§ 24. Звуковые волны

Определения и обозначения

Звуковая волна — механическая волна, распространяющаяся в упругой среде и воспринимаемая органами слуха. Механической её называют потому, что она связана с движением частиц вещества. Это определение помогает отличать звук от света и радиоволн, которым материальная среда не нужна.

Звук — физическое явление, возникающее при колебаниях источника и распространении этих колебаний в среде. Источником может быть струна, мембрана динамика, голосовые связки или другой колеблющийся предмет. Понятие звука описывает весь процесс: от возникновения колебаний до их восприятия ухом.

Инфразвук — звуковые колебания с частотой ниже нижней границы слышимости человека, примерно ниже 16 Гц. Обычно человек не слышит такие колебания, хотя некоторые животные их воспринимают. Термин нужен, чтобы обозначать низкочастотные волны, которые существуют, но находятся за пределами обычного слуха.

Ультразвук — звуковые колебания с частотой выше верхней границы слышимости человека, примерно выше 20 000 Гц. Человеческое ухо их не слышит, однако приборы и некоторые животные способны их воспринимать. Ультразвук используют, например, для медицинской диагностики и обнаружения скрытых дефектов.

Как это устроено

Источником звука является колеблющееся тело, потому что именно оно заставляет соседние частицы среды двигаться. Например, колеблющаяся струна поочерёдно толкает и отодвигает частицы воздуха рядом с собой. Эти частицы передают движение дальше, поэтому волна распространяется, хотя сами частицы в среднем лишь колеблются около положений равновесия.

Звук распространяется только в упругой среде, поскольку её частицы должны возвращаться к исходному положению и передавать толчок соседним частицам. Упругость позволяет возникшим деформациям перемещаться от одного участка к другому. В вакууме частиц почти нет, поэтому передавать механические колебания некому и звук там не распространяется.

В газах частицы свободно движутся, поэтому при распространении звука они колеблются вдоль направления движения волны. В результате появляются участки, где частицы расположены плотнее, — сжатия, и участки с меньшей плотностью — разрежения. Такая волна называется продольной, потому что колебания частиц происходят вдоль направления распространения.

Частота ν показывает, сколько полных колебаний совершается за секунду, и измеряется в герцах. Чем больше частота, тем выше воспринимаемый звук: тонкая струна обычно звучит выше толстой при прочих равных условиях. Амплитуда A — наибольшее отклонение частицы от положения равновесия; при увеличении амплитуды колебания становятся сильнее, поэтому звук воспринимается как более громкий.

Скорость звука зависит от свойств вещества и его температуры: частицы должны быстро передавать колебания друг другу. В твёрдых телах связи между частицами обычно сильнее, поэтому звук распространяется быстрее, чем в газах. В воздухе скорость также меняется с температурой, поэтому нельзя безоговорочно считать её одинаковой во всех условиях.

Диапазоны звуковых волн и их особенности

Чтобы определить вид волны, сначала сравните её частоту с границами слышимости человека. Затем по строкам таблицы можно установить, воспринимается ли волна ухом, где встречаются такие колебания и для чего их используют.

Границы диапазонов приблизительны: у разных людей верхняя и нижняя границы слуха могут отличаться. Поэтому таблица показывает общую школьную классификацию, а не строго одинаковые значения для каждого человека.

Разбор задач

Задача 1. Определение диапазона

Колебание имеет частоту 12 Гц. Нужно определить, относится ли оно к инфразвуку, слышимому звуку или ультразвуку. Сравним эту частоту с приблизительным диапазоном слуха человека 16–20 000 Гц.

1. Нижняя граница слышимости равна примерно 16 Гц, а 12 Гц меньше 16 Гц.
2. Частота 12 Гц не попадает в слышимый диапазон и тем более не превышает его верхнюю границу.
3. Следовательно, колебание относится к инфразвуку, то есть к колебаниям ниже слышимого диапазона.

Ответ: колебание частотой 12 Гц является инфразвуком.

Задача 2. Длина звуковой волны

В воздухе звук распространяется со скоростью v = 340 м/с, а частота равна ν = 680 Гц. Требуется найти длину волны λ. Используем формулу λ = v/ν, потому что за один период волна проходит расстояние, равное длине волны.

1. Записываем известные величины: v = 340 м/с и ν = 680 Гц.
2. Подставляем их в формулу: λ = 340 м/с / 680 1/с.
3. Вычисляем: λ = 0,5 м, поскольку 680 × 0,5 = 340.

Ответ: длина звуковой волны равна 0,5 м.

Задача 3. Расстояние до скалы по эху

Эхо вернулось к наблюдателю через t = 2,4 с после возникновения звука. Скорость звука v = 340 м/с. Время относится ко всему пути: сначала звук идёт к скале, затем отражается и возвращается обратно.

1. Находим полный путь звука: l = vt = 340 м/с × 2,4 с = 816 м.
2. Путь от наблюдателя до скалы в два раза меньше полного пути, поэтому s = l/2.
3. Получаем s = 816 м / 2 = 408 м.

Ответ: расстояние до скалы равно 408 м.

Типичные ошибки

Звук может распространяться в вакууме. Так ошибаются, представляя звук самостоятельным объектом, который движется без среды. Проверьте себя вопросом: есть ли частицы, передающие колебания; в вакууме их недостаточно, поэтому ответ отрицательный.

Громкость путают с высотой звука. Причина ошибки в том, что оба свойства оцениваются слухом, хотя связаны с разными величинами. Запомните проверку: частота определяет высоту, а амплитуда в основном влияет на громкость.

Для любой среды берут одну и ту же скорость звука. Это приводит к неверным результатам, потому что скорость зависит от вещества и температуры. Перед решением проверьте, какая среда указана в условии и при каких условиях задана скорость.

При задаче на эхо берут весь путь как расстояние до препятствия. Так происходит, если забыть о возвращении отражённой волны. Проверьте схему движения: звук проходит два одинаковых отрезка, поэтому расстояние до препятствия равно vt/2.

Связь с другими темами

Для понимания звуковых волн нужны знания о механических колебаниях и волнах, а также об амплитуде, периоде, частоте и длине волны. Основная связь между ними выражается формулой v = λν, где v — скорость волны, λ — длина волны, ν — частота. Эти величины позволяют описывать звук количественно и решать задачи.

Тема пригодится при изучении отражения звука, эха и резонанса — резкого усиления колебаний при совпадении частот. Она также связана с ультразвуковой диагностикой и акустикой, которая изучает возникновение, распространение и восприятие звука. Поэтому свойства волн применяются и в технике, и в медицине.

Что запомнить

• Звук является механической волной и распространяется только в материальной среде.
• Источником звука служит колеблющееся тело.
• В газах звуковая волна обычно продольная.
• Высота звука определяется частотой колебаний.
• Громкость связана с амплитудой колебаний.
• Длина волны определяется соотношением λ = v/ν.
• Инфразвук имеет частоту ниже слышимого диапазона, а ультразвук — выше него.