Звук и волны

В физике звук — это вид энергии, который перемещается в виде вибраций через воздух или другую среду. Эти вибрации достигают наших ушей и интерпретируются нашим мозгом, позволяя нам слышать звуки. Волны, с другой стороны, являются методом передачи звука — и многих других форм энергии. Понимая волны, мы можем также понять, как работает звук.

Что такое волны?

Волны — это возмущения, которые движутся через пространство и время, передавая энергию без передачи материи. Существует два основных типа волн: механические волны и электромагнитные волны. Звук — это вид механической волны, что означает, что ему нужна среда (например, воздух, вода или твердая материя), чтобы распространяться.

Механические волны

Механические волны требуют среды для перемещения. Они не могут перемещаться в вакууме. Примеры включают волны на струне, водные волны и звуковые волны. Эти волны можно дополнительно классифицировать на два типа:

Поперечные волны

В поперечных волнах смещение частицы перпендикулярно направлению распространения волны. Классический пример поперечной волны — это волна на струне. Если дернуть веревку, закрепленную с одного конца, можно увидеть гребни и впадины, распространяющиеся вдоль веревки, перпендикулярно начальному движению.

    ,       
    ,    
    ,  
    ,
  ----> направление волны

Продольные волны

В продольных волнах смещение частицы параллельно направлению распространения волны. Звуковые волны в воздухе — основной пример. Когда кто-то говорит, области сжатия воздуха (компрессии) и области, где частицы расходятся (разрежение), распространяются через воздух.

  [ Компрессия ] [ Разрежение ]
  ----> направление волны

Что такое звук?

Звук — это вид механической волны, который образуется при вибрации частиц. Оно распространяется в веществе в виде волны. В отличие от света, звук не может распространяться в вакууме; ему нужна среда для распространения.

Как распространяется звук?

Звук начинается с вибрации источника, такого как струны гитары, голосовые связки или хлопки ладонями. Эти вибрации вызывают вибрацию соседних молекул воздуха. Это создает области, где молекулы упакованы вместе (компрессия) и области, где они более разрежены (разрежение). Эти области сжатия и разрежения распространяются через среду в виде звуковых волн.

Характеристики звуковых волн

Звуковые волны имеют несколько характеристик, включая частоту, длину волны, амплитуду и скорость.

• Частота: Частота относится к количеству колебаний или циклов, которые происходят в единицу времени. Измеряется в Герцах (Гц).
• Длина волны: Длина волны — это расстояние между двумя последовательными сжатиями или разрежениями.
• Амплитуда: Амплитуда относится к энергии или силе звуковой волны. Более высокая амплитуда означает более громкий звук.
• Скорость: Скорость звука меняется в зависимости от среды. В основном звук распространяется быстрее в твердых телах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в газах.

Скорость звука

При стандартной комнатной температуре скорость звука в воздухе составляет около 343 метров в секунду (м/с). В воде звук распространяется со скоростью около 1480 м/с. Через сталь он движется со скоростью около 5120 м/с.

Скорость звука зависит от таких факторов, как температура, плотность и упругость среды. Теплые температуры обычно увеличивают скорость звука, потому что молекулы среды двигаются быстрее и передают звук быстрее.

Формулы физики:

    Скорость звука (v) = частота (f) × длина волны (λ)
    

Диапазон человеческого слуха

Человек может слышать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20000 Гц. Звуки ниже 20 Гц называются инфразвуковыми (например, землетрясения), а звуки выше 20000 Гц называются ультразвуковыми (например, собачий свисток или ультразвуковое устройство).

Как работает человеческий слух?

Когда звуковые волны достигают человеческого уха, они сначала проходят через слуховой канал, а затем достигают барабанной перепонки. Барабанная перепонка вибрирует и передает эти вибрации миниатюрным косточкам, присутствующим в среднем ухе. Эти кости усиливают звук и передают его к внутреннему уху, где улитка, орган спиралевидной формы, преобразует эти вибрации в электрические сигналы. Эти сигналы отправляются в мозг и интерпретируются как звук.

Эхо и отражения

Эхо — это отраженный звук, который достигает уш слушателя через некоторое время после исходного звука. Отражение звука подчиняется тем же законам, что и отражение света. В некоторых местах, таких как пустой зал или гора, эхо может быть довольно очевидным.

Применение

Отражение звука используется в различных технологиях, таких как сонарное оборудование, используемое кораблями для обнаружения подводных объектов. В зданиях звукоизоляция часто направлена на снижение эхов для улучшения качества звука. Звукопоглощающие материалы используются для управления звукоизоляцией в акустике и архитектуре.

Свойства звука

Интонация

Высота звука определяется частотой звуковой волны. Более высокие частоты означают более высокий тон. Например, свисток производит звук высокого тона, в то время как удары по барабану создают звук низкого тона.

Громкость

Интенсивность звука связана с амплитудой звуковой волны. Чем выше амплитуда, тем громче звук. Шепот имеет низкую амплитуду и является мягким, тогда как крик имеет высокую амплитуду и является громким.

Ритм

Тембр или звуковое качество — это то, что отличает два звука, когда их высота и громкость одинаковы. Тембр определяется количеством и силой обертонов, которые они содержат. Разные инструменты производят разные тембры, даже когда они играют на одинаковой высоте и громкости.

Как работают музыкальные инструменты

Музыкальные инструменты издают звук, вибрируя. В зависимости от процесса производства звука их можно классифицировать на несколько типов:

Струнные инструменты

Музыкальные инструменты, такие как гитара, скрипка и виолончель, издают звук, когда их струны вибрируют. Щипание или смычковое управление струнами создает вибрации, которые распространяются через воздух в виде звуковых волн.

    --- натянутая струна вибрирует ---   
    ,  

Духовые инструменты

Флейты, кларнеты и трубы издают звук, когда воздух внутри трубки вибрирует. Когда воздух проходит через мундштук или трость, это вызывает вибрацию воздуха внутри, создавая звук.

       ,  
   ---| воздух |--- звуковая волна  
       ,

Ударные инструменты

Барабаны и ксилофоны издают звук, когда на них ударяют. Когда вы ударяете по этим инструментам, вибрации на поверхности создают звуковые волны в воздухе.

Применение звуковых волн

Ультразвук

Ультразвуковые волны, обладающие высокой частотой, используются в медицинской визуализации и лечении. Например, в сонограммах ультразвуковые волны помогают визуализировать внутренние органы, включая развивающийся плод в период беременности.

Коммуникации

Люди и животные используют звук для общения. Звуки могут передавать информацию, сигналы и эмоции. В природе животные используют звуки для брачных зовов, предупреждений или навигации.

Музыка и развлечения

Звук — неотъемлемая часть музыки и развлечений. Музыкальные композиции, разговорные диалоги и звуковые эффекты обогащают наш опыт в кинематографе и театральных представлениях.

Акустика

В акустике инженеры проектируют концертные залы и студии для управления отражениями звука с целью создания приятной звуковой среды. Материалы и проектирование пространства учитывают распространение звука, поглощение и рассеивание.

Заключение

Изучение звука и волн показывает, как энергия перемещается и как мы воспринимаем вибрации как звук. Знание о волнах помогает нам понять многие природные явления и способствует разработке технологий, которые улучшают коммуникации, медицинскую визуализацию и развлечения. Взаимодействие звука с различными средами делает его пригодным в различных приложениях, от повседневных разговоров до передовых научных исследований и разработок.

Комментарии