Oscylacje– są to ruchy lub procesy, które charakteryzują się pewną powtarzalnością w czasie.
Okres oscylacji T– przedział czasu, w którym następuje jedno pełne oscylowanie.
Częstotliwość oscylacji– liczba pełnych oscylacji w jednostce czasu. W układzie SI wyraża się go w hercach (Hz).
Okres i częstotliwość oscylacji są powiązane zależnością
Wibracje harmoniczne- są to oscylacje, w których wielkość oscylacyjna zmienia się zgodnie z prawem sinusa lub cosinusa. Przesunięcie jest podawane przez
Amplituda (a), okres (b) i faza oscylacji(Z) dwa ciała oscylujące
Fale mechaniczne
W falach nazywane są zaburzeniami okresowymi, które rozchodzą się w przestrzeni w czasie. Fale dzielą się na podłużne i poprzeczne.
Fale sprężyste w powietrzu wywołujące wrażenia słuchowe u ludzi nazywane są falami dźwiękowymi lub po prostu dźwiękiem. Zakres częstotliwości dźwięku wynosi od 20 Hz do 20 kHz. Fale o częstotliwości mniejszej niż 20 Hz nazywane są infradźwiękami, a fale o częstotliwości większej niż 20 kHz nazywane są ultradźwiękami. Obecność jakiegoś elastycznego ośrodka do przenoszenia dźwięku jest obowiązkowa.
Głośność dźwięku zależy od natężenia fali dźwiękowej, czyli energii przenoszonej przez falę w jednostce czasu.
Ciśnienie akustyczne zależy od amplitudy wahań ciśnienia fali dźwiękowej.
Wysokość dźwięku (tonu) zależy od częstotliwości wibracji. Zakres niskiego głosu męskiego (basu) wynosi około 80 do 400 Hz. Zakres wysokiego głosu żeńskiego (sopran) wynosi od 250 do 1050 Hz.
Dźwięk powstaje w wyniku drgań mechanicznych ośrodków i ciał sprężystych, których częstotliwości mieszczą się w zakresie od 20 Hz do 20 kHz i które są słyszalne dla ludzkiego ucha.
Odpowiednio te wibracje mechaniczne o wskazanych częstotliwościach nazywane są dźwiękiem i akustyką. Niesłyszalne drgania mechaniczne o częstotliwościach poniżej zakresu dźwięku nazywane są infradźwiękami, a częstotliwości powyżej zakresu dźwięku nazywane są ultradźwiękowymi.
Jeśli pod dzwonkiem pompy powietrznej umieścimy sondę, na przykład dzwonek elektryczny, wówczas w miarę wypompowywania powietrza dźwięk będzie coraz słabszy, aż w końcu całkowicie ustanie. Przenoszenie wibracji z korpusu sondującego następuje poprzez powietrze. Zauważmy, że podczas swoich oscylacji korpus sondujący naprzemiennie ściska powietrze przylegające do powierzchni ciała i odwrotnie, wytwarza w tej warstwie próżnię. Zatem propagacja dźwięku w powietrzu rozpoczyna się od wahań gęstości powietrza na powierzchni ciała wibrującego.
Ton muzyczny. Głośność i wysokość
Dźwięk, który słyszymy, gdy jego źródło wykonuje drgania harmoniczne, nazywany jest tonem muzycznym lub w skrócie tonem.
W każdym tonie muzycznym możemy rozróżnić dwie cechy: głośność i wysokość.
Najprostsze obserwacje przekonują nas, że tony o dowolnej wysokości zależą od amplitudy drgań. Dźwięk kamertonu stopniowo cichnie po uderzeniu w niego. Dzieje się to wraz z tłumieniem drgań, tj. wraz ze spadkiem ich amplitudy. Mocniejsze uderzenie kamertonu, tj. Nadając wibracjom większą amplitudę, usłyszymy głośniejszy dźwięk niż przy słabym uderzeniu. To samo można zaobserwować w przypadku struny i w ogóle przy każdym źródle dźwięku.
Jeśli weźmiemy kilka kamertonów o różnych rozmiarach, nie będzie trudno ułożyć je ze słuchu w kolejności rosnącej wysokości. W ten sposób zostaną ułożone wielkościowo: największy kamerton daje najniższy dźwięk, najmniejszy daje najwyższy dźwięk. Zatem wysokość tonu zależy od częstotliwości wibracji. Im wyższa częstotliwość, a co za tym idzie, im krótszy okres oscylacji, tym wyższy dźwięk słyszymy.
Rezonans akustyczny
Zjawiska rezonansowe można zaobserwować w drganiach mechanicznych o dowolnej częstotliwości, a w szczególności w drganiach dźwiękowych.
Połóżmy obok siebie dwa identyczne kamertony, otworami pudełek, na których są one zamontowane, skierowanymi do siebie. Pudełka są potrzebne, bo wzmacniają dźwięk kamertonów. Dzieje się tak na skutek rezonansu pomiędzy kamertonem a kolumnami powietrza zamkniętymi w pudełku; stąd skrzynki nazywane są rezonatorami lub skrzynkami rezonansowymi.
Uderzmy w jeden z kamertonów, a następnie stłumimy go palcami. Usłyszymy jak brzmi drugi kamerton.
Weźmy dwa różne kamertony, tj. z różnymi wysokościami i powtórz doświadczenie. Teraz każdy z kamertonów nie będzie już reagował na dźwięk innego kamertonu.
Wyjaśnienie tego wyniku nie jest trudne. Wibracje jednego kamertonu działają poprzez powietrze z pewną siłą na drugi kamerton, powodując jego wymuszone wibracje. Ponieważ kamerton 1 wykonuje drgania harmoniczne, siła działająca na kamerton 2 będzie zmieniać się zgodnie z prawem oscylacji harmonicznych wraz z częstotliwością kamertonu 1. Jeżeli częstotliwość siły jest inna, wówczas wymuszone oscylacje będą tak słabe że ich nie usłyszymy.
Hałasy
Dźwięk muzyczny (nuta) słyszymy, gdy wibracje mają charakter okresowy. Na przykład ten rodzaj dźwięku wytwarzany jest przez strunę fortepianu. Jeśli naciśniesz kilka klawiszy jednocześnie, tj. zabrzmi kilka nut, wówczas wrażenie muzycznego dźwięku pozostanie, ale różnica między nutami spółgłoskowymi (przyjemnymi dla ucha) i dysonansowymi (nieprzyjemnymi) będzie wyraźnie widoczna. Okazuje się, że nuty, których okresy są w stosunku małych liczb, są zgodne. Na przykład współbrzmienie uzyskuje się przy stosunku okresu 2:3 (kwinta), 3:4 (kwanty), 4:5 (tercja wielka) itd. Jeśli okresy są powiązane dużymi liczbami, na przykład 19:23, wówczas efektem jest dysonans - dźwięk muzyczny, ale nieprzyjemny. Jeszcze dalej odejdziemy od okresowości oscylacji, jeśli uderzymy w wiele klawiszy jednocześnie. Dźwięk będzie już przypominał szum.
Hałas charakteryzuje się silną nieokresowością kształtu oscylacji: albo jest to oscylacja długa, ale o bardzo złożonym kształcie (syczenie, skrzypienie), albo emisja indywidualna (kliknięcia, uderzenia). Z tego punktu widzenia do hałasów należy zaliczyć także dźwięki wyrażane za pomocą spółgłosek (syczenie, wargi itp.).
We wszystkich przypadkach drgania akustyczne składają się z ogromnej liczby drgań harmonicznych o różnych częstotliwościach.
Zatem widmo drgań harmonicznych składa się z jednej częstotliwości. W przypadku oscylacji okresowych widmo składa się z zestawu częstotliwości - głównej i jej wielokrotności. W spółgłoskach spółgłoskowych mamy widmo składające się z kilku takich zestawów częstotliwości, z których główne są powiązane małymi liczbami całkowitymi. W konsonansach dysonansowych częstotliwości podstawowe nie są już w tak prostych relacjach. Im więcej różnych częstotliwości znajduje się w widmie, tym bliżej jesteśmy hałasu. Typowe dźwięki mają widma zawierające niezwykle wiele częstotliwości.
W technologii i otaczającym nas świecie często mamy do czynienia okresowy(Lub prawie okresowe) procesy powtarzające się w regularnych odstępach czasu. Takie procesy nazywane są oscylacyjny.
Oscylacje są jednym z najczęstszych procesów w przyrodzie i technologii. Skrzydła owadów i ptaków w locie, wieżowce i przewody wysokiego napięcia pod wpływem wiatru, wahadło zegara nakręcanego i samochód na sprężynach podczas jazdy, poziom rzeki w ciągu roku i temperatura ciało ludzkie w czasie choroby, dźwięk to wahania gęstości i ciśnienia powietrza, fale radiowe - okresowe zmiany natężenia pól elektrycznych i magnetycznych, światło widzialne to także wibracje elektromagnetyczne, tylko o nieco innych długościach fal i częstotliwościach, trzęsienia ziemi to wibracje gleby, puls to okresowe skurcze mięśnia sercowego człowieka itp.
Oscylacje mogą być mechaniczne, elektromagnetyczne, chemiczne, termodynamiczne i różne inne. Mimo takiej różnorodności, wszystkie łączy wiele wspólnego.
Zjawiska oscylacyjne o różnej naturze fizycznej podlegają ogólnym prawom. Na przykład oscylacje prądu w obwodzie elektrycznym i oscylacje wahadła matematycznego można opisać tymi samymi równaniami. Wspólność wzorców oscylacyjnych pozwala nam rozpatrywać procesy oscylacyjne o różnym charakterze z jednego punktu widzenia. Jest to oznaka ruchu oscylacyjnego okresowość.
Wibracje mechaniczne –Tenruchy, które powtarzają się dokładnie lub w przybliżeniu w regularnych odstępach czasu.
Przykładami prostych układów oscylacyjnych są obciążenie na sprężynie (wahadło sprężynowe) lub kulka na sznurku (wahadło matematyczne).
Podczas drgań mechanicznych energie kinetyczna i potencjalna zmieniają się okresowo.
Na maksymalne odchylenie ciało z położenia równowagi, jego prędkość, a co za tym idzie energia kinetyczna spada do zera. W tej pozycji energia potencjalna ciało oscylujące osiąga wartość maksymalną. W przypadku obciążenia sprężyny energia potencjalna jest energią odkształcenia sprężystego sprężyny. W przypadku wahadła matematycznego jest to energia w polu grawitacyjnym Ziemi.
Kiedy ciało w swoim ruchu przechodzi pozycja równowagi, jego prędkość jest maksymalna. Ciało przekracza położenie równowagi zgodnie z prawem bezwładności. W tej chwili tak maksymalna energia kinetyczna i minimalna energia potencjalna. Wzrost energii kinetycznej następuje w wyniku spadku energii potencjalnej.
Wraz z dalszym ruchem energia potencjalna zaczyna rosnąć z powodu spadku energii kinetycznej itp.
Zatem podczas oscylacji harmonicznych następuje okresowa przemiana energii kinetycznej w energię potencjalną i odwrotnie.
Jeśli w układzie oscylacyjnym nie ma tarcia, wówczas całkowita energia mechaniczna podczas drgań mechanicznych pozostaje niezmieniona.
Do obciążenia sprężynowego:
W położeniu największego odchylenia całkowita energia wahadła jest równa energii potencjalnej odkształconej sprężyny:
Podczas przejścia przez położenie równowagi energia całkowita jest równa energii kinetycznej ładunku:
Dla małych oscylacji wahadła matematycznego:
W położeniu maksymalnego odchylenia całkowita energia wahadła jest równa energii potencjalnej ciała podniesionego na wysokość h:
Przy przejściu przez położenie równowagi energia całkowita jest równa energii kinetycznej ciała:
Tutaj hm– maksymalna wysokość wahadła w polu grawitacyjnym Ziemi, x m i υ M = ω 0 x m– maksymalne wartości odchylenia wahadła od położenia równowagi i jego prędkość.
Drgania harmoniczne i ich charakterystyka. Równanie drgań harmonicznych.
Najprostszy rodzaj procesów oscylacyjnych jest prosty drgania harmoniczne, które opisuje równanie
X = x m cos(ω T + φ 0).
Tutaj X– przemieszczenie ciała z położenia równowagi,
x m– amplituda oscylacji, czyli maksymalne przemieszczenie od położenia równowagi,
ω – częstotliwość cykliczna lub kołowa wahanie,
T- czas.
Charakterystyka ruchu oscylacyjnego.
Przesunięcie x – odchylenie punktu drgającego od jego położenia równowagi. Jednostką miary jest 1 metr.
Amplituda oscylacji A – maksymalne odchylenie punktu drgającego od jego położenia równowagi. Jednostką miary jest 1 metr.
Okres oscylacjiT– nazywa się minimalny przedział czasu, w którym następuje jedno pełne oscylowanie. Jednostką miary jest 1 sekunda.
gdzie t to czas oscylacji, N to liczba oscylacji wykonanych w tym czasie.
Z wykresu oscylacji harmonicznych można określić okres i amplitudę oscylacji:
Częstotliwość oscylacji ν – wielkość fizyczna równa liczbie oscylacji w jednostce czasu.
Częstotliwość jest odwrotnością okresu oscylacji:
Częstotliwość oscylacje ν pokazuje, ile oscylacji występuje w ciągu 1 s. Jednostką częstotliwości jest herc(Hz).
Częstotliwość cykliczna ω– liczba oscylacji w ciągu 2π sekund.
Częstotliwość oscylacji ν jest powiązana z częstotliwość cykliczna ω i okres oscylacji T proporcje:
Faza proces harmoniczny - wielkość pod znakiem sinusa lub cosinusa w równaniu oscylacji harmonicznych φ = ω T+ φ 0 . Na T= 0 φ = φ 0 , zatem φ 0 zwany faza początkowa.
Wykres harmoniczny reprezentuje falę sinusoidalną lub cosinusoidalną.
We wszystkich trzech przypadkach dla krzywych niebieskich φ 0 = 0:
tylko większy amplituda(x" m > x m);
czerwona krzywa różni się od niebieskiej tylko oznaczający okres(T” = T / 2);
czerwona krzywa różni się od niebieskiej tylko oznaczający faza początkowa(zadowolony).
Kiedy ciało drga po linii prostej (oś WÓŁ) wektor prędkości jest zawsze skierowany wzdłuż tej prostej. Szybkość ruchu ciała jest określona przez wyrażenie
W matematyce procedura znajdowania granicy stosunku Δх/Δt przy Δ T→ 0 nazywa się obliczeniem pochodnej funkcji X(T) z czasem T i jest oznaczony jako X"(T).Prędkość jest równa pochodnej funkcji x( T) z czasem T.
O harmonicznej zasadzie ruchu X = x m cos(ω T+ φ 0) obliczenie pochodnej prowadzi do następującego wyniku:
υ X =X"(T)= ω x m grzech (ω T + φ 0)
Przyspieszenie określa się w podobny sposób x ciała podczas drgań harmonicznych. Przyśpieszenie A jest równa pochodnej funkcji υ( T) z czasem T lub druga pochodna funkcji X(T). Obliczenia dają:
i x = υ x "(t) =X""(T)= -ω 2 x m cos(ω T+ φ 0)=-ω 2 X
Znak minus w tym wyrażeniu oznacza przyspieszenie A(T) ma zawsze znak przeciwny do znaku przemieszczenia X(T), a zatem zgodnie z drugim prawem Newtona siła powodująca, że ciało wykonuje drgania harmoniczne, jest zawsze skierowana w stronę położenia równowagi ( X = 0).
Rysunek przedstawia wykresy współrzędnych, prędkości i przyspieszenia ciała wykonującego drgania harmoniczne.
Wykresy współrzędnych x(t), prędkości υ(t) i przyspieszenia a(t) ciała wykonującego drgania harmoniczne.
Wahadło sprężynowe.
Wahadło sprężynowejest obciążeniem o masie m przymocowanym do sprężyny o sztywności k, której drugi koniec jest nieruchomo zamocowany.
Naturalna frekwencjaω 0 swobodne oscylacje obciążenia sprężyny oblicza się ze wzoru:
Okres T drgania harmoniczne obciążenia sprężyny są równe
Oznacza to, że okres drgań wahadła sprężystego zależy od masy ładunku i sztywności sprężyny.
Właściwości fizyczne układu oscylacyjnego określić jedynie częstotliwość drgań własnych ω 0 i okres T . Parametry procesu oscylacji, takie jak amplituda x m i fazę początkową φ 0 wyznacza się na podstawie sposobu, w jaki układ został wyprowadzony ze stanu równowagi w początkowej chwili czasu.
Wahadło matematyczne.
Wahadło matematycznezwane małym ciałem zawieszonym na cienkiej, nierozciągliwej nici, którego masa jest znikoma w porównaniu z masą ciała.
W położeniu równowagi, gdy wahadło wisi pionowo, siła ciężkości równoważy się przez siłę naciągu nici N. Gdy wahadło odchyla się od położenia równowagi o pewien kąt φ, pojawia się składowa styczna siły ciężkości F τ = – mg grzech φ. Znak minus w tym wzorze oznacza, że składowa styczna jest skierowana w kierunku przeciwnym do wychylenia wahadła.
Wahadło matematyczne.φ – odchylenie kątowe wahadła od położenia równowagi,
X= lφ – przemieszczenie wahadła po łuku
Częstotliwość naturalną małych drgań wahadła matematycznego wyraża się wzorem:
Okres drgań wahadła matematycznego:
Oznacza to, że okres drgań wahadła matematycznego zależy od długości nici oraz od przyspieszenia swobodnego opadania obszaru, na którym wahadło jest zamontowane.
Drgania swobodne i wymuszone.
Mogą to być wibracje mechaniczne, podobnie jak procesy oscylacyjne o dowolnym innym charakterze fizycznym bezpłatny I wymuszony.
Wibracje swobodne –Są to drgania powstające w układzie pod wpływem sił wewnętrznych, po wyprowadzeniu układu ze stabilnego położenia równowagi.
Drgania ciężarka na sprężynie lub wahadła są drganiami swobodnymi.
W warunkach rzeczywistych na każdy układ oscylacyjny działają siły tarcia (opór). W tym przypadku część energii mechanicznej zamienia się na energię wewnętrzną ruchu termicznego atomów i cząsteczek, a wibracje stają się zblakły.
Zblakły zwane oscylacjami, których amplituda maleje wraz z upływem czasu.
Aby zapobiec zanikaniu oscylacji, należy zapewnić systemowi dodatkową energię, tj. oddziaływać na układ oscylacyjny siłą okresową (na przykład kołysać huśtawką).
Nazywa się drgania występujące pod wpływem zewnętrznej okresowo zmieniającej się siływymuszony.
Siła zewnętrzna wykonuje pracę dodatnią i zapewnia przepływ energii do układu oscylacyjnego. Nie pozwala na wygaszenie drgań pomimo działania sił tarcia.
Okresowa siła zewnętrzna może zmieniać się w czasie zgodnie z różnymi prawami. Szczególnie interesujący jest przypadek, gdy siła zewnętrzna, zmienna zgodnie z prawem harmonicznym o częstotliwości ω, działa na układ oscylacyjny zdolny do wykonywania własnych oscylacji z określoną częstotliwością ω 0.
Jeżeli drgania swobodne występują z częstotliwością ω 0, która jest określona przez parametry układu, to stałe wymuszone oscylacje zawsze występują przy częstotliwość ω siła zewnętrzna .
Nazywa się zjawisko gwałtownego wzrostu amplitudy oscylacji wymuszonych, gdy częstotliwość drgań własnych pokrywa się z częstotliwością zewnętrznej siły napędowejrezonans.
Zależność od amplitudy x m nazywa się wymuszone oscylacje od częstotliwości ω siły napędowej charakterystyka rezonansowa Lub krzywa rezonansowa.
Krzywe rezonansowe przy różnych poziomach tłumienia:
1 – układ oscylacyjny bez tarcia; przy rezonansie amplituda x m wymuszonych oscylacji rośnie w nieskończoność;
2, 3, 4 – rzeczywiste krzywe rezonansowe dla układów oscylacyjnych o różnym tarciu.
W przypadku braku tarcia amplituda wymuszonych oscylacji podczas rezonansu powinna rosnąć bez ograniczeń. W warunkach rzeczywistych amplitudę drgań wymuszonych w stanie ustalonym określa warunek: praca siły zewnętrznej w okresie oscylacji musi być równa utracie energii mechanicznej w tym samym czasie na skutek tarcia. Im mniejsze tarcie, tym większa amplituda wymuszonych oscylacji podczas rezonansu.
Zjawisko rezonansu może powodować zniszczenie mostów, budynków i innych konstrukcji, jeżeli częstotliwości własne ich drgań pokrywają się z częstotliwością okresowo działającej siły, która powstaje np. na skutek obrotu niewyważonego silnika.
Dźwięk- Są to sprężyste fale podłużne o częstotliwości od 20 Hz do 20 000 Hz, wywołujące u człowieka wrażenia słuchowe.
Źródło dźwięku- różne ciała oscylacyjne, np. mocno naciągnięta struna lub cienka stalowa płytka zaciśnięta z jednej strony.
Jak powstają ruchy oscylacyjne? Wystarczy pociągnąć i puścić strunę instrumentu muzycznego lub stalową płytkę zaciśniętą z jednego końca w imadle, a wydadzą dźwięk. Wibracje sznurka lub metalowej płytki przenoszone są do otaczającego powietrza. Kiedy płyta odchyla się np. w prawo, zagęszcza (ściska) przylegające do niej warstwy powietrza po prawej stronie; w takim przypadku warstwa powietrza przylegająca do płyty po lewej stronie stanie się cieńsza. Kiedy płyta jest odchylona w lewo, kompresuje warstwy powietrza po lewej stronie i rozrzedza warstwy powietrza przylegające do niej po prawej stronie itp. Kompresja i rozrzedzenie warstw powietrza sąsiadujących z płytą zostanie przeniesione na warstwy sąsiednie. Proces ten będzie powtarzany okresowo, stopniowo słabnąc, aż do całkowitego ustania oscylacji.
Zatem drgania sznurka lub płytki wzbudzają drgania w otaczającym powietrzu i rozprzestrzeniając się, docierają do ludzkiego ucha, powodując wibrację jego błony bębenkowej, powodując podrażnienie nerwu słuchowego, co odbieramy jako dźwięk.
Prędkość propagacji fal dźwiękowych różni się w różnych środowiskach. Zależy to od elastyczności ośrodka, w którym się rozmnażają. Dźwięk rozchodzi się najwolniej w gazach. W powietrzu prędkość rozchodzenia się drgań dźwiękowych wynosi średnio 330 m/s, ale może się różnić w zależności od jego wilgotności, ciśnienia i temperatury. Dźwięk nie rozchodzi się w przestrzeni pozbawionej powietrza. Dźwięk rozchodzi się szybciej w cieczach. W ciałach stałych jest jeszcze szybciej. Na przykład w stalowej szynie dźwięk rozchodzi się z prędkością » 5000 m/s.
Na rozpowszechnianie dźwięk w atomach i cząsteczkach wibruje przed siebie kierunek rozchodzenia się fali, czyli dźwięku - fala podłużna.
CHARAKTERYSTYKA DŹWIĘKU
1. Objętość. Głośność zależy od amplitudy drgań fali dźwiękowej. Tom dźwięk jest określony amplituda fale.
Jednostką głośności dźwięku jest 1 Bel (na cześć Alexandra Grahama Bella, wynalazcy telefonu). Głośność dźwięku wynosi 1 B, jeśli jego moc jest 10-krotnością progu słyszalności.
W praktyce głośność mierzy się w decybelach (dB).
1 dB = 0,1B. 10 dB – szept; 20–30 dB – norma hałasu w pomieszczeniach mieszkalnych;
50 dB – rozmowa średniogłośna;
70 dB – hałas maszyny do pisania;
80 dB – hałas pracującego silnika ciężarówki;
120 dB – hałas jadącego ciągnika w odległości 1 m
130 dB – próg bólu.
Dźwięk głośniejszy niż 180 dB może nawet spowodować pęknięcie błony bębenkowej.
2. Skok. Wysokość dźwięk jest określony częstotliwość fale lub częstotliwość wibracji źródła dźwięku.
- bas – 80–350 Hz,
- baryton – 110–149 Hz,
- tenorowy – 130–520 Hz,
- góra – 260–1000 Hz,
- sopran – 260–1050 Hz,
- sopran koloraturowy – do 1400 Hz.
Ucho ludzkie jest w stanie odbierać fale sprężyste o częstotliwości ok od 16 Hz do 20 kHz. Jak słyszymy?
Analizator słuchu człowieka - ucho- składa się z czterech części:
Ucho zewnętrzne
Ucho zewnętrzne obejmuje małżowinę uszną, kanał słuchowy i błonę bębenkową, która pokrywa wewnętrzny koniec kanału słuchowego. Kanał słuchowy ma nieregularnie zakrzywiony kształt. U osoby dorosłej jego długość wynosi około 2,5 cm, a średnica około 8 mm. Powierzchnia kanału słuchowego jest pokryta włoskami i zawiera gruczoły wydzielające woskowinę, niezbędną do utrzymania wilgoci w skórze. Kanał słuchowy zapewnia również stałą temperaturę i wilgotność błony bębenkowej.
Ucho środkowe
Ucho środkowe to wypełniona powietrzem jama znajdująca się za błoną bębenkową. Jama ta łączy się z nosogardłem poprzez trąbkę Eustachiusza – wąski kanał chrzęstny, który zwykle jest zamknięty. Ruchy połykania otwierają trąbkę Eustachiusza, co umożliwia przedostanie się powietrza do jamy i wyrównanie ciśnienia po obu stronach błony bębenkowej, zapewniając optymalną ruchliwość. W jamie ucha środkowego znajdują się trzy miniaturowe kosteczki słuchowe: młoteczek, kowadło i strzemiączek. Jeden koniec młoteczka jest połączony z błoną bębenkową, drugi koniec jest połączony z kowadełkiem, które z kolei jest połączone ze strzemieniem, a strzemię ze ślimakiem ucha wewnętrznego. Błona bębenkowa stale wibruje pod wpływem dźwięków odbieranych przez ucho, a kosteczki słuchowe przekazują jej wibracje do ucha wewnętrznego.
Ucho wewnętrzne
Ucho wewnętrzne składa się z kilku struktur, ale tylko ślimak, którego nazwa wzięła się od jego spiralnego kształtu, jest związany ze słuchem. Ślimak jest podzielony na trzy kanały wypełnione płynami limfatycznymi. Ciecz w środkowym kanale ma inny skład niż ciecz w pozostałych dwóch kanałach. Narząd bezpośrednio odpowiedzialny za słuch (narząd Cortiego) znajduje się w kanale środkowym. Narząd Cortiego zawiera około 30 000 komórek rzęsatych, które wykrywają wibracje płynu w kanale spowodowane ruchem strzemiączka i generują impulsy elektryczne przekazywane wzdłuż nerwu słuchowego do kory słuchowej. Każda komórka słuchowa reaguje na określoną częstotliwość dźwięku, przy czym wysokie częstotliwości są dostrojone do komórek w dolnej części ślimaka, a komórki dostrojone do niskich częstotliwości znajdujących się w górnej części ślimaka. Jeśli z jakiegoś powodu komórki rzęsate obumrą, osoba przestaje odbierać dźwięki o odpowiednich częstotliwościach.
Drogi słuchowe
Drogi słuchowe to zbiór włókien nerwowych, które przewodzą impulsy nerwowe ze ślimaka do ośrodków słuchowych kory mózgowej, powodując wrażenia słuchowe. Ośrodki słuchowe zlokalizowane są w płatach skroniowych mózgu. Czas potrzebny, aby sygnał słuchowy dotarł z ucha zewnętrznego do ośrodków słuchowych w mózgu, wynosi około 10 milisekund.
Percepcja dźwięku
Ucho kolejno przekształca dźwięki w drgania mechaniczne błony bębenkowej i kosteczek słuchowych, następnie w wibracje płynu w ślimaku, a na koniec w impulsy elektryczne, które są przekazywane drogami centralnego układu słuchowego do płatów skroniowych mózgu w celu rozpoznawanie i przetwarzanie.
Mózg i węzły pośrednie dróg słuchowych wydobywają nie tylko informacje o wysokości i głośności dźwięku, ale także inne cechy dźwięku, na przykład odstęp czasu między momentami, w których prawe i lewe ucho odbiera dźwięk - na tym opiera się zdolność człowieka do określenia kierunku, z którego dochodzi dźwięk. W tym przypadku mózg ocenia informacje otrzymane z każdego ucha oddzielnie i łączy wszystkie otrzymane informacje w jedno wrażenie.
Nasz mózg przechowuje „wzorce” otaczających nas dźwięków – znajome głosy, muzykę, niebezpieczne dźwięki itp. Pomaga to mózgowi przetwarzając informacje o dźwięku, szybko odróżniać znane dźwięki od nieznanych. Wraz z ubytkiem słuchu mózg zaczyna otrzymywać zniekształcone informacje (dźwięki stają się cichsze), co prowadzi do błędów w interpretacji dźwięków. Z drugiej strony problemom mózgu wynikającym ze starzenia się, urazom głowy czy chorobom i schorzeniom neurologicznym mogą towarzyszyć objawy podobne do utraty słuchu, takie jak brak uwagi, wycofanie się z otoczenia i niewłaściwe reakcje. Aby prawidłowo słyszeć i rozumieć dźwięki, konieczna jest skoordynowana praca analizatora słuchowego i mózgu. Zatem bez przesady możemy powiedzieć, że człowiek słyszy nie uszami, ale mózgiem!
Zwierzęta postrzegają fale o innych częstotliwościach jako dźwięk.
Ultradźwięk - fale podłużne o częstotliwości przekraczającej 20 000 Hz.
Zastosowanie ultradźwięków.
Za pomocą sonarów zainstalowanych na statkach mierzą głębokość morza, wykrywają ławice ryb, zbliżającą się górę lodową czy łódź podwodną.
Ultradźwięki są wykorzystywane w przemyśle do wykrywania wad produktów.
W medycynie ultradźwięki wykorzystuje się do zgrzewania kości, wykrywania nowotworów i diagnozowania chorób.
Biologiczne działanie ultradźwięków pozwala na wykorzystanie ich do sterylizacji mleka, substancji leczniczych i instrumentów medycznych.
Nietoperze i delfiny mają doskonałe lokalizatory ultradźwiękowe.
Przejdźmy do rozważań nad zjawiskami dźwiękowymi.
Świat dźwięków wokół nas jest różnorodny - głosy ludzi i muzyka, śpiew ptaków i brzęczenie pszczół, grzmoty podczas burzy i szum lasu na wietrze, dźwięk przejeżdżających samochodów, samolotów i innych obiektów .
Zwróć uwagę!
Źródłem dźwięku są ciała wibrujące.
Przykład:
Zamocujmy elastyczną metalową linijkę w imadle. Jeśli jego wolna część, której długość została wybrana w określony sposób, zostanie wprawiona w ruch oscylacyjny, wówczas linijka wyda dźwięk (ryc. 1).
Zatem oscylująca linijka jest źródłem dźwięku.
Rozważmy obraz brzmiącej struny, której końce są nieruchome (ryc. 2). Rozmyty zarys tej struny i widoczne zgrubienie w środku wskazują, że struna wibruje.
Jeśli przybliżysz koniec paska papieru do brzmiącej struny, pasek odbije się od wstrząsów struny. Podczas gdy struna wibruje, słychać dźwięk; zatrzymaj strunę, a dźwięk ucichnie.
Rysunek 3 pokazuje kamerton - zakrzywiony metalowy pręt na nodze, który jest zamontowany na skrzynce rezonatora.
Jeśli uderzysz kamerton miękkim młotkiem (lub przytrzymasz go za pomocą łuku), kamerton zabrzmi (ryc. 4).
Do sondującego kamertonu przyłóżmy lekką kulkę (szklany koralik) zawieszoną na nitce – kulka odbije się od kamertonu, sygnalizując drgania jej gałązek (ryc. 5).
Aby „zarejestrować” drgania kamertonu o niskiej (około \(16\) Hz) częstotliwości własnej i dużej amplitudzie oscylacji, można przykręcić cienki i wąski metalowy pasek z końcówką na końcu do końca jeden z jego oddziałów. Końcówkę należy pochylić i delikatnie dotknąć przydymionej szklanej płyty leżącej na stole. Gdy płytka szybko przemieszcza się pod drgającymi gałęziami kamertonu, końcówka pozostawia na płycie ślad w postaci falistej linii (ryc. 6).
Falista linia narysowana na płytce z punktem jest bardzo zbliżona do sinusoidy. Możemy zatem założyć, że każda gałąź brzmiącego kamertonu wykonuje oscylacje harmoniczne.
Różne eksperymenty wskazują, że każde źródło dźwięku koniecznie wibruje, nawet jeśli wibracje te są niewidoczne dla oka. Na przykład dźwięki głosów ludzi i wielu zwierząt powstają w wyniku wibracji ich strun głosowych, dźwięku dętych instrumentów muzycznych, dźwięku syreny, świstu wiatru, szelestu liści i odgłosy grzmotów powstają na skutek drgań mas powietrza.
Zwróć uwagę!
Nie każde ciało oscylacyjne jest źródłem dźwięku.
Na przykład oscylujący ciężarek zawieszony na nitce lub sprężynie nie wydaje dźwięku. Metalowa linijka również przestanie wydawać dźwięk, jeśli jej wolny koniec zostanie wydłużony tak bardzo, że częstotliwość drgań spadnie poniżej \(16\) Hz.
Ucho ludzkie jest w stanie odbierać jako dźwięk drgania mechaniczne o częstotliwości od \(16\) do \(20000\) Hz (zwykle przenoszone przez powietrze).
Drgania mechaniczne, których częstotliwość mieści się w przedziale od \(16\) do \(20000\) Hz, nazywane są dźwiękiem.
Wskazane granice zakresu dźwięku są arbitralne, gdyż zależą od wieku człowieka i indywidualnych cech jego aparatu słuchowego. Zazwyczaj wraz z wiekiem górna granica częstotliwości odbieranych dźwięków znacznie się zmniejsza – niektóre starsze osoby słyszą dźwięki o częstotliwościach nieprzekraczających \(6000\) Hz. Natomiast dzieci potrafią odbierać dźwięki, których częstotliwość jest nieco wyższa niż \(20 000\) Hz.
Drgania mechaniczne, których częstotliwość przekracza \(20 000\) Hz, nazywane są ultradźwiękowymi, a wibracje o częstotliwościach mniejszych niż \(16\) Hz nazywane są infradźwiękami.
Ultradźwięki i infradźwięki są w przyrodzie tak samo powszechne jak fale dźwiękowe. Są emitowane i wykorzystywane do „negocjacji” przez delfiny, nietoperze i niektóre inne żywe stworzenia.
