З Звуковые волны

Определения и обозначения

Звуковая волна — механическая волна, распространяющаяся в упругой среде благодаря колебаниям её частиц. Упругая среда после смещения стремится вернуться в исходное состояние и передаёт движение соседним частицам. Это понятие помогает понять, почему звук требует вещества и может переносить энергию.

Частота звука — число колебаний источника за одну секунду; обозначается ν и измеряется в герцах (Гц). Она определяет высоту звука: большая частота соответствует более высокому тону. Для связи с периодом используют формулу ν = 1/T.

Громкость звука — характеристика, связанная главным образом с амплитудой колебаний и интенсивностью звуковой волны. Амплитуда показывает наибольшее отклонение частиц от положения равновесия. Чем больше амплитуда, тем больше энергии обычно переносит волна и тем громче звук.

Инфразвук и ультразвук — колебания с частотой ниже и выше диапазона слышимости человека соответственно. Инфразвук имеет частоту примерно меньше 16 Гц, а ультразвук — больше 20 кГц. Такое разделение нужно, чтобы отличать воспринимаемые ухом звуки от колебаний, которые человек непосредственно не слышит.

Как это устроено

Источником звука становится тело, совершающее быстрые колебания: струна, мембрана громкоговорителя или голосовые связки. При движении оно то сжимает ближайший слой среды, то создаёт в нём разрежение. Частицы среды начинают колебаться около своих положений равновесия и передают это движение соседним частицам, поэтому распространяется волна, а не само вещество.

Звук не распространяется в вакууме, потому что там нет частиц, способных передавать механическое воздействие. В газах частицы находятся далеко друг от друга, в жидкостях — ближе, а в твёрдых телах соединены наиболее прочно. Поэтому при одинаковых условиях звук обычно быстрее идёт в твёрдых телах, медленнее — в жидкостях и ещё медленнее — в газах.

В газе частицы колеблются вдоль направления распространения волны, поэтому звуковая волна является продольной. Участок, где частицы сближены, называют сгущением, а участок с увеличенным расстоянием между ними — разрежением. Чередование сгущений и разрежений переносится от источника дальше, хотя отдельные частицы не улетают вместе с волной.

Скорость звука зависит от свойств среды и её температуры, а не только от источника. Длина волны λ — расстояние между ближайшими одинаковыми фазами колебаний, например между центрами двух соседних сгущений. За один период T волна проходит одну длину волны, поэтому скорость, длина волны и частота связаны формулой v = λν.

Частота колебаний источника сохраняется при распространении звука в одной и той же среде, поэтому по ней определяется высота тона. Амплитуда показывает размах колебаний и связана с энергией волны: при её увеличении звук обычно воспринимается громче. Высокий звук не обязательно громкий, а громкий не обязательно высокий, поскольку это разные характеристики.

Виды звуковых колебаний по частоте

Чтобы определить вид колебаний, сравните его частоту с границами диапазона слышимости. Частоту в килогерцах сначала переводят в герцы: 1 кГц = 1000 Гц. Границы являются приблизительными: у разных людей диапазон слуха может отличаться.

Разбор задач

1. Определение вида звука

Условие: частота звука равна 25 кГц. Нужно определить, является ли он инфразвуком, слышимым звуком или ультразвуком. Сравнивать величины нужно в одинаковых единицах.

1. Переведём частоту: 25 кГц = 25 000 Гц.
2. Сравним её с верхней границей слышимости человека, примерно 20 000 Гц.
3. Так как 25 000 Гц больше 20 000 Гц, частота лежит в области ультразвука.

Ответ: звук частотой 25 кГц является ультразвуком.

2. Длина звуковой волны

Условие: звук распространяется в воздухе со скоростью v = 340 м/с и имеет частоту ν = 680 Гц. Найдём длину волны λ. Подходит формула, связывающая три величины волны.

1. Запишем формулу: v = λν.
2. Выразим длину волны: λ = v/ν.
3. Подставим значения: λ = 340 м/с : 680 Гц = 0,5 м.

Ответ: длина звуковой волны равна 0,5 м.

3. Расстояние по эху

Условие: эхо вернулось через t = 2 с после хлопка, скорость звука v = 340 м/с. За это время звук прошёл до препятствия и обратно. Поэтому расстояние до него будет только половиной полного пути.

1. Найдём весь пройденный путь: L = vt = 340 м/с · 2 с = 680 м.
2. Разделим его на два направления: s = L/2.
3. Получим s = 680 м : 2 = 340 м.

Ответ: расстояние до препятствия равно 340 м.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что звук распространяется в вакууме. Её допускают, путая звук с электромагнитной волной, которой среда не нужна. Проверьте себя вопросом: есть ли частицы, передающие механические колебания?

Ошибка: путать частоту и период или неверно применять связь ν = 1/T. Частота показывает число колебаний за секунду, а период — время одного колебания. Проверьте единицы: частота измеряется в герцах, период — в секундах.

Ошибка: подставлять килогерцы в формулу v = λν без перевода. Из-за этого ответ получается в тысячу раз неверным. Перед вычислением замените ν кГц на ν Гц, умножив число на 1000.

Ошибка: принимать весь путь при эхо за расстояние до препятствия. Звук сначала движется к преграде, а затем возвращается, поэтому полный путь вдвое больше искомого расстояния. Проверьте, есть ли в решении деление на 2: s = vt/2.

Связь с другими темами

Для изучения звуковых волн нужны знания о механических колебаниях и волнах, амплитуде, периоде, частоте, длине волны и скорости распространения. Эти понятия позволяют объяснить эхо, резонанс и работу музыкальных инструментов. На практике свойства звука используют в ультразвуковой диагностике, эхолокации и измерении расстояний.

Что запомнить

• Звук является механической волной и требует материальной среды.
• В воздухе звуковая волна является продольной.
• Источник звука — тело, совершающее колебания.
• Скорость, длина волны и частота связаны формулой v = λν.
• Частота определяет высоту звука.
• Амплитуда и интенсивность связаны с громкостью звука.
• Инфразвук ниже диапазона слышимости, ультразвук выше него.