2. Звук

Определения и обозначения

Звук — механическая волна, воспринимаемая органом слуха. Он возникает и распространяется только в упругой среде: газе, жидкости или твёрдом теле. Это определение нужно, чтобы отличать звук от электромагнитных волн.

Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания её частиц, сопровождающиеся изменениями давления и плотности. Частицы колеблются около положений равновесия, а возмущение движется дальше. Так звук переносит энергию.

Высота звука — субъективная характеристика, связанная прежде всего с частотой колебаний. Чем больше частота ν, тем выше воспринимаемый звук. Высота помогает различать, например, низкие и высокие ноты.

Громкость звука — характеристика слухового ощущения, связанная с амплитудой колебаний и интенсивностью волны. При большей амплитуде обычно возрастает интенсивность и звук кажется громче. Громкость зависит также от чувствительности слуха.

Как это устроено

В вакууме нет частиц, которые могли бы передавать друг другу деформацию, поэтому звук там не распространяется. В воздухе колеблющийся источник то сжимает, то разрежает соседние слои. Упругие силы возвращают частицы к равновесию и передают возмущение следующему слою.

Так последовательность колебаний переносит энергию, хотя сами частицы среды не движутся вместе с волной на большое расстояние. В газах звуковая волна обычно продольная: смещения частиц происходят вдоль направления распространения. Из-за чередования сжатий и разрежений меняются давление и плотность среды.

Скорость волны связана с длиной волны и частотой формулой v = λν. Здесь v — скорость распространения, λ — расстояние между ближайшими точками одинаковой фазы, а ν — число колебаний в секунду. При неизменной среде увеличение частоты приводит к уменьшению длины волны: λ = v/ν.

Частота задаётся тем, как быстро колеблется источник, поэтому она определяет высоту звука. Амплитуда показывает размах колебаний и связана с переносимой волной энергией, поэтому сильнее колеблющийся источник обычно создаёт более громкий звук. Высота и громкость — разные характеристики: высокий звук не обязан быть громким.

Чистый тон можно представить почти гармоническим колебанием одной частоты. Реальные источники создают сложные звуки, в которых кроме основной частоты присутствуют гармоники — колебания с частотами, кратными основной. Набор и относительные амплитуды гармоник формируют тембр, благодаря которому одна и та же нота на флейте и скрипке звучит по-разному.

Виды звуковых волн по частоте

Для классификации достаточно сравнить частоту волны с границами 20 Гц и 20 кГц. Указанные границы приблизительны: чувствительность слуха зависит от человека и условий. Последняя строка напоминает, что при одной скорости длина волны обратно пропорциональна частоте.

Разбор задач

Задача 1. Длина звуковой волны

Звуковая волна распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с и имеет частоту 680 Гц. Нужно найти длину волны.

1. Используем связь параметров волны: v = λν.
2. Выразим длину волны: λ = v/ν.
3. Подставим значения: λ = 340 м/с / 680 с⁻¹ = 0,50 м. Единица получается метр, потому что (м/с)/(1/с) = м.

Ответ: λ = 0,50 м.

Задача 2. Расстояние по эху

Эхо вернулось через 2,0 с после крика, скорость звука равна 340 м/с. Требуется определить расстояние до отражающей поверхности.

1. За время t звук прошёл полный путь до преграды и обратно.
2. Полный путь равен s₍общ₎ = vt = 340 м/с · 2,0 с = 680 м.
3. Расстояние до поверхности вдвое меньше: d = s₍общ₎/2 = 340 м. Деление на два необходимо, поскольку обратный путь тоже входит во время эха.

Ответ: расстояние до отражающей поверхности равно 340 м.

Задача 3. Частота, громкость и ощущения

Сравним два звука одинаковой частоты, но разной громкости, а затем два звука одинаковой громкости, но разных частот. Нужно разделить действие амплитуды и частоты.

1. При одинаковой частоте оба первых звука имеют одну и ту же высоту.
2. Большая амплитуда означает большую интенсивность волны, поэтому соответствующий звук обычно воспринимается как более громкий.
3. У второй пары одинаковая громкость указывает на близкий уровень интенсивности, но разные частоты дают разную высоту: звук с большей частотой выше.
4. Если звуки создают разные источники, их тембр может отличаться даже при совпадении частоты и громкости из-за разных гармоник.

Ответ: частота преимущественно определяет высоту, а амплитуда и интенсивность — громкость; тембр зависит от состава гармоник.

Типичные ошибки

Звук распространяется в вакууме. Так происходит из-за смешения звука с электромагнитной волной, которой среда не нужна. Проверьте себя вопросом: есть ли частицы, передающие механическое возмущение?

Частицы среды улетают вместе со звуковой волной. Ошибку вызывает образ бегущего потока, хотя частицы в основном колеблются около равновесия. Представьте цепочку маятников: передаётся энергия, а каждый маятник остаётся на своём месте.

Высокий звук считают громким, а громкий — высоким. Частоту ошибочно связывают с силой звука, хотя она определяет высоту, а амплитуда — главным образом громкость. Для проверки отдельно спросите: изменилось число колебаний в секунду или только их размах?

Формулу v = λν применяют без учёта среды или путают частоту с периодом. Скорость звука зависит от среды, а частота ν равна 1/T, где T — период. Сначала выпишите известные величины и их единицы, затем проверьте размерность результата.

Связь с другими темами

Для изучения звука нужны знания о механических колебаниях: периоде, частоте, амплитуде, длине волны и формуле v = λν. Без них трудно связать наблюдаемое ощущение с параметрами волны.

Звук опирается на представления об упругости и плотности среды. Его отражение и интерференция объясняют эхо, особенности акустики помещений и усиление или ослабление звука.

Эти знания применяются при изучении резонанса, ультразвуковой диагностики, эхолокации и эффекта Доплера. Поэтому свойства звука важны и для физики, и для техники.

Что запомнить

• Звук — механическая волна, поэтому для его распространения нужна упругая среда.
• В вакууме звук не распространяется.
• Связь параметров волны задаётся формулой v = λν.
• Частота определяет высоту звука, а амплитуда связана с его громкостью.
• Тембр зависит от состава и соотношения гармоник звука.
• Инфразвук имеет частоту ниже 20 Гц, слышимый звук — примерно от 20 Гц до 20 кГц, ультразвук — выше 20 кГц.