Что такое звук и как его создать?

Особенно важное место в жизни человека среди всех типов механических волн занимают звуковые волны (или просто звуки). Эти волны окружают нас с первых дней жизни. Они позволяют нам общаться между собой, выражать эмоции и наслаждаться музыкой. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен. Однако мы достаточно легко ориентируемся в нём и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

— Так что же такое звук?

Звук — это упругие колебания, распространяющиеся в какой-либо среде и способные вызывать у человека слуховые ощущения.

Проведя много опытов, было установлено, что любые тела, которые издают звуки, совершают колебательные движения.

— А как возникает звук?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим такой источник звука, как камертон. Этот инструмент был изобретён в начале XVIII века англичанином Джоном Шором, чтобы настраивать музыкальные инструменты.

Когда по камертону ударяют молоточком, его ветви начинают совершать частые колебания (незаметные для глаз), и мы слышим чистый музыкальный звук. Последний возникает из-за того, что ветви камертона создают попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ним области воздуха. Так образуется продольная волна, которая распространяется в воздухе.

Достигнув нашего уха, эта волна через слуховой проход доходит до барабанной перепонки, которая, под действием волны, начинает вибрировать. В барабанной полости расположены три слуховые косточки — молоточек, наковальня и, самая маленькая косточка нашего организма, стремечко. Колебания барабанной перепонки передаются слуховым косточкам: сначала молоточку, затем наковальне и, наконец, стремечку.

Далее колебания передаются во внутреннее ухо. Оно напоминает лабиринт, состоящий из трёх частей: преддверия, улитки и полукружных каналов органа равновесия. В улитке находится перепонка, на которой расположены 23 500 мельчайших волокон, которые проводят слуховое раздражение к коре головного мозга. И, вуаля, мы слышим звук.

Так как звуковые волны являются продольными волнами, то они могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах.

— А возможно ли тогда распространение звука в вакууме?

Вопрос очень интересный. И впервые на него удалось ответить англичанину Роберту Бойлю в 1660 году. Рассмотрим современный вариант его опыта. Для этого возьмём заведённый механический будильник и помесим его под колокол вакуумного насоса. Пока под колоколом есть воздух мы достаточно отчётливо можем слышать звук работающего будильника. Однако стоит начать откачивать воздух из-под колокола, звук будильника начнёт уменьшаться, пока совсем не исчезнет.

— Почему так происходит?

Дело в том, что в созданном нами вакууме практически нет молекул. Поэтому колебания и не могут распространяться. Но если мы впустим под колокол насоса воздух, то вновь услышим звон. Этот опыт Бойля показал, что для распространения звука необходима среда. Среда, отделяющая нас от колеблющихся тел, — это обычно воздух. Но из жизненного опыта вы знаете, что звуки могут так же распространяться в жидкостях и твёрдых телах.

Так, например, находясь под водой мы, например, будем хорошо слышать звук проплывающего вдалеке катера. А распространение звука в твёрдом теле можно показать на таком опыте. Возьмём деревянную дощечку и наручные механические часы. Теперь, если часы закрепить на одном конце доски, а ко второму приложить ухо, то можно ясно услышать тиканье.

Ещё в глубокой древности люди знали, что источниками звуков могут быть не только твёрдые тела, но и жидкости, и даже газы. Кто из вас слышал, как «поёт» вода в быстрых реках? А колебаниями масс воздуха обусловлены свист ветра, шелест листьев и раскаты грома.

— То есть любое колеблющееся тело способно создавать звук?

Не совсем так. Вот у нас есть нитяной маятник, совершающий колебания. Кто-нибудь слышит его звук?

Вот и мы не слышим. А всё потому, что наше ухо способно воспринимать только акустические звуки, то есть колебания, частота которых находится в пределах от 16 Гц до 20 кГц.

Если частота звуковых колебаний составляет менее 16 Гц, то их называют инфразвуком. Такие звуки могут воспринимать некоторые рыбы и медузы.

А вот колебания с частотой более 20 кГц называют ультразвуком. Их воспринимают многие животные, в том числе кошки, собаки, летучие мыши и дельфины.

Ультразвуковые волны широко используются людьми. Например, ультразвуковое исследование применяется для изучения анатомии и мониторинга внутриутробного развития плода.

А для определения глубины водоёма или поиска косяков рыбы используются эхолоты. Это такие приборы, которые излучают ультразвуковые волны и принимают их после отражения. Принцип их работы такой: излучатель даёт короткий сигнал, который дойдя до дна или косяка рыбы отражается и возвращаются на приёмник. Зная время прохождения сигнала туда и обратно, а также его скорость, легко вычислить глубину водоёма. Описанный метод называется эхолокацией.

Окружающие нас с вами звуки очень разнообразны. И чтобы их как-то характеризовать, люди используют такие понятия, как громкость, высота и тембр звука.

Для начала выясним, от какой характеристики зависит громкость звука. Для этого проведём небольшой опыт. Возьмём два одинаковых камертона и ударим по ним молоточками с разной силой. Чем сильнее мы ударим молоточком по камертону, тем громче будет звук, который мы слышим.

А если к звучащим камертонам поднести лёгкие шарики, то можно увидеть, что чем громче звучит камертон, тем с большей амплитудой колеблется шарик.

Это указывает на то, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Единицу громкости звука в СИ называют сон (от латинского «сонус» — звук). Но в практических задачах чаще используется другая, внесистемная единица уровня громкости — бел или децибел. Своё название эта единица получила в честь шотландского изобретателя телефона Александра Белла.

Если источник звука совершает гармонические колебания (как, например, камертон), то звук принято называть музыкальным или чистым тоном.

Вы, наверное, догадались, что большинство звучащих тел создают целый набор звуковых частот. Поэтому для их описания используют ряд терминов. Так, например, основным тоном называется звук наименьшей частоты, издаваемый звучащим телом.

А звуки, частота которых выше, чем у основного тона, называют обертонами.

Интересно, что частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона. Поэтому их ещё называют высшими гармоническими тонами.

Вам наверняка уже известно, что основной тон голоса человека определяется голосовыми связками: чем они тоньше и короче, тем больше частота колебаний и выше голос. Но неповторимость и красоту голоса создают обертоны, которые возникают при колебаниях не только связок, но и губ, языка.

Если колебания источника звука не являются гармоническими, то на слух звук приобретает ещё одно качество — специфический оттенок, который называется тембром. Именно он определяет неповторимость звуков человеческих голосов и различных музыкальных инструментов. По различному тембру мы легко распознаем голос человека, звучание струн гитары или пианино, даже если бы все эти звуки имели одну и туже громкость и высоту.

Высота звука определяется частотой основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук. Поэтому, когда мы сравниваем голоса, мы говорим о «басе», «теноре» или «альте».

В начале урока вы могли заметить, что звук в пространстве передаётся от источника не мгновенно. То есть звуковые волны, так же, как и механические, характеризуются скоростью распространения. Именно этим объясняется то, что во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через некоторое время до нас доносятся раскаты грома. Но гром и молния происходят практически в один и тот же момент времени. А запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе существенно меньше скорости света (примерно в 860 000 раз).

Кстати, впервые измерить скорость звука в воздухе попытались ещё в начале XVII века. Так, например, английский философ Фрэнсис Бэкон в своём научном сочинении «Новый Органон» предложил определять скорость звука путём сравнения времени, между вспышкой света и звуком выстрела.

Эту идею поддержал французский физик Марэн Мерсэнн. В 1636 году он именно так попробовал определить скорость звука в воздухе. Стреляя из пушки, он измерял время, прошедшее между моментами, когда замечал вспышку, и моментом, когда до него доносился отзвук выстрела.

В результате эксперимента учёный получил скорость звука, равную 450 м/с, ошибившись более чем на 100 м/с.

А впервые измерить скорость звука в воде попытался 1827 году швейцарец Жан-Даниэль Колладон на Женевском озере. На одной лодке друг учёного Шарль-Франсуа Штурм поджигал порох и одновременно ударял в подводный колокол. На другой лодке, которая находилась примерно в 16 километрах от первой, Колладон отмечал время наблюдения вспышки света и время улавливания звука с помощью погружённого в воду рупора.

По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала учёный смог примерно определить скорость звука в воде.

Конечно же скорость звука зависит от того, в какой среде он распространяется. Как показали различные измерения, скорость звука в твёрдых телах в большинстве случаев больше скорости звука в жидкостях. А скорость звука в жидкостях, больше, чем в газах.

Благодаря тому, что твёрдые тела хорошо проводят звук, люди с нарушениями слуха могут научиться играть на музыкальных инструментах и танцевать. Вибрация пола или корпуса музыкального инструмента позволяет таким людям распознавать музыкальные такты и даже ноты.

— А теперь давайте подумаем, что произойдёт, если на пути звуковой волны поставить препятствие?

Чтобы подтвердить или опровергнуть ваши предположения давайте проведём небольшой опыт. Возьмём в качестве источника звука громкоговоритель. А приёмникам у нас будет служить микрофон, соединённый с осциллографом — прибором, позволяющим регистрировать звук.

Поставим громкоговоритель и микрофон на расстоянии около метра под некоторым углом друг к другу. Включим источник звука. Микрофон никак не реагирует. Давайте теперь на пути звуковой волны поставим препятствие. При некотором его положении осциллограф покажет, что звук попадает в микрофон. Этот процесс называют отражением звука.

— А можем ли мы услышать эту отражённую звуковую волну?

Оказывается, можем. Давайте послушаем одну древнюю легенду об этом физическом явлении.

В лесах Древней Греции на красивейших берегах прозрачных и холодных ручьёв жила прекрасная нимфа по имени Эхо. Но провинилась нимфа перед Герой — женой всесильного Зевса, молчать должна была она. А отвечать на вопросы нимфа могла, лишь повторяя последние слова.

И вот однажды в этих краях заблудился прекрасный юноша по имени Нарцисс — сын речного бога Кефиса и нимфы Лаврионы. Нарцисс, не зная, куда ему идти, громко крикнул:

— Эй, есть кто-нибудь здесь?

— Здесь!.. — громко ответила ему Эхо.

— Иди сюда! — крикнул Нарцисс.

— Сюда!.. — повторила Эхо.

Посмотрев по сторонам и никого не увидев, Нарцисс вновь громко крикнул:

— Скорей ко мне!

И радостно откликнулась Эхо:

— Ко мне!..

Спешит прекрасная нимфа к Нарциссу из леса. Но гневно оттолкнул её юноша. Никого не любил он, кроме себя. И лишь себя считал достойным любви. Обиделась и спряталась в лесной чаще отвергнутая нимфа. До сих пор страдает она от любви к Нарциссу. Никому не показывается и только печально отзывается на всякий возглас.

Неправда ли — красивая легенда о таком всем хорошо знакомом явлении, как эхо.