§ 22. Звуковые волны

Определения и обозначения

Звуковая волна — механическая волна, распространяющаяся в упругой среде и воспринимаемая органом слуха. Иначе говоря, звук переносится колебаниями частиц вещества, а не самими частицами на большие расстояния. Это определение сразу подсказывает, почему звук можно услышать в воздухе, но нельзя передать через пустоту.

Источник звука — колеблющееся тело, создающее в окружающей среде периодические изменения давления. Это может быть струна, голосовые связки или мембрана динамика. Понятие источника нужно, чтобы объяснить, откуда начинаются колебания и почему частота звука зависит от того, как колеблется тело.

Высота звука — характеристика звука, определяемая частотой колебаний: чем больше частота, тем выше звук. Частота показывает, сколько колебаний совершается за одну секунду, и измеряется в герцах. По высоте различают, например, низкий бас и высокий свист, даже если они звучат одинаково громко.

Тембр — своеобразная окраска звука, зависящая от формы колебаний и состава обертонов. Обертоны — дополнительные составляющие звука, которые звучат вместе с основным тоном. Благодаря тембру мы различаем одну и ту же ноту, сыгранную на скрипке и флейте.

Как это устроено

Когда источник звука колеблется, он то сжимает ближайшие частицы воздуха, то позволяет им разойтись. Сжатые частицы давят на соседние, а те передают возмущение дальше, поэтому области повышенного и пониженного давления чередуются. Такое распространяющееся чередование сгущений и разрежений и образует звуковую волну. Частицы не летят вместе со звуком от источника к слушателю: они колеблются около своих положений равновесия и передают энергию соседям.

Звук называют механической волной, потому что он связан с движением частиц вещества и изменением давления в нём. Чтобы возмущение передавалось дальше, частицы должны взаимодействовать и возвращаться к равновесию после смещения; такую способность среды называют упругостью. В воздухе и воде частицы могут передавать колебания соседям, хотя устроены эти среды по-разному. В вакууме частиц почти нет, поэтому передавать механические колебания некому, и звук не распространяется.

В воздухе частицы колеблются преимущественно вдоль направления, в котором движется звуковая волна. Поэтому такую волну называют продольной: в ней последовательно возникают сгущения и разрежения воздуха. Частицы при этом не проходят вслед за волной путь от источника до уха, а смещаются вперёд и назад около положения равновесия. Именно чередование таких локальных смещений передаёт возмущение на всё большее расстояние.

Частота колебаний определяет высоту звука, а амплитуда — наибольшее отклонение частиц от равновесия — связана с его громкостью. Чем чаще колеблется источник, тем выше воспринимаемый тон; чем больше амплитуда, тем сильнее изменения давления и обычно тем громче звук. Высоту и громкость нельзя смешивать: тонкий звук может быть тихим, а низкий — громким. На восприятие также влияют особенности слуха, но связь частоты с высотой и амплитуды с громкостью остаётся основной.

Скорость звука зависит от свойств среды: от того, насколько легко в ней передаются колебания и какова её плотность. В обычных условиях звук распространяется быстрее в жидкостях, чем в газах, и ещё быстрее во многих твёрдых телах, например в металлах. В воздухе с повышением температуры скорость звука увеличивается, поскольку частицы движутся быстрее и эффективнее передают возмущение. Скорость не задаётся одной лишь частотой источника: при переходе в другую среду меняются скорость и длина волны, но сохраняется частота.

Основные характеристики звука

Таблица помогает быстро связать физическую характеристику с тем, как звук воспринимается или распространяется. Для сравнения звуков сначала уточните, о чём идёт речь: о частоте, амплитуде, среде или диапазоне слышимости. Границы слышимого диапазона указаны приблизительно и могут немного различаться у разных людей.

Разбор задач

Задача 1. Частота звуковой волны равна 440 Гц, а скорость звука в воздухе — 340 м/с. Найдём длину волны. Длина волны показывает, какое расстояние проходит волна за один период колебаний.

1. Используем формулу связи скорости, длины волны и частоты: v = λf. Выразим длину волны: λ = v/f.
2. Подставим значения: λ = 340 м/с ÷ 440 Гц ≈ 0,77 м. Единица результата — метр, потому что скорость, делённая на частоту, даёт длину.
3. Проверим смысл: при заданной частоте волна за один период проходит меньше метра. Получаем длину волны около 0,77 м.

Ответ: λ ≈ 0,77 м.

Задача 2. Эхо вернулось к наблюдателю через 0,8 с после крика, скорость звука равна 340 м/с. Нужно определить расстояние до препятствия. Время относится ко всему пути звука: сначала до препятствия, затем обратно к наблюдателю.

1. Найдём полный путь по формуле s = vt: s = 340 м/с × 0,8 с = 272 м. Это расстояние туда и обратно, а не расстояние до стены.
2. Поскольку путь до препятствия и обратно одинаков, расстояние до препятствия вдвое меньше: d = s/2 = 272 м ÷ 2 = 136 м.
3. Проверка: на путь в одну сторону звук затратил половину времени, то есть 0,4 с. Тогда 340 м/с × 0,4 с = 136 м, что совпадает с результатом.

Ответ: расстояние до препятствия равно 136 м.

Задача 3. Звук частотой 680 Гц распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с, а в воде — со скоростью 1500 м/с. Найдём длину волны в каждой среде и сравним результаты. Частота источника при переходе волны из одной среды в другую сохраняется.

1. Для обеих сред применим λ = v/f. В воздухе: λ = 340 м/с ÷ 680 Гц = 0,5 м.
2. В воде: λ = 1500 м/с ÷ 680 Гц ≈ 2,21 м. Скорость в воде больше, поэтому при той же частоте волна за период проходит большее расстояние.
3. Сравним: в воде длина волны примерно в 4,4 раза больше, чем в воздухе. Частота остаётся 680 Гц, а изменение длины волны происходит из-за изменения скорости распространения.

Ответ: в воздухе λ = 0,5 м, в воде λ ≈ 2,21 м; в воде длина волны больше.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что звук может распространяться в вакууме. Её допускают, смешивая звук с электромагнитными волнами, которым среда не нужна. Проверьте себя вопросом: какие частицы передадут колебания дальше? Если среды нет, передача звука невозможна.

Ошибка — путать высоту и громкость. Высота связана с частотой, а громкость — главным образом с амплитудой, поэтому увеличение одной величины не означает обязательного увеличения другой. Чтобы проверить себя, спросите: звук стал тоньше или только сильнее? Первый признак относится к высоте, второй — к громкости.

Ошибка — думать, что при переходе звука в другую среду меняется частота. Так считают, потому что скорость и длина волны действительно могут измениться, но частоту задаёт колеблющийся источник. Проверьте результат по формуле v = λf: если v меняется, при прежней f должна измениться λ.

Ошибка в задаче на эхо — принять весь путь звуковой волны за расстояние до препятствия. Эхо возвращается к наблюдателю, поэтому звук проходит путь туда и обратно; путаница возникает, когда учитывают только время, но не маршрут. Проверьте решение схемой пути или используйте формулу d = vt/2.

Связь с другими темами

Для понимания звуковых волн нужны знания о механических волнах и колебаниях: периоде, частоте, амплитуде и формуле v = λf. Эти понятия позволяют рассчитывать длину волны и объяснять, почему звук меняется при переходе между средами. Тема пригодится при изучении музыкальных инструментов, акустики помещений и микрофонов, которые преобразуют звуковые колебания в электрический сигнал. Позже те же идеи помогут разобраться в ультразвуковой диагностике, эхолокации и техническом измерении расстояний.

Что запомнить

• Звук — механическая волна, поэтому ему нужна упругая среда.
• В вакууме звук не распространяется.
• В воздухе звуковые волны являются продольными.
• Частота определяет высоту звука.
• Амплитуда колебаний связана с громкостью звука.
• Скорость звука зависит от среды и температуры.
• Инфразвук имеет частоту ниже слышимого диапазона, а ультразвук — выше него.