Фізика. Повторне видання. 9 клас. Сиротюк

§ 18. Звукові хвилі. Швидкість поширення звуку, довжина і частота звукової хвилі. Гучність звуку та висота тону

Ми живемо у світі звуків. Звук - це голоси людей, спів птахів, звуки музичних інструментів, шум лісу, грім під час грози тощо.

Що таке звук? Як він виникає? Чим одні звуки відрізняються від інших?

Звук — це механічні коливання будь-якої частоти у пружному середовищі.

Розділ фізики, у якому вивчаються звукові явища, називають акустикою.

Акустика — це вчення про виникнення, поширення і сприйняття звукових хвиль.

Хвилі на поверхні води або вздовж гумового шнура можна побачити. Якщо хвилі поширюються у прозорому середовищі (наприклад, повітрі або рідині), вони невидимі. Але за певних умов їх можна чути.

Дослід 1. Закріпимо довгу сталеву лінійку в лещатах або щільно притиснемо її до краю столу. Відхиливши вільний кінець лінійки від положення рівноваги, примусимо її коливатися (мал. 211).

Мал. 211

Якщо лінійка досить довга, ми нічого не почуємо. Вкоротимо вільний кінець лінійки, й вона почне «звучати».

Сталева лінійка, яка коливається, стискує шар повітря, що прилягає до одного її боку, і одночасно створює розрідження з другого боку. Ці стискання і розрідження чергуються в часі і поширюються в обидва боки у вигляді поздовжньої хвилі. Вона досягає нашого вуха і спричиняє коливання барабанної перетинки (3), яка розміщена в середньому вусі (мал. 212).

Мал. 212

Вухо людини - прекрасний приймач звукових коливань. Воно складається з трьох частин: зовнішнього, середнього і внутрішнього вуха.

Елементами зовнішнього вуха є вушна раковина (2) і зовнішній слуховий прохід (2). Вони слугують для того, щоб направляти звукові хвилі до барабанної перетинки (3). Барабанна перетинка і поєднані з нею три слухові кісточки - це середнє вухо. Вони передають звукові коливання до внутрішнього вуха - овальної порожнини (4). Тут звукові коливання перетворюються на послідовність нервових імпульсів, які передаються в мозок слуховим нервом (5).

Вухо людини сприймає звукові коливання, частота яких лежить у межах від 16-17 до 20 000 Гц. Такі коливання називають звуковими, або акустичними. У попередньому досліді ми спостерігали: що коротший виступаючий кінець лінійки, то більша частота його коливань. Тому ми і чули звук, достатньо вкоротивши кінець лінійки.

Будь-яке тверде, рідке або газувате тіло, що коливається зі звуковою частотою, створює в довколишньому середовищі звукову хвилю.

Найчастіше наших вух досягають хвилі, що поширюються в повітрі. Якщо звукова хвиля поширюється в повітрі, то вона є поздовжньою, оскільки в газах можливе поширення тільки таких хвиль.

У поздовжніх хвилях коливання частинок приводять до того, що в газі виникають стискання і розрідження, що періодично повторюються (мал. 213).

Мал. 213

Дослід 2. Розмістимо джерело звуку під ковпаком повітряного насоса (мал. 214, а) і почнемо викачувати з нього повітря. У міру того як кількість повітря під ковпаком зменшується, звук слабшає, а потім узагалі зникає (мал. 214, б).

Мал. 214

Такий дослід уперше виконав у 1660 р. Роберт Бойль і тим самим довів, що звук добре поширюється в повітрі і зовсім не поширюється в безповітряному просторі, який називають вакуумом.

Звук поширюється також у рідких і твердих середовищах. Занурившись повністю у воду під час купання, ви можете почути звук від удару під водою каменем об камінь навіть на великій відстані (мал. 215). Під водою також добре чути звуки грібних гвинтів теплоходів тощо.

Мал. 215

Дослід 3. Прикладіть щільно до вуха кінець довгої дерев’яної лінійки і легенько постукайте по другому її кінцю ручкою. Ви добре чутимете звук. Відведіть лінійку на деяку відстань від вуха і постукайте по ній знову. Ви майже не почуєте звуку.

Шум поїзда, який лунає з далекої відстані, не чутно, але його можна почути, якщо прикласти вухо до рейки. Добре проводить звук також земля.

Звук добре поширюється в рідинах і твердих тілах.

Існують матеріали, які погано проводять звук, оскільки поглинають його. Наприклад, пористі панелі, пресовану пробку, пінопласт використовують для звукоізоляції, тобто для захисту приміщень від проникнення в них сторонніх звуків. Звукові хвилі, подібно до всіх інших хвиль, поширюються з кінцевою швидкістю. Ви, напевно, помічали, що спалах блискавки передує ударові грому. Якщо гроза далеко, то звук грому ми почуємо через кілька десятків секунд.

Як і будь-яка хвиля, звукова хвиля характеризується швидкістю поширення коливань. З довжиною хвилі λ і частотою коливань ν швидкість поширення хвилі ν пов’язана вже відомою вам формулою:

ν = λν,

де ν - швидкість поширення звукової хвилі (м/с); λ - довжина звукової хвилі (м); ν - частота коливань (Гц).

Швидкість поширення звуку в різних середовищах різна. За допомогою дослідів у 1822 р. було встановлено (мал. 216), що в повітрі за температури 10 °С швидкість поширення звукових хвиль дорівнює 337,2 м/с.

Мал. 216

У воді швидкість поширення звуку більша, ніж у повітрі. Уперше її виміряли в 1827 р. на Женевському озері у Швейцарії. На одному човні запалювали порох і синхронно вдаряли в підводний дзвін (мал. 217). Другий човен перебував на відстані 14 км від першого. Звук уловлювали за допомогою опущеного у воду рупора. За різницею часу між спалахом світла і отриманням звукового сигналу визначили швидкість поширення звуку. За температури 8 °С швидкість поширення звуку у воді дорівнює 1435 м/с.

Мал. 217

У твердих тілах швидкість поширення звуку більша, ніж у рідинах. У таблиці 1 подано значення швидкості поширення звукових хвиль у різних середовищах.

Таблиця 1

Швидкість поширення звуку в різних середовищах

Тверде тіло	v, м/с	Рідина	v, м/с (20 °С)	Газ	v, м/с (0 °С)
Алюміній	6260	Ацетон	1192	Азот	334
Залізо	5850	Бензин	1170	Водень	1284
Лід	3980	Вода	1460	Повітря	331
Гума	1040	Вода морська	1451	Гелій	955
Скло	5990	Гліцерин	1923	Кисень	316
Порцеляна	5340	Ртуть	1451	Метан	429
Ебоніт	2405	Спирт	1180	Вуглекислий газ	259

У таблиці вказано значення швидкості поширення звуку в різних середовищах за певної температури, адже швидкість поширення звуку в середовищі залежить від його температури.

Наприклад, швидкість поширення звуку в рідинах (за винятком води) зменшується з підвищенням температури, а в газах швидкість поширення звуку за постійного тиску з підвищенням температури збільшується.

Сучасна техніка дає змогу виміряти швидкість поширення звуку з високою точністю (мал. 218).

Мал. 218

Швидкість поширення звуку в середовищі залежить від його температури.

Звуки, які ми кожний день чуємо, дуже різноманітні. Вони поділяються на музичні звуки і шуми. До перших належать спів, звучання струн скрипки (мал. 219), гітари або віолончелі, духових чи інших музичних інструментів, свист тощо. Шуми виникають під час грози, створюються працюючими двигунами, листям, що шелестить, тощо.

Мал. 219

За допомогою органів мови люди можуть відтворювати музичні звуки і, звичайно, створювати шум.

Але чим, з точки зору фізики, відрізняються музичні звуки від шуму і чому такими несхожими між собою можуть бути музичні звуки?

Дослід 4. Візьмемо камертон (нім. kammerton - «гребінь») і вдаримо по одній з його ніжок кулькою (мал. 220, а). Ми почуємо музичний звук «ля» частотою 440 Гц. Поступово внаслідок згасання коливань ніжок звук слабне. Отже, звукова хвиля збуджується ніжками камертона, що здійснюють коливання. Характер цих коливань можна визначити, якщо прикріпити до ніжки камертона голку і, збудивши коливання камертона, рівномірно провести нею по поверхні закопченої скляної пластинки. На пластинці з’явиться лінія, як це зображено на малюнку 220, б. Кажуть, що ніжки камертона коливаються гармонійно.

Мал. 220

Звук, створений тілом, що гармонійно коливається, називають музичним тоном, або тоном.

Музичні тони відрізняються на слух гучністю і висотою.

Гучність звуку залежить від різниці тисків, амплітуди і частоти звукових коливань. Наприклад, що сильніший удар кульки по камертону, то гучніше він звучить, оскільки сильний удар є причиною виникнення коливань більшої амплітуди.

Про звуки різної гучності говорять, що один гучніший від іншого не в стільки-то разів, а на стільки-то одиниць. Одиницею гучності звуку є один децибел (1 дБ). Її названо на честь американського вченого Олександра Грейама Белла - винахідника телефону і слухових апаратів для глухих.

Гучність звуку шелесту листя складає 10 дБ, шепоту - 20 дБ, вуличного шуму - 70 дБ. Шум гучністю 130 дБ відчувається шкірою і викликає больові відчуття (мал. 221).

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Найгучнішим у світі тварин є блакитний кит. Він може видавати звуки гучністю 188 дБ, які чути на відстані до 850 км.

Чутливість вуха залежить від частоти звуку. Звукові коливання однакових амплітуд здаються неоднаково гучними, якщо їхні частоти різні. Вухо людини найбільш чутливе до коливань частотою близько 3500 Гц.

Мал. 221

Гучність звуку вимірюють спеціальним приладом - сонометром (мал. 222).

Мал. 222

Дослід 5. Візьмемо кілька камертонів різних розмірів. Почергово змусимо їх звучати і кожного разу голкою, прикріпленою до ніжки камертона, проводитимемо вздовж закопченої пластинки, як це показано на малюнку 220, б. Порівнюючи отримані результати, ми помічаємо: що вищий звук камертона, то менший період коливань і, відповідно, більша частота коливань ніжок камертона.

Висота звуку залежить від частоти коливань.

Те саме можна спостерігати на прикладі струни, що коливається. Натягуючи струну гітари або скрипки, ми збільшуємо частоту коливань, висота звуку збільшується.

Графіки звукових коливань, що створюються звучними камертонами, наприклад камертоном «ля» (440 Гц), або музичними інструментами, можна спостерігати за допомогою комп’ютера або осцилографа (мал. 223, 224).

Мал. 223

Мал. 224

А що ж таке шум? Шум відрізняється від музичного тону тим, що йому не відповідає якась певна частота коливань і, а отже і певна висота звуку.

Шум — це сукупність коливань різних частот.

Який вигляд мають ці коливання, також можна побачити, використовуючи мікрофон і комп’ютер або осцилограф.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що вивчає акустика?
• 2. Які коливання називають звуковими, або акустичними?
• 3. Як виникають звукові хвилі?
• 4. Де можуть поширюватися звукові хвилі?
• 5. Як можна визначити швидкість поширення звукових хвиль?
• 6. Від чого залежить швидкість поширення звукових хвиль?
• 7. Користуючись таблицею (див. с. 105), визначте, у якій речовині швидкість поширення звуку найменша; найбільша.
• 8. Які основні види звуків ви знаєте?
• 9. Що таке тон? Що таке шум?
• 10. Від чого залежить гучність звуку? Висота звуку?