"Физика (базовый уровень)", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Звук возникает, когда источник колебаний передаёт движение частицам упругой среды — например, воздуху. Так распространяется звуковая волна: она переносит энергию, но не переносит вещество. Частота колебаний связана с высотой звука, амплитуда — с громкостью, а спектральный состав формирует тембр. Зная скорость звука и частоту, можно найти длину волны и решать задачи о распространении и отражении звука.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковые колебания — механические колебания частиц упругой среды, воспринимаемые органом слуха. Источником таких колебаний может быть, например, струна или мембрана громкоговорителя. Это понятие помогает отличать звук от других колебаний: для слышимого звука важны и колебания среды, и способность нашего слуха их воспринимать.
Звуковая волна — распространение колебаний в упругой среде с переносом энергии без переноса вещества. Отдельные частицы среды движутся около своих положений равновесия, а возмущение передаётся дальше. Это определение нужно, чтобы не путать распространение звука с движением воздуха или другого вещества от источника к слушателю.
Высота звука — субъективная характеристика, определяемая главным образом частотой звуковых колебаний. Частота ν показывает число колебаний за секунду и измеряется в герцах (Гц). Чем больше частота, тем выше обычно воспринимается звук; так можно объяснить различие между низким гудением и высоким свистом.
Громкость звука — субъективная характеристика, связанная с амплитудой колебаний и интенсивностью звуковой волны. Амплитуда показывает наибольшее смещение частицы от положения равновесия, а интенсивность характеризует поток энергии волны. Эти величины позволяют понять, почему более сильные колебания обычно слышатся громче, хотя восприятие громкости зависит и от особенностей слуха.
Когда источник звука колеблется, он то движется к ближайшим частицам среды, то отдаляется от них. При движении к частицам источник сжимает прилегающий слой, а при удалении оставляет область пониженного давления — разрежение. Соседние частицы начинают колебаться и передают изменение давления дальше, поэтому за источником распространяются чередующиеся области сжатия и разрежения. Так колебания источника становятся волной, которая может достичь уха или прибора.
Для передачи звукового возмущения частицы среды должны взаимодействовать друг с другом и возвращаться к равновесию благодаря упругим силам. В вакууме практически нет частиц, поэтому нет звеньев, через которые колебания могли бы передаваться. Именно поэтому звук не проходит через вакуум, хотя электромагнитные волны, например свет, распространяться там могут. Вещество при этом не должно перемещаться вслед за звуковым сигналом: передаётся энергия колебаний.
В газах и жидкостях частицы легко смещаются, но среда не сохраняет постоянную форму, поэтому звуковое возмущение распространяется как чередование сжатий и разрежений. Частицы колеблются вдоль направления распространения волны, а значит, волна является продольной. Они не летят от источника к слушателю, а перемещаются вперёд и назад около положений равновесия. Именно такое движение позволяет передавать соседним слоям изменения давления.
За один период колебаний волна проходит расстояние, равное одной длине волны λ. Если частота ν показывает число периодов за секунду, то за секунду волна проходит ν таких длин, поэтому скорость v равна произведению длины волны на частоту: v = λν. Длина волны — расстояние между ближайшими точками, колеблющимися одинаково, например между соседними областями сжатия. При неизменной скорости увеличение частоты означает уменьшение длины волны.
Частота задаёт высоту звука: при более частых колебаниях звук обычно воспринимается как более высокий. Увеличение амплитуды связано с большей интенсивностью и обычно делает звук громче, но громкость также зависит от расстояния до источника и чувствительности слуха. Реальные источники часто создают не одну частоту, а набор частот разной интенсивности. Этот спектральный состав определяет тембр — характерную окраску звука, по которой, например, различают голоса и музыкальные инструменты.
| Физическая характеристика | Связанное свойство звука | Что происходит при увеличении | Единица измерения или зависимость |
|---|---|---|---|
| Частота колебаний | Высота | Звук воспринимается выше | Гц; ν = 1/T |
| Амплитуда колебаний и интенсивность | Громкость | Звук обычно воспринимается громче | Амплитуда — м; интенсивность — Вт/м² |
| Спектральный состав | Тембр | Меняется окраска и характер звука | Набор частот и их интенсивностей |
| Скорость распространения | Распространение звуковой волны | При той же частоте увеличивается длина волны | м/с; v = λν |
| Длина звуковой волны | Пространственный период колебаний | При той же скорости частота уменьшается | м; λ = v/ν |
Сначала определите, о какой физической характеристике говорится в условии, а затем найдите связанную с ней особенность восприятия. Например, частоту нельзя подменять амплитудой: первая связана с высотой, вторая — с громкостью. Для вычислений используйте зависимости из последнего столбца и согласуйте единицы.
Задача 1. Частота звуковых колебаний равна 440 Гц. Определите период колебаний. Период — это время одного полного колебания, поэтому он обратно пропорционален частоте. Чем больше колебаний совершается за секунду, тем меньше длится одно колебание.
Задача 2. Звук частотой 680 Гц распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с. Найдите длину волны. Искомая длина показывает, какое расстояние волна проходит за один период. Используем связь скорости, частоты и длины волны, предварительно проверив, что скорость задана в метрах в секунду, а частота — в герцах.
Задача 3. Звуковой импульс вернулся к источнику через 0,8 с после отражения от преграды. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Определите расстояние до преграды. Указанное время относится ко всему пути сигнала: сначала до преграды, затем обратно. Поэтому нельзя умножать скорость на время и считать полученный путь расстоянием в одну сторону.
Считать, что звуковая волна переносит вещество вместе с колебаниями. Так можно подумать, потому что при распространении волны частицы среды движутся, но они лишь колеблются около равновесных положений. Проверьте себя: если волна прошла, частицы не должны в итоге переместиться на расстояние от источника до слушателя — переносится энергия.
Путать частоту и амплитуду, связывая высоту звука с его громкостью. Эти характеристики описывают разные стороны колебания: частота связана с числом колебаний в секунду, а амплитуда — с их размахом. Чтобы проверить рассуждение, спросите себя, что меняется: тон звука или сила колебаний. Высота зависит главным образом от частоты, громкость — от амплитуды и интенсивности.
Использовать формулу λ = vν вместо правильной зависимости λ = v/ν. Ошибка возникает, если неверно выразить длину волны из равенства v = λν. Проверка единиц сразу помогает её заметить: (м/с) / (1/с) даёт метры, а умножение скорости на частоту не даёт единицу длины.
Считать, что звук может распространяться в вакууме. Звук действительно доходит до нас через воздух, поэтому легко забыть, что это волна колебаний частиц, а не самостоятельное возмущение, которому среда не нужна. Проверьте себя вопросом: что передаёт колебание от одной точки к другой? Если материальных частиц нет, передавать звук нечему.
Для изучения звука нужны знания о периодических механических колебаниях: амплитуде, периоде и частоте. Тема опирается и на представление о механической волне, которая распространяет колебания в среде, а также на соотношение v = λν. Эти знания пригодятся при изучении акустики, резонанса, интерференции и эффекта Доплера. Принципы работы со звуковыми волнами применяются также в радиотехнике и медицинской диагностике.
Почему звук не распространяется в вакууме?
Звук — механическая волна: для его распространения нужны частицы, которые передают колебания друг другу. В вакууме частиц среды практически нет, поэтому передавать колебания нечему.
Чем громкость отличается от высоты звука?
Высота связана прежде всего с частотой: чем она больше, тем выше воспринимается звук. Громкость зависит от амплитуды колебаний и интенсивности волны: более интенсивный звук обычно кажется громче.
Почему один и тот же звук по-разному звучит на разных инструментах?
Инструменты могут создавать звук одинаковой основной частоты, но с разным набором дополнительных частот и их интенсивностей. Этот спектральный состав определяет тембр, поэтому звуки различаются даже при одинаковой высоте.
От чего зависит скорость распространения звука?
Скорость звука зависит от свойств среды, в которой распространяется волна, в частности от её упругости и плотности. Поэтому в разных средах скорость различается; в одной и той же среде она обычно не определяется частотой звука.
Как по частоте определить длину звуковой волны?
Нужно знать скорость звука в среде и разделить её на частоту: λ = v/ν. Например, при скорости 340 м/с и частоте 680 Гц длина волны равна 0,5 м.
22. Звуковые колебания и волны. Свойства звука
