Данный урок освещает тему «Звуковые волны». На этом уроке мы продолжим изучать акустику. Вначале повторим определение звуковых волн, затем рассмотрим их частотные диапазоны и познакомимся с понятием ультразвуковых и инфразвуковых волн. Мы также обсудим свойства, присущие звуковым волнам в различных средах, и узнаем, какие им присущи характеристики.

Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1).

Рис. 1. Звуковая волна

Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).

Рис. 2. Распространение звуковой волны

К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .

Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).

Рис. 3. Диапазоны звуковых волн

Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.

Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.

Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком .

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.

Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией .

Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.

Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.

Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.

Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).

Рис. 4. Применение инфразвука

Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).

Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах

Обратите внимание: в воздухе скорость звука при равна , при скорость увеличивается на . Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания. Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее: (рис. 6).

Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны

Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.

Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).

Рис. 7. Музыкальные тоны

У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.

Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.

Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука . Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).

Рис. 8. Громкость звука

При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .

Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого - высота . От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).

Рис. 9. Высота звука

Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.

Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр . Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.

Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.

Список литературы

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.

1. Интернет-портал «eduspb.com» ()
2. Интернет-портал «msk.edu.ua» ()
3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

1. Как распространяется звук? Что может служить источником звука?
2. Может ли звук распространяться в космосе?
3. Всякая ли волна, достигшая органа слуха человека, воспринимается им?

Звук - это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда .

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.

Звуковая волна распространяется через дерево

Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать колебательные движения , как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми . Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком . Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком .

Скорость звука

Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (аналогично скорости равномерного движения).

Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук.

Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше,чем в воздухе. Это табличные измеренные постоянные . С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением - убывает.

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.

Эхо . Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград - гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным. Препятствие должно находится на расстоянии 11м от человека, чтобы можно было услышать эхо.

Отражение звука. Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.

Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.

Эхолокация . Это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании. На судах устанавливают гидролокаторы - приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы. Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.

Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели называется ультразвуковым дефектоскопом . На исследуемую деталь направляется поток коротких ультразвуковых сигналов, которые отражаются от находящихся внутри нее неоднородностей и, возвращаясь, попадают в приемник. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь без существенного отражения и не регистрируются приемником.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей. Специальное устройство направляет ультразвуковые волны с частотой от 0,5 до 15МГц на определенную часть тела, они отражаются от исследуемого органа и компьютер выводит на экран его изображение.

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространятся на очень далекие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или положения стреляющего оружия. Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания стихийного бедствия - цунами. Медузы, ракообразные и др. способны воспринимать инфразвуки и задолго до наступления шторма чувствуют его приближение.

Понятие «звук» самым тесным образом связано с понятием «волна». Интересно, что это понятие, являясь привычным для абсолютно всех, у многих вызывает затруднения при попытке дать ему внятное определение. С одной стороны, волна – это что-то, что связано с движением, нечто, распространяющееся в пространстве, как, например, волны, расходящиеся кругами от брошенного в воду камня. С другой стороны, мы знаем, что лежащая на поверхности воды ветка почти не станет двигаться в направлении распространения волн от брошенного рядом камня, а будет в основном лишь колыхаться на воде. Что же переносится в пространстве при распространении волны? Оказывается, в пространстве переносится некоторое возмущение. Брошенный в воду камень вызывает всплеск – изменение состояния поверхности воды, и это возмущение передается от одной точки водоема к другой в виде колебаний поверхности. Таким образом, волна – это процесс перемещения в пространстве изменения состояния.

Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). Давайте представим себе, каким образом происходит распространение звуковых волн в пространстве. В результате каких-то возмущений (например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке пространства, возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке, происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой волны. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Привычное для всех нас понятие «звук» означает всего лишь воспринимаемый слуховым аппаратом человека набор звуковых колебаний. О том, какие колебания человек воспринимает, а какие нет, мы поговорим позднее.

Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой. В отношении звуковых колебаний очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость распространения. Скорость распространения колебаний, вообще говоря, зависит от среды, в которой колебания распространяются. На эту скорость влияют такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. Так, например, чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука. В нормальных (при нормальной температуре и давлении) условиях скорость звука в воздухе составляет приблизительно 330 м/с. Таким образом, время, через которое слушатель начинает воспринимать звуковые колебания, зависит от удаленности слушателя от источника звука, а также от характеристик среды, в которой происходит распространение звуковой волны. Немаловажно заметить, что скорость распространения звука почти не зависит от частоты звуковых колебаний. Это означает, среди прочего, что звук воспринимается именно в той последовательности, в какой он создается источником. Если бы это было не так, и звук одной частоты распространялся бы быстрее звука другой частоты, то вместо, например, музыки, мы бы слышали резкий и отрывистый шум.

Звуковым волнам присущи различные явления, связанные с распространением волн в пространстве. Перечислим наиболее важные из них.

Интерференция - усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн. Когда мы слышим звуки разных, но достаточно близких частот сразу от двух источников, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Конечно, в реальности механизм интерференции оказывается намного более сложным, однако его суть не меняется. Эффект возникновения биений используется при настройке двух музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться.

Звуковая волна, при ее падении на границу раздела с другой средой, может отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения - преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией ), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается средой. Этот эффект называют поглощением звуковых волн . Существование эффекта поглощения обусловлено процессами теплообмена и межмолекулярного взаимодействия в среде. Важно отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота звуковых колебаний, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна.

Очень важно упомянуть также явление волнового движения в замкнутом объеме , суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука - изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как звук, сопровождающийся специфическим гулом. Такой гул называется реверберацией (от лат. « reverbero » - «отбрасываю»). Эффект реверберации очень широко используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств и тембральной окраски.

Способность огибать препятствия – еще одно ключевое свойство звуковых волн, называемое в науке дифракцией . Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если размер препятствия оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует.

Еще один эффект, связанный с волновым движением, о котором нельзя не вспомнить - эффект резонанса . Он заключается в следующем. Звуковая волна, создаваемая некоторым колеблющимся телом, распространяясь в пространстве, может переносить энергию колебаний другому телу (резонатору ), которое, поглощая эту энергию, начинает колебаться, и, фактически, само становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук становится громче. Надо заметить, что в случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора, что соответственно сказывается на длительности звучания.

Эффект Допплера – еще один интересный, последний в нашем списке эффект, связанный с распространением звуковых волн в пространстве. Эффект заключается в том, что длина волны изменяется соответственно изменению скорости движения слушателя относительно источника волны. Чем быстрее слушатель (регистрирующий датчик) приближается к источнику волны, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот.

Эти и другие явления учитываются и широко используются во многих областях, таких как акустика, звукообработка и радиолокация.

Пение птиц, шум дождя и ветра, раскаты грома, музыка – всё, что мы слышим, мы считаем звуком.

С научной точки зрения звук – это физическое явление, которое представляет собой механические колебания, распространяющиеся в твёрдой, жидкой и газообразной среде . Они и вызывают слуховые ощущения.

Как появляется звуковая волна

Нажать на картинку

Все звуки распространяются в виде упругих волн. А волны возникают под действием упругих сил, появляющихся, когда тело деформируют. Эти силы стремятся вернуть тело в исходное состояние. Например, натянутая струна в неподвижном состоянии не звучит. Но стоит только отвести её в сторону, как под действием силы упругости она будет стремиться занять своё первоначальное положение. Вибрируя, она становится источником звука.

Источником звука может быть любое колеблющееся тело, например, закреплённая с одной стороны тонкая стальная пластинка, воздух в музыкальном духовом инструменте, голосовые связки человека, колокольчик и т.д.

Что происходит в воздухе при возникновении колебания?

Как любой газ, воздух обладает упругостью. Он сопротивляется сжатию и тут же начинает расширяться, когда давление уменьшается. Любое давление на него он равномерно передаёт в разные стороны.

Если с помощью поршня резко сжать воздух, то в этом месте сразу же увеличится давление. Оно тут же передастся соседним слоям воздуха. Они будут сжиматься, и давление в них увеличится, а в предыдущем слое уменьшится. Так по цепочке чередующиеся зоны повышенного и пониженного давления передаются дальше.

Отклоняясь в стороны поочерёдно, звучащая струна сжимает воздух сначала в одном направлении, а затем в противоположном. В том направлении, куда отклонилась струна, давление становится выше атмосферного на какую-то величину. С противоположной стороны давление на такую же величину уменьшается, так как воздух там разрежается. Сжатия и разрежения будут чередоваться и распространяться в разные стороны, вызывая колебания воздуха. Эти колебания и называются звуковой волной . А разность между атмосферным давлением и давлением в слое сжатия или разрежения воздуха называют акустическим, или звуковым давлением.

Нажать на картинку

Звуковая волна распространяется не только в воздухе, но и в жидкой, и в твёрдой среде. Например, вода прекрасно проводит звук. Мы слышим под водой удар камня. Шум винтов надводного корабля улавливает акустик подводной лодки. Если на один конец деревянной доски положить наручные механические часы, то, приложив ухо к противоположному концу доски, мы услышим их тиканье.

Будут ли различаться звуки в вакууме? Английский физик, химик и богослов Роберт Бойль, живший в XVII веке, поместил часы в стеклянный сосуд, из которого откачал воздух. Тиканья часов он не услышал. Это означало, что звуковые волны в безвоздушном пространстве не распространяются.

Характеристики звуковой волны

Форма звуковых колебаний зависит от источника звука. Наиболее простую форму имеют равномерные, или гармонические колебания. Их можно представить в виде синусоиды. Такие колебания характеризуются амплитудой, длиной волны и частотой распространения колебаний.

Амплитуда

Амплитудой в общем случае называют максимальное отклонение тела от положения равновесия.

Так как звуковая волна состоит из чередующихся областей высокого и низкого давления, то её часто рассматривают как процесс распространения колебаний давления. Поэтому говорят об амплитуде давления воздуха в волне.

От амплитуды зависит громкость звука. Чем она больше, тем громче звук.

Каждый звук человеческой речи имеет форму колебаний, свойственную только ему. Так, форма колебаний звука «а» отличается от формы колебаний звука «б».

Частота и период волны

Количество колебаний в секунду называется частотой волны .

f = 1/Т

где Т – период колебаний. Это промежуток времени, за который совершается одно полное колебание.

Чем больше период, тем меньше частота, и наоборот.

Единица измерения частоты в международной системе измерений СИ – герц (Гц). 1 Гц – это одно колебание в секунду.

1 Гц = 1 с -1 .

К примеру, частота в 10 Гц означает 10 колебаний в 1 секунду.

1 000 Гц = 1 кГц

От частоты колебаний зависит высота тона. Чем выше частота, тем выше тон звука.

Человеческое ухо способно воспринимать не все звуковые волны, а только лишь те, которые имеют частоту от 16 до 20 000 Гц. Именно эти волны и считаются звуковыми. Волны, частота которых ниже 16 Гц, называют инфразвуковыми, а свыше 20 000 Гц – ультразвуковыми.

Человек не воспринимает ни инфразвуковые, ни ультразвуковые волны. Но животные и птицы способны слышать ультразвук. Например, обыкновенная бабочка различает звуки, имеющие частоту от 8 000 до 160 000 Гц. Диапазон, воспринимаемый дельфинами, ещё шире, он колеблется от 40 до 200 тысяч Гц.

Длина волны

Длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими точками гармонической волны, находящимися в одинаковой фазе, например, между двумя гребнями. Обозначается как ƛ .

За время, равное одному периоду, волна проходит расстояние, равное её длине.

Скорость распространения волны

v = ƛ / T

Так как T = 1/f,

то v = ƛ·f

Скорость звука

Попытки определить скорость звука с помощью экспериментов предпринимались ещё в первой половине XVII века. Английский философ Фрэнсис Бэкон в своей работе «Новый органон» предложил свой способ решения этой задачи, основанный на разности скоростей света и звука.

Известно, что скорость света значительно выше скорости звука. Поэтому во время грозы сначала мы видим вспышку молнии, а уже затем слышим раскаты грома. Зная расстояние между источником света и звука и наблюдателем, а также время между вспышкой света и звуком, можно рассчитать скорость звука.

Идеей Бэкона воспользовался французский учёный Марен Марсенн. Наблюдатель, находящийся на некотором расстоянии от человека, стрелявшего из мушкета, зафиксировал время, прошедшее от световой вспышки до звука выстрела. Затем величину расстояния разделили на время и получили скорость звука. По результатам эксперимента скорость оказалась равной 448 м/с. Это был приблизительный расчёт.

В начале XIX века группа учёных Парижской академии наук повторила этот опыт. По их расчётам скорость света имела значение 350-390 м/с. Но и эта цифра не была точной.

Теоретически скорость света пытался вычислить Ньютон. В основу своих расчётов он положил закон Бойля-Мариотта, описывавший поведение газа в изотермическом процессе (при постоянной температуре). А так бывает, когда объём газа изменяется очень медленно, успевая отдать окружающей среде тепло, возникающее в нём.

Ньютон же предполагал, что между областями сжатия и разрежения температура выравнивается быстро. Но этих условий нет в звуковой волне. Воздух плохо проводит тепло, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Тепло из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения. И между ними возникает разность температур. Поэтому расчёты Ньютона оказались неверными. Они давали цифру в 280 м/с.

Французский учёный Лаплас сумел объяснить, что ошибка Ньютона заключалась в том, что звуковая волна распространяется в воздухе в адиабатических условиях, при изменяющейся температуре. Согласно расчётам Лапласа, скорость звука в воздухе при температуре 0 о С равняется 331,5 м/с. Причём, она возрастает с возрастанием температуры. И при повышении температуры до 20 о С она будет равна уже 344 м/с.

В разных средах звуковые волны распространяются с разной скоростью.

Для газов и жидкостей скорость звука вычисляется по формуле:

где с –скорость звука,

β - адиабатическая сжимаемость среды,

ρ – плотность.

Как видно из формулы, скорость зависит от плотности и сжимаемости среды. В воздушной среде она меньше, чем в жидкой. Например, в воде при температуре 20 о С она равна 1484 м/с. Причём, чем выше солёность воды, тем с большей скоростью в ней распространяется звук.

Впервые скорость звука в воде измерили в 1827 г. Этот эксперимент чем-то напоминал измерение скорости света Мареном Марсенном. С борта одной лодки в воду спустили колокол. На расстоянии более 13 км от первой лодки находилась вторая. На первой лодке ударяли в колокол и одновременно поджигали порох. На второй лодке фиксировали время вспышки, а затем время прихода звука от колокола. Разделив расстояние на время, получили скорость звуковой волны в воде.

Самую высокую скорость звук имеет в твёрдой среде. Например, в стали она достигает более 5000 м/с.

Происходящий в газообразных, жидких и твердых средах, который при достижении органов слуха человека воспринимается им как звук. Частота этих волн лежит в пределах от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Приведем формулы для звуковой волны и рассмотрим подробнее ее свойства.

Почему появляется звуковая волна?

Многие люди задаются вопросом, что такое звуковая волна. Природа звука заключается в возникновении возмущения в упругой среде. Например, когда в некотором объеме воздуха происходит возмущение давления в виде сжатия, то данная область стремится распространиться в пространстве. Этот процесс приводит к сжатию воздуха в соседних от источника областях, которые также стремятся расшириться. Данный процесс охватывает все большую и большую часть пространства до тех пор, пока не достигнет какого-либо приемника, например, уха человека.

Общая характеристика звуковых волн

Рассмотрим вопросы, что такое звуковая волна и как она воспринимается человеческим ухом. Звуковая волна является продольной, она при попадании в раковину уха вызывает колебания ушной перепонки с определенной частотой и амплитудой. Также можно представлять эти колебания как периодические изменения давления в микрообъеме воздуха, прилегающего к перепонке. Сначала оно увеличивается относительно нормального атмосферного давления, а затем уменьшается, подчиняясь математическим законам гармонического движения. Амплитуда изменений сжатия воздуха, то есть разница максимального или минимального прессинга, создаваемого звуковой волной, с атмосферным давлением пропорционально амплитуде самой звуковой волны.

Многие физические эксперименты показали, что максимальные давления, которые может воспринимать человеческое ухо без нанесения ему вреда, составляют 2800 мкН/см 2 . Для сравнения скажем, что атмосферное давление вблизи поверхности земли равно 10 млн мкН/см 2 . Учитывая пропорциональность давления и амплитуды колебаний, можно сказать, что последняя величина даже для самых сильных волн является незначительной. Если говорить о длине звуковой волны, то для частоты в 1000 колебаний в секунду она будет составлять тысячную долю сантиметра.

Самые слабые звуки создают колебания давления порядка 0,001мкН/см 2 , соответствующая амплитуда колебаний волны для частоты 1000 Гц составляет 10 -9 см, при этом средний диаметр молекул воздуха составляет 10 -8 см, то есть ухо человека является чрезвычайно чувствительным органом.

Понятие интенсивности звуковых волн

С геометрической точки зрения звуковая волна представляет собой колебания определенной формы, с физической же - главным свойством звуковых волн является их способность переносить энергию. Самым важным примером переноса энергии волной является солнце, излученные электромагнитные волны которого обеспечивают энергией всю нашу планету.

Интенсивность звуковой волны в физике определяется как количество энергии, переносимой волной через единицу поверхности, которая перпендикулярна распространению волны, и за единицу времени. Говоря более коротко, интенсивность волны - это ее мощность, переносимая через единицу площади.

Силу звуковых волн принято измерять в децибелах, которые основываются на логарифмической шкале, удобной для практического анализа результатов.

Интенсивность различных звуков

Следующая шкала в децибелах дает представление о значении различной и ощущениях, которые она вызывает:

• порог неприятных и некомфортных ощущений начинается со 120 децибел (дБ);
• клепальный молоток создает шум в 95 дБ;
• скоростной поезд - 90 дБ;
• улица с интенсивным автомобильным движением - 70 дБ;
• громкость обычного разговора между людьми - 65 дБ;
• современный автомобиль, движущийся с умеренными скоростями, создает шум в 50 дБ;
• средняя громкость радиоприемника - 40 дБ;
• тихий разговор - 20 дБ;
• шум листвы деревьев - 10 дБ;
• минимальный порог звуковой чувствительности человека близок к 0 дБ.

Чувствительность человеческого уха зависит от частоты звука и составляет максимальное значение для звуковых волн с частотой 2000-3000 Гц. Для звука, находящегося в этом интервале частот, нижний порог чувствительности человека составляет 10 -5 дБ. Более высокие и более низкие частоты, чем указанный интервал, приводят к увеличению нижнего порога чувствительности таким образом, что близкие к 20 Гц и к 20 000 Гц частоты человек слышит только при их интенсивности в несколько десятков дБ.

Что касается верхнего порога интенсивности, после которого звук начинает вызывать неудобства для человека и даже болевые ощущения, то следует сказать, что он практически не зависит от частоты и лежит в пределах 110-130 дБ.

Геометрические характеристики звуковой волны

Реальная звуковая волна представляет собой сложный колебательный пакет продольных волн, который можно разложить на простые гармонические колебания. Каждое такое колебание описывается с геометрической точки зрения следующими характеристиками:

1. Амплитуда - максимальное отклонение каждого участка волны от равновесия. Для этой величины принято обозначение A.
2. Период. Это время, за которое простая волна совершает свое полное колебание. Через это время каждая точка волны начинает повторять свой колебательный процесс. Период принято обозначать буквой T и измерять в секундах в системе СИ.
3. Частота. Это физическая величина, которая показывает, сколько колебаний данная волна совершает за секунду. То есть по своему смыслу она является величиной, обратной к периоду. Обозначается она f. Для частоты звуковой волны формула ее определения через период выглядит следующим образом: f = 1/T.
4. Длина волны - это расстояние, которое она пробегает за один период колебаний. Геометрически длина волны представляет собой расстояние между двумя ближайшими максимумами или двумя ближайшими минимумами на синусоидальной кривой. Длина колебаний звуковой волны - это расстояние между ближайшими областями сжатия воздуха или ближайшими местами его разрежения в пространстве, где движется волна. Обозначается она обычно греческой буквой λ.
5. Скорость распространения звуковой волны - это расстояние, на которое распространяется область сжатия или область разряжения волны за единицу времени. Обозначается эта величина буквой v. Для скорости звуковой волны формула имеет вид: v = λ*f.

Геометрия чистой звуковой волны, то есть волны постоянной чистоты, подчиняется синусоидальному закону. В общем случае формула звуковой волны имеет вид: y = A*sin(ωt), где y - значение координаты данной точки волны, t - время, ω = 2*pi*f - циклическая частота колебаний.

Апериодический звук

Многие источники звука можно считать периодическими, например, звук от таких музыкальных инструментов, как гитара, пианино, флейта, но также существует большое количество звуков в природе, которые являются апериодическими, то есть звуковые колебания изменяют свою частоту и форму в пространстве. Технически такой вид звука называется шумом. Яркими примерами апериодического звука является городской шум, шум моря, звуки от ударных инструментов, например, от барабана и другие.

Среда распространения звуковых волн

В отличие от электромагнитного излучения, фотоны которого для своего распространения не нуждаются в какой-либо вещественной среде, природа звука такова, что для его распространения нужна определенная среда, то есть, согласно законам физики, звуковые волны не могут распространяться в вакууме.

Звук может распространяться в газах, в жидкостях и в твердых телах. Основными характеристиками распространяющейся в среде звуковой волны являются следующие:

• волна распространяется линейно;
• она распространяется одинаково по всем направлениям в гомогенной среде, то есть от источника звук расходится, образуя идеальную сферическую поверхность.
• независимо от амплитуды и частоты звука, его волны распространяются с одинаковой скоростью в данной среде.

Скорость звуковых волн в различных средах

Скорость распространения звука зависит от двух основных факторов: от среды, в которой движется волна, и от температуры. В общем случае действует следующее правило: чем более плотной является среда, и чем выше ее температура, тем быстрее в ней движется звук.

Например, скорость распространения в воздухе звуковой волны вблизи поверхности земли при температуре 20 ℃ и влажности 50% составляет 1235 км/ч или 343 м/с. В воде же при данной температуре звук движется быстрее в 4,5 раза, то есть около 5735 км/ч или 1600 м/с. Что касается зависимости скорости звука от температуры в воздухе, то она увеличивается на 0,6 м/с с увеличением температуры на каждый градус Цельсия.

Тембр и тон

Если позволить струне или металлической пластине вибрировать свободно, то она будет производить звуки различной частоты. Очень редко можно встретить тело, которое бы издавало звук одной конкретной частоты, обычно звук какого-либо объекта обладает набором частот в некотором интервале.

Тембр звука определяется количеством гармоник, присутствующих в нем, и их соответствующими интенсивностями. Тембр является субъективной величиной, то есть это восприятие звучащего объекта конкретным человеком. Тембр обычно характеризуют следующими прилагательными: высокий, блестящий, звучный, мелодичный и так далее.

Тон является звуковым ощущением, которое позволяет его классифицировать как высокий или низкий. Данная величина является также субъективной и не может быть измерена каким-либо инструментом. Тон связан с объективной величиной - частотой звуковой волны, но между ними не существует однозначной связи. Например, для одночастотного звука постоянной интенсивности тон растет при увеличении частоты. Если же частота звука остается постоянной, а увеличивается его интенсивность, то тон становится более низким.

Форма источников звука

В соответствии с формой тела, которое совершает механические колебания и тем самым порождает волн бывают трех основных типов:

1. Точечный источник. Он создает звуковые волны сферической формы, которые быстро убывают при удалении от источника (приблизительно на 6 дБ, если расстояние от источника увеличивается вдвое).
2. Линейный источник. Он создает волны цилиндрической формы, интенсивность которых убывает медленнее, чем от точечного источника (при каждом увеличении расстояния вдвое относительно источника интенсивность уменьшается на 3 дБ).
3. Плоский или двумерный источник. Он порождает волны только в определенном направлении. Примером такого источника может быть поршень, двигающийся в цилиндре.

Электронные источники звука

Для создания звуковой волны электронные источники используют специальную мембрану (динамик), которая совершает механические колебания за счет явления электромагнитной индукции. К таким источникам можно отнести следующие:

• проигрыватели различных дисков (CD, DVD и другие);
• кассетные магнитофоны;
• радиоприемники;
• телевизоры и некоторые другие.