Следующий раздел: 10. Тепловые фантазии и прочие Выше по контексту: Проект Краткая Энциклопедия Физика (Вопросы Предыдущий раздел: 8. Экология и другие популярные   Алфавитный индекс

Разделы

9. Прячься под подушку! Слышишь во сне? Кто там крадется в гулкой тишине?


9.1 Почему гудят высоковольтные провода

Вопрос: У меня вопрос относительно того, почему гудят высоковольтные провода. Чего только не читал: у Асламазова, что это связано с ветром, у Тарасова, что с коронными разрядами, так же о взаимодействии с магнитным полем Земли. В чем же причина?

Ответ: Смотря о звуке какой частоты идет речь. Если есть ветер, то $ f=kv/d$ , где $ f$ -- частота звука, $ v$ -- скорость ветра, $ d$ -- диаметр провода, $ k$ -- коэффициент определяемый экспериментально. Это закон Струхала , $ k$ около 0,2 (Л.Г.Лойцянский, "Механика жидкости и газа", 1987).

Коронный разряд есть почти всегда. Он горит вокруг острых частей тел (например, огни ``святого Эльма''): вблизи поверхности провода достигается пробойная напряженность электрического поля (пробой происходит в воздухе). Из-за коронного разряда на обычных высоковольтных проводах частота звука 100Гц, хотя может быть и высокочастотная составляющая от 10000 Гц до радиочастот (Ю.П.Райзер, ``Физика газового разряда'', 1987). Магнитное поле Земли тут ни при чем: по проводам течет переменный ток, который взаимодействует с магнитным полем Земли, но эффект очень мал, т.к. магнитная индукция Земли меньше 0,0001 Тл.


9.2 Демонстрационные опыты со звуком

Вопрос: Какие интересные демонстрационные опыты, связанные со звуком, можно поставить, используя приборы, находящиеся в кабинете физики (в этом кабинете не так много приборов) или приборы которые я могу смастерить сам в домашних условиях за небольшой промежуток времени (1-2 дня). Так же, если можно, пришлите список подходящей литературы.

Ответ: Вероятно, при изучении темы ``звуковые волны'' (и, вообще, волны) было бы полезно проделать следующие демонстрации:

1.
Волны в натянутой струне: для демонстрации лучше всего взять резиновую ленту метра 3-4 длинной, один конец привязать -- другой взять в руку. С помощью этого простого ``инструмента'' можно показать бегущую и стоячую волны. Несмотря на свою простоту демонстрация может быть довольно интересной.

2.
В своей лекции ``О корабельных волнах'' лорд Кельвин рассказывал: ``...одно открытие фактически сделано лошадью, ежедневно тащившей лодку по канату между Глазго и Ардроссаном. Однажды лошадь понеслась, и возница, будучи наблюдательным человеком, заметил, что, когда лошадь достигла определенной скорости, тянуть лодку стало явно легче и позади нее не осталось волнового следа''.

Объяснение этого явления заключается в том, что скорость лодки и скорость волны, которую возбуждает лодка в реке, совпали. Если бы лошадь побежала еще быстрее (скорость лодки стала бы больше скорости волны), то за лодкой возникнет ударная волна. Ударная волна от сверхзвукового самолета возникает точно так же.

Для демонстрации можно взять обычную ванночку с водой, а вместо лодки использовать свой палец. Можно показать механизм возникновения ударной волны. Если взять прозрачную ванночку, а воду подкрасить, то с помощью проектора можно спроектировать эту картинку на доску.

3.
С помощью ванночки с водой и пальца можно продемонстрировать эффект Доплера.

4.
Интерференция звука : прибор для демонстрации интерференции звука представлен на рисунке 4. В самом начале прибор имеет два одинаковых -- верхний и нижний звукопровода. Затем нижний звукопровод удлиняют. При $ l=c/4\nu$ ($ c$ -- скорость звука в воздухе (примерно 330 м/с), $ \nu$ -- частота звука, поступающего из динамика A) звучание из рупора B максимально ослабится. При $ \nu =100$ Гц $ l=82,5$ см, так что прибор должен быть достаточно большим.

Рисунок: Прибор для демонстрации интерференции звука
\includegraphics[width=10cm]{Sound-Demonstration/Sound-Demonstration-interfer.eps}

5.
Резонансные частоты: поднесем вибрирующий к высокому цилиндрическому сосуду, в который понемногу наливается вода. Мы услышим то усиливающийся звук, то ослабевающий, то снова усиливающийся. Можно также посвистеть в бутылку с водой -- тон свиста меняется с изменением уровня воды в бутылке.

6.
Тоже относится к резонансным частотам: если взять шарик с гелием и вдохнуть в себя, то ваш голос на некоторое время станет писклявым. Резонансная частота повышается при повышении скорости звука в среде. Скорость звука в гелии выше, чем в воздухе.

7.
Визуализация звуковых волн в воде: требуется источник звуковых волн, который можно засунуть в банку с водой (пьезокерамическая пластинка подойдет идеально). Если динамик расположить параллельно дну или поверхности воды (неважно) и подобрать частоту, чтобы возникла стоячая волна (несколько килогерц), то можно заметить, что пузырьки воздуха (всегда присутствуют в водопроводной воде) группируются в узлах давления -- видна структура стоячей волны.

8.
В книге Дж. Уокера ``Физический фейерверк'' описано два красивых опыта, связанных с волнами:

(a)
Фигуры Хладни. Фигуры Хладни получают на закрепленном в центре металлическом диске, на который насыпан песок. Когда по краю диска проводят смычком, песок образует различные (в зависимости от того, где и как провели смычком) геометрические узоры.

(b)
Пылевые фигуры Кундта. Трубка Кундта является простым приспособлением для демонстрации стоячих звуковых волн. Трубка Кундта представляет собой длинную стеклянную трубку, в которой насыпано немного легкого порошка (например пробковой пыли). Один конец трубки запаян, в другом с помощью пробки укреплен медный стержень. Если потереть стержень наканифоленной замшей, то он начнет скрипеть, а пыль расположится аккуратными кучками вдоль трубки. Такое распределение обусловлено стоячими звуковыми волнами.

Рисунок: Когда стержень натирают замшей, пыль в трубке располагается кучками
\includegraphics[width=10cm]{Sound-Demonstration/Sound-Demonstration-Kundt.eps}

Используемая литература:

1.
Дж. Уокер, Физический фейерверк, Издательство Мир, 1989

2.
Задачи по физике: Учебное пособие под редакцией Савченко, издательство Наука, 1981, 1988 с изменениями и 1999 -- основной учебник по физике для ФМШ при НГУ.

3.
Майер, Простые опыты со струями и звуком.

(c) Балдин Е.М. E.M.Baldin@inp.nsk.su


9.3 От чего зависит громкость звука

Вопрос: Есть утверждение: ``Субъективная характеристика звука громкость соответствует объективной характеристике звука интенсивности.'' Я думаю, что это утверждение не верно, так как субъективная громкость зависит так же от частоты, но мой преподаватель считает, что она верна. Кто из нас прав?

Ответ: В Физической энциклопедии т.1 (Москва, Советская энциклопедия, 1988) на стр. 539-540 написано: Громкость звука зависит главным образом от интенсивности звука, но также и от распределения энергии по шкале частот... В определенных пределах при одинаковой частоте и интенсивности двух звуков более короткий кажется менее громким... Там же приведены кривые равной громкости в зависимости от частоты, используемые при работе шумомеров.

В этом вопросе тесно перепутаны физика и физиология. В физике все аккуратно: звуковое давление, интенсивность звука и т.д. Все мерится. В физиологии возникают субъективные ощущения.

Очень подробно про это написано в Справочнике по акустике (Иофе, Корольков, Сапожков, Москва, Связь, 1979). Например, на стр.31: Условились за уровень громкости любого звука (или шума) принимать уровень в децибеллах равногромкого с ним чистого тона 1000Гц. При этом громкость неточно характеризует субъективное ощущение, т.к. есть масса особенностей восприятия составных звуков, шумов, импульсных звуков и т.д. и т.п.

Приведем несколько примеров, взятых из этих книг:

  • При плавном увеличении интенсивности звука слуховое ощущение нарастает скачками, по мере увеличения числа возбужденных нервных окончаний.

  • В условиях тишины слышно тиканье часов, а в условиях шума можно не услышать даже громкий разговор.

  • При прослушивании сложного звука его громкость меньше суммы громкостей всех составляющих (это при не очень широком спектре звука).

  • При прослушивании импульсного звука его громкость определяется произведением интенсивности импульса на его длительность (это до 100 Гц).

  • В громкой передаче даже после отфильтровывания всех частотных составляющих ниже 1000 Гц человек воспринимает (слышит) низкочастотные составляющие с достаточно высоким уровнем ощущения.

Тем не менее, понятие громкости часто оказывается удобным.

(c) Дистанционный консультационный пункт distant@ssl.nsu.ru

9.4 Техника прослушивания

Вопрос: Почему, с точки зрения скрытого контроля звука, применение направленных микрофонов затруднено?

Ответ: Скорее всего проблема заключается в том, что направленные микрофоны ловят звук, приходящий с определенного направления -- вам следует точно знать где находится голова исследуемого субъекта, стоит ему уйти в сторону, как звук пропадает.


Вопрос: Какие существуют системы прослушивания сообщений, передаваемых по сотовым, пейджинговым каналам и по факсу?

Ответ: Это может делать обычная рация, которая работает на частоте сотовых телефонов, а еще проще -- пойти на телефонную станцию и занять место оператора или поставить там жучок, но это не физическое решение.

(c) Балдин Е.М. E.M.Baldin@inp.nsk.su


E.M.Baldin@inp.nsk.su
23 Января 2000