Звуковые волны

Проект

По  физике

На  тему: «Звуковые волны»

Ученицы 11 – Б класса

Беличенко Дарьи

 Звуковые волны –это механические волны с частотой колебаний примерно от 16 до 20000 Гц Механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц - инфразвуковые Механические волны с частотой колебаний больше 20000 Гц – ультразвуковые Звук - продольная волна. Громкость определяется амплитудой колебаний. Высота тона звука определяется частотой колебаний Тембр – присутствие в звуке колебаний разных наборов частот и высот.

●ШУМОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Сильный продолжительный  и особенно постоянный шум – скрытый  и опасный враг человека и других живых существ. Значительный и продолжительный  шум ограничивает продолжительность  труда, приводит к преждевременному расстройству и разрушению слухового аппарата, развитию сердечно-сосудистых заболеваний (гипертонии, аритмии), поражению нервной системы, язвенной болезни и другим расстройствам. Наиболее распространённые симптомы шумового влияния – раздражительность, рассеянность и, как следствие, невроз. Шум обостряет хронические заболевания. Любопытно, что во время сна шум оказывает более негативное воздействие, чем в часы бодрствования.

Воздействие шума на человека определяется его уровнем (громкостью, интенсивностью) и высотой составляющих его звуков, а также продолжительностью воздействия. Понятия «интенсивность» и «громкость шума» принимаются в быту за синонимы, однако не совсем тождественны: интенсивность – объективная характеристика звука; громкость – характеристика его субъективного восприятия. Установлено, что громкость звука возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность. Уровень шума выражается в логарифмической шкале, в децибелах (дБ). 1 дБ – это десятая часть логарифма отношения давления, которое оказывают звуковые волны на барабанную перепонку уха, к предельно низкому, ещё ощущаемому ухом давлению.

Минимальная интенсивность звука, воспринимаемая ухом, называется порогом слышимости. Порог слышимости различен для звуковых колебаний разных частот. Органы слуха человека наиболее чувствительны к частоте 1000–3000 Гц. Верхнюю границу интенсивности звука, которую человек ещё способен воспринимать, называют порогом болевого ощущения. Шум 0 дБ создаёт зимний лес в безветренную погоду. Шум 1 дБ еле уловим при исключительно остром слухе. Шум от нормального дыхания оценивается как 10 дБ, и такой уровень принимают за порог слышимости людей с нормальным слухом. Шёпот создаёт шум 20 дБ. Отдых и сон считают полноценным, когда шум не превышает 25–30 дБ, в учреждениях и на предприятиях шум достигает 40–60 дБ. На шумных предприятиях шум достигает 70 дБ. Кратковременно допустим шум 80 дБ. Более сильный шум вреден, болевой порог лежит обычно в пределах 120–130 дБ, за которым возможно повреждение слухового аппарата. Согласно санитарным нормам, уровень шума около зданий днём не должен превышать 55 дБ, а ночью (с 23 до 7 ч) 45 дБ, в квартирах соответственно 40 и 30 дБ.

В диапазоне слышимых человеком  звуков (от 16 до 20 000 Гц) самое неблагоприятное  воздействие на человека оказывает  шум, в спектре которого преобладают высокие частоты (выше 800 Гц). Ультразвук (выше 20 кГц) и инфразвук (ниже 16–25 Гц) не воспринимаются человеческим ухом, но они также могут оказывать негативное влияние. По данным австрийских исследователей, шум в больших городах сокращает продолжительность жизни их жителей на 10–12 лет. Поставлены опыты, которые доказывают, что повышенный шум неблагоприятно влияет и на развитие растений. Уровни шумов от различных источников и реакция организма на акустические воздействия приведены в таблице.

Для человека практически  безвреден шум 20–30 дБ, допустимая граница  – 80 дБ, 130 дБ вызывают болевые ощущения, 150 дБ уже непереносимы.

Суммарный шум от больших  транспортных потоков составляет 90–95 дБ (высокий уровень) и стоит на магистралях почти круглосуточно. От транспортного шума страдают прежде всего жители городов, а также посёлков, находящихся вблизи крупных автомагистралей, железнодорожных путей и станций, морских и речных портов, аэродромов, автопредприятий. Уровень шума в домах вдоль главных магистралей Москвы достигает 60 дБ. Самые шумные места – на Садовом кольце. В часы пик шум от трамваев на улицах превышает 77 дБ.

Транспортные средства создают шум, дБ

Легковой автомобиль.................................................... 65–80

Автобус........................................................................... 80–85

Грузовой автомобиль.................................................... 80–90

Мотоцикл....................................................................... 90–95

Моторная лодка............................................................. 90–95

Поезд метро.................................................................... 90–95

Обычный поезд............................................................. 95–100

Самолёт на взлёте....................................................... 110–130

Крупный реактивный самолёт.................................. 155–160

В настоящее время  в ряде стран установлены предельно допустимые уровни шума для предприятий, отдельных машин, транспортных средств. Например, к эксплуатации на международных линиях допускаются самолёты, создающие шум не выше 112 дБ днём и 102 дБ ночью. Начиная с моделей 1985 г. максимально допустимые уровни шума: для легковых автомобилей 80 дБ, для автобусов и грузовых автомобилей в зависимости от массы и вместимости соответственно 81–85 дБ и 81–88 дБ.

Особую опасность представляют плееры и дискотеки для подростков. Скандинавские учёные пришли к выводу, что каждый пятый подросток плохо слышит, хотя и не всегда об этом догадывается. Причина – злоупотребление переносными плеерами и долгое пребывание на дискотеках. Обычно уровень шума на дискотеке составляет 80–100 дБ, что сравнимо с уровнем шума интенсивного уличного движения или взлетающего в 100 м турбореактивного самолёта. Громкость звука плеера составляет 100–114 дБ. Почти так же оглушительно работает отбойный молоток. Правда, для рабочих в таких ситуациях предусмотрена шумовая защита. Если ею пренебречь, то уже через 4 ч непрерывного грохота (в неделю) возможны кратковременные нарушения слуха в области высоких частот, а позднее появляется звон в ушах.

Здоровые барабанные перепонки без ущерба могут переносить громкость плеера в 110 дБ максимум в  течение 1,5 мин. Французские учёные отмечают, что нарушения слуха в наш век активно распространяются среди молодых людей; с возрастом они скорее всего будут вынуждены пользоваться слуховыми аппаратами. Даже низкий уровень громкости мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание – это следует учитывать при выполнении домашней работы. Когда звук нарастает, организм производит много гормонов стресса, например, адреналин. При этом сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа кишечника. В дальнейшем всё это может привести к нарушениям работы сердца и кровообращения. Эти перегрузки – причина каждого по крайней мере десятого инфаркта.

Первый симптом ухудшения  слуха называется эффектом званого ужина. На многолюдном вечере человек перестаёт различать голоса, не может понять, почему все смеются. Он начинает избегать многолюдных встреч, что ведёт к его социальной изоляции. Многие люди с нарушением слуха впадают в депрессию и даже страдают манией преследования.

Существуют методы борьбы с шумом: хороши зелёные насаждения и шумозащитные экраны для защиты малоэтажной застройки; для защиты индивидуальных квартир применяют стеклопакеты (окна с улучшенной звукоизоляцией) либо заменяют стёкла на более толстые (при двойном остеклении первые должны быть толщиной 4 мм, вторые – 6 мм).

●ИНФРАЗВУК

Поющие пески. Есть на земле места (отмели Кольского полуострова, долины рек Вилюя и Лены, побережье Байкала), где обширные площади движущихся песков звучат так, что кажется, будто вокруг «поёт» вся пустыня. Особенно громко пески поют на гребнях барханов и дюн. В других местах звучат лишь небольшие участки, песчаные косы и пляжи, подчас поросшие кустарником. Порой звуки раздаются самые неожиданные: то лай собаки, то звон натянутой струны, то звучание органа, а то и рёв авиационных двигателей. Жители города Никополя многократно слышали звучание песка на косе речки Лапинки (один из рукавов Днепра). Очень хорошо это пение было слышно в 1952 г., особенно после дождя, когда верхний слой песка слипался, а затем подсыхал, образуя рыхлую корку. Когда по нему шли, он издавал звуки, похожие на свист воздуха, выпускаемого из автомобильной камеры.

Что же заставляет пески  звучать? Некоторые учёные считают, что звук рождается при трении множества песчинок друг о друга. Песчинки покрыты тонким налётом соединений кальция и магния, и звуки возникают так же, как под скрипичным смычком, когда им проводят по струнам, натёртым канифолью. Другие полагают, что основная причина заключена в движении воздуха в промежутках между песчинками. Когда бархан осыпается, промежутки то увеличиваются, то уменьшаются, воздух то проникает в них, то выталкивается оттуда. Есть и такое объяснение: звуки вызываются электризацией песка. Благодаря трению песчинки заряжаются разноимённо и начинают отталкиваться одна от другой. А это порождает звуки, как при обычном электрическом разряде. Советскому учёному Я.В.Рыжко удалось искусственно получить такой звучащий песок. Он взял обычный речной песок, просушил, очистил от пыли, удалил из него все посторонние примеси и затем наэлектризовал при помощи обычной электрофорной машины. И песок зазвучал – при нажиме рукой издавал скрипящие звуки.

Гул песка (очень похожий  на рёв реактивного самолёта) можно  объяснить следующим. В любом  бархане на небольшой глубине вследствие конденсации влаги из воздуха образуется слой уплотнённого влажного песка. Весной и осенью, после дождей, он смыкается с поверхностным, тоже влажным, слоем, – и тогда бархан становится немым. Летом, в жару, песок сверху высыхает, под ним остаётся влажный слой, а ещё ниже – снова сухой. Когда по бархану течёт песчаная лавина, то верхние слои песка, испытывая меньше трения, обгоняют нижние, при этом возникает своеобразная, хорошо заметная волнистость поверхности. Она передаётся толчками на слои влажного песка, и он, как дека музыкального инструмента, резонирующая от колебания струны, начинает вибрировать, издавая характерный гул.

Между прочим, когда такой песок  привозят для изучения в лабораторию, он замолкает. Но если его поместить  в герметично закрытый сосуд, он снова начинает звучать. Почему? Пока можно только высказывать предположения.

Инфразвук (от лат. infra – ниже, под) – упругие волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоты ниже слышимых человеком частот. Обычно за верхнюю границу инфразвукового (ИЗ) диапазона принимают 16–25 Гц, нижняя граница не определена. Практический интерес могут представлять колебания частотой от десятых и даже сотых долей герца, т.е. периодами в десяток секунд. Инфразвук содержится в шуме атмосферы, леса, моря. Источниками ИЗ-колебаний являются грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы. В земной коре наблюдаются ИЗ-колебания, возбуждаемые самыми разнообразными источниками, в том числе землетрясениями, взрывами, обвалами и даже транспортными средствами.

Поскольку инфразвук слабо поглощается  в различных средах, он может распространяться на очень большие расстояния в  воздухе, воде и земной коре. Это  находит практическое применение при  определении местоположения эпицентра  землетрясения, сильного взрыва или стреляющего орудия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море даёт возможность предсказывать стихийные бедствия, например, цунами. Взрывы, порождающие большой спектр ИЗ-частот, применяются для исследования верхних слоёв атмосферы, свойств водной среды.

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному  увеличению источников инфразвука в  окружающей среде и возрастанию  его уровня. Основные техногенные  источники инфразвука в городе приведены  в таблице.

Влияние инфразвука на организм человека. В конце 60-х гг. французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвуки определённых частот могут вызывать у человека тревожность и беспокойство, головную боль, снижать внимание и работоспособность, даже нарушать функцию вестибулярного аппарата и вызывать кровотечение из носа и ушей. Инфразвук частотой 7 Гц смертелен. Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира: для разгона толпы включаются мощные генераторы, частоты которых отличаются на 5–9 Гц. Биения, возникающие вследствие различия частот этих генераторов, имеют  
ИЗ-частоту и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти из этого места.

Профессор Гавро познакомился с инфразвуками почти случайно. В  одном из помещений лаборатории, где работали его сотрудники, с  некоторых пор стало невозможно находиться. Достаточно было пробыть здесь два часа, чтобы почувствовать себя совсем больным: кружилась голова, наваливалась усталость, мысли путались, а то и вовсе не хотелось думать о чём-либо.

Прошёл не один день, прежде чем исследователи сообразили, где следует искать неизвестного врага. Им оказались инфразвуки большой мощности, создаваемые вентиляционной системой нового завода, построенного близ лаборатории. Частота этих волн равнялась 7 Гц. Профессор Гавро высказал предположение, что биологическое действие инфразвука проявляется, если частота волны совпадает с так называемым альфа-ритмом головного мозга.

Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью  не установлен. Возможно, что оно  связано с возбуждением резонансных колебаний в организме. Так, собственная частота нашего вестибулярного аппарата близка к 6 Гц, и многим знакомы неприятные ощущения при длительной езде в автобусе, поезде, при плавании на корабле или качании на качелях. Говорят: «Меня укачало».

При воздействии инфразвука могут отличаться друг от друга картины, создаваемые левым и правым глазом, начинает «ломаться» горизонт, возникают  проблемы с ориентацией в пространстве, приходят необъяснимые тревога и  страх. Подобные же ощущения вызывают и пульсации света частотой 4–8 Гц. Ещё египетские жрецы, чтобы добиться признания у пленника, связывали его и с помощью зеркала пускали в глаза пульсирующий солнечный луч. Через некоторое время у пленника появлялись судороги, начинала идти пена изо рта, психика подавлялась, и он начинал отвечать на вопросы.

Сходные воздействия  инфразвука и мигающего света, не считая даже повышенную громкость звука, испытывают посетители дискотек. Вполне возможно, что они не проходят бесследно, и в организме могут происходить  какие-либо нежелательные и необратимые изменения.

Британские учёные продемонстрировали, что под воздействием инфразвука люди испытывают примерно те же ощущения, что и при «встречах» с призраками. Был поставлен такой эксперимент. С помощью семиметровой трубы учёным удалось подмешать к звучанию обычных музыкальных инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие частоты. После концерта слушателей (а их было 750 человек) попросили описать впечатления. «Подопытные» сообщили, что чувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже бежали мурашки, у кого-то возникало тяжёлое чувство страха.

При землетрясениях и подвижках земной коры генерируются волны трёх типов: P, S, и L. P-волны (от англ. primary – первичный) – продольные волны сжатия-растяжения, распространяются на огромные расстояния со скоростью звука в данной среде. S-волны (от англ. secondary – вторичный) – поперечные, они могут распространяться только в скальных породах. L-волны (волны Лява, по имени открывшего их учёного A.Love) подобны морским и распространяются вдоль границ разных сред с малой скоростью, зависящей от частоты. Волна инфразвука, дойдя до поверхности Земли от центра землетрясения, превращается в L-волну, которая и вызывает наблюдаемые многочисленные разрушения. Такие же, но более слабые, волны возникают при подземных ядерных взрывах.