Колебания, возбужденные в какой-либо точке среды (твердой, жидкой или газообразной), распространяются в ней с конеч­ной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Чем дальше расположена частица среды от источника колебаний, тем позднее она начнет колебаться. Иначе говоря, увлекаемые частицы будут отставать по фазе от тех частиц, которые их увлекают.

При изучении распространения колебаний не учитывается дискретное (молекулярное) строение среды. Среда рассматривается как сплошная, т.е. непрерывно распреде­ленная в пространстве и обладающая упру­гими свойствами.

Итак, колеблющееся тело, помещенное в упругую среду, является источником колебаний, распространяющихся от него во все стороны. Процесс распространения колебаний в среде называется волной .

При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице передается лишь состояние колебательного движения и энергия. Поэтому основным свойством всех волн , независимо от их природы , является перенос энергии без переноса вещества.

Волны бывают поперечными (колебания происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения ) и продольными (сгущение и разрежение частиц среды происходит в направлении распространения ).

где υ – скорость распространения волны, – период, ν – частота. Отсюда скорость распространения волны можно найти по формуле:

.

(5.1.2)

Геометрическое место точек, колеблющихся в одинаковой фазе, называется волновой поверхностью . Волновую поверхность можно провести через любую точку пространства, охваченную волновым процессом, т.е. волновых поверхностей бесконечное множество. Волновые поверхности остаются неподвижными (они проходят через положение равновесия частиц, колеблющихся в одинаковой фазе). Волновой фронт только один, и он все время перемещается.

Волновые поверхности могут быть любой формы. В простейших случаях волновые поверхности имеют форму плоскости илисферы , соответственно волны называются плоскими или сферическими . В плоской волне волновые поверхности представляют собой систему параллельных друг другу плоскостей, в сферической волне – систему концентрических сфер.

ВОЛНА (ВОЛНОВОЙ ПРОЦЕСС) - процесс распространения колебаний в пространстве; возмущение, распространяющееся в какой-либо среде. Возмущение упругой среды – это любое отклонение частиц среды от положения равновесия. ВИДЫ ВОЛН ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УПРУГИЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ

ВОЛНОВОЕ ПОЛЕ -область пространства, в которой при распространении волн их параметры (смещение частиц, напряженности электрического и магнитного полей) совершают колебания. ВОЛНОВАЯ ПОВЕРХНОСТЬ -поверхность во всех точках которой колебания происходят в одной фазе. ВОЛНОВОЙ ФРОНТ – волновая поверхность, отделяющая часть пространства, уже вовлеченную в волновой процесс, от области, в которой колебания еще не возникли. Распространение волны можно рассматривать как движение волнового фронта.

ДЛИНА ВОЛНЫ ()-- расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний параметра волны. Расстояние между двумя ближайшими точками, в которых параметр волны изменяется в одинаковой фазе. СКОРОСТЬ ВОЛНЫ (V)– скорость распространения возмущения. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. Длина волны равна произведению скорости волны на период колебания параметра волны, периодически меняющегося в ходе распространения волны.

ПОПЕРЕЧНЫЕ ВОЛНЫ – волны, у которых характеризующие их векторные величины совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. К поперечным волнам относятся электромагнитные волны. Механические поперечные волны могут быть как поверхностными, так и упругими. Упругие поперечные волны могут существовать только в твердых телах. В жидкостях и газах поперечные упругие волны распространяться не могут.

ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ – волны, у которых характеризующие их векторные величины совершают колебания в направлении, параллельном направлению распространения волны. В отличие от упругих поперечных волн продольные волны могут распространяться во всех средах, так как во всех средах при деформации сжатия возникают силы упругости, обеспечивающие распространение этих волн.

УПРУГИЕ ВОЛНЫ –это распространяющиеся возмущения упругой среды. Среда является упругой, если между ее частицами существует взаимодействие - силы упругости, препятствующие ее деформации. Возмущение упругой среды – это отклонение частиц среды от положения равновесия.

УПРУГИЕ ВОЛНЫ В РАЗНЫХ СРЕДАХ В продольные упругие волны представляют собой сжатия (разрежения) среды, а поперечные – смещения (сдвиги) одних слоев среды относительно других. Деформация сжатия сопровождается возникновением силы упругости, в то время как деформация сдвига приводит к появлению сил упругости только в твердых телах. При сдвиге слоев в газах и жидкостях силы упругости не возникают. Продольные волны распространяются во всех средах (жидких, твердых, газообразных), а поперечные – только в твердых.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ (ВОЛНЫ НА ПОВЕРХНОСТИ) Волны возникающие на границе раздела сред (жидкость – газ) называются поверхностными.

ГРАФИК ВОЛНЫ И ГРАФИК КОЛЕБАНИЙ График волны - зависимость параметра волны (смещения, напряженностей электрического и магнитного полей) от координаты точек в которых определяется данный параметр в некоторый момент времени. График колебаний определяет зависимость смещения точек от времени или фазы колебания. y T x Если колебания параметра волны являются гармоническими, то соответствующая этим колебаниям волна также называется гармонической. t

ВОЛНОВОЕ УРАВНЕНИЕ Уравнение любой волны является решением дифференциального волнового уравнения. Для нахождения волнового уравнения найдем вторые частные производные по координатам и по времени от уравнения плоской бегущей волны, распространяющейся вдоль оси х: Полученное уравнение является одномерным волновым уравнением. В общем случае: и волновое уравнение имеет вид: где или -Оператор Лапласа

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН Скорость упругих волн определяется свойствами среды и от параметров волны не зависит. Волны всех частот распространяются в данной среде с одинаковой скоростью. Скорость распространения продольной упругой волны, где Е – модуль Юнга, ρ - плотность среды Скорость распространения поперечной упругой волны, где N – модуль сдвига, ρ - плотность среды

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ– распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля. Предсказаны Максвеллом (1865); Открыты Герцем (1888). Волна - система взаимно перпендикулярных меняющихся электрических и магнитных полей, захватывающих все большие части пространства. В электромагнитной волне модули напряженности электрического и магнитного полей в каждой точке пространства связаны соотношением:

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН V – скорость распространения фазы колебаний (фазовая скорость) , где с – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, ε и - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. - абсолютный показатель преломления среды. В вакууме: где ε 0 = 8, 85. 10 -12 Кл 2/Н. м 2 и 0 = 4. 10 -7 Гн/м - электрическая и магнитная постоянные. Таким образом, или

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Длина, м Частота, Гц Наименование 106 - 104 3· 102 - 3· 104 Сверхдлинные 104 - 103 3· 104 - 3· 105 Длинные (радиоволны) 103 - 102 3· 105 - 3· 106 Средние (радиоволны) 102 - 101 3· 106 - 3· 107 Короткие (радиоволны) 101 - 10 -1 3· 107 - 3· 109 Ультракороткие 10 -1 - 10 -2 3· 109 - 3· 1010 Телевидение (СВЧ) 10 -2 - 10 -3 3· 1010 - 3· 1011 Радиолокация (СВЧ) 10 -3 - 10 -6 3· 1011 - 3· 1014 Инфракрасное излучение 10 -6 - 10 -7 3· 1014 - 3· 1015 Видимый свет 10 -7 - 10 -9 3· 1015 - 3· 1017 Ультрафиолетовое излучение 10 -9 - 10 -12 3· 1017 - 3· 1020 Рентгеновское излучение (мягкое) 10 -12 - 10 -14 3· 1020 - 3· 1022 Гамма-излучение (жёсткое) ≤ 10 -14 ≥ 3· 1022 Космические лучи

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Спектр электромагнитного излучения с увеличением частоты: 1) Радиоволны; 2) Инфракрасное излучение; 3) Световое излучение; 4) Ультрафиолетовое излучение 5) Рентгеновское излучение; 6) Гамма излучение. Радиоволны, длины более 0. 1 мм(частота менее 3. 1012 Гц). Рентгеновское излучение - торможение быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.) и процессы, происходящие внутри атомов. Гамма излучение -процессы, внутри атомных ядер, ядерных реакции. Граница между рентгеновским и гамма излучением условна (по величине кванта энергии, соответствующего данной частоте излучения). Рентгеновское излучение - волны длиной от 50 нм до 10 -3 нм, энергия квантов от 20 эв до 1 Мэв. Гамма излучение - волны длиной менее 10 -2 нм, энергия квантов больше 0. 1 Мэв.

Механические волны - процесс распространения механических колебаний в среде (жидкой, твердой, газообразной)

Следует запомнить, что механические волны переносят энергию, форму, но не переносят массу.

Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно, их скорость конечна.

Различают два вида механических волн: поперечные и продольные.

1. Поперечные волны:

Волны называются поперечными, если частицы среды колеблются перпендикулярно (поперек) лучу волны. Они существуют в основном за счет сил упругости, возникающих при деформации сдвига, а поэтому существуют только в твердых средах.

На поверхности воды возникают поперечные волны, так как колеблется граница сред.

В поперечных волнах различают горбы и впадины.

Длина поперечной волны - расстояние между двумя ближайшими горбами или впадинами.

2. Продольные волны:

Волны называются продольными, если частицы среды колеблются вдоль луча волны. Они возникают за счет деформации сжатия и напряжения, поэтому существуют во всех средах.

В продольных волнах различают зоны сгущения и зоны разряжения.

Длина продольной волны - расстояние между двумя ближайшими зонами сгущения или зонами разряжения.

Интенсимвность -- скалярная физическая величина, количественно характеризующая поток энергии, переносимой волной в некотором направлении. Численно интенсивность равна количеству энергии, переносимому через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению потока энергии, усреднённому за период волны. В математической форме это может быть выражено следующим образом:

Вектор Пойнтинга (также вектор Умова -- Пойнтинга) -- вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, одна из компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов:

где E и H -- вектора комплексной амплитуды электрического и магнитного полей соответственно.

Этот вектор по модулю равен количеству энергии, переносимой через единичную площадь, нормальную к S, в единицу времени. Своим направлением вектор определяет направление переноса энергии.

Поскольку тангенциальные к границе раздела двух сред компоненты E и H непрерывны (см. граничные условия), то вектор S непрерывен на границе двух сред.

13. Звук, виды звука

Звук- это механические колебания частиц в упругой среде, распространяющиеся в форме продольных волн, частота которых лежит в пределах воспринимаемых человеческим ухом, в среднем от 16 до 20000 Гц.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

Акустический спектр тона - это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Наименьшая частота в спектре (н) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2н, 3н, 4н, ... Акустический спектр шума является сплошным.

Физические характеристики звука

1. Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде.

Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление (ДС) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ДС) выражается следующей формулой:

Плотность среды; v - скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

Рассотрим основные характаристики звука:

• 1) Субъективные характеристики звука - характеристики, зависящие от свойств приемника:
  • - громкость. Громкость звука опеределяется амплитудой колебаний в звуковой волне.
  • - тон (высота тона). Определяется частотой колебаний.
  • - тембр (окраска звука).

Что понимают под волнами? Какие бывают волны? Где в природе наблюдаются волны? Что такое электромагнитные волны? Как проявляются на опыте электромагнитные волны различных диапазонов?

Урок-лекция

ЧТО ТАКОЕ ВОЛНА . Движение волн человек наблюдал с древних времен, и многие писатели. поэты, художники обращались к образу волны. Научное понятие волны появилось значительно позднее. Что же такое волна в научном понимании? В литературных произведениях, подобных тому, которое приводится в эпиграфе, под волнами понимаются гребни («горы»), следующие один за другим. Однако выделять один гребень и рассматривать лишь его было бы неправильно. В науке о природе под волной понимают все совокупное движение в какой-либо области пространства. То, что волны движутся, очевидно следует из опыта.

Волна - это процесс распространения колебаний различной природы во времени и в пространстве.

Закрепим один конец веревки на опоре, а за другой натянем веревку, держа ее в руке. Сделав рукой резкое движение, показанное стрелками на рисунке 65, мы увидим, как по веревке побежит волна. Несложно понять, веревки не бегут вместе с волной.

Рис. 65. Волна в натянутой веревке

Мы можем измерить время, за которое волна дошла от места падения камня до некоторой точки на поверхности воды и, зная это расстояние, вычислить скорость волны. Однако движение волны не просто движение частичек воды. В этом легко убедиться, бросив в волну щепку. Если бы частички воды двигались вместе с волной, они увлекали бы за собой щепку. Однако, поколебавшись с волной, щепка остается на месте.

Результаты опытов указывают на то, что процесс движения волны не является перемещением частиц со скоростью волны. Волна - это процесс распространения колебания частиц.

В более общем случае, например в электромагнитной волне , колеблются не частицы, а поля. При этом нельзя сказать, что поле перемещается в пространстве. Оно просто исчезает в одной точке пространства и возникает в другой точке пространства. Таким образом, можно сделать вывод, что волна - это процесс распространения колебаний в различных системах.

Следует заметить, что определение волны как колебаний не совсем строгое. Например, звуковая ударная волна, образующаяся в результате взрыва (разряда молнии) - это резкий скачок давления (рис. 66). Как будет показано далее, такие волны могут быть представлены как сумма различных колебаний.

Рис. 66. Зависимость давления звуковой волне от расстояния в ударной

ПРИРОДА ВОЛН . Попробуем теперь ответить на вопросы, что же колеблется при распространении волны и где в природе встречаются волны. Проще всего ответить на второй вопрос: волны существуют везде. В различных уголках нашей огромной Вселенной можно найти места, где практически нет вещества, т. е. атомов и молекул. Однако нет места, куда не доходит свет звезд, который представляет собой электромагнитную волну. Но, может быть, закрывшись в темной комнате, мы спрячемся от волн? И это невозможно. В комнату проникают радиоволны, а стены комнаты, как и мы сами, излучают электромагнитные волны, невидимые для глаза.

Природа волн очень разнообразна, однако увидеть волны можно только в исключительных случаях; примером являются волны на поверхности воды и волна в натянутой веревке (см. рис. 65). В этих случаях мы видим колебания. Колебания, происходящие в других волнах, невидимы и могут быть изучены только при применении специальных приборов. Примером является звук, представляющий собой распространяющиеся колебания давления воздуха. Эти колебания, доходя до барабанной перепонки уха, вызывают ощущение звука, но установить, что это именно колебания, можно, лишь используя приборы.

Звук распространяется не только в газах, но и в жидкостях и твердых телах; важно, чтобы такие тела обладали достаточной упругостью. Более общее название таких волн - волны упругости . К подобным волнам относятся также и волны в натянутых нитях, например волны в струнах музыкапьных инструментов.

При распространении волн упругости происходит движение частиц, составляющих вещество. При распространении электромагнитных волн никакие частицы не движутся, происходит просто изменение электрических и магнитных полей в пространстве.

Электромагнитные поля обычно регистрируются приборами, но некоторые из них, например свет, воспринимаются органами чувств, хотя никаких колебаний мы при этом не видим.

Мы привели далеко не все примеры волн, однако и этих примеров достаточно, чтобы составить представление о большом разнообразии волн.

Волны могут иметь разнообразную природу,

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН . Из курса физики вспомните понятие «длина волны».

Электромагнитные волны являются наиболее распространенными в природе. Среди прочих волн электромагнитные волны замечательны тем, что диапазон, в котором изменяются частоты и соответственно длины волн, очень велик. Различные приборы способны регистрировать электромагнитные волны с длиной волны от нескольких километров до долей пикометра (10 -12 м). В таблице приведены названия волн различных диапазонов и некоторые свойства волн.

Добавим к информации, которая указана в последней колонке таблицы, что волны всех диапазонов используются для определения спектров различных веществ. На основе анализа спектров получается информация о составе веществ. Кроме того, волны всех диапазонов находят в настоящее время применение в медицине (УВЧ- и СВЧ-терапия, флюорография, лазерная хирургия глаза, лечение раковых заболеваний и др.).

В таблице приведены сведения о вредных последствиях, вызываемых сильными электромагнитными волнами. Однако сильные звуковые волны также оказывают на организм вредное воздействие. Поэтому при работе в повышенной шумовой обстановке необходимо использовать шумозащитные устройства (наушники). Вредное влияние на организм может оказать также длительное прослушивание громкой музыки.

Некоторые «безобидные» приборы, например лазерные указки, оптические мыши излучают свет, способный повредить зрение при прямом попадании в глаз. Не играй те с такими приборами, направляя излучение в глаз!

• Чем обусловлено вредное воздействие некоторых электромагнитных волн на вые организмы?
• Могут ли оказывать вредное воздействие на организм волны другой (не элект ромагнитной) природы? Приведите примеры.
• Проделайте опыт с волной в натянутой веревке и попытайтесь ответить на вопросы: а) какова скорость распространения такой волны; б) как эта скорость из меняется при изменении натяжения веревки и при изменении свойств веревки (например, ее толщины)?

ОК-9 Распространение колебаний в упругой среде

Волновое движение - механические волны, т. е. волны, которые распространяются только в веществе (морские, звуковые, волны в струне, волны землетрясений). Источниками волн являются колебания вибратора.

Вибратор - колеблющееся тело. Создает колебания в упругой среде.

Волной называются колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.

Волновая поверхность - геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах

Л
уч - линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением распространения волны.

Причина возникновения волн в упругой среде

Если вибратор колеблется в упругой среде, то он воздействует на частицы среды, заставляя их совершать вынужденные колебания. За счет сил взаимодействия между частицами среды колебания передаются от одной частицы к другой.

Т
ипы волн

Поперечные волны

Волны, в которых колебания частиц среды происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Возникают в твердых телах и на поверхности поды.

П
родольные волны

Колебания происходят вдоль распространения волны. Могут возникать в газах, жидкостях и твердых телах.

Поверхностные волны

В
олны, которые распространяются на границе раздела двух сред. Волны на границе между водой и воздухом. Еслиλ меньше глубины водоема, то каждая частица воды на поверхности и вблизи от нее движется по эллипсу, т.е. представляет собой комбинацию колебаний в продольном и поперечном направлениях. У дна же наблюдается чисто продольное движение.

Плоские волны

Волны, у которых волновые поверхности являются плоскостями, перпендикулярными на правлению распространения волн.

Сферические волны

Волны, у которых волновые поверхности являются сферами. Сферы волновых поверхностей концентрические.

Характеристики волнового движения

Длина волны

Наименьшее расстояние между двумя гонками, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны. Зависит только от среды, в которой распространяется волна, при равных частотах вибратора.

Частота

Частота ν волнового движения зависит только от частоты вибратора.

Скорость распространения волны

Скорость v=λν . Так как
, то
. Однако скорость распространения волны зависит от вида вещества и его состояния; отν иλ , не зависит.

В идеальном газе
, гдеR - газовая постоянная;М - молярная масса;Т - абсолютная температура;γ - постоянная для данного газа;ρ - плотность вещества.

В твердых телах поперечные волны
, гдеN - модуль сдвига; продольные волны
, гдеQ - модуль всестороннего сжатия. В твердых стержнях
гдеЕ - модуль Юнга.

В твердых телах распространяются как поперечные, так и продольные волны с разными скоростями. На этом основан способ определения эпицентра землетрясения.

Уравнение плоской волны

Его вид x =x 0 sinωt (t −l /v) =x 0 sin(ωt −kl ), гдеk = 2π /λ - волновое число;l - расстояние, пройденное волной от вибратора до рассматриваемой точкиА .

Запаздывание по времени колебаний точек среды:
.

Запаздывание по фазе колебаний точек среды:
.

Разность фаз двух колеблющихся точек: ∆φ =φ 2 −φ 1 = 2π (l 2 −l 1)/λ .

Энергия волны

Волны переносят энергию от одной колеблющейся частицы к другой. Частицы совершают только колебательные движения, но не движутся вместе с волной: E =E к +E п,

где E к - кинетическая энергия колеблющейся частицы;E п - потенциальная энергия упругой деформации среды.

В некотором объеме V упругой среды, в которой распространяется волна с амплитудойх 0 и циклической частотойω , имеется средняя энергияW , равная
, гдеm - масса выделенного объема среды.

Интенсивность волны

Физическая величина, которая равна энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу площади поверхности перпендикулярно направлению распространения волны, называется интенсивностью волны:
. Известно, чтоW иj ~.

Мощность волны

Если S - поперечная площадь поверхности, через которую волной переносится энергия, аj - интенсивность волны, то мощность волны равна:p =jS .

ОК-10 Звуковые волны

Упругие волны, вызывающие у человека ощущение звука, называются звуковыми волнами.

16 –2∙10 4 Гц - слышимые звуки;

меньше 16 Гц - инфразвуки;

больше 2∙10 4 Гц - ультразвуки.

О
бязательное условие для возникновения звуковой волны - наличие упругой среды.

М
еханизм возникновения звуковой волны аналогичен возникновению механической волны в упругой среде. Совершая колебания в упругой среде, вибратор воздействует на частицы среды.

Звук создают долговременные периодические источники звука. Например, музыкальный: струна, камертон, свист, пение.

Шум создают долговременные, но не периодические источники звука: дождь, море, толпа.

Скорость звука

Зависит от среды и ее состояния, как и для любой механической волны:

.

При t = 0°Сv воды = 1430 м/с,v стали = 5000 м/с,v воздуха = 331 м/с.

Приемники звуковых волн

1. Искусственные: микрофон преобразует механические звуковые колебания в электрические. Характеризуются чувствительностью σ :
,σ зависит отν з.в. .

2. Естественные: ухо.

Его чувствительность воспринимает звук при ∆p = 10 −6 Па.

Чем меньше частота ν звуковой волны, тем меньше чувствительностьσ уха. Еслиν з.в. уменьшается от 1000 до 100 Гц, тоσ уха уменьшается в 1000 раз.

Исключительная избирательность: дирижер улавливает звуки отдельных инструментов.

Физические характеристики звука

Объективные

1. Звуковое давление - давление, оказываемое звуковой волной на стоящее перед ней препятствие.

2. Спектр звука - разложение сложной звуковой волны на составляющие ее частоты.

3. Интенсивность звуковой волны:
, гдеS - площадь поверхности;W - энергия звуковой волны;t - время;
.

Субъективные

Громкость, как и высота, звука связана с ощущением, возникающим в сознании человека, а также с интенсивностью волны.

Человеческое ухо способно воспринимать звуки интенсивностью от 10 −12 (порог слышимости) до 1(порог болевого ощущения).

Г

ромкость не является прямо пропорциональной величиной интенсивности. Чтобы получить звук в 2 раза большей громкости, надо интенсивность увеличить в 10 раз. Волна, имеющая интенсивность 10 −2 Вт/м 2 , звучит в 4 раза громче, чем волна интенсивностью 10 −4 Вт/м 2 . Из-за этого соотношения между объективным ощущением громкости и интенсивностью звука используют логарифмическую шкалу.

Единицей этой шкалы является бел (Б) или децибел (дБ), (1 дБ = 0,1 Б), названная в честь физика Генриха Бела. Уровень громкости выражается в белах:
, гдеI 0 = 10 −12 порог слышимости (усредненный).

Е
слиI = 10 −2 , то
.

Громкие звуки вредны для нашего организма. Санитарная норма равна 30–40 дБ. Это громкость спокойной тихой беседы.

Шумовая болезнь: высокое артериальное давление крови, нервная возбудимость, тугоухость, быстрая утомляемость, плохой сон.

Интенсивность и громкость звука от различных источников: реактивный самолет - 140 дБ, 100 Вт/м 2 ; рок-музыка в закрытом помещении - 120 дБ, 1 Вт/м 2 ; обычный разговор (50 см от него) - 65 дБ, 3,2∙10 −6 Вт/м 2 .

Высота звука зависит от частоты колебаний: чем >ν , тем выше звук.

Т
ембр звука позволяет различать два звука одинаковой высоты и громкости, издаваемых различными инструментами. Он зависит от спектрального состава.

Ультразвук

Применяется: эхолот для определения глубины моря, приготовление эмульсий (вода, масло), отмывка деталей, дубление кожи, обнаружение дефектов в металлических изделиях, в медицине и др.

Распространяется на значительные расстояния в твердых телах и жидкостях. Переносит энергию значительно большую, чем звуковая волна.