Распространение звука

Определения и обозначения

Звук — это колебания, которые распространяются в веществе и могут быть услышаны. Колебания — движения туда и обратно около обычного положения тела. Такое определение помогает понять, что звук не появляется сам по себе: сначала что-то должно начать колебаться.

Источник звука — тело, которое колеблется и создаёт звук, например струна, барабан или голосовые связки. Когда струна движется, она толкает и увлекает соседние частицы воздуха. Понятие источника помогает найти начало звука и объяснить, почему звучащее тело можно иногда увидеть или почувствовать.

Среда распространения звука — вещество, частицы которого передают колебания друг другу. Звуку подходят газы, жидкости и твёрдые тела, а пустое пространство без вещества называется вакуумом. Это понятие нужно, чтобы различать, где звук может идти, а где ему нечего колебать.

Скорость звука показывает, какое расстояние проходит звук за единицу времени; её обозначают буквой v. Расстояние часто обозначают s, а время — t, поэтому при равномерном движении используют формулу s = vt. Эти обозначения помогают коротко записывать условие задачи и находить неизвестную величину.

Как это устроено

Когда источник начинает колебаться, он толкает ближайшие к нему частицы среды. Частицы не отправляются вслед за звуком далеко, а движутся около своих мест и передают толчок соседям. Так колебание постепенно распространяется от источника, хотя само вещество в целом остаётся на месте. Поэтому звук может дойти до слушателя, который находится в стороне от звучащего тела.

Воздух состоит из частиц, между которыми есть промежутки, но они могут толкать друг друга. При движении источника рядом с ним то уплотняются, то разрежаются слои воздуха. Эти изменения передаются дальше и доходят до уха, где заставляют колебаться тонкую перепонку — барабанную перепонку. Мозг воспринимает её колебания как звук, поэтому без передачи колебаний до уха мы не услышим источник.

Звук распространяется не только в воздухе. В воде и твёрдых телах частицы также могут передавать колебания, а часто они расположены ближе друг к другу, чем в газе. Поэтому звук в этих средах обычно движется быстрее, хотя точная скорость зависит от вещества и его состояния. Например, стук по одному концу длинного твёрдого предмета может быть услышан у другого конца через сам предмет.

В вакууме нет частиц, которые могли бы передавать колебания от одной точки к другой. Поэтому даже очень громкий источник не создаст слышимого звука для наблюдателя в пустом пространстве. Это не значит, что там нельзя увидеть источник или обнаружить его другими приборами: речь только о распространении звука. Для обычного слуха необходимы и колеблющийся источник, и среда, и ухо.

Скорость звука конечна, поэтому звук достигает слушателя не мгновенно. Если расстояние до источника велико, между событием и услышанным звуком проходит заметное время. Например, при грозе вспышку молнии мы видим раньше, чем слышим гром, потому что свет добирается до нас намного быстрее звука. Чем дальше источник при одинаковой скорости звука, тем дольше приходится ждать.

Когда звуковая волна встречает большую твёрдую поверхность, часть звука может отразиться и вернуться. Если отражение слышно отдельно от первоначального звука, его называют эхом. Для заметного эха звук должен пройти расстояние до препятствия и обратно, а отражённая волна должна вернуться достаточно поздно. Поэтому при расчёте расстояния до стены по эху учитывают весь путь туда и обратно, а не только путь от человека до стены.

Скорость звука в разных средах

В таблице сравниваются среды, в которых звук может распространяться. Значения для воздуха приблизительные: скорость меняется с температурой, а для воды и твёрдых тел зависит от конкретного вещества. Таблица помогает увидеть, что звук передаётся в разных состояниях вещества, но не проходит через вакуум.

Разбор задач

Задача. Во время грозы человек увидел вспышку молнии, а гром услышал через 5 секунд. Считая скорость звука в воздухе равной примерно 340 м/с, оценим расстояние до места удара молнии. Время распространения света в такой задаче можно не учитывать, потому что свет приходит почти мгновенно по сравнению со звуком. Нужно найти расстояние, которое звук прошёл за 5 секунд.

1. Запишем, что известно: скорость звука v = 340 м/с, время t = 5 с. Искомое расстояние обозначим s. Единицы подходят друг к другу: скорость дана в метрах в секунду, а время — в секундах.
2. Выберем связь между расстоянием, скоростью и временем: s = vt. Эта формула подходит, потому что звук за каждую секунду проходит примерно одинаковое расстояние. Если бы мы искали время, формулу можно было бы преобразовать, но здесь неизвестно именно расстояние.
3. Подставим значения: s = 340 м/с · 5 с. Секунды сокращаются, и остаются метры. Получаем s = 1700 м.
4. Проверим, разумен ли результат: за 1 секунду звук проходит около 340 м, значит за 5 секунд он должен пройти примерно в пять раз больше. 1700 м соответствует этому ожиданию, то есть расстояние составляет около 1,7 км.

Ответ: место удара молнии находилось примерно в 1700 м, или 1,7 км. Это оценка, потому что скорость звука зависит от условий, в частности от температуры воздуха. Кроме того, гром — не точечный сигнал, поэтому время между вспышкой и его началом определяют не всегда совершенно точно.

В задачах об эхе способ рассуждения похож, но путь звука проходит туда и обратно. Если эхо вернулось через время t, сначала по формуле s = vt находят полный путь звука. Затем его делят на два, потому что одна половина пути ведёт к препятствию, а другая — обратно к слушателю.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что звук переносится вместе с воздухом от источника к уху. Её допускают, потому что колебания воздуха трудно увидеть, и кажется, будто частицы летят вслед за звуком. Проверь себя: при распространении звука частицы колеблются около своих мест и передают движение соседним частицам.
• Ошибка: думать, что звук может идти через пустоту так же, как свет. Так можно решить, если смешать разные способы распространения сигналов. Проверь себя вопросом: есть ли частицы вещества, которые смогут передать колебания; в вакууме их нет.
• Ошибка: при задаче об эхе считать только путь до стены. Это происходит, если не заметить, что звук сначала удаляется от человека, а потом возвращается к нему. Проверь себя: нарисуй два отрезка пути — от слушателя к препятствию и обратно; полное расстояние нужно разделить на два, чтобы найти расстояние до препятствия.

Связь с другими темами

Распространение звука связано с темой колебаний: именно колеблющееся тело создаёт звуковой сигнал. Оно также помогает изучать строение вещества, потому что передача звука зависит от частиц среды. Знание скорости и времени движения используют в простых задачах на расстояние, а отражение звука объясняет появление эха. Наблюдения за громом показывают, что разные сигналы могут распространяться с разной скоростью.

Что запомнить

• Звук создаёт колеблющееся тело.
• Для распространения звука нужна среда: газ, жидкость или твёрдое тело.
• В вакууме звук не распространяется.
• Частицы среды передают колебания друг другу, а не перемещаются вместе со звуком на большое расстояние.
• Расстояние находят по формуле s = vt, где v — скорость, а t — время.
• При расчёте эха учитывают путь звука до препятствия и обратно.