Природа звукових хвиль

Хвильовий рух зручно уявляти собі в найпростішої безперервної формі: як звук однієї-єдиної частоти, що створює, наприклад, 2000. звукових хвиль або циклів в секунду; або як світло чистого спектрального кольору, наприклад, лінія D натрієвого полум'я, частота якої дорівнює 5,1 * 1013 періодів в секунду (51 000 000 000 000 гц). Для більшості цілей подібні хвилі можуть бути досить точно представлені у вигляді графіка, на якому змінна величина, що характеризує хвильовий рух, відкладена на одній осі, а час - на іншій осі. Для звуку однієї-єдиної частоти або для чистого спектрального кольору графіки дають плавно згинаються криві, так звані синусоїди.

Синусоїдальна крива вийде, наприклад, якщо побудувати тимчасову залежність вертикального зміщення стрілки годинника. Прив'яжемо нитку до кінця годинникової стрілки настінного годинника звичайного шкільного типу, а до іншого кінця нитки підвісимо легкий грузик (рис. 2). О 9 годині, а також о 3 годині вантаж буде перебувати на півдорозі між найвищим і найнижчим своїм становищем, і ми можемо провести на стіні під годинником горизонтальну середню лінію на цьому рівні. Припустимо, далі, що і в інші моменти часу ми вимірюємо, наскільки вантаж знаходиться вище (або нижче) цієї середньої лінії; найбільша відстань до середньої лінії будемо називати амплітудою коливання і позначимо через а. Опівдні відстань дорівнюватиме + а, а о 6 годині він дорівнюватиме - а. Через кожні шість годин відхилення звертається в нуль, а близько полудня і близько шести годин крива уповільнює своє наростання або спадання і рух змінює свій напрямок. Якби ми підв'язати вантаж не кчасовой, а до хвилинній стрілці годинника, то за один оборот годинникової стрілки вантаж зробив би 12 відхилень вгору і вниз від середньої лінії.

Графічне зображення коливань маятника або грузика на стрілці годинника

Ця ж крива зображає синусоидальную функцію, досліджувану в геометрії і тригонометрії. Однак в цьому зручному поданні хвилі немає можливості обліку її взаємодії з матеріальними тілами. Тому для з'ясування властивостей звуку як передавача відомостей нам доведеться уявляти собі хвилю дещо по-іншому або принаймні доведеться кілька доповнити спрощене уявлення про безперервну синусоїдальної хвилі. Це збільшить інтерес всього питання про хвильовий рух порівняно з тим, що доводиться дізнаватися в шкільному курсі фізики.

Що ж таке звукові хвилі і в чому їхня відмінність від інших видів хвильового руху? Коли звук поширюється в який-небудь середовищі, наприклад в повітрі, тиск в середовищі ритмічно змінюється, то зростаючи, то зменшуючись в кожній даній точці в темпі, який ми називаємо частотою звуку (рис. 3). Ці зміни тиску можуть, звичайно, і не бути регулярними. Однак навіть в тих випадках, коли вони настільки нерегулярні, що не можна говорити про одну частоті звуку, зміни тиску все ж залишаються знакозмінними, і атмосферний тиск коливається, то перевищуючи, то не доходячи до свого середнього значення, званого тиском в одну атмосферу і вимірюваного при допомоги барометра (на рівні моря атмосфера надає такий же тиск, як і стовп ртуті висотою 76 см). Далі, області злегка підвищеного і злегка зниженого тиску поширюються в повітрі, так що зона підвищеного тиску, яка в даний момент пройшла через цю точку, буде в наступний момент виявлена ​​вже на деякій відстані від неї. Ці зміни тиску повітря набагато менше, ніж зазвичай собі уявляють. Наприклад, гучний крик викликає зміна тиску повітря всього на 0,00001- 0,0001 атмосфери, а найслабший звук, що сприймається людиною з нормальним слухом, відповідає змінам тиску на 2 * 10-10 (2/10 000 000 000) атмосфери.

Розподіл молекул повітря поблизу джерела звуку

Бувало, люди задавали собі питання, чи існує звук під час відсутності слухача. Сперечалися про те, шумить чи водоспад в диких безлюдних місцях, де його нікому чути. Такі питання втрачають своє значення, якщо тільки усвідомлювати різницю між фізичним явищем звукових хвиль, як змін тиску, що поширюються в повітрі, і суб'єктивним відчуттям сприйняття звуку. Для сприйняття звуку слухач, звичайно, потрібен, але це може бути в рівній мірі і тварина, а не тільки людина. Але, якщо тільки не брати до уваги, що під час відсутності людей властивості водоспаду і навколишнього повітря абсолютно змінюються, безсумнівно, що поки вода продовжує падати вниз, фізичні звукові хвилі не перестають безперервно виникати. Звукові хвилі поширюються не тільки в газах, наприклад у повітрі, але також і в рідинах і в твердих ті лах. Хоча ми будемо мати справу головним чином з поширенням звуку в повітрі, слід пам'ятати, що звукові хвилі (т. Е. Переміщаються зміни тиску) можуть поширюватися також через океанські глибини і через саму тверду сталь. Є, однак, одне безумовне вимога для можливості поширення звукових хвиль: обов'язково повинна бути якась середовище, в якому вони могли б бігти, і вони ніяк не можуть існувати в порожньому просторі, в повному вакуумі. Справді, тиск викликається зіткненнями молекул один з одним і з поверхнею рідких або твердих тіл, що утворюють кордону газу. Звук може поширюватися з помітною інтенсивністю лише в середовищах, де є помітний тиск, т. Е. В середовищах, в яких молекули розташовані досить близько одне до одного, щоб часто стикатися між собою.

Наступна важлива характеристика звукових хвиль - це швидкість їх поширення. Виниклі звукові хвилі переміщаються в даному середовищі і за даних умов з постійною швидкістю. У міру поширення вони робляться все слабкішими і слабкішими і врешті-решт повністю завмирають. Але поки вони ще залишаються помітними, їх швидкість не змінюється. Чи не залежить швидкість також і від частоти звуку. Це означає, що в разі, коли звук містить більше ніж одну частоту (т. Е. Коли форма звукових хвиль складніше, ніж проста синусоїда), всі складові частини складного звуку рухаються разом і жодна з компонент не відстає і не випереджає інші. Швидкість звуку залежить головним чином від середовища, в якій поширюються звукові хвилі, але є і слабка залежність від температури і деяких інших чинників. Наприклад, швидкість звуку в повітрі при температурі 20 ° С дорівнює 344 м / сек, а в морській воді при 0 ° С 1550 м / сек. Ці відстані досить великі, але, звичайно, багато менше, ніж відстань, пробігає за одну секунду світлом або радіохвилями та рівне 300-106 ж. Так як відстані в сотні і тисячі метрів менш наочні, ніж відстані, порівнянні з розмірами тіла людини, то ми часто будемо характеризувати швидкість звуку відстанню, пробігає їм за одну мілісекунди, т. Е. За одну тисячну секунди. Швидкість 344 м / сек відповідає шляху в34,4 см або приблизно в 1 фут, пробігає за одну мілісекунди; цю цифру легко запам'ятати, і вона зручна в разі звуків дуже малої тривалості.

Важливе значення має також довжина хвилі звуку. Довжина хвилі - це відстань між двома послідовними зонами максимуму або мінімуму тиску, що виникають при поширенні звукової хвилі. Так як швидкість звуку в даному середовищі постійна, то на відстані 344 ж, пробігає їм в одну секунду, вкладеться або велике число коротких хвиль, або мале число довгих хвиль. Якщо хвилі короткі, то на заданому відстані їх вкладеться більше число і за цей проміжок часу більше їх число досягне заданої точки, інакше кажучи, частота їх буде вище. Співвідношення між швидкістю звуку v, його частотою f і довжиною хвилі X можна виразити таким простим рівнянням: v = f * y. Так як при заданих умовах швидкість звуку постійна, то довжина хвилі змінюється обернено пропорційно частоті. Довжина хвилі звуку з частотою 344 гц наближено дорівнює 1 ж. Частоті 1376 гц відповідає довжина хвилі 0,25 ж, а довжині хвилі 2 см (0,02 ж) відповідає частота 344: 0,02 = 17 200 гц. Високі частоти часто висловлюють в кілогерцах (тисячах періодів в секунду).

Звук будь-якої частоти, що триває одну секунду, займає при поширенні в повітрі ділянку довжиною 344 м, рахуючи від початку до кінця групи звукових хвиль. Клацання тривалістю 1/100 секунди займає ділянку в 3,4 м, рахуючи від його фронту до тилу. А фраза, на проголошення якої потрібно 10 секунд, розтягнулася б на відстань 3440 м (більше двох миль) від рота, якби голос мовця був досить сильний, щоб бути чутним на такій відстані. Беручи, що атмосфера досить щільна для того, щоб передавати звукові хвилі вгору на висоту 30 000 м, і що ваш голос має достатню гучністю, цікаво прикинути, як довго повинен тягнутися звук, щоб утворити безперервний цуг хвиль вгору від вашого рота до цієї висоти. Це час дорівнюватиме 30 000: 344, т. Е. Близько 87 секунд, або приблизно 1,5 хвилини. За цей час можна прочитати вголос півсторінки друкованого тексту.

Взаємодія звукових хвиль з нами самими і з оточуючими нас предметами не так очевидно, як взаємодія світлових хвиль. Дійсно, майже кожен твердий предмет, на який з одного боку падає світло, відкидає тінь. Однак, якщо цей же самий предмет, який відкидає світлову тінь, помістити між джерелом звуку і нашим вухом, то ми почуємо звуки звичайного характеру майже без змін. Звук легко огинає кути, і тому важче перегородити йому шлях до будинку, або в кімнату, або до наукової апаратури (рис. 4). Хоча стіни і інші перешкоди і послаблюють гучність звуків, ми все ж рідко говоримо про ступінь загородження або про ступінь передачі або відлуння. До того незвичайний для нас це питання, що у нас немає загальноприйнятих слів, аналогічних термінів «прозорий» або «непрозорий», які висловлювали б факт легкого проникнення звукових хвиль крізь дана речовина або неможливість проникнення. Немає у нас також акустичних еквівалентів понять «блискучий» або «матовий» для опису поверхонь, що відбивають звук головним чином в одному напрямку або приблизно однаково в усіх напрямках.

Звук не утворює різких тіней, але огинає кути і відбивається від твердих об'єктів

Відображені звукові хвилі отримали назву відлуння або реверберації. Вони роблять значний вплив на те, що саме ми чуємо. Ми бачили, що деякі тварини, наприклад кажани і дельфіни, користуються відлуння для орієнтування. Людина, позбавлена ​​зору, також використовує звук для своєї орієнтування; яку роль при цьому відіграють відображені звукові хвилі, - буде докладніше розглянуто в кінці книги. Перш ніж йти далі, доречно уточнити значення деяких слів, корисних для опису здатності звукових хвиль переносити інформацію.

Відлуння зазвичай означає чітке ізольоване відображення звуку від поверхні, розташованої на значній відстані. Відлуння утворюється багаторазовими відображеннями звуку від близько розташованих поверхонь, коли відбиті хвилі перекриваються і змішуються з вихідними звуковими хвилями. У більш загальному сенсі луна означає звукову хвилю, напрямок якої істотно змінилося в результаті падіння на деякий тіло. Коли відбиті хвилі поширюються в тому ж просторі, що й хвилі, що вийшли пізніше з того ж джерела звуку ', то вони взаємодіють, і колишній рівень тиску повітря або підвищується, або знижується. Якщо наявність відлуння викликало підвищення тиску в даній точці в даний момент часу, то говорять про підсилює інтерференції або взаємне посилення. Якщо звуковий тиск знизилося в порівнянні з тим, яким воно було б за відсутності відбитих хвиль, то говорять про ослаблює інтерференції або взаємне гасінні хвиль. Ці терміни мають для звукових хвиль точно таке ж значення, що і для світла.

Істотно зрозуміти зв'язок між швидкістю звуку, з одного боку, і відмінністю між реверберацией і відлуння, з іншого. В повітрі, що обумовлює більшу частину наших слухових сприйнять, звук тривалістю в 1 секунду займає в повітрі ділянку 344 м, так що для слухача, що знаходиться біля джерела звуку, відлуння почнеться після закінчення оригінальний звук тільки в тому випадку, якщо звук відбився від об'єкта, розташованого далі, ніж на половину цієї відстані (172 м). За одну секунду можна вимовити кілька складів, наприклад: «сто тисяч сто», а при деякому зусиллі можна повторювати короткий склад, наприклад «ді», п'ять разів на секунду. Якщо вимовити один короткий склад, що триває 0,2 секунди, то його відлуння можна буде почути окремо від вихідного звуку при відстані до поверхні, що відбиває, що перевищує 34 м (172 * 0,2). Не часто трапляється почути відлуння, ясно відокремлене за часом від вихідного звуку. Це пояснюється частково тим, що нам рідко доводиться мати справу з одиничними звуками такої малої тривалості (0,2 секунди) або з відстанями до поверхонь, що відбивають, що перевищують 34 м, а частково тим, що наш слух визнає два звуку за роздільні тільки тоді, коли між ними є деяка частка секунди тиші. Навіть коли два звуки настільки близькі за часом, що сприймаються як один, їх комбінація зазвичай звучить по-іншому, ніж кожен з них окремо. Два клацання, що випливають один за іншим занадто близько, щоб їх можна було сприйняти як подвійне клацання, звучать глухо, ніж кожен окремо. Якщо ж зблизити їх за часом ще більше, то два клацання будуть звучати просто як один більш гучне клацання.