От чего зависит скорость распространения, длина и частота в разных средах
Звуковые волны могут распространяться в разных средах за исключением безвоздушного пространства, например, Космоса. Если под воздухонепроницаемый колпак, из-под которого откачан воздух, поместить электрический звонок и включить его, то звука слышно не будет.
В воздухе скорость распространения звука впервые определили в 17 веке. Ученые Миланской академии наук установили на одном холме пушку, а на другом — наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке), и в момент приема звука. Вычислили скорость, она оказалась равной 330 метров в секунду.
В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились на расстоянии 13850 метров друг от друга. Под днище первой лодки подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). Во время удара в колокол на второй лодке включили секундомер. После вычислений выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 раза быстрее, чем в воздухе: со скоростью 1450 метров в секунду.
В твердых телах скорость распространения звука тоже выше, чем в газах, что обусловлено наличием кристаллической решетки. Особенно наглядно это проявляется в металлах: например, при 0 °С у железа эта величина достигает 5130 м/с.
Сравнительная таблица распространения звуковых волн в различных средах
| Среда | Скорость распространения звука, м/с | Длина звуковой волны при частоте 500Гц, м |
| резина | 54 | — |
| двуокись углерода при 0 °С | 258 | — |
| воздух при 0 °С | 332 | — |
| воздух при 20 °С | 340 | 0,68 |
| пробка | 500 | 1 |
| водород при 0 °С | 1286 | — |
| свинец | 1300 | — |
| вода при 0 °С | 1485 | 3 |
| кирпичная кладка | 3480 | — |
| гранит | 3950 | — |
| дерево | 4000 | 7 |
| бетон | 4250 | 8 |
| стекло | 5000 | — |
| сталь | 5010 | — |
Длина звуковой волны при различных частотах для воздуха (скорость звука 340 м/с):
| Частота, Гц | Длина волны, м |
| 20 | 17 |
| 100 | 3,4 |
| 500 | 0,68 |
| 1000 | 0,34 |
| 8000 | 0,04 |
| 20000 | 0,017 |
Вывод:
Основные физические формулы для расчета параметров звуковой волны приведены в разделе 2.
Здесь рассмотрены частные случаи.
Для определения скорости звука с (м/с) в зависимости от среды используют следующие формулы:
Слуховой аппарат и многие измерительные приборы чувствительны не к интенсивности звука I, а к среднему квадрату звукового давления, поэтому на практике используется величина уровень звукового давления (SPL), которую принято связывать с мощностью источника звука в ваттах.
- РдБ — зависимость уровня звукового давления (дБ) от мощности источника звука (Вт),
- Рвт — мощность источника звука (Вт),
- Роп — опорное значение мощности (Вт).
На практике значение Роп принимают равным 1 Вт, следовательно, формулу можно представить следующим образом:
Данная формула очень актуальна и на техническом языке называется пересчет ватт в децибелы.
Звуковая волна — что это такое в физике
Они распространяются по следующей схеме:
Источник звука (голосовые связки, струна, движение воздуха) ⇒ упругая среда (твердая, жидкая или газообразная) ⇒ приемник звука (ухо, микрофон).
Человеческое ухо способно воспринимать колебания с частотой примерно от 16 до 20000 колебаний в секунду. Такие колебания называются звуковыми, или акустическими. Также есть колебания, которые ухо человека не воспринимает: см.таблицу 1.
| Колебания | Инфразвук | Звуковые (то, что мы слышим) | Ультразвук | Гиперзвук |
| Диапазон | 0,1 — 16 Гц | 16 Гц — 20 000 Гц | 20 000 Гц — 109 Гц | 109 Гц — 1013 Гц |
| Источники |
Природные: шум морских волн, магнитные бури, лавины, извержения вулканов, разряды молнии и т.д; киты и слоны. Техногенные: потоки движущихся машин, шум газотурбинной установки, двигатели ракет и реактивных самолетов. |
Физические тела, которые колеблются (дрожат или вибрируют) с частотой от 16 до 20 000 раз в секунду. Вибрирующее тело может быть:
|
Природные: шум ветра, дождя, раскаты грома; дельфины, киты, грызуны и летучие мыши. Техногенные: приборы и оборудование медицинского, промышленного и бытового назначения, генерирующие ультразвуковые колебания. |
Естественные: тепловые колебания атомов вещества. Искусственные: генераторы специальных лазерных излучателей. |
| Особенности | Типичным примером является вибрация. Слабо поглощаются разными средами, поэтому могут перемещаться на значительные расстояния по поверхности земли, воды и воздуха. | Подробно см. пункты 2 и 3. | Продольная механическая волна.Распространяясь, образует чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды.Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы. Но УЗ-волны имеют значительно меньшую длину волны. Поэтому их легче фокусировать в нужном направлении и концентрировать в небольшом объеме. |
Сравнительно хорошо распространяется в твердых средах (монокристаллы), хуже в жидких средах, не могут распространяться в газах, в том числе, воздухе. Гиперзвук характеризуется частотами, соответствующими частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (сверхвысокие частоты СВЧ). |
| Применение | Используется для разрушения крупных объектов, дробления почвы и руды. | Изобретения человека: музыкальные инструменты, акустические динамики, телефон и многие другие. |
|
|
Как возникают звуки?
Звуки возникают в тех случаях, когда крохотные частицы, образующие
воздух, совершают очень быстрые и короткие движения вперед-назад. Такие
движения называются колебательными.
Когда вы ударяете по барабану, его поверхность колеблется и
сталкивается с частицами воздуха. Частицы воздуха, в свою очередь,
сталкиваются с другими такими же частицами, находящимися рядом с ними.
Звук распространяется в виде воля колеблющегося воздуха. Эти волны
расходятся широкими кругами. Сильные колебания вызывают громкие звуки,
а слабые, соответственно, тихие. Излучают звук колеблющиеся тела:
струна, камертон (если по ним ударить), колебания воздуха в прорези
свистка, колебания голосовых связок и т. п.
Воздух — это смесь газов. Молекулы газов, составляющие воздух,
находятся в беспорядочном тепловом движении, беспрерывно сталкиваются
друг с другом и разлетаются. За 1 секунду каждая молекула сталкивается
с другими миллиарды раз. Скорость их движения достигает 1000 м/сек.
Атмосфера существует на Земле только благодаря притяжению планеты; если
бы оно исчезло, все молекулы воздуха немедленно улетели бы в
межзвездное пространство. Притяжение Земли создает и атмосферное
давление. Но молекулы воздуха не падают на Землю, подобно камню, так
как они обладают кинетической энергией, беспрерывно обмениваются ею
друг с другом, противодействуют сжимающему их давлению. Это значит, что
газ обладает упругостью: он сопротивляется сжатию, а когда давление
снято, расширяется, занимая весь предоставленный ему объем. Упругостью
обладают и жидкости и твердые тела.
В твердых телах и в жидкостях действуют большие силы
межмолекулярного притяжения. Их молекулы не могут разойтись на
расстояние большее, чем позволяют эти силы. В газах же такие силы очень
слабы и их молекулы сближает только внешнее давление.
Упругость воздуха выражается в том, что любое давление на воздух
передается им равномерно во все стороны. Поэтому и возможна в воздухе
передача упругих волн, т. е. сжатий и разрежений газа, созданных любым
посторонним телом.
Из всего многообразия упругих волн звуковыми называют лишь те из
них, которые способен воспринимать наш орган слуха. Возникновение,
распространение и свойства звуковых волн изучаются специальным разделом
физики — акустикой.
Почему звуки отличаются друг от друга?
Когда частицы воздуха колеблются очень быстро, звуковые волны
следуют вплотную одна за другой. В таких случаях вы слышите высокий
звук, вроде птичьего чирикания.
Если же частицы воздуха колеблются медленно, то расстояние между
звуковыми волнами увеличивается. Тогда вы слышите низкий звук, вроде
пыхтения грузовика. Скорость колебаний называется звуковой частотой.
Что такое эхо?
Когда звуковые волны встречают на пути твердую преграду, например
утес, часть из них проходит сквозь нее. Другие же отскакивают назад,
подобно морским волнам, разбивающимся об утес.
При этом звуковые волны устремляются через воздух обратно к
первоначальному источнику звука. В таких случаях вы вновь слышите тот
же звук, на этот раз в виде эха. Лучшее эхо бывает от коротких и
громких звуков.
Рыболовные суда обнаруживают косяки рыб при помощи высоких звуков,
распространяемых ими в толще воды. Натыкаясь на скопление рыб, эти
звуки отражаются от них, а бортовой компьютер фиксирует эхо и по нему
определяет местонахождение косяка.
