Звуковые волны

Упругие волны, распространяясь в воздухе, а также внутри жидкостей и твердых тел, невидимы. Однако при определенных условиях их можно услышать.

Обратимся к опыту. Зажмем в тисках длинную стальную линейку. Если над тисками будет выступать большая часть линейки (рис. 47, а), то, вызвав ее колебания, мы не услышим порождаемые ею волны. Но если укоротить выступающую часть линейки и тем самым увеличить частоту ее колебаний, то мы обнаружим, что линейка начнет звучать (рис. 47, б).
Упругие волны, способные вызывать у человека слуховые ощущения, называются звуковыми волнами или просто звуком.

Человеческое ухо способно воспринимать упругие волны с частотой примерно от 16 Гц до 20 кГц. Поэтому частоты в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц называют звуковыми. Любое тело, колеблющееся со звуковой частотой, является источником звука, так как в окружающей его среде возникают распространяющиеся от него звуковые волны.

Животные в качестве звука воспринимают волны иных частот.

Существуют как естественные, так и искусственные источники звука. Один из искусственных источников звука — камертон — изображен на рисунке 48. Он был изобретен в 1711 г. английским музыкантом Дж. Шором для настройки музыкальных инструментов.

Камертон представляет собой изогнутый (в виде двух ветвей) металлический стержень с держателем посередине. Ударив резиновым молоточком по одной из ветвей камертона, мы услышим определенный звук. Этот звук возникает после удара по камертону: его ветви начинают вибрировать, создавая вокруг себя по переменные сжатия и разрежения воздуха (рис. 48, а). Распространяясь по воздуху, эти возмущения образуют звуковую волну.

Стандартная частота колебаний камертона 440 Гц. Это означает, что за 1 с его ветви успевают совершить 440 колебаний. На глаз они незаметны. Если, однако, прикоснуться к звучащему камертону рукой, то можно почувствовать его вибрацию. Для определения характера колебаний камертона к одной из его ветвей следует прикрепить иглу. Заставив камертон звучать, проведем соединенной с ним иглой по поверхности закопченной стеклянной пластинки. На пластинке появится след в форме синусоиды (рис. 49).

Для усиления звука, создаваемого камертоном, его держатель укрепляют на деревянном ящике, открытом с одной стороны (см. рис. 48, б). Этот ящик называют резонатором. При колебаниях камертона вибрация ящика передается находящемуся в нем воздуху. Из-за резонанса, возникающего при правильно подобранных размерах ящика, амплитуда вынужденных колебаний воздуха возрастает, и звук усиливается. Его усилению способствует и увеличение площади излучающей поверхности, которое имеет место при соединении камертона с ящиком.

Нечто подобное происходит и в таких музыкальных инструментах, как гитара, скрипка и т. д. Сами по себе струны этих инструментов создают слабый звук. Громким он становится благодаря наличию у них корпуса определенной формы с отверстием, через которое могут выходить звуковые волны.

Источниками звука могут быть не только колеблющиеся твердые тела, но и некоторые явления, вызывающие колебания давления в окружающей среде (взрывы, полет пуль, завывания ветра и т.д.). В качестве наиболее яркого примера такого явления можно назвать молнию. Во время грозы температура в канале молнии увеличивается до 30 000 °С. Давление резко возрастает, и в воздухе возникает ударная волна, постепенно переходящая в звуковые колебания (с типичной частотой 60 Гц), распространяющиеся в виде раскатов грома.

Интересным источником звука является дисковая сирена, изобретенная немецким физиком Т. Зеебеком (1770—1831). Она представляет собой соединенный с электродвигателем диск с отверстиями, расположенный перед сильной струей воздуха (рис. 50) . При вращении диска поток воздуха, проходящего через отверстия, периодически прерывается, в результате чего возникает резкий характерный звук. Частота этого звука находится по формуле v = nk, где п — частота вращения диска; k — число отверстий в нем.

Используя сирену с несколькими рядами отверстий и регулируемой частотой вращения диска, можно получить звуки разной частоты. Частотный диапазон сирен, применяемых на практике, составляет обычно от 200 Гц до 100 кГц и выше.

Свое название эти источники звука получили по имени полуптиц-полуженщин, которые, согласно древнегреческим мифам, завлекали своим пронзительным пением мореходов на кораблях, и те разбивались о прибрежные скалы.

В газах и жидкостях звуковые волны распространяются в виде продольных волн сжатия и разрежения (рис. 51). Сжатия и разрежения среды, возникающие вследствие колебаний источника звука (колокольчика, струны, камертона, мембраны телефона, голосовых связок и т. д.), через некоторое время достигают человеческого уха и, заставляя барабанную перепонку уха совершать вынужденные колебания, вызывают у человека определенные слуховые ощущения.

Человеческое ухо очень чувствительный прибор. Воспринимать звук мы начинаем уже тогда, когда амплитуда колебаний частиц воздуха в волне оказывается равной всего лишь радиусу атома!

С возрастом из-за потери эластичности барабанной перепонки верхняя граница воспринимаемых человеком частот постепенно снижается. Лишь молодые люди способны слышать звуки с частотой 20 кГц. В среднем и тем более в старшем возрасте как мужчины, так и женщины перестают воспринимать звуковые волны, частота которых превышает 12—14 кГц.

Ухудшается слух людей и в результате длительного воздействия громких звуков Работа вблизи мощных самолетов, в очень шумных заводских цехах, частое посещение дискотек и чрезмерное увлечение аудиоплеерами вредно влияют на остроту восприятия звуков (особенно высокочастотных) и в некоторых случаях могут привести к потере слуха.

1. Что такое звук? 2. Волны каких частот способно воспринимать человеческое ухо? 3. Перечислите известные вам источники звука. Какие из них являются естественными, какие — искусственными? 4. Что представляет собой камертон? Зачем его соединяют с деревянным ящиком? 5. К каким волнам относятся звуковые волны в газах и жидкостях — продольным или поперечным?

Экспериментальное задание. Приложив ладонь к своей гортани, произнесите какой-либо гласный звук. Объясните свои ощущения.