звук колебание волна отражение

Мы воспринимаем звуки, находясь на расстоянии от их источников. Обычно звук доходит до нас по воздуху. Сжатие и разрежение воздуха (вызванные колебаниями источника и распространяющиеся благодаря возникновению упругих сил) достигают нашего уха и приводят барабанную перепонку в колебательное движение. В результате у нас возникают определенные слуховые ощущения. Таким образом, воздух служит передающей средой, т. е. веществом, в котором звук распространяется от источника к приемнику, в частности к нашему уху. Если между источником и приемником удалить упругую звукопередающую среду, то звук распространяться не будет и, следовательно, приемник не воспримет его. Продемонстрируем это на опыте. Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник. Пока в колоколе находится воздух, звук звонка мы слышим ясно. При откачивании воздуха из-под колокола звук постепенно слабеет и, наконец, становится неслышимым. Без передающей среды колебания тарелки звонка не могут распространяться, и звук не доходит до нашего уха. Впустим под колокол воздух и снова услышим звон. Хорошо проводят звуки упругие вещества, например металлы, древесина, жидкости, газы. Положим на один конец деревянной доски карманные часы, а сами отойдем к другому концу. Приложив ухо к доске, мы ясно услышим ход часов. Привяжем к металлической ложке бечевку. Конец бечевки приложим к уху. Ударяя по ложке, услышим сильный звук. Еще более сильный звук услышим, если бечевку заменим проволокой. Мягкие и пористые тела -- плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. В качестве прослоек используют войлок, прессованную пробку, пористые камни, различные синтетические материалы (например, пенопласт), изготовленные на основе вспененных полимеров. Звук в таких прослойках быстро затухает. Жидкости хорошо проводят звук. Рыбы, например, хорошо слышат шаги и голоса на берегу, это известно опытным рыболовам. Итак, звук распространяется в любой упругой среде -- твердой, жидкой и газообразной, но не может распространяться в пространстве, где нет вещества.

Звуковые волны. Скорость звука

Известно, что звук распространяется в пространстве только при наличии какой-либо упругой среды. Среда необходима для передачи колебаний от источника звука к приемнику, например к уху человека. Другими словами, колебания источника создают в окружающей его среде упругую волну звуковой частоты. Волна, достигая уха, воздействует на барабанную перепонку, заставляя ее колебаться с частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожания барабанной перепонки передаются посредством системы косточек окончаниям слухового нерва, раздражают их и тем вызывают ощущение звука. В газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие волны. Звук в воздухе, например, передается продольными волнами, т. е. чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука. Звуковая волна, как и любые другие механические волны, распространяется в пространстве не мгновенно, а с определенной скоростью. Простейшие наблюдения позволяют убедиться в этом. Например, когда мы издалека наблюдаем за стрельбой из ружья, то сначала видим огонь и дым, а потом через некоторое время слышим звук выстрела. Дым появляется в то же время, когда происходит первое звуковое колебание. Измерив промежуток времени t между моментом возникновения звука (момент появления дыма) и моментом, когда он доходит до уха, можно определить скорость распространения звука: Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при О °С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с. Скорость звука в газах тем больше, чем выше их температура. Например, при 20 °С скорость звука в воздухе равна 343 м/с, при 60 °С -- 366 м/с, при 100 °С -- 387 м/с. Объясняется это тем, что с повышением температуры возрастает упругость газов, а чем больше упругие силы, возникающие в среде при ее деформации, тем быстрее передаются колебания от одной точки к другой. Скорость звука зависит также от свойств среды, в которой распространяется звук. Например, при 0 °С скорость звука в водороде равна 1284 м/с, а в углекислом газе -- 259 м/с.

В настоящее время скорость звука может быть измерена в любой среде.

Отражение звука. Эхо

Каждый из вас знаком с таким звуковым явлением, как эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград -- стен большого пустого помещения, леса, сводов высокой арки в здании. Но почему мы не слышим эха в небольшой квартире? Ведь и в ней звук должен отражаться от стен, потолка, пола. Оказывается, мы слышим эхо лишь в том случае, когда отраженный звук воспринимается отдельно от произнесенного. Для этого нужно, чтобы промежуток времени между воздействием этих двух звуков на ушную барабанную перепонку составлял не менее 0,06 с. Давайте определим, через какое время после произнесенного вами короткого возгласа отраженный от стены звук достигнет вашего уха, если вы стоите на расстоянии 3 м от этой стены. Звук должен пройти двойное расстояние -- до стены и обратно, т, е. 6 м, распространяясь со скоростью 340 м/с. На это потребуется время t = s:v, т. е. t = 6м: 340 м/с ~ 0,02 с. В данном случае интервал между двумя воспринимаемыми вами звуками -- произнесенным и отраженным -- значительно меньше того, который необходим, чтобы услышать эхо. Кроме того, образованию эха в комнате препятствует находящаяся в ней мебель, шторы и другие предметы, частично поглощающие отраженный звук. Поэтому в таком помещении речь людей и другие звуки не искажаются эхом и звучат четко и разборчиво. Большие полупустые помещения с гладкими стенами, полом и потолком обладают свойством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию предшествующих звуковых волн на последующие получается наложение звуков, и образуется гул. Для улучшения звуковых свойств больших залов и аудиторий их стены часто облицовывают звукопоглощающими материалами. На свойстве звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора -- расширяющейся трубы обычно круглого или прямоугольного сечения. При использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается и он распространяется на большее расстояние.

Звуковой резонанс

Мы знаем, что амплитуда установившихся вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом. Например, довольно тяжелый нитяной маятник можно сильно раскачать, если периодически дуть на него (даже очень слабой струей) в направлении его движения с частотой, равной его собственной частоте. Резонанс может быть вызван и действием звуковых волн. Ящики, на которых установлены камертоны, способствуют усилению звука и наиболее полной передаче энергии от одного камертона к другому. Усиление звука происходит за счет колебаний самого ящика и особенно столба воздуха в нем. Размеры ящика подбирают таким образом, чтобы собственная частота воздушного столба в нем совпадала с частотой колебаний камертона. При этом столб воздуха колеблется в резонанс с камертоном, т. е. амплитуда его колебаний и, соответственно, громкость звука достигают наибольших значений. Камертон, снабженный таким ящиком (резонатором), издает более громкий, но менее длительный звук (по закону сохранения энергии). В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов. Например, в гитаре, скрипке и других подобных им струнных инструментах резонаторами служат деки, которые усиливают издаваемые струнами звуки и придают звучанию инструмента характерную для него окраску -- тембр. Тембр звука зависит не только от формы и размера резонатора, но и от того, из какого дерева он изготовлен, и даже от состава лака, покрывающего его. Тембр определяется также материалом, из которого сделана струна, и тем, гладкая она или витая. Резонаторы имеются и в нашем голосовом аппарате. Источники звука в голосовом аппарате -- голосовые связки. Они приходят в колебание благодаря продуванию воздуха из легких и возбуждают звук, основной тон которого зависит от их натяжения. Этот звук богат обертонами. Гортань усиливает те из обертонов, частота колебаний которых близка к ее собственной частоте. Дальше звуковые волны попадают в полость рта. Для произнесения каждой гласной необходимо особое положение губ, языка и определенная форма резонаторной полости во рту.

Влияние звуков на человека

Ежедневно каждый из нас, людей, живущих в городских условиях, подвергается довольно агрессивному воздействию множества факторов. Это и «ароматы» выхлопных газов, и отопление, и излучение различных приборов, и, конечно, звуки. Звуки окружают нас повсюду, зачастую мы не можем их выбирать - шум проезжающих машин, работ на стройке, чья-то речь или навязчивая музыка в маршрутке. Все звуки, осознаем мы это или нет, оказывают сильное влияние на наше сознание и самочувствие. Конечно, от звукового фона города можно отгородиться плеером. О том, что в таком случае полезнее всего в нем слушать, я хочу поговорить сегодня. Тишина, которая сегодня идет на вес золота, просто необходима человеку, особенно в ночное время. Доказано, что отсутствие тишины во время сна отрицательно сказывается на самочувствии - организму не удается восстановиться полностью, возникает преждевременная (а при постоянном шумовом воздействии - перманентная) усталость, раздражительность. Вы, конечно, помните, как важно правильно отдыхать и хорошо спать, поэтому необходимо принять меры по звукоизоляции своей квартиры - установку стеклопакетов, использование звукоизоляционных материалов, а в качестве крайней меры - переезд в более тихое место. Чем выше уровень шума, который воздействует на человека, тем больший вред он наносит здоровью и психике. Например, люди, занятые на производстве с высоким уровнем шумового воздействия, теряют не только слух, сильно страдают жизненно важные органы: сердце, пищеварительная система, печень. Ок, эти люди получают надбавку за вредные условия работы, которая хоть как-то компенсирует нанесенный вред. А что насчет простых людей, которые ежедневно подвергаются, например, шумовому воздействию среднего уровня - открывая окно своего рабочего кабинета или перемещаясь по городу? Оказывается, даже небольшой шум создает серьезную нагрузку на нервную систему человека, влияет на психическое здоровье. Не случайно одной из пыток, которые раньше использовали китайцы, было монотонное воздействие шума на протяжении долгого времени. Это может привести даже к полной потере рассудка. Если шум не настолько навязчив, сознание и организм адаптируются, мы можем даже не осознавать, что слышим шум, но это не значит, что он на нас не влияет. При этом звуки, которые производит сам человек, не оказывают на него негативного влияния, а посторонний шум может «наградить» различными заболеваниями. Вредные звуки Итак, с точки зрения психологии, изучения мозговой деятельности человека, слухового аппарата и влияния различных звуков на человека, отрицательное влияние имеет следующие звуки: Современная коммерческая музыка - хип-хоп, рок, хард рок, электронная и поп-музыка - пишется на низких частотах, что, согласно исследованиям, оказывает воздействие схожее с грохотом землетрясения, обрушением здания или сходом снежной лавины. Человек подсознательно ощущает угрозу, кроме того, может почувствовать упадок сил и депрессию. Длительное воздействие низких частот вызывает изменение функционирования желез, ответственных за гормональный фон, изменяется уровень инсулина в крови, а также снижается или исчезает полностью способность к самоконтролю. Бранная и нецензурная речь, тексты песен с негативным посылом, оказывают на человека сильнейшее влияние. Помните, как меняется вода в зависимости от сказанных ей слов? Человек, постоянно слышащий вокруг мат, крики, негативные речи, просто зачахнет, если не задумается о том, чтобы защитить себя. Полезные звуки: в первую очередь, это, конечно, звуки природы: журчание ручья, пение птиц, звуки волн и дождя, песни дельфинов. Эти звуки позволяют отключиться от городской суеты и направить свой внутренний взор к собственным истокам - живой природе. Результат: снятие стресса, состояние покоя и релаксации, снижение артериального давления, улучшение самочувствия в целом, улучшение настроения. В Интернете звуки природы представлены в огромном количестве, например, неплохая коллекция здесь. Классическая музыка пиштся на высоких частотах, которые благоприятно воздействуют на сознание и организм человека. Произведения Моцарта активизируют процессы головного мозга, дают энергетическую подзарядку. Слушая Баха и Вивальди, вы обретете состояние гармонии, равновесия, и очень поможете своему сердцу: произведения этих композиторов имеют идеальный музыкальный ритм (60 ударов в минуту), который соответствует нормальному, здоровому биению сердца. Людям с сердечными заболеваниями рекомендуется также слушать Моцарта. Народная и религиозная музыка, мантры, церковные песнопения, индийская классическая музыка, вальс - именно эти стили музыки гармонизируют работу чакр человека, выравнивают его энергетическое поле. Написанные Бахом и Генделем произведения в стиле «барокко» улучшают память, помогают в изучении иностранных языков. Звукотерапия Для решения многих психологических проблем и лечения определенных органов, настраивания организм на исцеление, используется звукотерапия - прослушивание игры на определенных музыкальных инструментах: Скрипка способствует самопознанию, развивает сострадание, лечит душевные раны. Флейта снимает озлобленность и раздражительность, помогает излечиться от несчастной любви, очищает бронхи и всю дыхательную систему. Арфа и струнные нормализует кровяное давление и работу сердца, помогает при истерии. Пианино благотворно воздействует на почки и мочевой пузырь, щитовидную железу. Саксофон активизирует сексуальную энергию, благоприятен для половой системы. Звуки балалайки прекрасно исцеляют пищеварительную систему. Аккордеон и баян активизируют работу органов брюшной полости. Орган помогает привести в порядок мысли, гармонизирует потоки энергии в позвоночнике. Кларнет улучшает кровообращение и избавляет от уныния. Труба исцеляет радикулит, а цимбала - печень. Барабан стимулирует кровеносную систему, восстанавливает нормальный ритм сердца. Гитара, контрабас и виолончель лечат почки, благоприятно воздействуют на сердце и тонкую кишку.

Воздействие инфразвука на человека весьма своеобразно. Известен такой интересный случай. Как-то в театре для пьесы о временах Средневековья заказали знаменитому физику Р. Вуду (1868--1955) огромную органную трубу, около 40 метров длиной. Труба издает тем ниже звук, чем она длиннее. Такая длинная труба должна была издать уже не слышимый человеческим ухом звук. Звуковая волна в 40 м длиной соответствует частоте около 8 Гц. А это вдвое ниже нижнего предела слышимости человека по высоте. Конфуз получился, когда попробовали на спектакле воспользоваться этой трубой. Инфразвук такой частоты хотя и не был слышим, но близко подошел к так называемому альфа-ритму человеческого мозга (5 -- 7 Гц). Колебания такой частоты вызвали у людей чувство страха и паники. Зрители разбежались, устроив при этом давку. Такие частоты вообще опасны для человека.

Интересные факты о звуке

Звук - это призывающий и творческий символ. Многие мифы о творении свидетельствуют, что Вселенная была создана с помощью звука. Согласно Гермесу Трисмегисту, звук был первым, что потревожило предвечную тишину, и посему он являлся причиной всего созданного в мире, предшествуя свету, воздуху и огню. В индуизме звук Аум привел космос к бытию.

Сила звука измеряется в единицах, получивших название белл - в честь Александра Белла, изобретателя телефона. Однако на практике оказалось более удобным использовать десятые доли бела, то есть децибелы. Максимальным порогом силы звука для человека является интенсивность 120...130 децибел. Звук такой силы вызывает боль в ушах.

Звук, который вы слышите, когда «ломаете» суставы, фактически является звуком разрывания пузырей газа азота.

Первое определение скорости распространения звука в воздухе было произведено французским физиком и философом Пьером Гассенди в середине XVII в - она оказалась равной 449 метрам в секунду. Звук рева тигра можно услышать на расстоянии 3 км.

Интересный факт: быть глухим не значит ничего не слышать, и тем более не значит не иметь «музыкальный слух». Великий композитор Бетховен, например, вообще был глухим. Он приставлял к роялю конец своей трости, а другой ее конец прижимал к зубам. И звук доходил до его внутреннего уха, которое было здоровым.

Томас Эдисон считал свой аппарат для записи и воспроизведения звука игрушкой, непригодной для серьезного практического применения.

Громкая музыка, звучащая из наушников, очень нагружает нервы в слуховой системе и в мозге. Этот факт приводит к ухудшению способности различать звуки, причем сам человек даже не ощущает, что его слуховое здоровье ухудшается.

Кузнечики издают звук при помощи задних ног.

Шелест листьев производит шум силой 30 децибел, громкая речь - 70 децибел, оркестр - 80 децибел, а реактивный двигатель - от 120 до 140 децибел.

Если взять в зубы тикающие наручные часы и заткнуть себе уши, то тиканье превратится в сильные, тяжелые удары -- настолько оно усилится.

Гранит проводит звук в десять раз лучше, чем воздух.

Водопад Ниагара производит шум, сравнимый с шумом фабричного цеха (90-100 децибел).

Громкий храп может достигать того же уровня звука, что и отбойный молоток. Ударяясь о барабанную перепонку в ухе, звук колеблет ее, и она повторяет колебания воздушных волн.

Человек способен услышать звук, даже если барабанная перепонка под его воздействием отклонилась на расстояние, равное радиусу ядра атома водорода.

Если звуковая волна не встречает препятствий на своём пути, она распространяется равномерно по всем направлениям. Но и не всякое препятствие становится преградой для неё.

Встретив препятствие на своём пути, звук может огибать его, отражаться, преломляться или поглощаться.

Дифракция звука

Мы можем разговаривать с человеком, стоящим за углом здания, за деревом или за забором, хотя и не видим его. Мы слышим его, потому что звук способен огибать эти предметы и приникать в область, находящуюся за ними.

Способность волны огибать препятствие называется дифракцией .

Дифракция возможна, когда длина звуковой волны превышает размер препятствия. Звуковые волны низкой частоты имеют довольно большую длину. Например, при частоте 100 Гц она равна 3,37 м. С уменьшением частоты длина становится ещё больше. Поэтому звуковая волна с лёгкостью огибает объекты, соизмеримые с ней. Деревья в парке совершенно не мешают нам слышать звук, потому что диаметры их стволов значительно меньше длины звуковой волны.

Благодаря дифракции, звуковые волны проникают через щели и отверстия в препятствии и распространяются за ними.

Расположим на пути звуковой волны плоский экран с отверстием.

В случае, когда длина звуковой волны ƛ намного превышает диаметр отверстия D , или эти величины примерно равны, то позади отверстия звук достигнет всех точек области, которая находится за экраном (область звуковой тени). Фронт выходящей волны будет выглядеть как полусфера.

Если же ƛ лишь немного меньше диаметра щели, то основная часть волны распространяется прямо, а небольшая часть незначительно расходится в стороны. А в случае, когда ƛ намного меньше D , вся волна пойдёт в прямом направлении.

Отражение звука

В случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред, возможны разные варианты её дальнейшего распространения. Звук может отразиться от поверхности раздела, может перейти в другую среду без изменения направления, а может преломиться, то есть перейти, изменив своё направление.

Предположим, на пути звуковой волны появилось препятствие, размер которого намного больше длины волны, например, отвесная скала. Как поведёт себя звук? Так как обогнуть это препятствие он не может, то он отразится от него. За препятствием находится зона акустической тени .

Отражённый от препятствия звук называется эхом .

Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.

Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.

Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале.

Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.

Выпуклая поверхность звук рассеивает.

Эффект рассеивания дают выпуклые колонны, крупные лепные украшения, люстры и т.д.

Звук не переходит из одной среды в другую, а отражается от неё, если плотности сред значительно отличаются. Так, звук, появившийся в воде, не переходит в воздух. Отражаясь от границы раздела, он остаётся в воде. Человек, стоящий на берегу реки, не услышит этот звук. Это объясняется большой разницей волновых сопротивлений воды и воздуха. В акустике волновое сопротивление равно произведению плотности среды на скорость звука в ней. Так как волновое сопротивление газов значительно меньше волновых сопротивлений жидкостей и твёрдых тел, то попадая на границу воздуха и воды, звуковая волна отражается.

Рыбы в воде не слышат звук, появляющийся над поверхностью воды, но хорошо различают звук, источником которого является тело, вибрирующее в воде.

Преломление звука

Изменение направления распространения звука называется преломлением . Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны.

Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.

где i – угол падения,

r – угол отражения,

v 1 – скорость распространения звука в первой среде,

v 2 – скорость распространения звука во второй среде,

n – показатель преломления.

Преломление звука называют рефракцией .

Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о, то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.

Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.

В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.

Поглощение звука

При встрече звуковой волны с поверхностью, часть её энергии поглощается. А какое количество энергии может поглотить среда, можно определить, зная коэффициент поглощения звука. Этот коэффициент показывает, какую часть энергии звуковых колебаний поглощает 1 м 2 препятствия. Он имеет значение от 0 до 1.

Единицу измерения звукопоглощения называют сэбин . Своё название она получила по имени американского физика Уоллеса Клемента Сэбина, основателя архитектурной акустики. 1 сэбин – это энергия, которую поглощает 1 м 2 поверхности, коэффициент поглощения которой равен 1. То есть, такая поверхность должна поглощать абсолютно всю энергию звуковой волны.

Реверберация

Уоллес Сэбин

Свойство материалов поглощать звук широко используют в архитектуре. Занимаясь исследованием акустики Лекционного зала, части построенного Fogg Museum, Уоллес Клемент Сэбин пришёл к выводу, что существует зависимость между размерами зала, акустическими условиями, типом и площадью звукопоглощающих материалов и временем реверберации .

Реверберацией называют процесс отражения звуковой волны от препятствий и её постепенное затухание после выключения источника звука. В закрытом помещении звук может многократно отражаться от стен и предметов. В результате возникают различные эхосигналы, каждый из которых звучит как бы обособленно. Этот эффект называют эффектом реверберации .

Самой важной характеристикой помещения является время реверберации , которое ввёл и вычислил Сэбин.

где V – объём помещения,

А – общее звукопоглощение.

где a i – коэффициент звукопоглощения материала,

S i - площадь каждой поверхности.

Если время реверберации велико, звуки словно "бродят" по залу. Они накладываются друг на друга, заглушают основной источник звука, и зал становится гулким. При маленьком времени реверберации стены быстро поглощают звуки, и они становятся глухими. Поэтому для каждого помещения должен быть свой точный расчёт.

По результатам своих вычислений Сэбин расположил звукопоглощающие материалы таким образом, что уменьшился «эффект эха». А Симфонический Зал Бостона, при создании которого он был акустическим консультантом, до сих пор считается одним из лучших залов в мире.

К основным законам распространения звука относятся законы его отражения и преломления на границах различных сред, а также дифракция звука и его рассеяние при наличии препятствий и неоднородностей в среде и на границах раздела сред.

На дальность распространения звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый переход энергии звуковой волны в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также направленность излучения и скорость распространения звука, которая зависит от среды и её специфического состояния.

От источника звука акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна проходит через сравнительно небольшое отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна.

Характер распространения звуковых волн у препятствия зависит от соотношения между размерами препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь во все стороны.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения, и наоборот.

Встречая на своём пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу – угол отражения равен углу падения – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.

Звук распространяется в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет всё больший объём. С увеличением расстояния, колебания частиц среды ослабевают, и звук рассеивается. Известно, что для увеличения дальности передачи звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, например, чтобы нас услышали, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором.

Большое влияние на дальность распространения звука оказывает дифракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и, соответственно, тем меньше дальность распространения звука.

Распространение звука

Звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве волны не возникают. В этом легко убедиться на простом опыте. Если электрический звонок поместить под воздухонепроницаемый колпак, из которого откачен воздух, мы никакого звука не услышим. Но как только колпак наполнится воздухом, возникает звук.

Скорость распространения колебательных движений от частицы к частице зависит от среды. В далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень отдаленных от тебя».

Скорость распространения звука в воздухе впервые была измерена в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в момент приема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и времени происхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже не составляло труда. Она оказалась равной 330 метров в секунду.

В воде скорость распространения звука впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847 метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью 1450 метров в секунду.

Скорость распространения звука

Чем выше упругость среды, тем больше скорость: в каучуке50, в воздухе330, в воде1450, а в стали - 5000 метров в секунду. Если бы мы, находились в Москве, могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел до Петербурга, то нас услышали бы там только через полчаса, а если бы звук на это же расстояние распространялся в стали, то он был бы принят через две минуты.

На скорость распространения звука оказывает влияние состояние одной и той же среды. Когда мы говорим, что в воде звук распространяется со скоростью 1450 метров в секунду, это вовсе не означает, что в любой воде и при любых условиях. С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, а следовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Или возьмем сталь. Здесь тоже скорость звука зависит как от температуры, так и от качественного состава стали: чем больше в ней углерода, тем она тверже, тем звук в ней распространяется быстрее.

Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определенному правилу: угол отражения равен углу падения. Звуковые волны, идущие из воздуха, почти полностью отразятся от поверхности воды вверх, а звуковые волны, идущие от источника, находящегося в воде, отражаются от нее вниз.

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального положения, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше чем в первой, то угол преломления будет больше угла падения и наоборот.

В воздухе звуковые волны распространяются в виде расходящийся сферической волны, которая заполняет все больший объем, так как колебания частиц, вызванные источниками звука, передаются массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц ослабевают. Известно, что для увеличения дальности передачи, звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше было слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны - распространяются дальше.

При увеличении толщины стенки звуколокация на низких средних частотах увеличивается, но «коварный» резонанс совпадения, вызывающий удушение звуколокации, начинает проявляться, более низких частотах и захватывает более широкую их область.

Интересные факты: где быстрее распространяется звук?

Во время грозы сначала видна вспышка молнии и лишь через некоторое время слышатся раскаты грома. Это запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе значительно меньше скорости света, идущего от молнии. Любопытно вспомнить, в какой среде звук распространяется быстрее всего, а где вообще не распространяется?

Опыты и теоретические расчеты скорости звука в воздухе предпринимались ещё с XVII века, но только через два столетия французский ученый Пьер-Симон де Лаплас вывел окончательную формулу для её определения. Скорость звука зависит от температуры: с увеличением температуры воздуха она растёт, а с уменьшением - падает. При 0° скорость звука составляет 331 м/с (1192 км/ч), при +20° она уже равна 343 м/с (1235 км/ч).

Скорость звука в жидкостях, как правило, больше скорости звука в воздухе. Опыты по определению скорости впервые провели на Женевском озере в 1826 году. Два физика сели в лодки и разъехались на 14 км. На одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в колокол, опущенный в воду. Звук колокола с помощью специального рупора, также опущенного в воду, улавливался на другой лодке. По интервалу времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука в воде. При температуре +8° она оказалась равной примерно 1440 м/с. Люди, работающие в подводных сооружениях, подтверждают, что под водой отчетливо слышны береговые звуки, а рыбаки знают, что рыба уплывает при малейшем подозрительном шуме на берегу.

Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях и газах. К примеру, если приложить ухо к рельсу, то после удара по другому концу рельса человек услышит два звука. Один из них «придёт» до уха по рельсу, другой – по воздуху. Хорошей проводимостью звука обладает земля. Поэтому в стародавние времена при осаде в крепостных стенах помещали «слухачей», которые по звуку, передаваемому землёй, могли определить, ведет ли враг подкоп к стенам или нет, мчится конница или нет. Кстати, благодаря этому люди, потерявшие слух, иной раз способны танцевать под музыку, которая доходит до их слуховых нервов не через воздух и наружное ухо, а через пол и кости.

Скорость звука – скорость распространения упругих волн в среде как в продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и в поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах), определяется упругостью и плотностью среды. Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях. В жидкостях, в том числе в воде, звук мчится в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе. Скорость звука в газах зависит от температуры среды, в монокристаллах - от направления распространения волны.