Практична робота "Вивчення характеристик звукових хвиль за допомогою мобільного додатку "Науковий журнал".

Практична робота «Вивчення характеристик звукових хвиль за допомогою мобільного додатку «Науковий журнал».

Автор: вчитель фізики КЗ ОЗЗСО «Сузір’я» Оріхівської міської ради Середа С.В.

Тема. Вивчення характеристик звукових хвиль.

Мета: виміряти частоту і гучність звуку, сформувати уявлення про суб’єктивні та об’єктивні характеристики звуку, закріпити знання про коливання та хвилі.

Обладнання: смартфон з мобільним додатком «Науковий журнал».

Теоретичні відомості.

Звукові явища виникають унаслідок механічного коливання різних тіл. Однак не будь-які коливання створюють звук. Наприклад, маятник не спричиняє звукових коливань, хоча амплітуда його коливань може бути досить високою, адже амплітуда не є основною умовою для виникнення звукової хвилі.

Звукові хвилі — це хвилі, частоти яких лежать у діапазоні від 20 Гц до 20 кГц.

Саме такі коливання ми сприймаємо як звук. Звукові хвилі в повітрі — це поздовжні хвилі, тобто почергове розрідження і згущення повітря. Звукові хвилі породжує яке-небудь коливне тіло: голосові зв’язки, мембрана динаміка, музичні інструменти тощо.

Наші вуха сприймають у вигляді звуку коливання, частоти яких перебувають у межах від 16-20 Гц до 20 кГц. Такі коливання називають акустичними. Розділ фізики, що вивчає способи виникнення звукових хвиль, їхнє поширення й взаємодію із середовищем, називають акустикою.

Довжина  звукової хвилі визначається її частотою та швидкістю звуку:

λ = υ/ν,

де  λ — довжина хвилі, ν  — частота, υ  — швидкість звуку.

Довжини звукових хвиль чутного діапазону лежать у межах від, приблизно, 2 см до, приблизно, 20 м.

Ми добре знаємо, що звук буває високий і низький. Як відомо, бас співає низьким голосом, а тенор — високим. Від якої ж характеристики звукової хвилі залежить висота звуку? Досліди показують, що висота звуку визначається частотою звукової хвилі: чим більше частота хвилі, тим звук вищий.

Частота звукових коливань, створюваних музичними інструментами, може змінюватися від 20 до 4000 Гц. Писк комара відповідає 500–600 змахам його крилець за секунду, дзижчання джмеля — 220 змахам. Коливання голосових зв’язок співаків можуть створювати звуки в діапазоні від 80 до 1400 Гц, хоча в експерименті фіксувалися рекордно низька (44 Гц) і висока (2350 Гц) частоти. В таблицях представлена класифікація чоловічих та жіночих голосів.

Чоловічі

 Жіночі

Окрім частоти звуки мають ще одну дуже важливу характеристику – гучність. Змінюючи силу удару по камертону молоточком, ми будемо чути звуки, що відрізняються за гучністю. Але ми знаємо, що чим сильніше ми вдаряємо, тим більшою є амплітуда коливань ніжок камертона. У разі збільшення амплітуди коливань звучного тіла збільшується й амплітуда коливань у звуковій хвилі. Це означає, що   гучність звуку визначають переважно амплітудою звукової хвилі. Гучність вимірюється в децибелах (десята частина Бела). Сама одиниця доволі складна і розраховується логарифмічно та для простоти розуміння ви можете скористатися таблицею, в якій представлені приблизні величини деяких звуків. Загалом величина в 120 дБ вважається граничною для сприйняття людиною, від 0 до 30 дБ - тихі звуки, 80 - 120 - гучні. Нормальний діапазон для слуху людини це 40 - 70 Дб, при ньому людина здатна нормально чути звуки не перевантажуючи слуховий аналізатор.

Ще одна характеристика звуку – це тембр. Звуки однакової висоти й гучності, створювані різними музичними інструментами, звучать по-різному, навіть та сама нота, узята різними співаками, звучить по-різному.

Особлива якість звуку — його забарвлення, характерне для кожного голосу або музичного інструменту,— називають тембром. Тембр пов’язаний зі специфічними властивостями джерела звуку.

Від чого ж залежить тембр звуку? Виявляється, що будь-яке джерело звуку (за незначних винятків, наприклад, камертона) здійснює складні несинусоїдальні коливання. Їх можна спостерігати за допомогою осцилографа. Якщо підключити мікрофон і проспівати яку-небудь мелодію, то на екрані осцилографа з’явиться не синусоїда, а складніша крива.

Несинусоїдальне коливання може бути представлене у вигляді суми гармонічних коливань із різними частотами. Коливання з найменшою частотою називається основним тоном, а коливання з більш високою частотою називається обертоном, або гармонікою.

Тембр звуку визначає його забарвлення. Він визначається наявністю й інтенсивністю обертонів — частот, кратних основній.

Саме завдяки тембру звуки різних музичних інструментів мають різне звучання. Чим більше обертонів, тим «насиченіше», гарніше звук. Чарівний сріблистий відтінок голосів гарних співаків обумовлений саме високими обертонами.

Вказівки до роботи.

Перша частина.

1. Запустіть мобільний додаток «Науковий журнал - висота звуку» (Рис.1). Виміряйте висоту звуку свого голосу в розмові і співі. Класифікуйте його.

2. Виміряйте висоту звуку ще двох осіб і також класифікуйте ці голоса. При вимірюванні висоти звуку використовуйте запис ( на панелі червона кнопка) , що дає можливість автоматично встановити середнє значення частоти звуку.

3. Результати вимірювання занесіть до таблиці:

Рис. 1. Вигляд панелі мобільного додатку «Науковий журнал – висота звуку»

Творче завдання 1.

Порівняйте швидкості поширення звуку, що видає бас (80 Гц) та сопрано (1000 Гц).

Друга частина.

1. За допомогою мобільного додатку «Науковий журнал - інтенсивність звуку» (Рис. 2)  виміряйте інтенсивність звуку 5 джерел, що містяться в вашому помешканні. Результати занесіть в таблицю. Формат таблиці оберіть самі. При вимірюваннях також використовуйте клавішу запису.

Рис. 2. Вигляд панелі мобільного додатку «Науковий журнал – інтенсивність звуку»

За результатами експериментів обох частин зробіть висновок, в якому чітко розмежуйте субʼєктивні та обʼєктивні характеристики звукових хвиль, їхні залежності.

Творче завдання 2.

Встановіть: чи відповідає ваше робоче місце вдома санітарним нормам за інтенсивністю звуку. Google вам в допомогу.