Звук


Хвилі на поверхні води або на гумовому шнурі можна безпосередньо побачити. У прозорому середовищі — повітрі або рідини — невидимі хвилі. Але при певних умовах їх зате можна чути.

Збудження звукових хвиль

Якщо довгу сталеву лінійку затиснути в лещатах або щільно притиснути до краю столу, то, відхиливши кінець лінійки від положення рівноваги, ми порушимо її коливання (рис. 6.14, а). Але ці коливання не будуть сприйматися нашим вухом. Проте, якщо вкоротити виступаючий кінець лінійки (рис. 6.14, б), то ми виявимо, що лінійка почне звучати. Справа тут ось в чому.

Пластина в ході коливань вздовж нормалі до неї стискає прилеглий до однієї з її сторін шар повітря і одночасно створює розрідження з іншого боку. Ці стиснення і розрідження чергуються в часі та поширюються у обидві сторони у вигляді пружних поздовжніх хвиль. Одна з них досягає нашого вуха і викликає поблизу нього періодичні коливання тиску, які впливають на слуховий апарат. Вухо людини сприймає у вигляді звуку коливання, частота яких лежить в межах від 17 до 20 000 Гц. Такі коливання називаються акустичними. Акустика — це вчення про звук. Чим коротше виступаючий кінець лінійки, тим більше частота його коливань. Тому ми й починаємо чути звук, коли виступаючий кінець сталевої лінійки стає досить коротким.

Будь-яке тіло (тверде, рідке або газоподібне), нестійке зі звуковою частотою, створює в навколишньому середовищі звукову хвилю.

Звукові хвилі в різних середовищах

Найчастіше звукові хвилі досягають наших вух по повітрю. Досить рідко ми опиняємося зануреними цілком, разом з вухами, у воду. Але, звичайно, повітря не має яких-небудь особливих переваг в порівнянні з іншими середовищами в сенсі можливості поширення в ньому звукових хвиль. Звук поширюється у воді і твердих тілах. Пірнувши з головою під час купання, ви можете почути звук, наприклад, від удару двох каменів, виробленого у воді на великій відстані (рис. 6.15).

Добре проводить звук земля. Російський історик Н. М. Карамзін повідомляє, що Дмитро Донський перед Куликівської битвою, приклавши вухо до землі, почув тупіт копит кінноти противника, коли вона ще не була видна.

Якщо піднести впритул до вуха кінець довгої дерев’яної лінійки і злегка постукати по іншому її кінці ручкою, то буде чітко чутний звук. Відсунувши ж лінійку трохи від вуха, ви виявите, що звук майже перестає бути чутним.

У вакуумі звукові хвилі поширюватися не можуть. Для доказу цього можна, наприклад, електричний дзвінок помістити під купол повітряного насоса (рис. 6.16). У міру того, як тиск повітря під куполом зменшується, звук буде слабшати до тих пір, поки не припиниться зовсім.

Погано проводять звук такі матеріали, як повсть, пористі панелі, пресована пробка і т. д. Ці матеріали використовують для звукоізоляції, тобто для захисту приміщень від проникнення в них сторонніх звуків.


Значення звуку

Для того, щоб ми могли впевнено орієнтуватися в світі, наш мозок повинен мати інформацію про те, що відбувається навколо нас. Зір і слух грають в цьому головну роль. Дотик, нюх і смакові відчуття менш істотні.

Звичайно, найбільшу кількість інформації ми отримуємо за допомогою світла. Випущене джерелами (сонцем, лампою і т. д.) світло відбивається від оточуючих предметів і, потрапляючи в око, дозволяє нам судити про їх стан та рух. Багато предметів світяться самі.

Відбиті від предметів звукові хвилі або хвилі, що випускаються предметами які звучать, також дають нам відомості про навколишній світ. Але головне — це мова. Ми створюємо і сприймаємо звукові хвилі і тим самим спілкуємося один з одним.

Прослуховуючи з допомогою спеціальних пристроїв, наприклад медичного фонендоскопа, звуки в організмі, можна одержувати важливі відомості про роботу серця та інших внутрішніх органів.

Швидкість звуку

Звукові хвилі, подібно всім іншим хвилям, поширюються з кінцевою швидкістю. Виявити це можна так. Світло поширюється з величезною швидкістю 300 000 км/с. Тому спалах від пострілу майже миттєво досягає очей. Звук пострілу приходить з помітним запізненням. Те ж саме можна помітити, спостерігаючи з великої відстані гру в футбол. Ви бачите удар по м’ячу, а звук від удару приходить через деякий час. Всі, ймовірно, помічали, що спалах блискавки передує звуку грому. Якщо гроза далеко, то час запізнювання грому досягає декількох десятків секунд. Нарешті, через кінцеву швидкість звуку з’являється ехо. Ехо — це звукова хвиля, відбита від узлісся, крутого берега, будівлі і т. д.

Швидкість звуку в повітрі при 0 °С дорівнює 331 м/с. Це досить велика швидкість. Лише зовсім недавно літаки почали літати зі швидкостями, що перевищує швидкість звуку.

Швидкість звуку в повітрі не залежить від його щільності. Вона приблизно дорівнює середній швидкості теплового руху молекул і, подібно їй, пропорційна кореню квадратному з абсолютної температури. Чим більше маса молекул газу, тим менше швидкість звуку в ньому. Так, при 0 °С швидкість звуку у водні 1270 м/с, а у вуглекислому газі 258 м/с.

В рідині швидкість звуку більше, ніж в газі. Вперше швидкість звуку у воді була виміряна у 1827 р. на Женевському озері в Швейцарії. На одному човні підпалювали порох і одночасно били в підводний дзвін (рис. 6.17, а). Інший човен знаходився на відстані 14 км від першого. Звук дзвону вчувався за допомогою рупора, опущеного у воду (рис. 6.17, б). По різниці часу між спалахом світла і приходом звукового сигналу визначили швидкість звуку. При температурі 8 °С швидкість звуку у воді дорівнює 1435 м/с.

У твердих тілах швидкість звуку ще більше, ніж в рідинах. Наприклад, у сталі швидкість звуку при 15 °С дорівнює 4980 м/с. Те, що швидкість звуку в твердому тілі більше, ніж у повітрі, можна виявити так. Якщо ваш помічник вдарить по одному кінці рейки, а ви прикладете вухо до іншого кінця, то будуть чутні два удари. Спочатку звук досягає вуха по рейках, а потім по повітрю.

По відомій частоті коливань і швидкості звуку в повітрі можна обчислити довжину звукової хвилі. Найдовші хвилі, що сприймаються вухом людини, мають довжину хвилі λ ≈ 19 м, а найкоротші — довжину хвилі λ ≈ 17 мм.

Коливання зі звуковою частотою (17-20 000 Гц) створюють в навколишньому середовищі звукову хвилю, швидкість якої залежить від властивостей середовища і температури.