Звуковата вълна е механична надлъжна вълна с определена честота. В статията ще разберем какво представляват надлъжните и напречните вълни, защо не всяка механична вълна е звукова. Разберете скоростта на вълната и честотите, на които се появява звукът. Нека разберем дали звукът е един и същ в различни среди и да се научим как да намерим скоростта му с помощта на формулата.
Вълна се появява
Нека си представим водна повърхност, например езерце в тихо време. Ако хвърлите камък, тогава на повърхността на водата ще видим кръгове, отклоняващи се от центъра. И какво ще стане, ако вземем не камък, а топка и я приведем в осцилаторно движение? Кръговете ще се генерират постоянно от вибрациите на топката. Ще видим приблизително същото, както е показано в компютърната анимация.
Ако спуснем плувката на известно разстояние от топката, тя също ще осцилира. Когато флуктуациите се разминават в пространството във времето, този процес се нарича вълна.
За изследване на свойствата на звука (дължина на вълната, скорост на вълната и т.н.), е подходяща известната играчка Rainbow или Happy Rainbow.
Да разтегнем пружината, да я успокоим и да я разтърсим рязко нагоре-надолу. Ще видим, че се появи вълна, която се затича покрай извора и след това се връща обратно. Това означава, че се отразява от препятствието. Наблюдавахме как вълната се разпространява покрай извора с течение на времето. Частиците на пружината се движеха нагоре и надолу спрямо тяхното равновесие и вълната се движеше наляво и надясно. Такава вълна се нарича напречна вълна. При него посоката на разпространението му е перпендикулярна на посоката на трептене на частиците. В нашия случай средата за разпространение на вълните беше пружина.
Сега нека разтегнем пружината, нека се успокои и дръпнете напред-назад. Ще видим, че намотките на пружината са компресирани по нея. Вълната върви в същата посока. На едно място пружината е по-компресирана, на друго е по-разпъната. Такава вълна се нарича надлъжна. Посоката на трептене на неговите частици съвпада с посоката на разпространение.
Нека си представим плътна среда, например твърдо тяло. Ако го деформираме чрез срязване, ще се появи вълна. Ще се появи поради еластичните сили, действащи само в твърдите тела. Тези сили играят ролята на възстановяване и генериране на еластична вълна.
Не можете да деформирате течност чрез срязване. Напречната вълна не може да се разпространява в газове и течности. Друго нещо е надлъжно: той се разпространява във всички среди, където действат еластичните сили. При надлъжна вълна частиците се приближават една към друга, след това се отдалечават, а самата среда се компресира и разрежда.
Много хора смятат, че течноститенесвиваеми, но това не е така. Ако натиснете буталото на спринцовката с вода, тя ще се свие малко. При газове е възможна и деформация на опън при натиск. Натискането на буталото на празна спринцовка компресира въздуха.
Скорост и дължина на вълната
Да се върнем към анимацията, която разгледахме в началото на статията. Избираме произволна точка на един от кръговете, отклоняващи се от условната топка, и я следваме. Точката се отдалечава от центъра. Скоростта, с която се движи, е скоростта на гребена на вълната. Можем да заключим: една от характеристиките на вълната е скоростта на вълната.
Анимацията показва, че гребените на вълната са разположени на същото разстояние. Това е дължината на вълната - още една нейна характеристика. Колкото по-чести са вълните, толкова по-къса е тяхната дължина.
Защо не всяка механична вълна е звукова
Вземете алуминиева линийка.
Той е подскачащ, така че е добре за изживяването. Поставяме линийката на ръба на масата и я притискаме с ръка, така че да стърчи силно. Натискаме ръба му и го пускаме рязко - свободната част ще започне да вибрира, но няма да има звук. Ако разширите линийката само малко, вибрацията на късия ръб ще създаде звук.
Какво показва това преживяване? Той демонстрира, че звукът се появява само когато тялото се движи достатъчно бързо, когато скоростта на вълната в средата е висока. Нека представим още една характеристика на вълната - честотата. Тази стойност показва колко вибрации в секунда прави тялото. Когато създаваме вълна във въздуха, звукът се появява при определени условия – когато е достатъчновисока честота.
Важно е да се разбере, че звукът не е вълна, въпреки че е свързан с механични вълни. Звукът е усещането, което възниква, когато звукови (акустични) вълни навлизат в ухото.
Да се върнем към владетеля. Когато по-голямата част е удължена, линийката трепти и не издава звук. Това създава ли вълна? Разбира се, но това е механична вълна, а не звукова вълна. Сега можем да дефинираме звукова вълна. Това е механична надлъжна вълна, чиято честота е в диапазона от 20 Hz до 20 хиляди Hz. Ако честотата е по-малка от 20 Hz или повече от 20 kHz, тогава няма да я чуем, въпреки че ще се появят вибрации.
Източник на звук
Всяко осцилиращо тяло може да бъде източник на акустични вълни, има нужда само от еластична среда, например въздух. Не само твърдо тяло може да вибрира, но и течност и газ. Въздухът като смес от няколко газа може да бъде не само среда за разпространение - той сам по себе си е способен да генерира акустична вълна. Именно неговите вибрации са в основата на звука на духовите инструменти. Флейтата или тромпетът не вибрират. Това е въздухът, който е разреден и компресиран, придава определена скорост на вълната, в резултат на което чуваме звука.
Разпространение на звук в различни среди
Открихме, че звучат различни вещества: течни, твърди, газообразни. Същото важи и за способността за провеждане на акустична вълна. Звукът се разпространява във всяка еластична среда (течна, твърда, газообразна), с изключение на вакуум. В празно пространство, да речем на луната, няма да чуем звука на вибриращо тяло.
Повечето звуци, възприемани от хората, са въздушни. Риби, медузи чуват акустична вълна, която се отклонява във водата. Ние, ако се гмурнем под водата, ще чуем и шума на минаваща моторна лодка. Освен това дължината на вълната и скоростта на вълната ще бъдат по-високи, отколкото във въздуха. Това означава, че звукът на двигателя ще бъде първият, който ще бъде чут от човек, който се гмурка под вода. Рибарят, който седи в лодката си на същото място, ще чуе шума по-късно.
В твърдите тела звукът се разпространява още по-добре и скоростта на вълната е по-висока. Ако поставите твърд предмет, особено метален, до ухото си и почукате по него, ще чуете много добре. Друг пример е вашият собствен глас. Когато за първи път чуем нашата реч, записана преди това на диктофон или от видео, гласът изглежда чужд. Защо се случва това? Защото в живота ние чуваме не толкова звукови вибрации от устата си, колкото вибрации на вълни, преминаващи през костите на нашия череп. Звукът, отразен от тези препятствия, се променя донякъде.
Скорост на звука
Скоростта на звуковата вълна, ако разгледаме един и същ звук, ще бъде различна в различни среди. Колкото по-плътна е средата, толкова по-бързо звукът достига до ухото ни. Влакът може да отиде толкова далеч от нас, че звукът на колелата все още няма да се чуе. Въпреки това, ако допрете ухото си до релсите, можем ясно да чуем тътен.
Това предполага, че звуковите вълни се движат по-бързо в твърди тела, отколкото във въздуха. Фигурата показва скоростта на звука в различни среди.
Вълново уравнение
Скорост, честота и дължина на вълната са взаимосвързани. За тела, които вибрират с висока честота, вълната е по-къса. Нискочестотните звуци могат да се чуят на по-голямо разстояние, тъй като имат по-голяма дължина на вълната. Има две вълнови уравнения. Те илюстрират взаимозависимостта на характеристиките на вълната една от друга. Познавайки всякакви две количества от уравненията, можете да изчислите третото:
с=ν × λ, където c е скоростта, ν е честотата, λ е дължината на вълната.
Второ уравнение на акустична вълна:
s=λ / T, където T е периодът, т.е. времето, за което тялото прави едно трептене.
