Звук и колебания

Звук

Если какой-нибудь предмет, например, гитарная струна или мембрана громкоговорителя, начинает быстро колебаться, то возникает звук, который передается нашему уху.

Звуковые колебания можно и увидеть: если положить рисовое зерно на мембрану, то оно будет подпрыгивать до тех пор, пока громкоговоритель не будет выключен.


Колебание струн создает звук


Доказательство существования звуковых волн

Колебания

Колебания можно наглядно рассмотреть с помощью маятника: в состоянии равновесия маятник находится в строго вертикальном положении.

Если маятник отвести в сторону и отпустить, то он начнет равномерно колебаться. При этом он проходит путь от точки максимального отклонения через точку, в которой он пребывал в состоянии равновесия, до другой точки отклонения и назад. Расстояние от точки состояния равновесия до точки крайнего отклонения является максимальным отклонением маятника и называется амплитудой.


Амплитуда маятника

Колебание — это движение от точки отклонения 1 через точку состояния равновесия до точки отклонения 2 и обратно до точки 1. Время, затраченное на одно колебание, называется периодом колебания T. Но чаще говорят не о каком-то одном конкретном колебании, а о множестве колебаний. Количество колебаний за одну секунду называется частотой колебаний υ.

Подвесим емкость с небольшим отверстием, наполненную краской. Положим под нее лист бумаги и начнем раскачивать маятник. Пока он будет колебаться, мы будем равномерно вытаскивать лист бумаги. След оставленный на нем отображает "почерк" колебаний, так называемую синусоиду.


Период колебаний

Любое тело, которое мы приведем в движение, очень скоро прекратит колебаться естественным образом: сила трения и сопротивление воздуха позаботятся о том, чтобы амплитуда колебаний становилась все меньше и меньше, пока они окончательно не прекратятся. Такие колебания называют затухающими. Чем больше затухание, тем быстрее уменьшается амплитуда.


Затухающие колебания

Если мы хотим вызвать незатухающие колебания с постоянной амплитудой, то необходимо регулярно сообщать дополнительную энергию, чтобы компенсировать трение и сопротивление воздуха. В напольных часах это происходит за счет прикрепленного груза, который постепенно опускается и, таким образом, маятник продолжает колебаться.


Способ создания незатухающих колебаний

Громкость

Если коснуться струны гитары, то мы услышим звук. Если дернуть струну сильнее, то струна начнет колебаться с большей амплитудой, при этом звук будет громче. Если коснуться струны легко, то и звук будет тихий. Струна колеблется в этом случае с маленькой амплитудой. Это доказывает, что сила звука зависит от амплитуды.


Зависимость силы звука от амплитуды

Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Чувствительность человеческого уха обозначается A. Если мы услышим два одинаковых по громкости звука от различных источников, то создастся впечатление, что общая громкость увеличилась всего примерно на 3 дБ. Нормальная человеческая речь имеет громкость примерно 20 дБ. Звуки от 100 дБ уже невыносимо громкие, а звуки от 120 дБ могут губительно отразиться на нашем слухе.


Громкость звука

Высота звука

Высота звука не зависит от силы, с которой мы дергаем струну, а зависит от длины, толщины и натянутости струны: короткая и толстая струна дает такой же звук, как тонкая и длинная. Высокий звук имеет большую частоту колебаний, т.е. за одну секунду происходит больше колебаний, чем при извлечении низкого звука. Это значит, что частота колебаний определяет высоту тона.

Частота и период колебаний тесно связаны. Единица частоты колебаний названа в честь немецкого физика Генриха Герца — 1 герц (1 Гц). Камертон имеет частоту звучания 440 Гц. Все инструменты симфонического оркестра настраиваются по этому тону.

Если один звук обладает частотой, ровно в два раза превышающей частоту другого звука, значит, первый звук находится ровно на октаву выше.


Зависимость высоты звука от частоты колебаний

Резонанс

Любое свободно колеблющееся тело обладает собственной, для него характерной частотой.


Любое тело колеблется

Если телу, обладающему собственной частотой, сообщить дополнительные колебания с такой же частотой и направленностью, то это вызовет резонанс — резкое увеличение амплитуды колебаний тела, которая может привести к так называемой резонансной катастрофе. Например, мост при небольшой нагрузке может разрушиться, если по нему пройдет группа марширующих людей, и частоты колебаний моста и людей совпадут.


Резонанс

Физика: