Звукові хвилі і їх характеристики. Звукові хвилі навколо нас
Звук являє собою звукові хвилі, які викликають коливання найдрібніших частинок повітря, інших газів, а також рідких і твердих середовищ. Звук може виникати тільки там, де є речовина, що не важливо, в якому агреатном стані воно знаходиться. В умовах вакууму, де відсутня будь-яка середу, звук не поширюється, тому що там відсутні частинки, які і виступають розповсюджувачами звукових хвиль. Наприклад, у космосі. Звук може модифікуватися, видозмінюватися, перетворюючись на інші форми енергії. Так, звук, перетворений в радіохвилі або в електричну енергію, можна передавати на відстані і записувати на інформаційні носії.
Звукова хвиля
Руху предметів і тіл практично завжди стають причиною коливань навколишнього середовища. Не важливо, вода це чи повітря. У процесі цього частинки середовища, якій передаються коливання тіла, також починають коливатися. Виникають звукові хвилі. Причому рухи здійснюються в напрямках вперед і назад, поступально змінюючи один одного. Тому звукова хвиля є поздовжньої. Ніколи в ній не виникає поперечного руху вгору і вниз.
Характеристики звукових хвиль
Як і будь-яке фізичне явище, вони мають свої величини, за допомогою яких можна описати властивості. Основні характеристики звукової хвилі - це її частота і амплітуда. Перша величина показує, яка кількість хвиль утворюється за секунду. Друга визначає силу хвилі. Низькочастотні звуки мають низькі показники частоти, і навпаки. Частота звуку вимірюється в Герцах, і якщо вона перевищує 20 000 Гц, то виникає ультразвук. Прикладів низькочастотних і високочастотних звуків у природі і навколишньому людини світі достатньо. Щебетання солов'я, гуркіт грому, гуркіт гірської річки та інші - це все різні звукові частоти. Значення амплітуди хвилі безпосередньо залежить від того, наскільки звук гучний. Гучність ж, у свою чергу, зменшується в міру віддалення від джерела звуку. Відповідно, і амплітуда тим менше, чим далі від епіцентру знаходиться хвиля. Іншими словами, амплітуда звукової хвилі зменшується при видаленні від джерела звуку.
Швидкість звуку
Цей показник звукової хвилі знаходиться в прямій залежності від характеру середовища, в якому вона поширюється. Значиму роль тут відіграють і вологість, і температура повітря. У середніх погодних умовах швидкість звуку становить приблизно 340 метрів в секунду. У фізиці існує таке поняття, як надзвукова швидкість, яка завжди за значенням більше, ніж швидкість звуку. З такою швидкістю поширюються звукові хвилі при русі літака. Літак рухається з надзвуковою швидкістю і навіть обганяє звукові хвилі, створювані ім. Внаслідок тиску, що поступово збільшується позаду літака, утворюється ударна звукова хвиля. Цікава й мало кому відома одиниця виміру такій швидкості. Називається вона Мах. 1 Мах дорівнює швидкості звуку. Якщо хвиля рухається зі швидкістю 2 Маха, значить, вона поширюється в два рази швидше, ніж швидкість звуку.
Шуми
У повсякденному житті людини присутні постійні шуми. Вимірюється рівень шуму в децибелах. Рух автомобілів, вітер, шелест листя, переплетення голосів людей та інші звукові шуми є нашими супутниками щодня. Але до таких шумів слуховий аналізатор людини має можливість звикати. Однак існують і такі явища, з якими навіть пристосувальні здатності людського вуха не можуть впоратися. Наприклад, шум, що перевищує 120 дБ, здатний викликати відчуття болю. Найгучніша тварина - синій кит. Коли він видає звуки, його можна почути на відстані більше 800 кілометрів.
Ехо
Як виникає луна? Тут все дуже просто. Звукова хвиля має здатність відбиватися від різних поверхонь: від води, від скелі, від стін в порожньому приміщенні. Ця хвиля повертається до нас, тому ми чуємо вторинний звук. Він не такий чіткий, як первісний, оскільки деяка енергія звукової хвилі розсіюється при русі до перешкоди.
Ехолокація
Відображення звуку використовується в різних практичних цілях. Наприклад, ехолокація. Вона заснована на тому, що за допомогою ультразвукових хвиль можна визначити відстань до об'єкта, від якого ці хвилі відбиваються. Розрахунки здійснюються при вимірюванні часу, за який ульразвук добереться до місця і повернеться назад. Здатністю до ехолокації володіють багато тварин. Наприклад, летючі миші, дельфіни використовують її для пошуку їжі. Інше застосування ехолокація знайшла в медицині. При дослідженнях за допомогою ультразвуку утворюється картинка внутрішніх органів людини. В основі такого методу знаходиться те, що ультразвук, потрапляючи в відмінну від повітря середу, повертається назад, формуючи таким чином зображення.
Звукові хвилі в музиці
Чому музичні інструменти видають ті чи інші звуки? Гітарні перебори, наспіви піаніно, низькі тони барабанів і труб, чарує тонкий голосок флейти. Всі ці та багато інших звуки виникають унаслідок коливань повітря або, іншими словами, через появу звукових хвиль. Але чому звучання музичних інструментів настільки різноманітне? Виявляється, це залежить від деяких факторів. Перше - це форма інструменту, друге - матеріал, з якого він виготовлений.
Розглянемо це на прикладі струнних інструментів. Вони стають джерелом звуку, коли на струни впливають киснем. Внаслідок цього вони починають виробляти коливання і посилати в навколишнє середовище різні звуки. Низький звук якого-небудь струнного інструменту обумовлений більшою товщиною і довжиною струни, а також слабкістю її натягу. І навпаки, чим сильніше натягнута струна, чим вона тонше і коротше, тим більш високий звук виходить в результаті гри.
Дія мікрофона
Воно засноване на перетворенні енергії звукової хвилі в електричну. У прямій залежності при цьому перебувають сила струму і характер звуку. Усередині будь-якого мікрофона розташована тонка пластина, виконана з металу. При впливі звуком вона починає здійснювати коливальні рухи. Спіраль, з якою з'єднана пластинка, також вібрує, в результаті чого виникає електричний струм. Чому він з'являється? Це пов'язано з тим, що в мікрофоні також вбудовані магніти. При коливаннях спіралі між його полюсами і утворюється електричний струм, який йде по спіралі і далі - на звукову колонку (гучномовець) або до техніки для запису на інформаційний носій (на касету, диск, комп'ютер). До речі, аналогічну будову має мікрофон в телефоні. Але як діють мікрофони на стаціонарному та мобільному телефоні? Початкова фаза однакова для них - звук людського голосу передає свої коливання на пластинку мікрофона, далі все за описаним вище сценарієм: спіраль, яка при русі замикає два полюси, створюється струм. А що далі? Зі стаціонарним телефоном все більш-менш зрозуміло - як і в мікрофоні, звук, перетворений в електричний струм, біжить по дротах. А як же йде справа з стільниковим телефоном або, наприклад, з рацією? У цих випадках звук перетворюється на енергію радіохвиль і потрапляє на супутник. От і все.
Явище резонансу
Іноді створюються такі умови, коли амплітуда коливань фізичного тіла різко зростає. Це відбувається внаслідок зближення значень частоти вимушених коливань і власної частоти коливань предмета (тіла). Резонанс може приносити як користь, так і шкоду. Наприклад, щоб визволити машину з ямки, її заводять і штовхають взад-вперед для того, щоб викликати резонанс і додати автомобілю інерцію. Але бували й випадки негативного наслідки резонансу. Наприклад, в Петербурзі приблизно сто років тому обвалився міст під синхронно крокуючими солдатами.
