Фізика. 9 клас. Головко

§ 22. Звукові хвилі та їхні властивості

• Джерела звуку. Поширення звукових хвиль у різних середовищах

• Швидкість поширення, довжина і частота звукової хвилі

ДЖЕРЕЛА ЗВУКУ. ПОШИРЕННЯ ЗВУКОВИХ ХВИЛЬ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ. Людина живе у світі звуків, який необхідний для нормального розвитку й існування. Звуки, які ви чуєте, повідомляють про те, що відбувається навколо, навіть якщо не видно джерела.

За допомогою звуків можна спілкуватися, насолоджуватися мелодіями, впізнавати за голосом знайомих. Світ навколишніх звуків різноманітний і складний, однак у ньому досить легко орієнтуватися й ви безпомилково відрізняєте спів птахів від шуму міської вулиці.

Поняття «звук» можна розглядати і як фізичне явище — поширення поздовжніх коливань у пружному середовищі, і як фізіологічне — специфічне відчуття, викликане дією звукових хвиль на орган слуху людини (рис. 22.1).

Рис. 22.1. Сприйняття звуку

Розділ фізики, в якому вивчаються звукові явища, називається акустикою. Звукові хвилі класифікуються за частотою: інфразвук ((v < 16 Гц); звук, який чує людина (16 Гц < ν < 20 000 Гц); ультразвук (ν > 20 000 Гц); звук надвисокої частоти (10⁹ Гц < ν < 10¹²—10¹³ Гц) (рис. 22.2).

Рис. 22.2. Шкала звукових хвиль

Багато тварин можуть відчувати ультразвукові коливання. Наприклад, собаки сприймають звуки частотою до 50 000 Гц, а кажани — до 100 000 Гц.

Будь-яке коливне тіло може бути причиною виникнення пружних хвиль у середовищі, що його оточує, тобто джерелом звуку (струна скрипки, мембрана, дифузор, металева пластинка, бджола, стовп повітря в трубі тощо). Звукові хвилі виникають завдяки пружним зв’язкам між частинками (молекулами та атомами) середовища, в якому перебуває джерело.

Механічні вібрації джерела звуку зумовлюють коливання найближчих до нього частинок пружного середовища, що призводить до його періодичного стискання або розрідження.

Розглянемо особливості поширення звуку в різних середовищах. Найчастіше звукові хвилі досягають людського вуха повітрям. Також вони можуть поширюватися у воді й твердих тілах.

Встановити експериментально, чи передаватиметься звук у вакуумі, вперше вдалося в 1660 р. Робертові Бойлю. З цією метою він використав вакуумний насос, винайдений у 1657 р. і побудований разом із Робертом Гуком. Відкачуючи повітря з-під його ковпака, можна переконатися, що звуку будильника не чутно (рис. 22.3).

Для поширення звукових хвиль потрібна наявність певного середовища. Космос, на відміну від океану, — царство абсолютної тиші.

Рис. 22.3. Звукові хвилі у безповітряному просторі не поширюються

ШВИДКІСТЬ ПОШИРЕННЯ, ДОВЖИНА І ЧАСТОТА ЗВУКОВОЇ ХВИЛІ. Звукові хвилі характеризуються кінцевою швидкістю поширення. Життєвий досвід переконує, що різні тверді тіла передають звук по-різному. Наприклад, дерево, метали добре проводять звук, а пористі й м’які тіла — ні.

Уперше швидкість поширення звуку в повітрі визначив у 1640 р. французький фізик Марен Мерсенн. Він вимірював інтервал часу між моментами виникнення спалаху й звуку під час рушничного пострілу. М. Мерсенн визначив, що швидкість звуку в повітрі дорівнює 414 м/с.

У 1822 р. Д. Араго, Г. Проні та Ж. Гей-Люссак дослідним шляхом встановили, що у повітрі при температурі 10 °С швидкість поширення звуку становить 337,2 м/с. Швидкість звуку в повітрі не залежить від його густини. Вона приблизно дорівнює середній швидкості теплового руху молекул. Чим більша маса молекул газу, тим менша швидкість звуку. Так, при 10 °С швидкість звуку у водні становить 1270 м/с, а у вуглекислому газі — 258 м/с.

У воді швидкість звуку більша, ніж у повітрі. Уперше її було виміряно на Женевському озері у Швейцарії. На одному човні підпалювали порох і одночасно вдаряли в підводний дзвін. Інший перебував на відстані 14 км від першого. Звук приймався за допомогою опущеного у воду рупора (рис. 22.4).

Рис. 22.4. Вимірювання швидкості звуку

За різницею часу між спалахом світла й надходженням звукового сигналу визначалася його швидкість. При температурі води 8 °С вона становить 1435 м/с.

У твердих тілах швидкість звуку ще більша, ніж у рідинах. Наприклад, у сталі при 15 °С вона становить 4980 м/с. Якщо вдарити по одному кінцю рейки й прикласти вухо до другого, то почуємо два удари. Спочатку звук досягає вуха металом, а потім повітрям.

Швидкість звуку залежить також від температури середовища: з її підвищенням вона зростає, зі зниженням — зменшується. Наприклад, швидкість звуку в повітрі при температурі 0 °С становить 333 м/с, а при 30 °С збільшується до 350 м/с.

Врахувавши, що

де v — частота коливань, запишемо формулу υ = λν. Знаючи частоту коливань і швидкість звуку можна обчислити довжину звукової хвилі.

Довжина найдовшої хвилі, що сприймається вухом людини, становить приблизно 17 м, а найкоротшої — 1,7 мм.

На поширення звукових хвиль впливає неоднорідний характер атмосфери. Швидкість звуку залежить від температури, вологості повітря, сили вітру та ін. Звукові хвилі відбиваються на межі двох середовищ, у яких рухаються з різними швидкостями.

Можна спостерігати відбивання звуків від хмар і динамічної границі туману. Відомо, що звуки швидше поширюються за вітром, ніж проти нього.

Неоднорідністю атмосфери пояснюється утворення «зон мовчання», що спостерігаються під час поширення на великі відстані гучних звуків, наприклад вибухів. Вибух чутний на порівняно близьких та далеких відстанях (сотні кілометрів), посередині ж його не чути.

! Головне в цьому параграфі

Звуком називають коливання, які сприймаються органами слуху людини. Розрізняють акустичні (фізичні) та фізіологічні характеристики звуку.

Розділ фізики, в якому вивчаються звукові явища, називається акустикою. Звукові хвилі класифікуються за частотою: інфразвук (ν < 16 Гц); звук, який чує людина (16 Гц < ν < 20 000 Гц); ультразвук (ν > 20 000 Гц); звук надвисокої частоти (10⁹ Гц < ν < 10¹²—10¹³ Гц).

У безповітряному просторі звукові хвилі поширюватися не можуть. Для їх поширення потрібне певне середовище.

Звукові хвилі характеризуються кінцевою швидкістю поширення, яка пов’язана з їх довжиною співвідношенням:

Швидкість поширення звуку в газах, рідинах і твердих тілах — різна. У твердих тілах вона більша, ніж у рідинах та газах.

? Запитання для самоперевірки

• 1. Що таке звук? Яка фізична природа звуку?
• 2. Чи можуть звуки поширюватися у безповітряному просторі?
• 3. Наведіть приклади джерел і приймачів звуку.
• 4. Яку загальну властивість мають джерела звуку?
• 5. Як звук передається від джерела до приймача?
• 6. Назвіть основні характеристики звуку.
• 7. Який діапазон звукових частот сприймає людина?
• 8. Від чого залежить швидкість поширення звуку?

Вправа до § 22

• 1 (п). Спостерігаючи здалеку за рухами людини, яка працює молотком, можна помітити, що звук надходить до нас не під час удару, а коли людина піднімає руку. Як це пояснити?
• 2 (п). Чи можна на Землі почути гуркіт від падіння метеорита на Місяці?
• 3 (п). Чому космонавти, що перебувають у відкритому космосі, не чують один одного, хоча в скафандрах є повітря?
• 4 (с). Під час грози звук грому надходить через 8 с після спалаху блискавки. На якій відстані відбувається гроза? Швидкість звуку в повітрі становить 340 м/с.
• 5 (с). Визначте швидкість звуку у воді, якщо коливання з періодом Т = 0,005 с викликають звукову хвилю довжиною λ = 7,175 м.
• 6 (д). На відстані 1068 м від спостерігача вдаряють молотком по залізничній рейці. Спостерігач, приклавши до неї вухо, почув звук на 3 с раніше, ніж він надійшов повітрям. Визначте швидкість поширення звуку в сталі, якщо в повітрі вона становить 335 м/с.
• 7 (д). Відстань між двома залізничними станціями 8,3 км. За який час звук поширюється від однієї станції до іншої повітрям і сталевими рейками? (Швидкість звуку у сталі визначте з попередньої задачі.)
• 8 (в). Людина бачить, як важкий камінь падає на бетонний тротуар. За певний час вона чує два звуки від удару: перший надійшов повітрям, другий — бетоном. Інтервал часу між ними — 1,2 с. На якій відстані впав камінь, якщо швидкість звуку в бетоні становить 4500 м/с?