"Физика (базовый и профильный уровни)", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Звук — механические колебания, которые распространяются в упругой среде: газе, жидкости или твёрдом теле. Колеблющийся источник передаёт возмущение частицам среды, а волна переносит энергию, не перенося вещество на большие расстояния. Связь скорости звука, частоты и длины волны выражает формула λ = v / ν. Частота определяет высоту звука, амплитуда связана с громкостью, а форма колебаний — с тембром. По частоте различают инфразвук, слышимый звук и ультразвук.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звук — механические колебания, распространяющиеся в упругой среде. Упругая среда способна передавать деформацию от одной частицы к соседним. Поэтому звуку нужны частицы, которые могут взаимодействовать и передавать колебания: в вакууме такой передачи нет.
Звуковая волна — распространяющееся в среде возмущение, которое переносит энергию, но не переносит вещество на большие расстояния. Частицы среды не путешествуют вслед за волной, а колеблются около положения равновесия. Это определение помогает отличить распространение звука от направленного движения воздуха или воды.
Инфразвук — звук, частота которого ниже нижней границы диапазона, слышимого человеком. Частоту обозначают греческой буквой ν и измеряют в герцах (Гц). Инфразвук нужен для описания низкочастотных колебаний, которые человек обычно не воспринимает слухом.
Ультразвук — звук с частотой выше верхней границы слышимого человеком диапазона. Он также является механической волной и требует среды для распространения. Понятие ультразвука важно, например, при объяснении работы диагностических приборов и датчиков.
Когда источник звука колеблется, он поочерёдно сближает и раздвигает соседние частицы среды. Сближенные частицы образуют области сжатия, а раздвинутые — разрежения. Каждая частица передаёт воздействие следующей и сама колеблется около равновесия, поэтому возмущение постепенно распространяется от источника. Так возникает продольная волна: частицы колеблются вдоль направления её распространения.
В газах и жидкостях частицы свободно перемещаются относительно друг друга, но среда сопротивляется сжатию и стремится восстановить равновесие. Именно это позволяет передавать продольные сжатия и разрежения. Для распространения поперечной волны нужна упругая реакция на сдвиг, которой жидкости и газы в обычных условиях не обеспечивают. Скорость звука зависит от того, насколько среда упруга и насколько инертны её частицы: поэтому в разных веществах она различна.
Длину волны λ, скорость распространения v и частоту ν связывает соотношение λ = v / ν, или v = λν. За один период колебаний волна проходит расстояние, равное одной длине волны, поэтому длина зависит и от скорости, и от частоты. На границе сред частота колебаний задаётся источником и сохраняется. Если в новой среде скорость изменилась, длина волны должна измениться пропорционально скорости.
Человек обычно слышит звуки примерно от 20 Гц до 20 кГц, хотя реальные границы зависят от возраста и особенностей слуха. Ниже этого диапазона находится инфразвук, внутри него — слышимый звук, выше — ультразвук. Границы диапазона условны: они описывают типичные возможности слуха, а не резкий переход в самой среде. Частоты позволяют классифицировать волны даже тогда, когда человек их не слышит.
Частота колебаний определяет высоту звука: более частые колебания воспринимаются как более высокий звук. Амплитуда связана с громкостью, поскольку при более сильных колебаниях волна обычно переносит больше энергии и звучит громче. Громкость также зависит от расстояния до источника и особенностей слуха. Тембр определяется формой колебаний и сочетанием основного тона с дополнительными составляющими, поэтому звуки одинаковой высоты могут звучать по-разному.
| Вид звука | Диапазон частот | Примеры источников или применения |
|---|---|---|
| Инфразвук | Ниже примерно 20 Гц | Колебания при землетрясениях, мониторинг природных явлений |
| Слышимый звук | Примерно от 20 Гц до 20 кГц | Речь, музыкальные инструменты, сигналы |
| Ультразвук | Выше примерно 20 кГц | Медицинская диагностика, эхолокация, очистка деталей |
Сначала определите частоту волны, а затем сравните её с примерными границами слышимости. Значения 20 Гц и 20 кГц ориентировочные: диапазон слуха меняется от человека к человеку. Примеры в таблице показывают, где встречаются разные области частот, но не ограничивают их применение только этими случаями.
Задача 1. Звук частотой 680 Гц распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с. Найдите длину волны. Известны скорость и частота, значит, можно сразу применить λ = v / ν. Перед подстановкой убедимся, что скорость дана в метрах в секунду, а частота — в герцах.
Ответ: длина звуковой волны равна 0,5 м.
Задача 2. За 0,5 с звук проходит 170 м. Определите скорость звука и длину волны, если частота источника равна 500 Гц. Сначала найдём скорость: она показывает, какое расстояние волна проходит за единицу времени. Затем используем найденную скорость и частоту для расчёта длины волны.
Ответ: скорость звука равна 340 м/с, длина волны — 0,68 м.
Задача 3. Источник излучает звук частотой 1,2 кГц. При переходе из воздуха в воду скорость меняется с 340 м/с на 1500 м/с. Найдите длину волны в обеих средах и выясните, изменится ли высота звука. Частоту сначала переведём в герцы, а затем применим формулу отдельно для каждого значения скорости. При переходе частота сохраняется, поэтому высота звука не изменится.
Ответ: в воздухе длина волны примерно 0,283 м, в воде — 1,25 м; высота звука не изменится.
Считать, что звук распространяется в вакууме, — ошибка: звук является механической волной и передаётся взаимодействующими частицами среды. Так можно подумать, представляя звук как нечто самостоятельное, не связанное с веществом. Проверка простая: спросите себя, кто передаёт колебания от источника дальше. Если среды нет, передавать их некому.
Скорость звука часто путают со скоростью движения частиц среды. Волна распространяется по среде, а отдельные частицы в основном колеблются около равновесных положений. Путаница возникает потому, что движение волны и движение частиц происходят одновременно. Проверьте себя: частица за период возвращается примерно туда, откуда начала, тогда как возмущение за это время проходит расстояние λ.
При переходе в другую среду иногда считают, что меняется частота. Но колебания источника задают частоту, поэтому на границе она сохраняется; обычно меняются скорость распространения и длина волны. Ошибка возникает из-за того, что все характеристики волны воспринимаются как одинаково зависимые от среды. Проверка: подставьте неизменную ν в λ = v / ν и убедитесь, что при изменении v меняется λ.
Громкость нельзя отождествлять с частотой, а высоту — с амплитудой. Частота связана с высотой, тогда как амплитуда и интенсивность связаны с громкостью. Их путают, потому что оба свойства можно менять у одного и того же источника. Проверьте рассуждение: если увеличить частоту, звук станет выше; если усилить колебания при той же частоте, он станет громче.
Для изучения звука нужны знания о механических колебаниях, периоде и частоте: без них трудно описать колеблющийся источник. Формула v = λν связывает тему с общими свойствами волн и помогает находить длину волны по скорости и частоте. Представления о частоте, амплитуде и распространении звука пригодятся при дальнейшем изучении акустики и резонанса. Они также важны для понимания ультразвуковых методов и других волновых явлений.
Почему звук не распространяется в вакууме?
Звук — механическая волна: для её распространения частицы среды должны передавать колебания друг другу. В вакууме таких частиц практически нет, поэтому передать возмущение некому.
Чем звуковая волна отличается от движения частиц среды?
Волна распространяется по среде и переносит энергию. Частицы среды при этом лишь колеблются около своих положений равновесия, а не движутся вместе с волной на большие расстояния.
Что происходит с длиной волны звука при переходе в другую среду?
Длина волны меняется, потому что скорость звука в новой среде обычно отличается. Частота при переходе сохраняется, поэтому λ = v / ν: изменение скорости приводит к изменению длины волны.
От чего зависят высота и громкость звука?
Высота связана с частотой: чем она больше, тем выше звук. Громкость связана с амплитудой колебаний и интенсивностью звуковой волны: при большей амплитуде звук обычно воспринимается громче.
Чем инфразвук отличается от ультразвука?
Инфразвук имеет частоту ниже нижней границы слышимого человеком диапазона, а ультразвук — выше верхней. Человек обычно не слышит ни тот, ни другой, хотя эти волны могут использоваться в природе и технике.
§ 30. Звук
