Звуковая волна (звуковые колебания) — это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха).

Но далеко не всякое колеблющееся тело является источником звука. Например, не издает звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, если переместить ее в тисках вверх и тем самым удлинить свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше 20 Гц. Исследования показали, что человеческое ухо способно воспри¬нимать как звук механические колебания тел, происходящие с час¬тотой от 20 Гц до 20000 Гц. Поэтому колебания, частоты которых находятся в этом диапазоне, называются звуковыми. Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 20 Гц — инфразвуковыми. Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается — некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20000 Гц. Колебания, частоты которых больше 20 000 Гц или меньше 20 Гц, слышат некоторые животные. Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканье часов и гул моторов, шелест листьев и завывание ветра, пение птиц и голоса людей. О том, как рождаются звуки, и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Замечали, к примеру, что звук создают вибрирующие в воздухе тела. Еще древнегреческий философ и ученый-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, верно объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то уплотняет, то разрежает воздух, а благодаря упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство — от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука. На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц — 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В воздухе при температуре 0° С и нормальном давлении звук распространяется со скоростью 330 м/с, в морской воде — около 1500 м/с, в некоторых металлах скорость звука достигает 7000 м/с. Упругие волны с частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а волны, частота которых превышает 20 кГц, — ультразвуком.

Источником звука в газах и жидкостях могут быть не только вибрирующие тела. Например, свистят в полете пуля и стрела, завывает ветер. И рев турбореактивного самолета складывается не только из шума работающих агрегатов — вентилятора, компрессора, турбины, камеры сгорания и т. д., но также из шума реактивной струи, вихревых, турбулентных потоков воздуха, возникающих при обтекании самолета на больших скоростях. Стремительно несущееся в воздухе или в воде тело как бы разрывает обтекающий его поток, периодически порождает в среде области разрежения и сжатия. В результате возникают звуковые волны. Звук может распространяться в виде продольных и поперечных волн. В газообразной и жидкой среде возникают только продольные волны, когда колебательное движение частиц происходит лишь в том направлении, в каком распространяется волна. В твердых телах помимо продольных возникают также и поперечные волны, когда частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярны к направлению распространения волны. Там ударяя по струне перпендикулярно ее направлению, мы заставляем бежать волну вдоль струны. Человеческое ухо неодинаково восприимчиво к звукам разной частоты. Наиболее чувствительно оно к частотам от 1000 до 4000 Гц. При очень большой интенсивности волны перестают восприниматься как звук, вызывая в ушах ощущение давящей боли. Величину интенсивности звуковых волн, при которой это происходит, называют порогом болевого ощущения. Важны в учении о звуке также понятия тона и тембра звука. Всякий реальный звук, будь то голос человека или игра музыкального инструмента, — это не простое гармоническое колебание, а своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот. То из них, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие — обертонами. Разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, придает ему особую окраску — тембр. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, гитары и флейты, узнаем голоса знакомых людей.

• Частотой колебаний называют количество полных колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят 1 герц (Гц). 1 герц соответствует одному полному (в одну и другую сторону) колебанию, происходящему за одну секунду.
• Периодом называют время (с), в течение которого происходит одно полное колебание. Чем больше частота колебаний, тем меньше их период, т.е. f=1/T. Таким образом, частота колебаний тем больше, чем меньше их период, и наоборот. Голос человека создает звуковые колебания частотой от 80 до 12000 Гц, а слух воспринимает звуковые колебания в диапазоне 16-20000 Гц.
• Амплитудой колебаний называют наибольшее отклонение колеблющегося тела от его первоначального (спокойного) положения. Чем больше амплитуда колебания, тем громче звук. Звуки человеческой речи представляют собой сложные звуковые колебания, состоящие из того или иного количества простых колебаний, различных по частоте и амплитуде. В каждом звуке речи имеется только ему свойственное сочетание колебаний различной частоты и амплитуды. Поэтому форма колебаний одного звука речи заметно отличается от формы другого, на котором изображены графики колебаний при произношении звуков а, о и у.

Любые звуки человек характеризует в соответствии со своим восприятием по уровню громкости и высоте.

Перейдём к рассмотрению звуковых явлений.

Мир окружающих нас звуков разнообразен - голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчел, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолётов и других объектов.

Обрати внимание!

Источниками звука являются колеблющиеся тела.

Пример:

Закрепим в тисках упругую металлическую линейку. Если её свободную часть, длина которой подобрана определённым образом, привести в колебательное движение, то линейка будет издавать звук (рис. 1).

Таким образом, колеблющаяся линейка является источником звука.

Рассмотрим изображение звучащей струны, концы которой закреплены (рис. 2). Размытые очертания этой струны и кажущееся утолщение в середине свидетельствуют о том, что струна колеблется.

Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то полоска будет подпрыгивать от толчков струны. Пока струна колеблется, слышен звук; остановим струну, и звук прекращается.

На рисунке 3 изображён камертон - изогнутый металлический стержень на ножке, который укреплён на резонаторном ящике.

Если по камертону ударить мягким молоточком (или провести по нему смычком), то камертон зазвучит (рис. 4).

Поднесём к звучащему камертону лёгкий шарик (стеклянную бусинку), подвешенный на нитке, - шарик будет отскакивать от камертона, свидетельствуя о колебаниях его ветвей (рис. 5).

Чтобы «записать» колебания камертона с малой (порядка \(16\) Гц) собственной частотой и большой амплитудой колебаний, можно к концу одной его ветви привинтить тонкую и узкую металлическую полоску с остриём на конце. Остриё необходимо загнуть вниз и слегка коснуться им лежащей на столе закопчённой стеклянной пластинки. При быстром перемещении пластинки под колеблющимися ветвями камертона остриё оставляет на пластинке след в виде волнообразной линии (рис. 6).

Волнообразная линия, прочерченная на пластинке остриём, очень близка к синусоиде. Таким образом, можно считать, что каждая ветвь звучащего камертона совершает гармонические колебания.

Различные опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука обязательно колеблется, даже если эти колебания незаметны для глаза. Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, шелест листьев, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.

Обрати внимание!

Не всякое колеблющееся тело является источником звука.

Например, не издаёт звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, если удлинить её свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше \(16\) Гц.

Человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от \(16\) до \(20000\) Гц (передающиеся обычно через воздух).

Механические колебания, частота которых лежит в диапазоне от \(16\) до \(20000\) Гц называются звуковыми.

Указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная граница воспринимаемых звуков значительно понижается - некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими \(6000\) Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше \(20 000\) Гц.

Механические колебания, частота которых превышает \(20 000\) Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее \(16\) Гц - инфразвуковыми.

Ультразвук и инфразвук распространены в природе так же широко, как и волны звукового диапазона. Их излучают и используют для своих «переговоров» дельфины, летучие мыши и некоторые другие живые существа.

Вопросы.

1. Расскажите об опытах, изображенных на рисунках 70-73. Какой вывод из них следует?

В первом опыте (рис. 70) зажатая в тиски металлическая линейка издает звук при ее колебании.
Во втором опыте (рис. 71) можно наблюдать колебания струны, которая при этом тоже издает звук.
В третьем опыте (рис. 72) наблюдается звучание камертона.
В четвертом опыте (рис. 73) колебания камертона "записываются" на закопченую пластинку. Все эти опыты демонстрируют колебательный характер возникновения звука. Звук появляется в результате колебаний. В четвертом опыте это можно еще и наглядно наблюдать. Острие иглы оставляет след в виде близком к синусоиде. При этом звук не появляется ниоткуда, а порождается источниками звука: линейкой, струной, камертоном.

2. Каким общим свойством обладают все источники звука?

Любой источник звука обязательно колеблется.

3. Механические колебания каких частот называются звуковыми и почему?

Звуковыми называются механические колебания с частотами от 16 Гц до 20 000 Гц, т.к. в данном частотном диапазоне они воспринимаются человеком.

4. Какие колебания называются ультразвуковыми? инфразвуковыми?

Колебания с частотами более 20 000 Гц называются ультразвуковыми, а с частотами ниже 16 Гц - инфразвуковыми.

5. Расскажите об измерении глубины моря методом эхолокации.

Упражнения.

1. Звук от взмахов крыльев летящего комара мы слышим. а летящей птицы - нет. Почему?

Частота колебаний крыльев комара 600 Гц (600 взмахов в секунду), воробья 13 ГЦ, а человеческое ухо воспринимает звуки от 16 Гц.

Вокруг нас очень много источников звука: музыкальные и технические инструменты, голосовые связки человека, морские волны, ветер и другие. Звук или, иначе, звуковые волны – это механические колебания среды с частотами 16 Гц – 20 кГц (см. § 11-а).

Рассмотрим опыт. Поместив будильник на подушечке под колокол воздушного насоса, мы заметим: тиканье станет тише, но всё равно будет слышно. Откачав из-под колокола воздух, мы перестанем слышать звук вообще. Этот опыт подтверждает, что звук распространяется по воздуху и не распространяется в вакууме.

Скорость звука в воздухе сравнительно велика: лежит в интервале от 300 м/с при –50°С до 360 м/с при +50°С. Это в 1,5 раза больше, чем скорость пассажирских самолётов. В жидкостях звук распространяется заметно быстрее, а в твёрдых телах – ещё быстрее. В стальном рельсе, например, скорость звука » 5000 м/с.

Взгляните на графики колебаний давления воздуха у рта человека, поющего звуки «А» и «О». Как видите, колебания являются сложными, состоящими из нескольких колебаний, накладывающихся друг на друга. При этом чётко видны основные колебания, частота которых почти не зависит от произносимого звука. Для мужского голоса это приблизительно 200 Гц, для женского – 300 Гц.

l max = 360 м/с: 200 Гц » 2 м, l min = 300 м/с: 300 Гц » 1 м.

Итак, длина звуковой волны голоса зависит от температуры воздуха и основной частоты голоса. Вспомнив наши знания о дифракции, мы поймём, почему в лесу слышно голоса людей, даже если их загораживают деревья: звуки с длинами волн 1–2 м легко огибают стволы деревьев, диаметр которых меньше метра.

Проделаем опыт, подтверждающий, что источниками звука действительно являются колеблющиеся тела.

Возьмём прибор камертон – металлическую рогатку, укреплённую на ящичке без передней стенки для лучшего излучения звуковых волн. Если ударить молоточком по концам рогатки камертона, он будет издавать «чистый» звук, называемый музыкальным тоном (например, ноту «ля» первой октавы с частотой 440 Гц). Придвинем звучащий камертон к лёгкому шарику на нити, и он тотчас же отскочит в сторону. Так происходит именно из-за частых колебаний концов рогатки камертона.

Причины, от которых зависит частота колебаний тела, – его упругость и размер. Чем больше размер тела, тем меньше частота. Поэтому, например, слоны с большими голосовыми связками испускают звуки низкой частоты (бас), а мыши, размер голосовых связок которых значительно меньше, – высокочастотные звуки (писк).

От упругости и размеров зависит не только как будет звучать тело, но и как оно будет улавливать звуки – откликаться на них. Явление резкого увеличения амплитуды колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой тела называется резонансом (лат. «резоно» – откликаюсь). Проделаем опыт по наблюдению резонанса.

Расположим два одинаковых камертона рядом, повернув их друг к другу теми сторонами ящичков, где нет стенок. Ударим левый камертон молоточком. Через секунду заглушим его рукой. Мы услышим, что звучит второй камертон, который мы не ударяли. Говорят, что правый камертон резонирует, то есть улавливает энергию звуковых волн от левого камертона, в результате чего увеличивает амплитуду собственных колебаний.

Прежде чем понять, какие источники звука бывают, задумайтесь, что такое звук? Мы знаем, что свет это излучение. Отражаясь от предметов, это излучение попадает к нам в глаза, и мы можем его видеть. Вкус и запах это маленькие частички тел, которые воспринимают наши соответствующие рецепторы. А звук это что за зверь?

Звуки передаются по воздуху

Вы наверняка видели, как играют на гитаре. Возможно, вы и сами умеете это делать. Важно другое звук в гитаре издают струны, если их дернуть. Все верно. А вот если бы вы могли поместить гитару в вакуум и дернуть струны, то вы бы очень удивились никакого звука гитара не издала бы.

Такие опыты проводились с самыми различными телами, и всегда результат был один никакого звука в безвоздушном пространстве не было слышно. Отсюда следует логичный вывод звук передается по воздуху. Следовательно, звук это нечто, происходящее с частицами веществ воздуха и издающих звук тел.

Источники звука - колеблющиеся тела

Далее. В результате самых разнообразных многочисленных экспериментов удалось установить, что звук возникает вследствие колебания тел . Источниками звука являются тела, которые колеблются. Эти колебания передаются молекулами воздуха и наше ухо, воспринимая эти колебания, интерпретирует их в понятные нам ощущения звука.

Проверить это не сложно. Возьмите стеклянный или хрустальный бокал и поставьте его на стол. Легонько стукните по нему металлической ложечкой. Вы услышите длинный тонкий звук. Теперь дотроньтесь рукой до бокала и стукните еще раз. Звук изменится и станет намного короче.

А теперь пусть несколько человек обхватят руками бокал максимально полностью, вместе с ножкой, стараясь не оставить ни одного свободного участка, кроме совсем маленького места для удара ложечкой. Вновь ударьте по бокалу. Вы почти не услышите никакого звука, а тот, что будет - получится слабым и очень коротким. О чем это говорит?

В первом случае после удара бокал свободно колебался, его колебания передавались по воздуху и достигали наших ушей. Во втором случае большая часть колебаний поглощалась нашей рукой, и звук стал гораздо короче, так как уменьшились колебания тела. В третьем случае практически все колебания тела моментально поглотились руками всех участников и тело почти не колебалось, а следовательно, звука почти не издавало.

То же самое касается всех иных экспериментов, которые вы можете придумать и провести. Колебания тел, передаваясь молекулам воздуха, будут восприниматься нашими ушами, и интерпретироваться мозгом.

Звуковые колебания разной частоты

Итак, звук это колебания. Источники звука передают звуковые колебания по воздуху к нам. Почему же тогда мы слышим далеко не все колебания всех предметов? А потому что колебания бывают разной частоты.

Воспринимаемый человеческим ухом звук это звуковые колебания частотой примерно от 16 Гц до 20 кГц. Дети слышат звуки более высоких частот, чем взрослые, а диапазоны восприятия различных живых существ вообще различаются очень сильно.