III. Звук

Определения и обозначения

Звуковые колебания — колебания, которые, распространяясь в среде, вызывают у человека слуховое ощущение. Источником может быть струна, мембрана динамика или голосовые связки. Это понятие помогает связать слышимый звук с движением тела и частиц среды.

Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания частиц, воспринимаемые как звук. Упругой называют среду, частицы которой могут смещаться и возвращаться к прежнему положению. Понятие волны нужно, чтобы описывать передачу звука от источника к слушателю.

Инфразвук — звуковые колебания с частотой ниже нижней границы слышимого человеком диапазона. Человек обычно не слышит такие колебания, хотя они могут распространяться и воздействовать на предметы. Это понятие позволяет отличать звук по частоте даже тогда, когда ухо его не воспринимает.

Ультразвук — звуковые колебания с частотой выше верхней границы слышимого человеком диапазона. Человеческое ухо не слышит ультразвук, но приборы могут его создавать и регистрировать. Понятие важно для понимания применений звука, например диагностики и эхолокации.

Как это устроено

Когда тело колеблется, оно попеременно толкает ближайшие частицы среды и отступает от них. Впереди тела возникает область сгущения частиц, а вслед за ней — разрежение. Частицы не летят вместе со звуком на большое расстояние, а колеблются около своих положений и передают возмущение соседям. Поэтому чередование сгущений и разрежений распространяется от источника как звуковая волна.

Звук распространяется в упругой среде, потому что её частицы взаимодействуют и могут передавать друг другу колебания. Такой средой могут быть воздух, вода, металл и другие вещества, хотя скорость звука в них различается. В вакууме почти нет частиц, которые могли бы передать возмущение от источника к слушателю. Поэтому даже громкий звонок внутри герметично откачанного сосуда не будет слышен снаружи, если звук не передаётся через стенки.

Частота показывает, сколько колебаний совершается за секунду, и измеряется в герцах (Гц). При высокой частоте источник быстро меняет движение, а ухо воспринимает звук как высокий; при низкой частоте тон кажется низким. Так различаются, например, басовый и свистящий звуки. Частота отвечает именно за высоту тона, а не за то, насколько звук громок.

Громкость связана прежде всего с амплитудой колебаний: чем дальше частицы отклоняются от положения равновесия, тем сильнее колебания доходят до уха и тем громче обычно кажется звук. Амплитуда — наибольшее отклонение колеблющегося тела или частицы от положения равновесия. На воспринимаемую громкость также влияют расстояние до источника и особенности слуха. Не следует смешивать её с высотой: тихий звук может быть высоким, а громкий — низким.

Скорость звука зависит от свойств среды и её температуры, потому что частицы по-разному взаимодействуют и передают колебания. Поэтому звук в воздухе, воде и твёрдых телах идёт с разной скоростью, а в воздухе при изменении температуры скорость тоже меняется. Если волна встречает преграду, часть её отражается; вернувшийся звук называют эхом. Для заметного эха отражённый звук должен прийти достаточно поздно, чтобы слух различил его отдельно от исходного.

Характеристики звука и звуковых волн

Сначала определите, какую характеристику спрашивают: частота связана с высотой, а амплитуда — с громкостью. Для вопросов о распространении учитывайте среду и температуру, а не только свойства источника. Последние две строки помогают назвать колебания, частота которых выходит за пределы слышимого диапазона.

Разбор задач

Звонок в откачанном сосуде

Условие: нужно определить, будет ли слышен звонок, помещённый в герметично откачанный сосуд. Откачивание удаляет из сосуда большую часть воздуха, то есть среды, которая обычно передаёт звуковые колебания. Проверим, остаётся ли путь для передачи звука от звонка к уху.

1. Звонок колеблется и создаёт звуковую волну вокруг себя.
2. Внутри откачанного сосуда почти нет частиц газа, поэтому колебания не могут передаваться через его внутреннее пространство обычным способом.
3. Значит, звук по воздуху внутри сосуда не распространяется; на практике возможная передача через стенки не меняет вывода для идеального откачанного сосуда.

Ответ: звонок не будет слышен через вакуум внутри сосуда, поскольку для распространения звука нужна упругая среда. Этот вывод относится именно к звуку, проходящему через пространство сосуда. Колебания могут передаваться иными путями, например через твёрдую стенку.

Длина звуковой волны

Условие: звук частотой 500 Гц распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с. Требуется найти длину волны λ. Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за время одного колебания, поэтому понадобятся скорость и частота.

1. Запишем связь величин: λ = v/ν, где v — скорость волны, а ν — частота.
2. Подставим значения: λ = 340 м/с ÷ 500 Гц. Поскольку 1 Гц = 1/с, единицы сократятся до метров.
3. Выполним деление: λ = 0,68 м. Проверка: за одну секунду проходят 340 м и совершаются 500 периодов, значит на один период приходится 340/500 м.

Ответ: длина волны равна 0,68 м. Чем выше частота при той же скорости, тем короче длина волны. Именно поэтому в формуле частота стоит в знаменателе.

Расстояние до преграды по эху

Условие: человек услышал эхо через 2 с после крика, скорость звука равна 340 м/с. Нужно определить расстояние до преграды. Звук успевает дойти до преграды, отразиться от неё и вернуться к человеку, поэтому двух секунд достаточно для всего пути туда и обратно.

1. Найдём полный путь звуковой волны: s = vt = 340 м/с · 2 с = 680 м.
2. Путь от человека до преграды — только половина полного пути: d = s/2.
3. Получим d = 680 м ÷ 2 = 340 м. Это расстояние в одну сторону, а не весь путь эха.

Ответ: преграда находится в 340 м от человека. Деление на два необходимо, потому что эхо возвращается к источнику. Если умножить скорость на время и не разделить результат, получится расстояние, которое звук прошёл в обе стороны.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что звук распространяется в вакууме. Её допускают, представляя волну как движение самого звука, хотя при звуковых колебаниях частицам нужно передавать возмущение соседям. Проверьте себя вопросом: есть ли на пути частицы среды, способные совершать и передавать колебания?

Ошибка: путать высоту звука с громкостью. Эти свойства легко смешать, потому что оба описывают впечатление от звука, но высота определяется частотой, а громкость связана с амплитудой. Чтобы проверить ответ, спросите себя, меняется ли число колебаний в секунду или их размах.

Ошибка: при расчёте эха принять весь пройденный путь за расстояние до преграды. Так происходит, если не учесть возвращение волны к слушателю. Запишите маршрут «туда и обратно» и разделите произведение скорости на время на два.

Ошибка: считать скорость звука одинаковой во всех средах. Такое предположение неверно, потому что передача колебаний зависит от свойств вещества и температуры. Перед вычислением выясните, в какой среде распространяется звук, и используйте соответствующую скорость.

Связь с другими темами

Для изучения звука нужны знания о механических колебаниях. Частота показывает число колебаний за секунду, а амплитуда — наибольшее отклонение от положения равновесия. Эти величины позволяют объяснить высоту и громкость звука.

Связь скорости, частоты и длины волны выражается формулой λ = v/ν. Она помогает решать задачи о звуке и пригодится при изучении других механических и электромагнитных волн. У волн разной природы есть общие характеристики, хотя способы их распространения различаются.

Свойства звука используют в акустике — области, изучающей звуковые явления, а также в ультразвуковой диагностике и эхолокации. В этих применениях важны распространение и отражение волн. По времени возвращения отражённого сигнала можно оценить расстояние до объекта.

Что запомнить

• Звук возникает при колебаниях тела и распространяется в упругой среде.
• В вакууме звук не распространяется.
• Частота звука определяет высоту тона.
• Амплитуда колебаний связана с громкостью звука.
• Скорость звука зависит от среды и её температуры.
• Инфразвук имеет частоту ниже слышимого диапазона, ультразвук — выше.
• Эхо возникает при отражении звуковой волны.