"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Звук — механическая волна, которую создают колеблющиеся тела и которая распространяется в упругой среде. Благодаря звуку мы слышим речь, музыку и сигналы, а отражённая волна помогает определять расстояние до преграды. Высота звука связана с частотой колебаний, громкость — с интенсивностью и особенностями слуха, а тембр — с составом обертонов. Понимание этих связей позволяет объяснять звучание разных источников и решать задачи о распространении звука.
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 и воспринимаемая слухом. Она переносит колебания от источника к слушателю, а не переносит вместе с собой частицы среды на всё расстояние. Это определение помогает отличить звук от электромагнитных волн, которые могут распространяться в вакууме.
Высота звука — характеристика, связанная прежде всего с частотой колебаний: чем выше частота, тем выше звук. Частота показывает, сколько полных колебаний происходит за секунду, и измеряется в герцах (Гц). По высоте мы различаем, например, низкий бас и высокий свист.
Громкость звука — субъективная характеристика слухового ощущения, зависящая от интенсивности звука и особенностей слуха. Интенсивность описывает физическую сторону звукового воздействия, а ощущение громкости возникает в слуховой системе человека. Это различие нужно, чтобы не считать громкость простой мерой частоты или амплитуды.
Тембр звука — его окраска, позволяющая различать звуки одинаковой высоты и громкости; тембр определяется составом и соотношением обертонов. Обертоны — дополнительные составляющие сложного звука, имеющие частоты выше основного тона. Именно тембр помогает узнать звучание конкретного инструмента или голоса.
Звук начинается с колебаний источника: например, струна или мембрана смещает соседние частицы среды. Частицы не летят от источника к слушателю, а колеблются около своих положений и передают возмущение следующим частицам. Такая передача возможна благодаря упругому взаимодействию между частицами. Поэтому без материальной среды колебания не могут добраться до слушателя.
В газах и жидкостях частицы колеблются преимущественно вдоль направления распространения звуковой волны. Когда источник толкает ближайшие частицы, они сближаются и образуют участок сжатия; затем частицы расходятся, создавая разрежение. Сжатия и разрежения последовательно передаются дальше, как эстафета. Так возникает продольная волна, хотя сами частицы не движутся вместе с ней на большое расстояние.
Скорость звука определяется свойствами среды и её состоянием: частицы и упругие связи в разных веществах передают колебания неодинаково. Поэтому при переходе из одной среды в другую волна может идти быстрее или медленнее. Частоту же задаёт источник, и она сохраняется на границе сред: число колебаний в секунду не меняется только от того, что изменились условия распространения. Меняться могут скорость и длина волны.
Частота влияет на высоту звука, потому что слух воспринимает быстро повторяющиеся колебания как более высокий тон. Амплитуда связана с интенсивностью: при прочих равных более сильные колебания передают больше энергии. Но громкость — не сама амплитуда, а ощущение слушателя, на которое влияют также особенности слуха. Поэтому высокий звук не обязательно громкий, а громкий не обязательно высокий.
Звук музыкального инструмента обычно складывается из основного тона и обертонов. Основной тон задаёт высоту, а дополнительные колебания влияют на форму результирующего колебания. У разных инструментов набор и относительная сила обертонов отличаются, поэтому меняется окраска звука. Этим объясняется, почему одинаковую ноту при близкой громкости можно узнать по тембру.
| Характеристика | Что воспринимает слушатель | Физическая связь | Что изменяется при увеличении |
|---|---|---|---|
| Высота звука | Низкий или высокий тон | Частота колебаний | Частота — звук становится выше |
| Громкость звука | Тихий или громкий звук | Интенсивность; связана с амплитудой колебаний | Интенсивность — звук обычно воспринимается громче |
| Тембр звука | Окраска, характер звучания | Состав и соотношение обертонов | Меняется набор или относительная сила обертонов — меняется окраска |
Пользуйся таблицей, чтобы сначала назвать слуховое ощущение, а затем найти его физическую связь. Высота, громкость и тембр описывают разные стороны звука, поэтому изменение одной характеристики не обязательно означает изменение остальных. Например, частота может повыситься, а интенсивность остаться прежней.
Задача 1. Частота колебаний источника звука равна 440 Гц. Найдите период колебаний. Период — это время одного полного колебания, а частота показывает количество колебаний за секунду. Значит, искомое время нужно найти как величину, обратную частоте.
Ответ: период колебаний приблизительно равен 0,00227 с.
Задача 2. Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с. Какое расстояние он пройдёт за 0,5 с? Здесь известны скорость и время движения волны, а требуется путь. Используем формулу равномерного движения: пройденное расстояние равно скорости, умноженной на время.
Ответ: за 0,5 с звук пройдёт 170 м.
Задача 3. Эхо вернулось через 2,4 с после хлопка. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Определите расстояние до преграды. За указанное время звук успел достичь преграды и отразиться от неё, поэтому найденный полный путь вдвое больше расстояния в одну сторону. Этот момент важно учесть до подстановки чисел.
Ответ: расстояние до преграды равно 408 м.
Ошибка: считать, что звук распространяется в вакууме. Её допускают, представляя волну как нечто, что движется само по себе, без частиц среды. Но звуковая волна механическая, поэтому ей нужна среда, передающая колебания. Проверь себя вопросом: есть ли в условии частицы, которые могут передавать возмущение?
Ошибка: путать высоту и громкость. Высокий звук ошибочно считают обязательно громким, потому что в быту эти впечатления могут возникать одновременно. Однако высота связана с частотой, а громкость — с интенсивностью и особенностями слуха. Чтобы проверить ответ, уточни, что именно изменилось: число колебаний в секунду или сила звукового воздействия.
Ошибка: при расчёте расстояния по эху не делить полный путь на два. Обычно это происходит, когда время принимают за время движения звука только до преграды. На самом деле эхо возвращается к источнику, поэтому волна проходит путь в обе стороны. Проверь себя: если звук успел вернуться, полный путь должен быть вдвое больше расстояния до отражателя.
Ошибка: считать скорость звука одинаковой во всех средах. Такое предположение переносят с примеров, где среда остаётся неизменной. Скорость зависит от свойств вещества и его состояния, поэтому для расчёта нужно использовать значение, соответствующее указанным условиям. Проверь единицы и среду в условии задачи, прежде чем подставлять скорость.
Для понимания звука пригодятся знания о механических колебаниях и волнах. Период, частота и амплитуда позволяют описывать источник колебаний и связывать его движение со свойствами звуковой волны. Если эти величины знакомы, проще объяснить высоту и громкость звука, а также решать задачи на период и путь.
Звуковые волны служат основой для дальнейшего изучения акустики — науки о звуке. Их свойства применяют при работе с ультразвуком и эхолокацией: отражённый сигнал помогает обнаруживать объекты и оценивать расстояние до них. Те же идеи о распространении и отражении волн встречаются и в других разделах физики.
Почему звук не распространяется в вакууме?
Звук передаётся благодаря колебаниям частиц материальной среды. В вакууме частиц практически нет, поэтому передавать колебания некому.
Почему высокий звук имеет большую частоту?
Высота воспринимается слухом и связана прежде всего с частотой колебаний. Чем чаще источник колеблется за секунду, тем выше воспринимаемый звук.
От чего зависит громкость звука?
Громкость связана с интенсивностью звука, которая, в частности, зависит от амплитуды колебаний. На субъективное ощущение также влияют особенности слуха человека.
Почему один и тот же звук разные музыкальные инструменты издают по-разному?
Инструменты создают сложные колебания с разным составом и соотношением обертонов. Поэтому даже при одинаковых высоте и громкости звуки имеют разную окраску — тембр.
Почему при расчёте расстояния до преграды по эху результат делят на два?
Измеренное время относится ко всему пути звука: от источника до преграды и обратно. Чтобы получить расстояние только до преграды, полный путь делят на два.
2. Звук
