§ 18. ЗВУКОВІ ХВИЛІ. ІНФРАЗВУК І УЛЬТРАЗВУК

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Що являють собою звуки?

Звук — це фізичне явище, яке являє собою поздовжні механічні хвилі певної частоти, що поширюються у пружному середовищі.

Як вони утворюються?

Звуки утворюються внаслідок коливань джерел звуку, які викликають періодичні згущення й розрідження середовища та відповідні зміни тиску в ньому.

Чому неможливо почути гуркіт ракетних двигунів у космосі?

Гуркіт двигунів у космосі почути неможливо, тому що звук є механічною хвилею, яка потребує середовища для поширення, а у космічному вакуумі таке середовище відсутнє.

Чому ми чуємо грім пізніше, ніж бачимо спалах блискавки?

Грім чутно пізніше, тому що швидкість поширення звуку в повітрі (близько 340 м/с) майже в мільйон разів менша за швидкість поширення світла.

Чи є звуки, яких ми не чуємо?

Так, люди не чують інфразвук (з частотою менше ніж 16 Гц) та ультразвук (з частотою понад 20 000 Гц), оскільки людське вухо сприймає коливання лише в межах від 16 Гц до 20 000 Гц.

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Для чого використовують звук?

Звук використовують для мовного спілкування, передавання інформації, сигналізації, орієнтування у просторі за допомогою ехолокації, а також у медицині та техніці для діагностики, обробки матеріалів і вимірювання відстаней.

Наведіть кілька прикладів джерел звуку.

Прикладами джерел звуку є струни музичних інструментів, голосові зв’язки людини, дифузори гучномовців, працюючі двигуни машин і крила комах під час польоту.

Чому, на вашу думку, швидкість поширення звуку у водні більша, ніж у повітрі, а в сталі більша, ніж у воді?

Швидкість поширення звуку у водні більша, ніж у повітрі, тому що швидкість звуку в газах зростає зі зменшенням маси молекул середовища. У сталі швидкість звуку більша, ніж у воді, оскільки у твердих тілах міжмолекулярні зв’язки є сильнішими та пружність середовища вищою, ніж у рідинах, що забезпечує швидшу передачу механічних коливань.

ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Повторіть дослід, зображений на рис. 18.1. Зменшуючи довжину частини лінійки, що коливається, дослідіть, як довжина цієї частини пов’язана з висотою тону випромінюваного звуку.

Зменшення довжини вільної частини лінійки призводить до збільшення частоти її коливань, унаслідок чого висота тону випромінюваного звуку підвищується.

2. Скориставшись натягнутою ниткою, створіть звукові хвилі (див. рисунок). З’ясуйте, як висота тону звуку залежить від довжини нитки.

Зменшення довжини натягнутої нитки збільшує частоту її коливань, унаслідок чого висота тону утворюваного звуку підвищується.

А ЯК НАСПРАВДІ?

А з ким згодні ви?

Правильними є твердження обох дописувачів, оскільки на тривалість грому впливають обидва зазначені чинники.

Чи причина довгої тривалості грому взагалі інша?

Тривалість грому зумовлена поєднанням кількох причин: різним часом надходження звуку від різних ділянок протяжного каналу блискавки до спостерігача, багаторазовим відбиванням звуку від хмар і земних об’єктів, а також серією послідовних електричних розрядів у каналі блискавки.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що таке звук?

Звук — це фізичне явище, яке являє собою поздовжню механічну хвилю певної частоти.

2. Наведіть приклади джерел і приймачів звуку.

Прикладами джерел звуку є струни музичних інструментів, дифузори гучномовців, голосовий апарат людини й тварин та ніжки камертона, а приймачами звуку є органи слуху людини і тварин та мікрофони.

3. Чому джерело звуку випромінює звук?

Джерело звуку випромінює звук тому, що воно здійснює механічні коливання, які спричиняють періодичні згущення й розрідження навколишнього середовища та утворення звукової хвилі.

4. Від чого залежить швидкість поширення звуку?

Швидкість поширення звуку залежить від температури, густини, складу, вологості та агрегатного стану середовища.

5. Якою фізичною величиною визначається висота тону?

Висота тону визначається частотою звукової хвилі.

6. Чим визначається гучність звуку?

Гучність звуку визначається насамперед амплітудою звукової хвилі, а також залежить від її частоти.

7. Наслідком якого явища є відлуння?

Відлуння є наслідком явища відбивання звуку від віддаленої перешкоди.

8. Що таке інфразвук? Як він впливає на людину?

Інфразвук — це звукові хвилі, частота яких менша за 16 Гц. Він є небезпечним для людини, оскільки може викликати симптоми морської хвороби, запаморочення, засліплення, підвищену агресивність, а за тривалої дії інтенсивного інфразвукового випромінювання — призвести до зупинки серця.

9. Що таке ультразвук? Наведіть приклади застосування ультразвуку.

Ультразвук — це звукові хвилі, частота яких перевищує 20 000 Гц (20 кГц). Ультразвук застосовують у медицині для проведення УЗД-досліджень, дезінфекції інструментів і лікування, а також у техніці для ехолокації, виявлення дефектів у виробах, очищення поверхонь і відлякування шкідників.

10. Що таке ехолокація?

Ехолокація — це спосіб виявлення й отримання інформації про об’єкт за допомогою відлуння.

ВПРАВА № 18

1. Ніжки камертона коливаються із частотою 440 Гц. Чи сприймаємо ми хвилю, що поширюється від ніжок, як звук?

Так, ми сприймаємо цю хвилю як звук, оскільки людина сприймає звукові коливання в діапазоні частот від 16 Гц до 20 000 Гц, а частота 440 Гц перебуває в межах цього діапазону.

2. Чому метелика, який летить, не чути, а дзижчання комара ми чуємо?

Крила метелика під час польоту коливаються з частотою, меншою за 16 Гц (інфразвук), яку людське вухо не сприймає, а крила комара коливаються з частотою в межах від 16 Гц до 20 000 Гц, що відповідає чутному звуку.

3. Визначте довжину звукової хвилі частотою 4 кГц в повітрі; воді; сталі.

Довжину звукової хвилі обчислюють за формулою $\lambda = \dfrac{v}{\nu}$, де частота $\nu = 4\text{ кГц} = 4000\text{ Гц}$.

1. У повітрі ($v = 340\text{ м/с}$): $\lambda_1 = \dfrac{340}{4000} = 0{,}085\text{ м} = 8{,}5\text{ см}$.
2. У воді ($v = 1500\text{ м/с}$): $\lambda_2 = \dfrac{1500}{4000} = 0{,}375\text{ м} = 37{,}5\text{ см}$.
3. У сталі ($v = 5000\text{ м/с}$): $\lambda_3 = \dfrac{5000}{4000} = 1{,}25\text{ м}$.

Довжина звукової хвилі становить 0,085 м у повітрі, 0,375 м у воді та 1,25 м у сталі.

4. Чому музика, голоси співаків і співачок по-різному звучать у порожній залі й у залі, заповненій публікою?

У порожній залі звукові хвилі ба багаторазово відбиваються від твердих стін, стелі та підлоги, утворюючи тривале відлуння (реверберацію), що накладається на первинний звук і спотворює його. У залі, заповненій публікою, одяг людей та м’які поверхні добре поглинають звукові хвилі, запобігаючи виникненню небажаного відлуння, завдяки чому звук стає чіткішим.

5. За допомогою ультразвуку вимірювали глибину моря (див. рисунок). Сигнал, відбитий від морського дна, зафіксовано через 4 с після відправлення. Яка глибина моря в місці вимірювання?

Дано:
$t = 4\text{ с}$
$v = 1500\text{ м/с}$ (швидкість звуку у воді за таблицею)

Розв’язання:
Ультразвуковий сигнал проходитиме відстань до дна й назад, тобто $s = 2h$, де $h$ — глибина моря.
$2h = v \cdot t \implies h = \dfrac{v \cdot t}{2}$
$h = \dfrac{1500\text{ м/с} \cdot 4\text{ с}}{2} = 3000\text{ м} = 3\text{ км}$

Відповідь: Глибина моря в місці вимірювання становить 3000 м (3 км).

6. Скільки коливань здійснює джерело звуку за 5 с, якщо довжина хвилі в повітрі дорівнює 1 м?

Дано:
$t = 5\text{ с}$
$\lambda = 1\text{ м}$
$v = 340\text{ м/с}$ (швидкість звуку в повітрі за таблицею)

Розв’язання:
Частота звукової хвилі визначається за формулою:
$\nu = \dfrac{v}{\lambda} = \dfrac{340\text{ м/с}}{1\text{ м}} = 340\text{ Гц}$

Кількість коливань джерела звуку дорівнює:
$N = \nu \cdot t = 340\text{ Гц} \cdot 5\text{ с} = 1700$

Відповідь: Джерело звуку здійснює 1700 коливань.

7. Швидкість поширення звуку в металі першим визначив французький фізик Жан-Батист Біо (1774–1862). Він використав чавунну трубу паризького водогону (завдовжки 951 м). Коли по одному кінцю труби вдаряли молотком, то з другого кінця чули подвійний удар. На скільки секунд звук, який ішов чавуном, обганяв звук, що йшов повітрям?

Дано:
$L = 951\text{ м}$
$v_1 = 340\text{ м/с}$ (швидкість звуку в повітрі за таблицею)
$v_2 = 5000\text{ м/с}$ (швидкість звуку в чавуні за таблицею)

Розв’язання:
Час поширення звуку в повітрі:
$t_1 = \dfrac{L}{v_1} = \dfrac{951\text{ м}}{340\text{ м/с}} \approx 2{,}797\text{ с}$

Час поширення звуку в чавуні:
$t_2 = \dfrac{L}{v_2} = \dfrac{951\text{ м}}{5000\text{ м/с}} = 0{,}1902\text{ с}$

Різниця в часі поширення:
$\Delta t = t_1 - t_2 = 2{,}797\text{ с} - 0{,}1902\text{ с} \approx 2{,}61\text{ с}$

Відповідь: Звук, який ішов чавуном, обганяв звук у повітрі приблизно на 2,61 с.

8. Дізнайтеся, де використовують ультразвук.

Ультразвук використовують у медицині для ультразвукової діагностики (УЗД) внутрішніх органів і розвитку плода, дезінфекції інструментів і дроблення каменів у нирках. У техніці та промисловості його застосовують для дефектоскопії матеріалів, очищення малих деталей, зварювання пластмас, а також для вимірювання глибини водойм і пошуку об’єктів під водою за допомогою ехолотів. У побуті ультразвук застосовують у пристроях для відлякування гризунів і комах.

9. Дізнайтеся про вплив шуму на здоров’я людини. Як максимально зменшити шкідливу дію шуму?

Шум викликає підвищену втомлюваність, порушення сну, погіршення слуху, головний біль, а також розлади нервової та серцево-судинної систем. Щоб максимально зменшити шкідливу дію шуму, використовують звукоізоляційні матеріали в будівлях, шумозахисні екрани вздовж автошляхів, індивідуальні засоби захисту органа слуху (беруші, протишумові навушники), а також висаджують зелені насадження.