Звук. Скорость звука

В данной теме речь пойдёт о звуковых волнах и скорости их распространения.

Окружающий мир наполнен огромным количеством звуков, которые издают люди, птицы и животные, машины и так далее.

Что же такое звук и как он возникает?

Звуковые волны (или звук) — это упругие продольные волны, которые, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают определённые (слуховые) ощущения.

Различные опыты показывают, что звук возникает только от колеблющихся тел, которые называют источниками звука.

Каким же образом звук достигает уха человека? На этот вопрос ответил в 1660 году английский учёный Роберт Бойль. Он изучал звучание колеблющихся тел, помещённых под колокол воздушного насоса. Так, например, при наличии под колоколом воздуха звук от будильника хорошо слышен.

При откачивании из-под колокола воздуха громкость звука уменьшается, и наконец звук совсем исчезает.

Если впустить воздух под колокол, то вновь будет слышен громкий звук.

Значит, для распространения звука от колеблющегося тела необходима среда. А, следовательно, в вакууме звуковые волны распространяться не могут.

Известно, что звуки слышны и в воде, через стекло, стены и так далее. Дело в том, что в окружающем мире: в воздухе, воде, зданиях и так далее — непрерывно распространяются разнообразные колебания от различных источников.

Но человеческое ухо слышит звук, когда на слуховой аппарат уха действуют только акустические колебания, то есть механические колебания с частотой не ниже 16 Гц, но не выше 20 кГц.  А колебания других частот ощущаются нами в основном как вибрация, толчки, удары и тому подобное.

Неслышимые механические колебания с частотами ниже звукового диапазона часто называют инфразвуковыми. А с частотами выше звукового диапазона — ультразвуковыми.

Частота и период звуковой волны определяются источником звука, то есть акустическим или звуковым вибратором.

Скорость звуковых волн, как и всех механических волн, зависит от упругих свойств среды и её плотности. Так, например, в воздухе при нормальных условиях скорость звука составляет около 331 м/с, в воде — 1497 м/с, а в граните около 5400 м/с.

Длину звуковой волны можно вычислить как и для всех механических волн, по формуле:

где Т — это период колебаний источника звука.

Так же для сравнения звуков используют различные слова. Например, различают музыкальные звуки (пение, свист и звучание струн) и шумы — всевозможные трески, стуки, скрипы.

При сравнении голосов говорят о «басе», «теноре» или «альте».

Рассмотрим более подробно музыкальны звуки. Они являются более простыми, чем шумы. Это видно хотя бы из того, что комбинация многих музыкальных звуков может дать ощущение шума. Но никакая комбинация шумов не может дать музыкальный звук.

Звук, который слышит человек тогда, когда источник его совершает гармонические колебания, называется музыкальным тоном или, коротко, тоном.

Хорошее представление о музыкальном тоне даёт звук камертона, который сделан так, что создаёт, практически, звук одной частоты, или один музыкальный тон.

Так как большинство звучащих тел создают целый набор звуковых частот, то для описания создаваемых ими звуков принято использовать целый ряд терминов.

Основным тоном называется звук наименьшей частоты, издаваемый звучащим телом. Обертонами называются звуки более высоких частот, чем основной тон, их частоты являются кратными частоте основного тона.

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.

Во всяком музыкальном тоне можно различить на слух два качества — это громкость и высоту.

Громкость звука зависит от энергии колебаний звуковой волны и особенностей слухового аппарата человека. Самые тихие звуки, воспринимаемые человеком, вызывают колебания барабанной перепонки с энергией ~ 10^–16 Дж. Самые громкие звуки (ещё без болевых ощущений), например, недалеко от взлетающего реактивного самолёта, соответствуют энергии колебаний ~ 10^–4 Дж.

Кажется, что энергия в 1 мДж очень маленькая. Но для маленькой и тонкой барабанной перепонки превышение этой энергии может привести к её разрыву.

Высота тона — это качество звука, определяемое человеком также субъективно на слух и зависящее от частоты звука.

Объективной физической характеристикой звуковой волны, определяющей её громкость, является интенсивность. Интенсивностью звука называется физическая величина, равная энергии, переносимой звуковой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны.

Для интенсивности нет специальной единицы измерения, и она измеряется в ваттах на квадратный метр.

Если колебания источника звука не являются гармоническими, то на слух звук имеет ещё одно качество, а именно — специфический оттенок, называемый тембром.

Тембр определяет неповторимость звуков человеческих голосов и различных музыкальных инструментов. По различному тембру можно легко распознать звук голоса, свист, звучание струны гитары даже если бы все эти звуки имели одну и туже высоту и громкость.

Ранее говорилось, что слуховой аппарат человека и обрабатывающие звуковую информацию системы коры головного мозга способны распознавать лишь звуки в определённых интервалах громкости и частоты. Если в окружающем человека пространстве находится очень большое количество шумовых звуков или звуков большой громкости, то говорят об акустическом загрязнении пространства.

Например, если в классе звучат два голоса: учитель задаёт вопросы, а ученик отвечает, то слуховая система всех остальных учеников способна воспринимать, а мозг способен обрабатывать и запоминать информацию, переносимую звуковыми волнами от говорящих. После звонка, на перемене, начинают говорить одновременно практически все находящиеся в классе ученики. В этих условиях услышать, что говорит даже стоящий рядом человек, очень трудно.

Так как скорость звука зависит от упругих свойств среды и её плотности, то при переходе из одной среды в другую скорость звука скачком изменяется. Поэтому для звуковых волн на границе двух сред могут наблюдаться явления отражения и преломления.

Если отражённая звуковая волна возвратилась к источнику звука, то её называют эхом. В окружающем мире эхо наблюдается при отражении от скал, стен зданий и так далее.

В закрытом большом помещении, например, в театре, может происходить многократное отражение звуковых волн от стен и потолка, поэтому в момент прекращения действия источника звук не сразу исчезает.

Реверберацией (или послезвучанием) называется увеличение продолжительности звука из-за его отражения от окружающих предметов.

Эхо может быть использовано для звуколокации, то есть оценки расстояний до отражающих звуковые волны предметов. Например, можно измерить промежуток времени между моментами испускания звука и моментом его возвращения к источнику после отражения. В результате можно рассчитать расстояние до места отражения звуковой волны.

На практике для звуколокации (эхолокации) лучше использовать неслышимые человеком ультразвуки. Например, для определения глубины водоёмов, поиска косяков рыбы и тому подобного, используются эхолоты — приборы, излучающие ультразвуковые волны и принимающие их после отражения.

В живой природе дельфины и летучие мыши используют ультразвуки для ориентации в пространстве и при ловле добычи.

Звуколокаторы позволяют находить различные повреждения в изделиях.

Так же ультразвуковое исследование (УЗИ) используется, например, для изучения анатомии и мониторинга внутриутробного развития плода.

Если частота звуковой волны совпадает с собственной частотой колебаний какой-либо колебательной системы, то наблюдается акустический, или звуковой резонанс. Например, обычный камертон издаёт достаточно тихий звук, и поэтому его устанавливают на деревянном ящике (резонаторе) с собственной частотой колебаний, равной частоте камертона.

Резонаторами являются корпуса (их ещё называют деками) большинства музыкальных инструментов, а также полости рта и носа человека.

Основные выводы:

Вспомнили, что называют звуком. Рассмотрели условия возникновения и распространения звуковых волн. Вспомнили от чего зависит скорость звуковых волн. Повторили некоторые характеристики звука. А также рассмотрели наиболее часто встречающиеся в повседневной жизни звуковые явления.