Звуковые волны

Определение

Звуковые волны — это упругие волны, способные вызывать у человека слуховые ощущения; они представляют собой распространяющиеся в среде колебания частиц, которые передаются от источника к приёмнику.

Формула

v = λ ⋅ f

• v — скорость распространения звуковой волны
• λ — длина звуковой волны
• f — частота звуковой волны

Единицы измерения: скорость (м/с), длина волны (м), частота (Гц)

Как возникают звуковые волны

Звуковые волны появляются, когда какой-либо источник начинает колебаться. Например, струна гитары, мембрана динамика или голосовые связки человека. Эти колебания передаются ближайшим частицам окружающей среды (воздуха, воды, твёрдого тела), которые, в свою очередь, передают их соседним частицам. Так образуются области сжатия и разрежения, которые поочерёдно распространяются в пространстве, перенося энергию. Сами частицы среды при этом остаются на своих местах, лишь совершая колебательные движения вокруг положения равновесия.

Свойства и характеристики звуковых волн

Основными характеристиками звуковой волны являются её частота, длина волны, амплитуда и скорость распространения. Частота определяет высоту звука: чем выше частота, тем выше тон. Длина волны связана со скоростью и частотой. Амплитуда колебаний частиц среды определяет громкость звука: большая амплитуда соответствует более громкому звуку. Скорость звука зависит от свойств среды, в которой он распространяется: в твёрдых телах звук распространяется быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях — быстрее, чем в газах.

Диапазон слышимости и инфразвук/ультразвук

Человеческое ухо способно воспринимать звуковые волны в определённом диапазоне частот, примерно от 20 Герц (Гц) до 20 000 Гц. Звуковые волны с частотой ниже 20 Гц называются инфразвуком. Мы его не слышим, но можем ощущать как вибрацию (например, от грозы или работы мощных механизмов). Волны с частотой выше 20 000 Гц называются ультразвуком. Его не слышит человек, но воспринимают некоторые животные (летучие мыши, дельфины). Ультразвук широко применяется в медицине и технике благодаря своей высокой проникающей способности и малой длине волны.

Как найти и применять

1. Определите тип среды, в которой распространяется звук, чтобы знать его скорость (если она не дана).
2. Выясните, известна ли частота или длина волны.
3. Используйте формулу v = λ ⋅ f, чтобы найти неизвестную величину.
4. Если нужно определить высоту звука, обратите внимание на частоту. Чем больше частота, тем выше звук.
5. Если нужно определить громкость, обратите внимание на амплитуду колебаний.

Разбор задач

Задача 1

Определите длину звуковой волны в воздухе, если её частота равна 440 Гц, а скорость звука в воздухе принять равной 340 м/с.

1. Запишем известную формулу, связывающую скорость, частоту и длину волны: v = λ ⋅ f. 2. Из этой формулы выразим длину волны: λ = v / f. 3. Подставим заданные значения: λ = 340 м/с / 440 Гц. 4. Вычислим значение: λ ≈ 0,77 м.

Ответ: Длина звуковой волны составляет приблизительно 0,77 метра.

Где это встречается

• Музыкальные инструменты — Колебания струн, воздуха или мембран создают звуковые волны определённой частоты и амплитуды, формируя мелодию и тембр.
• Медицинская диагностика (УЗИ) — Ультразвуковые волны направляются в тело человека; отражённые волны фиксируются и используются для построения изображения внутренних органов, так как волны по-разному отражаются от тканей различной плотности.
• Эхолокация — Используется в гидролокаторах для измерения глубины водоёмов или обнаружения подводных объектов. Звуковые волны посылаются, отражаются от дна или объекта и возвращаются, а по времени их прохождения определяется расстояние.
• Строительство и дефектоскопия — Ультразвук применяется для обнаружения скрытых дефектов в материалах, таких как трещины или пустоты, так как звуковые волны по-разному распространяются в дефектных и целых участках.

Типичные ошибки

Не путать

• Электромагнитные волны (свет, радиоволны) — Звуковые волны — механические, им нужна среда для распространения, они не распространяются в вакууме. Электромагнитные волны — это колебания электромагнитного поля, они прекрасно распространяются в вакууме.
• Волны на поверхности воды — Звуковые волны — это продольные или поперечные колебания частиц в объёме среды. Волны на воде — это сочетание продольных и поперечных колебаний, распространяющихся по границе раздела двух сред (воды и воздуха).

Откуда взялось понятие

Изучение звуковых явлений началось ещё в античности. Пифагор связывал высоту звука с длиной струны. В XVII веке Исаак Ньютон теоретически вывел формулу скорости звука в газах. Понимание звука как волнового процесса развивалось благодаря работам таких учёных, как Роберт Бойль, Эрнст Хладни и лорд Рэлей.

Как запомнить

Звук — это дрожь, которая бежит сквозь вещество, но не через пустоту.