"Физика", Изергин Э.Т.
Звуковая волна возникает, когда колеблющееся тело передаёт колебания частицам окружающей упругой среды. Так распространяются звуки речи, музыки и шума: частицы среды не улетают вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Звук переносит энергию, но не проходит через вакуум. Его высота зависит от частоты, громкость — прежде всего от амплитуды и интенсивности колебаний, а скорость — от свойств среды.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звуковая волна — механическая волна, распространяющаяся в упругой среде и вызывающая звуковые ощущения. Упругая среда — вещество, частицы которого могут смещаться и взаимодействовать, передавая колебания соседним частицам. Это определение помогает отличить звук от других волн и помнить, что ему нужна материальная среда.
Источник звука — тело, совершающее колебания и создающее в окружающей среде звуковую волну. Источниками могут быть струна, мембрана динамика или голосовые связки. Когда ищешь причину звука, сначала определи, какое тело колеблется и передаёт эти колебания воздуху или другому веществу.
Частота звука — число колебаний источника за одну секунду; её обозначают f и измеряют в герцах (Гц). Например, частота 100 Гц означает, что за секунду совершается 100 колебаний. Частота нужна, чтобы описывать высоту звука и рассчитывать связанные с колебаниями величины, например период: T = 1/f.
Диапазон слышимости — диапазон частот, которые воспринимает слух человека, примерно от 20 Гц до 20 кГц. Границы приблизительны: они зависят от возраста и состояния слуха. Понятие помогает определить, услышит ли человек звук или его частота лежит за пределами обычного восприятия.
Колеблющийся источник попеременно толкает и отпускает ближайшие частицы среды. В воздухе перед источником появляются области, где частицы расположены плотнее, — сжатия, а за ними области разрежения. Каждая такая область воздействует на соседние частицы, поэтому чередование сжатий и разрежений перемещается в пространстве. Так колебание источника превращается в звуковую волну, которая уносит энергию от него.
Звук называют механической волной, потому что его распространение связано с движением и взаимодействием частиц вещества. Чтобы частицы передавали колебание дальше, между ними должны действовать силы, возвращающие их к равновесию; этим свойством обладает упругая среда. В вакууме нет достаточного количества частиц, которые могли бы передавать колебания. Поэтому даже очень громкий источник не будет слышен через космический вакуум, хотя его звук может распространяться внутри окружающего источника воздуха.
При прохождении волны частицы среды не отправляются от источника к слушателю вместе со звуком. Каждая частица лишь колеблется около положения равновесия и передаёт воздействие соседней, а та — следующей. Поэтому переносится энергия колебаний, но не переносится само вещество на большое расстояние. Это похоже на волну по цепочке: движение передаётся дальше, хотя отдельные звенья остаются примерно на своих местах.
Частота определяет высоту звука: при большем числе колебаний в секунду звук воспринимается более высоким. Амплитуда показывает, насколько сильно отклоняются частицы от положения равновесия; обычно с увеличением амплитуды возрастает интенсивность и звук кажется громче. Интенсивность характеризует поток энергии звуковой волны через единицу площади за единицу времени. Поэтому высокий звук не обязательно громкий: частота и громкость описывают разные свойства.
Скорость звука зависит от вещества и условий, потому что частицы в разных средах по-разному взаимодействуют, а среда по-разному сопротивляется сжатию. В твёрдом теле частицы обычно связаны сильнее, поэтому колебание передаётся между ними быстрее, чем в жидкости или газе. Скорость также может меняться при изменении условий, например температуры воздуха. Для волны длина λ, скорость v и частота f связаны формулой λ = v/f: за один период колебания волна проходит расстояние, равное одной длине волны.
| Вид волн | Диапазон частот | Воспринимаются человеком | Примеры и применение |
|---|---|---|---|
| Инфразвук | Ниже 20 Гц | Обычно нет | Колебания при землетрясениях и работе крупных механизмов; наблюдение за природными явлениями |
| Слышимый звук | Примерно от 20 Гц до 20 кГц | Да, если звук достаточно сильный и слух воспринимает эту частоту | Речь, музыка, сигналы и шумы окружающего мира |
| Ультразвук | Выше 20 кГц | Обычно нет | Медицинская диагностика, эхолоты, очистка деталей |
Чтобы определить вид волны, сравни её частоту с границами слышимого диапазона: ниже 20 Гц — инфразвук, выше 20 кГц — ультразвук. Частоты между этими значениями относятся к слышимому звуку, хотя конкретный человек может воспринимать не весь диапазон. Таблица также показывает, что волны за пределами слуха полезны в технике и науке.
Определить, услышит ли человек звук частотой 500 Гц, и найти период его колебаний. Сравним частоту с приблизительным диапазоном слышимости, а затем воспользуемся связью периода и частоты. Период покажет, сколько времени занимает одно полное колебание источника.
Ответ: звук частотой 500 Гц относится к слышимым; период равен 0,002 с.
Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с, а его частота равна 680 Гц. Найти длину волны. Длина волны — расстояние, которое колебание проходит за один период; можно сразу связать её со скоростью распространения и частотой.
Ответ: длина волны равна 0,5 м.
Эхо вернулось к наблюдателю через 2 с после крика. Скорость звука равна 340 м/с. Нужно найти расстояние до преграды, от которой отразился звук. Время измерено для всего пути эха, а не только для движения от человека к преграде.
Ответ: расстояние до преграды равно 340 м.
Ошибка: считать, что звук распространяется в вакууме. Её допускают, представляя звук как нечто похожее на свет, который может идти через пустое пространство. Проверь себя вопросом: какие частицы будут передавать колебание дальше? Если среды нет, механическая звуковая волна распространяться не может.
Ошибка: путать направление распространения волны с движением частиц среды. Это происходит потому, что рисунок или движение волны легко принять за перемещение самого вещества. Проверь, что частицы колеблются около положения равновесия, а волна переносит энергию от одной области к другой.
Ошибка: считать, что увеличение частоты делает звук громче. Частота влияет на высоту, а громкость прежде всего связана с амплитудой и интенсивностью колебаний. Для проверки отдельно спроси себя, что изменилось: число колебаний в секунду или их размах; первое связано с высотой, второе — с громкостью.
Ошибка: при расчёте расстояния по эху умножать скорость на время и не делить результат на два. Так забывают, что звук сначала доходит до преграды, а затем возвращается. Проверь, что данное время относится ко всему пути эха; если да, расстояние до преграды равно vt/2.
Для понимания звуковых волн нужны знания о механических колебаниях: периоде, частоте и амплитуде, а также о механических волнах. Эти понятия позволяют объяснить, как колебания возникают и распространяются. Тема пригодится при изучении отражения волн, акустики, музыкальных инструментов, ультразвуковой диагностики и эхолокации.
Связь с биологией видна в работе органов слуха, воспринимающих звуковые колебания. В технике тот же принцип используют микрофоны, которые превращают звук в сигнал, и динамики, создающие колебания воздуха. Ультразвуковые приборы применяют волны с частотой выше слышимого человеком диапазона.
Почему звук не распространяется в космическом вакууме?
Звук передаётся от частицы к частице, поэтому ему нужна материальная среда — например, воздух, вода или твёрдое тело. В вакууме частиц почти нет, и передавать колебания некому.
Чем отличаются высота и громкость звука?
Высота связана с частотой: чем чаще колеблется источник, тем выше воспринимается звук. Громкость зависит прежде всего от амплитуды и интенсивности колебаний: при большей амплитуде звук обычно громче.
Почему в разных средах скорость звука различна?
Скорость зависит от того, насколько упруга среда и каковы её плотность и другие свойства. В твёрдых телах частицы обычно сильнее взаимодействуют, поэтому звук там распространяется быстрее, чем в жидкостях и газах.
Как человек слышит звуковые волны?
Звуковые колебания достигают уха и заставляют колебаться барабанную перепонку. Далее колебания передаются внутреннему уху, где превращаются в сигналы, которые нервная система передаёт мозгу.
Где применяются ультразвук и инфразвук?
Ультразвук используют, например, для медицинской диагностики, очистки деталей и обнаружения препятствий эхолотом. Инфразвук применяют при изучении природных явлений и в наблюдениях за колебаниями, которые возникают при землетрясениях и работе крупных механизмов.
§ 28. Звуковые волны
