Физика 9 класс учебник Перышкин, Гутник - страница 179

   Цель исследования
   Изучить корреляцию между высотой звука и частотой колебаний его источника.
   Методика
   В ходе эксперимента применялся зубчатый диск (см. рис. 125, а), приводимый в движение специализированным механизмом. Тонкая картонная пластинка (см. рис. 125, б) при контакте с зубьями вращающегося диска входила в состояние вынужденных колебаний.
   Заключение
   Установлено, что увеличение частоты колебаний (обусловленное скоростью вращения диска и частотой взаимодействия пластинки с зубьями) приводит к повышению воспринимаемой высоты звука.

   Высота звука прямо пропорциональна частоте колебаний его источника: увеличение частоты приводит к повышению высоты звука, а уменьшение частоты — к её понижению.

   Чистый тон — звук, создаваемый колебаниями с одной определённой частотой (гармоническое колебание). Пример — звук камертона.
   Основной тон — самый низкий звук (с наименьшей частотой) в составе сложного звука; определяет основную высоту звучания.
   Обертон — дополнительный тон, накладывающийся на основной; имеет частоту, кратную частоте основного тона. Обертоны формируют тембр звука.

   Тембр звука обусловлен спектральным составом, то есть совокупностью обертонов, которые накладываются на основной тон. Эта характеристика определяет уникальную «окраску» звука, что позволяет дифференцировать источники звука (например, голоса или музыкальные инструменты) при идентичных высоте и интенсивности.
   Снижение амплитуды колебаний звукового источника приводит к уменьшению воспринимаемой громкости. Амплитуда является прямым показателем интенсивности (энергии) звуковых волн, что, в свою очередь, коррелирует с субъективным восприятием громкости.

   При равных значениях амплитуды, интенсивность звукового восприятия определяется его частотой. Человеческий слух демонстрирует пиковую чувствительность в диапазоне частот от 1000 до 5000 Герц. Следовательно, звук с частотой 3000 Гц будет ощущаться как более громкий, чем звук с частотой 500 Гц, даже при идентичной амплитуде, поскольку первый находится в области максимальной восприимчивости слухового аппарата.

   Уровень громкости звука определяется совокупностью факторов, включая:
• Амплитуду колебаний звукового источника: прямо пропорциональную громкости.
• Частоту звука: с учетом избирательной чувствительности человеческого уха к различным частотным диапазонам.
• Дистанцию до источника: поскольку звуковая энергия экспоненциально затухает с увеличением расстояния.
• Свойства среды распространения: такие как плотность, температура и влажность, которые модулируют степень затухания звука.
• Физиологические особенности слухового аппарата слушателя.

   Систематическое воздействие громких звуков (шума) может привести к:
• снижению слуха, тугоухости — из-за повреждения волосковых клеток внутреннего уха;
• головным болям, головокружениям, нарушению сна — шум вызывает стресс для нервной системы;
• повышению артериального давления, нарушению сердечного ритма — из-за постоянного напряжения и выброса стрессовых гормонов;
• ухудшению концентрации внимания, снижению работоспособности — шум мешает сосредоточиться, вызывает усталость;
• психоэмоциональным расстройствам (раздражительность, тревожность) — длительный шум негативно влияет на психоэмоциональное состояние;
• ускоренному износу органов слуха и нервной системы при длительном превышении безопасного уровня шума (свыше 85 дБ).

   Подготовка к опыту:
• возьмите два камертона, частоты которых неизвестны, но предполагается, что они разные;
• подготовьте лёгкий предмет, который может реагировать на звуковые колебания, например, маленький шарик, подвешенный на нити, или песчинку, положенную на один из камертонов;
• также можно использовать тонкую полоску бумаги или лёгкую бусину на нитке.

   Проведение опыта:
• ударьте по первому камертону, чтобы он зазвучал;
• поднесите к звучащему камертону подготовленный лёгкий предмет (например, шарик на нити) и наблюдайте за его реакцией — он начнёт колебаться под действием звуковых волн;
• повторите то же самое со вторым камертоном.

   Наблюдение и сравнение
   Обратите внимание на характер колебаний лёгкого предмета:
• если предмет колеблется с большей частотой (быстрее «дрожит»), значит, камертон издаёт звук с более высокой частотой (более высокий звук);
• если колебания медленнее, то звук ниже.

   Альтернативный способ: если есть возможность, поднесите к звучащему камертону тонкую полоску бумаги — она будет колебаться в такт звуку. Чем быстрее колебания бумаги, тем выше частота звука.

   Использование резонанса (более точный метод)
   Если камертоны находятся рядом, можно использовать явление резонанса:
• ударьте по первому камертону и поднесите его ко второму (не касаясь);
• если второй камертон начинает слабо звучать (резонирует), значит, их частоты близки;
• повторите для второго камертона и первого;
• тот камертон, который вызывает более слабый резонанс у другого, имеет более высокую частоту (так как резонанс сильнее при совпадении частот).

   Вывод: камертон, который заставляет лёгкий предмет колебаться с большей частотой или вызывает меньший резонанс у другого камертона, издаёт звук с более высокой собственной частотой; таким образом, более высокий звук соответствует большей частоте колебаний.

   Тепловое расширение — это явление, при котором твердые тела, включая струны, увеличиваются в размерах при нагревании. Повышение температуры воздуха вызывает удлинение струны. Это удлинение, в свою очередь, приводит к снижению ее натяжения. А так как высота звука, издаваемого струной, прямо пропорциональна силе ее натяжения, то при значительном росте температуры мы услышим более низкий звук.