"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Звук — механическая волна, возникающая при колебаниях тела и распространяющаяся в упругой материальной среде. Он помогает воспринимать речь, музыку и сигналы, а физические свойства звука используют в микрофонах, эхолокаторах и медицинской диагностике. Главные характеристики звука — частота, амплитуда и форма колебаний: они определяют высоту, громкость и тембр.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Звук — упругие механические колебания, распространяющиеся в среде и воспринимаемые органами слуха. Механическими называют колебания, которым нужна материя, а упругими — такие, при которых частицы стремятся вернуться в прежнее положение. Это определение помогает понять, почему звук нельзя передать через пустоту.
Звуковая волна — распространяющееся в упругой среде чередование сжатий и разрежений, возникающее из-за колебаний источника. Волна переносит энергию, но сами частицы среды не улетают вместе с ней на большое расстояние. Такое представление нужно, чтобы объяснять передачу звука от источника к уху.
Частота звука — число колебаний источника за одну секунду; она измеряется в герцах (Гц). Частота определяет высоту тона: чем она больше, тем выше воспринимаемый звук. В формулах частоту обычно обозначают буквой f, а связь с длиной волны записывают как λ = v/f.
Громкость и тембр — характеристики звука, связанные соответственно с амплитудой колебаний и формой звуковой волны. Амплитуда показывает наибольшее отклонение колеблющегося тела, а тембр позволяет отличить звуки одинаковой высоты и громкости. Поэтому по этим признакам можно сравнивать силу звука и узнавать голоса или музыкальные инструменты.
Источник звука, например струна или мембрана громкоговорителя, начинает колебаться. При движении вперёд он сближает частицы окружающего воздуха, создавая область сжатия. При движении назад частицы расходятся, возникает разрежение. Эти чередующиеся изменения давления передаются соседним частицам и постепенно удаляются от источника как звуковая волна.
Звук не распространяется в вакууме, потому что в нём нет частиц, способных передавать толчки друг другу. Одного колеблющегося источника недостаточно: его движение должно передаваться от частицы к частице. Материальная среда должна быть упругой, то есть способной восстанавливать положение частиц после смещения. Благодаря этому возмущение не исчезает сразу, а движется дальше.
В газах и жидкостях частицы могут сравнительно свободно перемещаться, поэтому передача давления происходит вдоль направления распространения волны. Частицы то сближаются, то удаляются, образуя сжатия и разрежения. Поэтому такая звуковая волна является продольной. В твёрдых телах возможны также поперечные колебания, но в обычном воздухе они не передают звук.
Частота колебаний источника сохраняется при передаче волны в среду, поэтому она задаёт высоту тона. Увеличение амплитуды вызывает более сильные изменения давления и воспринимается как увеличение громкости. Сложный звук состоит из колебаний разных частот. Их соотношение и форма результирующей волны определяют тембр, благодаря которому мы различаем, например, скрипку и фортепиано.
Скорость звука зависит от свойств среды: её упругости, плотности и температуры. В более упругой среде возмущение быстрее передаётся соседним частицам. Поэтому звук обычно распространяется быстрее в твёрдых телах, затем в жидкостях и медленнее всего в газах. В воздухе при обычных условиях скорость звука составляет примерно 340 м/с, а с изменением температуры она меняется.
| Вид звука | Диапазон частот | Слышимость человеком | Примеры и применение |
|---|---|---|---|
| Инфразвук | Ниже 20 Гц | Не слышен | Колебания от землетрясений, наблюдение за природными явлениями |
| Слышимый звук | Примерно 20 Гц–20 кГц | Слышен большинству людей | Речь, музыка, сигналы |
| Ультразвук | Выше 20 кГц | Не слышен человеком | Диагностика, эхолокация, очистка деталей |
| Зависимость высоты тона от частоты | Частота увеличивается | Тон становится выше | Настройка музыкальных инструментов |
| Зависимость громкости от амплитуды | Амплитуда увеличивается | Звук воспринимается громче | Изменение силы звучания источника |
Сначала сравните частоту с границами слышимого диапазона: так определяют вид звука. Если нужно описать свойства слышимого звука, отдельно проверьте частоту, амплитуду и форму колебаний. Не следует определять высоту по громкости: это разные характеристики.
Задача 1. Звуковая волна распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с, а частота колебаний равна 680 Гц. Найдём длину волны.
Ответ: длина волны равна 0,5 м. При большей частоте в той же среде длина волны была бы меньше, потому что скорость звука почти не изменилась бы.
Задача 2. Человек услышал эхо через 2 с после крика. Скорость звука равна 340 м/с. Требуется определить расстояние до препятствия.
Ответ: расстояние до преграды составляет 340 м. Деление на два обязательно, потому что эхо возвращается к человеку тем же маршрутом.
Задача 3. Источник издаёт колебания частотой 25 кГц. Определим вид звука и возможность его услышать.
Ответ: это ультразвук, человек его обычно услышать не может. При решении мы сравнивали именно частоту, поскольку вид звука определяется частотным диапазоном.
Считают, что звук может распространяться в вакууме, потому что видят колеблющийся источник. Ошибка возникает из-за забывания о промежуточных частицах среды. Проверка простая: спросите себя, кто передаёт колебание от источника к слушателю; в вакууме таких частиц нет.
Путают громкость с высотой тона. Громкость определяется амплитудой, а высота — частотой, поэтому изменение одной характеристики не обязательно меняет другую. При проверке назовите величину, с которой связана характеристика: для высоты это герцы, для громкости — амплитуда.
При расчёте по эху принимают путь до препятствия и обратно за расстояние до препятствия. Так получают результат в два раза больше правильного. Нарисуйте мысленно маршрут звука и разделите полный путь на два.
Неверно определяют вид звука, сравнивая частоту с амплитудой или скоростью. Инфразвук, слышимый звук и ультразвук различают только по частоте. Перед ответом выпишите частоту в герцах и сравните её с границами слышимого диапазона.
До изучения звука нужно знать механические колебания и волны, а также амплитуду, период, частоту, длину волны и скорость распространения. Эти понятия позволяют описывать источник и рассчитывать параметры звуковой волны. Особенно важна формула λ = v/f.
Знания о звуке нужны для объяснения работы музыкальных инструментов, микрофонов и громкоговорителей. Они также помогают понять принцип эхолокаторов: прибор посылает волну, принимает отражённый сигнал и по времени возвращения оценивает расстояние.
Дальше тема связана с резонансом и акустическими приборами. Изучение ультразвука приводит к ультразвуковой диагностике, а исследование слуха — к физике восприятия звука. Так свойства волн связываются с техникой, медициной и особенностями человеческого организма.
Почему в космосе нельзя услышать звук без специальной аппаратуры?
В открытом космосе почти нет частиц вещества, которые могли бы передавать колебания от источника к уху. Поэтому звук там не распространяется. Специальная аппаратура сначала преобразует радиосигналы или другие данные в слышимые колебания.
Почему один и тот же звук может быть громким или тихим?
Громкость зависит главным образом от амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда, тем сильнее меняется давление в среде и тем громче воспринимается звук. Один и тот же источник может колебаться с разной амплитудой.
Чем отличаются высокий тон и большая громкость?
Высота тона определяется частотой: высокая частота даёт высокий тон, а низкая — низкий. Громкость связана с амплитудой колебаний. Поэтому звук может быть высоким и тихим или низким и громким.
Почему возникает эхо?
Эхо появляется, когда звуковая волна отражается от удалённой преграды и возвращается к слушателю. Если задержка достаточно велика, отражённый звук воспринимается отдельно от исходного.
Где применяют ультразвук?
Ультразвук используют в медицинской диагностике, например при ультразвуковом исследовании органов. Им также находят дефекты внутри деталей, очищают предметы и измеряют расстояния в эхолокаторах.
2. Звук
