Как происходит распространения звука и куда он движется
Звук окружает нас повсюду. Но мало кто задумывается о том, как именно он появляется и распространяется в пространстве. Давайте разберемся!
Возникновение звука
Звук представляет собой упругую волну, распространяющуюся в упругой среде, например в газах, жидкостях или твердых телах. Для возникновения и передачи звука необходима материальная среда. В вакууме звук распространиться не может.
Рассмотрим пример. Когда вы стучите по столу, он начинает колебаться с определенной частотой. Эти колебания стол передает близлежащим молекулам воздуха, заставляя их тоже колебаться. Колебания молекул воздуха передаются дальше, пока не достигают нашего уха. Там они улавливаются барабанной перепонкой, преобразуются слуховым аппаратом и в виде нервных импульсов посылаются в мозг.
Таким образом, ударив по столу, мы запускаем распространение звука во всех направлениях от источника.
Громкость звука
На восприятие громкости звука влияет амплитуда колебаний источника. Чем сильнее мы ударим по столу, тем больше его амплитуда и громче получившийся звук.
Амплитуда колебаний определяет максимальное отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.
Большая амплитуда колебаний стола означает, что он передает окружающим молекулам воздуха бо́льшую энергию. Это в свою очередь приводит к увеличению амплитуды колебаний самих молекул, что мы и воспринимаем как более громкий звук.
Однако по мере удаления от источника громкость звука падает. Это связано с потерей энергии звуковой волной (так называемый эффект Доплера).
Скорость распространения звука
Любопытно, что скорость распространения звука не зависит ни от его громкости, ни от частоты. Все звуки в данной среде при определенной температуре движутся с одинаковой скоростью.
Зато скорость звука сильно меняется в зависимости от среды распространения:
- В газах - относительно медленно из-за их разреженной структуры;
- В жидкостях - быстрее;
- В твердых телах - еще быстрее благодаря их плотной упругой структуре.
Также на скорость звука влияет температура среды. Например, в воздухе при 0°С звук распространяется со скоростью 331 м/с, а при 20°С уже со скоростью 343 м/с.
Особенности распространения звуковых волн
Распространение звука подчиняется законам волновой физики. Рассмотрим схему распространения звука от колокола:
Здесь видно, что звук расходится концентрическими сферическими волнами. Каждая последующая волна (волновой фронт) находится на расстоянии, равном длине волны. Это расстояние определяется частотой колебаний источника звука.
Чем дальше от источника, тем слабее звуковые волны и тише звук. Это объясняется потерей энергии с расстоянием.
Свойства звуковых волн используются, например в гидролокации. Пучок ультразвука посылается в воду и отражается от морского дна, позволяя определить его рельеф.
Распространение звука в твердых телах
В твердых телах звук также распространяется посредством упругих волн. Однако здесь возможны колебания молекул не только вдоль направления распространения волны, но и перпендикулярно ему. Это объясняется наличием жесткой кристаллической решетки в твердом теле.
Благодаря этому скорость звука в твердых телах выше, чем в газах и жидкостях. К примеру, в стали она достигает 5900 м/с, а в алмазе - 18 000 м/с!
Принцип Гюйгенса
Важной особенностью распространения звука в трехмерном пространстве является так называемый принцип Гюйгенса. Согласно ему, звук не только доходит до наблюдателя, но и удаляется от него по мере распространения звуковой волны.
Это ключевое свойство позволяет нам различать звуки в пространстве, а не слышать какой-то невразумительный шум. Представьте, если бы принцип Гюйгенса не работал, мы бы одновременно улавливали звуки со всех возможных направлений!
История изучения распространения звука
Основы современных представлений о природе звука заложил в XVII веке голландский ученый Христиан Гюйгенс. Он выдвинул гипотезу о конечной скорости распространения света и звука и ввел понятие волн.
В XIX веке математики получили точные формулы для описания звуковых волн и открыли принцип Гюйгенса. А французский математик Жак Адамар сформулировал до сих пор нерешенную проблему: найти все возможные уравнения, подчиняющиеся этому принципу.
Защита органов слуха
Длительное воздействие громких звуков может негативно сказаться на слухе. Давайте разберемся, как правильно защитить свой слух.
Рекомендуемые нормы шума
Согласно нормам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), длительное воздействие звуков с уровнем громкости выше 80-85 дБ может привести к повреждению слуха.
Поэтому для жилых помещений рекомендуется поддерживать уровень шума не выше 30-35 дБ днем и 20-25 дБ ночью. На улицах и в общественных местах допустимый уровень шума может достигать 55-60 дБ.
Средства защиты органов слуха
Для защиты от вредного воздействия шума можно использовать:
- Специальные наушники, заглушки, беруши;
- Противошумные наушники и каски;
- Звукоизоляцию в помещениях;
- Активный шумоподавление (в наушниках).
Важно правильно подобрать средства защиты в зависимости от условий и потребностей. Например, обычные наушники не подходят для защиты на производстве.
Принцип работы музыкальных инструментов
Проследим связь между свойствами звуковых волн и принципом работы музыкальных инструментов.
Возьмем, к примеру, гитару. При щипке или ударе по струне она начинает колебаться с определенной частотой. Эти колебания через крепление струн передаются корпусу гитары, который также начинает вибрировать, излучая звуковые волны в окружающее пространство.
Частота колебаний струны определяет высоту тона. Изменяя длину струны прижатием ладов, можно менять частоту и тем самым высоту звучания ноты.