Глава 25. ЗВУК И УЛЬТРАЗВУК
§ 25.1. Природа звука. Звуковые волны.
Выясним физическую природу звуковых явлений.
Как известно, для получения чистого звука пользуются камертоном. Когда камертон издает звук, то шарик отскакивает от его ножки, так как она колеблется (рис. 25.1). Опыт показывает, что источником звука всегда является какое-либо колеблющееся тело, которое в процессе своих колебаний создает в окружающей среде механические волны (рис. 25.2). Когда эти волны достигают уха человека, то они приводят в вынужденные колебания барабанную перепонку внутри уха, и человек ощущает звук. Механические волны, которые вызывают у человека ощущение звука, называют звуковыми.
Звуковые волны в воздухе состоят из сгущений и разрежений, т. е. являются продольными. Ясно, что ощущение звука человек может получить только в том случае, когда между источником звука и ухом человека имеется среда, в которой могут распространяться звуковые волны. Через безвоздушное пространство звук передаваться не может. Это подтверждается следующим опытом. Электрический звонок подвешивают на малоупругих нитях, включают в сеть и накрывают стеклянным колпаком (рис. 25.3). После этого звук работающего звонка все же явственно слышен. Затем приводят в действие насос, выкачивающий воздух из-под колпака. По мере разрежения воздуха под колпаком звук слабеет и при достаточно большом разрежении совсем исчезает.
Рис. 25.1,
Рис. 25.2,
Рис. 25.3,
Изучение звуковых явлений показало, что далеко не всякие механические волны могут вызвать ощущение звука у человека. Оказывается, что только волны, частота колебаний которых находится в пределах от 16 до 20 000 Гц, являются звуковыми (верхняя и нижняя граннцы частот этих колебаний у отдельных люден могут немного отличаться от указанных).
Итак, человек ощущает звук, если выполняются следующие условия:
1) имеется источник звука, создающий колебания о частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц;
2) имеется упругая среда между ухом и источником звука;
3) мощность звуковых волн достаточна для получения ощущения звука у человека.
§ 25.2. Скорость звука. Каждый из нас знает, что при грозе сначала видишь вспышку молнии, а затем уже слышишь гром. Это явление объясняют тем, что скорость распространения света в сотни тысяч раз превышает скорость распространения звука. Так как время распространения светового сигнала очень мало, то при определении скорости звука его можно не учитывать.
Опыт для определения скорости звука в воздухе ставят следующим образом. Два человека располагаются на определенном расстоянии друг от друга (около 1—2 км). Один из них дает световой сигнал, сопровождающийся громким звуком (например, стреляет в воздух), а другой пускает в ход секундомер в момент, когда видит световой сигнал, и останавливает его, когда слышит звук. Определив по секундомеру время распространения звука, легко вычислить его скорость. Такого рода опыты показали, что скорость распространения звука в воздухе при 0 °С равна 332 м/с и возрастает при повышении температуры.
Поскольку скорость распространения волн зависит от среды и внешних условий, скорость звука тоже зависит от среды. Например, скорость звука в воде составляет 1450 м/с, а в стали 5000 м/с. (Объясните, почему, приложив ухо к рельсу, можно услышать приближение поезда раньше, чем по воздуху.)
