«Звуковые волны» Шарафутдиновой Ольги, 9 «Б» класс учебный год г. Санкт-Петербург

Звуковая волна (или звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). В результате каких-либо возмущений (например, колебаний гитарной струны) возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так по цепочке происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Как же можно получить звук? Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование голосовых связок, динамиков или камертона. Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты, в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте. Для создания когерентного звука применяются так называемые звуковые или фононные лазеры (генераторы звуковых волн определённой частоты).

Звуковые волны способны распространяться в твёрдой, жидкой, газообразной средах. В безвоздушном пространстве звук не распространяется, в чём можно убедиться на простом опыте. Поместим электрический звонок под колокол воздушного насоса. Пока воздух не выкачан из колокола, звук звонка слышен, но если начать выкачивать воздух из- под колокола, звук начнёт слабеть, и когда он весь будет выкачан, звонок будет неслышимым. Если снова пустить воздух под колокол, то мы опять услышим звон.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Все живые существа способны воспринимать волны иных частот. Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 1620 Гц до 1520 к Гц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, ультразвуком, от 1 ГГц гиперзвуком.

Практическое использование ультразвука достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. На основе инфразвука создано инфразвуковое оружие, действующее на нервные образования головного мозга, органы эндокринной системы и внутренние органы.

Какими же свойствами обладает звук? Высота звука – одно из свойство звука, определяемое частотой колебаний (числом колебаний среды в секунду), воздействующее обычно на барабанную перепонку. С увеличением частоты колебаний растёт высота звука. Единицами измерения высоты звука в музыке являются тон, полутон, цент. Звуки человеческого голоса по высоте делят на несколько диапазонов: бас – 80–350 Гц, баритон – 110–149 Гц, тенор – 130–520 Гц, дискант – 260–1000 Гц, сопрано – 260–1050 Гц, колоратурное сопрано – до 1400 Гц.

Скорость тоже является свойством звуковых волн. Распространение колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В газах звук распространяется медленнее, чем в жидкостях, а в жидкостях медленнее, чем в твердых телах. Чем выше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке- 50, в воздухе- 330, в воде- 1450, а в стали метров в секунду. На скорость распространения звука оказывает влияние состояние одной и той же среды. Например, возьмём сталь. В ней скорость звука зависит как от температуры, так и от её качественного состава : чем больше в ней углерода, тем она твёрже, тем звук в ней распространяется быстрее.

Величина, характеризующая слуховое ощущение для данного звука, называется громкостью звука. Она зависит главным образом от звукового давления (или интенсивности звука), частоты и амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости. На практике громкость измеряют в децибелах (дБ). Например, шёпот равен 10 дБ, разговор средней громкости – 50 дБ. Звук в 130 дБ является порогом болевого ощущения. При громкости свыше 180 дБ возможен разрыв барабанной перепонки.

С звуковыми волнами также связаны некоторые физические явления. Одно из этих явлений – эхо. Эхо заключается в принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны. Звуковое эхо отражённый звук, воспринимаемый отдельно от произнесённого. Так как при отражении звуковая волна теряет энергию, то звуковая волна от более сильного источника звука сможет отразиться от поверхностей (например стоящих друг напротив друга домов или стен) много раз, проходя через одну точку, что вызовет многократное эхо (такое эхо можно наблюдать от грома).

Существует способ, помогающий определить положение объекта по времени задержки возвращений отражённой волны, называемый эхолокацией.

Ещё одним из подобных физических явлений, связанных со звуковыми волнами, является звуковой резонанс. Основными составляющими любой колебательной системы, которые имеют вес в достижении явления резонанса, главным образом являются частота и амплитуда. Само же по себе явление резонанса возникает при совпадении частоты системы либо объекта воздействия и вынуждающих колебаний. Хорошим опытом со звуковым резонансом так же можно считать опыты с камертонами, имеющими одинаковую внутреннюю частоту колебательной системы. Скажем если ударить один из таких камертонов молоточком, а после прекратить его звучание скажем, зажав пальцами, мы продолжим слышать звучание второго камертона, хотя к нему мы не прикладывали никаких механических воздействий.

Звуковой резонанс является довольно опасным явлением, как в общем и любой другой резонанс, так как звуковые вибрации могут воздействовать на колебательные системы многих тел, то есть амплитуда колебательной системы может настолько возрасти, что выходит за границу допустимого значения самой системы, что объясняет разрушение объекта. Примером служит случай, произошедший середине XIX века близ города Анжур во Франции, где по мосту проходил отряд солдат. Внезапно мост стал раскачиваться и рухнул. Позже выяснилось, что мост срезонировал на частоту солдатского шага. Иначе говоря, солдаты, идущие в ногу, раскачали мост, подобно тому, как ребенок раскачивает качели. Размах колебаний моста превысил допустимые пределы прочности и мост разрушился. Погибли 226 человек.

Похожий случай обрушения моста из-за явления резонанса произошёл и в Петербурге в 1905 году с Египетским мостом. По нему проходил эскадрон гвардейской кавалерии, навстречу ему двигались 11 саней с возницами. В этот момент мост рухнул на лёд Фонтанки Обошлось без человеческих жертв.

Не стоит забывать о том, что звуковые волны могут взаимодействовать друг с другом, а именно – их действие может суммироваться. Явление сложения в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией. Проще говоря, происходит усиление или ослабление звука.