Звуковая волна

Понятие «звук» самым тесным образом связано с понятием «волна». Что же переносится в пространстве при распространении волны? Оказывается, в пространстве переносится некоторое возмущение. Брошенный в воду камень вызывает всплеск поверхности воды, и это возмущение передается от одной точки водоема к другой в виде колебаний. Таким образом, волна – это процесс перемещения в пространстве изменения состояния.

Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). В результате каких-либо возмущений (например, колебаний гитарной струны или диффузора громкоговорителя), возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так по цепочке происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Время, через которое слушатель начинает воспринимать звуковые колебания, зависит от удаленности слушателя от источника звука.

Скорость распространения колебаний зависит от свойств среды в которой колебания распространяются. На эту скорость влияют такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. Так, например, чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука (Скорость звука в воздухе при 0 °С – 330 м/с, при 16 °С – 340 м/с).

Каким бы ни было колебательное движение, где бы оно ни происходило, основные свойства его остаются одними и теми же. Основные величины, к которым нам все время придется обращаться, – скорость распространения колебаний, число их в секунду (частота) и длина волны.

Длина звуковой волны λ (в метрах) прямо пропорциональна скорости звука с (в м/сек) и обратно пропорциональна его частоте f (в Гц)

Если камертон совершил, например, 165 полных колебаний в секунду, то он послал 165 волн (образовал 165 последовательных сгущений и разряжений), которые за одну секунду распространились на 330 метров (скорость звука в воздухе). В этом случае длина волны равна 2 м (1 м сгущения и 1 м разряжения). Если бы камертон совершил 660 колебаний в секунду, то длина волны была бы равна 0,5 м, так как скорость распространения волны не зависит от числа колебаний в секунду.

Звуковые колебания посылаются дрожащим телом или в его полости, или его отдельными частями. Наше ухо воспринимает в качестве звука далеко не все воздушные колебания, лишь заключающиеся между 16 и 40 000 колебаниями в секунду. Принимая во внимание, что скорость звука во всех этих случаях (при неизменности состоянии атмосферы) одна и та же – 330 м/с, найдем, что длины звуковых волн заключены в пределах от 1 см до 20 м. В музыке употребляется еще меньшая шкала: от 32 до 4000 колебаний в секунду. Длины волн будут заключаться между 8 см и 10 м. Обыкновенная мужская речь производится волнами около 1 м длины. Для наглядности приводим общую шкалу звуковых колебаний в воздухе (Рисунок. 1).

Тело, совершающее менее 16 полных колебаний (взад и вперед) в секунду, не производит звука. Таковы, например, качания маятника, совершающего одно, два, три и т.д. колебаний в секунду. (Тиканье маятника – звуки от ударов, происходящих в механизме часов, а не от самого колебания.) Пружина, совершающая 16 колебаний, уже начинает издавать для нас глухой низкий тон, похожий на гудение от взмахов крыльев крупного насекомого (шмеля, жука и т.д.). Наименьшее число колебаний в музыке встречается в огромных органных трубах. Связки человеческого горла (у сопрано) способны совершать до 2000 колебаний в секунду. Камертон, настроенный на тон ля, производит в секунду 435 полных колебаний, т.е. Чем больше число колебаний, тем выше тон, так что под «высотой тона» подразумевается число колебаний тела в секунду.