Kvant. Звук

А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — C. 40-41.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

...теория звука, в обычном ее понимании, охватывает
ту же область, что и теория колебаний вообще...
Мы, как правило, будем ограничиваться теми классами колебаний,
для которых наши уши оказываются готовым и чувствительным
инструментом исследования. Не обладая слухом, мы едва ли
много больше интересовались бы колебаниями, чем глаз — светом.
Дж. У. Рэлей

Физика звука — одна из самых «живых» областей физики. Достаточно сказать, что в акустике (наряду с оптикой) человек долгое время чувствовал себя самым совершенным «прибором». Но постепенно открылось, что мир наполнен и неслышимыми звуками, недоступными нашему уху. И только внимательно наблюдая за живой природой, «оснащенной» заметно богаче нас акустическими средствами, воспроизводя их и создавая новые, искусственные, мы необыкновенно расширили палитру звуков, поставив их себе на службу.

Архитектура, музыка, медицина, техника — вот некоторые сферы использования современных знаний о звуке. Примеры — в сегодняшнем выпуске «Калейдоскопа».

Вопросы и задачи

1. Звук артиллерийского выстрела дошел до первого наблюдателя через 3 секунды, а до второго — через 4,5 секунды после вспышки. Определите графически местоположение орудия, если расстояние между наблюдателями 1 километр.
2. Известно, что если источник звука и человек находятся примерно на одной высоте, то в направлении ветра звук слышен дальше, чем в противоположном. Как это можно объяснить?
3. Почему ветер воет?
4. Продольными или поперечными являются волны, возбуждаемые смычком?
5. Давление воздуха в баллоне колеса автомашины можно оценить по звуку, получаемому при ударе по баллону металлическим предметом. Как это можно сделать?
6. Почему у банджо звенящий звук, а у арфы — мягкий, певучий?
7. Громкость звука убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Ученик, сидящий в пятом ряду, находится примерно втрое дальше от учителя, чем сидящий в первом ряду, однако условия слышимости в обоих случаях мало отличаются друг от друга. Почему?
8. Какой камертон звучит дольше: закрепленный в тисках или стоящий на резонансном ящике?
9. Звукопоглощаемость стекла значительно меньше звукопоглощаемости воздуха, однако, закрывая окно, мы значительно ослабляем слышимость уличного шума (а наличие двойных рам почти полностью прекращает его доступ в комнату). Чем это можно объяснить?
10. Почему после снегопада становится так тихо?
11. Почему неполный чайник перед закипанием воды «шумит» сильнее, чем полный?
12. В окнах, под которыми проезжают автомашины, нередко назойливо дребезжат стекла. Это неприятное явление можно значительно ослабить, если в центре стекла прикрепить кусочек пластилина. Как объяснить этот эффект?
13. Оперный певец способен разбить большой винный бокал, спев очень громко определенную высокую ноту в течение нескольких секунд. Почему?
14. Почему возникает звук, когда щелкают бичом?
15. Почему при выстреле из ружья пуля вылетает со свистом, а брошенная рукой летит бесшумно?
16. Какую форму имеет фронт ударной волны, возникающей в воздухе при полете сверхзвукового реактивного самолета?
17. Почему дверь, лишь чуть-чуть приоткрытая в шумный коридор, практически не уменьшает шума?

Микроопыт

Если вы подуете около отверстия ключа, получится звук определенной частоты. Попробуйте оценить ее.

Любопытно, что…

...на Руси еще в X веке проводилась «акустическая обработка» внутренностей церквей и храмов. Для этого в их стены и своды закладывались специальные глиняные сосуды — голосники, служащие резонаторами звуков.

...система звуковых сигналов у некоторых африканских племен была разработана так хорошо, что их можно было считать обладателями телеграфа, причем более совершенного, чем оптический телеграф европейцев, предшествовавший электрическому. Так, сообщение о гибели «Лузитании» — «Большой корабль белых людей потонул, много белых погибло» — прогремело на барабанном языке через все земли от Каира до Ибадана.

...в замке Вудсток, в Англии, эхо отчетливо повторяет 17 слогов. А в замке близ Милана — в еще одном «царстве эха» — громко сказанное слово повторяется эхом 30 раз!

...частотный диапазон человеческого голоса намного уже диапазона человеческого слуха (20 - 20 000 герц). Так, самые высокие ноты, до которых «добираются» современные певицы, соответствуют частотам около 2350 герц, а рекорд в области низких частот составляет 44 герца.

...энергия, которую обычно переносят звуковые волны, очень мала. Если бы стакан с водой полностью поглощал всю падающую на него звуковую энергию, соответствующую громкости в 70 децибел (уровень громкой речи), и был бы полностью теплоизолирован от окружающей среды, то для того, чтобы нагреть воду от комнатной температуры до кипения, потребовалось бы примерно тридцать тысяч лет.

...секрет ультразвукового «разглядывания» дельфинами удаленных предметов — в узкой направленности акустических сигналов. Например, черноморские афалины способны безошибочно подплывать к дробинке диаметром 4 миллиметра, брошенной в море на расстоянии 20 - 30 метров от животного.

...одно из многочисленных применений ультразвука в медицине основано на возможности его концентрации на чрезвычайно ограниченных участках ткани без влияния на весь остальной организм.

Что читать в «Кванте» о звуке

1. «Акустика в Океане» — 1987, № 3, с. 8;
2. «Физика музыкальной гармонии» — 1987, № 5, с. 41;
3. «Музыкальные пульсары» — 1988, № 6, с. 11;
4. «Глобальные резонансы» — 1989, № 2, с. 16;
5. «В мире мощного звука» — 1989, № 9, с. 18;
6. «Ультразвук в медицине» — 1990, № 9, с. 17;
7. «Об интерференции, дельфинах и летучих мышах» — 1991, № 5, с. 18;
8. «О водяном звере и акустическом резонансе» — 1991, № 7, с. 8.

Ответы

1. См. рис.

   

   Здесь t₁ =3 с, t₂ = 4,5 с, l = 1 км, υ = 330 м/с (скорость звука).

2. Обычно скорость ветра на высоте больше, чем у земли, поэтому волновые поверхности становятся несимметричными и в направлении ветра скорость волн оказывается больше, чем против ветра. В результате звук, распространяющийся против ветра, отклоняется вверх (кривая АВ на рисунке), а распространяющийся по ветру — вниз (кривая АС).

   

3. При обтекании ветром проводов или ветвей деревьев воздушный поток становится неустойчивым и с препятствий могут срываться вихри. Они и создают колебания давления воздуха, которые мы воспринимаем как звуки.
4. В струне — поперечными, в воздухе — продольными.
5. Чем больше давление воздуха в баллоне, тем выше тон издаваемого звука.
6. Когда струну дергают ногтем или медиатором, в ней возбуждается больше высших гармоник, чем когда ее трогают пальцами. Высшие гармоники и придают звукам банджо звенящую окраску.
7. Из-за многократных отражений замкнутое помещение более или менее равномерно заполняется энергией звуковых колебаний.
8. Дольше звучит камертон, закрепленный в тисках, потому что у него меньше интенсивность излучения энергии звуковых волн.
9. При переходах звуковой волны из воздуха в стекло и из стекла в воздух происходит ее отражение, вследствие чего доля энергии, попадающей в комнату, уменьшается.
10. Между пушинками свежевыпавшего снега существуют маленькие полости, которые поглощают звук так же, как современные звукопоглощающие покрытия.
11. Воздушная полость в чайнике служит резонатором для звуков.
12. Пластилин увеличивает массу стекла, что приводит к уменьшению собственной частоты колебаний стекла и расстраивает резонанс между ним и звуковыми волнами от автомашин.
13. Бокал имеет определенные резонансные частоты, и если одна из них совпадает с частотой звуковых колебаний, стекло может треснуть.
14. Либо кончик бича, изгибаясь, бьет сам по себе, издавая при этом звук, либо, двигаясь быстрее звука, он создает ударную звуковую волну.
15. Пуля, пущенная из ружья, движется со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе, вследствие чего образуется ударная волна.
16. Коническую поверхность, движущуюся со скоростью самолета.
17. Звуковая волна испытывает дифракцию на щели, и звук, проникая через щель, распространяется по всей комнате.

Микроопыт

Частоту можно определить по длине волны, а она приблизительно равна учетверенной длине воздушного столбика внутри ключа.

Материал подготовил А.Леонович