Скорость звука

Влияние преград на громкость и распространение звука

Введение

Звук – это колебания воздуха, которые мы слышим благодаря нашему слуху. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Даже в абсолютной тишине мы все равно слышим звуки из-за нашего чувства слуха.

Опыты по распространению звука

Опыт № 1

  1. Наденьте на стеклянную банку пакет, натяните его на горлышке и закрепите резинкой или лентой.
  2. Насыпьте на пакет немного сахара.
  3. Возьмите барабан, громко постучите по нему палочками рядом с банкой. Что вы наблюдаете?
  4. Сделайте выводы по результатам опыта.

Опыт № 2

  1. Наденьте на стеклянную банку пакет, натяните его на горлышке и закрепите лентой или резинкой.
  2. Насыпьте сверху чай.
  3. Возьмите барабан, постучите по нему громко палочками рядом с банкой. Затем отойдите на шаг и постучите снова. Отойдите ещё на два шага, повторите действие. Что происходит?
  4. Сделайте выводы по результатам опыта и поделитесь ими с одноклассниками.

Опыт № 3

  1. Налейте в чашку воду.
  2. Возьмите стакан и постучите по нему ложкой над водой.
  3. Поставьте стакан в чашку с водой и постучите так же ложкой по стакану. Что вы наблюдаете?
  4. Сделайте выводы по результатам опыта и обсудите их с одноклассниками.

Подведение итогов

Эти опыты помогают нам понять, как преграды влияют на громкость и распространение звука. Проведите эти опыты и делитесь своими наблюдениями с другими.

Основы звука: как он возникает и распространяется

Звуки, которые ты слышишь, сообщают о том, что происходит вокруг тебя, даже если ты не видишь источник звука. Так, ты слышишь телефонный звонок, сигнал автомобиля, шум дождя.

Начало звука: колебательные движения

Звук, который возникает при очень быстром движении вперёд и назад, называют колебанием. Предмет, приобретающий колебательное движение, вызывает колебание воздуха вокруг себя. Звук, который ты слышишь, передаётся колебаниями воздуха.

Распространение звука через волны

Звук распространяется с помощью звуковых волн, которые движутся от источника звука, подобно кругам на воде от брошенного камня. Звук может распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах, но не в вакууме.

Взаимодействие со средой

Звук встречает препятствия на своём пути – часть звука поглощается, часть отражается и часть проходит сквозь.

Громкость звука и влияние преград

Громкость звука – это качество слухового ощущения, позволяющее располагать звуки от тихих до громких. Препятствия влияют на громкость и распространение звука в пространстве: чем твёрже и плотнее преграда, тем больше звука будет отражаться назад.

Вопросы для обсуждения:

  1. Можно ли увидеть звуковую волну?
  2. Каково влияние преград на громкость и распространение звука?
  3. Каким образом распространяется звук?

Звуки играют важную роль в нашей жизни – от общения до наслаждения музыкой. Хотя мир звуков разнообразен и сложен, мы можем легко ориентироваться среди них и выделять каждый звук. Звук – это колебания, переносящие слуховые ощущения, возникающие в различных средах.

Источник звука совершает колебательные движения, вызывая колебания воздуха. Распространение звука через волны отличается в зависимости от среды, которой он проходит. Громкость звука зависит от интенсивности колебаний и соответствующих слуховых ощущений.

Звук: как он возникает и распространяется

Когда по камертону ударяют молоточком, его ветви начинают совершать частые колебания (незаметные для глаз), и мы слышим чистый музыкальный звук. Последний возникает из-за того, что ветви камертона создают попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ним области воздуха, образуя продольную волну.

Камертон

Путь звука к уху

Эти колебания воздуха достигают нашего уха и проходят через слуховой проход до барабанной перепонки, вызывая ее вибрацию. Барабанная полость содержит три слуховые косточки — молоточек, наковальня и стремечко, которые передают колебания друг другу, пока они не достигают внутреннего уха.

Внутреннее ухо и распространение звука

Внутреннее ухо напоминает лабиринт и состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов органа равновесия. В улитке находится перепонка с мельчайшими волокнами, которые проводят слуховое раздражение к коре головного мозга, позволяя нам слышать звук.

Внутреннее ухо

Распространение звука в среде

Звуковые волны являются продольными волнами и могут распространяться в различных средах, таких как твёрдые тела, жидкости и газы.

Звук в вакууме?

Рассмотрим опыт Бойля, который показал, что звук не может распространяться в вакууме из-за отсутствия молекул. Для распространения звука необходима среда, такая как воздух. Звуки также могут распространяться в жидкостях и твёрдых телах.

Источники звука

Не только твёрдые тела, но и жидкости и газы могут быть источниками звуков, например, вода в реках или свист ветра. Колебания масс воздуха создают звуковые эффекты, такие как шелест листьев и раскаты грома.

Звуковые колебания и их характеристики

Любое колеблющееся тело способно создавать звук. Однако, наше ухо способно воспринимать только акустические звуки, чья частота находится в пределах от 16 Гц до 20 кГц. Если частота колебаний ниже 16 Гц, это инфразвук, а если выше 20 кГц, это ультразвук. Ультразвуковые волны широко используются людьми в медицине, например, для изучения анатомии и работы внутриутробного развития плода.

Применение ультразвука

Ультразвук также используется для определения глубины водоема и поиска косяков рыбы с помощью эхолотов. Эхолоты излучают ультразвуковые волны, которые отражаются от дна или рыбы и возвращаются на приемник, позволяя определить глубину водоема. Этот метод называется эхолокацией.

Характеристики звуков

Звуки характеризуются громкостью, высотой и тембром. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний – чем больше амплитуда, тем громче звук. Единицы громкости – соны или децибеллы.

Музыкальные тоны и обертоны

Если источник звука совершает гармонические колебания, звук называется музыкальным или чистым тоном. Обычно звучащие тела создают целый набор звуковых частот. Основной тон – самая низкая частота, а обертоны – частоты выше основного тона, в целое число раз больше.

Понимание звуковых колебаний и их характеристик поможет вам лучше понимать окружающий мир звуков и использовать ультразвуковые технологии в повседневной жизни.

Вам наверняка уже известно, что основной тон голоса человека определяется голосовыми связками: чем они тоньше и короче, тем больше частота колебаний и выше голос. Но неповторимость и красоту голоса создают обертоны, которые возникают при колебаниях не только связок, но и губ, языка.

Если колебания источника звука не являются гармоническими, то на слух звук приобретает ещё одно качество — специфический оттенок, который называется тембром. Именно он определяет неповторимость звуков человеческих голосов и различных музыкальных инструментов. По различному тембру мы легко распознаем голос человека, звучание струн гитары или пианино, даже если бы все эти звуки имели одну и туже громкость и высоту.

Высота звука определяется частотой основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук. Поэтому, когда мы сравниваем голоса, мы говорим о «басе», «теноре» или «альте».

В начале урока вы могли заметить, что звук в пространстве передаётся от источника не мгновенно. То есть звуковые волны, так же, как и механические, характеризуются скоростью распространения. Именно этим объясняется то, что во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через некоторое время до нас доносятся раскаты грома. Но гром и молния происходят практически в один и тот же момент времени. А запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе существенно меньше скорости света (примерно в 860 000 раз).

Кстати, впервые измерить скорость звука в воздухе попытались ещё в начале XVII века. Так, например, английский философ Фрэнсис Бэкон в своём научном сочинении «Новый Органон» предложил определять скорость звука путём сравнения времени, между вспышкой света и звуком выстрела.

Эту идею поддержал французский физик Марэн Мерсэнн. В 1636 году он именно так попробовал определить скорость звука в воздухе. Стреляя из пушки, он измерял время, прошедшее между моментами, когда замечал вспышку, и моментом, когда до него доносился отзвук выстрела.

Скорость звука

В результате эксперимента учёный получил скорость звука, равную 450 м/с, ошибившись более чем на 100 м/с.

А впервые измерить скорость звука в воде попытался 1827 году швейцарец Жан-Даниэль Колладон на Женевском озере. На одной лодке друг учёного Шарль-Франсуа Штурм поджигал порох и одновременно ударял в подводный колокол. На другой лодке, которая находилась примерно в 16 километрах от первой, Колладон отмечал время наблюдения вспышки света и время улавливания звука с помощью погружённого в воду рупора.

Скорость звука

По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала учёный смог примерно определить скорость звука в воде.

Конечно же скорость звука зависит от того, в какой среде он распространяется. Как показали различные измерения, скорость звука в твёрдых телах в большинстве случаев больше скорости звука в жидкостях. А скорость звука в жидкостях, больше, чем в газах.

Благодаря тому, что твёрдые тела хорошо проводят звук, люди с нарушениями слуха могут научиться играть на музыкальных инструментах и танцевать. Вибрация пола или корпуса музыкального инструмента позволяет таким людям распознавать музыкальные такты и даже ноты.

— А теперь давайте подумаем, что произойдёт, если на пути звуковой волны поставить препятствие?

Чтобы подтвердить или опровергнуть ваши предположения давайте проведём небольшой опыт. Возьмём в качестве источника звука громкоговоритель. А приёмникам у нас будет служить микрофон, соединённый с осциллографом — прибором, позволяющим регистрировать звук.

Скорость звука

Поставим громкоговоритель и микрофон на расстоянии около метра под некоторым углом друг к другу. Включим источник звука. Микрофон никак не реагирует. Давайте теперь на пути звуковой волны поставим препятствие. При некотором его положении осциллограф покажет, что звук попадает в микрофон. Этот процесс называют отражением звука.

— А можем ли мы услышать эту отражённую звуковую волну?

Оказывается, можем. Давайте послушаем одну древнюю легенду об этом физическом явлении.

В лесах Древней Греции на красивейших берегах прозрачных и холодных ручьёв жила прекрасная нимфа по имени Эхо. Но провинилась нимфа перед Герой — женой всесильного Зевса, молчать должна была она. А отвечать на вопросы нимфа могла, лишь повторяя последние слова.

И вот однажды в этих краях заблудился прекрасный юноша по имени Нарцисс — сын речного бога Кефиса и нимфы Лаврионы. Нарцисс, не зная, куда ему идти, громко крикнул:

— Эй, есть кто-нибудь здесь?

— Здесь!.. — громко ответила ему Эхо.

— Иди сюда! — крикнул Нарцисс.

— Сюда!.. — повторила Эхо.

Посмотрев по сторонам и никого не увидев, Нарцисс вновь громко крикнул:

— Скорей ко мне!

И радостно откликнулась Эхо:

— Ко мне!..

Спешит прекрасная нимфа к Нарциссу из леса. Но гневно оттолкнул её юноша. Никого не любил он, кроме себя. И лишь себя считал достойным любви. Обиделась и спряталась в лесной чаще отвергнутая нимфа. До сих пор страдает она от любви к Нарциссу. Никому не показывается и только печально отзывается на всякий возглас.

Неправда ли — красивая легенда о таком всем хорошо знакомом явлении, как эхо.

В морской воде скорость звука зависит от температуры, солёности и глубины. Эти зависимости имеют сложный вид; для расчёта скорости звука используются таблицы, рассчитанные по эмпирическим формулам. Поскольку температура, давление, а иногда и солёность меняются с глубиной, то скорость звука в океане является функцией глубины. Эта зависимость в значительной степени определяет характер распространения звука в океане, в частности определяет существование подводного звукового канала.

В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) упругие волны. В изотропном твёрдом теле фазовая скорость для продольной волны

Измерения скорости звука используются для определения многих свойств вещества, таких как величина отношения теплоёмкостей для газов, сжимаемости газов и жидкостей, модулей упругости твёрдых тел, температуры Дебая и др. Измерение малых изменений скорости звука – чувствительный метод определения примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерение скорости звука и её зависимости от температуры, магнитного поля и других параметров позволяет исследовать строение вещества: зонную структуру полупроводников, форму ферми-поверхности в металлах и многое другое.

Опубликовано 4 мая 2023 г. в 18:54 (GMT+3). Последнее обновление 4 мая 2023 г. в 18:54 (GMT+3).

Звук действительно передаётся в вакууме, но совсем не так, как показывают в кино

Читать в полной версии

Два финских физика выяснили условия, при которых звук может передаваться через идеальный вакуум. Эффект сродни квантовому туннелированию, но в дело вступает обычная физика и кое-какое оборудование. Открытие может помочь в разработке MEMS-электроники и в системах теплоотвода.

Источник изображения: Pixabay

Жуоран Генг (Zhuoran Geng) и Илари Маасилта (Ilari Maasilta) из Университета Ювяскюля (Финляндия) утверждают, что их работа отражает первое строгое доказательство полного акустического туннелирования в вакууме. Всё, что нужно для эксперимента, — это два пьезоэлектрических датчика, каждый из которых способен превращать звуковые волны в электрическое напряжение (и наоборот). При этом пьезоэлементы должны быть разделены зазором, меньшим, чем длина волны передаваемого звука. В результате звук «перейдёт» от одного элемента к другому с полной силой, если соблюсти необходимые условия.

Как мы знаем, для распространения звука необходима среда. Звук передаётся за счёт последовательной передачи колебаний атомов и молекул среды соседним частицам. Непосредственно люди слышат (ощущают) колебания воздуха чувствительной мембраной в ушах. Таких условий, очевидно, нет в чистом вакууме — там нечему колебаться и, следовательно, нечему распространять звуковые волны. Но есть лазейка — в вакууме могут распространяться электромагнитные поля, а это шанс для пьезоэлектрических кристаллов, которые в процессе деформации (под воздействием акустических волн) вырабатывают электричество. А где электричество, там и поля.

Учёные использовали в качестве пьезоэлементов оксид цинка. Звуковое колебание создавало механическое напряжение в материале, и это порождало в нём электрическое напряжение и, при определённых условиях, вело к появлению электромагнитного поля. Если в радиусе действия поля первого кристалла находился второй кристалл, то он преобразовывал поле в электрическую энергию и обратно в механическую — фактически в исходный акустический сигнал, который, таким нехитрым (или хитрым) образом преодолевал чистый вакуум. Ширина зазора при этом не должна превышать длины передаваемой звуковой волны.

Источник изображения: Geng and Maasilta, Commun. Phys., 2023)

Также учёные показали, что эффект не зависит от частоты звука. При соблюдении необходимого зазора он работает и для ультразвука и для сверхзвуковых частот. Обнаруженное явление может использоваться как для практических решений, так и для имитации квантового туннелирования, чтобы помочь в развитии квантовой связи, например.

«В большинстве случаев эффект невелик, но мы также обнаружили ситуации, когда полная энергия волны переходит через вакуум со 100 % эффективностью, без каких-либо отражений, — рассказал Маасилта. — Таким образом это явление может найти применение в микроэлектромеханических компонентах (MEMS, технология смартфонов) и в управлении теплом».

В последнем случае, очевидно, учёный имеет в виду отвод тепла от приборов, находящихся в вакууме, что может найти применение в космической технике и не только. О самой работе учёные рассказали в статье в журнале Communications Physics.

Звук играет колоссальную роль в нашей повседневной жизни. Благодаря слуху мы можем наслаждаться музыкой, общаться с людьми, ориентироваться в пространстве.

Но далеко не все свойства звука изучены человеком. Существует множество удивительных и порой неожиданных фактов о нем, о которых большинство людей даже не подозревают.

Скорость звука

Физические свойства

Скорость звука сильно зависит от среды, в которой он распространяется. Например, в воздухе при комнатной температуре он движется со скоростью около 340 м/с. А вот в воде распространяется в 4 раза быстрее – со скоростью примерно 1500 м/с.

Вот некоторые значения скорости в различных средах:

Человеческое ухо способно улавливать звуковые колебания в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц. Но некоторые животные, такие как дельфины и летучие мыши, могут воспринимать и издавать ультразвук частотой до 150 000 Гц.

Самые громкие звуки, которые когда-либо регистрировались на Земле, превышали 270 децибел. Это сравнимо с грохотом ракеты в непосредственной близости. А тише всего в специальной беззвучной камере – минус 20 децибел.

Одним из удивительных акустических эффектов является эффект Доплера. Если источник звука приближается к наблюдателю, частота кажется выше, а если удаляется – ниже. Именно благодаря этому эффекту мы слышим изменение высоты сирены проезжающей мимо машины.

Восприятие звука человеком

Звуковые волны попадают в ухо человека, заставляя колебаться барабанную перепонку. Эти колебания улавливаются слуховыми косточками, которые усиливают звук и передают его во внутреннее ухо. Там находится улитка – орган слуха, содержащий рецепторы, реагирующие на звуковые сигналы.

Наибольшую чувствительность человеческое ухо проявляет к звукам с частотой 1-4 кГц. Именно в этом диапазоне находится большинство значимых для нас звуков речи и музыки. Высокой и низкой частоты мы различаем хуже.

В отличие от шума, музыкальные звуки имеют правильную синусоидальную форму волны и вызывают ощущение гармонии. А хаотичные шумы раздражают слуховой аппарат.

Особенно неприятное воздействие на психику человека оказывают звуки определенного частотного диапазона. Например, визг тормозов и скрежет металла по стеклу. Подсознательно мы воспринимаем их как сигнал опасности.

Использование звука животными

Многие животные активно используют звук для ориентации в пространстве. Яркий пример – эхолокация у дельфинов и летучих мышей. Посылая ультразвуковые сигналы, они анализируют их отражение и таким образом определяют расстояние до объектов и их форму.

Некоторые хищники, например кошки, могут слышать ультразвук и используют его для обнаружения добычи. А вот слоны, наоборот, пугаются звука жужжания пчел и стараются убежать при его появлении.

Сверчки и цикады способны издавать ультразвук частотой до 100 кГц для привлечения себе пары. А киты общаются на сверхнизких частотах порядка 10 Гц, распространяющихся на огромные расстояния под водой.

Применение звука в технике

Ультразвук активно используется в медицинской диагностике для получения изображений внутренних органов и тканей, а также в физиотерапии. В промышленности ультразвук применяют для очистки и сварки различных материалов.

Современные наушники с активным шумоподавлением генерируют звук, который гасит внешние шумы и позволяет лучше слышать музыку. А некоторые приложения для смартфонов умеют удалять из записи лишние фоновые шумы.

Звуковые эффекты активно используются в кинематографе для создания необходимой атмосферы и вызова нужных эмоций у зрителей. Объемный звук позволяет добиться еще большего эффекта присутствия.

Современные алгоритмы машинного обучения даже могут восстанавливать речь человека только по вибрациям окружающих предметов, запечатленным на видео без звука.

Заключение

Звук обладает удивительными и подчас неожиданными свойствами, о которых мало кто задумывается. Эта тема не перестает привлекать внимание ученых, которые проводят множество исследований, чтобы раскрыть все тайны акустики. Хочется надеяться, что читатели узнали для себя немало нового и теперь будут с интересом прислушиваться к окружающим звукам, ведь в каждом из них таится что-то удивительное.

Вода и воздух — две среды, в которых звук распространяется по-разному. Вода имеет гораздо большую плотность и скорость звука, чем воздух, поэтому при переходе от одной среды к другой звуковые волны почти полностью отражаются. Это создает серьезные проблемы для связи между подводными и надводными объектами, например, для передачи данных о состоянии океана или для изучения морской жизни. Как же можно преодолеть этот барьер и обеспечить эффективную звуковую связь между водой и воздухом?

Ученые из Института акустики Китайской академии наук (IACAS) нашли решение этой задачи, используя новый подход, основанный на широкополосном импедансном согласовании. Их исследование было опубликовано в журнале Applied Physics Letters.

Схема водно-воздушной акустической связи, реализованной с помощью предложенного слоя согласования градиентного импеданса

Импеданс — это физическая величина, которая характеризует сопротивление среды распространению звука. Чем больше разница в импедансе между двумя средами, тем меньше звука проходит через границу между ними. Для того, чтобы увеличить звуковую передачу, необходимо сделать импеданс сред как можно ближе друг к другу. Однако, это невозможно сделать просто путем изменения свойств воды или воздуха, так как они слишком различны по своей природе. Поэтому ученые придумали использовать специальный слой, который будет служить своего рода переходником между водой и воздухом.

Этот слой состоит из двух частей: воздушной и водной. Каждая часть имеет свою структуру, состоящую из мелких ячеек, заполненных различными материалами. Эти ячейки образуют так называемые метафлюиды — искусственные среды, которые имеют необычные акустические свойства. Например, воздушный метафлюид может иметь скорость звука, меньшую, чем в обычном воздухе, а водный метафлюид может иметь скорость звука, большую, чем в обычной воде. Таким образом, можно создать градиент импеданса, который будет плавно изменяться от воды к воздуху, минимизируя отражение звука.

Ученые экспериментально продемонстрировали, что их слой может усилить звуковую передачу между водой и воздухом на 16,7 децибел в диапазоне частот от 880 до 1760 герц. Это означает, что звук становится в 45 раз сильнее, чем без слоя. Кроме того, ученые показали, что их слой может быть использован для передачи изображений с поверхности в толщу воды. Они закодировали многоцветную картинку на звуковых частотах и отправили ее через слой в воду. Оказалось, что полученная в воде картинка практически не отличается от исходной, в то время как при передаче без слоя, без искажений удалось декодировать только 45% картинки.

Экспериментальная демонстрация водно-воздушной акустической связи на основе широкополосного согласования импеданса

Это исследование открывает новые возможности для звуковой связи между водой и воздухом, которая может быть полезна для различных приложений в области океанографии, экологии, геологии и других. Ученые надеются, что их метод импедансного согласования может быть расширен на другие случаи, когда необходимо передавать звук между средами с очень разными свойствами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *