Теория:
Наше ухо постоянно слышит различные звуки. Чаще всего звук распространяется по воздуху, но может распространяться и в других средах. Эти среды называют упругими.
Если между ухом и источником звука удалить звукопередающую среду, то мы ничего не услышим. Это означает, что для передачи звука на расстояние необходима звукопередающая среда.
Пример:
Чтобы изолировать источник звука (будильник) от звукопередающей среды (воздуха), поместим его в установку, где сможем откачать воздух (рис. \(1\)).
Рис. \(1\). Эксперимент с будильником в вакууме
Для чистоты эксперимента послушаем будильник в воздушной среде под колоколом воздушного насоса. Звук слышен очень хорошо. Постепенно начнём откачивать воздух. Громкость звука уменьшается. При достижении вакуума под колоколом звук перестаёт передаваться — будильник не слышно. Этим экспериментом мы подтвердили утверждение о том, что в отсутствие упругой среды звук не передаётся.
Звуковые волны распространяются в упругой среде. Чем больше плотность вещества, тем лучше оно проводит звук.
Проведём эксперимент с доской из древесины (рис. \(2\)). Сможем ли мы расслышать тиканье часов на расстоянии, приложив ухо к одному концу доски, а к другому - наручные часы? Звук хорошо передаётся по доске.
Рис.\(2\). Эксперимент с доской из древесины
Если подвесить металлическую ложку на верёвочке (рис. \(3\)) и привязать другой конец к пальцам, то вибрация будет им передаваться. Проволока из металла будет лучше проводить звук.
Рис. \(3\). Эксперимент с ложкой и верёвочкой
Тела с низкой плотностью, не обладающие упругостью, содержащие звукоизолирующие слои (например, прослойку воздуха) проводят звук в меньшей степени. Например, пробка, поролон, вата.
Чтобы изолировать помещение от посторонних или ненужных звуков, необходимо облицевать потолок, стены и даже пол различными звукопоглощающими материалами. Для этих целей используют минеральную, базальтовую или хлопковую вату, а также газостекло, пенобетон, вспененный полиуретан и меламин и др. Все эти материалы в порах содержат воздух, что и способствует поглощению звука.
Таким образом,
звук может распространяться в любой среде (твёрдой, жидкой и газообразной), где есть молекулы. И не может распространяться там, где молекул нет, т.е. в вакууме.
Колебания источника звука создают в окружающей среде волну звуковой частоты, которая является упругой волной.
Восприятие звука слуховым аппаратом (рис. 4):
- Волна, достигая наружного уха, воздействует на барабанную перепонку, что заставляет её колебаться с точно такой же частотой, с какой колеблется источник звука.
- Колебания барабанной перепонки передаются на слуховые косточки в среднем ухе, далее — во внутреннее ухо.
- Во внутреннем ухе колебания воздействуют на улитку, в которой есть волосковые клетки, которые преобразуют механические колебания в электрические нервные импульсы.
- Слуховой нерв передаёт электрические нервные импульсы от улитки в головной мозг.
- Мозг анализирует сигналы: распознаёт, сравнивает, интерпретирует.
Рис. \(4\). Строение слухового аппарата
В газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие волны. Поэтому звук в воздухе передаётся продольными волнами, то есть чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука.
Звуковая волна распространяется в пространстве с определённой скоростью.
Наблюдая за стрельбой из оружия (например, из пушки), мы сначала видим вспышку и только потом (через некоторое время) слышим звук выстрела.
Измерив промежуток времени \(t\) между моментом появления вспышки и моментом, когда звук доходит до уха, а также расстояние между источником звука и наблюдателем, можно определить скорость распространения звука по формуле:
.
По опытным данным, при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха \(0\) °С скорость звука составляет \(332\) м/с.
В газах скорость звука прямо пропорциональна температуре.
Например, при \(20\) °С скорость звука в воздухе равна \(343\) м/с, при \(60\) °С — \(366\) м/с, при \(100\) °С — \(387\) м/с.
При повышении температуры среды увеличивается скорость движения молекул (или атомов) среды, что повышает интенсивность взаимодействия частиц среды. Значит, увеличивается передача энергии колебательного движения.
На скорость распространения звука оказывает влияние среда, в которой распространяется звук. Это связано не только с плотностью среды, но и расположением частиц этой среды относительно друг друга.
При решении задач скорость звука в воздухе обычно считают равной \(340\) м/с.
При температуре \(0\) °С скорость звука в водороде равна \(1284\) м/с, а в углекислом газе — \(259\) м/с. Это различие связано с массой молекул газов, в которых распространяется звук. Масса молекул водорода меньше массы молекул углекислого газа.
Для измерения скорости звука существуют специальные устройства, принцип действия которых связан с определением времени, за которое звук проходит определенное расстояние.
Плотности жидкостей и твёрдых тел значительно больше плотностей газов. Поэтому молекулы в этих средах находятся значительно ближе друг к другу, а следовательно, взаимодействие между ними более сильное. Это способствует более быстрому распространению звука.
Формулы для расчёта скорости механической волны
\(\upsilon\) — скорость движения фронта волны:
1. звук распространяется равномерно: ;
2. скорость пропорциональна длине волны: ;
2. скорость пропорциональна длине волны: ;
3. скорость пропорциональна частоте колебаний: .
Источники:
Рис. 1. Эксперимент с будильником в вакууме. © ЯКласс.
Рис. 2. Эксперимент с доской из древесины. © ЯКласс.
Рис. 2. Эксперимент с доской из древесины. © ЯКласс.
Рис. 3. Эксперимент с ложкой и верёвочкой. © ЯКласс.
Рис. 4. Строение слухового аппарата. © ЯКласс.