- Властивості звукової хвилі. Швидкість звуку Подробиці Опубліковано 14.09.2014 21:16 Переглядів:...
- Характеристики звукової хвилі
- амплітуда
- Частота і період хвилі
- Довжина хвилі
- Швидкість звуку
Властивості звукової хвилі. Швидкість звуку
Наша сеть партнеров Banwar
Подробиці Опубліковано 14.09.2014 21:16 Переглядів: 7106
Спів птахів, шум дощу і вітру, гуркіт грому, музика - все, що ми чуємо, ми вважаємо звуком.
З наукової точки зору звук - це фізичне явище, яке являє собою механічні коливання, що поширюються в твердій, рідкій і газоподібному середовищі. Вони і викликають слухові відчуття.
Як з'являється звукова хвиля
Натиснути на картинку
Всі звуки поширюються в вигляді пружних хвиль. А хвилі виникають під дією пружних сил, що з'являються, коли тіло деформують. Ці сили прагнуть повернути тіло в початковий стан. Наприклад, натягнута струна в нерухомому стані не звучить. Але варто тільки відвести її в бік, як під дією сили пружності вона буде прагнути зайняти своє початкове положення. Вібруючи, вона стає джерелом звуку.
Джерелом звуку може бути будь-який тіло, що коливається, наприклад, закріплена з одного боку тонка сталева пластинка, повітря в музичному духовому інструменті, голосові зв'язки людини, дзвіночок і т.д.
Що відбувається в повітрі при виникненні коливання?
Як будь-який газ, повітря має пружністю. Він пручається стиску і тут же починає розширюватися, коли тиск зменшується. Будь-який тиск на нього він рівномірно передає в різні боки.
Якщо за допомогою поршня різко стиснути повітря, то в цьому місці відразу ж збільшиться тиск. Воно тут же передасться сусіднім верствам повітря. Вони будуть стискуватися, і тиск в них збільшиться, а в попередньому шарі зменшиться. Так по ланцюжку чергуються зони підвищеного і зниженого тиску передаються далі.
Відхиляючись в сторони по черзі, яка звучить струна стискає повітря спочатку в одному напрямку, а потім в протилежному. У тому напрямку, куди відхилилася струна, тиск стає вище атмосферного на якусь величину. З протилежного боку тиск на таку ж величину зменшується, так як повітря там розріджується. Стиснення і розрідження будуть чергуватися і поширюватися в різні боки, викликаючи коливання повітря. Ці коливання і називаються звуковою хвилею. А різниця між атмосферним тиском і тиском в шарі стиснення або розрідження повітря називають акустичним, або звуковим тиском.
Натиснути на картинку
Звукова хвиля поширюється не тільки в повітрі, а й у рідкої, і в твердому середовищі. Наприклад, вода прекрасно проводить звук. Ми чуємо під водою удар каменю. Шум гвинтів надводного корабля вловлює акустик підводного човна. Якщо на один кінець дерев'яної дошки покласти наручні механічні годинники, то, приклавши вухо до протилежного кінця дошки, ми почуємо їх цокання.
Чи будуть відрізнятися звуки в вакуумі? Англійський фізик, хімік і богослов Роберт Бойль, що жив в XVII столітті, помістив годинник в скляну посудину, з якого відкачав повітря. Цокання годинника він не почув. Це означало, що звукові хвилі в безповітряному просторі не поширюються.
Характеристики звукової хвилі
Форма звукових коливань залежить від джерела звуку. Найбільш просту форму мають рівномірні, або гармонійні коливання. Їх можна представити у вигляді синусоїди. Такі коливання характеризуються амплітудою, довжиною хвилі і частотою поширення коливань.
амплітуда
Амплітудою в загальному випадку називають максимальне відхилення тіла від положення рівноваги.
Так як звукова хвиля складається з чергуються областей високого і низького тиску, то її часто розглядають як процес поширення коливань тиску. Тому говорять про амплітуду тиску повітря в хвилі.
Від амплітуди залежить гучність звуку. Чим вона більше, тим голосніше звук.
Кожен звук людської мови має форму коливань, властиву тільки йому. Так, форма коливань звуку «а» відрізняється від форми коливань звуку «б».
Частота і період хвилі
Кількість коливань в секунду називається частотою хвилі.
f = 1 / Т
де Т - період коливань. Це проміжок часу, за який здійснюється одне повне коливання.
Чим більше період, тим менше частота, і навпаки.
Одиниця виміру частоти в міжнародній системі вимірювань СІ - герц (Гц). 1 Гц - це одне коливання в секунду.
1 Гц = 1 с-1.
Наприклад, частота в 10 Гц означає 10 коливань в 1 секунду.
1 000 Гц = 1 кГц
Від частоти коливань залежить висота тону. Чим вище частота, тим вище тон звуку.
Людське вухо здатне сприймати не всі звукові хвилі, а тільки лише ті, які мають частоту від 16 до 20 000 Гц. Саме ці хвилі і вважаються звуковими. Хвилі, частота яких нижче 16 Гц, називають інфразвуковими, а понад 20 000 Гц - ультразвуковими.
Людина не сприймає ні інфразвукові, ні ультразвукові хвилі. Але тварини і птахи здатні чути ультразвук. Наприклад, звичайна метелик розрізняє звуки, що мають частоту від 8 000 до 160 000 Гц. Діапазон, що сприймається дельфінами, ще ширше, він коливається від 40 до 200 тисяч Гц.
Довжина хвилі
Довжиною хвилі називають відстань між двома найближчими точками гармонійної хвилі, що знаходяться в однаковій фазі, наприклад, між двома гребенями. Позначається як ƛ.
За час, що дорівнює одному періоду, хвиля проходить відстань, рівну її довжині.
Швидкість поширення хвилі
v = ƛ / T
Так як T = 1 / f,
то v = ƛ · f
Швидкість звуку
Спроби визначити швидкість звуку за допомогою експериментів робилися ще в першій половині XVII століття. Англійський філософ Френсіс Бекон у своїй роботі «Новий органон» запропонував свій спосіб вирішення цього завдання, заснований на різниці швидкостей світла і звуку.
Відомо що швидкість світла значно вище швидкості звуку. Тому під час грози спочатку ми бачимо спалах блискавки, а вже потім чуємо гуркіт грому. Знаючи відстань між джерелом світла і звуку і спостерігачем, а також час між спалахом світла і звуком, можна розрахувати швидкість звуку.
Ідеєю Бекона скористався французький учений Марен Марсенею. Спостерігач, що знаходиться на деякій відстані від людини, який стріляв з мушкета, зафіксував час, що минув від світлового спалаху до звуку пострілу. Потім величину відстані розділили на час і отримали швидкість звуку. За результатами експерименту швидкість виявилася рівною 448 м / с. Це був приблизний розрахунок.
На початку XIX століття група вчених Паризької академії наук повторила цей досвід. За їхніми розрахунками швидкість світла мала значення 350-390 м / с. Але і ця цифра не була точною.
Теоретично швидкість світла намагався вирахувати Ньютон. В основу своїх розрахунків він поклав закон Бойля-Маріотта, що описує поведінку газу в ізотермічному процесі (при постійній температурі). А так буває, коли обсяг газу змінюється дуже повільно, встигаючи віддати навколишньому середовищу тепло, що виникає в ньому.
Ньютон же припускав, що між областями стиснення і розрідження температура вирівнюється швидко. Але цих умов немає в звуковій хвилі. Повітря погано проводить тепло, а відстань між шарами стиснення і розрідження велике. Тепло з шару стиску не встигає перейти в шар розрідження. І між ними виникає різниця температур. Тому розрахунки Ньютона виявилися невірними. Вони давали цифру в 280 м / с.
Французький учений Лаплас зумів пояснити, що помилка Ньютона полягала в тому, що звукова хвиля поширюється в повітрі в адіабатичних умовах, при температурі, що змінюється. Згідно з розрахунками Лапласа, швидкість звуку в повітрі при температурі 0о С дорівнює 331,5 м / с. Причому, вона зростає зі зростанням температури. І при підвищенні температури до 20о С вона буде дорівнює вже 344 м / с.
У різних середовищах звукові хвилі поширюються з різною швидкістю.
Для газів і рідин швидкість звуку обчислюється за формулою:
де з-швидкість звуку,
β - адіабатична стисливість середовища,
ρ - щільність.
Як видно з формули, швидкість залежить від щільності і стисливості середовища. У повітряному середовищі вона менше, ніж в рідкої. Наприклад, у воді при температурі 20 о С вона дорівнює тисяча чотиреста вісімдесят чотири м / с. Причому, чим вище солоність води, тим з більшою швидкістю в ній поширюється звук.
Вперше швидкість звуку у воді виміряли в 1827 р Цей експеримент чимось нагадував вимірювання швидкості світла Мареном Марсенею. З борту одного човна у воду спустили дзвін. На відстані більше 13 км від першого човна перебувала друга. На першому човні били в дзвін і одночасно підпалювали порох. На другий човні фіксували час спалаху, а потім час приходу звуку від дзвони. Розділивши відстань на час, отримали швидкість звукової хвилі в воді.
Найвищу швидкість звук має в твердому середовищі. Наприклад, в стали вона досягає більше 5000 м / с.
Що відбувається в повітрі при виникненні коливання?
Чи будуть відрізнятися звуки в вакуумі?