Звукова хвиля — це механічна поздовжня хвиля певної частоти. У статті ми розберемося, що таке поздовжні і поперечні хвилі, чому не кожна механічна хвиля є звуковий. Дізнаємося швидкість хвилі і те, на яких частотах виникає звук. З’ясуємо, однаковий звук у різних середовищах і навчимося знаходити його швидкість за формулою.
Поява хвилі
Уявімо водну гладь, наприклад ставок в тиху погоду. Якщо кинути камінь, то на поверхні води ми побачимо розходяться від центру кола. А що буде, якщо ми візьмемо не камінь, а м’яч і будемо приводити його у коливальний рух? Круги будуть постійно породжуватися коливаннями м’яча. Ми побачимо приблизно те ж, що зображено на комп’ютерній анімації.
Якщо на деякій відстані від м’яча ми опустимо поплавок, то він теж буде коливатися. Коли коливання з часом розходяться по простору, цей процес називається хвилею.
Для вивчення властивостей звуку (довжини хвилі, швидкості хвилі та ін) підходить відома іграшка «Веселка», або Happy Rainbow.
Розтягнемо пружинку, дамо їй заспокоїтися і різко струснемо рухом вгору-вниз. Ми побачимо, що з’явилася хвиля, яка побігла по пружинці, а потім повернулася назад. Це означає, що вона відбилася від перешкоди. Ми спостерігали, як хвиля поширювалася на пружинці з плином часу. Частинки пружинки рухалися вгору-вниз по відношенню до свого рівноваги, а хвиля бігла вліво-вправо. Така хвиля називається поперечною. В ній напрям її поширення перпендикулярно напрямку коливання частинок. У нашому випадку середовищем поширення хвилі була пружинка.
Тепер розтягнемо пружинку, дамо їй заспокоїтися і смикнемо вперед-назад. Ми побачимо, що витки пружини стискаються вздовж неї. Хвиля біжить в цьому ж напрямку. В одному місці пружинка більш стиснута, в іншому більш розтягнута. Така хвиля називається подовжньої. Напрямок коливання частинок збігається з напрямом поширення.
Уявімо щільну середу, наприклад, тверде тіло. Якщо ми будемо деформувати його зрушенням, виникне хвиля. Вона з’явиться, завдяки діючим тільки в твердих тілах силам пружності. Ці сили відіграють роль повертають і породжують пружну хвилю.
Деформувати зрушенням рідина не вийде. В газах і рідинах поперечна хвиля поширюватися не може. Інша справа – поздовжня: вона поширюється в усіх середовищах, де діють сили пружності. В поздовжній хвилі частинки то зближуються, то віддаляються, а сама середовище стискається і разреживается.
Багато хто думає, що рідини несжимаемы, однак це не так. Якщо натиснути на поршень шприца з водою, вона трохи стиснеться. У газах теж можлива деформація стиснення-розтягування. При натисканні на поршень порожнього шприца повітря стискається.
Швидкість і довжина хвилі
Повернемося до анімації, яку ми розглядали на початку статті. Виберемо довільну точку на одному з розбіжних від умовного м’яча кіл і простежимо за нею. Точка віддаляється від центру. Швидкість, з якою вона переміщується, — це швидкість руху гребеня хвилі. Можемо зробити висновок: одна з характеристик хвилі — це швидкість хвилі.
На анімації видно, що гребені хвилі розташовуються на однаковій відстані. Це і є довжина хвилі – ще одна її характеристика. Чим частіше хвилі, тим менше їх довжина.
Чому не всяка механічна хвиля є звуковий
Візьмемо алюмінієву лінійку.
Вона пружна, тому підійде для досвіду. Покладемо лінійку на край столу і притиснемо рукою так, щоб вона сильно виступала. Натиснемо на її край і різко відпустимо — вільна частина почне вібрувати, але звуку при цьому не буде. Якщо висунути лінійку тільки трохи, то коливання короткого краю створять звук.
Що показує цей досвід? Він демонструє, що звук виникає тільки тоді, коли тіло рухається досить швидко, коли швидкість хвилі в середовищі висока. Введемо ще одну характеристику хвилі — частоту. Ця величина показує, скільки коливань в секунду робить тіло. Коли ми створюємо в повітрі хвилю, то звук виникає при певних умовах — при досить великій частоті.
Важливо розуміти, що звук — це не хвиля, хоча він і має відношення до механічних хвиль. Звук — це відчуття, яке виникає при попаданні в вухо звукових (акустичних) хвиль.
Повернемося до лінійки. Коли висунута велика частина, то лінійка коливається і не видає звук. Створюється при цьому хвиля? Звичайно, але це механічна хвиля, а не звукова. Тепер можна дати визначення звукової хвилі. Це механічна поздовжня хвиля, частота якої знаходиться в діапазоні від 20 Гц до 20 тис. Гц. Якщо частота менше 20 Гц або більше 20 КГц, то ми її не почуємо, хоч коливання і виникнуть.
Джерело звуку
Джерелом акустичних хвиль може бути будь-коливне тіло, для цього лише потрібна пружна середовище, наприклад, повітря. Вібрувати може не тільки тверде тіло, але і рідина, і газ. Повітря як суміш декількох газів може бути не тільки середовищем поширення — він сам здатний породжувати акустичну хвилю. Саме його коливання лежать в основі звучання духових інструментів. Флейта або труба не коливаються. Це повітря разреживается і стискається, надає певну швидкість хвилі, в результаті чого ми чуємо звук.
Поширення звуку в різних середовищах
Ми з’ясували, що звучать різні речовини: рідкі, тверді, газоподібні. Те ж саме стосується здатності проводити акустичну хвилю. Звук поширюється у будь пружному середовищі (рідкому, твердому, газоподібному), крім вакууму. У безповітряному просторі, припустимо, на Місяці, ми не почуємо звуку вібруючого тіла.
Велика частина звуків, що сприймаються людиною, поширюється в повітрі. Риби, медузи чують акустичну хвилю, розходиться по воді. Ми, якщо пірнемо під воду, теж почуємо шум пропливає поряд моторного човна. Причому довжина хвилі і швидкість хвилі будуть вище, ніж у повітрі. Це означає, що звук мотора першим почує людина, що плаває з аквалангом під водою. Рибак, який в цьому ж місці сидить у своїй човні, почує шум пізніше.
У твердих тілах звук поширюється ще краще, а швидкість хвилі – вище. Якщо прикласти твердий предмет, особливо з металу, до вуха і постукати по ньому, буде дуже добре чутно. Ще один приклад — це власний голос. Коли ми вперше чуємо свою промову, попередньо записану на диктофон або з відео, голос здається чужим. Чому так відбувається? Тому що в житті ми чуємо не стільки звукові коливання з свого рота, скільки коливання хвиль, що проходять по кістках нашого черепа. Звук, відбитий від цих перешкод, дещо змінюється.
Швидкість звуку
Швидкість звукової хвилі, якщо розглядати один і той же звук, буде неоднаковою в різних середовищах. Чим щільніше середовище, тим швидше звук досягає нашого вуха. Поїзд може їхати так далеко від нас, що стукіт коліс буде ще не чути. Однак якщо прикласти вухо до рейок, ми чітко почуємо гомін.
Це говорить про те, що в твердих тілах звукова хвиля, що біжить швидше, ніж у повітрі. На малюнку представлені значення швидкості звуку в різних середовищах.
Рівняння хвилі
Швидкість, частота і довжина хвилі взаємопов’язані. У тіл, які вібрують з високою частотою, хвиля коротше. Низькочастотні звуки чутно на більшій відстані, тому що у них довша хвиля. Існує два рівняння хвилі. Вони ілюструють взаємозалежність характеристик хвилі один від одного. Знаючи будь-які дві величини з рівнянь, можна обчислити третій:
з = ν × λ,
де з — швидкість, ν — частота, λ — довжина хвилі.
Друге рівняння акустичної хвилі:
з = λ / Т,
де Т — це період, тобто час, за який тіло робить одне коливання.
