Звуковая волна — это механическая продольная волна определенной частоты. В статье мы разберемся, что такое продольные и поперечные волны, почему не каждая механическая волна является звуковой. Узнаем скорость волны и то, на каких частотах возникает звук. Выясним, одинаков ли звук в разных средах и научимся находить его скорость по формуле.
Появление волны
Представим водную гладь, например пруд в тихую погоду. Если бросить камень, то на поверхности воды мы увидим расходящиеся от центра круги. А что будет, если мы возьмем не камень, а мяч и будем приводить его в колебательное движение? Круги будут постоянно порождаться колебаниями мяча. Мы увидим примерно то же, что изображено на компьютерной анимации.
Если на некотором расстоянии от мяча мы опустим поплавок, то он тоже будет колебаться. Когда колебания с течением времени расходятся по пространству, этот процесс называется волной.
Для изучения свойств звука (длины волны, скорости волны и др.) подходит известная игрушка «Радуга», или Happy Rainbow.
Растянем пружинку, дадим ей успокоиться и резко встряхнем движением вверх-вниз. Мы увидим, что появилась волна, которая побежала по пружинке, а затем вернулась обратно. Это значит, что она отразилась от препятствия. Мы наблюдали, как волна распространялась по пружинке с течением времени. Частицы пружинки двигались вверх-вниз по отношению к своему равновесию, а волна бежала влево-вправо. Такая волна называется поперечной. В ней направление ее распространения перпендикулярно направлению колебания частиц. В нашем случае средой распространения волны была пружинка.
Теперь растянем пружинку, дадим ей успокоиться и дернем вперед-назад. Мы увидим, что витки пружинки сжимаются вдоль нее. Волна бежит в этом же направлении. В одном месте пружинка более сжата, в другом более растянута. Такая волна называется продольной. Направление колебания ее частиц совпадает с направлением распространения.
Представим плотную среду, например, твердое тело. Если мы будем деформировать его сдвигом, возникнет волна. Она появится, благодаря действующим только в твердых телах силам упругости. Эти силы играют роль возвращающих и порождают упругую волну.
Деформировать сдвигом жидкость не получится. В газах и жидкостях поперечная волна распространяться не может. Другое дело - продольная: она распространяется во всех средах, где действуют силы упругости. В продольной волне частицы то сближаются, то удаляются, а сама среда сжимается и разреживается.
Многие думают, что жидкости несжимаемы, однако это не так. Если надавить на поршень шприца с водой, она немного сожмется. В газах тоже возможна деформация сжатия-растяжения. При нажатии на поршень пустого шприца воздух сжимается.
Скорость и длина волны
Вернемся к анимации, которую мы рассматривали в начале статьи. Выберем произвольную точку на одном из расходящихся от условного мяча кругов и проследим за ней. Точка удаляется от центра. Скорость, с которой она перемещается, — это скорость движения гребня волны. Можем сделать вывод: одна из характеристик волны — это скорость волны.
На анимации видно, что гребни волны располагаются на одинаковом расстоянии. Это и есть длина волны - еще одна ее характеристика. Чем чаще волны, тем меньше их длина.
Почему не всякая механическая волна является звуковой
Возьмем алюминиевую линейку.
Она упругая, поэтому подойдет для опыта. Положим линейку на край стола и прижмем рукой так, чтобы она сильно выступала. Надавим на ее край и резко отпустим — свободная часть начнет вибрировать, но звука при этом не будет. Если выдвинуть линейку только чуть-чуть, то колебания короткого края создадут звук.
Что показывает этот опыт? Он демонстрирует, что звук возникает только тогда, когда тело движется достаточно быстро, когда скорость волны в среде высока. Введем еще одну характеристику волны — частоту. Эта величина показывает, сколько колебаний в секунду совершает тело. Когда мы создаем в воздухе волну, то звук возникает при определенных условиях — при достаточно большой частоте.
Важно понимать, что звук — это не волна, хотя он и имеет отношение к механическим волнам. Звук — это ощущение, которое возникает при попадании в ухо звуковых (акустических) волн.
Вернемся к линейке. Когда выдвинута большая часть, то линейка колеблется и не издает звук. Создается ли при этом волна? Конечно, но это механическая волна, а не звуковая. Теперь можно дать определение звуковой волне. Это механическая продольная волна, частота которой находится в диапазоне от 20 Гц до 20 тыс. Гц. Если частота меньше 20 Гц или больше 20 КГц, то мы ее не услышим, хотя колебания и возникнут.
Источник звука
Источником акустических волн может быть любое колеблющееся тело, для этого только нужна упругая среда, например, воздух. Вибрировать может не только твердое тело, но и жидкость, и газ. Воздух как смесь нескольких газов может быть не только средой распространения — он сам способен порождать акустическую волну. Именно его колебания лежат в основе звучания духовых инструментов. Флейта или труба не колеблются. Это воздух разреживается и сжимается, придает определенную скорость волне, в результате чего мы слышим звук.
Распространение звука в разных средах
Мы выяснили, что звучат разные вещества: жидкие, твердые, газообразные. То же самое касается способности проводить акустическую волну. Звук распространяется в любой упругой среде (жидкой, твердой, газообразной), кроме вакуума. В безвоздушном пространстве, допустим на Луне, мы не услышим звука вибрирующего тела.
Большая часть звуков, воспринимаемых человеком, распространяется в воздухе. Рыбы, медузы слышат акустическую волну, расходящуюся по воде. Мы, если нырнем под воду, тоже услышим шум проплывающей рядом моторной лодки. Причем длина волны и скорость волны будут выше, чем в воздухе. Это значит, что звук мотора первым услышит человек, плавающий с аквалангом под водой. Рыбак, который в этом же месте сидит в своей лодке, услышит шум позже.
В твердых телах звук распространяется еще лучше, а скорость волны - выше. Если приложить твердый предмет, особенно из металла, к уху и постучать по нему, будет очень хорошо слышно. Еще один пример — это собственный голос. Когда мы впервые слышим свою речь, предварительно записанную на диктофон или из видео, голос кажется чужим. Почему так происходит? Потому что в жизни мы слышим не столько звуковые колебания из своего рта, сколько колебания волн, проходящих по костям нашего черепа. Звук, отраженный от этих препятствий, несколько меняется.
Скорость звука
Скорость звуковой волны, если рассматривать один и тот же звук, будет неодинаковой в разных средах. Чем плотнее среда, тем быстрее звук достигает нашего уха. Поезд может ехать так далеко от нас, что стук колес будет еще не слышен. Однако если приложить ухо к рельсам, мы отчетливо услышим гул.
Это говорит о том, что в твердых телах звуковая волна бежит быстрее, чем в воздухе. На рисунке представлены значения скорости звука в разных средах.
Уравнение волны
Скорость, частота и длина волны взаимосвязаны. У тел, которые вибрируют с высокой частотой, волна короче. Низкочастотные звуки слышны на большем расстоянии, потому что у них длиннее волна. Существует два уравнения волны. Они иллюстрируют взаимозависимость характеристик волны друг от друга. Зная любые две величины из уравнений, можно вычислить третью:
с = ν × λ,
где с — скорость, ν — частота, λ — длина волны.
Второе уравнение акустической волны:
с = λ / Т,
где Т — это период, т. е. время, за которое тело совершает одно колебание.
