"Физика (базовый и углублённый уровни)", Грачёв А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М., Боков П.Ю.
Звук — механическая волна, которую улавливает слух: она возникает при колебаниях источника и распространяется через упругую среду — например, воздух, воду или твёрдое тело. Звук помогает передавать речь, музыку и сигналы, а его свойства используют в эхолокации и ультразвуковой диагностике. Частота связана с высотой тона, амплитуда — с громкостью, а форма колебаний определяет тембр. Скорость звука зависит от среды и температуры.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звук — механические колебания и волны, воспринимаемые органами слуха человека. Механическими называют колебания, при которых движутся частицы вещества, поэтому для звука нужна материальная среда. Это определение помогает отличить звук от электромагнитного излучения, которое может распространяться в вакууме.
Звуковая волна — распространяющееся в упругой среде чередование сжатий и разрежений. Упругой называют среду, частицы которой после смещения стремятся вернуться в исходное положение. Сжатия и разрежения показывают, как в газе передаётся звуковое возмущение, не перенося вместе с волной само вещество на большие расстояния.
Тон — звук, создаваемый периодическим колебанием одной частоты. Периодическим называется движение, которое повторяется через равные промежутки времени; частоту обозначают ν и измеряют в герцах (Гц). Понятие тона нужно, чтобы описывать звук с одной определённой высотой, например ноту музыкального инструмента.
Тембр — характер звука, зависящий от состава и относительных амплитуд его гармоник. Гармоники — составляющие колебания с частотами, кратными основной частоте; их сочетание меняет форму звукового сигнала. Благодаря тембру мы различаем голоса и инструменты даже тогда, когда они звучат на одной ноте с одинаковой громкостью.
Звук возникает, когда источник колеблется: например, струна отклоняется и движется около положения равновесия. Источник должен передать движение другим телам, а значит, рядом с ним должны находиться частицы вещества. В вакууме таких частиц почти нет, поэтому колебание нечему передавать от источника к слушателю. Именно поэтому звук не распространяется в вакууме, хотя свет и радиоволны могут пройти через него.
Колеблющаяся поверхность то толкает соседние частицы, то отступает от них. В первом случае частицы оказываются ближе друг к другу и образуют область повышенного давления — сжатие, во втором они расходятся, формируя разрежение. Частицы среды не летят от источника до уха: каждая передаёт колебание соседним частицам, а возмущение движется дальше. В воздухе такое распространение происходит в виде продольной волны: частицы колеблются вдоль направления движения волны.
Скорость звука определяется тем, насколько легко среда передаёт упругое возмущение и насколько велика её плотность. Поэтому в воздухе, воде и твёрдых телах скорость различна; в воздухе она также меняется с температурой, поскольку при нагревании меняются свойства газа и движение его частиц. Громкость и высота описывают другие стороны звука: громкий звук может быть низким, а тихий — высоким. Следовательно, нельзя вычислить скорость только по тому, как громко или высоко слышен звук.
За один период колебаний волна проходит расстояние, равное одной длине волны λ. Если частота ν показывает число колебаний за секунду, то за секунду волна проходит ν таких длин волн. Поэтому скорость распространения связана с длиной волны и частотой формулой v = λν. При постоянной скорости увеличение частоты означает уменьшение длины волны, а при заданной частоте скорость можно найти, умножив её на длину волны.
Частота колебаний источника задаёт высоту тона: чем больше частота, тем выше звук. Амплитуда показывает наибольшее отклонение колеблющихся частиц от равновесия; при прочих равных большая амплитуда связана с большей интенсивностью и воспринимается как большая громкость. Однако одинаковая частота не гарантирует одинакового звучания: разные источники создают разные наборы гармоник и формы колебаний. Поэтому голос и музыкальный инструмент можно различить по тембру, даже если они берут одну ноту.
График показывает периодическое изменение смещения частиц среды. Если изображена зависимость смещения от времени в одной точке, повторение рисунка позволяет определить период и частоту; если от координаты — расстояние между одинаковыми участками волны показывает длину волны. Это две разные характеристики, хотя обе связаны со скоростью звука соотношением v = λν.
| Характеристика | Физическая причина | Как воспринимается | Единица измерения или связь |
|---|---|---|---|
| Частота | Число колебаний за единицу времени | Высота тона | Герц (Гц) |
| Амплитуда колебаний | Наибольшее смещение частиц от положения равновесия | Связана с громкостью | Единица зависит от измеряемого смещения |
| Форма колебаний и состав гармоник | Сочетание основной частоты и её гармоник | Тембр | Гармоники имеют частоты, кратные основной |
| Скорость распространения | Свойства среды и её температура | Непосредственно не задаёт высоту или громкость | м/с; v = λν |
| Длина волны | Расстояние, которое волна проходит за один период | Не воспринимается отдельно органами слуха | м; λ = v/ν |
Таблица помогает не смешивать физическую причину звукового свойства с тем, как его воспринимает человек. При решении задачи сначала определите, какие величины известны и что нужно найти, а затем выберите соответствующую связь. Например, частота и длина волны вместе со скоростью связаны формулой v = λν, тогда как тембр описывается составом колебаний.
Звуковая волна распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с и имеет частоту 680 Гц. Найдём длину волны. Здесь скорость уже дана в метрах в секунду, а частота — в герцах, то есть в обратных секундах; эти единицы согласованы для формулы.
Ответ: длина волны равна 0,5 м. Это разумный результат: за одну секунду волна проходит 340 м, совершая за это время 680 колебаний, поэтому на одно колебание приходится половина метра.
Определим, сможет ли человек услышать звук частотой 25 кГц и к какому диапазону он относится. Переведём частоту в герцы: 1 кГц = 1000 Гц, значит, 25 кГц = 25 000 Гц. Для сравнения используем приблизительный диапазон слышимости человека — от 20 Гц до 20 000 Гц.
Ответ: человек не услышит этот звук; это ультразвук. Реальные границы слышимости индивидуальны и могут меняться с возрастом, но здесь частота находится выше принятой верхней границы.
Эхо вернулось к наблюдателю через 0,8 с после хлопка. Скорость звука равна 340 м/с. За измеренное время звук успел дойти до препятствия и вернуться, поэтому 0,8 с — время движения по всему пути, а не только до преграды.
Ответ: расстояние до препятствия равно 136 м. Проверка смысла результата проста: обратный путь тоже составляет 136 м, а вместе они дают 272 м, пройденные звуком за 0,8 с.
Первая ошибка — считать, что звук распространяется в вакууме, потому что его путают со световой или радиоволной. Звук механический: для передачи колебаний нужны частицы вещества, а электромагнитные волны могут распространяться без среды. Чтобы проверить себя, спросите, что именно колеблется и передаёт возмущение от источника к слушателю.
Вторая ошибка возникает при расчёте расстояния по эху: время возвращения принимают за время пути только до препятствия. Это неверно, потому что измеряется весь путь — от наблюдателя до преграды и обратно. Проверьте схему движения звука: если известное время относится к эху, вычисленный путь нужно разделить на два.
Третья ошибка — связывать громкость с частотой. Частота определяет высоту тона, а амплитуда колебаний связана с громкостью; высокая нота может звучать тихо, а низкая — громко. Самопроверка: спросите, что меняется при ускорении колебаний и что — при увеличении их размаха.
Четвёртая ошибка — подставлять в расчёт одну и ту же скорость звука для любых условий. Скорость зависит от среды и температуры, поэтому значение для воздуха нельзя без проверки переносить на воду или твёрдое тело. Перед вычислением найдите, какая среда указана в условии, и убедитесь, что скорость относится именно к ней и подходящей температуре.
Для изучения звука нужны знания о механических колебаниях: положении равновесия, периоде, частоте и амплитуде. Также пригодится тема волн, где вводятся длина волны и скорость распространения; именно эти величины связывает формула v = λν. Если уверенно различать параметры колебания и волны, проще объяснить свойства звука и решать расчётные задачи.
Звуковые волны изучают в акустике. Их отражение используют в эхолокации и для измерения расстояний, а ультразвук — в диагностике внутренних органов и исследовании материалов. Понимание частоты, амплитуды и тембра необходимо при изучении музыкальных инструментов и обработке звука.
Почему звук не распространяется в космосе?
Звук передаётся от частицы к частице через колебания вещества, поэтому ему нужна упругая среда. В космосе между небесными телами очень разреженный газ, и звук не может распространяться так, как в воздухе.
От чего зависят громкость и высота звука?
Высота тона определяется частотой колебаний: чем она больше, тем выше воспринимается звук. Громкость связана с амплитудой колебаний и интенсивностью звуковой волны.
Чем отличаются ультразвук и инфразвук от обычного слышимого звука?
Они отличаются частотой. Инфразвук ниже нижней границы слышимости человека — примерно 20 Гц, а ультразвук выше верхней — примерно 20 кГц; обычный слышимый звук находится между этими значениями.
Почему в воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе?
Скорость зависит от упругости среды и её плотности, а не просто от того, насколько близко расположены частицы. В воде упругие возмущения передаются быстрее, чем в воздухе, поэтому скорость звука в ней выше.
Как по эху определить расстояние до препятствия?
Нужно измерить время между звуком и его возвращением, а затем умножить его на скорость звука. Получится весь путь туда и обратно, поэтому расстояние до препятствия равно половине результата: d = vt/2.
§ 49. Звук
