§ 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).
а)
Но эти колебания не будут восприниматься нашим ухом. Если, однако, уко-ротить выступающий конец линейки (рис. 4.24, б), то мы обнаружим, что линейка звучит.
Рис. 4.24
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.
б)
Наше ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 16 до 20 ООО 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 слы-шать 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, производи- мого в воде на большом расстоянии. Многие обитатели мор-ских 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 аб-солютного 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 .
Сжатие и разрежение воздуха вызывает колебания давления относительно среднего атмосферного давления pQ. Громкому звуку соответствует изменение давления Ар на несколько десятков паскалей. Но при этом относительное изменение
давления невелико: — = 0,001. Человеческое ухо способно
Р о
воспринимать изменения давления Ар ~ 10~5 Па. Это соответствует подводимой к ушной раковине мощности около Ю-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.
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. Рис. 4.25
Любопытно, что еще Роберт Гук, крупнейший ученый, современник Ньютона, предвидел многие возможности практического применения звука. В частнос-ти, 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...»