§ 43. Звуковые волны. Распространение звука

Определения и обозначения

Звуковой источник — тело, которое совершает колебания и создаёт звук. Это может быть струна гитары, мембрана громкоговорителя, камертон или голосовые связки. Пока источник не колеблется, он не создаёт звуковую волну. По источнику можно понять, откуда началось возмущение среды.

Звуковая волна — распространяющиеся в упругой среде колебания, которые переносят звук. Упругой называют среду, частицы которой взаимодействуют и могут передавать колебания соседям. Волна позволяет звуковому воздействию дойти от источника до слушателя. При этом вещество целиком за звуком не движется.

Звуковая среда — вещество, в котором распространяются звуковые колебания. Ею могут быть газы, например воздух, жидкости, например вода, и твёрдые тела, например сталь. Среда нужна, чтобы её частицы передавали колебания друг другу. Без неё звук не может пройти от источника к человеку.

Скорость звука — расстояние, которое звуковая волна проходит за единицу времени. Её обозначают v, путь — s, а время — t; связь между ними записывают так: v = s/t. Если известны скорость и время, путь находят по формуле s = vt. Эти обозначения помогают решать задачи о распространении звука.

Как это устроено

Когда источник начинает колебаться, он толкает или оттягивает ближайшие частицы среды. Те смещаются и взаимодействуют с соседними частицами, поэтому передают им возмущение. Следующая группа частиц действует на следующую, и так колебание постепенно уходит от источника. Передаче помогает упругость среды: частицы стремятся вернуться к прежнему положению и воздействуют на соседей.

Частицы среды не отправляются вслед за звуковой волной к слушателю. Каждая из них движется около своего положения равновесия: сначала отклоняется, затем возвращается и колеблется снова. Соседние частицы начинают колебаться не одновременно, поэтому возмущение распространяется по среде. В результате волна переносит энергию от источника, но не переносит вещество на большие расстояния.

Звуку необходима материальная упругая среда, потому что передавать колебания могут только частицы вещества. В воздухе, воде и твёрдых телах такие частицы есть, и они взаимодействуют друг с другом. В вакууме частиц почти нет, поэтому передавать колебание от одной точки к другой некому. По этой причине звук не распространяется в космическом пространстве так, как свет.

В газе звук распространяется как чередование сжатий и разрежений. При сжатии частицы оказываются ближе друг к другу и сильнее воздействуют на соседей, а при разрежении расстояния между ними увеличиваются. Такое чередование постепенно передаётся дальше. Частицы газа колеблются вдоль направления движения волны: они толкают соседей вперёд и отклоняются назад, поэтому изменения плотности идут по тому же направлению.

Скорость звука различается в разных средах, потому что частицы веществ неодинаково расположены и по-разному взаимодействуют. Колебания передаются от частицы к частице с разной быстротой. В целом в твёрдых телах звук распространяется быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях — быстрее, чем в газах. Поэтому для расчёта расстояния важно брать скорость именно для той среды, по которой идёт звук.

Распространение звука в разных средах

В таблице приведены ориентировочные значения скорости звука. Они показывают, что скорость зависит от среды; реальные значения могут отличаться при изменении свойств вещества, например температуры. Чтобы сравнить среды, найди строку и проверь, распространяется ли в ней звук. В вакууме скорость не указывают, потому что звуковая волна там не распространяется.

Разбор задач

Задача 1. В воздухе звук распространяется со скоростью 340 м/с. Какое расстояние он пройдёт за 3 с? Нужно найти путь, а известны скорость и время. Значит, используем формулу s = vt; единицы уже согласованы, поэтому дополнительный перевод не требуется.

1. Запишем данные: v = 340 м/с, t = 3 с.
2. Подставим величины в формулу пути: s = vt = 340 · 3 = 1020 м.
3. Проверим единицы: метры в секунду умножаем на секунды, поэтому получаем метры.

Ответ: за 3 с звук пройдёт 1020 м, то есть 1,02 км.

Задача 2. Вспышку молнии увидели, а гром услышали через 5 с. Скорость звука в воздухе равна 340 м/с. Найдём расстояние до грозы по задержке звука. Свет доходит практически мгновенно по сравнению со звуком, поэтому время задержки можно считать временем движения звуковой волны.

1. Запишем данные: t = 5 с, v = 340 м/с.
2. Найдём путь звука: s = vt = 340 · 5 = 1700 м.
3. Переведём результат в километры: 1700 м = 1,7 км.

Ответ: гроза находится примерно в 1,7 км от наблюдателя.

Задача 3. Звук прошёл 1,5 км в воде со скоростью 1500 м/с. За какое время он преодолел это расстояние и во сколько раз это время отличается от времени прохождения такого же пути в воздухе со скоростью 340 м/с? Сначала переведём километры в метры, чтобы согласовать единицы. Затем отдельно вычислим время в воде и в воздухе по формуле t = s/v.

1. Переведём расстояние: 1,5 км = 1500 м. Для воды получим t = 1500/1500 = 1 с.
2. Для воздуха на том же пути: t = 1500/340 ≈ 4,41 с.
3. Сравним времена: 4,41/1 ≈ 4,4. Значит, в воздухе прохождение этого пути занимает примерно в 4,4 раза больше времени.

Ответ: в воде звук проходит путь за 1 с; в воздухе — примерно за 4,4 с, то есть примерно в 4,4 раза дольше.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что звук переносит частицы среды от источника к слушателю. Так можно подумать, потому что возмущение действительно движется по среде, но движется оно не вместе с одними и теми же частицами. Частицы колеблются около положений равновесия и передают энергию соседям. Проверь себя: если бы переносилось вещество, воздух должен был бы постоянно течь от источника к слушателю.

Ошибка — предполагать, что звук распространяется в вакууме, как свет. Такое предположение возникает из-за того, что и свет, и звук могут дойти до наблюдателя от далёкого источника. Но свету не нужна материальная среда, а звуку нужны частицы, передающие колебания. Проверь себя вопросом: есть ли в вакууме частицы, которые могут взаимодействовать и передавать звук?

Ошибка — путать направление колебаний частиц с направлением движения звуковой волны. В газе волна распространяется вперёд, а частицы воздуха колеблются вдоль этого же направления, перемещаясь то вперёд, то назад. Путаница возникает, если представить, что частицы движутся вслед за волной только в одну сторону. Проверь себя: частицы возвращаются к положениям равновесия, тогда как возмущение распространяется дальше.

Ошибка — подставлять в формулу время расстояние или скорость с несогласованными единицами. Например, километры нельзя напрямую делить на скорость в метрах в секунду без перевода. Это происходит, когда единицы записывают не вместе с числами, а проверку оставляют на потом. Перед вычислением переведи расстояние в метры, если скорость дана в м/с, и проверь, что итоговая единица соответствует искомой величине.

Связь с другими темами

Чтобы понять распространение звука, нужно знать, что такое колебания, упругая среда и взаимодействие частиц вещества. Колебания объясняют движение источника и частиц среды, а упругость помогает понять, почему возмущение передаётся дальше. Представление о взаимодействии частиц связывает наблюдаемое звучание со строением вещества.

Знание о звуковых волнах понадобится при изучении высоты и громкости звука, а также отражения звука и эха. В этих темах важно различать свойства самого звука и его распространение в среде. Например, понимание пути и времени помогает объяснить, почему отражённый звук возвращается не сразу.

Что запомнить

• Звуковой источник — колеблющееся тело.
• Звуковая волна распространяется в материальной среде.
• В вакууме звук не распространяется.
• При распространении звука частицы среды колеблются около положения равновесия.
• Звуковая волна переносит энергию, а не вещество.
• Скорость звука зависит от среды и обычно выше в твёрдых телах, чем в жидкостях и газах.