Физика. 11 класс

Звуковые волны (звук) окружают человека с первых дней его жизни. Звуки позволяют людям общаться между собой, выражать эмоции, наслаждаться музыкальными шедеврами. Как это происходит? Каковы основные свойства звуковых волн?

Упругие волны, вызывающие у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком. Человеческое ухо воспринимает в виде звуковых ощущений колебания от 16 до 20 000 Гц.
Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.
Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом (рис. 41):

инфразвук (ν < 16 Гц) ; слышимый человеком звук (16 Гц  < ν < 2,0 Гц); ультразвук (); гиперзвук ().

Звуки (звуковые волны) приносят человеку жизненно важную информацию — с их помощью мы общаемся, наслаждаемся музыкой, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

Что представляет собой звук и каким образом он возникает?
Рассмотрим в качестве источ­ни­ка звука барабан (рис. 42). Де­фор­мированная в результате удара мем­брана барабана будет совершать колебания с некоторой частотой. В результате этого мембрана создает попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ней области воздуха, и образуется продольная волна, которая распространяется в воздухе с течением времени.

Наглядную информацию о звуковой волне в некоторый момент времени дает график зависимости плотности воздуха от координаты (рис. 43). Горбы на этом графике соответствуют сжатию, а впадины — разряжению воздуха. В процессе распространения звуковой волны с течением времени изменяются такие характе­ристики среды, как плотность и давление (см. рис. 43).
Для распространения звуковых волн необходима среда с упругими свойствами. Они хорошо распространяются в упругих средах, таких как газ, жидкость, металлы, стекло, кристаллические материалы. Однако звуковые волны быстро затухают в пористых материалах (поролон, вой­лок, вата). Такие материалы используют для звукоизоляции. Лучшим изолятором звука является вакуум (пустота), так как результаты экспериментов показывают, что звуковые волны в пустоте (вакууме) не распространяются.
Основными физическими характеристиками звука являются интенсивность и спектральный состав (спектр).

Понятие интенсивность звука  характеризует энергию,  переносимую волной.  Интенсивность звука (I) равна энергии (W), переносимой волной за единицу времени () через поверхность площадью , расположенную перпендикулярно к направлению распространения волны . Другими словами, интенсивность звука равна мощности , переносимой волнами через поверхность единичной площади (), перпендикулярно к направлению распространения волны. 

В соответствии с определением единицей интенсивности в СИ является ватт на метр в квадрате (). 

Диаграмма восприятия звука ухом человека приведена на рисунке 43-1.

Интенсивность звука, улавливаемого ухом человека, лежит в огромных пределах: от   (порог слышимости) до  (порог болевого ощущения). Человек может слышать и более интенсивные звуки, но при этом он будет испытывать боль. Звуки еще большей интенсивности могут привести к травме.

Минимальная интенсивность, при которой ухо человека перестает воспринимать звук, называется порогом слышимости. Наиболее чувствительно наше ухо к волнам частотой примерно 3 кГц, так как при этой частоте интенсивности порядка  уже достаточно, чтобы ухо восприняло звук. А для того чтобы услышать звук на частоте 50 Гц, его интенсивность должна быть примерно в 100 000 раз больше, т. е. быть порядка .

Таким образом, для возникновения звуковых ощущений необходимо:

• наличие источника звука;
• наличие упругой среды между источником звука и ухом. При этом частота колебаний источника звука должна находиться в пределах 16—20 000 Гц;
• мощность звуковых волн должна быть достаточной для того, чтобы вызвать ощущение звука.
Еще одной основной характеристикой звука является его спектр. Спектром называется набор частот звуков различных колебаний, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.
Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.
Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.
По типу спектра звуки разделяются на музыкальные тона и шумы.
Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты. Спектр гармонического колебания представляет собой одну вертикальную линию (рис. 44).
Шум — совокупность множества разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т. п.) — представляет собой нало­жение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр) (рис. 45).

Физическим характеристикам звука соответствуют его субъективные характеристики, связанные с его восприятием ухом человека. Это обусловлено тем, что восприятие звука — процесс не только физический, но и физиологический. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей по-разному, в зависимости от чувствительности органов слуха.

Основными физиологическими характеристиками звука являются громкость, высота и тембр.
Громкость (степень слышимости звука) определяется как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц. 

Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.

Для музыкального звука (созвучия) основной тон соответствует наименьшей частоте (рис. 46). Все остальные тоны называют обертонами.

Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота.
По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, органа и флейты, голоса людей и т.д.

Таблица 3. Частота ν колебаний различных источников звука (табл. 3)

Источник звука	ν, Гц	Источник звука	ν, Гц
Мужской голос:	80-500	Орган	22-16000
бас	80-350	Флейта	260-15000
Баритон	100-400	Скрипка	260-15000
тенор	130-500	Арфа	30-15000
Женский голос:	170-1400	Барабан	90-14000
контральто	170-780	Контрабас	60-8000
меццо-сопрано	200-1000	Виолончель	70-8000
сопрано	250-1300	Труба	60-6000
колоратурное сопрано	260-1400	Саксофон	80-8000
		Рояль	90-9000

Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твердых телах (табл. 4).

Таблица 4. Скорость звука в различных средах

Среда		v,
Воздух	0	331
Воздух	20	343
Вода	20	1490
Глицерин	20	1920
Ртуть	20	1450
Лед	0	3280
Сталь	20	5050
Стекло	20	5300
Чугун	20	3850

Скорость звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально, , где Т — абсолютная температура. В воздухе скорость звука  при температуре t = 0 °C и   при температуре t = 20 °C. В жидкостях и металлах скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение — вода).

На основе музыкальных тонов создана музыкальная азбука — ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах. Интервал частот музыкальных звуков, на границах которого звуки по частоте отличаются в 2 раза, называют октавой (рис. 46). Музыкальный звук (созвучие) — результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов. Основной тон называется также первой гармоникой. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр (рис. 47). Многие животные могут воспринимать звуки ультразвуковых частот. Например, собаки могут слышать звуки до 50  000 Гц , а летучие мыши — 100  000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и другим морским животным ориентироваться в толще воды Отношение скорости движения объекта к скорости звука в среде, в которой перемещается объект, называется «числом Маха», названным в честь австрийского физика Эрнста Маха (1838—1916). Поэтому говорят, что объект, движущийся со скоростью звука, перемещается со скоростью в один мах. При этом все волновые поверхности звуковой волны концентрируются в одной точке (рис. 47-1, б). 14 декабря 1947 г. летательный аппарат впервые преодолел звуковой барьер (рис. 47-1, г).  Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией, а соответствующие приборы — эхолокаторами. Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образовано из начальных букв трех английских слов: sound — звук; navigation — навигация; range — дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой. Эхолокацию используют многие животные: китообразные (дельфины), летучие мыши, птицы гуахаро, гнездящиеся в глубоких пещерах Венесуэлы и на острове Тринидад, стрижи-салаганы, живущие в пещерах Юго-Восточной Азии. Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях, например УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека. Ультразвуковая дефектоскопия является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля. Он основан на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотами 0,5—25 кГц в контролируемых изделиях с использованием специальной аппаратуры —  ультразвукового преобразователя и дефектоскопа.