§ 32 Распространение звука. Звуковые волны

Определения и обозначения

Источник звука — тело, совершающее колебания. Колеблюсь, оно попеременно воздействует на частицы окружающей среды, заставляя их тоже колебаться. Это понятие помогает понять, откуда начинается звук и почему звучать может только тело, способное колебаться.

Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания, которые могут быть восприняты слухом. Упругая среда — вещество, частицы которого взаимодействуют и передают возмущение соседним частицам. Понятие волны описывает не перемещение вещества от источника к слушателю, а передачу колебаний.

Скорость звука — скорость распространения звуковой волны в данной среде. Её обозначают буквой v и измеряют в метрах в секунду (м/с). Скорость нужна, чтобы находить пройденное звуком расстояние или время распространения: s = vt.

Эхо — отражённый звук, который возвращается к слушателю и воспринимается отдельно от первоначального. Оно возникает, когда звуковая волна отражается от препятствия и проходит путь обратно. По времени прихода эха можно определить расстояние до поверхности, если известна скорость звука.

Как это устроено

Звук появляется, когда колеблется его источник: например, струна гитары после щипка начинает быстро двигаться из стороны в сторону. При движении струна давит на прилегающие частицы воздуха и затем отступает, поэтому в воздухе возникают чередующиеся участки сжатия и разрежения. Соседние частицы подхватывают это движение, и возмущение постепенно удаляется от источника. Так колебания источника становятся звуковой волной.

Во время распространения звуковой волны частицы среды не летят от источника к слушателю. Каждая из них колеблется около своего положения равновесия и воздействует на соседние частицы, передавая им движение. Поэтому через среду переносится энергия колебаний, а не сама масса воздуха или другого вещества. Когда волна доходит до уха, она приводит в колебание части его слухового аппарата, и человек воспринимает звук.

Для передачи колебаний нужна упругая среда, то есть вещество, частицы которого способны взаимодействовать друг с другом. В газах, жидкостях и твёрдых телах такие частицы есть, поэтому звук может распространяться. В вакууме нет частиц вещества, которые передавали бы колебания от источника дальше. Вот почему даже сильный источник не создаст слышимую звуковую волну в пустом пространстве без среды.

Скорость звука зависит от того, в какой среде и при каких условиях распространяется волна. В газе частицы находятся сравнительно далеко друг от друга, в жидкости расположены ближе, а в твёрдом теле тесно взаимодействуют и связаны между собой. Поэтому обычно звук идёт быстрее в жидкостях, чем в газах, и быстрее всего — в твёрдых телах. Точные значения зависят также от свойств конкретного вещества и его состояния.

Когда звуковая волна встречает препятствие, часть её может отразиться и вернуться к слушателю. Если отражённый звук приходит достаточно поздно, чтобы ухо различило его отдельно от исходного, человек слышит эхо. Для этого отражающая поверхность должна находиться на достаточном расстоянии: чем дальше она, тем дольше звук идёт туда и обратно. Если препятствие близко, отражение обычно смешивается с первоначальным звуком и отдельное эхо не слышно.

Распространение звука в разных средах

В таблице приведены ориентировочные значения: скорость зависит от свойств вещества и его состояния. Сравнивая строки, можно увидеть, что среда влияет на скорость звуковой волны. Для вакуума нельзя указать скорость звука, потому что звук в нём не распространяется.

Разбор задач

Задача 1. В воздухе звук распространяется со скоростью 340 м/с. Какое расстояние он пройдёт за 2 с? Нужно найти путь, поэтому используем формулу s = vt: скорость показывает, какой путь волна проходит за одну секунду. Данные уже выражены в согласованных единицах — метрах в секунду и секундах.

1. Запишем данные: v = 340 м/с, t = 2 с.
2. Подставим их в формулу пути: s = vt = 340 · 2.
3. Вычислим: s = 680 м. Единицы сокращаются так: (м/с) · с = м.

Ответ: звук пройдёт 680 м. Речь идёт о пути волны за указанное время, а не о расстоянии до какого-либо препятствия.

Задача 2. Человек услышал эхо через 2 с после крика. Как далеко находится отражающая поверхность, если скорость звука в воздухе равна 340 м/с? Время включает и движение звука к препятствию, и возвращение к человеку. Поэтому сначала находим полный путь, а затем делим его пополам, чтобы получить расстояние в одну сторону.

1. Запишем данные: v = 340 м/с, t = 2 с.
2. Найдём путь звуковой волны туда и обратно: s = vt = 340 · 2 = 680 м.
3. Найдём расстояние до поверхности: d = s/2 = 680/2 = 340 м.

Ответ: отражающая поверхность находится в 340 м от человека. Деление на два необходимо, потому что звук возвращается к слушателю после отражения.

Задача 3. Звуковая волна частотой 500 Гц распространяется в среде со скоростью 1500 м/с. Найдите длину волны. За одну секунду проходит 500 полных колебаний, поэтому длина одного периода пространственного повторения связана со скоростью формулой v = λf. Выразим из неё длину волны.

1. Запишем данные: f = 500 Гц, v = 1500 м/с. Герц равен обратной секунде, поэтому единицы согласованы.
2. Используем формулу: λ = v/f.
3. Подставим значения: λ = 1500/500 = 3 м.

Ответ: длина волны равна 3 м. Проверка единиц даёт (м/с)/(1/с) = м, что соответствует длине.

Типичные ошибки

Считать, что звук распространяется в вакууме, — ошибка: звуковые колебания передаются частицами среды, а в вакууме их нет. Такое представление возникает, если путать звук с другими видами волн, которым среда не требуется. Проверьте себя вопросом: какие частицы передают колебания дальше? Если вещества нет, передавать их некому.

Представлять, что частицы воздуха движутся от источника к слушателю, тоже неверно. Частицы колеблются около положений равновесия, а соседям передаётся возмущение; путают это, потому что волна сама перемещается в пространстве. Для проверки вообразите поплавки на воде: волна проходит мимо, но поплавки в основном качаются на месте.

В задаче на эхо нельзя принимать весь путь звуковой волны за расстояние до препятствия. Ошибка возникает, если учесть только направление от человека, забыв о возвращении отражённого звука. Проверьте, куда звук двигался за данное время: если он вернулся к слушателю, полный путь вдвое больше расстояния до поверхности.

Считать скорость звука одинаковой во всех средах — значит игнорировать различия между веществами. Это легко предположить, если запомнить только одно значение для воздуха и переносить его на другие случаи. Перед расчётом проверьте, для какой среды дана скорость, и используйте соответствующее значение; в вакууме скорость звука не задают, поскольку волна там не распространяется.

Связь с другими темами

Для понимания звуковых волн нужны знания о механических колебаниях: источник колеблется, а среда передаёт это движение дальше. Полезно также знать, как колебания распространяются в упругой среде, не перенося вещество на большие расстояния. При решении задач применяются понятия пути, скорости и времени, а также формула s = vt.

Тема подготавливает к изучению волновых явлений и отражения звука. Связь скорости, частоты и длины волны помогает описывать разные звуковые волны, а отражение объясняет эхо. Эти знания используют при дальнейшем изучении акустики — науки о звуке и его распространении.

Что запомнить

• Источник звука совершает колебания.
• Звук — механическая волна, распространяющаяся в упругой среде.
• В вакууме звук не распространяется.
• При распространении волны частицы среды колеблются около положений равновесия.
• Скорость звука зависит от среды.
• Эхо возникает при отражении звука от препятствия.
• В задаче на эхо звук проходит путь до препятствия и обратно.