"Физика", Грачёв А.В., Погожев В.А., Боков П.Ю.
Звук — механические колебания, которые человек воспринимает слухом. Они возникают, когда источник заставляет колебаться частицы окружающей упругой среды, и распространяются в ней в виде волны. Скорость звука зависит от свойств среды, а высота и громкость связаны с разными характеристиками колебаний. Звуковые волны могут отражаться, создавая эхо; частоты за пределами слышимого диапазона называют инфразвуком и ультразвуком.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звук — упругие механические колебания, воспринимаемые органами слуха человека. Иными словами, колеблются частицы вещества, а слух распознаёт дошедшие до уха изменения давления. Это понятие помогает отличать звук от света и радиоволн, которые относятся к электромагнитным волнам.
Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания частиц, создаваемые источником звука. Упругая среда способна передавать возмущение от одной частицы к соседним. Это определение нужно, чтобы понимать, как колебание источника доходит до слушателя, хотя сами частицы не перемещаются вместе с волной на большое расстояние.
Инфразвук — звуковые колебания с частотой ниже нижней границы слышимости человека, примерно ниже 20 Гц. Такие колебания ухо обычно не воспринимает как звук, хотя они могут распространяться в среде. Понятие позволяет выделять колебания, которые находятся за пределами обычного слуха.
Ультразвук — звуковые колебания с частотой выше верхней границы слышимости человека, примерно выше 20 кГц. Человек не слышит их, но приборы могут создавать и регистрировать такие волны. Это понятие важно для объяснения применения ультразвука в диагностике и эхолокации.
Когда источник звука колеблется, например мембрана динамика движется вперёд и назад, он поочерёдно сжимает и разрежает прилегающий воздух. При сжатии частицы оказываются ближе друг к другу, при разрежении — дальше. Они не летят от источника к уху, а передают соседям изменение давления и положения. Поэтому чередование сгущений и разрежений распространяется в пространстве как звуковая волна.
Для передачи колебаний нужны частицы, которые могут взаимодействовать друг с другом и возвращаться к исходному положению после смещения. Такое свойство среды называют упругостью. В вакууме почти нет частиц, поэтому передавать колебания некому: источник может колебаться, но звук не распространится. Именно поэтому звук — механическая, а не электромагнитная волна.
Скорость звука зависит от того, насколько легко частицы среды передают колебание, а также от плотности и температуры вещества. В разных средах эти свойства различаются, поэтому скорость звука в воздухе, воде и твёрдых телах неодинакова. Обычно в твёрдых телах звук распространяется быстрее, чем в газах: частицы там сильнее связаны и быстрее передают возмущение. Для конкретной среды скорость можно использовать вместе с частотой, чтобы найти длину волны: v = λν.
Частота показывает, сколько колебаний совершается за секунду, и определяет высоту звука. При большей частоте колебания следуют чаще, поэтому мы слышим более высокий тон; при меньшей частоте звук ниже. Амплитуда — наибольшее отклонение колеблющихся частиц от положения равновесия — связана прежде всего с громкостью. Чем больше амплитуда, тем сильнее изменения давления и тем громче звук воспринимается.
Форма колебаний тоже влияет на звучание: даже при одинаковых частоте и амплитуде разные источники звучат по-разному. Это различие называют тембром; оно связано с тем, как устроено звуковое колебание и какие дополнительные составляющие в нём есть. Когда волна встречает преграду, часть её отражается и возвращается. Если отражённый звук приходит с задержкой, ухо различает его отдельно от исходного и возникает эхо.
| Характеристика | Слышимый звук | Инфразвук | Ультразвук |
|---|---|---|---|
| Диапазон частот | Примерно от 20 Гц до 20 кГц | Ниже примерно 20 Гц | Выше примерно 20 кГц |
| Восприятие человеком | Воспринимается слухом | Обычно не слышен | Обычно не слышен |
| Источники и примеры | Голос, музыкальные инструменты | Некоторые природные процессы и колебания крупных объектов | Приборы, эхолокация летучих мышей |
| Основные области применения | Общение, музыка, акустика | Наблюдение и исследование природных явлений | Диагностика, эхолокация, исследование веществ |
| Зависимость высоты звука от частоты | Выше частота — выше звук | Частота ниже слышимого диапазона | Частота выше слышимого диапазона |
| Зависимость громкости от амплитуды | Большая амплитуда обычно означает более громкий звук | Амплитуда сама по себе не делает колебание слышимым | Амплитуда сама по себе не делает колебание слышимым |
Сначала сравните частоту с границами слышимости: так можно определить диапазон колебаний. Затем различайте частоту и амплитуду: первая связана с высотой, вторая — с громкостью. Границы слуха у разных людей могут немного отличаться, поэтому числа 20 Гц и 20 кГц считают приблизительными.
В задачах о звуковой волне полезно сначала выписать известные величины и определить, какая связь нужна. Частота обозначается ν, длина волны — λ, скорость — v, время — t. В задачах на эхо звук проходит путь до преграды и обратно, поэтому полный путь нельзя принимать за расстояние до неё.
Задача 1. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с, а частота колебаний источника — 680 Гц. Найдите длину звуковой волны.
Ответ: длина звуковой волны равна 0,5 м.
Задача 2. Определите, к какому диапазону относятся колебания частотой 10 Гц, 1000 Гц и 25 кГц.
Ответ: 10 Гц — инфразвук, 1000 Гц — слышимый звук, 25 кГц — ультразвук.
Задача 3. Эхо вернулось к наблюдателю через 2 с после крика. Найдите расстояние до преграды, если скорость звука равна 340 м/с.
Ответ: преграда находится на расстоянии 340 м.
Звук иногда называют электромагнитной волной, смешивая его со светом или радиоволнами. Но звук связан с колебанием частиц вещества, а электромагнитной волне материальная среда для распространения не обязательна. Проверьте себя вопросом: колебаниями чего переносится возмущение? Если нужны частицы среды, речь идёт о механической волне.
Утверждение, что звук распространяется в вакууме, забывает о необходимости материальной среды. В вакууме нет частиц, которые могли бы передавать колебания от источника дальше. Чтобы проверить ответ, представьте, что между источником и слушателем удалили воздух: передача звука прекратится, хотя источник может продолжать колебаться.
Высоту и громкость часто путают, потому что в обычной речи оба свойства описывают звучание. Однако высота связана с частотой, а громкость — прежде всего с амплитудой. При проверке отдельно спросите себя, что изменилось: число колебаний в секунду или их размах.
В задаче на эхо можно принять весь путь звука за расстояние до преграды. Ошибку допускают, когда не учитывают возвращение отражённой волны к наблюдателю. Проверьте, что именно дано во времени: если звук успел пройти туда и обратно, сначала найдите общий путь vt, а расстояние до преграды получите делением на два.
Для изучения звука нужны знания о механических колебаниях и волнах: амплитуде, периоде, частоте и длине волны. Связь между скоростью, длиной волны и частотой выражается формулой v = λν. Эти понятия помогают рассчитывать параметры звука и объяснять его распространение.
Знание отражения звука помогает понять, почему возникает эхо и как устроена акустика помещений. Микрофон превращает звуковые колебания в электрический сигнал, а динамик, наоборот, создаёт колебания воздуха. Позднее эти идеи используются при изучении ультразвуковой диагностики, эхолокации и исследования свойств веществ.
Почему в космосе человек не слышит звук?
Звук распространяется благодаря колебаниям частиц материальной упругой среды. В открытом космосе почти нет частиц, которые могли бы передавать эти колебания, поэтому звук не доходит до человека.
От чего зависит скорость распространения звука?
Она зависит от свойств среды: её упругости, плотности и температуры. В разных веществах частицы взаимодействуют по-разному, поэтому звук распространяется с разной скоростью; обычно в твёрдых телах он быстрее, чем в газах.
Чем отличаются высокий и громкий звук?
Высота определяется частотой: чем она больше, тем звук выше. Громкость связана прежде всего с амплитудой колебаний: чем она больше, тем громче звук.
Почему мы слышим эхо?
Звуковая волна отражается от преграды и возвращается к слушателю. Если отражённый звук приходит с заметной задержкой, мы воспринимаем его как эхо.
Где применяют ультразвук?
Ультразвук используют в медицинской диагностике, эхолокации и для исследования свойств веществ. Он также помогает обнаруживать объекты и измерять расстояния по отражённому сигналу.
§ 35. Звук
