2. Звук

Определения и обозначения

Звук — механические колебания, распространяющиеся в упругой среде и воспринимаемые органами слуха. Механическими называют колебания, для которых нужна материальная среда: воздух, вода или твёрдое тело. Это определение помогает отличать звук от электромагнитных волн, например света.

Звуковая волна — распространяющееся в среде чередование сгущений и разрежений, создаваемое колеблющимся источником. Источник передаёт движение ближайшим частицам, а те — следующим, поэтому переносится энергия, но вещество в целом не движется вместе с волной. Термин нужен, чтобы описывать распространение звука и его длину λ.

Тон — звук определённой частоты, возникающий при периодических колебаниях источника. Чем больше частота, тем выше воспринимаемый тон, а чем меньше частота, тем он ниже. Поэтому частота f является главным физическим показателем высоты звука.

Тембр — своеобразие звучания, зависящее от состава и соотношения основной и дополнительных частот. Благодаря тембру мы различаем голоса и инструменты, даже если они исполняют одну ноту. Физически тембр связан не только с основной частотой, но и с гармониками — дополнительными частотами.

Как это устроено

Когда источник звука колеблется, он попеременно приближает и отдаляет частицы окружающей среды. При приближении частицы сжимаются, плотность и давление увеличиваются, возникает сгущение. При удалении источник оставляет область пониженного давления — разрежение, поэтому последовательность колебаний превращается в распространяющуюся волну.

Звуковая волна механическая, потому что её перенос обеспечивается взаимодействием частиц вещества. В воздухе и жидкости частицы не могут передавать друг другу сдвиг поперёк направления распространения, зато могут сближаться и удаляться. Поэтому в этих средах звук является продольной волной, а в вакууме нет частиц, способных передавать колебания.

Скорость звука определяется упругостью и плотностью среды: упругость помогает передавать возмущение, а инертность частиц препятствует быстрому изменению движения. В воздухе скорость зависит также от температуры и при комнатных условиях близка к 340 м/с, в воде — около 1500 м/с, а в твёрдых телах обычно ещё выше. Частота источника скорость не задаёт: при переходе волны в другую среду меняются скорость и длина волны, но частота источника сохраняется.

Частота f показывает, сколько полных колебаний происходит за секунду, и связана с периодом формулой T = 1/f. При увеличении частоты колебания повторяются чаще, поэтому звук воспринимается как более высокий. Амплитуда показывает максимальное отклонение частиц от положения равновесия; увеличение амплитуды повышает интенсивность волны и обычно воспринимаемую громкость.

Чистый тон создаётся почти гармоническими колебаниями одной частоты. Реальные источники обычно колеблются сложнее: кроме основной частоты в звуке присутствуют гармоники, то есть частоты, кратные основной. Их число и относительные амплитуды меняют форму колебаний и создают тембр, поэтому одинаковая нота на скрипке и флейте звучит неодинаково.

Виды звуковых волн по частоте

Границы слышимого диапазона являются приблизительными и зависят от возраста и состояния слуха. Для определения вида волны достаточно сравнить её частоту с 20 Гц и 20 кГц. Не следует путать диапазон частот с громкостью: очень громкий звук может оставаться слышимым, а тихий — быть ультразвуком.

Разбор задач

Задача 1. Период и длина волны

Частота звуковой волны равна f = 440 Гц, скорость распространения v = 340 м/с. Требуется найти период T и длину волны λ. Используем две независимые связи между частотой, периодом, скоростью и длиной волны.

1. Находим период: T = 1/f = 1/440 с ≈ 0,00227 с, или 2,27 мс.
2. Находим длину волны: λ = v/f = 340/440 м ≈ 0,773 м.
3. Проверяем единицы: герц означает 1/с, поэтому период получен в секундах, а деление м/с на 1/с даёт метры.

Ответ: T ≈ 2,27 мс, λ ≈ 0,77 м. Частота 440 Гц соответствует ноте ля первой октавы, но вычисленные величины зависят также от скорости звука в среде.

Задача 2. Расстояние по эху

Эхо вернулось через t = 0,8 с после крика, скорость звука v = 340 м/с. За это время звук прошёл путь от наблюдателя до преграды и обратно. Поэтому расстояние до преграды в два раза меньше полного пути.

1. Находим весь путь волны: s = vt = 340 · 0,8 = 272 м.
2. Делим путь пополам: l = s/2 = 272/2 = 136 м.
3. Проверяем смысл результата: при расстоянии 136 м путь туда и обратно равен 272 м, а время составляет 272/340 = 0,8 с.

Ответ: расстояние до преграды равно 136 м. Деление на два обязательно, если измеренное время относится к возвращению эха.

Задача 3. Сравнение распространения в воздухе и воде

Сигнал проходит расстояние s = 1,7 км в воздухе и воде. Скорости равны соответственно 340 м/с и 1500 м/с, поэтому сначала переводим расстояние в метры: 1,7 км = 1700 м. Для каждой среды применяем формулу t = s/v.

1. В воздухе: tвозд = 1700/340 = 5 с.
2. В воде: tвод = 1700/1500 ≈ 1,13 с.
3. Сравниваем времена: 5/1,13 ≈ 4,4, значит в воде сигнал приходит примерно в 4,4 раза быстрее.

Ответ: время прохождения составляет 5 с в воздухе и примерно 1,13 с в воде. Вода передаёт звук быстрее, потому что её упругие связи обеспечивают большую скорость распространения волны.

Типичные ошибки

Считать звук электромагнитной волной неверно, потому что звук связан с колебаниями частиц вещества. Так ошибаются из-за общего свойства волн — переноса энергии. Проверка простая: спросите себя, нужна ли материальная среда; для звука нужна, а для света — нет.

Частоту часто путают с амплитудой, хотя это разные характеристики. Частота определяет высоту тона, амплитуда связана с интенсивностью и громкостью. Если мысленно увеличить число колебаний в секунду, звук станет выше, а не просто громче.

Формулу длины волны иногда записывают как λ = f/v, но это неверно по смыслу и размерности. Правильная связь — λ = v/f, поскольку за один период волна проходит одну длину волны. Проверка единиц даёт м/с : 1/с = м.

При расчёте по эху берут весь пройденный путь за расстояние до стены. Ошибка возникает потому, что забывают о движении волны обратно к наблюдателю. Всегда разделяйте путь туда и обратно и используйте l = vt/2.

Связь с другими темами

Для изучения звука нужны знания о механических колебаниях: периоде, частоте и амплитуде, а также о длине и скорости волны. Эти величины позволяют описывать звук количественно и решать расчётные задачи. Без них трудно связать физические параметры с ощущениями слуха.

Тема опирается на представления о продольных волнах, плотности и упругости среды. Именно свойства вещества объясняют различия скорости звука в воздухе, воде и твёрдых телах. Поэтому звук связывает механику с изучением свойств материалов.

Знания о звуке понадобятся при изучении акустики и резонанса, принципов ультразвуковой диагностики и шумозащиты. Они также объясняют работу музыкальных инструментов и особенности человеческой речи. Практическое применение основано на управлении частотой, интенсивностью и распространением волн.

Что запомнить

• Звук — механическая волна, поэтому в вакууме он не распространяется.
• В газах и жидкостях звуковые волны являются продольными.
• Длина волны связана со скоростью и частотой формулой λ = v/f.
• Частота определяет высоту тона.
• Амплитуда колебаний связана с интенсивностью и громкостью звука.
• Человек обычно слышит звуки частотой примерно от 20 Гц до 20 кГц.
• Частоты ниже слышимого диапазона называют инфразвуком, а выше — ультразвуком.