Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
У вестернах часто зустрічається персонаж-індіанець, який, приклавши вухо до землі, може визначити, як далеко перебувають його супротивники. Він чує вібрацію землі, викликану копитами коней. Подібним чином ми виробляємо та сприймаємо звуки, здійснюючи та приймаючи коливання молекул повітря.
Коли ви чуєте термін "звук" або "звукова хвиля" , ви, звичайно, розумієте, про що йдеться. У цій статті ви дізнаєтеся, що таке звук насправді і як ви сприймаєте навколишній світ своїми вухами.
Звук - це хвиля.Ці звукові хвилі досягають вашого вуха і дозволяють вам сприймати звуки та шуми через систему «вухо-мозок». Як правило, існує дві відмінності: корисний звук та звук перешкод. Корисний звук включає музику або голоси під час дзвінка. Звук перешкод включає, наприклад, шум будівельного майданчика або шум транспорту.
У фізиці звук – це вібрація. Ця вібрація поширюється як механічна хвиля (також акустична хвиля) серед. Таким середовищем є, наприклад, повітря. Але ви, мабуть, також чули звуки під водою чи крізь стіни. Звукові хвилі в повітрі виникають через коливання тиску та щільності.
Мал. 1. Людина видає звукові хвилі
Що таке звук (звукова хвиля)?
Якась подія, наприклад, вимовлення слів, змушує повітря вібрувати. Потім це збудження поширюється як хвильового руху. Крім повітря, збуджуватися можуть і інші пружні середовища, наприклад, вода.
Отже, звук - це коливальне рух частинок пружного середовища, яке поширюється від джерела звуку у вигляді хвиль у різних середовищах.
Можна дати й інше визначення:
Звук - це механічна хвиля, що розповсюджується в просторі через зміну тиску і щільність повітря.
Необхідною умовою поширення звукових хвиль є наявність пружного середовища. Якщо навколо джерела звуку немає пружного середовища, звук не поширюватиметься. Наприклад, у вакуумі механічні хвилі не можуть поширюватися.
Швидкість звуку
Звукова хвиля, як і будь-які інші механічні хвилі, поширюється в просторі не миттєво, а з певною швидкістю. Швидкість поширення звуку в різних середовищах має різні значення.
Швидкість звуку значною мірою залежить від середовища, його температури та тиску.У сухому повітрі за температури 20 °C швидкість звуку становить 1236 км/год (343,2 м/с метрів на секунду). У наведеній нижче таблиці наведено деякі довідкові значення швидкості звуку в різних середовищах.
| Середа | Швидкість у м/с |
| Повітря | 343 |
| Водяна пара (при 100 °C) | 477 |
| Вода | 1484 |
| Вода (при 0 °C) | 1407 |
| Морська вода | 1500 |
У нашій статті про швидкість звуку ми пояснили, як швидко поширюється звук у різних речовинах. Тут важливу роль відіграють властивості твердих тіл, рідин або газів.
Властивості та характеристики звуку
Оскільки звук - це механічна хвиля, він також має властивості хвилі, такі як частота та інтенсивність. Однак середовище, через яке воно передається, також надає їй своїх властивостей.
Тут ми розглянемо загальні властивості звуку повітря. Як правило, їх можна переносити і на інші гази та рідини. Хвилі у повітрі чи інших газах також називаються поздовжніми хвилями. Вони коливаються у напрямі поширення хвилі. Навпаки, існують поперечні хвилі, що виникають, наприклад, у деяких твердих тілах. Їх коливання перпендикулярні до напряму поширення.
Як виникає звук?
Звук створюється джерелами звуку. Джерело звуку – це все, що змушує повітря вібрувати. Таким джерелом звуку може бути, наприклад, бубон. Коли ви б'єте по бубну, ви деформуєте його поверхню. Вона має натяг і прискорено повертається у вихідне положення.
У загальному випадку джерелами звуку є тіла, що здійснюють коливання з частотами звукового діапазону. Такі коливання здійснюють, наприклад, голосові зв'язки людини. В результаті ми чуємо голоси людей. Якщо звук походить від струнного музичного інструменту, то джерелом звуку служить струна, що коливається.
Частини повітря прискорюються, що призводить до зміни тиску та щільності. Оскільки весь простір навколо бубна заповнений повітрям, це призводить до руху (поширення) атомів повітря. Результуюча механічна хвиля досягає приймача звуку, наприклад вашого слуху. Ця механічна хвиля є звуковою хвилею.
Як поширюється звук?
Звук поширюється, як уже вказувалося в прикладі з бубном, через зміни тиску та щільності. При ударі повітря стискається в одній точці. Це збільшує тиск у цій галузі. Щільність збільшується саме в цій точці, але зменшується навколо неї.
Але оскільки немає стінок, що утримують стиснене повітря разом, стислі частинки знову відштовхуються одна від одної. При цьому вони стикаються із сусідніми атомами повітря, які зайняли місце атомів стисненого повітря, і таким чином знову стикаються в іншому місці. Ця зміна тиску повітря і називається хвилею.Потім вона передається на приймач.
Мал. 2. Розповсюдження звукової хвилі після стимуляції вилковим камертоном. Відбувається стиск та розрідження повітря, що, у свою чергу, призводить до хвильового руху до приймача.
Частота.
Як і будь-яка хвиля, звукові хвилі також мають частоту. З його допомогою ви поділяєте звуковий спектр на різні категорії.
- Інфразвук. Це низькочастотний звук, який не сприймається людським вухом.<16 Гц (Герц)
- Чути звук. Це звук, який можна сприйняти людиною. Діапазон від 16 Гц до 20 кГц (кілогерц).
- Ультразвук. Це високочастотний звук, який сприймається людським вухом. Діапазон від 20 кГц до 1,6 ГГц (гігагерц).
- Гіперзвук. Це звукові хвилі, які можуть поширюватись лише в обмеженому обсязі.>1 ГГц .
У таблиці 2 нижче наведено приклади верхніх меж частот механічних коливань, що сприймаються органам та почуттям деяких живих організмів.
| Живі організми | Верхня межа частот, кГц |
| Чайки | 8 |
| Людина у віці 20 років | 20 |
| Людина у віці 50 років | 12 |
| Діти | 22 |
| Собаки | 60 |
| Коти | 100 |
| Метелики | 160 |
| Дельфіни | 200 |
Інтенсивність та рівень звуку.
У розмовній мові рівень звуку також означає гучність.Це стосується сили звуку у певному місці. Вона фізично вимірюється як звуковий тиск. Починаючи від джерела рівень звуку зазвичай зменшується логарифмічно. Для позначення математичних формулах використовується одиниця децибел (дБ).
Досліди показують, що чим більше амплітуда коливань гілок камертону, тим гучніший звук. Поступово звук слабшає, тому що вільні коливання гілок камертону є загасаючими.
Інтенсивність звуку описує потужність звуку, що проходить через проникну для звукової хвилі поверхню. Ви обчислюєте це, вимірюючи скільки звуку проходить через найменші ділянки цієї поверхні, і інтегруючи його по всій поверхні.
Різні типи звуку
Як ви дізналися на самому початку, звук ділиться на корисний і заважає (не корисний). Цей поділ можна уточнити, додатково вводячи як категорії тон, дзвін, шум і вибух (удар).
Тон - це синусоїдальне коливання, т.е.е. синусоїдальний сигнал. Якщо ви, наприклад, вдарите по камері вилки, то отримаєте один гармонійний тон. Він показує, чи звук високим, як у скрипки, або низьким, як звук великого барабана. Фізичною величиною, що характеризує висоту тону, є частота коливань звукової хвилі. Звуку високого тону відповідає більша частота коливань. Зазначимо, що зв'язок між висотою звуку та частотою звукової хвилі вперше встановив Г. Галілей.
Мал. 3. Синусоїдальний сигнал одного тону
Дзвін виробляє періодичний, але несинусоїдальний сигнал. Коли ви граєте пісню на гітарі, ви видаєте такий дзвін.
Мал. 4. Періодичний сигнал дзвінка, наприклад, під час гри на гітарі
Шум - це неперіодичний і несинусоїдальний сигнал. Наприклад, шум створюють машини та транспортні засоби. Шуми створюються внаслідок накопичення коливань різних частот.Джерелами шумів може бути промислові підприємства, побутові прилади, різні машини. Шуми шкідливо впливають на здоров'я людини та тварин. Тривале вплив шумів призводить до порушення роботи центральної нервової системи, викликає запаморочення, впливає роботу серця.
Мал. 5. Сигнальна характеристика шуму. Вона не є ні періодичною, ні синусоїдальною.
В результаті удару виникає сильний амплітудний максимум, який потім швидко згасає. Якщо ви вистрілите феєрверком у повітря або вистрілите з пістолета-кулемета, ви почуєте такий удар.
Мал. 6. Сигнальна крива вибуху (удару). Вона має велику амплітуду на початку та швидко згасає.