§ 26. Громкость и высота звука. Эхо

Определения и обозначения

Звук — механические колебания, распространяющиеся в упругой среде: воздухе, воде, металле и других веществах. Источником звука служит колеблющееся тело, например струна или мембрана динамика. Это понятие нужно, чтобы отличать звук от электромагнитных волн и помнить: в вакууме звука быть не может.

Громкость звука — характеристика, показывающая, насколько сильным или слабым воспринимается звук. Она связана с амплитудой колебаний: при большей амплитуде частицы среды колеблются сильнее, поэтому звук кажется громче. Громкость помогает сравнивать звуки, но зависит не только от источника, а также от расстояния и особенностей слуха.

Высота звука — характеристика, по которой звук воспринимают как высокий или низкий. Она определяется частотой колебаний ν, измеряемой в герцах: чем больше ν, тем выше звук. Высота нужна для различения, например, басового и тонкого звука даже тогда, когда они имеют примерно одинаковую громкость.

Эхо — повторное восприятие звука, возникшее из-за его отражения от преграды. Чтобы различить эхо и первоначальный звук, отражённая волна должна прийти с заметной задержкой. Путь звука до преграды и обратно обозначают l, скорость звука — v, а время движения — t.

Как это устроено

Когда тело колеблется, оно поочерёдно сжимает и разрежает прилегающие слои воздуха. Эти изменения передаются от слоя к слою, поэтому энергия распространяется в пространстве, а частицы воздуха лишь колеблются около своих положений равновесия. В газах звуковая волна является продольной: колебания частиц происходят вдоль направления распространения волны. В твёрдых телах и жидкостях звук тоже переносится колебаниями частиц.

Громкость связана с амплитудой, потому что большая амплитуда означает более сильное изменение давления в звуковой волне. Такое изменение сильнее действует на барабанную перепонку уха, и человек слышит более громкий звук. При удалении от источника энергия распределяется по всё большей области, поэтому громкость обычно уменьшается. Усилить звук можно, например, с помощью резонатора, который заставляет большую массу воздуха колебаться согласованно.

Высота зависит от частоты, а не от амплитуды. Если источник совершает больше колебаний за одну секунду, волны следуют чаще, и ухо воспринимает звук как более высокий. Уменьшение амплитуды при той же частоте делает звук тише, но не меняет его высоту. Поэтому струны или воздушные столбы разной длины могут давать разные ноты.

Звуковая волна отражается, когда встречает границу двух сред или достаточно большую преграду. После отражения часть энергии возвращается к источнику, и человек может услышать повторение первоначального звука. Отдельное эхо возникает, если задержка больше времени, необходимого уху для раздельного восприятия двух звуков, — примерно 0,1 с. При меньшей задержке прямой и отражённый звуки сливаются, и слышится не эхо, а своеобразное продолжение или усиление звука.

Для расчёта расстояния до преграды учитывают весь путь волны: от источника до стены и обратно. Поэтому используют формулу l = vt/2, где половина появляется из-за двойного прохождения расстояния. В воздухе при обычных условиях скорость звука принимают примерно равной 340 м/с. Если известны расстояние и скорость, время задержки находят обратным действием: t = 2l/v.

Сравнение громкости и высоты звука

Таблица помогает не смешивать две основные характеристики звука. Если меняется амплитуда, меняется громкость, а если частота — высота. Для эха нужно дополнительно проверить, успевает ли отражённая волна прийти с заметной задержкой.

Разбор задач

Задача. Человек крикнул у скалы и услышал эхо через 2 с. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Найдите расстояние от человека до скалы. Сначала нужно определить, какой путь прошёл звук, а затем учесть, что этот путь состоит из двух одинаковых частей.

1. Запишем данные. Скорость звука v = 340 м/с, время движения до скалы и обратно t = 2 с. Искомое расстояние до скалы обозначим l.
2. Определим полный путь. За время 2 с звук прошёл s = vt = 340 м/с · 2 с = 680 м. Это расстояние от человека до скалы и обратно, поэтому оно в два раза больше искомого расстояния.
3. Разделим путь пополам. Используем формулу l = vt/2. Получаем l = 680 м / 2 = 340 м. Деление на два обязательно: эхо возвращается к человеку после отражения и проходит тот же путь ещё раз.

Ответ: расстояние до скалы равно 340 м. Если в подобной задаче дано время эха, нельзя подставлять его в формулу без учёта обратного пути. Для проверки можно умножить 340 м на 2: звук должен пройти полный путь 680 м за 2 с.

Типичные ошибки

Путают громкость и высоту. Громкость связывают с частотой, хотя она определяется главным образом амплитудой, а частота задаёт высоту. Ошибка возникает потому, что оба свойства слышны одновременно. Проверьте себя вопросом: звук стал сильнее или тоньше — в первом случае изменилась громкость, во втором высота.

Забывают разделить путь эха на два. Иногда расстояние считают по формуле s = vt и принимают весь путь за расстояние до стены. Так делают, потому что в условии обычно указано время между звуком и эхом, а не время движения только до преграды. Нарисуйте мысленно маршрут «туда и обратно» и используйте l = vt/2.

Считают, что звук распространяется в вакууме. Звук требует частиц среды, которые передают колебания соседним частицам. Ошибка появляется из-за смешения звуковых и световых волн. Проверьте наличие среды: в пустом космическом пространстве обычный звук не передаётся.

Связь с другими темами

Тема связана с механическими волнами и колебаниями: звук переносит энергию, но частицы среды не перемещаются вместе с волной на большое расстояние. Частота и период связаны формулой ν = 1/T, поэтому знания о периодическом движении помогают объяснить высоту звука.

Эхо показывает действие закона отражения волн и используется в эхолокации. По задержке сигнала можно находить расстояние до преграды, а по отражённым звукам — исследовать глубину водоёмов и обнаруживать объекты.

Что запомнить

• Звук — механическая волна, для распространения которой нужна упругая среда.
• Громкость в основном зависит от амплитуды колебаний.
• Высота звука определяется частотой ν: чем она больше, тем звук выше.
• Эхо возникает при отражении звуковой волны от преграды.
• Для эха учитывают путь туда и обратно: l = vt/2.
• В воздухе скорость звука при обычных условиях примерно равна 340 м/с.