16. Звуковые колебания. Источники звука

Определения и обозначения

Звуковые колебания — механические колебания, которые, распространяясь в среде, могут восприниматься органом слуха. Иными словами, колебания источника передаются частицам среды и доходят до уха. Это определение помогает отличить звук от других колебаний, которые человек не слышит.

Источник звука — тело, совершающее колебания и возбуждающее звуковые колебания в окружающей среде. Таким телом может быть струна, мембрана громкоговорителя или камертон. Понятие нужно, чтобы определить, откуда начинаются звуковые колебания.

Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания частиц, переносящие энергию без переноса вещества. Частицы среды лишь смещаются около положения равновесия и передают возмущение соседям. Это понятие объясняет, как звук доходит от источника до слушателя.

Звуковой тон — звук, связанный с периодическими колебаниями; его высота определяется частотой колебаний. Частота показывает, сколько колебаний происходит за единицу времени, и измеряется в герцах. Это позволяет объяснить, почему одни звуки воспринимаются высокими, а другие низкими.

Как это устроено

Когда тело начинает колебаться, его поверхность то движется вперёд, то отходит назад. Соприкасающиеся с ней частицы среды получают толчки и тоже начинают колебаться. Они воздействуют на соседние частицы, и так возмущение передаётся дальше. Поэтому звук возникает не от самого факта присутствия тела, а от его колебаний и передачи движения окружающей среде.

Звук распространяется только там, где есть частицы, способные взаимодействовать и передавать колебания. В газах, жидкостях и твёрдых телах частицы связаны взаимодействиями, поэтому возмущение может переходить от одной к другой. В вакууме частиц практически нет, и передавать им колебания нечему. По этой причине звук не проходит через пустое пространство.

Колебания источника задают движение прилегающих частиц среды. Затем частицы передают это движение дальше, и возникающая звуковая волна распространяется от источника. При этом энергия колебаний переходит от одной части среды к другой. Сами частицы не отправляются вслед за волной: они колеблются около своих положений равновесия.

Если источник перестаёт колебаться, он больше не сообщает энергию новым участкам среды и не поддерживает звучание. Однако возмущение, которое уже возникло, не пропадает сразу: волна продолжает идти дальше. Поэтому человек может услышать звук даже после того, как источник остановился. Позже колебания затухают из-за передачи энергии среде и её потерь.

Периодические колебания создают звуковой тон, а его высота зависит от частоты. Частота — это число колебаний за одну секунду или за другую выбранную единицу времени. Когда колебаний за секунду становится больше, ухо воспринимает тон как более высокий. Если частота уменьшается, тон становится ниже; это не означает, что звук обязательно делается тише.

Источники звука и создаваемые ими колебания

В таблице для каждого источника указано, какая его часть колеблется и как движение этой части передаётся среде. Сравнивая строки, можно увидеть, что источники бывают разными, но каждый из них возбуждает колебания окружающих частиц. Последний столбец показывает примеры звуков, которые возникают при этом.

Разбор задач

Задача 1. К струне гитары прикоснулись после щипка, и звук быстро прекратился. Объясните, почему. Нужно установить, что изменилось после прикосновения и как это связано с появлением звука. Рассмотрим последовательность причин и следствий.

1. После щипка струна колеблется и передаёт колебания воздуху.
2. Прикосновение мешает струне двигаться и быстро прекращает её колебания.
3. Струна перестаёт возбуждать новые звуковые колебания среды, поэтому звучание затухает.

Ответ: прикосновение остановило колебания струны, поэтому она перестала поддерживать звук.

Задача 2. Камертон совершает 440 колебаний за секунду. Найдите частоту его колебаний и объясните, что она характеризует. Здесь число колебаний уже дано за одну секунду, поэтому его можно непосредственно связать с определением частоты. Обозначим частоту буквой ν.

1. Записываем данные: за время t = 1 с камертон совершает N = 440 колебаний.
2. Используем определение частоты: ν = N / t.
3. Подставляем значения: ν = 440 / 1 с = 440 Гц.

Ответ: частота камертона равна 440 Гц. Она показывает число колебаний за секунду и связана с высотой издаваемого тона.

Задача 3. Удар молотка по металлической детали слышен в воздухе, но не будет слышен наблюдателю в вакууме. Объясните это и укажите, что именно переносится при распространении звука. Нужно учесть наличие частиц среды на пути звуковых колебаний. Также важно не путать движение волны с движением вещества.

1. В воздухе частицы взаимодействуют и передают друг другу колебания от детали.
2. В вакууме нет частиц, которые могли бы передать эти колебания наблюдателю.
3. В распространяющейся звуковой волне переносится энергия, а не вещество: частицы среды только колеблются около положений равновесия.

Ответ: в вакууме звук не слышен из-за отсутствия среды для передачи колебаний; звуковая волна переносит энергию, но не вещество.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что звук создаёт само тело, даже если оно неподвижно. Так думают, потому что связывают звук с предметом, который обычно его издаёт. Но источником служат колебания тела: проверьте, что именно движется при звучании.

Ошибка — предполагать, что звук распространяется в вакууме. Это представление может возникнуть из опыта с громкими звуками, которые слышны издалека, но там между источником и слушателем есть среда. Проверьте себя вопросом: какие частицы передадут колебания, если среды нет?

Ошибка — считать, что вместе со звуковой волной переносится вещество. Частицы действительно смещаются, но колеблются около положения равновесия и не уходят вслед за волной. Чтобы проверить себя, проследите отдельно за движением частиц и за распространением возмущения.

Ошибка — считать, что более громкий звук обязательно имеет большую частоту. Громкость связывают с тем, насколько сильными кажутся колебания, а частота определяет высоту тона. Для проверки сравните два вопроса: «насколько громко?» и «насколько высоко?» — это разные свойства звука.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в звуке, нужно знать, что такое механические колебания, частота колебаний и упругая среда. Эти понятия помогают описать движение источника и передачу возмущения между частицами. В дальнейшем они понадобятся при изучении характеристик звука, распространения волн и акустических явлений. Тогда можно будет объяснять, как меняется звук и почему он по-разному ведёт себя в разных условиях.

Что запомнить

• Звук возникает благодаря колебаниям источника.
• Звуковые колебания распространяются в упругой среде.
• В вакууме звук не распространяется.
• Звуковая волна переносит энергию, но не переносит вещество вместе с собой.
• Чем больше частота колебаний, тем выше воспринимаемый звук.
• Если источник перестаёт колебаться, он перестаёт поддерживать звучание.