Содержание:
Звуковые волны:
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).
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).
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:
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 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? 
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.
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. 
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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
Электронная почта
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
Интернет-телефония
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.
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:
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:
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).
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.
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.
