Физика. Уровень стандарта. 10 класс. Барьяхтар

§ 23. Звуковые волны

Звучание флейты, шум мегаполиса, шорох травы, грохот водопада, человеческая речь, музыкальный звук, шум, акустический резонанс... Все это связано с распространением в пространстве определенных механических волн, которые называют звуковыми волнами. Их изучает акустика — наука о звуке. С элементами акустики вы начали знакомиться в курсе физики 9 класса. Итак, вспоминаем и узнаем новое.

1. Вспоминаем звуковые волны

Звуковые (акустические) волны — это механические волны с частотами от 20 Гц до 20 кГц.

Звуковые волны обычно доходят до уха через воздух — в виде последовательных сгущений и разрежений (то есть в воздухе звуковые волны являются продольными). В зонах сгущений (разрежений) давление воздуха незначительно больше (меньше) атмосферного (рис. 23.1).

Рис. 23.1. Человеческое ухо воспринимает звуковые волны с избыточным (звуковым) давлением примерно от 20 мкПа (0 децибелов — порог слышимости) до 20 Па (120 децибелов — болевой порог). Для сравнения pатм = 100 000 Па

Звук — механическая волна, потому все свойства волнового движения касаются и звука.

Звук распространяется в среде с конечной скоростью, зависящей от температуры, плотности, состава и других характеристик среды. Так, в жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах, и медленнее, чем в твердых телах. Скорость распространения звука обычно увеличивается с увеличением температуры среды (в воздухе при температуре 0 °С скорость распространения звука составляет около 330 м/с, а при 20 °С — 340 м/с). Кроме того, чем меньше масса молекул среды, тем быстрее распространяется звук.

Источником звука является колеблющееся тело (рис. 23.2). Такие колебания могут быть вынужденными (диффузор громкоговорителя), свободными (струна гитары), автоколебаниями (струны смычковых инструментов).

• Звук не распространяется в вакууме.

При распространении звука не происходит переноса вещества, но происходит перенос энергии.

• Звуковые волны могут накладываться друг на друга (явление интерференции); могут огибать препятствия (явление дифракции).

Рис. 23.2. Если к ножке звучащего камертона поднести легкий шарик, то шарик отскочит, так как ножки камертона колеблются

• Какие опыты и наблюдения могут подтвердить указанные в п. 1 § 23 свойства звука?

2. Как связаны субъективные и объективные характеристики звука

Все физические величины, характеризующие механические волны (амплитуда, частота, длина, энергия), являются и характеристиками звука. Эти величины не зависят от особенностей восприятия звука человеком, поэтому их называют объективными, или физическими, характеристиками звука. Субъективные характеристики звука (громкость, высота, тембр) обусловлены особенностями слуха человека, поэтому их называют физиологическими. Понятно, что физические и физиологические характеристики звука связаны (см. таблицу).

3. Что такое акустический резонанс

На любое тело, расположенное в пределах распространения звуковой волны, действует периодическая сила, частота которой равна частоте волны. Под действием этой силы тело начинает совершать вынужденные колебания. Если частота собственных колебаний тела совпадает с частотой звуковой волны, то амплитуда колебаний тела увеличивается и оно начинает издавать звук — наблюдается акустический резонанс.

Акустический резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды звукового сигнала при приближении частоты сигнала-возбудителя к частоте собственных колебаний системы.

Наблюдать акустический резонанс можно с помощью опыта с двумя камертонами, имеющими одинаковую частоту (рис. 23.3).

Рис. 23.3. Если заставить звучать один из камертонов, из-за резонанса начнет звучать и второй

Акустический резонанс используют для увеличения интенсивности звука, созданного некоторым источником (струной, ножками камертона, голосовыми связками и т. д.). Например, для увеличения громкости камертона его присоединяют к деревянному ящику (резонатору), собственная частота колебаний воздуха в котором равна частоте колебаний камертона. Камертон, присоединенный к резонатору, звучит гораздо громче, чем тот, который держат в руке.

А в каком случае камертон будет звучать дольше — с резонатором или без него?

Акустический резонанс используют во многих музыкальных инструментах. Воздух в трубах органа, корпусах арф, бандур, гитар и т. д. резонирует с тонами и обертонами звуков, издаваемых колеблющимися телами, и усиливает их. Полость рта — резонатор для звуковых волн, которые создаются благодаря колебаниям голосовых связок.

Как мы слышим

Звуковая волна, достигнув уха, испытывает ряд преобразований. Сначала она действует на барабанную перепонку, заставляя ее вибрировать. Чем громче звук, тем сильнее вибрирует перепонка, передавая звуковые колебания в среднее ухо, где они усиливаются.

Усиленный звук попадает во внутреннее ухо с заполненной жидкостью улиткой. Поверхность улитки покрыта волосковыми клетками, количество которых достигает 15 000. Каждая клетка резонирует с определенным диапазоном частот. Обнаружив «собственную» частоту, клетка начинает колебаться, возбуждая нервные окончания, и в мозг идет нервный импульс — человек слышит звук.

С возрастом количество волосковых клеток уменьшается (от 15 000 у ребенка до 4 тысяч у пожилого человека). Первыми погибают клетки, «отвечающие» за высокую частоту, поэтому взрослый человек не слышит высоких звуков (подросток слышит звуки до 22 кГц, пожилой человек — до 12 кГц).

4. Вспоминаем инфра- и ультразвук

Инфразвук (от лат. infra — ниже, под) — это механические волны, частота которых меньше 20 Гц.

Инфразвуковые волны возникают во время штормов, землетрясений, цунами, извержений вулканов, вследствие ударов о берег морских волн. Некоторые существа способны воспринимать инфразвуковые волны (рис. 23.4). Источником инфразвука могут быть и объекты, созданные человеком: турбины, двигатели внутреннего сгорания и т. д. В городах наибольший уровень инфразвука около автомагистралей.

Рис. 23.4. Медузы чувствуют инфразвук от приближающегося шторма за 15 часов до его начала, поэтому заранее отплывают от берега

Инфразвук очень опасен для животных и человека: он может вызывать симптомы морской болезни, головокружение, потерю зрения, стать причиной повышенной агрессивности. При длительном воздействии интенсивное инфразвуковое излучение может привести к остановке сердца. При этом человек даже не понимает, что происходит, ведь он не слышит инфразвука.

Механические волны, частота которых превышает 20 кГц, называют ультразвуковыми волнами (от лат. ultra — сверх, за пределами).

Ультразвук есть в шуме ветра и водопада, в звуках, которые издают некоторые живые существа. Установлено, что ультразвук до 100 кГц воспринимают многие насекомые и грызуны; улавливают его и собаки.

Слабый ультразвук — основа ультразвуковой локации — определения расположения и характера движения объекта с помощью ультразвука. Так, летучие мыши и дельфины, излучая ультразвук и воспринимая его эхо, могут даже в полной темноте найти дорогу или поймать добычу. Ультразвуковое исследование позволяет «увидеть» еще не родившегося младенца, исследовать состояние внутренних органов, выявить инородные тела в тканях. Ультразвуковую локацию применяют также на морских судах — для выявления объектов в воде (сонары) и исследования рельефа морского дна (эхолоты); в металлургии — для выявления и установления размеров дефектов в изделиях (дефектоскопы).

Мощный ультразвук применяют в технике (обработка прочных материалов, сварка, очистка поверхностей от загрязнений); медицине (измельчение камней в организме, что позволяет избежать хирургических операций); пищевой промышленности (изготовление сыров, соусов); косметологии (изготовление кремов, зубной пасты).

Подводим итоги

• Механические волны с частотами 20 Гц — 20 кГц называют звуковыми волнами (звуком). Субъективные характеристики звука: высота звука (определяется частотой звуковой волны); громкость звука (определяется амплитудой и частотой звуковой волны); тембр звука (определяется спектром звуковой волны).

• Явление резкого возрастания амплитуды звукового сигнала в случае приближения частоты сигнала-возбудителя к частоте собственных колебаний системы называют акустическим резонансом. Акустические резонаторы имеют почти все музыкальные инструменты.

• Механические волны, частота которых меньше 20 Гц, называют инфразвуковыми волнами (инфразвук). Механические волны, частота которых превышает 20 кГц, называют ультразвуковыми волнами (ультразвук).

Контрольные вопросы

1. Что такое звук? 2. Приведите примеры источников и приемников звука. 3. От чего зависит скорость распространения звука? 4. Какой физической величиной определяется высота звука? громкость звука? 5. Где используют акустический резонанс? 6. Что такое инфразвук? Как он влияет на человека? 7. Что такое ультразвук? Приведите примеры применения ультразвука в природе, медицине, технике.

Упражнение № 23

Считайте, что скорость распространения звука в воздухе — 340 м/с, воде — 1500 м/с, чугуне — 5000 м/с.

1. Частота основного музыкального тона «ля» — 440 Гц. Определите длину волны этого тона в воздухе; воде; чугуне.

2. Какова глубина моря, если ультразвуковой сигнал, отразившись от морского дна, вернулся через 0,8 с после передачи?

3. Во сколько раз и как изменится длина звуковой волны при ее переходе из воды в воздух?

4. Почему в лесу мы слышим друг друга несмотря на то, что на «пути» звуковой волны есть деревья, а древесина хорошо поглощает звук?

5. Почему резонатор камертона представляет собой обычный ящик, а корпусы виолончели, скрипки, рояля имеют сложную форму? Проверьте свой ответ, воспользовавшись дополнительными источниками информации.

6. Как известно, ночью звук вдоль поверхности Земли распространяется на большие расстояния, чем днем. Выясните, как можно объяснить данное явление.

Экспериментальное задание

«Цветомузыка дома». Для проведения эксперимента вам понадобятся: прочный пластиковый или бумажный стаканчик, пищевая пленка, изоляционная лента или скотч, небольшая зеркальная поверхность (осколок зеркала или CD-диска размерами примерно 1 х 1 см), лак, лазерная указка, ножницы.

Подготовка к эксперименту. Обрежьте дно стаканчика, накройте широкую часть полученного усеченного конуса пищевой пленкой и зафиксируйте пленку изоляционной лентой. В центре пленки закрепите лаком «зеркальце».

Эксперимент. Положите стаканчик открытой частью вплотную к динамику магнитофона, компьютера и т. п. Включите музыку и направьте луч от лазерной указки на зеркало. «Солнечный зайчик» от лазерного луча будет «танцевать» под музыку. Объясните наблюдаемое явление.