Сейсмические методы исследования

Механические волны, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений или каких-нибудь мощных взрывов, называются сейсмическими волнами.

Для исследования землетрясений и внутреннего строения Земли наибольший интерес вызывают два вида сейсмических волн: продольные (волны сжатия) и поперечные. В отличие от продольных волн, поперечные волны не распространяются внутри жидкостей и газов. Скорость этих волн в одном и том же веществе разная: продольные распространяются быстрее поперечных. Например, на глубине 500 км скорость поперечных сейсмических волн примерно 5 км/с, а скорость продольных волн: 10 км/с.

Распространяясь из очага землетрясения, первыми на сейсмическую станцию приходят продольные волны, а спустя некоторое время – поперечные. Зная скорость распространения сейсмических волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до центра землетрясения. Для более точных измерений используют данные нескольких сейсмических станций. Ежегодно на земном шаре регистрируют сотни тысяч землетрясений.

Сейсмические волны используются для исследования глубоких слоёв Земли. Когда сейсмические волны проходят через среду, плотность и состав которой изменяются, то скорости волн также меняются, что проявляется в преломлении волн. В более плотных слоях Земли скорость волн возрастает; соответственно, возрастает угол преломления. Характер преломления сейсмических волн позволяет исследовать плотность и внутреннее строение Земли. Отсутствие поперечных волн, прошедших через центральную область Земли, позволило английскому сейсмологу Олдгему сделать вывод о существовании жидкого ядра Земли.

Сейсмический метод отражённых волн используется для поиска полезных ископаемых (например, месторождений нефти и газа). Этот метод основан на отражении искусственно созданной сейсмической волны на границе пород с разными плотностями. В скважине, пробуренной в исследуемом районе, взрывают небольшой заряд. Возникающая сейсмическая волна распространяется по всем направлениям. Достигнув границ исследуемой породы, волна отражается и возвращается обратно к земной поверхности, где её «ловит» специальный прибор (сейсмоприемник).

Продольная сейсмическая волна может распространяться

1) только в твёрдом теле 3) только в газе

2) только в жидкости 4) в твёрдом теле, жидкости и газе

На рисунке схематически изображено распространение сейсмической волны от очага землетрясения. Какой из слоёв (А или Б) имеет бльшую плотность? Ответ поясните.

Какое(-ие) утверждение(-я) справедливо(-ы)?

А. Скорость распространения сейсмической волны зависит от плотности и состава

среды.

Б. На границе двух сред с разной плотностью сейсмическая волна частично отражается,

частично преломляется.

1)только А 2) только Б 3) и А и Б 4) ни А ни Б

Шум и здоровье человека

Современный шумовой дискомфорт вызывает у живых организмов болезненные реакции. Транспортный или производственный шум действует угнетающе на человека — утомляет, раздражает, мешает сосредоточиться. Как только такой шум смолкает, человек испытывает чувство облегчения и покоя.

Уровень шума в 20–30 децибел (дБ) практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого невозможна человеческая жизнь. Для “громких звуков” предельно допустимая граница примерно 80–90 децибел. Звук в 120–130 децибел уже вызывает у человека болевые ощущения, а в 150 — становится для него непереносимым. Влияние шума на организм зависит от возраста, слуховой чувствительности, продолжительности действия.

Наиболее пагубны для слуха длительные периоды непрерывного воздействия шум

большой интенсивности. После воздействия сильного шума заметно повышается

нормальный порог слухового восприятия, то есть самый низкий уровень (громкость),

при котором данный человек еще слышит звук той или иной частоты. Измерения

порогов слухового восприятия производят в специально оборудованных помещениях

с очень низким уровнем окружающего шума, подавая звуковые сигналы через

головные телефоны. Эта методика называется аудиометрией; она позволяет получить

кривую индивидуальной чувствительности слуха, или аудиограмму. Обычно на

аудиограммах отмечают отклонения от нормальной чувствительности слуха (см.

рисунок).

Аудиограмма типичного сдвига порога слышимости после кратковременного

воздействия шума

Какие утверждения, сделанные на основании аудиограммы (см. рисунок), справедливы?

А. Максимальный сдвиг порога слышимости соответствует низким частотам (примерно

до 1000 Гц).

Б. Максимальная потеря слуха соответствует частоте 4000 Гц.

Правильный ответ: 1) только А 2) только Б 3) и А и Б 4) ни А ни Б

Что происходит с порогом слухового восприятия при высоком уровне шумов? Ответ

поясните.

Порог слышимости определяется как

1) минимальная частота звука, воспринимаемая человеком

2) максимальная частота звука, воспринимаемая человеком

3) самый высокий уровень, при котором звук той или иной частоты не приводит к потере слуха

4) самый низкий уровень, при котором данный человек еще слышит звук той или иной частоты

Человеческие голоса

Воспринимаемые человеческим ухом звуки располагаются в среднем в диапазоне от 20 до 20 000 Гц, а речевые частоты – приблизительно в диапазоне от 125 до 8000 Гц.

Высота голоса зависит от частоты колебаний голосовых связок: чем чаще колеблются голосовые связки, тем выше голос.

Певческие голоса по свойственной им высоте делятся на различные виды. В порядке возрастания высоты мужские голоса делятся на бас, баритон, тенор; женские – на контральто, меццо-сопрано, сопрано, колоратурное сопрано. Звуки самого низкого мужского голоса (баса) имеют частоту от 60 до 350 Гц, а самого высокого мужского голоса (тенора) – от 120 до 500 Гц.

Музыканты располагают звуки по октавам. Октава – это такой частотный интервал, который соответствует увеличению частоты звуковых колебаний ровно в 2 раза. Так, например, если мы возьмем частоту колебаний 100 Гц и увеличим её на октаву, то получим 200 Гц. Если теперь частоту этого звука увеличим ещё на октаву, то получим уже 400 Гц, ещё на октаву – 800 Гц и т. д.

В зависимости от амплитуды колебаний воздушного давления изменяется воздействие на барабанную перепонку и, соответственно, воспринимаемая громкость звука. При изучении восприятия звуков пользуются двумя основными понятиями, связанными с величиной звукового давления: порогом слышимости (критическое значение звукового давления, при котором звук еле слышен) и порогом болевого ощущения (звуковое давление, при котором возникает ощущение боли). Чувствительность уха к разным частотам различна: например, порог слышимости тона 50 Гц выше порога слышимости тона 1000 Гц.

Простые колебательные движения, свойства которых можно было бы описать конкретными значениями частоты и уровня воздушного давления, встречаются крайне редко. В природе вообще и в речи особенно чаще всего мы встречаемся со сложными звуками, которые являются результатом сложения нескольких простых колебательных движений. Колебания голосовых связок также представляют собой сложные колебательные процессы, где основная, самая низкая, частота характеризуется самой большой интенсивностью и определяет основной тон; колебания более высоких частот определяют обертоны (гармоники) основного тона. Интенсивность гармоник тем меньше, чем выше их частота.

На рисунке представлен график зависимости изменения давления воздуха от времени при издании звука (тона) флейтой.

Периоду колебаний основного тона звука соответствует интервал времени, заключённый между точками

1) А и Б 2) А и В 3) А и Г 4) А и Д

Самым высоким женским голосом является

1) контральто 3) меццо-сопрано

2) сопрано 4) колоратурное сопрано

Какое(-ие) из утверждений верно(-ы)?

А. Голосовые связки певца, имеющего диапазон голоса в две октавы, могут изменять

частоту своих колебаний в 4 раза.

Б. Звук с частотой 16 000 Гц относится к речевым частотам.

1) только А 2) только Б 3) и А и Б 4) ни А ни Б

Восприятие звуковых волн

Слух – способность к восприятию звуковых колебаний, которая осуществляется специальными органами слуха.

Орган слуха представляет собой сложную систему, основными элементами которой являются: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо (рис. 1).

Наружное ухо состоит из ушной раковины, улавливающей звук, слухового прохода и барабанной перепонки, на которую звуковая волна оказывает давление.

Ушная раковина помогает направить колебания давления воздуха внутрь слухового прохода. Без ушных раковин мы не могли бы так хорошо слышать звук.

Примерно в 2,5 см от входа слуховой проход оканчивается барабанной перепонкой. Это тонкая мембрана, колеблющаяся назад и вперёд при изменениях атмосферного давления. Её перемещения при этом чрезвычайно малы.

Среднее ухо содержит слуховые косточки (молоточек, наковальня и стремечко) и представляет собой воздушный барабан объёмом около 0,8 см³, который отделяется от наружного уха барабанной перепонкой площадью около 64 мм², а от внутреннего – ещё одной мембраной – овальным окном. Площадь овального окна меньше и равна примерно 3,2 мм².

Внутреннее ухо состоит из улитки, которая заполнена вязкой жидкостью. Разные части её внутренней поверхности содержат рецепторы, чувствительные к колебаниям разной частоты.

Движение барабанной перепонки непосредственно не воспринимается нервами. Назначение костей и мембран среднего уха состоит в том, чтобы превратить колебания давления воздуха в наружном ухе в колебания давления жидкости во внутреннем ухе.

Звуковая волна оказывает давление на барабанную перепонку и поэтому с некоторой силой воздействует на неё. Эта сила с помощью системы слуховых косточек, работающих наподобие рычага, увеличивается примерно в 1,3 раза и воздействует уже на овальное окно, создавая давление на жидкость во внутреннем ухе, пропорциональное отношению площадей мембран.

Таким образом, сочетание этих факторов обеспечивает значительное усиление звукового давления.

Переданное средним ухом давление распространяется вдоль трубки, называемой улиткой. Возникшие при этом электрические импульсы по слуховому нерву передаются в мозг.

В среднем ухе

1) звуковая волна полностью поглощается

2) колебания давления воздуха в наружном ухе преобразуются в колебания давления жидкости во внутреннем ухе

3) колебания давления воздуха превращаются в электрические импульсы

4) звуковая волна полностью отражается

Значительное увеличение давления жидкости во внутреннем ухе происходит

1) только за счёт того, что система косточек работает как рычаг, давая со стороны внутреннего уха выигрыш в силе

2) только за счёт того, что площадь барабанной перепонки больше площади овального окна

3) за счет того, что система косточек работает как рычаг и площадь барабанной перепонки меньше площади овального окна

4) за счёт того, что система косточек работает как рычаг и площадь барабанной перепонки больше площади овального окна

Давление жидкости во внутреннем ухе превышает давление воздуха на барабанную перепонку в наружном ухе примерно в

1) 1,3 раза 2) 20 раз 3) 21,3 раза 4) 26 раз

Цунами

Цунами – это длинные волны, порождаемые мощным механическим воздействием на всю толщу воды в океане или другом водоёме.

Существует несколько причин возникновения волн цунами. В большинстве случаев цунами вызываются подводными землетрясениями. При землетрясении под водой образуется вертикальная трещина, и часть дна опускается. Дно внезапно перестает поддерживать столб воды, лежащий над ним. Поверхность воды приходит в колебательное движение по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню – среднему уровню моря, и порождает серию волн.

Подвижка при землетрясениях имеет высоту обычно порядка 50 см, но по площади огромна – десятки квадратных километров. Поэтому возбуждаемые волны цунами имеют маленькую высоту и очень большой запас энергии. Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Но если очаг землетрясения лежит неглубоко под дном океана
(10–60 км), а землетрясение обладает большой силой (более 7–8 по шкале Рихтера), то возникновение цунами почти совершенно неизбежно.

Причиной возникновения цунами может быть оползень. Цунами такого типа возникают довольно редко. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйя возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась в воду с высоты 900 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высоты 600 м.

Другим источником цунами могут служить вулканические извержения. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются кальдеры, которые моментально заполняются водой, в результате чего возникает длинная и невысокая волна.

В открытом океане волны цунами распространяются со скоростью =gH, где g – ускорение свободного падения, а H – глубина океана (так называемое приближение мелкой воды, когда длина волны существенно больше глубины). При средней глубине 4000 м скорость распространения получается 200 м/с, или 720 км/ч. В открытом океане высота волны редко превышает один метр, а длина волны (расстояние между гребнями) достигает сотен километров, и поэтому волна неопасна для судоходства. При выходе волн на мелководье, вблизи береговой черты, их скорость и длина уменьшаются, а высота увеличивается. У берега высота цунами может достигать нескольких десятков метров. Наиболее высокие волны, до 30–40 метров, образуются у крутых берегов, в клинообразных бухтах и во всех местах, где может произойти фокусировка. Районы побережья с закрытыми бухтами являются менее опасными. Цунами обычно проявляется как серия волн, а так как волны длинные, то между приходами волн может проходить более часа.

Как изменяется скорость, высота и длина волны цунами вблизи береговой черты?

1) и скорость, и высота, и длина волны увеличиваются

2) скорость и длина волны увеличиваются, высота уменьшается

3) скорость и длина волна уменьшаются, высота увеличивается

4) длина волны уменьшается, скорость и высота увеличиваются

Чему равен период колебаний поверхности воды в волне цунами, если длина волны составляет 1 км при скорости распространения 720 км/ч?

1) 200 с 2) 0,005 c 3) 5 c 4) 0,2 с

Что может быть причиной возникновения волн цунами?

А. Землетрясения Б. Оползни В. Вулканические извержения

1) только А 2) только В 3) только А и В 4) А, Б и в

Анализ звука

При помощи наборов акустических резонаторов можно установить, какие тоны входят в состав данного звука и каковы их амплитуды. Такое установление спектра сложного звука называется его гармоническим анализом.

Раньше анализ звука выполнялся с помощью резонаторов, представляющих собой полые шары разного размера, имеющих открытый отросток, вставляемый в ухо, и отверстие с противоположной стороны. Для анализа звука существенно, что всякий раз, когда в анализируемом звуке содержится тон, частота которого равна частоте резонатора, последний начинает громко звучать в этом тоне.

Такие способы анализа, однако, очень неточны и кропотливы. В настоящее время они вытеснены значительно более совершенными, точными и быстрыми электроакустическими методами. Суть их сводится к тому, что акустическое колебание сначала преобразуется в электрическое колебание с сохранением той же формы, а следовательно, имеющее тот же спектр, а затем это колебание анализируется электрическими методами.

Один из существенных результатов гармонического анализа касается звуков нашей речи. По тембру мы можем узнать голос человека. Но чем различаются звуковые колебания, когда один и тот же человек поет на одной и той же ноте различные гласные? Другими словами, чем различаются в этих случаях периодические колебания воздуха, вызываемые голосовым аппаратом при разных положениях губ и языка и изменениях формы полости рта и глотки?

Очевидно, в спектрах гласных должны быть какие-то особенности, характерные для каждого гласного звука, сверх тех особенностей, которые создают тембр голоса данного человека. Гармонический анализ гласных подтверждает это предположение, а именно, гласные звуки характеризуются наличием в их спектрах областей обертонов с большой амплитудой, причем эти области лежат для каждой гласной всегда на одних и тех же частотах, независимо от высоты пропетого гласного звука.

Какое физическое явление лежит в основе анализа звука с помощью полых шаров?

1) резонанс 3) отражение звука от отростка шара

2) электрические колебания 4) превращение звуковых колебаний в электрические

Чем обусловлены особенности различных гласных звуков?

А. Тембром голоса человека, который их произносит

Б. Наличием в спектрах гласных обертонов с большой амплитудой

Правильный ответ: 1) только А 2) только Б 3) и А и Б 4) ни А ни Б

Что понимают под гармоническим анализом звука?

1) установление громкости звука

2) установление частот и амплитуд тонов, входящих в состав сложного звука

3) установление возможности пения на одной и той же ноте различных гласных звуков

4) установление высоты сложного звука

Шум и здоровье человека

Наиболее пагубны для слуха длительные периоды непрерывного воздействия шума большой интенсивности. После воздействия сильного шума заметно повышается нормальный порог слухового восприятия, то есть самый низкий уровень (громкость), при котором данный человек еще слышит звук той или иной частоты. Измерения порогов слухового восприятия производят в специально оборудованных помещениях с очень низким уровнем окружающего шума, подавая звуковые сигналы через головные телефоны. Эта методика называется аудиометрией; она позволяет получить кривую индивидуальной чувствительности слуха, или аудиограмму. Обычно на аудиограммах отмечают отклонения от нормальной чувствительности слуха (см. рисунок).

Аудиограмма типичного сдвига порога слышимости после кратковременного воздействия шума

Какие утверждения, сделанные на основании аудиограммы (см. рисунок), справедливы?

А. Максимальный сдвиг порога слышимости соответствует низким частотам (примерно

до 1000 Гц).

Б. Максимальная потеря слуха соответствует частоте 4000 Гц.

1) только А 2) только Б 3) и А и Б 4) ни А ни Б

Определите, какие источники шума, представленные в таблице, создают недопустимые

уровни шума.

Источник шума	Уровень шума (дБ)
А. работающий пылесос
Б. шум в вагоне метро
В. оркестр поп-музыки
Г. автомобиль
Д. шепот на расстоянии 1 м

1) В 2) В и Б 3) В, Б и Г 4) В, Б, Г и А

Порог слышимости определяется как

1) минимальная частота звука, воспринимаемая человеком

2) максимальная частота звука, воспринимаемая человеком

3) самый высокий уровень, при котором звук той или иной частоты не приводит к потере слуха

4) самый низкий уровень, при котором данный человек еще слышит звук той или иной частоты

Запись звука

Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта в 1877 году американским изобретателем Т.А. Эдисоном. Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино. Запись музыкальных произведений, рассказов и даже целых пьес на граммофонные или патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи.

На рисунке 1 дана упрощенная схема механического звукозаписывающего устройства. Звуковые волны от источника (певца, оркестра и т.д.) попадают в рупор 1, в котором закреплена тонкая упругая пластинка 2, называемая мембраной. Под действием звуковой волны мембрана колеблется. Колебания мембраны передаются связанному с ней резцу 3, острие которого чертит при этом на вращающемся диске 4 звуковую бороздку. Звуковая бороздка закручивается по спирали от края диска к его центру. На рисунке показан вид звуковых бороздок на пластинке, рассматриваемых через лупу.

Диск, на котором производится звукозапись, изготавливается из специального мягкого воскового материала. С этого воскового диска гальванопластическим способом снимают медную копию (клише). При этом используется осаждение на электроде чистой меди при прохождении электрического тока через раствор ее солей. Затем с медной копии делают оттиски на дисках из пластмассы. Так получают граммофонные пластинки.

При воспроизведении звука граммофонную пластинку ставят под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят пластинку во вращение. Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется, вместе с ним колеблется и мембрана, причем эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.

При механической записи звука используется камертон. При увеличении времени

звучания камертона в 2 раза

1) длина звуковой бороздки увеличится в 2 раза

2) длина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза

3) глубина звуковой бороздки увеличится в 2 раза

4) глубина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза

Крутильные колебания

Важным видом колебаний являются крутильные колебания, при которых тело поворачивается то в одну, то в другую сторону около оси, проходящей через его центр тяжести.

Если, например, подвесить на проволоке диск (рисунок), повернуть его так, чтобы проволока закрутилась, а затем отпустить, то диск начнёт раскручиваться, затем закручиваться в обратную сторону и т.д., т.е. будет совершать крутильные колебания. При этом дважды за период имеет место переход кинетической энергии движущегося диска в потенциальную энергию закручивающейся проволоки. Крутильные колебания нередко происходят в валах двигателей и при некоторых условиях могут оказаться очень вредными.

В ручных и карманных часах нельзя использовать подвесной маятник; в них применяется так называемый балансир – колесико, к оси которого прикреплена спиральная пружина. Балансир периодически поворачивается то в одну сторону, то в другую, при этих крутильных колебаниях пружинка изгибается (раскручивается и закручивается) в обе стороны от своего равновесного состояния. Таким образом, балансир представляет собой крутильный маятник.

Сколько раз за период крутильных колебаний кинетическая энергия маятника достигает

максимума?

1) 4 2) 2 3) 1 4) 0

Что является колебательной системой в ручных часах? Ответ поясните.

Крутильные колебания – это

1) вращение маятника вокруг нити подвеса

2) колебания тяжёлого диска, подвешенного на нити

3) колебания, при которых тело поворачивается то в одну, то в другую сторону относительно оси, проходящей через его центр тяжести

4) движение тяжёлого диска, подвешенного на нити в вертикальной плоскости