"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Звуковая волна — это механические колебания, которые распространяются в упругой среде и могут быть восприняты слухом. Она возникает, когда колеблющееся тело передаёт движение частицам воздуха, жидкости или твёрдого тела. Высоту звука определяет частота источника, а скорость распространения — свойства среды. Человек слышит лишь ограниченную часть звуковых частот: ниже неё лежит инфразвук, выше — ультразвук. Понимание этих различий помогает объяснить работу слуха и применение звука в технике.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковая волна — это распространяющиеся в упругой среде механические колебания, которые может воспринимать слух. Упругая среда — вещество, частицы которого взаимодействуют и передают колебания соседним частицам. Это определение показывает, почему звук связан не только с источником, но и с веществом, через которое он проходит.
Тон — характеристика звука, связанная с его высотой и частотой колебаний источника. Чем больше частота ν, измеряемая в герцах (Гц), тем выше тон; при меньшей частоте звук ниже. Понятие тона помогает отличать высокие и низкие звуки, не смешивая эту характеристику с громкостью.
Инфразвук — упругая волна с частотой ниже нижней границы слышимости человека, а ультразвук — волна с частотой выше верхней границы. Ориентировочно слышимый диапазон составляет от 20 Гц до 20 кГц, хотя его границы зависят от человека. Это деление нужно, чтобы описывать волны, которые существуют, но обычно не воспринимаются человеческим ухом.
Звук возникает, когда тело начинает колебаться: например, струна смещается относительно положения равновесия и движет прилегающие к ней частицы воздуха. Частицы не летят вместе со звуком на большое расстояние, а колеблются около своих положений и передают возмущение соседям. Так распространяется волна, переносящая энергию от источника, а не само вещество среды.
Для распространения звука нужны частицы, способные взаимодействовать друг с другом и передавать колебания. В вакууме таких частиц нет, поэтому колебания источника не могут перейти от него дальше в виде звуковой волны. Именно поэтому звук нельзя услышать в открытом космосе без среды, которая передавала бы его до слухового аппарата.
Частота звуковой волны задаётся колебаниями источника: если источник совершает больше колебаний за секунду, столько же колебаний в секунду передаётся волне. Скорость распространения, напротив, определяется свойствами среды — например, тем, насколько легко её частицы передают возмущение. Поэтому одна и та же частота может распространяться с разной скоростью в разных веществах, а при переходе между средами частота источника сохраняется.
Звук распространяется в газах, жидкостях и твёрдых телах, потому что во всех них частицы могут взаимодействовать. В обычных условиях в воздухе скорость звука около 340 м/с, а в воде она составляет примерно 1500 м/с; в твёрдых телах она часто ещё выше. Сравнение объясняется тем, что упругие связи и расположение частиц в жидкостях и твёрдых телах позволяют передавать колебания быстрее, чем в газах.
Слух человека воспринимает не все частоты: слишком медленные или слишком быстрые колебания ухо не распознаёт как обычный звук. Инфразвуковые колебания используют для наблюдения за некоторыми природными процессами, а ультразвуковые — в медицинской диагностике, очистке деталей и эхолокации. Например, прибор посылает ультразвуковой сигнал и анализирует отражение от границы между тканями или от предмета, чтобы получить сведения об их расположении.
| Вид волны | Частота | Воспринимается человеком | Примеры или применение |
|---|---|---|---|
| Инфразвук | Ниже 20 Гц | Нет | Изучение природных процессов |
| Звук слышимого диапазона | Примерно от 20 Гц до 20 кГц | Да, если громкость достаточна | Речь, музыка, звуки окружающей среды |
| Ультразвук | Выше 20 кГц | Нет | Медицинская диагностика, эхолокация |
Чтобы определить вид волны, сравните её частоту с границами слышимого диапазона, указанными в таблице. Границы приведены ориентировочно: способность слышать зависит от возраста и особенностей слуха. Указание «не воспринимается» относится к человеку, но не означает, что волна не существует или не может быть зарегистрирована прибором.
Задачи на звуковые волны обычно сводятся к сравнению частот или применению связи между расстоянием, временем, скоростью и длиной волны. Сначала выпишите известные величины и определите, какая формула подходит. Затем проверьте единицы измерения: например, частоту подставляют в герцах, а скорость — в метрах в секунду.
Нужно сопоставить частоту камертона с ориентировочным диапазоном слуха человека — от 20 Гц до 20 кГц. Частота 440 Гц больше 20 Гц и меньше 20 000 Гц, поэтому она лежит внутри этого диапазона. Следовательно, звук камертона относится к слышимым, если его громкости достаточно для восприятия.
Ответ: звук относится к слышимому диапазону.
Здесь известны пройденное расстояние и время. Скорость равномерно распространяющейся волны равна отношению расстояния ко времени: v = s/t. Метры делим на секунды, поэтому полученная единица будет м/с.
Ответ: скорость распространения волны равна 330 м/с.
Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за время одного периода колебаний. За секунду проходит 340 м, а колебаний за эту секунду происходит 500, поэтому длина одного волнового участка находится делением скорости на частоту. Используем формулу λ = v/ν, где скорость выражена в м/с, а частота — в Гц, то есть в с⁻¹.
Ответ: длина звуковой волны равна 0,68 м.
Ошибка: считать, что звук распространяется в вакууме. Так думают, потому что источник может колебаться и без воздуха вокруг, однако колебаниям нужно передаваться от частицы к частице. Проверьте себя вопросом: есть ли в пространстве среда, способная переносить механическое возмущение? Если частиц нет, звуковой волне распространяться не в чем.
Ошибка: путать частоту звука со скоростью его распространения. Обе величины описывают волну, поэтому их иногда смешивают, но частоту задаёт источник, а скорость зависит от среды. Для проверки укажите единицы: частота измеряется в герцах, скорость — в метрах в секунду. При переходе волны в другую среду скорость может измениться, хотя частота источника остаётся прежней.
Ошибка: считать, что более громкий звук обязательно выше. Громкость зависит от интенсивности колебаний, а высота тона связана с частотой, поэтому громкий звук может быть низким. Чтобы проверить вывод, отдельно выясните, что меняется: сила колебаний или число колебаний за секунду. Эти характеристики нельзя определять одну через другую.
Ошибка: путать ультразвук с очень громким слышимым звуком. Их различают не по громкости, а по частоте: ультразвук лежит выше верхней границы человеческого слуха. При проверке сравните частоту с ориентиром около 20 кГц. Если она выше, звук называют ультразвуком независимо от того, насколько мощным является источник.
Для понимания звука нужны знания о механических колебаниях, периоде и частоте: источник звука совершает колебания, которые затем передаются среде. Понятие упругой среды объясняет, почему волна может распространяться в веществе, но не в вакууме. Связь звуковой волны с механическими волнами записывается формулой λ = v/ν, где λ — длина волны, v — скорость, ν — частота. Эти знания пригодятся при изучении акустики и применении ультразвука.
Почему звук не распространяется в вакууме?
Звук передаётся от частицы к частице благодаря механическим колебаниям среды. В вакууме частиц, которые могли бы передавать колебания, практически нет, поэтому звуковая волна там не распространяется.
От чего зависит скорость звука?
Скорость звука зависит от свойств среды, в частности от её упругости и плотности. Поэтому в воздухе, воде и твёрдых телах скорость различается; обычно звук быстрее распространяется в жидкостях и твёрдых телах, чем в газах.
Почему высокий звук имеет большую частоту?
Высота тона связана с частотой колебаний источника: чем чаще он колеблется, тем выше воспринимаемый звук. Высота тона не означает, что звук громче.
Чем ультразвук отличается от громкого слышимого звука?
Ультразвук отличается от слышимого звука частотой: она выше верхней границы диапазона слуха человека. Громкость же связана с интенсивностью звуковых колебаний, поэтому громкий звук может оставаться слышимым.
Как найти длину звуковой волны по скорости и частоте?
Используйте формулу λ = v/ν, где λ — длина волны, v — скорость распространения, ν — частота. Скорость нужно разделить на частоту, а результат выразить в метрах.
§ 47. Звуковые волны
