Фізіка. 11 клас

Гукавыя хвалі (гук) акружаюць чалавека з першых дзён яго жыцця. Гукі дазваляюць людзям мець зносіны паміж сабой, выказваць эмоцыі, атрымліваць асалоду ад музычных шэдэўраў. Як гэта адбываецца? Якія асноўныя ўласцівасці гукавых хваль?

Пругкія хвалі, якія выклікаюць у чалавека гукавыя адчуванні, называюцца гукавымі хвалямі або проста гукам. Чалавечае вуха ўспрымае ў выглядзе гукавых адчуванняў ваганні ад 16 да 20 000 Гц.
Раздзел фізікі, у якім вывучаюцца гукавыя з’явы, называецца акустыкай.
Гукавыя хвалі класіфікуюцца па частаце наступным чынам (мал. 41):

інфрагук  (ν < 16 Гц) ; чутны чалавекам гук (16 Гц  < ν < 2,0 Гц); ультрагук (); гіпергук ().

Гукі (гукавыя хвалі) прыносяць чалавеку жыццёва важную інфар­мацыю — з іх дапамогай мы маем зносіны, атрымліваем асалоду ад музыкі, пазнаём па голасе знаёмых людзей. Свет гукаў вакол нас разнастайны і складаны, аднак мы досыць лёгка арыентуемся ў ім і можам беспамылкова адрозніць спеў птушак ад шуму гарадской вуліцы.

Што ўяўляе сабой гук і якім чынам ён узнікае?
Разгледзім у якасці крыніцы гуку барабан (мал. 42). Дэфармаваная ў выніку ўдару мембрана барабана будзе выконваць ваганні з некаторай частатой. У выніку гэ­тага мембрана стварае папераменна сцісканне і разрэджванне ў прылеглай да яе вобласці паветра, і ўтвараецца падоўжная хваля, якая распаўсюджваецца ў паветры з цягам часу.

Наглядную інфармацыю аб гукавой хвалі ў некаторы момант часу дае графік за­лежнасці шчыльнасці павет­ра ад каардынаты (мал. 43). Гарбы на гэтым графіку адпавядаюць сцісканню, а ўпадзі­ны — разрэджванню паветра. У працэсе распаўсюджвання гукавой хвалі з цягам часу змяняюцца такія характарыстыкі асяроддзя, як шчыльнасць і ціск (гл. мал. 43).
Для распаўсюджвання гукавых хваль неабходна асяроддзе з пругкімі ўласцівасцямі. Яны добра распаўсюджваюцца ў пругкіх асяроддзях, такіх як газ, вадкасць, металы, шкло, крышталічныя матэрыялы. Аднак гукавыя хвалі хутка затухаюць у порыстых матэрыялах (паралон, лямец, вата). Такія матэрыялы выкарыстоўваюць для гукаізаляцыі. Найлепшым ізалятарам гуку з’яўляецца вакуум (пустата), паколькі вынікі эксперыментаў паказваюць, што гукавыя хвалі ў пустаце (вакууме) не распаўсюджваюцца.
Асноўнымі фізічнымі характарыстыкамі гуку з’яўляюцца інтэнсіў­насць і спектральны састаў (спектр).

Паняцце інтэнсіўнасць гуку характарызуе энергію, якую пераносіць гукавая хваля.  

Інтэнсіўнасць гуку (I) роўна энергіі (W), што пераносіцца хваляй за адзінку часу () праз паверхню плошчай , размешчаную перпендыкулярна да напрамку распаўсюджвання хвалі .

Інакш кажучы, інтэнсіўнасць гуку роўна магутнасці , якая пераносіцца хвалямі праз паверхню адзінкавай плошчы (), перпендыкулярна да напрамку распаўсюджвання хвалі.

У адпаведнасці з азначэннем, адзінкай інтэнсіўнасці ў СІ з’яўляецца ват на метр у квадраце ().

Дыяграма ўспрымання гуку вухам чалавека прыведзена на малюнку 43-1

Інтэнсіўнасць гуку, які ўспрымаецца вухам чалавека, змяняецца ў шырокіх межах: ад (парог чутнасці) да  (парог болевага адчування). Чалавек можа чуць і больш інтэнсіўныя гукі, але пры гэтым ён будзе адчуваць боль. Гукі яшчэ большай інтэнсіўнасці могуць прывесці да траўмы.
Мінімальная інтэнсіўнасць, пры якой вуха чалавека перастае ўспрымаць гук, называецца парогам чутнасці. Найбольш адчувальнае наша вуха да хваль частатой прыкладна 3 кГц, паколькі пры гэтай частаце інтэнсіўнасці каля  ужо дастаткова, каб вуха ўспрыняла гук. А для таго каб пачуць гук на частаце 50 Гц, яго інтэнсіўнасць павінна быць прыкладна ў 100 000 разоў большай, г. зн. каля 

Такім чынам, для ўзнікнення гукавых адчуванняў неабходна:
• наяўнасць крыніцы гуку;
• наяўнасць пругкага асяроддзя паміж крыніцай гуку і вухам. Пры гэтым частата ваганняў крыніцы гуку павінна знаходзіцца ў межах 16—20 000 Гц;
• магутнасць гукавых хваль павінна быць дастатковай для таго, каб выклікаць адчуванне гуку.

Яшчэ адной асноўнай характарыстыкай гуку з’яўляецца яго спектр. Спектрам называецца набор частот гукавых ваганняў, якія ўтва­раюць дадзены гукавы сігнал. Спектр можа быць суцэльным або дыскрэтным.
Суцэльны спектр азначае, што ў дадзеным наборы прысутнічаюць хвалі, частоты якіх запаўняюць увесь зададзены спектральны дыяпазон.
Дыскрэтны спектр азначае наяўнасць канчатковага ліку хваль з пэўнымі частотамі і амплітудамі, якія ўтвараюць разглядаемы сігнал.
Па тыпу спектра гукі падзяляюцца на музычныя тоны і шумы.
Музычны тон ствараецца перыядычнымі ваганнямі цела, якое гучыць (камертон, струна), і ўяўляе сабой гарманічнае ваганне адной частаты. Спектр гарманічнага вагання ўяўляе сабой адну вертыкальную лінію (мал. 44).
Шум — сукупнасць мноства разнастайных кароткачасовых гукаў (хрусценне, шолах, шоргат, грук і да т. п.) — уяўляе сабой накладанне вялікага ліку ваганняў з блізкімі амплітудамі, але рознымі частотамі (мае суцэльны спектр) (мал. 45).

Фізічным характарысты­кам гуку адпавядаюць яго суб’ектыўныя характа­рысты­кі, звязаныя з яго ўспрыманнем вухам чалавека. Гэта абумоўлена тым, што ўспрыманне гуку — працэс не толькі фізічны, але і фізіялагічны. Вуха чалавека ўспрымае гукавыя ваганні пэўных частот і інтэнсіўнасцей па-рознаму, у залежнасці ад адчувальнасці органаў слыху.

Асноўнымі фізіялагічнымі характарыстыкамі гуку з’яўляюцца гучнасць, вышыня і тэмбр.
Гучнасць (ступень чутнасці гуку) вызначаецца як інтэнсіўнасцю гуку (амплітудай ваганняў у гукавой хвалі), так і рознай адчувальнасцю вуха чалавека на розных частотах. Найбольшую адчувальнасць чалавечае вуха мае ў дыяпазоне частот ад 1000 да 5000 Гц.
Вышыня гуку вызначаецца частатой гукавых ваганняў, якія маюць найбольшую інтэнсіўнасць у спектры.

Для музычнага гуку (сугучнасці) асноўны тон адпавядае найменшай частаце (мал. 46). Усе астатнія тоны называюць абертонамі.

Тэмбр (адценне гуку) залежыць ад таго, колькі абертонаў далучаецца да асноўнага тону і якая іх інтэнсіўнасць і частата.
Па тэмбры мы лёгка адрозніваем гукі скрыпкі і раяля, аргана і флейты, галасы людзей (табл. 3) і г. д.

Табліца 3. Частата n ваганняў розных крыніц гуку

Крыніца гуку	ν, Гц	Крыніца гуку	ν, Гц
Мужчынскі голас:	80-500	Арган	22-16000
бас	80-350	Флейта	260-15000
барытон	100-400	Скрыпка	260-15000
тэнар	130-500	Арфа	30-15000
Жаночы голас:	170-1400	Барабан	90-14000
кантральта	170-780	Кантрабас	60-8000
меца-сапрана	200-1000	Віяланчэль	70-8000
сапрана	250-1300	Труба	60-6000
каларатурнае сапрана	260-1400	Саксафон	80-8000
		Раяль	90-9000

Скорасць гуку залежыць ад пругкіх уласцівасцей, шчыльнасці і тэмпературы асяроддзя. Чым больш пругкія сілы, тым хутчэй перадаюцца ваганні часціц суседнім часціцам і тым хутчэй распаўсюджваецца хваля. Таму скорасць гуку ў газах меншая, чым у вадкасцях, а ў вадкасцях, як правіла, меншая, чым у цвёрдых целах (табл. 4).

Табліца 4. Скорасць гуку ў розных асяроддзях

Асяроддзе		v,
Паветра	0	331
Паветра	20	343
Вада	20	1490
Гліцэрына	20	1920
Ртуць	20	1450
Лёд	0	3280
Сталь	20	5050
Шкло	20	5300
Чыгун	20	3850

Скорасць гуку ў ідэальных газах з ростам тэмпературы расце прапарцыянальна  дзе Т — абсалютная тэмпература. У паветры скорасць гуку   пры тэмпературы t = 0 °C і   пры тэмпературы t = 20 °C. У вадкасцях і металах скорасць гуку, як правіла, памяншаецца з ростам тэмпературы (выключэнне — вада).

На аснове музычных тонаў створана музычная азбука — ноты (до, рэ, мі, фа, соль, ля, сі), якія дазваляюць прайграваць адну і тую ж мелодыю на розных музычных інструментах. Інтэрвал частот музычных гукаў, на межах якога гукі па частаце адрозніваюцца ў 2 разы, называюць актавай (гл. мал. 46). Музычны гук (сугучча) — вынік накладання некалькіх музычных тонаў, якія гучаць адначасова. Асноўны тон называецца таксама першай гармонікай. Абертоны называюцца гарманічнымі, калі частоты абертонаў кратны частаце асноўнага тону. Такім чынам, музычны гук мае дыскрэтны спектр (мал. 47). Многія жывёлы могуць успрымаць гукі ультрагукавых частот. Напрыклад, сабакі могуць чуць гукі да 50  000 Гц, а кажаны — да 100  000 Гц. Інфрагук, які распаўсюджваецца ў вадзе на сотні кіламетраў, дапамагае кі­там і многім іншым марскім жывёлам арыентавацца ў тоўшчы вады. Адносіна скорасці руху аб’екта да скорасці гуку ў асяроддзі, у якім рухаецца аб’ект, называецца «лікам Маха» ў гонар аўстрыйскага фізіка Эрнста Маха (1838—1916). Таму гавораць, што аб’ект, які рухаецца са скорасцю гуку, перамяшчаецца са скорасцю ў 1 мах. Пры гэтым усе хвалевыя паверхні гукаовй хвалі канцэнтруюцца ў адным пункце (мал. 47-1, б). 14 снежня 1947 г. лятальны апарат упершыню пераадолеў гукавы бар’ер (мал. 47-1, г). Спосаб арыентацыі або даследавання навакольных аб’ектаў, заснаваны на вывучэнні ўльтрагукавых імпульсаў з наступным успрыманнем адбітых імпульсаў (рэха) ад розных аб’ектаў, называецца рэхалакацыяй, а адпаведныя прылады — рэхалакатарамі. Рэхалакатары, якія выкарыстоўваюцца пад вадой, называюцца гідралакатарамі або санарамі (назва sonar утворана з пачатковых літар трох англійскіх слоў: sound — гук; navigation — навігацыя; range — дальнасць). Санары незаменныя пры даследаваннях марскога дна (яго профілю, глыбіні), для выяўлення і даследавання розных аб'ектаў, якія рухаюцца глыбока пад вадой. Рэхалакацыю выкарыстоўваюць многія жывёлы: кітападобныя (дэльфіны), кажаны, птушкі гуахаро, якія гняздуюць у глыбокіх пячорах Венесуэлы і на востраве Трынідад, стрыжы-салаганы, якія жывуць у пячорах Паўднёва-Усходняй Азіі. Хвалі ўльтрагукавых частот шырока выкарыстоўваюцца ў медыцыне ў дыягнастычных мэтах, напрыклад УГД-сканеры дазваляюць даследаваць ўнутраныя органы чалавека. Ультрагукавая дэфектаскапія з'яўляецца адным з самых распаўсюджаных метадаў неразбуральнага кантролю. Ён заснаваны на даследаванні працэсу распаўсюджвання ўльтрагукавых ваганняў з частотамі 0,5—25 кГц у кантралюемых вырабах з выкарыстаннем спецыяльнай апаратуры — ультрагукавога пераўтваральніка і дэфектаскопа.