Звукові хвилі. Діапазони слухових частот

Урок 97. Звукові хвилі. Діапазони слухових частот

---

Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про звук як механічну хвилю, його частотні діапазони та умови поширення в різних середовищах. Пояснити фізичні основи відбиття звуку та показати застосування звукових хвиль у природі, техніці й медицині. Розвивати вміння застосовувати теоретичні знання для пояснення реальних явищ і розв’язування практичних задач.

Очікувані результати для вчителя:

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова:

• звук
• звукові хвилі
• механічні хвилі
• повздовжні хвилі
• інфразвук
• ультразвук
• частота
• довжина хвилі
• швидкість звуку
• відбиття звуку
• відлуння
• сонар
• ехолот
• ультразвукова діагностика (УЗД)
• дефектоскопія
• камертони
• висота звуку
• тембр звуку
• тон
• обертони
• шум
• білий шум
• акустичний спектр
• акустика приміщень

План уроку:

1. Мотивація
2. Теоретичний блок
3. Практичний блок 
4. Попрактикуймо самостійно
5. Рефлексія

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

• https://rarehistoricalphotos.com/aircraft-detection-radar-1917-1940/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Mirror

Проблемне питання

Що ти бачиш на фото (рис.1)? У які роки було зроблене фото? Яка дія відбувається на фото?

Джерело: https://rarehistoricalphotos.com

Що ти бачиш на фото (рис.2)? Для чого ця споруда могла використовуватися?

Джерело: https://en.wikipedia.org

Посилання на відео джерела:

• https://www.youtube.com/watch?v=ur2pgwuIbfs

• https://www.youtube.com/watch?v=TokaLowSvLA

• https://www.youtube.com/watch?v=ZV_Ce85KDRE

• https://www.youtube.com/watch?v=24yESm63tSY&t=168s

• https://www.youtube.com/watch?v=5WKU7gG_ApU

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 17 хв.

 Інфра- та ультразвук

1. Не «ми не чуємо, але вони існують», а:

• інфразвук → великі довжини хвиль → слабке затухання → далека дія
• ультразвук → малі довжини хвиль → висока роздільна здатність → діагностика

Це одразу пояснює:

• чому кити «спілкуються на сотні км»;
• чому УЗД бачить дрібні структури.

2. Таблицю швидкостей використовуйте для формування причинно-наслідкового мислення

• Чому в твердих тілах звук поширюється швидше, ніж у газах?
• Чому густіша вода ≠ повільніший звук?
• Чому в гелії звук поширюється швидше, ніж у повітрі?

Підведіть до ідеї: швидкість визначається не густиною, а пружністю + інерцією частинок.

3. Музика — ідеальний місток між фізикою та життям

Коли говорите про тон, обертони і тембр, не починайте з визначень. Запропонуйте учням уявити звук як “почерк” джерела.

Тон — це основа, «настрій» звуку: що вищий — то тонший і різкіший він здається.

Обертони — це деталі, які роблять звук впізнаваним.

Тембр — це загальний образ, за яким ми відразу впізнаємо інструмент або голос.

Корисна аналогія для учнів:

• Дві людини можуть вимовити одне й те саме слово на тій самій ноті, але ми безпомилково впізнаємо, хто говорить.
• Фізичний сенс тут простий: звук майже ніколи не складається з «однієї хвилі» — це поєднання кількох коливань, і саме їхній «набір» створює характер звучання.

4. Завжди проговорюйте межі застосування знань

Наприкінці теорії корисно сказати вголос:

• звук не поширюється у вакуумі;
• слух людини — обмежений і індивідуальний;
• інтенсивний ультразвук — не безпечний.

Можливі досліди:

1. Камертон + вода
   • Обладнання: камертон, склянка з водою
   • Вдарити камертон і торкнутися води → видно бризки.
   • Дослід показує, що звук — це механічні коливання
2. Резонанс голосу (пробірки)
   • Обладнання: скляні пробірки з різним рівнем води
   • Учень дмухає або говорить → змінюється висота звуку
3. Відлуння в класі
   • Хлопніть у долоні в коридорі / класі
4. Лінійка на парті — звук і частота
   • Обладнання: звичайна лінійка
   • Частину лінійки звісьте з парти й відпустіть.
   • Змінюйте довжину вільної частини.
   • Що бачать учні: коротша частина → вищий звук; довша → нижчий
5. Голос + руки = тембр
   • Учень говорить звук «а»: з відкритим ротом, прикриваючи рот долонями, повернувшись до стіни.
   • Повітряна кулька як «детектор звуку»
   • Піднести кульку до джерела гучного звуку 
   • Кулька починає рухатися (звук = коливання середовища).

Симуляції:

• https://phet.colorado.edu/sims/html/sound-waves/latest/sound-waves_all.html

Одним з найважливіших різновидів механічних хвиль для людини є звук. Саме він лежить в основі мовлення, музики, різних сигналів, а також сучасних біомедичних технологій. Звук — це повздовжні механічні хвилі, частота яких лежить у діапазоні 20Гц-20кГц.

Коли частота коливань у хвилі менша за 20Гц, такі хвилі називають інфразвуковими, або просто інфразвуком.

Природні джерела інфразвуку реєструють під час:

1. Коливань земної кори (землетрусів).
2. Виверження вулканів
3. Виникнення цунамі

Інфразвук у тваринному світі:

1. Слони спілкуються завдяки інфразвуку, при цьому поданий сигнал може розповсюджуватися на десятки кілометрів (це дозволяє координувати стадо).
2. Кити також використовують інфразвук для спілкування та можуть сприймати його за сотні кілометрів від джерела виникнення.
3. Рик тигрів та левів також має інфразвукову складову, що може впливати на нервову систему жертви, викликаючи страх та дезорієнтацію.
4. Голуби та інші птахи можуть використовувати інфразвук для орієнтації під час польотів.

Інфразвук в техніці та промисловості:

1. Реактивні двигуни та ракети під час своєї роботи створюють потужні інфразвукові хвилі.
2. У турбінах, компресорах, двигунах виникнення інфразвуку є побічним ефектом вібрації.
3. Під час входу поїзда з тунелю виникають інфразвукові хвилі. Це враховується під час будівництва тунелів та проектування форми носу потяга.
4. Інфразвук використовується для виявлення вибухів та застосовується в системах моніторингу.

Вухо людини безпосередньо не відчуває інфразвукові хвилі, але вони можуть викликати тривогу, тиск у грудях, відчуття ‘‘чиєїсь присутності’’ (саме виникнення інфразвуку часто пояснює це ‘‘містичне’’ відчуття). Інфразвук збуджує вестибулярний апарат, тому реакція організму може бути схожою на морську хворобу.

Якщо частота хвиль перевищує 20 кГц, це ультразвук, точніше ультразвукові хвилі.

Природні джерела ультраразвуку реєструють під час:

1. Виникнення блискавки.
2. Рух води у водоспадах та бурхливих потоках.

Ультразвук у тваринному світі:

1. Кажани та дельфіни використовують ультразвук для орієнтації в просторі та полювання.
2. Метелики відчувають ультразвукові хвилі створені кажаном та реагують на них різкими маневрами та падінням униз. Це є прикладам еволюційної “гонки озброєнь”.
3. Коти й собаки сприймають ультразвук. Цим користуються дресирувальники: у них є спеціальні ультразвукові свистки, якими вони подають нечутні людям сигнали, а собаки на них реагують та виконують певні команди.

Ультразвук у техніці, промисловості та медицині:

1. Ультразвукове зварювання пластмаси та тонких металів без нагріву. В медицині можуть використовуватися для зварювання полімерних трубок та різних типів катетерів і не тільки.
2. Ультразвукове очищення ювелірних виробів та медичних інструментів.
3. Неруйнівний контроль, а саме виявлення тріщин та дефектів.
4. Ультразвукова діагностика
5. Лікування ультразвуком: фізіотерапія, прискорення загоєння тканин, руйнування каменів у нирках

При надмірній інтенсивності ультразвукових хвиль може відбуватися: нагрів тканин, кавітація рідини в організмі людини, головна біль, втома, нудота.

Межі 20 Гц – 20 кГц досить розпливчасті. Дехто може чути звуки частотою 16 Гц. Молодь може чути звуки із частотою 21 кГц, а немовлята 22-23 кГц.

Частотам звукового діапазону відповідає певний діапазон довжин хвиль. Він залежить від швидкості звуку, тому в різних середовищах він різний (табл.1).

Табл.1

Тверде тіло	v, м/с	Рідина	v, м/с (20 °C)	Газ	v, м/с (0 °C)
Алюміній	6260	Ацетон	1192	Азот	334
Залізо	5850	Бензин	1170	Водень	1284
Лід	3980	Вода	1460	Повітря	331
Гума	1040	Вода морська	1451	Гелій	955
Скло	5990	Гліцерин	1923	Кисень	316
Порцеляна	5340	Ртуть	1451	Метан	429
Ебоніт	2405	Спирт	1180	Вуглекислий газ	259

На швидкість розповсюдження звуку впливає низка факторів: пружність та густина середовища, агрегатний стан та температура.

Швидкість звуку в повітрі прямопропорційна до температури (ця формула працює лише для повітря).

v≈331+0,6t

v-швидкість звуку при певній температурі (м/с)

t – температура повітря при певній температурі (℃)

331 – швидкість звуку в м/с при температуру 0℃.

На швидкість звуку також може впливати рух середовища, в якому він розповсюджується. Наприклад, вітер може переносити звукові хвилі далі за той же час (тобто швидше), якщо звук рухається в тому ж напрямку, або він може уповільнити звук, якщо звук рухається в напрямку, протилежному напрямку вітру.

У природі багато явищ пов’язані з тим, що хвилі можуть не лише поширюватися, а й відбиватися від перешкод. Завдяки цьому ми здатні не просто чути звук, а й отримувати інформацію про об’єкти, яких не бачимо безпосередньо. 

Відлуння (ехо) — це звук, який повертається до джерела або слухача після відбиття від перешкоди. Воно виникає тоді, коли звукова хвиля доходить до твердої поверхні (стіна, скеля, будівля, дно океану), відбивається від неї та повертається з помітною затримкою.

Використання відлуння:

1. Сонар (підводний)

Сонар випромінює звуковий імпульс у воді та реєструє відлуння, відбите від об’єктів або дна. За часом повернення відлуння визначають відстань і розташування перешкод.

(1)  

2. Ехолот

Ехолот використовує відлуння звуку від дна водойми для вимірювання глибини. Широко застосовується в судноплавстві, рибальстві та гідрографії.

3. Парктроніки в автомобілях

Ультразвукові датчики надсилають сигнал і приймають відлуння від перешкод. Система визначає відстань до об’єкта та попереджає водія.

4. Ультразвукова дефектоскопія

Ультразвук відбивається від внутрішніх тріщин і неоднорідностей матеріалу, утворюючи відлуння. За цим відлунням виявляють приховані дефекти без руйнування конструкції.

5. Ультразвукова діагностика (УЗД)

УЗД базується на реєстрації відлуння ультразвуку від меж між різними тканинами організму. За інтенсивністю відлуння формується зображення внутрішніх органів.

6. Ехокардіографія (ЕхоКГ)

Це УЗД серця, яке аналізує відлуння від стінок і клапанів. Метод дозволяє оцінити роботу серця та виявити патології.

7. Отоакустична емісія (відлуння у вусі)

Внутрішнє вухо створює слабке відлуння у відповідь на звукове подразнення. Це явище використовують для перевірки слуху, зокрема у новонароджених.

8. Акустика концертних залів

Кероване відлуння впливає на чіткість мови та якість музики. Його регулюють формою залу й звукопоглинальними матеріалами.

Звук як суб’єктивне відчуття має три основні характеристики: висоту, тембр та гучність.

1) Висота звуку

Класичний пристрій для отримання звуку певної висоти, яким досі користуються для налаштування музичних інструментів – камертон. На камертоні неодмінно написано або ноту, на яку його налаштовано, або частоту його коливань. Наприклад, якщо взяти камертон, налаштований на частоти 256 Гц і 440 Гц, та змусити їх звучати, ударивши по них гумовим молоточком, почуємо, що звук другого камертона вищий. Тобто, висота звуку як суб’єктивного відчуття визначається такою об’єктивною характеристикою звукової хвилі, як частота. Що більша частота, то вище чуємо звук (рис. 3)

Різниця частот звукових хвиль дозволяє виділити голоса різних співаків: бас, баритон, тенор

Виявляються, не всі звуки мають висоту. Адже коливання джерела звукових хвиль необов’язково повинні мати певну частоту, тобто бути періодичними. Звуки, що мають певну частоту, називають музичними звуками. Музичні звуки мають висоту, яку музиканти описують різними нотами, а фізики різними частотами.

Звук з певною частотою називають тоном. Розрізняють простий та складний тон.

Простий тон – звук, створений гармонічними коливаннями однією конкретною частотою. Його джерелом може бути камертон.

Складний тон – звук, створений періодичними, но не гармонічними коливаннями. Він представляє собою результат накладання один на одного декількох простих тонів. Один з них, має найнижчу частоту і називається основним тоном. Тони більш високої частоти, кратний частоті основного тона, називається обертонами. Складними тонами є звуки музикальних інструментів, звуки мови.

Проте є звуки, що не мають висоти і відповідно тону. Їх називають шумами. Шум не можна описати певною частотою. Коливання у звуковій хвилі, що виникають від джерела шуму, не є періодичними. Акустичний спектр шума – суцільний. Якщо у шумі рівномірно розподілені всі частоти звукових коливань, то він називається “білим шумом”.

2) Тембр звуку

Це, мабуть, характеристика звуку, яку найскладніше вловити. Тембр представляє специфічну окраску звука. Людина відрізняє звуки різних музичних інструментів і голоса різних співаків (навіть якщо вони беруть різну ноту) завдяки характерному для них тону. Ця характеристика залежить , в основному, від його акустичного спектра, від кількості обертонів і рівня їх інтенсивності. Незважаючи на різні інструменти, що видають ноту тої самої висоти, форма хвилі буде іншою (рис. 4)

Ще існує одна характеристика звуку – гучність. Але з нею познайомимося на наступному уроці.

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 15 хв.

Завдання №1

Чому електрична гітара, на відміну від акустичної, може мати будь-яку, навіть дуже химерну форму корпусу (рис. 5)?

Джерело: https://chatgpt.com/

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Відповідь:

В акустичній гітарі корпус є резонатором: він підсилює коливання струн, формує гучність і тембр. Тому форма, об’єм і отвір корпусу фізично необхідні. В електричній гітарі коливання струн знімаються електромагнітними звукознімачами й перетворюються на електричний сигнал, який далі підсилюється електронікою та колонками.

Завдання №2

Якщо спостерігати з Землі політ швидкісного літака, то створюється враження, що шум мотора виходить не від літака, а з точок, що знаходяться на значній відстані позаду літака. Поясни дану ситуацію. (рис.6).

Джерело: https://chatgpt.com/

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Відповідь:

Звук від двигуна поширюється в повітрі зі швидкістю приблизно 340 м/с. Поки звукова хвиля доходить до спостерігача, літак уже встигає значно переміститися вперед.

Завдання №3

Чому на відкритому повітрі музика, спів, мова оратора звучать менш голосно, ніж у закритому приміщенні? Чому оратори, виступаючи на міській площі, кажуть повільно, відокремлюючи слово від слова тривалою паузою (рис. 7)?

Джерело: https://chatgpt.com/

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Відповідь:

На відкритому повітрі звук швидко розсіюється в просторі й майже не відбивається від перешкод, тому до слухача доходить значно менша частина звукової енергії. У закритому приміщенні звукові хвилі багаторазово відбиваються від стін, стелі та підлоги, частково підсилюючи одна одну, через що мова й музика звучать гучніше й виразніше.

Оратори на міських площах говорять повільно з паузами, тому що звук поширюється з обмеженою швидкістю і доходить до віддалених слухачів із помітним запізненням. Паузи дають змогу попереднім словам «долунати» до всіх слухачів і не накладатися з наступними, що покращує розбірливість мови навіть без сильного підсилення.

Завдання №4

Чому пренатальна візуалізація плода проводиться за допомогою ультразвуку, а не рентгену (рис.8)? 

Джерело: https://chatgpt.com/

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Відповідь:

Пренатальну візуалізацію проводять ультразвуком, бо він безпечний для плода: це неіонізуючі механічні хвилі, які не пошкоджують клітини. Рентгенівське випромінювання є іонізуючим і може зашкодити організму, що розвивається, тому його не застосовують під час вагітності. Ультразвук добре відбивається від меж між м’якими тканинами, що дає змогу отримувати детальне зображення внутрішніх органів плода в реальному часі. Рентген краще «бачить» щільні структури (кістки), але погано підходить для візуалізації м’яких тканин і не дає інформації про рух, серцебиття чи кровообіг.

Завдання №5

Чому студії звукозапису мають чудернацький вигляд (рис.9)?

Джерело: https://svantek.com/academy/sound-wave/?utm

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Відповідь:

Студії звукозапису мають чудернацьку форму стін і стелі, щоб керувати відбиттям звуку. Нерівні поверхні, панелі й поглиначі зменшують небажане відлуння, стоячі хвилі та резонанси, не даючи звуку багаторазово відбиватися між паралельними стінами. Завдяки цьому звук стає чистим, рівномірним і без спотворень, що необхідно для якісного запису.

Завдання №6

Яка швидкість звуку в середовищі, якщо хвиля з частотою 98 кГц має довжину хвилі 5,96 см? Що це може бути за речовина?

Відповідь:

v=νλ=5850 м/с, залізо

Завдання №7

Зубці вібруючого камертона створюють звук, який поширюється через довгу трубку. Діаграма нижче (рис.10) зображує положення молекул повітря в трубці в певний момент часу. Відстань від точки C до точки G становить 125 см. 

1. Визнач довжину хвилі звукових хвиль.
2. Визнач частоту звукових хвиль. Вважайте швидкість звуку становить 343 м/с.

Відповідь:

1. λ=62,5 см=0,625м

Завдання №8

Було проведено діагностичне ультразвукове дослідження при частоті 5 МГц, яке використовувалося для дослідження м’язових тканин людини.

1. Яка довжина цієї хвилі в повітрі, якщо швидкість звуку в повітрі становить 343 м/с?
2. Якщо швидкість розповсюдження цієї хвилі в м’язовій тканині становить 1800 м/с, якою буде довжина цієї хвилі?

Відповідь:

Завдання №9

Ультразвуковий дефектоскоп випромінює імпульс у сталеву деталь (рис.11).
На екрані приладу зафіксовано два відбиті сигнали:

• перший сигнал повернувся через 8 мкс — це відбиття від передньої межі дефекту (початку тріщини);
• другий сигнал повернувся через 17,6 мкс — це відбиття від задньої межі дефекту (кінця тріщини).

Швидкість поширення ультразвуку в сталі дорівнює 5850 м/с.

Визнач:

1. Глибину залягання початку дефекту від передньої поверхні деталі;
2. Розмір (товщину) тріщини.

Джерело: https://chatgpt.com/

Відповідь:

Завдання №10

Кажан, що рухався зі швидкістю 20 м/с в напрямку перепони, випустив ультразвуковий сигнал на відстані 170 м від неї. Уважайте, що швидкість поширення звуку в повітрі дорівнює 340 м/с

1. За який час сигнал кажана досягне перепони?
2. На якій відстані від цієї перепони опиниться кажан у той момент, як отримає зворотній сигнал?

Відповідь:

2. 151 м

• https://www.youtube.com/watch?v=dEokD72mPGc

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 7 хв.

• Рівень А: 1
• Рівень В: 2
• Рівень С: 3

1. Обчисліть довжини хвиль звуків на крайніх межах діапазону, 20 та 20000 Гц, при температурі повітря 40 °C
2. Визначте швидкість звуку в повітрі:

a) у холодний ранок, коли температура повітря становить 5 °C;
б) у спекотний літній день, коли температура повітря становить 45 °C.

Уяви, що один і той самий звук  має частоту 500 Гц. Визнач довжину звукової хвилі, що відповідає кожному з температурних режимів.

Цей звук лунає на відстані 680 м від спостерігача. Обчисліть час запізнення звуку для кожного зі значень температури.3. Під час святкування феєрверк вибухає на землі, спричиняючи яскравий спалах та гучний вибух. Температура повітря вночі становить 25 °C. Двоє спостерігачів бачать спалах і чують вибух. Перший спостерігач зазначає час між спалахом та вибухом становить 1,5 с. Другий спостерігач зазначає різницю як 2,5 с. Лінія зору між двома спостерігачами перетинається під прямим кутом, як показано на рис.12 Яка відстань ∆х між спостерігачами?

Відповідь:

• λ₅=0,668 м
• ∆t5=2,04 с

• λ₄₅=0,716 м
• ∆t5=1,9 с

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

«3–2–1 про звук»

• 3 факти, які ти запам’ятав/ла (один має бути про інфра/ультразвук).
• 2 приклади застосування звуку/ультразвуку в житті (один — з медицини або техніки).
• 1 запитання, яке залишилося незрозумілим

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

1. Звукова хвиля частотою 18 Гц є однією з найнижчих частот, яку сприймає людське вухо. Знайдіть довжину хвилі цієї звукової хвилі, коли вона поширюється в повітрі за температури 24°C.
2. Зубці вібруючого камертона створюють звук, який поширюється через довгу трубку. Діаграма нижче зображує положення молекул повітря всередині трубки в певний момент часу. Відстань від точки B до точки H становить 89,7 см.

• а) Визначте довжину хвилі (у см) звукових хвиль.
• б) Визначте частоту звукових хвиль. Вважайте швидкість звуку 343 м/с

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Урок 97. Звукові хвилі. Діапазони слухових частот

---

Мета уроку: сформувати в учнів уявлення про звук як механічну хвилю, його частотні діапазони та умови поширення в різних середовищах. Пояснити фізичні основи відбиття звуку та показати застосування звукових хвиль у природі, техніці й медицині. Розвивати вміння застосовувати теоретичні знання для пояснення реальних явищ і розв’язування практичних задач.

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова:

• звук
• звукові хвилі
• механічні хвилі
• повздовжні хвилі
• інфразвук
• ультразвук
• частота
• довжина хвилі
• швидкість звуку
• відбиття звуку
• відлуння
• сонар
• ехолот
• ультразвукова діагностика (УЗД)
• дефектоскопія
• камертони
• висота звуку
• тембр звуку
• тон
• обертони
• шум
• білий шум
• акустичний спектр
• акустика приміщень

План уроку:

1. Мотивація
2. Теоретичний блок
3. Практичний блок 
4. Попрактикуймо самостійно
5. Рефлексія

---

Проблемне питання

Що ти бачиш на фото (рис.1)? У які роки було зроблене фото? Яка дія відбувається на фото?

Джерело: https://rarehistoricalphotos.com

Що ти бачиш на фото (рис.2)? Для чого ця споруда могла використовуватися?

Джерело: https://en.wikipedia.org

Посилання на відео джерела:

• https://www.youtube.com/watch?v=ur2pgwuIbfs

• https://www.youtube.com/watch?v=TokaLowSvLA

• https://www.youtube.com/watch?v=ZV_Ce85KDRE

• https://www.youtube.com/watch?v=24yESm63tSY&t=168s

• https://www.youtube.com/watch?v=5WKU7gG_ApU

---

Одним з найважливіших різновидів механічних хвиль для людини є звук. Саме він лежить в основі мовлення, музики, різних сигналів, а також сучасних біомедичних технологій. Звук — це повздовжні механічні хвилі, частота яких лежить у діапазоні 20Гц-20кГц.

Коли частота коливань у хвилі менша за 20Гц, такі хвилі називають інфразвуковими, або просто інфразвуком.

Природні джерела інфразвуку реєструють під час:

1. Коливань земної кори (землетрусів).
2. Виверження вулканів
3. Виникнення цунамі

Інфразвук у тваринному світі:

1. Слони спілкуються завдяки інфразвуку, при цьому поданий сигнал може розповсюджуватися на десятки кілометрів (це дозволяє координувати стадо).
2. Кити також використовують інфразвук для спілкування та можуть сприймати його за сотні кілометрів від джерела виникнення.
3. Рик тигрів та левів також має інфразвукову складову, що може впливати на нервову систему жертви, викликаючи страх та дезорієнтацію.
4. Голуби та інші птахи можуть використовувати інфразвук для орієнтації під час польотів.

Інфразвук в техніці та промисловості:

1. Реактивні двигуни та ракети під час своєї роботи створюють потужні інфразвукові хвилі.
2. У турбінах, компресорах, двигунах виникнення інфразвуку є побічним ефектом вібрації.
3. Під час входу поїзда з тунелю виникають інфразвукові хвилі. Це враховується під час будівництва тунелів та проектування форми носу потяга.
4. Інфразвук використовується для виявлення вибухів та застосовується в системах моніторингу.

Вухо людини безпосередньо не відчуває інфразвукові хвилі, але вони можуть викликати тривогу, тиск у грудях, відчуття ‘‘чиєїсь присутності’’ (саме виникнення інфразвуку часто пояснює це ‘‘містичне’’ відчуття). Інфразвук збуджує вестибулярний апарат, тому реакція організму може бути схожою на морську хворобу.

Якщо частота хвиль перевищує 20 кГц, це ультразвук, точніше ультразвукові хвилі.

Природні джерела ультраразвуку реєструють під час:

1. Виникнення блискавки.
2. Рух води у водоспадах та бурхливих потоках.

Ультразвук у тваринному світі:

1. Кажани та дельфіни використовують ультразвук для орієнтації в просторі та полювання.
2. Метелики відчувають ультразвукові хвилі створені кажаном та реагують на них різкими маневрами та падінням униз. Це є прикладам еволюційної “гонки озброєнь”.
3. Коти й собаки сприймають ультразвук. Цим користуються дресирувальники: у них є спеціальні ультразвукові свистки, якими вони подають нечутні людям сигнали, а собаки на них реагують та виконують певні команди.

Ультразвук у техніці, промисловості та медицині:

1. Ультразвукове зварювання пластмаси та тонких металів без нагріву. В медицині можуть використовуватися для зварювання полімерних трубок та різних типів катетерів і не тільки.
2. Ультразвукове очищення ювелірних виробів та медичних інструментів.
3. Неруйнівний контроль, а саме виявлення тріщин та дефектів.
4. Ультразвукова діагностика
5. Лікування ультразвуком: фізіотерапія, прискорення загоєння тканин, руйнування каменів у нирках

При надмірній інтенсивності ультразвукових хвиль може відбуватися: нагрів тканин, кавітація рідини в організмі людини, головна біль, втома, нудота.

Межі 20 Гц – 20 кГц досить розпливчасті. Дехто може чути звуки частотою 16 Гц. Молодь може чути звуки із частотою 21 кГц, а немовлята 22-23 кГц.

Частотам звукового діапазону відповідає певний діапазон довжин хвиль. Він залежить від швидкості звуку, тому в різних середовищах він різний (табл.1).

Табл.1

Тверде тіло	v, м/с	Рідина	v, м/с (20 °C)	Газ	v, м/с (0 °C)
Алюміній	6260	Ацетон	1192	Азот	334
Залізо	5850	Бензин	1170	Водень	1284
Лід	3980	Вода	1460	Повітря	331
Гума	1040	Вода морська	1451	Гелій	955
Скло	5990	Гліцерин	1923	Кисень	316
Порцеляна	5340	Ртуть	1451	Метан	429
Ебоніт	2405	Спирт	1180	Вуглекислий газ	259

На швидкість розповсюдження звуку впливає низка факторів: пружність та густина середовища, агрегатний стан та температура.

Швидкість звуку в повітрі прямопропорційна до температури (ця формула працює лише для повітря).

v≈331+0,6t

v-швидкість звуку при певній температурі (м/с)

t – температура повітря при певній температурі (℃)

331 – швидкість звуку в м/с при температуру 0℃.

На швидкість звуку також може впливати рух середовища, в якому він розповсюджується. Наприклад, вітер може переносити звукові хвилі далі за той же час (тобто швидше), якщо звук рухається в тому ж напрямку, або він може уповільнити звук, якщо звук рухається в напрямку, протилежному напрямку вітру.

У природі багато явищ пов’язані з тим, що хвилі можуть не лише поширюватися, а й відбиватися від перешкод. Завдяки цьому ми здатні не просто чути звук, а й отримувати інформацію про об’єкти, яких не бачимо безпосередньо. 

Відлуння (ехо) — це звук, який повертається до джерела або слухача після відбиття від перешкоди. Воно виникає тоді, коли звукова хвиля доходить до твердої поверхні (стіна, скеля, будівля, дно океану), відбивається від неї та повертається з помітною затримкою.

Використання відлуння:

1. Сонар (підводний)

Сонар випромінює звуковий імпульс у воді та реєструє відлуння, відбите від об’єктів або дна. За часом повернення відлуння визначають відстань і розташування перешкод.

(2)  

2. Ехолот

Ехолот використовує відлуння звуку від дна водойми для вимірювання глибини. Широко застосовується в судноплавстві, рибальстві та гідрографії.

3. Парктроніки в автомобілях

Ультразвукові датчики надсилають сигнал і приймають відлуння від перешкод. Система визначає відстань до об’єкта та попереджає водія.

4. Ультразвукова дефектоскопія

Ультразвук відбивається від внутрішніх тріщин і неоднорідностей матеріалу, утворюючи відлуння. За цим відлунням виявляють приховані дефекти без руйнування конструкції.

5. Ультразвукова діагностика (УЗД)

УЗД базується на реєстрації відлуння ультразвуку від меж між різними тканинами організму. За інтенсивністю відлуння формується зображення внутрішніх органів.

6. Ехокардіографія (ЕхоКГ)

Це УЗД серця, яке аналізує відлуння від стінок і клапанів. Метод дозволяє оцінити роботу серця та виявити патології.

7. Отоакустична емісія (відлуння у вусі)

Внутрішнє вухо створює слабке відлуння у відповідь на звукове подразнення. Це явище використовують для перевірки слуху, зокрема у новонароджених.

8. Акустика концертних залів

Кероване відлуння впливає на чіткість мови та якість музики. Його регулюють формою залу й звукопоглинальними матеріалами.

Звук як суб’єктивне відчуття має три основні характеристики: висоту, тембр та гучність.

1) Висота звуку

Класичний пристрій для отримання звуку певної висоти, яким досі користуються для налаштування музичних інструментів – камертон. На камертоні неодмінно написано або ноту, на яку його налаштовано, або частоту його коливань. Наприклад, якщо взяти камертон, налаштований на частоти 256 Гц і 440 Гц, та змусити їх звучати, ударивши по них гумовим молоточком, почуємо, що звук другого камертона вищий. Тобто, висота звуку як суб’єктивного відчуття визначається такою об’єктивною характеристикою звукової хвилі, як частота. Що більша частота, то вище чуємо звук (рис. 3)

Різниця частот звукових хвиль дозволяє виділити голоса різних співаків: бас, баритон, тенор

Виявляються, не всі звуки мають висоту. Адже коливання джерела звукових хвиль необов’язково повинні мати певну частоту, тобто бути періодичними. Звуки, що мають певну частоту, називають музичними звуками. Музичні звуки мають висоту, яку музиканти описують різними нотами, а фізики різними частотами.

Звук з певною частотою називають тоном. Розрізняють простий та складний тон.

Простий тон – звук, створений гармонічними коливаннями однією конкретною частотою. Його джерелом може бути камертон.

Складний тон – звук, створений періодичними, но не гармонічними коливаннями. Він представляє собою результат накладання один на одного декількох простих тонів. Один з них, має найнижчу частоту і називається основним тоном. Тони більш високої частоти, кратний частоті основного тона, називається обертонами. Складними тонами є звуки музикальних інструментів, звуки мови.

Проте є звуки, що не мають висоти і відповідно тону. Їх називають шумами. Шум не можна описати певною частотою. Коливання у звуковій хвилі, що виникають від джерела шуму, не є періодичними. Акустичний спектр шума – суцільний. Якщо у шумі рівномірно розподілені всі частоти звукових коливань, то він називається “білим шумом”.

2) Тембр звуку

Це, мабуть, характеристика звуку, яку найскладніше вловити. Тембр представляє специфічну окраску звука. Людина відрізняє звуки різних музичних інструментів і голоса різних співаків (навіть якщо вони беруть різну ноту) завдяки характерному для них тону. Ця характеристика залежить , в основному, від його акустичного спектра, від кількості обертонів і рівня їх інтенсивності. Незважаючи на різні інструменти, що видають ноту тої самої висоти, форма хвилі буде іншою (рис. 4)

Ще існує одна характеристика звуку – гучність. Але з нею познайомимося на наступному уроці.

---

Завдання №1

Чому електрична гітара, на відміну від акустичної, може мати будь-яку, навіть дуже химерну форму корпусу (рис. 5)?

Джерело: https://chatgpt.com/

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання №2

Якщо спостерігати з Землі політ швидкісного літака, то створюється враження, що шум мотора виходить не від літака, а з точок, що знаходяться на значній відстані позаду літака. Поясни дану ситуацію. (рис.6).

Джерело: https://chatgpt.com/

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання №3

Чому на відкритому повітрі музика, спів, мова оратора звучать менш голосно, ніж у закритому приміщенні? Чому оратори, виступаючи на міській площі, кажуть повільно, відокремлюючи слово від слова тривалою паузою (рис. 7)?

Джерело: https://chatgpt.com/

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання №4

Чому пренатальна візуалізація плода проводиться за допомогою ультразвуку, а не рентгену (рис.8)? 

Джерело: https://chatgpt.com/

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання №5

Чому студії звукозапису мають чудернацький вигляд (рис.9)?

Джерело: https://svantek.com/academy/sound-wave/?utm

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Завдання №6

Яка швидкість звуку в середовищі, якщо хвиля з частотою 98 кГц має довжину хвилі 5,96 см? Що це може бути за речовина?

Завдання №7

Зубці вібруючого камертона створюють звук, який поширюється через довгу трубку. Діаграма нижче (рис.10) зображує положення молекул повітря в трубці в певний момент часу. Відстань від точки C до точки G становить 125 см. 

1. Визнач довжину хвилі звукових хвиль.
2. Визнач частоту звукових хвиль. Вважайте швидкість звуку становить 343 м/с.

Завдання №8

Було проведено діагностичне ультразвукове дослідження при частоті 5 МГц, яке використовувалося для дослідження м’язових тканин людини.

1. Яка довжина цієї хвилі в повітрі, якщо швидкість звуку в повітрі становить 343 м/с?
2. Якщо швидкість розповсюдження цієї хвилі в м’язовій тканині становить 1800 м/с, якою буде довжина цієї хвилі?

Завдання №9

Ультразвуковий дефектоскоп випромінює імпульс у сталеву деталь (рис.11).
На екрані приладу зафіксовано два відбиті сигнали:

• перший сигнал повернувся через 8 мкс — це відбиття від передньої межі дефекту (початку тріщини);
• другий сигнал повернувся через 17,6 мкс — це відбиття від задньої межі дефекту (кінця тріщини).

Швидкість поширення ультразвуку в сталі дорівнює 5850 м/с.

Визнач:

1. Глибину залягання початку дефекту від передньої поверхні деталі;
2. Розмір (товщину) тріщини.

Джерело: https://chatgpt.com/

Завдання №10

Кажан, що рухався зі швидкістю 20 м/с в напрямку перепони, випустив ультразвуковий сигнал на відстані 170 м від неї. Уважайте, що швидкість поширення звуку в повітрі дорівнює 340 м/с

1. За який час сигнал кажана досягне перепони?
2. На якій відстані від цієї перепони опиниться кажан у той момент, як отримає зворотній сигнал?

---

• Рівень А: 1
• Рівень В: 2
• Рівень С: 3

1. Обчисліть довжини хвиль звуків на крайніх межах діапазону, 20 та 20000 Гц, при температурі повітря 40 °C
2. Визначте швидкість звуку в повітрі:

a) у холодний ранок, коли температура повітря становить 5 °C;
б) у спекотний літній день, коли температура повітря становить 45 °C.

Уяви, що один і той самий звук  має частоту 500 Гц. Визнач довжину звукової хвилі, що відповідає кожному з температурних режимів.

Цей звук лунає на відстані 680 м від спостерігача. Обчисліть час запізнення звуку для кожного зі значень температури.3. Під час святкування феєрверк вибухає на землі, спричиняючи яскравий спалах та гучний вибух. Температура повітря вночі становить 25 °C. Двоє спостерігачів бачать спалах і чують вибух. Перший спостерігач зазначає час між спалахом та вибухом становить 1,5 с. Другий спостерігач зазначає різницю як 2,5 с. Лінія зору між двома спостерігачами перетинається під прямим кутом, як показано на рис.12 Яка відстань ∆х між спостерігачами?

---

«3–2–1 про звук»

• 3 факти, які ти запам’ятав/ла (один має бути про інфра/ультразвук).
• 2 приклади застосування звуку/ультразвуку в житті (один — з медицини або техніки).
• 1 запитання, яке залишилося незрозумілим

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

1. Звукова хвиля частотою 18 Гц є однією з найнижчих частот, яку сприймає людське вухо. Знайдіть довжину хвилі цієї звукової хвилі, коли вона поширюється в повітрі за температури 24°C.
2. Зубці вібруючого камертона створюють звук, який поширюється через довгу трубку. Діаграма нижче зображує положення молекул повітря всередині трубки в певний момент часу. Відстань від точки B до точки H становить 89,7 см.

• а) Визначте довжину хвилі (у см) звукових хвиль.
• б) Визначте частоту звукових хвиль. Вважайте швидкість звуку 343 м/с

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________