Резонатор скрипки

Ехолот

ПЛАН

ПЛАН

1 Гармонічні коливання. Маятники.

2 Характеристики гармонічних коливань.

1 ГАРМОНІЧНІ КОЛИВАННЯ. Механічними коливаннями називають рухи тіл, що повторюються точно (або приблизно) через однакові проміжки часу.

Механічні коливання, як і коливальні процеси будь-якої іншої фізичної природи, можуть бути вільними і вимушеними.

Вільні коливання здійснюються під дією внутрішніх сил системи, після того, як система виведена із стану рівноваги.

Коливання, що відбуваються під дією зовнішніх сил, що періодично змінюються, називаються вимушеними. Простим виглядом коливального руху є прості гармонійні коливання— це найпростіші періодичні коливання, під час яких коливна величина змінюється з часом за законом синуса чи косинуса:

Приступаючи до вивчення електромагнітних коливань за аналогією з механічними, ознайомимося з математичними апаратом, який описує коливальні процеси на прикладі пружинного та математичного маятників.

Тіло коливається під дією сили пружності, спрямованої до положення рівноваги . Рівняння руху матиме вигляд .

Оскільки

або позначивши

Рівняння описує гармонічні коливання тіла, бо його розв’язками є гармонічні функції і . У цьому легко переконатися, підставляючи їх у рівняння.

Переконаємося, що коливання математичного маятника — теж гармонічні коливання.

Маятник коливається під дією рівнодійної F сили тяжіння тg та сили пружності нитки F_пр, спрямованої до положення рівноваги. ЇЇ можна

виразити: Для малих кутів

Позначивши

Отже, незважаючи на те, що коливання пружинного і математичного маятників викликані силами, що мають різну природу, сила, яка повертає тіло до положення рівноваги, пропорційна зміщенню коливного тіла і завжди напрямлена в бік рівноваги.

2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАРМОНІЧНИХ КОЛИВАНЬ. Повним коливанням називають один закінчений цикл коливального руху, після якого воно повторюється в тому самому порядку.

1. Амплітуда — модуль найбільшого значення коливної величини.

2. Період — тривалість одного повного коливання. [Т] = 1 с.

3. Частота — кількість повних коливань за одиницю часу. ,

4. Циклічна частота — кількість повних коливань за 2п секунд.

5. Фаза — аргумент соs чи sіп, кутова міра часу, який минув від початку коливань. При заданій амплітуді визначає стан коливальної системи в будь-який момент часу, [] – 1 рад.

ПОШИРЕННЯ МЕХАНІЧНИХ КОЛИВАНЬ У ПРУЖНИХ СЕРЕДОВИЩАХ. ПОПЕРЕЧНІ ТА ПОЗДОВЖНІ ХВИЛІ. ДОВЖИНА ХВИЛІ. ЗВУКОВІ ХВИЛІ, ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ВИКОРИСТАННЯ

1 Природа звука. Звукові хвилі.

2 Швидкість звуку.

3 Гучність та інтенсивність звуку.

4 Висота тону і тембр звуку.

5 Інтерференція звукових хвиль. Відбивання і поглинання звуку. Звуковий резонанс.

6 Ультразвук і його застосування в техніці.

1 ПРИРОДА ЗВУКУ. ЗВУКОВІ ХВИЛІ.

Дослід показує, що джерелом звуку завжди є яке-небудь коливне тіло, яке в процесі своїх коливань створює в навколишньому середовищі механічні хвилі

Коли ці хвилі досягають вуха людини, вони приводять у вимушені коливання барабанну перетинку всередині вуха, і людина відчуває звук. Механічні хвилі, які спричинюють у людини відчуття звуку, називають звуковими.

Звукові хвилі в повітрі складаються із згущень і розріджень, тобто вони поздовжні. Зрозуміло, що звук людина може чути лише тоді, коли між джерелом звуку і вухом людини є середовище, в якому можуть поширюватись звукові хвилі. Через безповітряний простір звук передаватися не може

Людина відчуває звук, коли виконуються такі умови:

1) є джерело звуку, яке створює коливання з частотою в межах від 16 до 20000 Гц;

2) є пружне середовище між вухом і джерелом звуку;

3) потужність звукових хвиль достатня для створення відчуття звуку в людини.

2 ШВИДКІСТЬ ЗВУКУ. Кожний з нас знає, що під час грози спочатку видно спалах блискавки, а потім вже чути грім. Це явище пояснюють тим, що швидкість поширення світла в сотні тисяч разів перевищує швидкість поширення звуку. Оскільки час поширення світлового сигналу дуже малий, то, визначаючи швидкість звуку, його можна не враховувати.

Швидкість поширення звуку в повітрі при 0 °С дорівнює 332 м/с і зростає при підвищенні температури.

Оскільки швидкість поширення хвиль залежить від середовища і зовнішніх умов, швидкість звуку також залежить від середовища. Наприклад, швидкість звуку у воді становить 1450 м/с, а в сталі 5000 м/с. (Поясніть, чому, приклавши вухо до рейки, можна почути наближення поїзда раніше, ніж через повітря).

3 ГУЧНІСТЬ ТА ІНТЕНСИВНІСТЬ ЗВУКУ. Звуки, які ми чуємо, спричинюють у нас якісно різні відчуття. Одна з якостей звуку, які ми відрізняємо — це його гучність. Гучність звуку — поняття суб’єктивне, той самий звук одній людині може здаватися гучним, а іншій — тихим.

Об’єктивною оцінкою гучності є інтенсивність ( або сила) звуку. Інтенсивність звуку вимірюють енергією, яку переносять звукові хвилі за одиницю часу через одиницю площі поперечного перерізу, перпендикулярного до напряму поширення хвиль.

З цього означення випливає, що одиницею інтенсивності звуку в СІ є

Інтенсивність звуку прямо пропорційна квадрату амплітуди і квадрату частоти коливань у звуковій хвилі.

Вухо людини має дуже велику чутливість. Найменшу інтенсивність звукових хвиль, яка спричинює в людини відчуття звуку, називають порогом чутності. Він залежить від частоти коливань. Наприклад, при частоті 2000 Гц поріг чутності дорівнює 2•10¹² Дж/(м²с). При менших частотах поріг чутності значно більший.

4 ВИСОТА ТОНУ І ТЕМБР ЗВУКУ. Л егко відрізнити писк комара від гудіння джмеля. Звук комара, який летить, називають високим тоном, а гудіння джмеля — низьким тоном. Висота тону є об’єктивною якістю звуку і однозначно визначається частотою коливань у звуковій хвилі.

Звук, який відповідає точно певній частоті коливань, називають тоном. Якість звуку, яка визначається частотою коливань, характеризують висотою тону, при цьому більшій частоті коливань відповідає вищий тон.

У деяких випадках висоту тону характеризують довжиною звукових хвиль у повітрі

Для повітря при 0 °С дістаємо

З цієї формули видно, що вищому тону відповідає коротша довжина хвилі

Крім гучності і висоти тону, є ще одна якість звуку, яку може розрізняти людина. Якість звуку, яка дає змогу визначати джерело звуку, називають тембром. Найчистіший звук, який відповідає певному тону, створюють камертони. Тому ними користуються для відтворення звуків певної частоти, наприклад, під час настроювання музичних інструментів.

Часто трапляються складні звуки, в яких не можна виділити окремі тони. Такі звуки називають шумом.

5 ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ ЗВУКОВИХ ХВИЛЬ. ВІДБИВАННЯ І ПОГЛИНАННЯ ЗВУКУ. ЗВУКОВИЙ РЕЗОНАНС. Під час інтерференції звукових хвиль амплітуди результуючих коливань у різних точках простору будуть неоднакові, що виявляється в підсиленні й ослабленні звуку в цих точках.

Відбивання звукових хвиль від межі поділу двох середовищ має дуже велике практичне значення..

Звуковий резонанс можна дістати за допомогою двох камертонів, що мають однакову частоту коливань і закріплені на ящиках, призначених для збільшення гучності звуку.

Різке підсилення звуку — резонанс. Резонанс зникне, якщо лійку опустити ще нижче.

6 УЛЬТРАЗВУК І ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ В ТЕХНІЦІ.

Механічні хвилі з частотою коливання, більшою від 20 000 Гц, людина не сприймає як звук. Їх називають ультразвуковими хвилями або ультразвуком. Ультразвук значною мірою поглинається газами і в багато разів слабше — твердими речовинами і рідинами. Тому ультразвукові хвилі можуть поширюватися на значні відстані тільки в твердих тілах і рідинах.

Оскільки енергія, яку переносять хвилі, пропорційна густині середовища і квадрату частоти, то ультразвук може переносити енергію, набагато більшу, ніж звукові хвилі. Ще одна важлива властивість ультразвуку в тому, що порівняно просто здійснюється його напрямлене випромінювання. Усе це дає змогу широко використати ультразвук у техніці.

Описані властивості ультразвуку використано в ехолоті— приладі для визначення глибини моря (рис.). На кораблі встановлюють джерело і приймач ультразвуку певної частоти. Джерело посилає короткочасні ультразвукові імпульси, а приймач вловлює відбиті імпульси. Знаючи час між посиланням і прийманням імпульсів та швидкість поширення ультразвуку у воді, за формулою визначають глибину моря.

Аналогічно діє ультразвуковий локатор, яким користуються для визначення відстані до перешкоди на шляху корабля в горизонтальному напрямі. Якщо таких перешкод немає, ультразвукові імпульси до корабля не повертаються. Цікаво, що деякі тварини, наприклад кажани, мають органи, які діють за принципом ультразвукового локатори, завдяки чому вони добре орієнтуються в темряві. Досконалий ультразвуковий локатор мають дельфіни.

Якщо ультразвук проходить через рідини, частинки рідини набувають великих прискорень і значною мірою діють на різні тіла в рідині. Це використовують для прискорення найрізноманітніших технологічних процесів (наприклад, приготування розчинів, миття деталей, дублення шкур тощо).

Ультразвук застосовують, для виявлення дефектів у металевих деталях. У сучасній техніці ультразвук має таке велике застосування, що важко навіть перелічити всі галузі його застосування.

Акустичний динамік мікрофон

Глибинний вібромолоток

Ультразвукова діагностика

Міст Текома-Нерровз (США),

зруйнований під дією резонансу

ультразвукова діагностика

КОЛИВАЛЬНИЙ КОНТУР. ВИМУШЕНІ КОЛИВАННЯ. ЗМІННИЙ СТРУМ. РЕЗОНАНС

Дата добавления: 2014-10-23