§ 52. Звуковые волны

Определения и обозначения

Звуковая волна — механическая волна, которая распространяется в упругой среде и может восприниматься слухом. Упругая среда — вещество, способное передавать возмущение от частицы к частице. В вакууме частиц для такой передачи нет, поэтому звук там не распространяется.

Инфразвук — звуковые колебания с частотой ниже нижней границы слышимости человека, то есть меньше 16 Гц. Такие колебания ухо обычно не воспринимает как звук, хотя их можно обнаруживать приборами. Граница помогает отличить слышимые колебания от очень медленных.

Ультразвук — звуковые колебания с частотой выше верхней границы слышимости человека, то есть больше 20 кГц. Человек обычно не слышит их, но они остаются механическими волнами и нуждаются в материальной среде. Это понятие важно для понимания работы медицинских и технических приборов.

Тембр звука — качественная особенность, по которой различают источники звука при одинаковых высоте и громкости. Он связан с составом колебаний: помимо основной частоты в сложном звуке присутствуют дополнительные составляющие. Поэтому один и тот же музыкальный тон на разных инструментах звучит неодинаково.

Как это устроено

Когда источник колеблется, он толкает или раздвигает ближайшие частицы среды. Те взаимодействуют с соседними частицами и передают им возмущение, поэтому волна удаляется от источника, хотя сами частицы не перемещаются вместе с ней на большое расстояние. В газах и жидкостях колебания частиц происходят вдоль направления распространения волны, поэтому звук здесь продольный. Возникающие попеременно области сжатия и разрежения и образуют звуковую волну.

Частота показывает, сколько колебаний совершается за секунду, и определяет высоту тона: при большей частоте человек воспринимает более высокий звук. Если частота ниже 16 Гц или выше 20 кГц, колебания выходят за обычный диапазон слышимости и относятся соответственно к инфразвуку или ультразвуку. Сами волны при этом не перестают быть звуковыми. Значит, границы слышимости описывают возможности человеческого слуха, а не наличие или отсутствие колебаний.

Амплитуда — наибольшее отклонение колеблющихся частиц от положения равновесия; с её увеличением обычно растёт интенсивность звуковой волны и воспринимаемая громкость. Однако громкость зависит не только от амплитуды: по мере удаления от источника звук обычно становится слабее, а разные люди могут воспринимать его неодинаково. Высота тона — другое свойство: она связана прежде всего с частотой, а не с амплитудой. Поэтому громкий звук не обязательно высокий, а тихий — низкий.

Звуки могут иметь одинаковую основную частоту и громкость, но всё же отличаться. Реальное звучание часто представляет собой сложное колебание: кроме основной частоты в нём есть дополнительные составляющие, или обертоны. Их сочетание определяет тембр — узнаваемую окраску звука. Поэтому голос человека и звук музыкального инструмента можно различить даже тогда, когда они звучат на одной высоте и с одинаковой громкостью.

Скорость звука определяется свойствами среды и её состоянием, а не одной только частотой источника. Для периодической волны длина волны λ связана со скоростью v и частотой ν формулой λ = v/ν: за один период волна проходит расстояние в одну длину волны. Если звук переходит в другую среду, скорость и длина волны меняются, но частота остаётся заданной источником. Это помогает правильно описывать поведение звука на границе сред.

Сравнение инфразвука, слышимого звука и ультразвука

В таблице сопоставлены диапазоны частот, возможность услышать колебания и характерные источники или применения. Границы относятся к человеческому слуху и обычно указываются приблизительно. Пользуясь таблицей, сначала определите частоту, а затем установите, к какой области она относится.

Разбор задач

Задача 1. Частота звукового колебания равна 500 Гц. Определите его период и укажите, относится ли звук к слышимому диапазону.

1. Период T показывает время одного колебания, поэтому он связан с частотой формулой T = 1/ν. Подставим частоту ν = 500 Гц.
2. Вычислим: T = 1/500 с = 0,002 с. Проверим диапазон: 500 Гц больше 16 Гц и меньше 20 000 Гц.

Ответ: период равен 0,002 с, звук относится к слышимому диапазону. Проверка диапазона нужна отдельно от вычисления периода: период показывает длительность колебания, а границы слышимости — доступность звука человеческому слуху.

Задача 2. Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с, а частота колебаний равна 680 Гц. Найдите длину волны.

1. Используем связь λ = v/ν. Скорость уже выражена в метрах в секунду, а частота — в обратных секундах, поэтому дополнительных переводов единиц не требуется.
2. Подставим значения: λ = 340 м/с ÷ 680 Гц = 0,5 м. Проверим смысл результата: при большей частоте и той же скорости длина волны должна быть меньше.

Ответ: длина звуковой волны равна 0,5 м. Единица измерения получается в метрах, поскольку деление скорости в м/с на частоту в 1/с оставляет метры.

Задача 3. После вспышки молнии гром услышали через 6 с. Оцените расстояние до места разряда, считая скорость звука в воздухе равной 340 м/с.

1. За время задержки звук проходит расстояние от места разряда до наблюдателя. Используем формулу пути равномерного движения s = vt, где v = 340 м/с, а t = 6 с.
2. Подставим данные: s = 340 × 6 = 2040 м. Вспышка света доходит почти мгновенно по сравнению со звуком, поэтому её время распространения в этой оценке не учитываем.

Ответ: место разряда находится примерно в 2040 м, или около 2 км. Это оценка, поскольку скорость звука зависит от состояния воздуха.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что звук распространяется в вакууме. Так думают, потому что свет от Солнца проходит через космическое пространство, но свет — электромагнитная волна, а звук — механическая. Чтобы проверить себя, спросите, есть ли частицы, которые могут передавать колебания; в вакууме такой среды нет.

Ошибка — путать высоту тона и громкость. Их смешивают, потому что оба свойства описывают слуховое впечатление от звука, однако высота связана с частотой, а громкость — с интенсивностью и амплитудой. Проверьте рассуждение: увеличение частоты делает звук выше, но само по себе не означает, что он громче.

Ошибка — считать, что скорость звука задаётся только частотой. Такое впечатление может возникнуть из формулы λ = v/ν, где скорость стоит рядом с частотой, но скорость зависит от среды и её состояния. Чтобы проверить ответ, выясните, задана ли среда; при известной скорости частота определяет длину волны, а не скорость.

Ошибка — принимать ультразвук за электромагнитное излучение, потому что человек его не слышит и его применяют в технике. Но ультразвук остаётся механической звуковой волной и распространяется только в материальной среде. Проверка простая: если для распространения нужны колеблющиеся частицы вещества, речь идёт о механической волне.

Связь с другими темами

Для изучения звука нужны знания о механических волнах и колебаниях, а также о частоте, периоде, амплитуде и длине волны. Формула λ = v/ν связывает знакомые характеристики волны с её распространением в конкретной среде. При переходе звука из одной среды в другую частота остаётся заданной источником, тогда как скорость и длина волны меняются. Эти идеи пригодятся при дальнейшем изучении акустики и распространения волн, а свойства ультразвука объясняют его применение в медицине и технике.

Что запомнить

• Звук — механическая волна; без среды он не распространяется.
• В газах и жидкостях звуковая волна является продольной.
• Частота связана с высотой тона, а амплитуда — с громкостью.
• Тембр помогает различать звуки одинаковой высоты и громкости.
• Для периодической волны λ = v/ν.
• Инфразвук имеет частоту ниже 16 Гц, ультразвук — выше 20 кГц.