"Физика", Андрюшечкин С.М.
Звук возникает из-за колебаний тел и распространяется в упругой среде — например, в воздухе, воде или твёрдом теле. Частицы среды передают колебания друг другу, перенося энергию, но сами не уходят далеко от исходных положений. Частота определяет высоту звука, а амплитуда связана с его громкостью. Отражение звуковой волны от препятствия может создать эхо: по задержке возвращённого звука можно найти расстояние до преграды.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковые колебания — это колебания тел, которые могут вызвать у человека слуховое ощущение. Например, струна гитары дрожит и создаёт звук. Это понятие помогает понять, что звук начинается не с самого воздуха, а с колеблющегося источника.
Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания частиц, переносящие энергию. Упругая среда — вещество, частицы которого могут смещаться и возвращаться к равновесию. Понятие волны нужно, чтобы объяснить, как звук доходит от источника до слушателя, даже если частицы среды не движутся вместе с ним на большое расстояние.
Частота звука — число колебаний источника за одну секунду; её обозначают f и измеряют в герцах (Гц). Если источник совершает 440 колебаний за секунду, его частота равна 440 Гц. Частота помогает описывать звук числом и связана с тем, насколько высоким он воспринимается.
Эхо — отражённый звук, который воспринимается отдельно от первоначального. Оно возникает, когда звуковая волна отражается от препятствия и возвращается с задержкой. Эхо позволяет не только услышать отражение, но и оценить расстояние до преграды.
Звук возникает, когда тело-источник колеблется и передаёт эти колебания окружающей среде. Двигаясь, источник то сжимает прилегающие слои воздуха, то ослабляет давление в них. Так создаются изменения состояния среды, которые могут распространяться от источника. Без колеблющегося источника звуковая волна не появляется.
Для распространения звуку нужна упругая среда, потому что колебание передаётся от одной её частицы к соседним. Частицы смещаются около положений равновесия, толкают соседей и затем возвращаются обратно; так энергия движется дальше. В вакууме частиц нет, поэтому передавать колебания некому и звук там не распространяется. При этом движение волны не означает, что вещество целиком переносится от источника к слушателю.
В газах и жидкостях звуковые волны продольные: частицы колеблются вдоль направления, в котором идёт волна. Когда частицы сближаются, образуется сгущение, а когда расстояние между ними увеличивается — разрежение. Соседние участки среды поочерёдно сжимаются и разрежаются, поэтому возмущение распространяется вперёд. По этому движению участков можно отличить продольную волну от поперечной.
Высота звука связана с частотой колебаний источника: чем больше частота, тем выше воспринимаемый звук. Громкость зависит от размаха колебаний источника и амплитуды звуковой волны — величины наибольшего отклонения частиц от равновесия. Большая амплитуда обычно соответствует более громкому звуку, хотя восприятие громкости зависит и от слуха человека. Тембр позволяет отличать звуки разных источников даже при одинаковых высоте и громкости: он связан с особенностями колебаний и состава звука.
Звуковая волна отражается от преграды, если встречает поверхность, от которой может вернуться к слушателю. Когда отражённый звук приходит достаточно поздно, он слышится отдельно и становится эхом. Чтобы определить расстояние до препятствия, сначала находят весь путь звука по формуле s = vt, где v — скорость звука, а t — время до возвращения эха. Этот путь вдвое больше расстояния до преграды, поэтому результат делят на два.
| Характеристика | От чего зависит | Что меняется при увеличении |
|---|---|---|
| Высота звука | От частоты колебаний источника | Звук становится выше |
| Громкость звука | От амплитуды колебаний и интенсивности звуковой волны | Звук воспринимается громче |
| Тембр звука | От формы колебаний и набора составляющих звук частот | Меняется окраска звука; она не становится просто выше или громче |
| Скорость распространения | От свойств среды и условий распространения | Волна проходит большее расстояние за то же время |
Сравнивая характеристики, сначала определите, что именно меняется: частота, амплитуда, особенности колебаний или среда. Частота отвечает за высоту, а амплитуда — за связь с громкостью; поэтому увеличение одной величины не означает автоматического увеличения другой. Скорость звука нужно рассматривать отдельно: она характеризует распространение волны в среде.
Камертон совершает 440 колебаний за 1 с. Требуется определить частоту звука и указать, что она характеризует. Частота — это число колебаний за единицу времени, поэтому здесь дано именно то значение, которое нужно найти. Важно не путать число колебаний за секунду с общим числом колебаний за произвольный промежуток времени.
Ответ: частота равна 440 Гц; она связана с высотой звука. Чем больше частота, тем выше звук. Сама по себе эта величина не показывает, насколько громко звучит камертон.
Звук отразился от стены и вернулся через 0,4 с; скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Нужно найти расстояние до стены. За указанное время звук успевает пройти от источника до стены и назад, поэтому вычисленная длина пути будет в два раза больше искомого расстояния. Если забыть об отражённом пути, получится завышенный ответ.
Ответ: расстояние до стены равно 68 м. Проверка: на путь до стены звук тратит половину времени — 0,2 с, а за это время проходит 340 · 0,2 = 68 м. Значит, деление полного пути на два учтено верно.
Человек услышал эхо через 2,0 с после крика; скорость звука равна 340 м/с. Требуется найти расстояние до скалы и объяснить, почему отражённый звук слышен отдельно. Время измерено до возвращения звука, поэтому оно включает обе части пути. Отдельно эхо воспринимается из-за задержки отражённой волны относительно первоначального звука.
Ответ: скала находится на расстоянии 340 м. Эхо слышно отдельно, потому что отражённый звук приходит позже крика. При расчёте использовали всю задержку, а затем поделили полный путь на два.
Ошибка: считать, что звук распространяется в вакууме. Обычно так думают, потому что звук часто представляют как нечто, исходящее от источника, и забывают о передаче колебаний между частицами. Но в вакууме нет частиц, которые могли бы передать возмущение. Проверьте себя вопросом: какая среда переносит колебания?
Ошибка: путать высоту и громкость звука. Можно решить, что более громкий звук обязательно выше, потому что в быту эти ощущения иногда меняются одновременно. Однако высота связана с частотой, а громкость — с амплитудой колебаний. Проверяя ответ, уточните, какая именно величина изменяется в условии задачи.
Ошибка: не делить на два путь звука при расчёте расстояния по эху. Причина — в задаче обычно спрашивают расстояние до стены или скалы, а время относится к более длинному пути туда и обратно. Сначала вычислите полный путь по формуле s = vt, затем разделите его на два. Проверка: звук должен пройти до препятствия только половину найденного пути.
Ошибка: считать, что частицы среды перемещаются вместе со звуковой волной на большое расстояние. Это представление возникает, если смешать перенос энергии с переносом вещества. На деле частицы лишь колеблются около положений равновесия и передают движение соседям. Проверьте себя: волна распространяется, а отдельная частица среды в основном возвращается к исходному положению.
Для понимания звука нужны знания о механических колебаниях, упругой среде и волнах: источник колеблется, а среда передаёт возмущение дальше. Понятия частоты и периода помогают описать повторяющиеся колебания и объяснить, почему изменение частоты меняет высоту звука. Те же знания пригодятся при изучении ультразвука, акустики и способов измерения расстояний. Например, отражённые звуковые волны используют, чтобы определить положение удалённого объекта.
Почему звук не распространяется в вакууме?
В вакууме нет частиц, которые могли бы передавать колебания от источника дальше. Поэтому звуковой волне нужна упругая среда — газ, жидкость или твёрдое тело.
Чем отличаются высота и громкость звука?
Высота связана с частотой: чем чаще колеблется источник, тем выше звук. Громкость зависит от размаха колебаний и связанной с ним амплитуды звуковой волны.
Почему звук в воздухе называют продольной волной?
Частицы воздуха колеблются вдоль направления, в котором распространяется звук. При этом образуются чередующиеся сгущения и разрежения воздуха.
Как возникает эхо?
Звуковая волна отражается от препятствия и возвращается к слушателю. Если отражённый звук приходит с заметной задержкой, его можно услышать отдельно от первоначального.
Как по времени возвращения эха определить расстояние до препятствия?
Нужно умножить скорость звука на время между изданием звука и возвращением эха, а затем разделить результат на два. Деление необходимо потому, что звук проходит путь до препятствия и обратно.
§ 20. Звук
