§ 30 Источники звука. Звуковые колебания

Определения и обозначения

Источник звука — тело или система тел, совершающие колебания и создающие звуковые колебания в окружающей среде. Например, струна гитары после щипка начинает быстро двигаться взад и вперёд. Это понятие помогает найти начало цепочки: именно источник возбуждает колебания среды.

Звуковые колебания — механические колебания, распространяющиеся в упругой среде и воспринимаемые органом слуха. Они передаются от частицы среды к соседним частицам, а сама среда в целом не уходит вместе со звуковой волной. Определение показывает, что звук связан и с движением тел, и со слуховым восприятием.

Камертон — металлический прибор определённой формы, создающий звук почти постоянной частоты. После удара по нему колеблются две его ветви, поэтому возникает достаточно чистый тон. Камертон используют как удобный источник для наблюдения свойств звука.

Частота звуковых колебаний — число колебаний источника звука за одну секунду; она обозначается ν и измеряется в герцах, Гц. Если за время t произошло N колебаний, то ν = N/t. Частота нужна для определения высоты звука и сравнения разных источников.

Как это устроено

Источником звука может быть только колеблющееся тело, потому что неподвижное тело не создаёт меняющихся воздействий на окружающую среду. При движении источника частицы воздуха то сжимаются, то разрежаются, и это изменение передаётся дальше. Так от источника распространяется механическая волна, которую ухо может воспринимать как звук.

Колебания можно обнаружить у струны, если после щипка направить на неё свет или прикоснуться к ней лёгкой бумажной полоской: струна заставит полоску двигаться. У камертона движение ветвей почти незаметно, но прикосновение к воде вызывает рябь, а поднесённый шарик отклоняется. Металлическая линейка, выступающая за край стола, после отклонения быстро колеблется, а голосовые связки вибрируют при разговоре.

Для распространения звука нужна упругая среда, то есть вещество, частицы которого могут смещаться и возвращаться к прежнему положению. В воздухе колебания передаются столкновениями молекул, в воде — движением её частиц, а в твёрдых телах — взаимодействием соседних частиц. В вакууме частиц почти нет, поэтому передавать механические колебания некому.

Высота звука зависит от частоты: источник, совершающий больше колебаний за секунду, создаёт более высокий тон. Амплитуда — наибольшее отклонение тела от положения равновесия — связана с громкостью: при большей амплитуде колебания среды обычно сильнее. Поэтому изменение частоты и изменение амплитуды дают разные результаты: звук становится соответственно выше или громче.

К источникам звука относятся музыкальные инструменты, голос человека, механические устройства и искусственные излучатели. В струнных инструментах колеблются струны, в духовых — столб воздуха, а в голосовом аппарате — голосовые связки. В динамике электрический сигнал заставляет колебаться мембрану, которая передаёт эти колебания воздуху.

Источники звука и колеблющиеся тела

Сначала найдите в таблице сам источник, а затем определите тело или часть системы, которая непосредственно колеблется. Последний столбец показывает результат этих колебаний, но не заменяет название источника. Воздух вокруг источника является средой передачи, если только колеблющийся столб воздуха не является частью духового инструмента.

Разбор задач

Задача 1

Назовём источник звука и колеблющееся тело при звучании камертона, гитарной струны и человеческого голоса. Важно отделить устройство или систему, создающую звук, от среды, которая переносит колебания. Воздух в этих примерах передаёт звук к уху, но первоначально не является источником.

1. У камертона источником является сам камертон, а колеблются его металлические ветви.
2. У гитары источником звука служит натянутая струна, которая колеблется после щипка; корпус усиливает звук.
3. При человеческом голосе источником считают голосовые связки, колеблющиеся под действием потока воздуха.

Ответ: камертон — ветви камертона; гитара — струна; человеческий голос — голосовые связки. Воздух во всех случаях является средой распространения звука.

Задача 2

Источник совершает 600 колебаний за 3 с. Нужно вычислить частоту и сравнить её с диапазоном слышимых человеком звуков, который приблизительно равен 20–20 000 Гц. Используем определение частоты как числа колебаний за единицу времени.

1. Записываем данные: N = 600, t = 3 с.
2. Применяем формулу ν = N/t.
3. Получаем ν = 600/3 = 200 Гц.
4. Число 200 Гц находится между 20 Гц и 20 000 Гц.

Ответ: частота равна 200 Гц. Такой звук относится к слышимому диапазону.

Задача 3

Частоты двух камертонов равны 440 Гц и 880 Гц. Сначала сравним высоту звуков по частоте, затем найдём период каждого камертона по формуле T = 1/ν. Период показывает время одного полного колебания и измеряется в секундах.

1. Так как 880 Гц больше 440 Гц, второй камертон создаёт более высокий звук.
2. Для первого камертона: T₁ = 1/440 с ≈ 0,00227 с.
3. Для второго камертона: T₂ = 1/880 с ≈ 0,00114 с.
4. У второго камертона период в два раза меньше, потому что его частота в два раза больше.

Ответ: звук частотой 880 Гц выше. Периоды равны примерно 0,00227 с и 0,00114 с соответственно.

Типичные ошибки

Источник звука иногда путают со средой распространения. Воздух действительно колеблется, но обычно он лишь передаёт воздействие от струны, мембраны или голосовых связок. Проверка простая: спросите, какое тело начало колебаться первым.

Ошибочно считать, что любой движущийся предмет издаёт звук. Равномерное перемещение может не создавать периодических изменений давления, тогда как колебательное движение делает это. Проверьте, повторяется ли движение около положения равновесия и передаются ли изменения среде.

Частоту путают с амплитудой, потому что обе величины связаны с колебаниями. Частота показывает число колебаний за секунду и влияет на высоту, а амплитуда показывает размах движения и связана с громкостью. Для проверки отдельно спросите: «Как быстро колеблется?» и «Насколько сильно отклоняется?»

Некоторые полагают, что звук может идти через вакуум. Это неверно: звук механический, поэтому ему нужны частицы вещества для передачи колебаний. Если среды нет, источник может колебаться, но услышать его на расстоянии невозможно.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать механические колебания, амплитуду, период, частоту и упругую среду. Эти понятия позволяют описывать движение источника количественно.

Тема подготавливает изучение распространения звука, звуковых волн, инфразвука и ультразвука. Позже частоту будут связывать с особенностями разных диапазонов.

Знания пригодятся при изучении музыкальных инструментов, акустики, эха, резонанса, а также принципов работы микрофона и динамика. Во всех этих случаях важно проследить путь колебаний от источника до приёмника.

Что запомнить

• Звук возникает вследствие колебаний тела — источника звука.
• Звуковые колебания являются механическими.
• Для распространения звука необходима упругая среда.
• К источникам звука относятся струны, столбы воздуха, голосовые связки, мембраны и металлические тела.
• Частота колебаний определяет высоту звука.
• Амплитуда колебаний связана с громкостью звука.
• Частота измеряется в герцах и равна числу колебаний за одну секунду.