"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Звук — механическая волна, которая переносит колебания через упругую среду: воздух, воду или твёрдое тело. Благодаря звуковым волнам мы слышим речь и музыку, а также можем обнаруживать объекты и исследовать внутренние структуры с помощью ультразвука. Высота звука связана с частотой, громкость — с интенсивностью волны, а тембр — с её составом. Чтобы описывать звук, нужно учитывать свойства среды, скорость распространения и диапазон частот.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковая волна — механическая волна, распространяющаяся в упругой среде благодаря колебаниям её частиц. Упругая среда возвращается к исходному состоянию после деформации, поэтому может передавать колебания дальше; в вакууме частиц, передающих их, нет. Это определение помогает понять, почему звук слышен в воздухе, воде и твёрдых телах, но не в пустом пространстве.
Высота звука — характеристика звучания, связанная с частотой колебаний источника: чем частота больше, тем звук выше. Частота показывает, сколько колебаний происходит за секунду, и измеряется в герцах (Гц). Это понятие позволяет различать, например, низкий бас и высокий свист.
Громкость звука — субъективное восприятие силы звучания, связанное с интенсивностью волны и амплитудой колебаний. Интенсивность показывает, сколько энергии переносит волна за единицу времени через единицу площади; при большей амплитуде звук обычно воспринимается громче. Понятие нужно, чтобы не смешивать силу звучания с высотой тона.
Тембр звука — особенность звучания, определяемая составом звуковых колебаний и относительной интенсивностью обертонов. Обертоны — дополнительные частоты, которые звучат вместе с основной. Тембр объясняет, почему одна и та же нота на флейте и скрипке воспринимается по-разному.
Когда тело колеблется, оно попеременно толкает и оттягивает частицы ближайшего воздуха. Перед телом возникает область сжатия, а за ним — разрежения; затем колебания передаются соседним частицам. Так образуется звуковая волна, которая удаляется от источника, хотя сами частицы среды лишь колеблются около своих положений равновесия. Энергия переносится волной, а не потоком воздуха от источника к слушателю.
В воздухе частицы колеблются вдоль направления распространения волны, поэтому звуковая волна является продольной. Она распространяется только там, где частицы могут взаимодействовать и передавать колебания, то есть в упругой среде. Скорость зависит от того, насколько быстро среда передаёт возмущение: важны её свойства и температура. Поэтому звук в разных средах движется с разной скоростью, а в воздухе его скорость меняется с температурой.
Источник задаёт частоту колебаний, и именно она определяет высоту воспринимаемого звука. Чем быстрее источник колеблется, тем больше колебаний в секунду достигает слушателя и тем выше тон. Амплитуда связана с тем, насколько сильно отклоняются частицы среды, а интенсивность — с потоком энергии звуковой волны. При большей интенсивности звук обычно кажется громче, хотя восприятие зависит и от особенностей слуха.
Звуки музыкальных инструментов обычно сложные: кроме основной частоты в них присутствуют дополнительные составляющие — обертоны. Их набор и относительная интенсивность различаются у разных источников, поэтому форма колебаний получается разной. Если две ноты имеют одинаковую основную частоту и близкую громкость, различие обертонов всё равно позволяет распознать инструменты. Это различие звучания и называют тембром.
Человек слышит лишь часть возможных звуковых частот: обычно примерно от 20 Гц до 20 000 Гц, причём границы зависят от возраста и слуха. Частоты ниже слышимого диапазона называют инфразвуком, а выше — ультразвуком. Инфразвук возникает, например, при некоторых природных явлениях; ультразвук используют в медицинской диагностике и для поиска дефектов внутри материалов. Эти волны не обязательно слышны человеку, но могут взаимодействовать с телами и переносить информацию.
| Вид колебаний | Диапазон частот | Слышимость человеком | Примеры или применение |
|---|---|---|---|
| Инфразвук | Ниже 20 Гц | Не слышен | Возникает при природных явлениях |
| Слышимый звук | Примерно 20 Гц–20 000 Гц | Слышен в пределах возможностей слуха | Речь и музыка |
| Ультразвук | Выше 20 000 Гц | Не слышен | Медицинская диагностика, обнаружение дефектов |
Чтобы определить, к какому виду относятся колебания, сравните их частоту с границами слышимого диапазона. Значения границ приблизительны: способность слышать разные частоты меняется с возрастом и индивидуальными особенностями. Последний столбец показывает, что и неслышимые человеком колебания находят практическое применение.
Звуковая волна в воздухе имеет частоту 680 Гц. Определите её длину, если скорость звука равна 340 м/с. Длина волны показывает расстояние, на которое распространяется волна за время одного периода. Чтобы её найти, нужно связать скорость распространения с числом колебаний в секунду.
Ответ: длина волны равна 0,5 м.
Эхо вернулось к наблюдателю через 0,8 с после хлопка. Найдите расстояние до преграды, если скорость звука равна 340 м/с. Время в условии относится ко всему пути звукового импульса: сначала до преграды, затем обратно к наблюдателю. Поэтому нельзя считать произведение скорости на время непосредственно расстоянием до стены.
Ответ: расстояние до преграды равно 136 м.
Звук частотой 500 Гц распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с, а в воде — со скоростью 1500 м/с. Сравните длины волн и укажите, изменится ли высота звука. Здесь важно отдельно рассмотреть свойства волны в среде и частоту, задаваемую источником. При переходе границы скорость меняется, но частота остаётся той же.
Ответ: длина волны в воздухе — 0,68 м, в воде — 3 м; высота звука при переходе не изменится.
Считать, что звук распространяется в вакууме, — значит забывать, что это механическая волна. Такое представление возникает из-за привычки видеть звук рядом с источником, даже не замечая воздух. Проверьте себя вопросом: какие частицы будут передавать колебания, если среды нет? В вакууме передавать их некому, поэтому звук не распространяется.
Путать высоту с громкостью — значит смешивать частоту и интенсивность. Часто оба свойства описывают словами «сильный звук», хотя высокий звук может быть тихим, а низкий — громким. Чтобы проверить ответ, спросите, что именно изменилось: число колебаний в секунду или амплитуда и интенсивность волны. Первое связано с высотой, второе — с громкостью.
Предполагать, что при переходе звука в другую среду меняется частота, — ошибка: её задаёт источник колебаний. Путают частоту со скоростью, потому что обе величины участвуют в описании волны. Сверьте их формулой v = λf: при неизменной частоте изменение скорости приводит к изменению длины волны. Значит, меняются скорость и длина, а не частота.
В задаче об эхе иногда принимают весь путь туда и обратно за расстояние до преграды. Так происходит, если не проследить, между какими событиями измерено время. Нарисуйте путь: наблюдатель — преграда — наблюдатель; пройденное расстояние содержит два одинаковых отрезка. Поэтому перед ответом проверьте, нужно ли разделить полный путь на два.
Для изучения звука нужны понятия механических колебаний: частота, период и амплитуда. Они помогают описывать источник и связывать его движение с характеристиками волны. Также необходимо уметь применять формулу v = λf, связывающую скорость, длину волны и частоту. Эти знания пригодятся при дальнейшем изучении волновых процессов, акустики и практического применения ультразвука.
Почему в космосе не слышно звуков?
Звук — механическая волна, поэтому для его распространения нужны колеблющиеся частицы среды. В открытом космосе между объектами почти вакуум, и звуковая волна не может пройти от источника к слушателю.
Почему при переходе звука из воздуха в воду его высота обычно не меняется?
Частота колебаний задаётся источником и при переходе волны из одной среды в другую сохраняется. Высота зависит от частоты, поэтому она остаётся прежней, хотя скорость звука и длина волны в воде будут другими.
Чем громкость звука отличается от его высоты?
Высота определяется частотой: чем она больше, тем звук выше. Громкость связана с интенсивностью звуковой волны и амплитудой колебаний; более интенсивный звук обычно воспринимается как более громкий.
Почему два музыкальных инструмента могут звучать по-разному на одной ноте?
Они могут создавать звуки одинаковой основной частоты и воспринимаемой высоты, но с разным набором обертонов. Различие в составе и относительной интенсивности этих дополнительных частот создаёт разный тембр.
Чем ультразвук отличается от слышимого звука и где его применяют?
Ультразвук — это колебания с частотой выше верхней границы слышимости человека, примерно 20 000 Гц. Его применяют, например, в медицинской диагностике и для обнаружения дефектов материалов.
2. Звук
