Распространение звука. Звуковые волны. Скорость звука

Всем вам известно, что звук передаётся от источника не мгновенно, а спустя некоторый промежуток времени (вспомните хотя бы грозу, когда мы сначала видим молнию, а лишь затем до нас доносятся раскаты грома).

— Так как же происходит распространения звуковых колебаний?

Итак, мы уже знаем, что любое звучащее тело совершает колебания. Так вот, его колебания передаются прилежащим частицам воздуха, которые тоже начинают колебаться и передают колебания соседним частицам, а эти в свою очередь передают колебания дальше и так далее. Мы уже с вами знаем, что процесс распространения колебаний в среде называется механической волной. Значит звук — это тоже волна, которую мы будем называть звуковой.

Достигнув уха, звуковая волна поступает в слуховой проход и достигает барабанной перепонки, которая начинает вибрировать.

В барабанной полости расположены три слуховые косточки: молоточек, наковальня и самая маленькая косточка нашего организма — стремечко.

Механические колебания барабанной перепонки передаются слуховым косточкам – сначала молоточку, затем наковальне и стремечку. От них колебания передаются во внутреннее ухо. Оно представлено костным лабиринтом и состоит из трёх частей: преддверия, улитки и полукружных каналов органа равновесия.

В улитке находится перепонка, на которой расположены двадцать три с половиной тысячи мельчайших волокон, которые проводят слуховое раздражение к коре головного мозга.

Как мы видели, колебания частиц среды, в которой распространяется звуковая волна, совершают колебания в направлении её распространения. Следовательно, звуковая волна — это продольная волна сжатия и разрежения. А мы уже с вами знаем, что продольные волны могут распространяться в любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной.

— А распространяется ли звук в вакууме?

Впервые установить экспериментально, передаётся ли звук в безвоздушном пространстве, удалось в тысяча шестьсот шестидесятом году Роберту Бойлю. Для этого он использовал вакуумный насос, изобретённый им же в 1657 году.

Суть опыта такова. Бойль поместил в сосуд вакуумного насоса работающий будильник (мы, для большей наглядности, используем электрический звонок). Звук, издаваемый под колоколом насоса, стал тише, но всё же был вполне различим. Затем Бойль начал откачивать воздух из сосуда с часами. Звук будильника начал постепенно слабеть, пока совсем не исчез. 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. Среда, отделяющая нас от колеблющихся тел, — это обычно воздух. Но, как мы уже говорили, звук может также распространяться в жидкой и твёрдой среде. Так под водой хорошо слышны звуки, издаваемые водными транспортными средствами, удары камней и так далее. А показать распространение звука в твёрдых телах можно на таком опыте. Возьмите механические часы и деревянную доску. Если положить часы на один конец деревянной доски, а к другому концу доски приложить ухо, можно ясно услышать тиканье.

Приведём ещё несколько примеров. Возьмите металлическую ложку и привяжите к ней конец бечёвки. А второй конец бечёвки приложите к уху. Если ударить по ложке, то можно услышать довольно сильный звук.

Звук будет более громким, если вместо бечёвки использовать какую-либо проволоку. Но мы совсем не услышим звука, если ложку привязать к резиновому шнуру́ и повторить эксперимент.

Способность различных тел передавать звуковые колебания называется звукопроводностью.

Из результатов наших опытов следует, что мягкие и пористые тела очень плохо проводят звук. Поэтому, чтобы защитить помещение от проникновения посторонних звук, его стены, пол и потолок прокладывают прослойками звукопоглощающих материалов.

Таким образом, звуковые волны распространяются в твёрдых телах, жидкостях и газах, но не могут распространяться в безвоздушном пространстве, то есть в вакууме.

Звуковые волны, так же, как и механические, характеризуются скоростью распространения. Именно поэтому во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через некоторое время до нас доносятся раскаты грома.

Но гром и молния происходят в один и тот же момент времени, а запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе существенно меньше скорости света, идущего от молнии. Вы знаете, что скорость света относится к фундаментальным физическим постоянным и примерно равна 300 000 км/с. Поэтому вспышку молнии мы видим практически в момент её возникновения. А вот звук грома доходит до нас со скоростью примерно в 340 м/с.

Кстати, первые попытки экспериментально определить скорость звука начались ещё в начале семнадцатого века. В трактате «Новый Органон» Фрэнсис 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.

Более точные измерения были произведены в Италии в 1660 году. На это раз для опыта друг напротив друга были поставлены две пушки. Первая пушка производила выстрел, после чего измерялось время между вспышкой и моментом, когда звук выстрела достигал второй пушки. Затем, аналогичные измерения делали и для второй пушки. В качестве скорости звука было определено расстояние между пушками, делённое на среднее время экспериментов. Таким образом исключалось влияние ветра на скорость распространения звука.

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

— А от чего зависит скорость звука?

Конечно же скорость звука зависит от того, в какой среде он распространяется. Как показали различные измерения, скорость звука в твёрдых телах и жидкостях гораздо больше, чем в воздухе.

Благодаря тому, что твёрдые тела хорошо проводят звуковые волны, возможно обучение глухих людей игре на музыкальных инструментах и танцам. Вибрация пола, корпуса музыкального инструмента позволяет глухим людям распознавать музыкальные такты и даже ноты. 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. Но с появлением радиолокации профессия отмерла. Однако есть несколько интересных историй, одна из которых связана с блокадой Ленинграда, где для работы на акустических аппаратах были задействованы незрячие люди, обладающие исключительным слухом. Уже в первые месяцы службы им удалось добиться огромных успехов. Они узнавали о приближении фашистских самолётов за несколько десятков километров до того, как те появлялись в небе над Ленинградом. При этом слепые слухачи легко отличали советские самолёты от немецких и, более того, по шуму мотора сообщали зенитчикам тип приближающихся самолётов. Так как самолёты тогда летали медленнее, чем сейчас, то времени для подготовки к отражению налёта у зенитчиков было предостаточно.

Скорость звука зависит и от температуры среды: с увеличением температуры она возрастает, и наоборот. Конечно, в рамках небольшого изменения температуры скорость меняется незначительно. На качественном уровне этот факт можно объяснить тем, что при низких температурах скорость молекул газа меньше и процесс переноса колебательного процесса молекул также уменьшается.

Поскольку звук — это волна, то для определения его скорости можно пользоваться формулами:

Закрепления материала.