Теория:

Акустика — раздел физики, изучающий звуковые явления.
Человек получает информацию различными органами чувств. После визуальной информации важной является аудиальная. Звуковые сигналы человек начинает воспринимать ещё до рождения. По звукам он распознаёт родных, по интонации речи воспринимает степень комфорта окружения, подаёт сигналы об опасности или о необходимости в заботе (голод, телесный дискомфорт).
 
baby-164003_1280.jpg
Рис. \(1\)
 
Звуковые сигналы являются мощным стимулом для ментального развития. Обучаемся мы тоже через слово.
Передача звуковой информации происходит с помощью механических волн.
Звуковые (акустические) волны — распространение механических колебаний в упругих средах.
Источниками звука являются колеблющиеся тела.
О колебаниях струны мы можем судить по её звуку. Дрожание происходит с такой частотой, что струна для глаза кажется широкой, размытой линией (рис. \(2\)). Как только остановится колебание струн при прижатии их рукой, звук прекратится.
 
gitara_struny_metall_poverhnost_grif_9536_1366x768.png
Рис. \(2\)
 
Тонкий лёгкий лист бумаги будет отталкиваться дрожащей струной. Причём отталкивание будет производиться периодически, то есть через равные промежутки времени.
 
На рисунке \(3\) изображён камертон — изогнутый металлический стержень на ножке, который укреплён на резонаторном ящике.
 
733573860ce5927fc10ce2a51eb7d602.gif
Рис. \(3\)
 
Чтобы камертон зазвучал, нужно заставить его колебаться с частотой звуковой волны (рис. \(4\)).
 
камертон.png
Рис. \(4\)
 
Механические волны от источника (камертона) будут передавать по воздуху энергию колебания, достаточные для воздействия на лёгкий шарик, подвешенный на нитке (рис. \(5\)). Это подтверждает отскакивание шарика без соприкосновения с камертоном.
 
p-11e-3.gif
Рис. \(5\)
 
Для того, чтобы увидеть траекторию движения ветвей камертона при колебании частотой около \(16\) Гц, можно закрепить острую иглу на одной из ветвей. Остриё необходимо загнуть вниз и слегка коснуться им лежащей на столе закопчённой стеклянной пластинки. При быстром перемещении пластинки под колеблющимися ветвями камертона остриё оставляет на пластинке след в виде волнообразной линии (рис. \(6\)).
 
запись.png
Рис. \(6\)
 
Волнообразная линия, прочерченная на пластинке остриём, очень близка к синусоиде. Таким образом, можно считать, что каждая ветвь звучащего камертона совершает гармонические колебания.
 
Источник звука всегда колеблется. Эти колебания могут быть настолько быстрыми, что являются незаметными для глаз. Например, звук человеческого голоса возникает в результате колебаний голосовых связок. В этом можно убедиться, приложив руку к горлу во время разговора. Колебаний мы не видим, но рука их ощущает. Колебания воздуха создают для нас огромный мир звуков, начиная от музыкальных инструментов и заканчивая шумом волн.
 
Однако, не всегда колеблющееся тело создаёт звук. Например, не издаёт звук покачивание головы из стороны в сторону. Колебание шарика на нити тоже происходит без звука. Не услышите вы и звука колеблющейся линейки, если её свободный конец будет достаточно длинным. В этом случае частота уменьшается настолько, что человеческое ухо не способно воспринимать звуковые колебания.
Оказывается, что человек способен воспринимать звуковые колебания с частотой в пределах от \(16\) до \(20000\) Гц.
Звуковые колебания — механические колебания частотой от \(16\) Гц до \(20\) кГц, передаваемые в упругой среде и воспринимаемые человеком как звуковые сигналы.
Границы слуховых ощущений индивидуальны.
Факторы, влияющие на звуковое восприятие:
  • возраст (дети восприимчивее к высоким звукам)
  • заболевания (ОРВИ)
  • хроническое нарушение слуха
  • постоянное шумовое воздействие (машинисты, строители, лётчики)
  • воздействие наушников (снижает слуховую чувствительность)
Механические колебания называются ультразвуковыми, если их частота превышает \(20 000\) Гц, а инфразвуковыми называются колебания с частотами менее \(16\) Гц.
Ультразвук и инфразвук так же широко встречаются в природе, как и волны, слышимые человеческим ухом. Ультразвуковые волны излучают и используют для общения между собой дельфины, летучие мыши, в инфразвуковом диапазоне "разговаривают" жирафы.
Дельфины  используют ультразвук также для предупреждения сородичей об опасности, при обнаружении косяков рыбы.
 
Для летучих мышей ультразвук является средством обнаружения добычи (рис. \(7\)).
 
летучая мышь.png
Рис. \(7\)
 
Медузы чувствуют приближение шторма благодаря улавливанию создаваемой им инфразвуковой волны.
 
Ультразвук находит широкое применение в технике.
Например, направленные узкие пучки ультразвука применяются для измерения глубины моря (рис. \(8\)). Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приёмник ультразвука.
 
Эхолот.png
 
Излучатель даёт короткие сигналы, которые доходят до дна и, отражаясь от него, достигают приёмника. Моменты излучения и приёма сигнала регистрируются. Таким образом, за время \(t\), которое проходит с момента отправления сигнала до момента его приёма, сигнал, распространяющийся со скоростью \(v\), проходит путь, равный удвоенной глубине моря, то есть \(2h\):
 
2h=vt.
 
Отсюда легко вычислить глубину моря:
 
h=vt2.
 
Описанный метод определения расстояния до объекта называется эхолокацией.