Звук - практически невозможно представить мир без него. Это, вероятно, первое, что вы испытываете, когда просыпаетесь утром - когда слышите щебетание птиц или звук будильника. Звук наполняет наши дни волнением и смыслом, когда люди разговаривают с нами, когда мы слушаем музыку или когда мы слушаем интересные программы по радио и телевидению. Звук может быть последним, что вы слышите ночью, когда вы слушаете свое сердцебиение и постепенно погружаетесь в беззвучный мир сна. Звук завораживает - давайте подробнее рассмотрим, как он работает!
Что такое звук?
Звук - это энергия, которую вещи производят, когда они вибрируют (быстро двигаются вперед и назад). Если вы ударите по барабану, вы заставите тугую кожу вибрировать с очень высокой скоростью (это настолько быстро, что вы обычно не сможете ее увидеть), заставляя также вибрировать воздух вокруг нее. При движении воздух переносит энергию из барабана во всех направлениях. В конце концов, даже воздух внутри ваших ушей начинает вибрировать - и именно тогда вы начинаете воспринимать вибрирующий барабан как звук. Короче говоря, есть два разных аспекта звука: есть физический процесс, который вначале производит звуковую энергию и посылает ее в воздух, и есть отдельный психологический процесс.Процесс, происходящий внутри наших ушей и мозга, преобразующий поступающую звуковую энергию в ощущения, которые мы интерпретируем как шумы, речь и музыку. В этой статье мы просто сосредоточимся на физических аспектах звука.
Звук в некотором смысле похож на свет : он исходит от определенного источника (например, инструмента или шумной машины), точно так же, как свет исходит от Солнца или электрической лампочки . Но есть и некоторые очень важные различия между светом и звуком. Мы знаем, что свет может перемещаться через вакуум, потому что солнечный свет должен пройти через космический вакуум, чтобы достичь нас на Земле. Однако звук не может проходить через вакуум: ему всегда нужно через что-то проходить (так называемая среда ), например, воздух, вода , стекло или металл .
Классический эксперимент Роберта Бойля
Первым, кто обнаружил, что звук нуждается в среде, был блестящий английский ученый, известный как Роберт Бойль (1627–1691). Он провел классический эксперимент , который вы , вероятно , сделали себя в школе: он установка будильника часы звонкой, положил его в большой стеклянной банке, и в то время как часы все еще звонили, сосал весь воздух из с насосом . По мере того как воздух постепенно исчезал, звук стих, потому что в банке не было ничего, через что он мог бы пройти.
1. Поместите звонящий будильник в большой стеклянный шкаф с клапаном наверху. Закройте клапан, чтобы внутрь не попал воздух.
2. Вы можете легко услышать звон часов, потому что звук проходит по воздуху в корпусе и стекле, прежде чем дойти до ваших ушей.
3. Включите вакуумный насос и удалите воздух из корпуса. По мере того, как корпус опорожняется, звенящие часы звучат все тише и тише, пока вы их почти не услышите. Когда в корпусе мало или совсем нет воздуха, звук не доносится до ушей.
4. Выключите насос. Пока часы продолжают звенеть, откройте вентиль в верхней части корпуса. Когда воздух устремится обратно, вы снова услышите звон часов. Почему? Потому что, когда воздух снова находится внутри корпуса, есть среда, которая переносит звуковые волны от звонящих часов к вашим ушам.
Как распространяется звук
Когда вы слышите звон будильника, вы слушаете, как энергия совершает путешествие. Он запускается откуда-то внутри часов, путешествует по воздуху и через некоторое время попадает в ваши уши. Это немного похоже на волны, движущиеся по морю: они начинаются с места, где ветер дует на воду (изначальный источник энергии, такой как звонок или зуммер внутри вашего будильника), перемещаются по поверхности океана ( это среда, которая позволяет волнам перемещаться), и в конечном итоге вымывается на пляже (подобно звукам, входящим в ваши уши).
Как распространяется звук
Когда вы слышите звон будильника, вы слушаете, как энергия совершает путешествие. Он запускается откуда-то внутри часов, путешествует по воздуху и через некоторое время попадает в ваши уши. Это немного похоже на волны, движущиеся по морю: они начинаются с места, где ветер дует на воду (изначальный источник энергии, такой как звонок или зуммер внутри вашего будильника), перемещаются по поверхности океана ( это среда, которая позволяет волнам перемещаться), и в конечном итоге вымывается на пляже (подобно звукам, входящим в ваши уши).
Наука о звуковых волнах
Если у вас когда-либо было свободное время, пока вы отдыхали на пляже, попробуйте понаблюдать за различными способами поведения волн. Вы заметите, что волны, движущиеся по воде, могут делать самые разные интересные вещи, например, врезаться в стену и отражаться прямо назад с более или менее той же интенсивностью. Они также могут распространяться волнами, красться по пляжу и делать другие умные вещи. То, что здесь происходит с волнами на воде, на самом деле не имеет ничего общего с водой : это просто поведение энергии, когда ее переносят волны. То же самое происходит с другими видами волн - со светом и звуком.
Вы можете отразить звуковую волну от чего-то так же, как свет отразится от зеркала, или водные волны отразятся от морской стены и вернутся в море. Встаньте на некотором расстоянии от большой плоской стены и несколько раз хлопайте в ладоши. Почти сразу вы услышите призрачный повтор ваших хлопков, слегка не совпадающий с ним. То, что вы слышите, - это, конечно, отражение звука , более известное как эхо: это звуковая энергия в вашем хлопке, которая направляется к стене, отскакивает назад и в конечном итоге попадает в ваши уши. Между звуком и эхом есть задержка, потому что требуется время, чтобы звук достиг стены и обратно (чем больше расстояние, тем дольше задержка).
Звуковые волны теряют энергию при движении. Вот почему мы можем только слышать вещи до сих пор, и почему в ветреные дни (когда ветер рассеивает свою энергию) звуки распространяются хуже, чем в спокойные. Во многом то же самое происходит с океанами. Волны на воде иногда могут преодолевать огромные расстояния через океан, но они также могут испортиться, когда шквалистая погода рассеивает их энергию на более короткие расстояния.
Звуковые волны подобны свету и волнам на воде и в других отношениях. Когда водяные волны, преодолевая большие расстояния через океан, обтекают мыс или залив, они распространяются кругами, как рябь. Звуковые волны делают то же самое, поэтому мы можем слышать за углами. Представьте, что вы сидите в комнате рядом с коридором, а гораздо дальше по коридору есть такая же комната, где кто-то играет на трубе внутри. Звуковые волны исходят из трубы, распространяясь по мере продвижения. Они бегают по коридору, мчатся по нему, проникают через дверной проем в вашу комнату и в конечном итоге достигают ваших ушей. Волны тенденции должны распространяться по мере движения и огибать углы, что называется дифракцией .
Шепчущие галереи и амфитеатры
Если вы находитесь внутри здания с гигантским куполом, издаваемые вами звуки будут отражаться от изогнутой крыши, как лучи света, отражающиеся от зеркала. Здания, которые работают таким образом, иногда называют шепчущими галереями . Купол Капитолия США и знаменитый читальный зал Британского музея в Лондоне - два хорошо известных примера. Вы можете услышать тот же эффект на работе на улице, когда вы сидите в естественно изогнутом месте, называемом амфитеатром . Вы можете говорить обычным голосом и при этом быть очень отчетливо слышным на значительном расстоянии.
Измерение волн
Все звуковые волны одинаковы: они проходят через среду, заставляя атомы или молекулы колебаться взад и вперед. Но все звуковые волны тоже разные. Есть громкие и тихие звуки, высокий писк и низкий грохот, и даже два инструмента, играющие на одной и той же музыкальной ноте, будут издавать совершенно разные звуковые волны. Итак, что происходит?
Энергия, производимая чем-то, когда оно вибрирует, создает звуковые волны, которые имеют определенный узор. Каждая волна может быть большой или маленькой: большие звуковые волны имеют так называемую высокую амплитуду или интенсивность, и мы слышим их как более громкие звуки. Громкие звуки эквивалентны более крупным волнам, движущимся над морем (за исключением того, что, как вы помните, сверху вверху, воздух движется вперед и назад, а не вверх и вниз, как вода).
Помимо амплитуды, в звуковых волнах стоит обратить внимание на высоту звука, также называемую их частотой . Певцы-сопрано издают звуковые волны с высоким тоном, в то время как бас-певцы создают волны с гораздо более низким тоном. Частота - это просто количество волн, которые что-то производит за одну секунду. Таким образом, певец-сопрано производит больше энергетических волн за одну секунду, чем бас-певец, а скрипка дает больше, чем контрабас.
Понимание амплитуды и частоты
Это произведение показывает четыре волны, которые звучали бы по-разному.
Однако помните, что звуковые волны во время движения выглядят иначе. Эти восходящие и нисходящие паттерны - это то, что вы увидите, если изучите сигналы звуковых волн с помощью осциллографа (что-то вроде электронной машины для рисования графиков). Звуковые волны распространяются по воздуху в виде сжатых сжатий и вытянутых разрежений. Они выглядят так только на осциллограмме.
Почему инструменты звучат иначе
Но вот загадка. Если скрипка и фортепиано издают звуковые волны одинаковой амплитуды и частоты, почему они звучат так по-разному? Если волны идентичны, почему два инструмента не звучат совершенно одинаково? Ответ в том, что волны не идентичны! Инструмент (или человеческий голос, если на то пошло) одновременно генерирует целую смесь разных волн. Есть базовая волна с определенной амплитудой и высотой тона, называемая основной , и, кроме того, есть множество более высоких звуков, называемых гармониками или обертонами. Каждая гармоника имеет частоту, которая точно в два, три, четыре или во много раз выше основной. Каждый инструмент создает уникальный образец основной частоты и гармоник, называемый тембр (или качество звука). Все эти волны складываются вместе, чтобы придать уникальную форму звуковой волне, создаваемой разными инструментами, и это одна из причин, почему они звучат по-разному. Другая причина заключается в том, что амплитуда волн, создаваемых конкретным инструментом, меняется уникальным образом с течением секунд. Звуки флейты воспроизводятся мгновенно и быстро умирают, в то время как звуки фортепиано нарастают дольше и затухают медленнее.
Скорость звука
Что мы имеем в виду, когда говорим о скорости звука? Теперь вы знаете, что звук переносит энергию в виде набора волн, и вы можете видеть, что скорость звука означает скорость, с которой движутся волны - скорость, с которой энергия перемещается между двумя местами. Когда мы говорим, что реактивный самолет «преодолевает звуковой барьер», мы имеем в виду, что он разгоняется так быстро, что догоняет невероятно интенсивные (то есть шумные) звуковые волны, которые производят его двигатели, создавая ужасный шум, называемый звуковым бум в процессе. Вот почему вы увидите, как над головой пролетит истребитель за секунду или две до того, как услышите злобный рык его реактивных двигателей .
Скорость звука в воздухе (на уровне моря) составляет около 1220 км / ч . По сравнению со световыми волнами, звуковые волны распространяются со скоростью улитки - примерно в миллион раз медленнее. Вы видите молнию гораздо раньше, чем слышите ее, потому что световые волны достигают вас практически мгновенно, а звуковым волнам требуется около 5 секунд, чтобы покрыть каждые 1,6 км.
Почему в одних вещах звук идет быстрее, чем в других?
Что касается «скорости звука», следует отметить то, что на самом деле такой вещи не существует. Звук распространяется с разной скоростью в твердых телах, жидкостях и газах. Это как правило , быстрее , чем в твердых телах в жидкостях и быстрее в жидкостях , чем в газах: например, она идет примерно в 15 раз быстрее в стали , чем в воздухе, и примерно в четыре раза быстрее в воде , чем в воздухе. Вот почему киты используют звук для связи на такие большие расстояния и почему подводные лодки используют SONAR (сонар, звуковой основе навигационной системы , аналогичной РЛС , используя только звуковые волны вместо радио волн). Это также одна из причин, почему очень сложно понять, откуда исходит шум лодочного двигателя, если вы в море.
Звук распространяется с разной скоростью в разных газах - и может идти с разной скоростью даже в одном и том же газе. Скорость его движения на конкретном газе зависит от газа, а не от звука. Таким образом, громкий это звук или тихий звук, высокий или низкий звук на самом деле не имеет никакого значения для его скорости: амплитуда и частота не имеют значения. Важны два свойства самого газа: его температура и тяжесть его молекул (его «молекулярная масса»). Таким образом, звук распространяется намного быстрее в теплом воздухе у земли, чем, например, в более холодном воздухе выше. А в газообразном гелии он движется примерно в три раза быстрее, чем в обычном воздухе, потому что гелий имеет гораздо более легкие молекулы. Вот почему люди, дышащие гелием, говорят смешными голосами: звуковые волны, которые заставляют их голоса распространяться быстрее - с большей частотой. (Звук идет еще быстрее в водороде, который снова легче гелия.)
Но почему звук быстрее в твердых телах, чем в газах? Разве я не сказал, что в более легких газах он идет быстрее, чем в более тяжелых, из чего следует, что в твердых телах (которые намного плотнее, чем газы), он будет идти намного медленнее. Причина проста в том, что звук в твердом теле и в газе распространяется совершенно по-разному. Как мы уже видели, звук перемещается за счет сжатия и растяжения газов, таких как воздух. Но с твердыми телами все обстоит иначе, их невозможно раздавить и растянуть одинаково. Там, где молекулы в газе могут подпрыгивать назад и вперед, чтобы переносить звуковую энергию в волнах давления, атомы или молекулы в твердых телах по существу заблокированы на месте. Когда звук проникает в твердые тела, его колебания с высокой скоростью переносятся «своего рода» частицами, называемыми фононами. Как именно это происходит, выходит далеко за рамки этой простой вводной статьи. Просто подумайте о фононах, переносящих звуковые волны через твердое тело примерно так же, как молекулы переносят их через газ, часто намного быстрее. Как разные газы переносят звук с разной скоростью, так и скорость звука сильно различается от одного твердого тела к другому. Он примерно в 80 раз быстрее в стали, чем, например, в резине, и в два с половиной раза быстрее в алмазе, чем в стали!
Как измерить скорость звука
Если вы хотите измерить скорость звука, эхо - это простой способ сделать это. Вам понадобится рулетка хорошего размера и секундомер. Встаньте примерно в 100 метрах от большой стены. Тщательно измерьте расстояние, удвойте его и запишите. Теперь хлопните 20 раз, прислушайтесь к эху, хлопните снова, как только услышите его, и продолжайте так делать. Измерьте общее время от самого первого хлопка до самого последнего эхо. За это время звук прошел в общей сложности 20 × 2 × 100 м (или расстояние между вами и стеной), что составляет около 4000 м (4 км). Чтобы найти скорость звука, разделите общее расстояние на общее время, которое вы измерили (которое, чтобы дать вам приблизительное представление, должно составлять примерно 12 секунд для такого расстояния). Это должно дать вам скорость звука в метрах в секунду (примерно 340 метров в секунду), которые затем можно преобразовать в любые другие единицы, которые вам нравятся. Если ваши измерения сильно отклоняются, попробуйте встать подальше от стены или хлопните больше раз, чтобы увеличить расстояние.
Звук на практике
Звук - чрезвычайно важная часть жизни на Земле. Большинство животных прислушиваются к звукам - вещам, которые сигнализируют о возможности есть или быть съеденными. Многие существа также обмениваются значимыми звуками, чтобы общаться с представителями одного вида или предупреждать хищников и соперников. Люди развили эту способность в разговорной речи (как способ обмена информацией) и музыке (по сути, в звуковую систему для передачи эмоций).
Мы также разработали множество различных звуковых технологий. Мы изобрели музыкальные инструменты, которые могут воспроизводить огромное количество различных музыкальных звуков, от простых барабанов и ударных инструментов до сложных электронных синтезаторов, которые могут генерировать любой звук, который вы только можете себе представить. Мы можем записывать звуки на такие вещи, как компакт-диски или с помощью новых технологий, таких как MP3 (звуковые файлы, хранящиеся в сильно сжатых формах на компьютерах ). Мы также можем использовать очень высокочастотные звуки, известные как ультразвук , для всего, от чистки вставных зубов до изучения развития ребенка в утробе матери.
Подписывайтесь на канал! Будет много интересного!