Мы живем в мире звуков. Звук — это голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы и т. п.
Что такое звук? Как он возникает? Чем одни звуки отличаются от других?
Звук — это механические колебания любой частоты в упругой среде.
Главу физики, изучающую звуковые явления, называют акустикой.
Акустика — это учение о возникновении, распространении и восприятии звуковых волн.
Волны на поверхности воды или вдоль резинового шнура можно непосредственно видеть. Если же волны распространяются в прозрачной среде (например, воздухе или жидкости), они невидимы. Но при определенных
условиях их можно слышать.
Опыт 1. Зажмем длинную металлическую линейку в тисках или плотно прижмем ее к краю стола. Отклонив свободный конец линейки от положения равновесия, мы возбудим ее колебания (рис. 211).
Если линейка достаточно длинная, мы ничего не услышим. Укоротим свободный конец линейки — и она начнет «звучать».
Пластина сжимает слой воздуха, прилегающий к одной из ее сторон, и одновременно создает разрежение с другой стороны. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в обе стороны в виде упругой продольной волны. Она достигает нашего уха и вызывает колебание барабанной перепонки (3), находящейся в среднем ухе (рис. 212).
Ухо человека — хороший приемник звуковых колебаний. Оно состоит из трех частей: внешнего, среднего и внутреннего уха.
Элементами внешнего уха являются ушная раковина (1) и внешний слуховой проход (2). Они служат для того, чтобы направлять звуковые волны к барабанной перепонке (3). Барабанная перепонка и соединенные с ней три слуховые косточки - это среднее ухо. Они передают звуковые
колебания к внутреннему уху - овальной полости (4). Здесь звуковые колебания превращаются в последовательность нервных импульсов, которые передаются в мозг слуховым нервом (5).
Наше ухо воспринимает звуковые колебания, частота которых лежит в пределах от 16—17 до 20 000 Гц. Такие колебания называют звуковыми или акустическими. В предыдущем опыте мы наблюдали, что чем короче выступающий конец линейки, тем больше частота его колебаний. Поэтому мы и слышали звук, достаточно укоротив конец линейки.
Любое твердое, жидкое или газообразное тело, колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей среде звуковую волну.
Чаще всего наших ушей достигают волны, распространяющиеся по воздуху. Если звуковая волна распространяется по воздуху, то она является продольной, поскольку в газах возможно распространение только таких волн.
В продольных волнах колебания частиц приводят к тому, что в газе возникают сжатия и разрежения, периодически повторяющиеся (рис. 213).
Опыт 2. Разместим источник звука под колпаком воздушного насоса (рис. 214, а) и начнем выкачивать из него воздух. По мере того как количество воздуха под колпаком уменьшается, звук ослабевает, а потом вообще исчезает (рис. 214, б).
Такой опыт впервые выполнил в 1660 г. Роберт Бойль и этим же доказал, что звук хорошо распространяется в воздухе и вовсе не распространяется в безвоздушном пространстве, называемом вакуумом.
Звук распространяется также в жидких и твердых средах. Нырнув с головой во время купания, вы можете услышать звук от удара двух камней, производимого в воде на большом расстоянии (рис. 215). Под водой также хорошо слышны звуки гребных винтов теплоходов и т. п.
Опыт 3. Приложите вплотную к уху конец длинной деревянной линейки и слегка постучите по другому ее концу ручкой. Вы отчетливо будете слышать звук. Отодвинув линейку немного от уха, постучите по ней снова. Вы почти не услышите звука.
Шум поезда, раздающийся издалека, не слышен, но его можно услышать, если прислониться ухом к рельсе. Хорошо проводит звук и земля.
Звук хорошо распространяется в жидкостях и твердых телах.
Существуют материалы, плохо проводящие звук, поскольку поглощают его. Например, пористые панели, прессованная пробка, пенопласт используют для звукоизоляции, то есть для защиты помещений от проникновения в них посторонних звуков. Звуковые волны, подобно всем другим волнам, распространяются с конечной скоростью. Вы, наверное, замечали, что вспышка молнии предшествует удару грома. Если гроза далеко, то звук грома мы услышим через несколько десятков секунд.
Как и любая волна, звуковая волна характеризуется скоростью распространения колебаний. С длиной волны X и частотой колебаний v скорость распространения волны v связана уже известной вам формулой:
где v — скорость распространения звуковой волны (м/с); X - длина звуковой волны (м); v — частота колебаний (Гц).
Скорость распространения звука в разных средах разная. С помощью опытов в 1822 г. было установлено (рис. 216), что в воздухе при температуре 10 °С скорость распространения звуковых волн равна 337,2 м/с.
В воде скорость звука больше, чем в воздухе. Впервые ее измеряли в 1827 г. на Женевском озере в Швейцарии. На одной лодке поджигали порох и синхронно ударяли в подводный колокол (рис. 217). Вторая лодка находилась на расстоянии 14 км от первой. Звук улавливался с помощью опущенного в воду рупора. По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука. При температуре 8 °С скорость распространения звука в воде равна 1435 м/с.
В твердых телах скорость звука еще больше, чем в жидкостях. В таблице даны значения скорости распространения звуковых волн в разных средах.
Скорость распространения звука в разных средах
В таблице указаны значения скорости распространения звука в разных средах при определенной температуре, поскольку скорость распространения звука в среде зависит от ее температуры.
Например, скорость распространения звука в жидкостях (за исключением воды) уменьшается с повышением температуры, а в газах скорость распространения звука при постоянном давлении с повышением температуры увеличивается.
Современная техника дает возможность измерять скорость распространения звука с высокой точностью (рис. 218).
Скорость распространения звука в среде зависит от ее температуры.
Звуки, которые мы слышим каждый день, очень разнообразны. Они разделяются на музыкальные звуки и шумы. К первым относится пение, звучание натянутых струн скрипки (рис. 219), гитары или виолончели, духовых или других музыкальных инструментов, свист и т. д.
Шумы возникают во время грозы, шелеста листвы, при работе двигателей и т. п.
С помощью органов речи мы в состоянии воспроизвести музыкальные звуки и, конечно, создавать шум.
Но чем, с точки зрения физики, отличаются музыкальные звуки от шума и почему такими непохожими между собой могут быть музыкальные звуки?
Опыт 4. Возьмем камертон (нем. kammerton — «гребень») и ударим по одной из его ножек шариком (рис. 220, а). Мы услышим музыкальный звук «ля» частотой 440 Гц. Постепенно вследствие затухания колебаний ножек звук ослабевает. Следовательно, звуковая волна возбуждается колеблющимися ножками камертона. Характер этих колебаний можно установить, если прикрепить к ножке камертона иглу и провести ею с постоянной скоростью по поверхности закопченной стеклянной пластинки. На пластинке появится линия (рис. 220, б). Говорят, что ножки камертона колеблются гармонично.
Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называют музыкальным тоном, или тоном.
Музыкальные тоны отличаются на слух громкостью и высотой.
Громкость звука зависит от разности давлений, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Например, чем сильнее удар молоточка по камертону, тем громче он звучит, поскольку сильный удар является причиной возникновения колебаний большей амплитуды.
Громкость звука зависит от разности давлений, амплитуды и частоты звуковых колебаний.
О звуках разной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц. Единицей громкости звука является один децибел (1 дБ). Названа в честь американского ученого Александра Грейама Белла - изобретателя телефона и слуховых аппаратов для глухих.
Громкость звука шелеста листвы составляет 10 дБ, шепота - 20 дБ, уличного шума — 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ чувствуется кожей и вызывает болевые ощущения (рис. 221).
ЭТО ИНТЕРЕСНО ЗНАТЬ
Самым громким в мире животных является голубой кит. Он может издавать звуки громкостью 188 дБ, которые слышны на расстоянии до 850 км.
Чувствительность уха зависит от частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд кажутся неодинаково громкими, если их частоты разные. Наше ухо наиболее чувствительно к колебаниям частотой около 3500 Гц.
Громкость звука измеряют специальным прибором - сонометром (рис. 222).
Опыт 5. Возьмем несколько камертонов разных размеров. Поочередно заставим их звучать и каждый раз иглой, прикрепленной к ножке камертона, будем проводить вдоль закопченной пластинки, как это показано на рисунке 220, б. Сравнивая полученные результаты, мы замечаем: чем выше звук камертона, тем меньше период колебаний и, соответственно, больше частота колебаний ножек камертона.
Высота звука зависит от частоты колебаний.
То же можно наблюдать на примере колеблющейся струны. Натягивая струну гитары или скрипки, мы увеличиваем частоту колебаний - и высота звука увеличивается.
Графики звуковых колебаний, создающихся звучащими камертонами, например камертона «ля» (440 Гц), или музыкальными инструментами, можно наблюдать с помощью компьютера (рис. 223) или осциллографа (рис. 224).
А что же такое шум? Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная частота колебаний и, следовательно, определенная высота звука.
Шум — это совокупность колебаний всевозможных частот.
Какой вид имеют эти колебания, также можно увидеть, используя микрофон и компьютер или осциллограф.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Что изучает акустика?
2. Какие колебания называют звуковыми, или акустическими?
3. Как возникают звуковые волны?
4. Где могут распространяться звуковые волны?
5. Как можно определить скорость распространения звуковых волн?
6. От чего зависит скорость распространения звуковых волн?
7. Пользуясь таблицей (с. 105), определите, в каком веществе скорость распространения звука наименьшая; наибольшая.
8. Какие основные виды звуков вы знаете?
9. Что такое тон? Что такое шум?
10. От чего зависит громкость звука? Высота звука?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк