§ 4.9. Звуковые волны

Волны на поверхности воды или волны вдоль резинового шнура можно непосредственно видеть. В прозрачной среде — воздухе или жидкости — волны невидимы. Но при определенных условиях их можно слышать.

Возбуждение звуковых волн

Если длинную железную линейку зажать в тисках или плотно прижать к краю стола, то, отклонив конец линейки от положения равновесия, мы возбудим ее колебания (рис. 4.24, а).

Возбуждение звуковых волн

Но эти колебания не будут восприниматься нашим ухом. Если, однако, укоротить выступающий конец линейки (рис. 4.24, б), то мы обнаружим, что линейка звучит.

Пластина сжимает прилегающий к одной из ее сторон слой воздуха и одновременно создает разрежение с другой стороны. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в обе стороны в виде упругой продольной волны.

Последняя достигает нашего уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, которые воздействуют на слуховой аппарат.

Наше ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 16 до 20 000 Гц. Если говорить о звуковых волнах, создаваемых при игре на рояле, то нижняя граница нашего слуха будет чуть ниже звучания самой басовой клавиши, а верхняя — намного выше самой высокой. Такие колебания называются акустическими. Акустика — это учение о звуке. Чем короче выступающий конец линейки, тем больше частота его колебаний. Поэтому мы начинаем слышать звук, когда конец линейки становится достаточно коротким.

Любое тело (твердое, жидкое или газообразное), колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей среде звуковую волну.

Звуковые волны в различных средах

Чаще всего звуковые волны достигают наших ушей по воздуху. Довольно редко мы оказываемся погруженными целиком в воду. Но, конечно, воздух не имеет каких-либо особых преимуществ по сравнению с другими средами в смысле возможности распространения в них звуковых волн. Звук превосходно распространяется в воде и твердых телах. В этом нетрудно убедиться. Нырнув с головой во время купания, вы можете услышать звук от удара двух камней, производимого в воде на большом расстоянии. Многие обитатели морских глубин общаются друг с другом посредством звуковых волн.

Хорошо проводит звук земля. Во многих приключенческих романах можно прочесть, как герой прикладывает ухо к земле и улавливает топот копыт коня своего врага. Если приставить вплотную к уху конец длинной деревянной линейки и слегка постукивать по другому ее концу ручкой, то отчетливо слышен звук. Отодвинув же линейку немного от уха, вы обнаружите, что звук почти перестает быть слышимым.

В вакууме, разумеется, звуковые волны распространяться не могут. Космос, в отличие, скажем, от океана, — царство абсолютного безмолвия.

Давление в звуковой волне

Мы выяснили, что звуковая волна представляет собой последовательность сжатий и разрежений упругой среды (воздуха, воды, стали), распространяющихся с определенной скоростью. Причем эта волна является продольной*.

* Впрочем, в твердых телах могут существовать и поперечные акустические волны.

Сжатие и разрежение воздуха вызывает колебания давления относительно среднего атмосферного давления p₀. Громкому звуку соответствует изменение давления Δр на несколько десятков паскалей. Но при этом относительное изменение давления невелико: Человеческое ухо способно воспринимать изменения давления Δр ≈ 10^-5 Па. Это соответствует подводимой к ушной раковине мощности около 10^-16 Вт. Ухо — весьма чувствительный прибор, наиболее чувствительно оно к колебаниям с частотой около 3500 Гц.

Измерять непосредственно амплитуду колебаний давления в звуковой волне довольно трудно. Обычно звуковые колебания преобразуют в электрические с помощью микрофона, а затем по амплитуде электрического тока судят об амплитуде колебаний давления.

Значение звука

Для того чтобы уверенно ориентироваться в мире, наш мозг должен получать информацию о том, что происходит вокруг нас. Зрение и слух играют здесь главную роль. Осязание, обоняние и вкусовые ощущения менее существенны.

Конечно, наибольшее количество информации мы получаем с помощью света. Испущенный источниками (Солнцем, лампочкой и т. д.) свет отражается от окружающих предметов и, попадая в глаз, позволяет судить об их положении и движении. Многие предметы светятся сами.

Отраженные от предметов звуковые волны или сами звучащие предметы также дают нам сведения об окружающем мире. Но не это главное. Главное — это речь. Мы создаем и воспринимаем звуковые волны и тем самым общаемся друг с другом.

фонендоскоп

С помощью специальных устройств, например медицинского стетоскопа или фонендоскопа* (рис. 4.25), можно получать важные сведения о работе сердца и других внутренних органов. Об этом знают все, кого когда-либо выслушивал врач.

* Фонендоскоп отличается от стетоскопа тем, что у него звукоулавливающая камера закрыта упругой мембраной для усиления звука.

Любопытно, что еще Роберт Гук, крупнейший ученый, современник Ньютона, предвидел многие возможности практического применения звука. В частности, ему принадлежит идея стетоскопа. Приведем отрывок из одной его работы: «Может быть, есть возможность открывать внутренние движения и действия тел посредством звука, который они производят. В часах мы слышим стук маятника, ход колес, цеплянье зубцов и многие другие звуки; кто знает, не можем ли мы подобно этому открыть движение внутренних частей животных, растительных или минеральных тел посредством звука, который они производят, открыть процессы, совершающиеся в разных органах или полостях тела...»