồm sự nén và làm loãng không khí. Tần số dao động của thước trong trường hợp này nhỏ hơn tần số âm thanh nên chúng ta không nghe thấy sóng này, âm thanh này. Dựa trên kinh nghiệm chúng ta vừa quan sát, vào cuối thế kỷ 18, một thiết bị gọi là âm thoa đã được tạo ra.

Cơm. 3. Sự lan truyền sóng âm dọc từ âm thoa

Như chúng ta đã thấy, âm thanh xuất hiện là kết quả của sự dao động của một vật thể có tần số âm thanh. Sóng âm lan truyền theo mọi hướng. Phải có một môi trường giữa máy trợ thính của con người và nguồn sóng âm. Môi trường này có thể ở dạng khí, lỏng hoặc rắn nhưng phải là các hạt có khả năng truyền rung động. Quá trình truyền sóng âm nhất thiết phải diễn ra ở nơi có vật chất. Nếu không có thực chất thì chúng ta sẽ không nghe được âm thanh nào.

Để âm thanh tồn tại bạn cần:

1. Nguồn âm thanh

2. Thứ Tư

3. Máy trợ thính

4. Tần số 16-20000Hz

5. Cường độ

Bây giờ hãy chuyển sang thảo luận về đặc điểm âm thanh. Đầu tiên là sân. Độ cao âm thanh -đặc tính được xác định bởi tần số dao động. Tần số cơ thể tạo ra rung động càng cao thì âm thanh sẽ càng cao. Chúng ta hãy nhìn lại cây thước được giữ trong một cái kẹp. Như chúng tôi đã nói, chúng tôi nhìn thấy những rung động nhưng không nghe thấy bất kỳ âm thanh nào. Nếu bây giờ chúng ta làm cho chiều dài của thước ngắn hơn thì chúng ta sẽ nghe được âm thanh nhưng sẽ khó nhìn thấy sự rung động hơn nhiều. Nhìn vào dòng. Nếu chúng ta hành động ngay bây giờ, chúng ta sẽ không nghe thấy bất kỳ âm thanh nào, nhưng chúng ta sẽ quan sát thấy những rung động. Nếu chúng ta rút ngắn thước kẻ, chúng ta sẽ nghe thấy một âm thanh có cao độ nhất định. Chúng ta có thể làm cho chiều dài của thước ngắn hơn nữa, khi đó chúng ta sẽ nghe thấy âm thanh có cao độ (tần số) cao hơn nữa. Chúng ta có thể quan sát thấy điều tương tự với âm thoa. Nếu chúng ta lấy một âm thoa lớn (còn gọi là nĩa trình diễn) và đập vào các chân của âm thoa như vậy, chúng ta có thể quan sát thấy sự rung động nhưng sẽ không nghe thấy âm thanh. Nếu chúng ta lấy một âm thoa khác thì khi chạm vào nó chúng ta sẽ nghe thấy một âm thanh nào đó. Và âm thoa tiếp theo, một âm thoa thực sự, được sử dụng để điều chỉnh các nhạc cụ. Nó tạo ra âm thanh tương ứng với nốt A, hoặc như người ta cũng nói, 440 Hz.

Đặc điểm tiếp theo là âm sắc của âm thanh. Âm sắc gọi là màu âm thanh. Làm thế nào có thể minh họa đặc điểm này? Âm sắc là sự khác biệt giữa hai âm thanh giống hệt nhau được biểu diễn bởi các nhạc cụ khác nhau. Tất cả các bạn đều biết rằng chúng ta chỉ có bảy nốt nhạc. Nếu chúng ta nghe cùng một nốt A chơi trên violin và trên piano, chúng ta có thể phân biệt chúng. Chúng ta có thể biết ngay nhạc cụ nào đã tạo ra âm thanh này. Chính đặc điểm này - màu sắc của âm thanh - đặc trưng cho âm sắc. Phải nói rằng âm sắc còn phụ thuộc vào những rung động âm thanh nào được tái tạo, ngoài âm cơ bản. Thực tế là các rung động âm thanh tùy ý khá phức tạp. Họ nói rằng chúng bao gồm một tập hợp các rung động riêng lẻ quang phổ rung động. Chính sự tái tạo các rung động bổ sung (âm bội) đặc trưng cho vẻ đẹp của âm thanh của một giọng nói hoặc nhạc cụ cụ thể. Âm sắc là một trong những biểu hiện chính và rõ nét nhất của âm thanh.

Một đặc điểm khác là khối lượng. Độ to của âm phụ thuộc vào biên độ dao động. Chúng ta hãy xem xét và chắc chắn rằng âm lượng có liên quan đến biên độ dao động. Vì vậy, chúng ta hãy lấy một ngã ba điều chỉnh. Chúng ta hãy làm như sau: nếu bạn nhấn âm thoa yếu, biên độ dao động sẽ nhỏ và âm thanh sẽ nhỏ. Nếu bây giờ bạn nhấn âm thoa mạnh hơn, âm thanh sẽ to hơn nhiều. Điều này là do biên độ dao động sẽ lớn hơn nhiều. Việc cảm nhận âm thanh là một điều chủ quan, nó phụ thuộc vào loại máy trợ thính được sử dụng và cảm giác của mỗi người.

Danh sách tài liệu bổ sung:

Âm thanh đó có quen thuộc với bạn không? // Lượng tử. - 1992. - Số 8. - Trang 40-41. Kikoin A.K. Về âm thanh âm nhạc và nguồn của chúng // Lượng tử. - 1985. - Số 9. - Tr. 26-28. Sách vật lý tiểu học. Ed. G.S. Landsberg. T. 3. - M., 1974.

Trước khi bạn hiểu có những nguồn âm thanh nào, hãy nghĩ xem âm thanh là gì? Chúng ta biết rằng ánh sáng là bức xạ. Phản chiếu từ các vật thể, bức xạ này đến mắt chúng ta và chúng ta có thể nhìn thấy nó. Vị giác và khứu giác là những phần nhỏ của cơ thể được các cơ quan thụ cảm tương ứng của chúng ta cảm nhận. Âm thanh này là của loài động vật nào?

Âm thanh được truyền qua không khí

Bạn có thể đã thấy cách chơi guitar. Có lẽ bạn có thể tự làm điều này. Một điều quan trọng khác là âm thanh mà dây đàn tạo ra khi bạn gảy chúng. Đúng rồi. Nhưng nếu bạn có thể đặt một cây đàn ghi-ta trong chân không và gảy dây, bạn sẽ rất ngạc nhiên khi cây đàn không phát ra âm thanh nào.

Những thí nghiệm như vậy đã được thực hiện với nhiều loại vật thể khác nhau và kết quả luôn giống nhau: không thể nghe thấy âm thanh nào trong không gian thiếu không khí. Kết luận hợp lý sau đó là âm thanh được truyền qua không khí. Vì vậy, âm thanh là hiện tượng xảy ra với các hạt không khí và các vật thể tạo ra âm thanh.

Nguồn âm - vật dao động

Hơn nữa. Là kết quả của nhiều thí nghiệm đa dạng, người ta có thể chứng minh rằng âm thanh phát sinh do sự rung động của các vật thể. Nguồn âm là các vật dao động. Những rung động này được truyền bởi các phân tử không khí và tai của chúng ta, cảm nhận những rung động này, chuyển chúng thành cảm giác âm thanh mà chúng ta hiểu được.

Không khó để kiểm tra. Lấy một chiếc cốc thủy tinh hoặc pha lê và đặt nó lên bàn. Chạm nhẹ vào nó bằng thìa kim loại. Bạn sẽ nghe thấy một âm thanh mỏng dài. Bây giờ hãy dùng tay chạm vào kính và gõ lại. Âm thanh sẽ thay đổi và trở nên ngắn hơn nhiều.

Bây giờ hãy để nhiều người quấn tay quanh kính càng nhiều càng tốt, cùng với thân kính, cố gắng không để lại một vùng trống nào, ngoại trừ một chỗ rất nhỏ để đánh bằng thìa. Đập kính lần nữa. Bạn sẽ khó nghe thấy bất kỳ âm thanh nào, âm thanh đó sẽ yếu và rất ngắn. Điều đó có nghĩa là gì?

Trong trường hợp đầu tiên, sau khi va chạm, tấm kính dao động tự do, các rung động của nó truyền qua không khí và đến tai chúng ta. Trong trường hợp thứ hai, hầu hết các rung động đã được bàn tay của chúng ta hấp thụ và âm thanh trở nên ngắn hơn nhiều khi độ rung của cơ thể giảm đi. Trong trường hợp thứ ba, hầu hết mọi rung động của cơ thể đều được bàn tay của tất cả những người tham gia hấp thụ ngay lập tức và cơ thể hầu như không rung động, do đó hầu như không phát ra âm thanh.

Điều tương tự cũng xảy ra với tất cả các thử nghiệm khác mà bạn có thể nghĩ ra và tiến hành. Những rung động của cơ thể, truyền đến các phân tử không khí, sẽ được tai chúng ta cảm nhận và được não giải thích.

Sự rung động của âm thanh có tần số khác nhau

Vì vậy âm thanh là sự rung động. Nguồn âm thanh truyền rung động âm thanh qua không khí đến chúng ta. Tại sao sau đó chúng ta không nghe thấy tất cả các rung động của mọi vật thể? Bởi vì các rung động có tần số khác nhau.

Âm thanh mà tai người cảm nhận được là âm thanh dao động có tần số khoảng 16 Hz đến 20 kHz. Trẻ em nghe thấy âm thanh có tần số cao hơn người lớn và phạm vi nhận thức của các sinh vật sống khác nhau thường rất khác nhau.

Đôi tai là một công cụ rất mỏng và tinh tế được thiên nhiên ban tặng cho chúng ta, vì vậy chúng ta nên chăm sóc nó, vì cơ thể con người không có thứ gì thay thế hay tương tự.