Звуковые волны

Особенно важное место среди всех типов упругих волн занимают звуковые волны (или просто звуки). Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нём и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

Итак, что же такое звук и как он возникает?

Начнём с того, что раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.

Многочисленные опыты и наблюдения показали, что общим для всех тел, издающих звуки, является то, что все они совершают колебательные движения.

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

Для примера возьмём в качестве среды воздух, а в качестве источника звука — камертон, который был изобретён в начале восемнадцатого века английским музыкантом Джоном Шором для настройки музыкальных инструментов.

Если ударить по камертону молоточком, то можно услышать чистый музыкальный звук, который возникает из-за частых колебаний ветвей камертона, незаметных для глаза.

Ветвь камертона создаёт попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ней области воздуха, и образуется продольная волна, которая распространяется в воздухе. Графически её можно представить как зависимость плотности молекул воздуха от координаты.

Таким образом, в процессе распространения звуковой волны с течением времени изменяются такие характеристики среды, как плотность и давление. Следовательно, звуковые волны могут распространяться в твёрдых, жидких и газообразных средах.

А как вы думаете, возможно ли распространение звуковой волны в вакууме? Впервые на этот вопрос удалось ответить Роберту Бойлю в 1660 году. Идея опыта достаточно проста. Учёный взял работающий будильник (мы, для большей наглядности, используем электрический звонок) и поместил его в сосуд вакуумного насоса.

Несмотря на то, что звук, издаваемый под колоколом насоса, стал тише, он всё же был вполне различим. Затем Бойль начал откачивать воздух из сосуда. По мере того, как давление воздуха под колоколом уменьшается, звук звонка постепенно слабеет до тех пор, пока совсем не исчезнет. Но, обратите внимание, что молоточек звонка продолжает ударять по звонковой чаше. Значит, она колеблется, но эти колебания дальше не распространяются, так как нет передающей среды. Если впустить под колокол насоса воздух, то мы снова услышим звон. Этот опыт доказал, что для распространения звука необходима среда.

Источниками звуков могут быть не только твёрдые тела, но и жидкости, а также газы. Так, например, вода «поёт» в быстрых реках. А колебаниями масс воздуха обусловлены свист ветра, шелест листьев, раскаты грома и так далее.

Однако, как подсказывает нам наш жизненный опыт, не всякое колеблющееся тело издаёт звуки. Так, например, мы не слышим колебания обычного математического маятника. Всё дело здесь в частоте колебаний, которой характеризуется колебательная система. Так, наше ухо способно воспринимать только акустические звуки, то есть колебания, частота которых находится в пределах от 16 Гц до 20 кГц.

Колебания с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком. Такие звуки могут воспринимать некоторые рыбы и медузы. А колебания с частотой более 20 кГц называют ультразвуком. Их воспринимают многие животные, в том числе кошки, собаки, летучие мыши и дельфины.

Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).

Интенсивность звуковой волны — это физическая скалярная величина, определяемая энергией, переносимой волной в единицу времени через поверхность площадью один квадратный метр, расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны:

Другими словами, интенсивность представляет собой мощность, переносимую волнами через поверхность единичной площади перпендикулярно к направлению распространения волны.

Единицей интенсивности в СИ является Вт/м². Хотя очень часто в повседневной жизни мы используем внесистемные единицы интенсивности звука — бел и децибел, названные так в честь изобретателя телефона Александра Белла.

Интенсивность звука, улавливаемого ухом человека, лежит в очень широких пределах. Минимальная интенсивность, при которой ухо человека перестаёт воспринимать звук, называется порогом слышимости.

При значительной интенсивности колебаний ухо перестаёт воспринимать колебания как звук, испытывая при этом болевое ощущение. Такая интенсивность, выше которой отмечается боль, называется порогом болевого ощущения. Порог болевого ощущения соответствует интенсивности, равной примерно 1 Вт/м².

На основании всего вышесказанного мы с вами можем выделить необходимые условия для возникновения звуковых волн:

1) необходим источник звука;

2) между источником звука и ухом должна быть упругая среда;

3) частота колебаний источника звука должна находиться в пределах от шестнадцати герц до двадцати килогерц;

4) мощность звуковых волн должна быть достаточной для того, чтобы вызывать ощущение звука.

Спектром называется набор звуков различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным (линейчатым).

Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон. Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определёнными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.

По типу спектра звуки разделяются на шумы и музыкальные тоны.

Шум — это совокупность разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук). Он представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр).

Музыкальный тон создаётся периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты. Именно на основе музыкальных тонов и создана музыкальная азбука — ноты.

Результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий наименьшей частоте, называется музыкальным звуком. Основной тон называется также первой гармоникой. Все остальные тоны называются обертонами. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.

Звуковые волны, так же, как и механические, характеризуются скоростью распространения. При этом модуль скорости звука зависит от упругих свойств среды, её плотности и температуры. Поэтому модуль скорости звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твёрдых телах.

Именно поэтому во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через некоторое время до нас доносятся раскаты грома.

Первые попытки экспериментально определить скорость звука начались ещё в начале XVII века. В трактате «Новый Органон» Френсис Бэкон указал на возможность определения скорости звука путём сравнения времени, между вспышкой света и звуком выстрела.

В 1636 году французский физик Марен Мерсенн предпринял первые попытки экспериментального определения скорости звука. Для этого производился выстрел из пушки, а затем измерялось время, прошедшее между моментами, когда наблюдатель замечал вспышку, и моментом, когда до него доносился отзвук выстрела. Разделив расстояние, покрытое звуковой волной за полученное время, учёный получил скорость звука, равную 450 м/с.

Лишь в 1809 году Пьер-Симоном де Лапласом была получена формула для теоретических расчётов скорости звука в воздухе:

А первые попытки измерить скорость звука в воде были предприняты в 1827 году швейцарским физиком Жан-Даниэлем Колладоном на Женевском озере. На одной лодке друг учёного Шарль-Франсуа Штурм поджигал порох и одновременно ударял в подводный колокол. На другой лодке, которая находилась на расстоянии десяти миль (около шестнадцати километров) от первой, Колладон отмечал время наблюдения вспышки света и время улавливания звука с помощью рупора, опущенного в воду. По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука.

В заключении отметим несколько интересных фактов, связанных со звуковыми волнами. Например, как вы уже знаете, твёрдые тела очень хорошо проводят звук. Благодаря этому свойству существует возможность обучения глухих людей игре на музыкальных инструментах и танцам. Музыкальные такты и даже ноты они распознают по вибрациям пола и корпусов инструментов.

А в давние времена в крепостных стенах помещали «слухачей», которые по звуку, передаваемому землёй, могли определить, ведёт ли враг подкоп к стенам или нет. Слухачи часто использовались во время войн. Даже во время Второй Мировой войны, когда во всю развивалась радиолокация, профессия слухача имела место.

Так, например, при обороне Ленинграда для работы на акустических аппаратах были задействованы незрячие люди, обладающие исключительным слухом. Они могли не только узнавать о приближении самолётов, но и легко могли отличить советские самолёты от немецких. Более того некоторые слухачи могли определить тип приближающихся самолётов.