Звуковая волна (звук): что это такое, скорость, свойства, характеристики

В вестернах часто встречается персонаж-индеец, который, приложив ухо к земле, может определить, как далеко находятся его противники. Он слышит вибрацию земли, вызванную копытами лошадей. Подобным образом мы производим и воспринимаем звуки, совершая и принимая колебания молекул воздуха.

Когда вы слышите термин “звук” или “звуковая волна”, вы, конечно, понимаете, о чем идет речь. В этой статье вы узнаете, что такое звук на самом деле и как вы воспринимаете окружающий мир своими ушами.

Звук – это волна. Эти звуковые волны достигают вашего уха и позволяют вам воспринимать звуки и шумы через систему “ухо-мозг”. Как правило, существует два различия: полезный звук и звук помех. Полезный звук включает музыку или голоса во время разговора. Звук помех включает в себя, например, шум строительной площадки или шум транспорта.

В физике звук – это вибрация. Эта вибрация распространяется как механическая волна (также акустическая волна) в среде. Такой средой является, например, воздух. Но вы, вероятно, также слышали звуки под водой или сквозь стены. Звуковые волны в воздухе возникают из-за колебаний давления и плотности.

Человек издает звуковые волны
Рис. 1. Человек издает звуковые волны

Что такое звук (звуковая волна)?

Какое-то событие, например, произнесение слов, заставляет воздух вибрировать. Затем это возбуждение распространяется в виде волнового движения. Помимо воздуха, возбуждаться могут и другие упругие среды, например, вода.

Итак, звук – это колебательное двuжение частиц упругой среды, которое распространяется от источника звука в виде волн в различных средах.

Можно дать и другое определение:

Звук – это механическая волна, распространяющаяся в пространстве из-за изменения давления и плотности воздуха.

Необходимым условием распространения звуковых волн является наличие упругой среды. Если вокруг источника звука нет упругой среды, то звук распространяться не будет. Например, в вакууме механические волны не могут распространяться.

Скорость звука

Звуковая волна, как и любые другие механические волны , распространяется в пространстве не мгновенно, а с определённой скоростью. Скорость распространения звука в различных средах имеет различные значения.

Скорость звука в значительной степени зависит от среды, ее температуры и давления. В сухом воздухе при температуре 20 °C скорость звука составляет 1236 км/ч (343,2 м/с метров в секунду). В следующей таблице приведены некоторые справочные значения скорости звука в различных средах.

СредаСкорость в м/с
Воздух343
Водяной пар (при 100 °C)477
Вода1484
Вода (при 0 °C)1407
Морская вода1500

В нашей статье о скорости звука мы объяснили, как быстро распространяется звук в различных веществах. Здесь важную роль играют свойства твердых тел, жидкостей или газов.

Свойства и характеристики звука

Поскольку звук – это механическая волна, он также обладает свойствами волны, такими как частота и интенсивность. Однако среда, через которую она передается, также придает ей свои свойства.

Здесь мы рассмотрим общие свойства звука в воздухе. Как правило, их можно переносить и на другие газы и жидкости. Волны в воздухе или других газах также называются продольными волнами. Они колеблются в направлении распространения волны. Напротив, существуют поперечные волны, которые возникают, например, в некоторых твердых телах. Их колебания перпендикулярны направлению распространения.

Как возникает звук?

Звук создается источниками звука. Источник звука – это все, что заставляет воздух вибрировать. Таким источником звука может быть, например, бубен. Когда вы ударяете по бубну, вы деформируете его поверхность. Она имеет натяжение и ускоренно возвращается в исходное положение.

В общем случае, источниками звука являются тела, совершающие колебания с частотами звукового диапазона. Такие колебания совершают, например, голосовые связки человека. В результате мы слышим голоса людей. Если звук исходит от струнного музыкального инструмента, то источником звука служит колеблющаяся струна.

Частицы воздуха ускоряются, что приводит к изменению давления и плотности. Поскольку все пространство вокруг бубна заполнено воздухом, то это приводит к движению (распространению) атомов воздуха. Результирующая механическая волна достигает приемника звука, например, вашего слуха. Эта механическая волна является звуковой волной.

Как распространяется звук?

Звук распространяется, как уже указывалось в примере с бубном, через изменения давления и плотности. При ударе воздух сжимается в одной точке. Это увеличивает давление в этой области. Плотность увеличивается именно в этой точке, но уменьшается вокруг нее.

Но поскольку нет стенок, удерживающих сжатый воздух вместе, сжатые частицы снова отталкиваются друг от друга. При этом они сталкиваются с соседними атомами воздуха, которые заняли место атомов сжатого воздуха, и таким образом снова сталкивают их в другом месте. Это изменение давления воздуха и называется волной. Затем она передается на приемник.

Распространение звука в воздухе
Рис. 2. Распространение звуковой волны после стимуляции вилочным камертоном. Происходит сжатие и разрежение воздуха, что, в свою очередь, приводит к волновому движению до приемника.

Частота.

Как и любая волна, звуковые волны также имеют частоту. С его помощью вы разделяете звуковой спектр на различные категории.

  • Инфразвук. Это низкочастотный звук, который уже не воспринимается человеческим ухом. < 16 Гц (Герц)
  • Слышимый звук. Это звук, который может быть воспринят человеком. Диапазон от 16 Гц до 20 кГц (килогерц).
  • Ультразвук. Это высокочастотный звук, который не воспринимается человеческим ухом. Диапазон от 20 кГц до 1,6 ГГц (гигагерц).
  • Гиперзвук. Это звуковые волны, которые могут распространяться только в ограниченном объеме. > 1 ГГц .

В таблице 2 ниже приведены примеры верхних границ частот механических колебаний, воспринимаемых органам и чувств некоторых живых организмов.

Живые организмыВерхняя граница частот, кГц
Чайки8
Человек в возрасте 20 лет20
Человек в возрасте 50 лет 12
Дети22
Собаки60
Кошки100
Бабочки160
Дельфины200
Рис. 2. Примеры верхних границ частот механических колебаний, воспринимаемых органами чувств некоторых живых организмов

Интенсивность и уровень звука.

В разговорной речи уровень звука также означает громкость. Это относится к силе звука в определенном месте. Она физически измеряется как звуковое давление. Начиная от источника, уровень звука обычно уменьшается логарифмически. Для обозначения в математических формулах используется единица децибел (дБ).

Опыты показывают, что чем больше амплитуда колебаний ветвей камертона , тем громче звук. Постепенно звук ослабевает, так как свободные колебания ветвей камертона являются затухающими.

Интенсивность звука описывает мощность звука, проходящего через проницаемую для звуковой волны поверхность. Вы вычисляете это, измеряя, сколько звука проходит через самые маленькие участки этой поверхности, и интегрируя его по всей поверхности.

Различные типы звука

Как вы узнали в самом начале, звук делится на полезный и мешающий (не полезный). Это разделение можно уточнить, дополнительно вводя в качестве категорий тон, звон, шум и взрыв (удар).

Тон – это синусоидальное колебание, т.е. синусоидальный сигнал. Если вы, например, ударите по вилочному камертону, то получите один гармонический тон. Он показывает, является ли звук высоким, как у скрипки, или низким , как звук большого барабана. Физической величиной, характеризующей высоту тона, является частота колебаний звуковой волны. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Отметим, что связь между высотой звука и частотой звуковой волны впервые установил Г. Галилей.

Тон звуковой волны
Рис. 3. Синусоидальный сигнал одного тона

Звон производит периодический, но несинусоидальный сигнал. Когда вы играете песню на гитаре, вы издаете такой звон.

Звон
Рис. 4. Периодический сигнал звона, например, при игре на гитаре

Шум – это непериодический и несинусоидальный сигнал. Например, шум создают машины и транспортные средства. Шумы создаются в результате накопления колебаний разных частот. Источниками шумов могут быть промышленные предприятия, бытовые приборы, различные машины. Шумы вредно влияют на здоровье человека и животных. Длительное воздействие шумов приводит к нарушению работы центральной нервной системы, вызывает головокружение, влияет на работу сердца.

Шум
Рис. 5. Сигнальная характеристика шума. Она не является ни периодической, ни синусоидальной.

В результате удара возникает сильный амплитудный максимум, который затем быстро затухает. Если вы выстрелите фейерверком в воздух или выстрелите из пистолета-пулемета, вы услышите такой удар.

Удар
Рис. 6. Сигнальная кривая взрыва (удара). Она имеет большую амплитуду в начале и быстро затухает.