А. Звуковые волны

Звуковые волны. Скорость звука

Звуковые волны (звук) — это упругие продольные волны, которые, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают определенные (слуховые) ощущения.

Человеческое ухо воспринимает в виде звука упругие колебания, частота которых находится в пределах от 16 до 20000 Гц. Такие колебания называются акустическими. Акустика — раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на встречные препятствия.

Звуковые колебания с частотами, меньшими 16 Гц, называются инфразвуками, а с частотами, большими 20000 Гц, — ультразвуками. Любое тело (твердое, жидкое или газообразное), колеблющееся со звуковой частотой, создает в окружающей среде звуковую волну.

В вакууме звуковые волны распространяться не могут. Для доказательства этого электрический звонок нужно поместить под колокол воздушного насоса (рис. 15.9). По мере того как давление воздуха под колоколом уменьшается, звук ослабевает, пока не прекращается совсем, хотя колебания звонка происходят.

Рис. 15.9

Плохо проводят звук такие материалы, как войлок, пористые панели, прессованная пробка и т.д. Эти материалы используют для звукоизоляции, т.е. для защиты помещений от проникновения в них посторонних звуков.

Звуковые волны распространяются с конечной скоростью, которая зависит от особенностей среды: плотности, упругости, температуры. Например, скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна 331 м\с, в водороде — 1270 м\с, а в углекислом газе — 258 м\с.

Скорость распространения звуковых волн в газах можно рассчитать по формуле

\(\upsilon = \sqrt{\gamma \frac{RT}{M} }.\)

где \(~\gamma\) — показатель адиабаты (см. § 79) (для воздуха \(~\gamma\) =1,4), R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, М — молярная масса газа.

Скорость звука в воде больше, чем в воздухе. При 8 °С скорость звука в воде равна 1435 м\с. В твердых телах она еще больше, чем в жидкостях. Например, в стали скорость звука приблизительно равна 5200 м\с, в меди — 3910 м\с, в алюминии — 4880 м\с.

Скорость распространения продольных звуковых волн в упругом стержне \(\upsilon_{prod} = \sqrt \frac{E}{\rho},\) где Е — модуль Юнга, \(~\rho\) — плотность материала стержня.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 430-431.