Изучение звуковых колебаний

ВВЕДЕНИЕ
Проект предназначен для формирования мировоззрения о звуковых колебаниях. Колебания, которые происходят при вибрации какого-либо упругого тела, например, струны, в окружающем его пространстве называют звуковыми волнами. Они способны распространяться от источника звука по всем направлениям.
Если понимать слово «звук» как ощущение, то можно сказать что, звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервной системе в головной мозг, создавая ощущение звука.

Актуальность исследовательской работы: Тема взаимосвязи физики и музыкального искусства, на мой взгляд, очень актуальна, так как в повседневной жизни современного человека музыка является очень важным составляющим.
Цель: изучить звуковые колебания ,проследить их взаимосвязь с музыкальным искусством.
Задачи:
1. Проанализировать найденную литературу
2. Рассмотреть некоторые музыкальные инструменты с точки зрения физики и познакомиться с их историей
3. Изучить воздействие звука на организм человека, найти связь между музыкой н наукой физикой

ЧТО ТАКОЕ ЗВУК?
Звук – это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах – газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны.
Звуковые колебания – это передающаяся в пространстве механические колебания молекул веществ.
Мы называем колебания среды звуковыми, но это не значит, что все звуковые колебания мы слышим. Физика пользуется понятием звуковых колебаний в более широком смысле
Звуковые колебания возникают в любой среде, способной сжиматься, а так как несжимающихся тел в природе нет, то, значит, частицы любого материала могут оказаться в этих условиях. Учение о таких колебаниях обычно называют акустикой.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА
Ось X – это время.
Ось Y – амплитуда колебания волны. От амплитуды зависит громкость звука. Громкость не может быть отрицательной. Соответственно, волна ниже оси X не имеет отрицательную громкость. Самый тихий звук находится не в самой нижней точке, а на уровне оси Х.
Период T – время, которое необходимо на 1 полный цикл колебания. Период можно разделить на 2 половины – в одной положительная амплитуда, в другой - отрицательная.
Пиковое значение – максимальная точка положительной амплитуды колебания звуковой волны (также есть и отрицательное пиковое значение).

Частота (frequency) показывает количество периодов колебания звуковой волны за одну секунду и измеряется в Герцах (Hz). Чем выше частота, тем больше периодов колебания делает волна. Соответственно, чем выше звук, тем больше колебаний.
Человек слышит звуки в диапазоне от 20Hz до 20 000 Hz (20kHz). Звуки выше и ниже этого диапазона, конечно, существуют, просто человек их не слышит.
Звук может быть простым, то есть состоящим из одного сигнала.
Или сложным, то есть состоящим из нескольких простых сигналов, звучащих с разными амплитудами и частотами.

СКОРОСТЬ ЗВУКА
Звук распространяется посредством звуковых волн. Вибрирующий предмет передает свою вибрацию соседним молекулам или частичкам. Происходит передача движения от одной частички к другой, что приводит к появлению звуковой волны.
Средой распространения звуковых волн могут быть различные материалы — дерево, воздух, вода; следовательно, скорость распространения звуковых волн должна быть различной.
Скорость звука в воздухе составляет около 335 м/сек. Но это при температуре 0° С. С повышением температуры скорость распространения звука также увеличивается.
В воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе. При температуре 8° С скорость его распространения составляет около 1435 м/сек, или около 6 тыс. км/час. В металле эта скорость достигает порядка 5000 м/сек, или 20 000 км/час.

ПРОДОЛЬНЫЕ И ПОПЕРЕЧНЫЕ ВОЛНЫ
Механические волны – это колебания, которые перемещаются в пространстве с течением времени. Они бывают двух видов : поперечные и продольные.
Поперечная волна — волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой происходят колебания частиц среды (в случае упругой волны) или в которой лежат векторы электрического и магнитного поля (для электромагнитной волны)
Если частицы совершают колебания в направлении распространения волны, то такую волну называют продольной.
Продольные волны могут возникнуть в среде обладающей упругостью объема, т.е. в твердых телах, жидкостях и газообразных телах. Поперечные волны возникают только в среде, обладающей упругостью формы (деформацией сдвига), т.е. только в твердых телах. Исключение составляют волны на поверхности воды.

ФОРМУЛЫ
Зависимость скорости звуковой волны от свойств среды, где она распространяется, рассматривается по формуле:
E — коэффициент упругости среды, определяет силу взаимодействия частиц друг с другом; p = m/V (кг/м³) — плотность среды. У твердых тел упругость больше, чем у жидкости и газа. Поэтому соотношение скоростей звука будет таким:
Формула для расчёта длины волны:
λ — длина волны, c — скорость, f — частота.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧАСТОТ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
Например, низкий Бета-ритм частотой 15 Гц представляет нормальное состояние бодрствующего сознания. Альфа-ритм частотой 10,5 Гц вызывает состояние глубокой релаксации. Все аспекты имеют прямое отношение к воздействию музыки на организм человека.
В исследованиях часто выделяется звуковые колебания с конкретными числовыми значениями частот, которые резонируют с определенным участком мозга.
Периодически повторяющиеся низкочастотные звуки не только провоцируют у человека определённую эмоциональную реакцию, но и в состоянии навязать ему это эмоциональное состояние. Эмоциональные состояния навязываются человеку против его воли, часто даже без понимания с его стороны того, что ему что-то навязывают.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучая музыкальное искусство с точки зрения физики, я рассмотрела основные характеристики музыкального звука, такие как громкость звука, его тембр, высота и длительность. Для того, чтобы понять, как звук доходит до уха человека, мне понадобилось изучить способы, с помощью которых звук может распространяться. Так я узнала, что звук распространяется в виде волн. Так же отмечу, что волны не распространяются в вакууме.
Звук, с точки зрения физики – это энергия. В зависимости от частоты звуковых колебаний, уровня громкости, ритма и гармонии, звук может воздействовать на человека положительно или отрицательно.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. https://nssound.ru/o-zvuke-i-zvukovykh-signalakh/zvukovye-volny-vidy-dlina-volny-i-skorost-zvuka/
2. https://mehriban-aliyeva.az/ru/kids_oxu/846322
3. http://www.soundwave.ru/articles/signals/364/
4. https://zen.yandex.ru/media/popsci/chto-takoe-zvuk-i-kakimi-harakteristikami-obladaiut-zvukovye-volny-5bfee53b9f25000ae1f79429
5. https://interneturok.ru/lesson/physics/9-klass/mehanicheskie-kolebaniya-i-volny/zvukovye-volny-istochniki-zvuka-harakteristiki-zvuka-ivanova-m-g
6. https://miem.hse.ru/data/2016/08/19/1118738878/%D0%9B%D0%A0%20%E2%84%96%2017.pdf