Физика. 9 класс. Барьяхтар

§ 18. Звуковые волны. Инфразвук и ультразвук

Мы живем в океане звуков. Что представляют собой звуки? Как они образуются? Почему невозможно услышать гул ракетных двигателей в космосе? Почему гром слышится позже, чем видна вспышка молнии? Для чего в студиях звукозаписи стены покрывают слоем звукопоглощающих материалов? Как в полной темноте летучие мыши и дельфины находят добычу? Попробуем найти ответы на эти вопросы.

1. Знакомимся с источниками и приемниками звука

Один конец линейки прижмите к краю стола, а второй оттяните вниз и отпустите — он начнет колебаться, и вы услышите звук (рис. 18.1). Дело в том, что колебание линейки вызывает сгущение и разрежение воздуха и как следствие — периодические увеличения и уменьшения давления в зоне колебаний. Сжатый воздух, пытаясь расшириться, давит на соседние слои и сжимает их. Так от линейки во все стороны начинает распространяться продольная механическая волна, которая в конце концов достигает вашего уха. В результате давление воздуха вблизи ушной мембраны периодически изменяется, и мембрана начинает колебаться. Конец линейки колеблется с частотой свыше 20 Гц, именно с такой частотой начинает колебаться и ушная мембрана, а колебания с частотой 20-20 000 Гц человек воспринимает как звук.

Рис. 18.1. После того как конец линейки будет отпущен, линейка начнет колебаться, издавая звук

Звук — это физическое явление, представляющее собой механическую волну частотой от 20 до 20 000 Гц.

Источники звука — это тела, колеблющиеся с частотой 20-20 000 Гц. Так, источниками звука являются мембраны наушников и струны музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей и крылья насекомых, части машин и т. п. В трубе, флейте, свистке звук образуется в результате колебания столба воздуха внутри инструментов. Голосовые аппараты человека и животных тоже являются источниками звука.

• Назовите еще несколько источников звука.

Для изучения звука удобно использовать камертон (рис. 18.2). Это устройство представляет собой металлическую «рогатку», закрепленную на ящичке, в котором отсутствует одна стенка. Если резиновым молоточком ударить по ножкам камертона, камертон издаст ясный длинный звук, который постепенно ослабевает, но не изменяет своей частоты.

Рис. 18.2. Ножки камертона колеблются и издают звук

В приемниках звука происходит преобразование звуковых сигналов в другие сигналы, благодаря чему звук можно воспринимать и анализировать. Органы слуха человека и животных — приемники звука, в которых звуковые (механические) колебания преобразуются в нервные импульсы. В технике для приема звука в основном применяют преобразователи, в которых звуковые колебания обычно преобразуются в электрические (рис. 18.3).

Рис. 18.3. В микрофоне звуковые колебания преобразуются в электрические

2. Измеряем скорость распространения звука

Если мы видим момент зарождения звука издали (удар колокола, хлопок ладоней и т. д.), то замечаем, что сам звук мы слышим через некоторый интервал времени. Зная расстояние до источника звука и время «опоздания», можно измерить скорость распространения звука в воздухе. Впервые ее измерил французский ученый Марин Мерсенн (1588-1648) в 1636 г.

При температуре 20 °C скорость звука в воздухе равна примерно 340 м/с. Это почти в миллион раз меньше скорости распространения света. Именно поэтому гром слышен позже, чем видна вспышка молнии (рис. 18.4).

Рис. 18.4. Если гроза от нас далеко, то грохот грома можно услышать даже через 10-20 с после вспышки молнии

Скорость распространения звука зависит от температуры, плотности 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. К тому же чем меньше масса молекул среды, тем быстрее распространяется звук. При решении задач мы будем использовать приблизительные значения скорости распространения звука (см. таблицу на с. 120).

Первые точные измерения скорости распространения звука в воде провели ученые из Швейцарии Жан Колладон и Шарль Штурм в 1826 г.

Один из исследователей сидел в лодке на Женевском озере и ударял по погруженному в воду колоколу. Одновременно с ударом происходила вспышка пороха. Второй исследователь, находясь на расстоянии 16 км, измерял время между вспышкой пороха и звуком от удара колокола, который он слышал через погруженную в воду озера трубу.

Приблизительные значения скорости распространения звука в некоторых средах

Среда	v, м/с
Вода	1500
Водород	1250
Железо, сталь, чугун	5000
Воздух	340
Стекло	4500

• Проанализируйте таблицу. Как вы думаете, почему скорость распространения звука в водороде больше, чем в воздухе, а в стали больше, чем в воде?

Обратите внимание! Поскольку звук — это механическая волна, а для распространения механической волны необходима среда, звуковая волна не распространяется в вакууме (рис. 18.5).

Рис. 18.5. Если положить мобильный телефон под купол воздушного насоса и откачать воздух, то сигнал вызова мы не услышим

3. Изучаем характеристики звука

Звуки разной частоты мы воспринимаем как звуки разного тона: чем больше частота звука, тем выше тон звука, и наоборот. Мы легко отличаем высокий тон жужжания комара от низкого тона гудения шмеля, звучание скрипки — от звучания контрабаса.

Громкость звука определяется прежде всего амплитудой звуковой волны (максимальным изменением давления): чем больше амплитуда, тем громче звук. Громкость звука зависит также от его тона (частоты звуковой волны). Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких частот (около 20 Гц) и высоких частот (около 20 000 Гц), лучше всего оно воспринимает звуки средних частот (1000-3000 Гц).

При распространении звука происходит его постепенное рассеяние и угасание, а значит, и уменьшение громкости. Знание закономерностей рассеяния звука важно для определения дальности распространения звукового сигнала. Так, на дальность распространения звука в воздухе влияют температура и атмосферное давление, сила и скорость ветра и др. Иногда в глубинах океана образуются условия для сверхдальнего (свыше 5000 км) распространения звука — в таком случае говорят о подводном звуковом канале.

Кроме громкости и высоты тона мы различаем звуки по тембру: одну и ту же ноту, взятую на рояле, саксофоне или разными людьми, мы воспринимаем по-разному. Такие разные «оттенки» звуков называют тембрами.

Дело в том, что звуки являются сложными: кроме основной частоты (по которой мы и оцениваем высоту звука) любой звук содержит несколько более слабых и более высоких дополнительных частот — обертонов. Чем больше обертонов содержит основной звук, тем он богаче.

4. Наблюдаем отражение звука

Сравнив распространение звука и распространение света, можно заметить некоторые общие черты. И это не случайно: свет тоже является волной, но не механической (об этом вы узнаете позже). На границе раздела разных сред звуковая волна, как и свет, испытывает преломление, поглощение и отражение. Рассмотрим подробнее отражение звука.

Если встать на некотором расстоянии от скалы или одиночного небоскреба и хлопнуть в ладоши или громко крикнуть, через небольшой интервал времени услышим повторение звука — эхо (рис. 18.6).

Рис. 18.6. Эхо образуется вследствие отражения звука

Эхо — это звук, отраженный от удаленного препятствия.

Если расстояние до препятствия достаточно велико, а звук короткий (удар, вскрик), мы слышим четкое повторение звука. Если звук длинный, то эхо смешивается с начальным звуком и отраженный звук будет нечетким.

• После удара грома мы еще некоторое время слышим его раскаты. Почему?

На явлении отражения звука основано действие шумозащитных экранов, которые устанавливают вдоль автомобильных трасс и вблизи аэропортов. Исследование отражения, рассеяния и угасания звука в газах, жидкостях и твердых телах позволяет получить информацию о внутреннем строении среды, в которой распространяется звук.

5. Различаем инфразвук и ультразвук

Звуковые волны, частота которых меньше 20 Гц, называют инфразвуковыми (от лат. infra — ниже, под).

Инфразвуковые волны возникают во время работы некоторых механизмов, при взрывах, обвалах, мощных порывах ветра, во время шторма, землетрясения и т. п.

Инфразвук очень опасен для животных и человека: он может вызвать симптомы морской болезни, головокружение, потерю зрения, быть 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 инфразвук.

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

Ультразвук есть в шуме ветра и водопада, в звуках, которые издают некоторые живые существа. Ультразвук до 100 кГц воспринимают многие насекомые и грызуны (рис. 18.7); улавливают такие колебания и собаки. Интересно, что дети, в отличие от взрослых, тоже слышат ультразвуковые сигналы (до 24 000 Гц).

Рис. 18.7. Ультразвуковой излучатель для отпугивания насекомых

Некоторые животные применяют ультразвук для ориентации или охоты. Так, летучие мыши и дельфины излучают ультразвук и воспринимают его эхо, благодаря чему они даже в полной темноте могут найти дорогу или поймать добычу. Говорят, что в таких случаях животные используют эхолокацию (рис. 18.8).

Рис. 18.8. Во время охоты летучие мыши используют эхолокацию

Эхолокация — способ обнаружения и получения информации об объекте с помощью эха.

Люди научились применять эхолокацию в разных областях, причем чаще всего для эхолокации используют именно ультразвук.

Например, в медицине эхолокация позволяет «увидеть» еще не родившегося ребенка, исследовать состояние внутренних органов, обнаружить посторонние тела в тканях. В технике эхолокацию применяют для выявления дефектов в изделиях, измерения глубин морей и океанов (рис. 18.9) и т. д.

Рис. 18.9. Измерение глубины водоема с помощью эхолокации

Кроме того, ультразвуком обеззараживают хирургические инструменты, лекарства, руки хирургов. Лечение с помощью ультразвука иногда позволяет избежать хирургических операций.

Ультразвук применяют также для обработки прочных материалов, очистки поверхностей от загрязнений и т. п.

Контрольные вопросы

1. Что такое звук? 2. Приведите примеры источников и приемников звука. 3. Почему источник звука издает звук? 4. От чего зависит скорость распространения звука? 5. Какая физическая величина характеризует высоту тона звука? 6. От чего зависит громкость звука? 7. Следствием какого явления является эхо? 8. Что такое инфразвук? Как он влияет на человека? 9. Что такое ультразвук? Приведите примеры применения ультразвука в природе, медицине, технике. 10. Что такое эхолокация?

Упражнение № 18

1. Ножки камертона колеблются с частотой 440 Гц. Воспринимаем ли мы волну, распространяющуюся от ножек камертона, как звук?

2. Почему летящую бабочку не слышно, а когда летит комар, мы слышим жужжание?

3. Определите длину звуковой волны частотой 4 кГц в воздухе; воде; стали.

4. Почему музыка и голоса певцов по-разному звучат в пустом зале и в зале, заполненном публикой?

5. С помощью ультразвука измеряли глубину моря (см. рис. 18.9). Сигнал, отраженный от морского дна, был зафиксирован через 4 с после его отправления. Какова глубина моря в месте измерения?

6. Сколько колебаний осуществляет источник звука за 5 с, если длина волны в воздухе равна 1 м?

7. Скорость распространения звука в металле первым определил французский физик Жан-Батист Био (1774-1862). Он использовал чугунную трубу парижского водопровода (длиной 951 м). Когда по одному концу трубы ударяли молотком, то с другого конца слышали двойной удар. На сколько секунд звук, шедший по чугуну, обгонял звук, шедший по воздуху?

8. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, где используют ультразвук.

9. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о влиянии шума на здоровье человека. Как уменьшить вредное воздействие шума?

10. Источник света и зеркало расположены на расстоянии 10,8 км друг от друга. Через какое время вспышка света достигнет зеркала и вернется обратно?

Экспериментальные задания

1. «Почти Пифагор». Исследования звуков, которые издает колеблющаяся струна, проводил еще древнегреческий ученый Пифагор (VI в. до н. э.). Он изучал зависимость высоты тона звука от длины струны. Воспользовавшись натянутой нитью, определите, как высота тона звука зависит от длины нити.

2. «Музыкальная линейка». Повторите опыт, изображенный на рис. 18.1. Уменьшая длину колеблющейся части линейки, докажите, что, чем меньше эта длина, тем больше частота издаваемого звука.

3. «Чувствительный шарик». Используя подвешенный на нити легкий шарик, докажите, что, когда камертон издает звук, ножки камертона колеблются, а громкость звука зависит от амплитуды колебаний.

Физика и техника в Украине

Борис Павлович Грабовский (1901-1966) — украинский физик и изобретатель, создатель электронной системы передачи движущегося изображения на расстоянии (на ее принципах работает современное телевидение); сын выдающегося украинского поэта Павла Грабовского.

Первое изобретение Б. П. Грабовского — катодный коммутатор, ставший основой устройства передающей телевизионной трубки; следующее — проект телеустановки, которую автор назвал «радиотелефот».

26 июля 1928 г. в Ташкенте состоялся эксперимент, во время которого впервые в мире с помощью электронного метода транслировалось движущееся изображение (лицо лаборанта). Среди изобретений Бориса Грабовского — малолитражный вертолет, трехкрылый планер, прибор для ориентирования слепых и аппарат для глухонемых. Запатентованная ученым идея получения катодного луча была успешно использована в Институте электросварки.

В 1977 г. в Ташкенте создан Музей электронного телевидения им. Б. Грабовского. Есть музей Бориса Грабовского в Тюмени, а также в селе Пушкарном (теперь Грабовском) на Сумщине.