Уравнение звуковой волны длина волны

Звуковые волны, виды, длина волны и скорость звука.

Сегодня мы продолжим изучать звук и разберёмся что такое звуковые волны, какие бывают их виды, что такое длина волны и какая скорость у звука.

Звуковые волны

Звук создаётся с помощью механических колебаний голосового аппарата или различных элементов музыкальных инструментов. Подробнее о механических колебаниях мы говорили вот в этой статье ( читать ).

Распространяется звук посредством передачи энергии механических колебаний частицам среды в виде звуковых волн. Как это происходит написано вот здесь .

Виды звуковых волн

Звуковые волны делятся на продольные. Это когда направление движения частиц совпадает с направлением распространения энергии механических колебаний в упругой среде. И на поперечные. Это когда направление движения частиц перпендикулярно распространению возмущения.

В газах (к ним относится и воздух) распространяются только продольные волны, в твердых могут быть оба вида.

Скорость звуковой волны

Если сделать движение рукой туда и обратно, то с воздухом ничего особенного не произойдет, кроме того, что его частицы сместятся в пространстве. Если бы мы могли махать рукой сто раз в секунду, то произошло бы совсем другое. У воздуха не было бы времени освобождать путь движущейся руки. И он стал бы сжиматься, когда рука движется вперёд и разрежаться, когда она возвращалась.

Благодаря упругости в процессе таких колебаний при движении поверхности тела вперёд каждая частица воздуха толкает находящуюся впереди частицу, та следующую и т. д. При обратном движении поверхности тела сжатие сменяется разряжением, за которым опять следует сжатие.

Эти волны сжатия и разряжения передаются от одного участка к другому с определённой скоростью.

В упругой среде они распространяются со скоростью, зависящей от материала среды и от того, насколько близко расположены друг к другу его атомы и молекулы.

В газах плотность не влияет на скорость. Например, в воздухе важным параметром является его температура. Но об этом ещё поговорим.

Отметим, что скорость звука в воздухе абсолютно не зависит от числа колебаний поверхности тела. Напомним, что число колебаний в секунду (точнее один период) называется Герц (Гц). Также скорость смещения частиц и скорость звуковой волны это совершенно разные величины. Скорость частиц зависит от частоты и амплитуды звукового сигнала. А скорость звука только от свойств среды (температура, плотность, упругость).

Формулы

Зависимость скорости звуковой волны от свойств среды, где она распространяется, рассматривается по формуле:

E — коэффициент упругости среды, определяет силу взаимодействия частиц друг с другом; p = m/V (кг/м³) — плотность среды. У твердых тел упругость больше, чем у жидкости и газа. Поэтому соотношение скоростей звука будет таким:

Скорость звука в газах может быть представлена следующей формулой:

γ = cp/сv — отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении к удельной теплоёмкости при постоянном объёме.

P атм — атмосферное давление, которое связано с температурой газообразной среды.

Главное, что нужно понять из этой формулы, это то, что в газообразной среде скорость звука сильно зависит от температуры (чем горячее, тем быстрее двигаются молекулы, имеет большую энергию и быстрее передают механическое возбуждение)

В воздухе скорость звука (при нормальном атмосферном давлении) приближенно можно представить так:

C = (331 + 0,6 T °) м/c

T ° — градусы Цельсия.

Например, при температуре 20 °C скорость звука равна 343 м/с

C = (331 + 0,6 × 20) = 343

При 0 °C, скорость звука равна 331 м/с, при — 20 °C = 319 м/с.

Такая зависимость особенно важна для духовых музыкальных инструментов при их настройке. Поэтому их нужно прогревать перед исполнением.

Ещё важно, что связь звуковых колебаний с размерами источника звука, которые не изменяются с температурой, не означают постоянства частоты, так как последняя зависит от скорости звука, растущей с повышением температуры. Струнные в этом случае можно подстроить. А вот вибрирующий столб во многих духовых инструментах подстроить нельзя. Ведь колебания возникают в воздушной полости инструмента, а их частота зависит от размеров полости и скорости истечения воздушных масс из неё. Например, у флейты высота звука увеличивается на полтона при повышении температуры на 15 °C.

Если переводить в км/ч, то 343 м/с, это 1235 км/ч. Это довольно быстро для человека или автомобиля. Но мало по сравнению со скоростью света 300 000 км/c.

Заканчивая о скорости звука, отметим, что скорость звука не зависит от частоты. Так как в воздушной среде отсутствует дисперсия — зависимость скорости распространения звука от частоты. Если бы в воздухе была бы дисперсия, мы не смогли бы слушать музыку в зале: все звуки, исполненные одновременно, приходили бы к слушателю в разное время.

Длина волны

Когда происходит одно сжатие и одно разрежение плотности среды происходит один период колебания. Поэтому расстояние между двумя сжатиями или двумя разряжениями звуковой волны и равно длине волны.

Если мы знаем частоту звука (количество волн в секунду), то мы можем вычислить расстояние между соседними соответствующими точками распространяющихся волн.

Допустим звук с известной нам скоростью 340 м/с имеет частоту 340 Гц. При этих параметрах длина волны будет равна 1 метру.

Формула для расчёта длины волны

А формула вычислений такая:

λ — длина волны, c — скорость, f — частота.

Конечно, эти расчеты являются приближенными. Так как мы уже знаем, что скорость звука в воздухе зависит от температуры, давления. Но на практике, чтобы рассчитать толщину звукопоглотителя для ослабления звука определённого диапазона частот или для оценки размера мембраны микрофона, этого вполне достаточно.

Музыкальные ноты имеет определённые частоты, значит и определённую длину волн. Например, у фортепиано верхняя октава создаёт звуки в районе 2 см, а нижняя около 10 м. Но дека фортепиано не очень эффективно генерирует эти звуки, в отличии, например, от органа. Почему?

Вернёмся к нашей руке. Допустим мы всё-таки наделены сверх способностями и можем махать рукой 100 раз в секунду = 100 Гц. Этот источник звука был бы всё равно несовершенен, так как часть воздуха огибала его сбоку. Чтобы этого не было, источник для таких низких частот должен быть гораздо большего размера (например, дека фортепиано более эффективна, поскольку потери на её краях невелики, а органа ещё эффективнее). Если же вибратор колеблется очень быстро воздух не успевает растекаться по сторонам. Поэтому для очень высоких частот даже малые поверхности могут быть эффективными излучателями звука.

Спасибо, что читаете New Style Sound. Подписывайтесь и делитесь с друзьями.

Уравнение звуковой волны длина волны

Перед тем, как приступить к рассмотрению темы, дадим определение такому явлению, как звук.

Звук или звуковые волны – это волны, которые способно воспринять человеческое ухо.

При этом звуковые частоты имеют диапазон: примерно от 20 Г ц до 20 к Г ц .

Инфразвук – звуковые волны, имеющие частоту менее 20 Г ц .

Ультразвук – волны звука, имеющие частоту более 20 к Г ц .

Волнам звукового диапазона свойственно распространяться как в газе, так и в жидкости (продольные волны), и в твердом теле (продольные и поперечные волны). Особенно интересно для науки заниматься изучением распространения звуковых волн в газообразной среде, что по сути есть среда нашего обитания.

Акустика – это направление физики, занимающееся изучением звуковых явлений.

Когда звук получает распространение в газе, атомы и молекулы испытывают колебания вдоль направления распространения волны, следствием чего становится изменение локальной плотности ρ и давления p .

Звуковые волны в газе зачастую называют волнами плотности или волнами давления.

В случае простых гармонических звуковых волн, получающих распространение вдоль оси O X , изменение давления p ( x , t ) имеет зависимость от координаты x и времени t , которая записывается так:

p ( x , t ) = p 0 cos ω t ± k x .

В аргументе косинуса мы видим два противоположных знака, что имеет отношение к двум направлениям распространения волны. Запишем выражение, которое покажет соотношение таких величин, как круговая частота ω , волновое число k , длина волны λ , скорость звука υ (соотношение будет таким же, как применимо для поперечных волн в струне или резиновом жгуте):

υ = λ T = ω k ; k = 2 π λ ; ω = 2 π f = 2 π T .

Одной из ключевых характеристик звука является скорость распространения.

Скорость распространения – величина, описывающая звуковую волну, задаваемая инертными и упругими свойствами среды и определяемая для продольных волн в любой однородной среде при помощи формулы:

В указанной формуле B является модулем всестороннего сжатия, ρ – средней плотностью среды.

Формула Лапласа

Первые попытки рассчитать значение скорости звука предпринял Ньютон, предположив равенство упругости воздуха атмосферному давлению p а т м . В таком случае значение скорости звука в воздушной среде – менее 300 м / с , в то время как истинная скорость звука при нормальных условиях (температура 0 ° С и давление 1 а т м ) равна 331 , 5 м / с , а скорость звука при температуре 20 ° С и давлении 1 а т м составит 343 м / с . Лишь по прошествии более ста лет было показано, почему предположение Ньютона не выполняется. Французский физик П. Лаплас указал, что ньютоновское видение равносильно предположению о быстром выравнивании температуры между областями разрежения и сжатия, и невыполнение его связано с плохой теплопроводностью воздуха и малым периодом колебаний в звуковой волне. В действительности между областями разрежения и сжатия газа появляется разность температур, существенным образом влияющая на упругие свойства. Лаплас, в свою очередь, выдвинул предположение, что сжатие и разрежение газа в звуковой волне происходят в соответствии с адиабатическим законом: в отсутствии влияния теплопроводности. В 1816 году физик вывел формулу, предназначенную для расчета скорости звуковой волны в воздухе и получившей название формулы Лапласа.

Формула Лапласа для определения скорости звука имеет запись:

Где p является значением среднего давления в газе, ρ – средней плотности, а γ есть некоторая константа, находящаяся в зависимости от свойств газа.

В нормальных условиях скорость звука, рассчитанная по формуле Лапласа, равна υ = 332 м / с .

В термодинамике имеется доказательство, что константа γ представляет собой отношение теплоемкостей при постоянном давлении C p и постоянном объеме C V .

Формула Лапласа может быть записана несколько иначе, если использовать уравнение состояния идеального газа. Таким образом, окончательный вид формулы для определения скорости звука будет такой:

В данной формуле T – абсолютная температура, M – молярная масса,
R = 8 , 314 Д ж / м о л ь · К – универсальная газовая постоянная. Скорость звука находится в сильной зависимости от свойств газа: скорость звука тем больше, чем легче газ, в котором звуковая волна получает распространение.

Для наглядности приведем некоторые примеры.

Когда звук распространяется в воздушной среде ( M = 29 · 10 – 3 к г / м о л ь ) при нормальных условиях: υ = 331 , 5 м / с ;

Когда звук распространяется в гелии ( M = 4 · 10 – 3 к г / м о л ь ) : υ = 970 м / с ;

Когда звук распространяется в водороде ( M = 2 · 10 – 3 к г / м о л ь ) : υ = 1270 м / с .

В жидкостях и твердых телах скорость звуковых волн еще больше. В воде, например, υ = 1480 м / с (при 20 ° С ), в стали υ = 5 – 6 к м / с .

Характеристики звуковых волн

Помимо скорости распространения звук имеет и другие характеристики, связанные с восприятием его человеческими органами слуха.

Громкость звука

Рассуждая о том, как человеческое ухо воспринимает звук, в первую очередь мы говорим об уровне громкости, который зависит от потока энергии или интенсивности звуковой волны. А то, как воздействует звуковая волна на барабанную перепонку, зависит от звукового давления.

Звуковое давление – это амплитуда p 0 колебаний давления в волне

Природа отлично потрудилась, создавая такое совершенное устройство, как человеческое ухо: оно способно воспринимать звуки в обширнейшем диапазоне интенсивностей. Мы имеем возможность слышать как слабый писк комара, так и грохот вулкана.

Порог слышимости – минимальное значение величины звукового давления, при котором звук этой частоты еще воспринимается человеческим ухом.

Болевой порог – это верхняя граница диапазона слышимости человека; та величина звукового давления, при котором звук вызывает в человеческом ухе ощущение боли.

Порог слышимости представляет собой значение p 0 около 10 – 10 а т м , т. е. 10 – 5 П а : такой слабый звук характеризуется колебанием молекул воздуха в волне звука с амплитудой всего лишь 10 – 7 с м ! Болевой же порог соответствует значению p 0 порядка 10 – 4 а т м или 10 П а . Т.е., человеческое ухо способно к восприятию волн, в которых звуковое давление изменяется в миллион раз. Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, диапазон интенсивностей оказывается порядка 10 12 !

Человеческое ухо, восприимчивое к звукам такого огромного диапазона интенсивности, допустимо сравнить с прибором, которым возможно измерить как диаметр атома, так и размеры футбольного поля.

Для общей информированности заметим, что обычным разговорам людей в комнате соответствует интенсивность звука, примерно в 10 6 раз превышающая порог слышимости, а интенсивность звука на рок-концерте находится очень близко к болевому порогу.

Высота звука

Высота звуковой волны – еще одна характеристика звука, влияющая на слуховое восприятие. Человеческие ухо воспринимает колебания в гармонической звуковой волне как музыкальный тон.

Высокий тон – это звуки с колебаниями высокой частоты.

Низкий тон – это звуки с колебаниями низкой частоты.

Звуки, которые издают музыкальные инструменты, а также звуки голоса человека значимо отличаются друг от друга по высоте тона и по диапазону частот.

К примеру, диапазон наиболее низкого мужского голоса – баса – находится в пределах примерно от
80 до 400 Г ц , а диапазон высокого женского голоса – сопрано – от 250 до 1050 Г ц .

Октава – это диапазон колебаний звука, который соответствует изменению частоты колебаний в 2 раза.

Скрипка, к примеру, звучит в диапазоне примерно трех с половиной октав ( 196 – 2340 Г ц ) ,
а пианино – семи с лишним октав ( 27 , 5 – 4186 Г ц ) .

Говоря о частоте звука, который извлекается при помощи струн любого струнного музыкального инструмента, будем иметь в виду частоту f 1 основного тона. Однако колебания струн содержат также гармоники, частоты f n которых отвечают соотношению:

f n = n f 1 , ( n = 1 , 2 , 3 , . . . ) .

Таким образом, звучащая струна способна излучать целый спектр волн с кратными частотами. Амплитуды A n этих волн имеют зависимость от способа возбуждения струны, будь то смычок или молоточек. Эти амплитуды необходимы для придания музыкальной окраски звуку (тембру).

Аналогичный процесс мы наблюдаем, когда звучат духовые музыкальные инструменте. Трубы духовых инструментов служат акустическими резонаторами – акустическими колебательными системами, имеющими способность возбуждаться (резонировать) от звуковых волн определенных частот. Определенные же условия способствуют возникновению внутри трубы стоячей звуковой волны. Рисунок 2 . 7 . 1 демонстрирует несколько видов стоячих волн (мод) в органной трубе, закрытой с одного конца и открытой с другого. Звучание духовых инструментов, так же, как и струнных, состоит из целого спектра волн с кратными частотами.

Рисунок 2 . 7 . 1 . Стоячие волны в трубе органа (закрыта лишь с одной стороны). Стрелки указывают направления движения частиц воздуха за один полупериод колебаний.

Музыкальные инструменты необходимо периодически настраивать.

Камертон – устройство для настройки музыкальных инструментов, состоящее из настроенных в резонанс деревянного акустического резонатора и соединенной с ним металлической вилки.

Удар молоточка по вилке вызывает возбуждение всей системы камертона с последующим звучанием чистого музыкального тона.

Гортань певца – по сути тоже акустический резонатор. Рисунок 2 . 7 . 2 демонстрирует спектры звуковых волн, издаваемых камертоном, струной пианино и низким женским голосом (альтом), звучащими на одной и той же ноте.

Рисунок 2 . 7 . 2 . Относительные интенсивности гармоник в спектре волну звука при звучании камертона ( 1 ) , пианино ( 2 ) и низкого женского голоса (альт) ( 3 ) на ноте «ля» контроктавы ( f 1 = 220 Г ц ) . По оси ординат отложены относительные интенсивности I I 0 _.

Звуковые волны, чьи частотные спектры показаны на рисунке 2 . 7 . 2 , имеют одну и ту же высоту, но различные тембры.

Биения

Разберем также такое явление, как биения.

Биение – это явление, возникающее, когда две гармонические волны с близкими, но все же имеющими отличия частотами, накладываются друг на друга.

Биения сопровождают, к примеру, одновременное звучание двух струн, имеющих настройки практически одинаковой частоты. Человеческий орган слуха воспринимает биения как гармонический тон с громкостью, периодически изменяющейся во времени. Запишем выражения, показывающие закономерность изменения звуковых давлений p 1 и p 2 , которые осуществляют воздействие на ухо:

p 1 = A 0 cos ω 1 t и p 2 = A 0 cos ω 2 t .

Для удобства примем, что амплитуды колебаний звуковых давлений являются одинаковыми и равны p 0 = A 0 ₀.

Согласно принципу суперпозиции полное давление, которое вызывается обеими волнами в каждый момент времени, есть совокупность звуковых давлений, задаваемых каждой волной в тот же момент времени. Запишем выражение, показывающее суммарное воздействие волн, используя тригонометрические преобразования:

p = p 1 + p 2 = 2 A 0 cos ω 1 — ω 2 2 t cos ω 1 + ω 2 2 t = 2 A 0 cos 1 2 ∆ ω t cos ω с р t ,

где ∆ ω = ω 1 — ω 2 , а ω с р = ω 1 + ω 2 2 .

Рисунок 2 . 7 . 3 ( 1 ) отображает, каким образом давления p 1 и p 2 зависимы от времени t . В момент времени t = 0 оба колебания находятся в фазе, и их амплитуды суммируются. Поскольку частоты колебаний имеют хоть и небольшие, но отличия, через некоторое время t 1 колебания войдут в противофазу. В этот момент суммарная амплитуда станет равна нулю: колебания взаимно «погасятся». К моменту времени t 2 = 2 t 1 колебания вновь окажутся в фазе и т. д. (рисунок 2 . 7 . 3 ( 2 ) ).

Период биений Т б – это минимальное значение интервала между двумя моментами времени, которым соответствуют максимальная и минимальная амплитуда колебаний.

Формула, которая определяет медленно изменяющуюся амплитуду A результирующего колебания, имеет запись:

A = 2 A 0 cos 1 2 ∆ ω t .

Период Т б изменения амплитуды равен 2 π Δ ω . Мы можем это продемонстрировать, приняв следующее предположение: периоды колебаний давлений в звуковых волнах T 1 и T 2 являются такими, что T 1 T 2 (т. е. ω 1 > ω 2 ). За период биений Т б наблюдается некоторое число n полных циклов колебаний первой волны и ( n – 1 ) циклов колебаний второй волны:

T б = n T 1 = ( n — 1 ) T 2 .

T б = T 1 T 2 T 2 — T 1 = 2 π ω 1 — ω 2 = 2 π ∆ ω или f б = 1 T б = 1 T 1 — 1 T 2 = f 1 — f 2 = ∆ f .

f б есть частота биений, определяемая как разность частот Δ f двух звуковых волн, которые воспринимаются ухом одновременно.

Органы слуха человека способны к восприятию звуковых биений до частот 5 – 10 Г ц . Прослушивание биений – это важный элемент техники настройки музыкальных инструментов.

Рисунок 2 . 7 . 3 . Биения, возникающие, когда накладываются две звуковые волны с близкими частотами.

Рисунок 2 . 7 . 4 . Модель явления биений.

Звуковые волны в физике — формулы и определение с примерами

Содержание:

Звуковые волны:

Мы живем в мире звуков. Звук — это голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы и т. п.

Что такое звук? Как он возникает? Чем одни звуки отличаются от других?

Звук — это механические колебания любой частоты в упругой среде.

Главу физики, изучающую звуковые явления, называют акустикой.

Акустика — это учение о возникновении, распространении и восприятии звуковых волн.

Волны на поверхности воды или вдоль резинового шнура можно непосредственно видеть. Если же волны распространяются в прозрачной среде (например, воздухе или жидкости), они невидимы. Но при определенных условиях их можно слышать.

Опыт 1. Зажмем длинную металлическую линейку в тисках или плотно прижмем ее к краю стола. Отклонив свободный конец линейки от положения равновесия, мы возбудим ее колебания (рис. 211).

Если линейка достаточно длинная, мы ничего не услышим. Укоротим свободный конец линейки — и она начнет «звучать».

Пластина сжимает слой воздуха, прилегающий к одной из ее сторон, и одновременно создает разрежение с другой стороны. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в обе стороны в виде упругой продольной волны. Она достигает нашего уха и вызывает колебание барабанной перепонки (3), находящейся в среднем ухе (рис. 212).

Ухо человека — хороший приемник звуковых колебаний. Оно состоит из трех частей: внешнего, среднего и внутреннего уха.

Элементами внешнего уха являются ушная раковина (1) и внешний слуховой проход (2). Они служат для того, чтобы направлять звуковые волны к барабанной перепонке (3). Барабанная перепонка и соединенные с ней три слуховые косточки — это среднее ухо. Они передают звуковые колебания к внутреннему уху — овальной полости (4).

Здесь звуковые колебания превращаются в последовательность нервных импульсов, которые передаются в мозг слуховым нервом (5).

Наше ухо воспринимает звуковые колебания, частота которых лежит в пределах от 16-17 до 20 000 Гц. Такие колебания называют звуковыми или акустическими. В предыдущем опыте мы наблюдали, что чем короче выступающий конец линейки, тем больше частота его колебаний. Поэтому мы и слышали звук, достаточно укоротив конец линейки.

Любое твердое, жидкое или газообразное тело, колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей среде звуковую волну.

Чаще всего наших ушей достигают волны, воздуху. Если звуковая волна распространяется продольной, поскольку в газах возможно таких волн.

В продольных волнах колебания частиц приводят к тому, что в газе возникают сжатия и разрежения, периодически повторяющиеся (рис. 213).

Опыт 2. Разместим источник звука под колпаком воздушного насоса (рис. 214, а) и начнем выкачивать из него воздух. По мере того как количество воздуха под колпаком уменьшается, звук ослабевает, а потом вообще исчезает (рис. 214, б).

Такой опыт впервые выполнил в 1660 г. Роберт Бойль и этим же доказал, что звук хорошо распространяется в воздухе и вовсе не распространяется в безвоздушном пространстве, называемом вакуумом.

Звук распространяется также в жидких и твердых средах. Нырнув с головой во время купания, вы можете услышать звук от удара двух камней, производимого в воде на большом расстоянии (рис. 215). Под водой также хорошо слышны звуки гребных винтов теплоходов и т. п.

Опыт 3. Приложите вплотную к уху конец длинной деревянной линейки и слегка постучите по другому ее концу ручкой. Вы отчетливо будете слышать звук. Отодвинув линейку немного от уха, постучите по ней снова. Вы почти не услышите звука.

Шум поезда, раздающийся издалека, не слышен, но его можно услышать, если прислониться ухом к рельсе. Хорошо проводит звук и земля.

Звук хорошо распространяется в жидкостях и твердых телах.

Существуют материалы, плохо проводящие звук, поскольку поглощают его. Например, пористые панели, прессованная пробка, пенопласт используют для звукоизоляции, то есть для защиты помещений от проникновения в них посторонних звуков. Звуковые волны, подобно всем другим волнам, распространяются с конечной скоростью. Вы, наверное, замечали, что вспышка молнии предшествует удару грома. Если гроза далеко, то звук грома мы услышим через несколько десятков секунд.

Как и любая волна, звуковая волна характеризуется скоростью распространения колебаний. С длиной волны и частотой колебаний v скорость распространения волны и связана уже известной вам формулой:

где v — скорость распространения звуковой волны (м/с); — длина звуковой волны (м); v — частота колебаний (Гц).

Скорость распространения звука в разных средах разная. С помощью опытов в 1822 г. было установлено (рис. 216), что в воздухе при температуре 10 °С скорость распространения звуковых волн равна 337,2 м/с.

В воде скорость звука больше, чем в воздухе. Впервые ее измеряли в 1827 г. на Женевском озере в Швейцарии. На одной лодке поджигали порох и синхронно ударяли в подводный колокол (рис. 217). Вторая лодка находилась на расстоянии 14 км от первой. Звук улавливался с помощью опущенного в воду рупора. По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука. При температуре 8 °С скорость распространения звука в воде равна 1435 м/с.

В твердых телах скорость звука еще больше, чем в жидкостях. В таблице даны значения скорости распространения звуковых волн в разных средах.

В таблице указаны значения скорости распространения звука в разных средах при определенной температуре, поскольку скорость распространения звука в среде зависит от ее температуры.

Например, скорость распространения звука в жидкостях (за исключением воды) уменьшается с повышением температуры, а в газах скорость распространения звука при постоянном давлении с повышением температуры увеличивается.

Современная техника дает возможность измерять скорость распространения звука с высокой точностью (рис. 218).

Скорость распространения звука в среде зависит от ее температуры.
Звуки, которые мы слышим каждый день, очень разнообразны. Они разделяются на музыкальные звуки и шумы. К первым относится пение, звучание натянутых струн скрипки (рис. 219), гитары или виолончели, духовых или других музыкальных инструментов, свист и т. д.

Шумы возникают во время грозы, шелеста листвы, при работе двигателей и т. п.

С помощью органов речи мы в состоянии воспроизвести музыкальные звуки и, конечно, создавать шум.

Но чем, с точки зрения физики, отличаются музыкальные звуки от шума и почему такими непохожими между собой могут быть музыкальные звуки?

Опыт 4. Возьмем камертон (нем. kammerton — «гребень») и ударим по одной из его ножек шариком (рис. 220, а). Мы услышим музыкальный звук «ля» частотой 440 Гц. Постепенно вследствие затухания колебаний ножек звук ослабевает. Следовательно, звуковая волна возбуждается колеблющимися ножками камертона. Характер этих колебаний можно установить, если прикрепить к ножке камертона иглу и провести ею с постоянной скоростью по поверхности закопченной стеклянной пластинки. На пластинке появится линия (рис. 220, б). Говорят, что ножки камертона колеблются гармонично.

Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называют музыкальным тоном, или тоном.

Музыкальные тоны отличаются на слух громкостью и высотой.

Громкость звука зависит от разности давлений, амплитуды и частоты звуковых колебаний. Например, чем сильнее удар молоточка по камертону, тем громче он звучит, поскольку сильный удар является причиной возникновения колебаний большей амплитуды.

Громкость звука зависит от разности давлений, амплитуды и частоты звуковых колебаний.

О звуках разной громкости говорят, что один громче другого не во столько-то раз, а на столько-то единиц. Единицей громкости звука является один децибел (1 дБ). Названа в честь американского ученого Александра Грейама Белла — изобретателя телефона и слуховых аппаратов для глухих.

Громкость звука шелеста листвы составляет 10 дБ, шепота — 20 дБ, уличного шума — 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ чувствуется кожей и вызывает болевые ощущения (рис. 221).

Кстати:

Самым громким в мире животных является голубой кит. Он может издавать звуки громкостью 188 дБ, которые слышны на расстоянии до 850 км.

Чувствительность уха зависит от частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд кажутся неодинаково громкими, если их частоты разные. Наше ухо наиболее чувствительно к колебаниям частотой около 3500 Гц.

Громкость звука измеряют специальным прибором — сонометром (рис. 222).

Опыт 5. Возьмем несколько камертонов разных размеров. Поочередно заставим их звучать и каждый раз иглой, прикрепленной к ножке камертона, будем проводить вдоль закопченной пластинки, как это показано на рисунке 220, б. Сравнивая полученные результаты, мы замечаем: чем выше звук камертона, тем меньше период колебаний и, соответственно, больше частота колебаний ножек камертона.

Высота звука зависит от частоты колебаний.

То же можно наблюдать на примере колеблющейся струны. Натягивая струну гитары или скрипки, мы увеличиваем частоту колебаний — и высота звука увеличивается.

Графики звуковых колебаний, создающихся звучащими камертонами, например камертона «ля» (440 Гц), или музыкальными инструментами, можно наблюдать с помощью компьютера (рис. 223) или осциллографа (рис. 224).

А что же такое шум? Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная частота колебаний и, следовательно, определенная высота звука.

Шум — это совокупность колебаний всевозможных частот.
Какой вид имеют эти колебания, также можно увидеть, используя микрофон и компьютер или осциллограф.

Инфразвуки и ультразвуки

Вы уже знаете, что механические колебания частотой от 16 до 20 000 Гц относятся к звуковым, которые слышит человек. Но существуют звуковые колебания, которые человек не слышит.

Колебания с меньшими частотами называют инфразвуком (лат. infra -«ниже», «под»).

Инфразвуковые колебания (инфразвук) — это колебания, частота которых меньше самой низкой частоты звуковых колебаний, то есть 16 Гц.

Наше ухо инфразвук не воспринимает. Он возникает во время шторма, грозы, землетрясений. Инфразвук мало поглощается средой и может распространяться на большие расстояния. Действие сейсмографа основано на инфразвуке. Такой прибор (рис. 225) предназначен для предвидения землетрясений, для изучения строения Земли, разведки полезных ископаемых.

Кстати:

На острове Ява растет цветок — живой сейсмограф, который называют «королевской примулой». От всех других примул он отличается тем, что цветет только перед извержением вулкана, чем и предупреждает людей об опасности.

Звуковые колебания, частота которых более 20 000 Гц, называют ультразвуком (лат. ultra — «дальше», «больше», «над»).

Ультразвуковые колебания (ультразвук) — колебания, частота которых больше наивысшей частоты звуковых колебаний, то есть больше 20 000 Гц.
Ультразвуковые колебания применяют для обработки твердых и сверхтвердых материалов. К обрабатываемым деталям подается смесь воды с мелким порошком, которая под действием ультразвукового излучателя колеблется с большей частотой, давая возможность делать отверстия сложной формы. Так же получают изображение на камнях, металлах, фарфоре и т. д.

Распространяясь в упругой среде, ультразвук отражается от разных препятствий. Эти колебания можно принять и зафиксировать. Зная время и скорость их распространения, можно определить расстояние к препятствию. На этом принципе основывается действие эхолота — прибора для измерения глубины озер, морей, океанов или глубины погружения тел.

На кораблях устанавливают ультразвуковые излучатели, которые периодически посылают импульсы в направлении дна (рис. 226). Отраженные колебания принимаются, и на экране компьютера появляется рельеф дна. Если на пути ультразвука, например, косяк рыб, он тоже отображается на экране.

Для многих технических потребностей используются смеси жидкостей, несмешивающихся в обычных условиях (например, ртуть и вода). Но если колбу с водой и ртутью облучать на протяжении определенного времени ультразвуком, то образуется стойкая смесь, которая может храниться достаточно долго. На промышленных предприятиях с помощью ультразвуковых колебаний смешивают воду и масло.

Ученые установили, что простые живые существа быстро погибают под действием ультразвука. Это свойство используют для стерилизации воды, молока и других пищевых продуктов. Ультразвуки являются причиной паралича и гибели холоднокровных животных — рыб, лягушек, головастиков.

В медицине ультразвук используют с лечебной (рис. 227, а) и диагностической (рис. 227, б) целью.

Кстати:

Гибель «Титаника» в 1912 г. стала толчком для французского ученого Поля Ланжевена в изобретении ультразвукового локатора. В природе же летучие мыши, дельфины, киты излучают ультразвуки в широком диапазоне. Дельфин четко отличает скалу от косяка рыб.

В Новой Зеландии, среди многочисленных островов, где трудно найти морской путь, один из дельфинов исполнял обязанности лоцмана 30 лет.

Пример №

Как проверяют наличие трещин в колесах вагонов, в стеклянной или фарфоровой посуде?

Ответ: постукивают (молотком, ложкой или другим предметом) по колесу, посуде.

Если слышен глухой звук, то это значит, что в них есть трещины.

Пример №

Почему летучие мыши (рис. 228) даже в полной темноте не налетают на препятствия?

Ответ: летучая мышь излучает ультразвуковые волны, отражающиеся от препятствия, и млекопитающее знает, где оно находится.

Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Aнглийский физик Джеймс Кларк Максвелл внес весомый вклад в изучение основных свойств электромагнитного поля. Он задался вопросом: если переменное магнитное поле порождает электрическое, то не существует ли в природе обратного процесса, когда переменное электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное?

Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе: во всех случаях, когда электрическое поле изменяется, оно порождает магнитное поле.

Согласно гипотезе Максвелла, магнитное поле, например при разрядке конденсатора — прибора для накопления электроэнергии (рис. 231), — не только создается током в проводнике, а изменяющимся электрическим полем в пространстве между обкладками конденсатора.

Справедливость гипотезы Максвелла была доказана экспериментальным обнаружением электромагнитных волн. Электромагнитные волны существуют только потому, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает магнитное поле.

После открытия взаимосвязи между электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо друг от друга: нельзя создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в пространстве не возникло и переменное электрическое поле, поскольку переменное электрическое поле не может существовать без магнитного.

Электрические и магнитные поля — это проявления единого целого, которое можно назвать электромагнитным полем.

Электромагнитное поле — особая форма материи. Оно существует реально, то есть независимо от нас, от наших знаний о нем. Его можно выявить только с помощью специальных приборов.

Представьте, что электрический заряд заставили очень быстро колебаться вдоль некой прямой так, чтобы он двигался подобно грузу, подвешенному на пружине, но значительно быстрее. Тогда электрическое поле, существующее вокруг заряда, периодически будет изменяться.

Переменное электрическое поле будет порождать магнитное поле, периодически меняющееся, а последнее, в свою очередь, вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заряда и т. д.

В пространстве вокруг заряда, захватывая все большие и большие области, возникает система периодически переменных электрических и магнитных полей, взаимно перпендикулярных.

На рисунке 232 изображен «мгновенный снимок» такой системы полей. Образуется так называемая электромагнитная волна, бегущая по всем направлениям от колеблющегося заряда.

Колеблющиеся заряды излучают электромагнитные волны. При этом важное значение имеет изменение скорости движения таких зарядов со временем.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны впервые экспериментально зафиксировал немецкий физик Генрих Герц. Он использовал простое устройство, называемое вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

Схематический переход от замкнутого колебательного контура к открытому показан на рисунке 233. В закрытом колебательном контуре следует постепенно раздвигать пластины конденсатора, одновременно уменьшая их площадь и число витков в катушке. Фактически, закрытый колебательный контур превращается в прямой отрезок провода.

Для возбуждения колебаний в таком контуре во времена Герца поступали так. Проводник разрезали посредине, оставляя небольшой промежуток, называемый искровым (рис. 234). Обе части проводника заряжали до тех пор, пока между ними не проскакивала искра (рис. 235), цепь замыкалась и в открытом контуре возникали колебания.

Колебания в контуре затухающие, поскольку контур имеет сопротивление и энергия теряется на излучение электромагнитных волн. После того как колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжаются от источника до наступления пробоя искрового промежутка, и процесс повторяется сначала.

Чтобы получить незатухающие колебания в открытом колебательном контуре, его соединяют с колебательным контуром специального прибора — генератора, который является источником незатухающих колебаний.

Герц не только получил электромагнитные волны, но и установил, что они подобны другим видам волн. В частности, он наблюдал отражение электромагнитных волн от металлического листа. С помощью опытов он установил, что скорость распространения электромагнитных волн равна 300 000 км/с.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью с, которая равна 300 000 км/с.

Расстояние, на которое перемещается электромагнитная волна за время, равное одному периоду колебаний, называют длиной волны.

Если v — скорость распространения электромагнитной волны в однородной среде (м/с); Т — ее период (с); v — частота колебаний (Гц); — длина волны (м), то или Для вакуума или

Свойства электромагнитных волн

Электромагнитные волны поглощаются, отражаются и преломляются, как и все другие виды волн. Это легко наблюдать.

Радиотехнические устройства (например, генератор сверхвысокой частоты (СВЧ)) позволяют провести наглядные опыты по изучению свойств электромагнитных волн.

Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора-громкоговорителя. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси. Общий вид установки изображен на рисунке 236.

Рупоры размещают друг против друга и, после включения звука, помещают между ними различные диэлектрические тела. При этом замечают уменьшение громкости. Это свидетельствует о том, что электромагнитные волны поглощаются.

Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то волны не будут достигать приемника в результате отражения. Звука не будет слышно. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры размещают под одинаковыми углами к металлическому листу (рис. 237, а). Звук исчезает и тогда, когда убирают лист или поворачивают его.

Электромагнитные волны отражаются.

Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы, заполненной парафином. Рупоры устанавливают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют призмой (рис. 237, б). Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.

Электромагнитные волны преломляются.

Электромагнитные волны подразделяются на несколько видов: радиоволны, световые волны, рентгеновское и -излучение (см. табл.). Следует отметить, что границы между разными видами электромагнитных волн достаточно условны.

Радиоволны разделяют по длине волн на длинные (свыше 10 км), средние (сотни метров), короткие (десятки метров). Все они преимущественно используются в радиосвязи. Ультракороткие радиоволны разделяют на метровые, дециметровые и миллиметровые. Первые используют в телевидении, вторые и третьи — в радиолокации. Диапазон радиоволн частично перекрывается с инфракрасными лучами, которые широко применяют в технике. В этом диапазоне работают лазеры.

Ультрафиолетовые лучи используют для обеззараживания помещений в больницах, стимуляции химических реакций, образования нужных генных мутаций и т. п. Поверхность Земли защищена от вредных составляющих ультрафиолетовых лучей Солнца озоновым слоем. Его сохранение — это одна из важных экологических проблем.

Рентгеновское излучение получают при торможении электронов, которые ускоряются напряжением в десятки киловольт. В отличие от светового луча видимого спектра и ультрафиолетового излучения, оно имеет значительно меньшую длину волн. И чем больше энергия электронов, бомбардирующих препятствие, тем меньше длина волны рентгеновского излучения.

Физические основы современных беспроводных средств связи и коммуникаций

Жизнь современного человека сегодня кажется невозможной без существования мобильных телефонов, стационарных радиотелефонов, Интернета и т. п. Все это — беспроводные средства персональной связи.

Мобильные телефоны являются сложной миниатюрной приемно-передающей радиостанцией, излучающей электромагнитные волны. Максимальная мощность излучается сотовым телефоном во время установления связи.

Мобильный телефон имеет большую, а иногда и неограниченную дальность действия, которую обеспечивает сотовая структура зон связи. Кроме того, эта станция подключена к обычной проводной телефонной сети и оснащена аппаратурой преобразования высокочастотного сигнала сотового телефона в низкочастотный сигнал проводного телефона и наоборот, что обеспечивается соединением обеих систем. Периодически (с интервалом 30-60 мин) базовая станция излучает служебный сигнал. Приняв его, мобильный телефон автоматически добавляет и передает полученную кодовую комбинацию на базовую станцию. В результате этого осуществляется идентификация конкретного сотового телефона, номера счета его владельца и привязка аппарата к определенной зоне, в которой он находится. Если пользователь звонит по телефону, базовая станция выделяет ему одну из свободных частот той зоны, в которой он находится, вносит соответствующие изменения на его счет и передает его вызов по назначению. Если мобильный пользователь во время разговора перемещается из одной зоны связи в другую, базовая станция автоматически переводит сигнал на свободную частоту новой зоны.

Стационарный беспроводной радиотелефон объединяет в себе обычный проводной телефон — аппарат, подключенный к телефонной сети, и приемно-передающее радиоустройство в виде телефонной трубки, обеспечивающей двусторонний обмен сигналами с базовым аппаратом. В зависимости от типа радиотелефона, дальность связи между трубкой и аппаратом, с учетом наличия препятствий, составляет в среднем до 50 м.

Спутниковая связь и радары

Системы спутниковой связи состоят из приемно-передающей станции на Земле и спутника, находящегося на орбите (рис. 238). Радиолокационные станции (рис. 239) оснащены, как правило, антеннами зеркального типа и имеют узконаправленную диаграмму излучения в виде луча, направленного вдоль оптической оси.

Радиолокационные системы работают на частотах от 500 МГц до 15 ГГц, однако отдельные системы могут работать на частотах до 100 ГГц.

Рост мощности радиолокаторов разного назначения и использования узконаправленных антенн кругового обзора приводит к значительному увеличению интенсивности электромагнитных волн чрезвычайно высокочастотного диапазона и дает возможность получать на местности огромные «зоны покрытия» с высокой плотностью потока энергии.

Начиная с середины 90-х годов XX в. распространилась технология мобильных компьютерных сетей. С 1997 г. появилась возможность создавать мобильные сети Интернет, которые обеспечивают взаимодействие пользователей независимо от того, в какой стране они находятся.

Развитие технологии мобильных телефонных сетей привело к тому, что эти сети стали широко использоваться для доступа в Интернет. Третье поколение мобильных телефонных сетей, известное как сети 3G, обеспечивает передачу данных со скоростью 1,5-2 Мбит/с. В настоящее время идет активное внедрение мобильных сетей четвертого (4G, например, LTE — Long Term Evolution — «долгосрочное развитие») и пятого (5G) поколений. Они обещают пропускную способность в десятки раз больше, чем в сетях. Для высокоскоростной передачи данных предлагается использовать миллиметровый диапазон радиоволн с частотой от 30 до 300 ГГц. Теоретически мобильные сети пятого поколения (5G) предоставят возможность передавать информацию со скоростью до 10 Гбит/с и временем ответа меньше 1 миллисекунды.

Беспроводные сети часто связывают с радиосигналами, однако это не всегда правильно. В беспроводной связи используется намного более широкий диапазон электромагнитного спектра, от радиоволн низкой частоты в несколько килогерц к видимому свету, частота которого составляет приблизительно 8 • Гц.

Навигационную систему GPS (точнее — NAVSTAR GPS, рис. 240) разработали и вывели на орбиту американские ученые в середине 1990-х годов.

Она состоит из 24 космических спутников, движущихся по определенным орбитам вокруг Земли. Спутники с высоты 20 тыс. км охватывают каждую точку нашей планеты, посылая на Землю определенные радиосигналы. Эти

сигналы и улавливают наземные GPS-навигаторы. Навигатор, например, в автомобиле идентифицирует его местонахождение и направление движения.

Навигатор в авто принимает сигнал от трех разных спутников, координаты которых узнает, и определяет свои точные координаты на координатной сетке, условно разделяющей всю планету. Часто он использует также сигнал четвертого спутника для окончательной корректировки местонахождения.

Интернет

Сегодня в мире существует свыше 130 миллионов компьютеров и более 80 % из них объединены в разнообразные информационно-вычислительные сети — от малых локальных сетей в офисах до глобальных сетей типа Интернет. Всемирная тенденция к объединению компьютеров в сети предопределена важными причинами, такими как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (e-mail писем и т. д.), не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения информации из любой точки земного шара, обменяться информацией между компьютерами разных производителей.

Интернет — глобальная компьютерная сеть, охватывающая весь мир (рис. 241, а). В наше время Всемирная паутина имеет около 3 миллиардов абонентов в более чем 150 странах мира. Ежемесячно размер сети увеличивается на 7-10 %. Интернет как бы образует ядро, обеспечивающее связь различных информационных сетей, которые принадлежат разным учреждениям во всем мире.

Электронная почта

Электронная почта (electronic mail) — самая распространенная служба Интернета, предназначенная для пересылки по компьютерным сетям сообщений (электронных писем, рис. 241, б) за несколько секунд. Сегодня в мире свыше 50 миллионов человек пользуется электронной почтой.

С ее помощью вы можете отправлять сообщения, получать их на свой электронный почтовый ящик, отвечать на письма автоматически, рассылать копии вашего письма сразу на несколько адресов, переправлять полученное письмо по другому адресу, использовать вместо адресов (числовых или доменных имен) логические имена, создавать несколько подразделений почтового ящика для разного рода корреспонденции, вкладывать в письма текстовые файлы, программы, изображения и т. п.

Доски объявлений

Электронные доски являются цифровым аналогом обычных досок объявлений, которые размещаются в общедоступных, публичных местах. Это так называемые сетевые новости или дискуссионные клубы. Доски объявлений используются для организации деловой деятельности и предоставления разнообразных услуг пользователям сети: резервирования мест в гостиницах, самолетах и поездах, рекламы и продажи товаров, предложения рабочих мест, осуществления электронных платежей. Они служат для организации справочных служб, сообщения деловых, биржевых и политических новостей, новостей спорта, обзора кино-и видеофильмов, передачи прогнозов погоды, участия в коллективных или одиночных видеоиграх и т. д. В мире существует огромное количество коммерческих, а также неприбыльных BBS (Bulletin Board System — «система досок объявлений»). Многие электронные доски связаны между собой. Самой большой глобальной сетью электронных досок объявлений является всемирная сеть Usenet, доступ к которой есть и с Интернета (рис. 242).

Интернет-телефония

IP-телефония — это технология, дающая возможность использовать любую IP-сеть как средство организации и ведения телефонных разговоров, передачи видеоизображений и факсов в режиме реального времени. Создание «пакетов» — преобразование аналоговых (в частности, звуковых) сигналов в цифровые, их сжатие, передача по сети Интернет и обратное преобразвание (декодирование) в аналоговое происходит благодаря существованию протокола передачи данных через Интернет (IP — Internet Protocol), отсюда и название «1Р-телефония».

Под интернет-телефонией подразумевают, в первую очередь, такую технологию, в которой голосовой трафик частично передается через телефонную сеть общего пользования, а частично — через Интернет (рис. 243). Именно так осуществляются звонки с телефона на телефон, с компьютера на телефон, с телефона на компьютер, а также приобрел популярность Surf’n’Cali — звонок с веб-браузера на телефон (просматривая какой-либо корпоративный веб-сайт, пользователь нажимает мышкой на кнопку Call и соединяется с офисом этой компании).

IP-телефон (отдельный аппарат или программа на компьютере) преобразовывает ваш голос в поток звуковых файлов, которые передаются через Интернет. Если вы «звоните» на компьютер или аппаратный IP-телефон, этот поток преобразовывается в ваш голос непосредственно в вызванном вами компьютере или аппаратном IP-телефоне. Если вы «звоните» на обычный проводной или сотовый телефон, тогда на специальном узле связи поток файлов с Интернета преобразовывается в электрический сигнал, передающийся по проводам или через сотовую сеть к вызванному вами абоненту, и в его телефоне этот сигнал преобразовывается в ваш голос.

Создано мобильное приложение к смартфонам под названием Viber (Вайбер). Благодаря этому приложению можно звонить, писать, обмениваться картинками, фотографиями с телефона, планшета или компьютера с собеседником из любой точки мира. Передача голосового трафика происходит с помощью GPRS-интернета на телефоне.

Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity — «беспроводная точность»). Ядром беспроводной сети Wi-Fi является так называемая точка доступа (Access Point), которая подключается к наземной сетевой инфраструктуре (каналов Интернет-провайдера) и обеспечивает передачу радиосигнала. Обычно точка доступа состоит из приемника, передатчика, интерфейса для подключения к проводной сети и программному обеспечению для настройки. Вокруг точки доступа формируется пространственная область радиусом 50-100 м (ее называют хот-спотом, или зоной Wi-Fi), в пределах которой можно пользоваться беспроводной сетью.

Дальность передачи информации зависит от мощности передатчика, наличия и характеристики препятствий, типа антенны. Это беспроводной стандарт, который использует частоту 5 ГГц.

Для того чтобы подсоединиться к точке доступа, необходимо чтобы ноутбук или мобильное устройство с адаптером Wi-Fi просто попало в радиус действия данной зоны. Все действия по определению устройства и настройке сети большинство операционных систем компьютеров и мобильных устройств производят автоматически. Если устройство одновременно попадает в зону действия нескольких зон Wi-Fi, то подключение состоится к точке доступа, обеспечивающей более мощный сигнал.

Кстати:

Волна — это одно из интересных явлений в физике, которое наблюдается в самых разнообразных проявлениях практически во всех ее областях. Волны распространяются по поверхности океанов и в их толще, в межзвездной пустоте и в

кристаллических решетках, «бегут» по проводам линий электропередач, доносят до нас разнообразие цветов и большое количество звуков. Существуют волны песчаные и волны на снегу. Землетрясения и цунами в океане — тоже волновые движения, только гигантских масштабов. Есть волны, которые еще не стали привычными и для самих физиков, например, волны в транспортных потоках, в химических реакциях, в сердце и нервной системе, в сообществах биологических организмов, в звездных системах — галактиках. По образному высказыванию ученых, волны «разбежались» из физики и охватили почти все огромное количество процессов в живой и неживой природе. И наиболее интересно, что все эти волны математически подобны, то есть могут быть описаны одними и теми же уравнениями. Вот почему так важно «подружиться» с этим понятием, ведь и вам, повидимому, придется не раз столкнуться с ним самым неожиданным образом.

Пример:

Что изменяется: длина волны или частота при переходе электромагнитной волны с одной среды в другую?

Ответ: изменяется длина волны и скорость, частота остается постоянной.

Пример:

Какова длина электромагнитной волны, если колебания в ней происходят с частотой 3 • 105 Гц?

По формуле определим длину электро-v

Ответ:

Звуковые волны

Звуки (звуковые волны) приносят человеку жизненно важную информацию — с их помощью мы общаемся, наслаждаемся мелодиями, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

Звуковая волна — упругая продольная волна, представляющая собой зоны сжатия и разрежения упругой среды (например, воздуха), распространяющиеся в ней с течением времени.

Таким образом, в процессе распространения звуковой волны с течением времени изменяются такие характеристики среды, как давление и плотность.

Звуковые волны, воспринимаемые органами слуха, вызывают звуковые ощущения.

Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой. Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом:

• инфразвук (v 20 000 Гц);
• гиперзвук ( Гц 0) — максимальное смещение тела или системы тел из положения равновесия.

Фаза колебаний определяет состояние колебательной системы (координаты, скорости, ускорения) в любой момент времени при заданной амплитуде. Единицей фазы является радиан (1 рад). В начальный момент времени (t = 0)

Циклическая частота — число полных колебаний за промежуток времени секунд:

Период колебания Т — время одного полного колебания: Т = .

Частота колебаний v — число полных колебаний в единицу времени:

Период Т и частота v — обратные величины: Т =

При гармонических колебаниях проекция ускорения тела прямо пропорциональна его смещению от положения равновесия и противоположна ему по знаку:

Пружинный маятник — груз массой т, прикрепленный к одному из концов невесомой упругой пружины жесткостью k, второй конец которой зафиксирован относительно данной ИСО. Его период колебаний

Математический маятник — материальная точка массой /п, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити длиной / в поле каких-либо сил. Период малых колебаний математического маятника определяется по формуле Гюйгенса

Механическая энергия колеблющегося маятника равна сумме его кинетической и потенциальной энергий. Она остается постоянной при отсутствии сил трения (сопротивления).

Собственные (свободные) колебания — это колебания, происходящие в отсутствие внешних воздействий на систему. Они происходят со строго определенной частотой, называемой частотой собственных колебаний системы.

Затухающими называются колебания, энергия которых уменьшается с течением времени.

Вынужденными называются колебания системы, вызываемые действием на нее периодических внешних сил.

Резонансом называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда частота периодической внешней силы совпадает с собственной частотой колебаний системы.

Механическая волна — процесс распространения механических колебаний в упругой среде.

Длина волны — расстояние, пройденное волной за промежуток времени, равный периоду колебаний частиц:

Скорость волны определяется как произведение длины волны на частоту:

Это скорость гребня волны или любой другой точки волны.

Волна называется продольной, если колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волн.

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны.

Звуком называются колебания среды, воспринимаемые органами слуха.

Раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.

Звуковая волна — упругая продольная волна, представляющая собой зоны сжатия и разрежения упругой среды, распространяющиеся в ней с течением времени.

Звуковые волны. Инфразвук и ультразвук

Мы живем в океане звуков. Что представляют собой звуки? Как они образуются? Почему невозможно услышать гул ракетных двигателей в космосе? Почему гром слышится позже, чем видна вспышка молнии? Для чего в студиях звукозаписи стены покрывают слоем звукопоглощающих материалов? Как в полной темноте летучие мыши и дельфины находят добычу? Попробуем найти ответы на эти вопросы.

Один конец линейки прижмите к краю стола, а второй оттяните вниз и отпустите — он начнет колебаться, и вы услышите звук (рис. 18.1). Дело в том, что колебание линейки вызывает сгущение и разрежение воздуха и как следствие — периодические увеличения и уменьшения давления в зоне колебаний. Сжатый воздух, пытаясь расшириться, давит на соседние слои и сжимает их. Так от линейки во все стороны начинает распространяться продольная механическая волна, которая в конце концов достигает вашего уха. В результате давление воздуха вблизи ушной мембраны периодически изменяется, и мембрана начинает колебаться. Конец линейки колеблется с частотой свыше 20 Гц, именно с такой частотой начинает колебаться и ушная мембрана, а колебания с частотой 20-20 000 Гц человек воспринимает как звук.

Рис. 18.1. После того как конец линейки будет отпущен, линейка начнет колебаться, издавая звук

3вук — это физическое явление, представляющее собой механическую волну частотой от 20 до 20 000 Гц.

Источники звука — это тела, колеблющиеся с частотой 20-20 000 Гц. Так, источниками звука являются мембраны наушников и струны музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей и крылья насекомых, части машин и т. п. В трубе, флейте, свистке звук образуется в результате колебания столба воздуха внутри инструментов. Голосовые аппараты человека и животных тоже являются источниками звука.

Для изучения звука удобно использовать камертон (рис. 18.2). Это устройство представляет собой металлическую «рогатку», закрепленную на ящичке, в котором отсутствует одна стенка. Если резиновым молоточком ударить по ножкам камертона, камертон издаст ясный длинный звук, который постепенно ослабевает, но не изменяет своей частоты.

Рис. 18.2. Ножки камертона колеблются и издают звук

В приемниках звука происходит преобразование звуковых сигналов в другие сигналы, благодаря чему звук можно воспринимать и анализировать. Органы слуха человека и животных — приемники звука, в которых звуковые (механические) колебания преобразуются в нервные импульсы. В технике для приема звука в основном применяют преобразователи, в которых звуковые колебания обычно преобразуются в электрические (рис. 18.3).

Рис. 18.3. В микрофоне звуковые колебания преобразуются в электрические

Скорость распространения звука

Если мы видим момент зарождения звука издали (удар колокола, хлопок ладоней и т. д.), то замечаем, что сам звук мы слышим через некоторый интервал времени. Зная расстояние до источника звука и время «опоздания», можно измерить скорость распространения звука в воздухе. Впервые ее измерил французский ученый Марин Мерсенн (1588-1648) в 1636 г.

При температуре 20 °С скорость звука в воздухе равна примерно 340 м/с. Это почти в миллион раз меньше скорости распространения света. Именно поэтому гром слышен позже, чем видна вспышка молнии (рис. 18.4).

Рис. 18.4. Если гроза от нас далеко ,то грохот грома можно услышать даже через 10-20 с после вспышки молнии

Скорость распространения звука зависит от температуры, плотности и других характеристик среды. Так, в жидкостях звук распространяется быстрее, чем в газах, и медленнее, чем в твердых телах. Скорость распространения звука обычно увеличивается с увеличением температуры среды. К тому же чем меньше масса молекул среды, тем быстрее распространяется звук. При решении задач мы будем использовать приблизительные значения скорости распространения звука (см. таблицу на с. 120).

Первые точные измерения скорости распространения звука в воде провели ученые из Швейцарии Жан Колладон и Шарль Штурм в 1826 г.

Один из исследователей сидел в лодке на Женевском озере и ударял по погруженному в воду колоколу. Одновременно с ударом происходила вспышка пороха. Второй исследователь, находясь на расстоянии 16 км, измерял время между вспышкой пороха и звуком от удара колокола, который он слышал через погруженную в воду озера трубу.

Приблизительные значения скорости распространения звука в некоторых средах

Среда	м/с
Вода	1500
Водород	1250
Железо, сталь, чугун	5000
Воздух	340
Стекло	4500

Обратите внимание! Поскольку звук — это механическая волна, а для распространения механической волны необходима среда, звуковая волна не распространяется в вакууме (рис. 18.5).

Характеристики звука

Звуки разной частоты мы воспринимаем как звуки разного тона: чем больше частота звука, тем выше тон звука, и наоборот. Мы легко отличаем высокий тон жужжания комара от низкого тона гудения шмеля, звучание скрипки — от звучания контрабаса.

Громкость звука определяется прежде всего амплитудой звуковой волны (максимальным изменением давления): чем больше амплитуда, тем громче звук. Громкость звука зависит также от его тона (частоты звуковой волны). Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких частот (около 20 Гц) и высоких частот (около 20 000 Гц), лучше всего оно воспринимает звуки средних частот (1000-3000 Гц).

При распространении звука происходит его постепенное рассеяние и угасание, а значит, и уменьшение громкости. Знание закономерностей рассеяния звука важно для определения дальности распространения звукового сигнала. Так, на дальность распространения звука в воздухе влияют температура и атмосферное давление, сила и скорость ветра и др. Иногда в глубинах океана образуются условия для сверхдальнего (свыше 5000 км) распространения звука — в таком случае говорят о подводном звуковом канале.

Кроме громкости и высоты тона мы различаем звуки по тембру: одну и ту же ноту, взятую на рояле, саксофоне или разными людьми, мы воспринимаем по-разному. Такие разные «оттенки» звуков называют тембрами. Дело в том, что звуки являются сложными: кроме основной частоты (по которой мы и оцениваем высоту звука) любой звук содержит несколько более слабых и более высоких дополнительных частот — обертонов. Чем больше обертонов содержит основной звук, тем он богаче.

Отражение звука

Сравнив распространение звука и распространение света, можно заметить некоторые общие черты. И это не случайно: свет тоже является волной, но не механической (об этом вы узнаете позже). На границе раздела разных сред звуковая волна, как и свет, испытывает преломление, поглощение и отражение. Рассмотрим подробнее отражение звука.

Если встать на некотором расстоянии от скалы или одиночного небоскреба и хлопнуть в ладоши или громко крикнуть, через небольшой интервал времени услышим повторение звука — эхо (рис. 18.6).

Рис. 18.6. Эхо образуется вследствие отражения звука

Эхо — это звук, отраженный от удаленного препятствия.

Если расстояние до препятствия достаточно велико, а звук короткий (удар, вскрик), мы слышим четкое повторение звука. Если звук длинный, то эхо смешивается с начальным звуком и отраженный звук будет нечетким.

На явлении отражения звука основано действие шумозащитных экранов, которые устанавливают вдоль автомобильных трасс и вблизи аэропортов. Исследование отражения, рассеяния и угасания звука в газах, жидкостях и твердых телах позволяет получить информацию о внутреннем строении среды, в которой распространяется звук.

Инфразвук и ультразвук

Звуковые волны, частота которых меньше 20 Гц, называют инфразвуковыми (от лат. infra — ниже, под).

Инфразвуковые волны возникают во время работы некоторых механизмов, при взрывах, обвалах, мощных порывах ветра, во время шторма, землетрясения и т. п.

Инфразвук очень опасен для животных и человека: он может вызвать симптомы морской болезни, головокружение, потерю зрения, быть причиной повышенной агрессивности. При длительном воздействии интенсивное инфразвуковое излучение может привести к остановке сердца. При этом человек даже не понимает, что происходит, ведь он не слышит инфразвук.

Звуковые волны, частота которых превышает 20 кГц, называют ультразвуковыми (от лат. ultra — сверх, за пределами).

Ультразвук есть в шуме ветра и водопада, в звуках, которые издают некоторые живые существа. Ультразвук до 100 кГц воспринимают многие насекомые и грызуны (рис. 18.7); улавливают такие колебания и собаки. Интересно, что дети, в отличие от взрослых, тоже слышат ультразвуковые сигналы (до 24 000 Гц).

Рис. 18.7. Ультразвуковой излучатель для отпугивания насекомых

Некоторые животные применяют ультразвук для ориентации или охоты. Так, летучие мыши и дельфины излучают ультразвук и воспринимают его эхо, благодаря чему они даже в полной темноте могут найти дорогу или поймать добычу. Говорят, что в таких случаях животные используют эхолокацию (рис. 18.8).

Рис. 18.8. Во время охоты летучие мыши используют эхолокацию

Эхолокация — способ обнаружения и получения информации об объекте с помощью эха.

Люди научились применять эхолокацию в разных областях, причем чаще всего для эхолокации используют именно ультразвук.

Например, в медицине эхолокация позволяет «увидеть» еще не родившегося ребенка, исследовать состояние внутренних органов, обнаружить посторонние тела в тканях. В технике эхолокацию применяют для выявления дефектов в изделиях, измерения глубин морей и океанов (рис. 18.9) и т. д.

Рис. 18.9. Измерение глубины водоема с помощью эхолокации

Кроме того, ультразвуком обеззараживают хирургические инструменты, лекарства, руки хирургов. Лечение с помощью ультразвука иногда позволяет избежать хирургических операций.

Ультразвук применяют также для обработки прочных материалов, очистки поверхностей от загрязнений и т. п.

• Электрическое поле в физике
• Работа по перемещению заряда в электростатическом поле
• Закон Ома для однородного участка электрической цепи
• Закон Ома для полной цепи
• Магнитный поток
• Волны в физике
• Волновое движение в физике
• Продольные и поперечные волны в физике

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.