16. Звуковые колебания. Источники звука

Определения и обозначения

Звуковые колебания — механические колебания, которые могут вызвать у человека слуховое ощущение. Слово «механические» означает, что колеблется тело или частицы вещества. Обычно человек слышит частоты примерно от 20 Гц до 20 кГц, хотя границы зависят от возраста и особенностей слуха. Знание диапазона помогает отличать слышимые звуки от колебаний, которые ухо не воспринимает.

Источник звука — тело, совершающее колебания и создающее звуковые колебания в окружающей среде. Источником может быть, например, струна, мембрана или столб воздуха. Это понятие помогает установить, какое именно тело начинает звуковое явление. Среда вокруг источника передаёт колебания, но не становится самим источником только потому, что в ней распространяется звук.

Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания частиц, которые передают звуковое возмущение. Упругая среда — вещество, частицы которого взаимодействуют и могут передавать друг другу колебания. Волна нужна для переноса звукового воздействия от источника к слушателю. При этом передаётся энергия колебаний, а не сами частицы среды на большое расстояние.

Инфразвук и ультразвук — колебания с частотами соответственно ниже и выше диапазона, слышимого человеком. Инфразвук имеет частоту меньше примерно 20 Гц, а ультразвук — больше примерно 20 кГц. Эти названия позволяют классифицировать колебания по частоте. Человек обычно не слышит ни инфразвук, ни ультразвук, хотя они остаются механическими колебаниями.

Как это устроено

Звук начинается с колебаний тела-источника. Например, после щипка струна отклоняется от положения равновесия и возвращается обратно, поэтому её движение повторяется. Соприкасающиеся со струной частицы воздуха начинают колебаться вслед за ней. Так источник передаёт окружающей среде часть своих колебаний, и в воздухе возникает звуковое возмущение.

Возмущение распространяется от источника по среде как волна, потому что частицы взаимодействуют друг с другом. Колеблющаяся частица воздействует на соседние, те — на следующие, и передача продолжается. Каждая частица воздуха при этом лишь смещается около своего положения равновесия, а затем возвращается; постоянного потока воздуха от источника к слушателю не возникает. Поэтому волна может пройти большое расстояние, хотя отдельные частицы не путешествуют вместе с ней.

Звук распространяется только там, где есть упругая среда. В газе, жидкости или твёрдом теле частицы могут передавать друг другу колебания благодаря взаимодействию; в разных веществах скорость распространения звука различается. В вакууме почти нет частиц, которым можно было бы передать возмущение. Поэтому даже колеблющийся источник не создаёт там распространяющуюся звуковую волну.

Слух воспринимает только часть механических колебаний, потому что человеческое ухо реагирует на ограниченный диапазон частот. Частота показывает, сколько колебаний совершается за одну секунду, и измеряется в герцах (Гц). При частоте ниже примерно 20 Гц ухо обычно не распознаёт колебания как звук, а при частоте выше примерно 20 кГц они также не слышны. Поэтому наличие колебаний ещё не означает, что человек обязательно услышит их.

Источники звука могут быть устроены по-разному, но общий для них признак — колебания. У струнного инструмента колеблется струна, у барабана — натянутая мембрана, а в духовом инструменте колеблется столб воздуха. Каждое из этих тел приводит в движение прилегающие частицы среды. Затем колебания распространяются дальше, пока волна не достигнет уха или не ослабнет.

Виды звуковых колебаний по частоте

Чтобы определить вид колебаний, сравни частоту с ориентировочными границами слышимости: около 20 Гц и 20 кГц. Значение ниже нижней границы указывает на инфразвук, а выше верхней — на ультразвук. Если частота лежит между границами, колебания относятся к слышимому диапазону, но фактическая слышимость также зависит от слуха человека.

Разбор задач

Струна гитары

Условие. К струне гитары прикоснулись, и она зазвучала. Нужно указать источник звука и объяснить, что вызывает колебания воздуха. Сначала определим, какое тело непосредственно совершает колебания, а затем проследим передачу движения среде.

1. Найдём источник. После прикосновения колеблется струна, поэтому именно она является источником звука.
2. Рассмотрим, что происходит рядом со струной. При её движении она воздействует на соприкасающиеся частицы воздуха и заставляет их колебаться.
3. Эти частицы передают возмущение соседним частицам. Так в воздухе распространяется звуковая волна, которая может достичь слушателя.

Ответ. Источник звука — колеблющаяся струна. Воздух колеблется потому, что струна передаёт движение ближайшим частицам, а те передают его дальше.

Частота 12 Гц

Условие. Колебания источника имеют частоту 12 Гц. Нужно определить, услышит ли их человек как звук, и назвать вид колебаний. Для этого достаточно сравнить частоту с нижней границей слышимого диапазона.

1. Вспомним ориентир: человек обычно слышит звуки, частота которых начинается примерно с 20 Гц.
2. Сравним значения: 12 Гц меньше 20 Гц. Следовательно, частота находится ниже слышимого диапазона.
3. Колебания ниже диапазона слышимости называют инфразвуком. Значит, в данной задаче частота соответствует инфразвуку.

Ответ. Человек обычно не слышит колебания частотой 12 Гц как звук. Это инфразвук.

Звонок под колпаком

Условие. Звучащий звонок поместили под стеклянный колпак и откачали из-под него воздух. Нужно объяснить, почему звук почти перестаёт быть слышен, хотя звонок продолжает колебаться. Здесь важно разделить работу источника и распространение волны.

1. Проверим, изменилось ли состояние источника. Звонок продолжает колебаться, следовательно, сам источник по-прежнему может создавать возмущение.
2. Установим, что происходит со средой. При откачивании воздуха под колпаком становится всё меньше частиц, способных передавать колебания от звонка.
3. Для распространения звуковой волны нужна упругая среда. Когда воздуха почти нет, передача звука к слушателю резко ослабевает, хотя колебания звонка не прекратились.

Ответ. Звонок продолжает колебаться, но почти лишён среды, которая могла бы передать его колебания. Поэтому звук становится почти неслышным.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что звук переносит частицы среды к слушателю. Так думают, потому что волна действительно распространяется в направлении от источника. Но частицы только колеблются около положения равновесия и передают возмущение соседям. Проверка: представь поплавок на воде — волна проходит мимо, а поплавок не уплывает вместе с ней на большое расстояние.

Ошибка: полагать, что звук распространяется в вакууме. Путаница возникает, если смешать колебания источника с распространением звуковой волны. Вакуум не содержит частиц, которые могли бы передавать механические колебания. Проверь себя вопросом: есть ли между источником и слушателем упругая среда?

Ошибка: называть источником звука воздух вокруг тела. Воздух действительно участвует в распространении звука, поэтому его роль легко перепутать с ролью источника. Источник — колеблющееся тело, которое возбуждает колебания среды, например струна или мембрана. Чтобы проверить ответ, выясни, какое тело начало колебаться первым.

Ошибка: считать слышимыми любые механические колебания. Колебания могут существовать, даже если человек их не слышит. Причина в том, что слух воспринимает только ограниченный диапазон частот, примерно от 20 Гц до 20 кГц. Проверь себя: сравни частоту колебаний с этими границами и отнеси её к инфразвуку, слышимому диапазону или ультразвуку.

Связь с другими темами

Для изучения звука нужно знать, что такое механические колебания, частота и упругая среда. Колебания описывают движение источника, частота помогает оценить его темп, а понятие среды объясняет, как возмущение передаётся дальше. Если эти идеи знакомы, легче понять, почему звук возникает и почему он не распространяется в вакууме.

Тема служит основой для изучения характеристик звука и распространения волн. Понимание колебаний источника помогает объяснить работу музыкальных инструментов: струны, мембраны и воздушные столбы создают звуковые волны разными способами. Позже эти знания пригодятся при разборе того, как свойства колебаний связаны со звучанием.

Что запомнить

• Звук создаётся колеблющимся телом — источником звука.
• Звуковая волна распространяется в упругой среде.
• В вакууме звук не распространяется.
• При распространении звука частицы среды колеблются около положений равновесия.
• Слышимый человеком звук занимает ограниченный диапазон частот.
• Колебания ниже слышимого диапазона называют инфразвуком, выше — ультразвуком.