§ 14. Звук. Джерела та приймачі звукових хвиль. Характеристики звуку. Акустичний резонанс

• Назад до змісту

ПОМІРКУЙТЕ І ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ

1. Наведіть приклади природних і штучних джерел звуку.

Будь-яке джерело звуку є тілом, що здійснює механічні коливання у пружному середовищі з частотою від $20\text{ Гц}$ до $20\,000\text{ Гц}$. До природних джерел звуку належать голосові зв’язки людей і тварин, шелест листя під дією вітру, гуркіт грому та шум морського прибою. До штучних джерел належать натягнуті струни музичних інструментів, дифузори акустичних колонок, сирени та камертони.

2. Чому кіноепопея «Зоряні війни» належить до жанру фантастики з погляду «фізики звуку»?

У фільмі вибухи, лазерні постріли та робота двигунів космічних кораблів супроводжуються гучним звуком, що суперечить законам фізики. Звук є механічною хвилею, для поширення якої обов’язково потрібне матеріальне пружне середовище — газ, рідина або тверде тіло. У відкритому космосі панує вакуум, тому коливання частинок речовини не відбуваються і звукові хвилі взагалі не можуть поширюватися. У реальному космічному просторі всі ці явища відбуваються в цілковитій тиші.

3. Хто частіше махає крилами під час польоту — комар, джміль чи муха?

Найчастіше крилами під час польоту махає комар. Висота тону звуку безпосередньо визначається частотою коливань джерела: що більша частота коливань, то вищим є тон звуку. Писк комара є найвищим за тоном серед цих комах, тому частота помахів його крил найбільша і становить від кількох сотень до тисячі змахів за секунду. Муха створює середній тон, а джміль видає низький басовитий гул і махає крилами найрідше.

4. Під час суперечки часто підвищують голос. Що змінюється з погляду фізики — амплітуда чи частота звуку?

Під час підвищення голосу змінюються обидві характеристики: насамперед збільшується амплітуда, а також зазвичай зростає частота коливань. Коли людина говорить голосніше або кричить, повітря виштовхується з легень із більшою силою, тому голосові зв’язки коливаються з більшим розмахом (зростає амплітуда, яка визначає гучність). Одночасно через емоційне напруження м’язи гортані натягують голосові зв’язки сильніше, що збільшує кількість коливань за секунду, тобто підвищує частоту коливань і робить звук вищим за тоном.

5. Жаби — тварини дрібні. Завдяки чому вони видають такі гучні звуки?

Жаби утворюють дуже гучні звуки завдяки наявності голосових мішків-резонаторів та явищу акустичного резонансу. Під час квакання ці мішки наповнюються повітрям і роздуваються, коливаючись разом зі звуковою хвилею. Власна частота коливань резонатора збігається з частотою звуку, внаслідок чого амплітуда коливань повітря істотно зростає і звук багаторазово підсилюється. За таким самим принципом порожнистий корпус струнних інструментів підсилює звук тонкої струни.

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Дитячий крик частотою 1000 Гц і чоловічий голос частотою 200 Гц сприймаються по-різному, навіть якщо амплітуда їхніх коливань однакова. Чому?

Ці звуки сприймаються по-різному, оскільки вони мають різну частоту коливань, яка визначає фізіологічне відчуття висоти тону. Що більша частота коливань джерела звуку, то вищим є тон. Звук із частотою $1000\text{ Гц}$ наше вухо сприймає як тонкий високий тон, а звук із частотою $200\text{ Гц}$ — як низький басовитий тон. Крім того, людське вухо має різну чутливість до коливань різної частоти за однакової амплітуди хвилі.

2. Чому, перевіряючи колеса вагонів під час зупинки поїзда, їх обстукують молотком?

Колеса обстукують для виявлення прихованих тріщин та дефектів металу за характером звуку. Суцільне недеформоване сталеве колесо після удару коливається як цілісна пружна система та видає дзвінкий, чистий тон. Якщо всередині металу виникла тріщина або послабилося кріплення деталей, гармонійність коливань порушується, енергія коливань швидко розсіюється, а звук стає глухим і деренчливим.

3. Чи можуть космонавти / космонавтки, виходячи у відкритий космос, спілкуватися між собою за допомогою звуку?

У відкритому просторі космонавти не можуть спілкуватися звичайним голосом. Звук є механічною хвилею, яка потребує речовини для передачі коливань, а в космічному вакуумі частинки практично відсутні. Тому для переговорів космонавти використовують радіозв’язок на основі електромагнітних хвиль. Утім, вони можуть почути одне одного без рації, якщо щільно притиснуть шоломи скафандрів один до одного, бо тоді пружні механічні коливання пройдуть крізь скло та пластик шоломів і передадуться повітрю всередині скафандра.

4. Чому людина не чує звуку від помахів крил метелика під час його польоту?

Людина не чує польоту метелика, тому що коливання його крил відбуваються з частотою, яка виходить за межі сприйняття органів слуху. Вухо людини здатне сприймати звукові хвилі лише в діапазоні від $20\text{ Гц}$ до $20\,000\text{ Гц}$. Метелик здійснює лише від 5 до 12 помахів крилами за секунду, утворюючи коливання з частотою менше ніж $20\text{ Гц}$ (інфразвук).

5. Динамік може створювати звукові хвилі з частотою від 40 Гц до 200 Гц. Визначте, за якої довжини хвилі в повітрі звукова хвиля належить діапазону цього динаміка. Швидкість звуку в повітрі становить 340 м/с.

• А) $0{,}5\text{ м}$;
• Б) $1\text{ м}$;
• В) $5\text{ м}$;
• Г) $10\text{ м}$.

Дано:

• $\nu_1 = 40\text{ Гц}$
• $\nu_2 = 200\text{ Гц}$
• $v = 340\text{ м/с}$

Знайти:

• $\lambda - ?$

Розв’язання:
Знайдемо найменшу довжину хвилі, що відповідає максимальній частоті $\nu_2$:
$\lambda_{\text{min}} = \dfrac{v}{\nu_2}$
$\lambda_{\text{min}} = \dfrac{340\,\dfrac{\text{м}}{\text{с}}}{200\text{ с}^{-1}} = 1{,}7\text{ м}$

Знайдемо найбільшу довжину хвилі, що відповідає мінімальній частоті $\nu_1$:
$\lambda_{\text{max}} = \dfrac{v}{\nu_1}$
$\lambda_{\text{max}} = \dfrac{340\,\dfrac{\text{м}}{\text{с}}}{40\text{ с}^{-1}} = 8{,}5\text{ м}$

Діапазон довжин хвиль становить:
$1{,}7\text{ м} \le \lambda \le 8{,}5\text{ м}$
Значення $5\text{ м}$ потрапляє в отриманий інтервал.

Відповідь: В) $5\text{ м}$.

6. Довжина звукової хвилі у сталі 11,4 м. Визначте частоту звукової хвилі.

Дано:

• $\lambda = 11{,}4\text{ м}$
• $v = 3500\text{ м/с}$

Знайти:

• $\nu - ?$

Розв’язання:
Зв’язок швидкості, довжини хвилі та частоти описується формулою:
$v = \lambda \cdot \nu$
Виразимо частоту коливань:
$\nu = \dfrac{v}{\lambda}$
Підставимо значення швидкості поширення звукової хвилі в сталі та її довжину:
$\nu = \dfrac{3500\,\dfrac{\text{м}}{\text{с}}}{11{,}4\text{ м}} \approx 307\text{ с}^{-1} \approx 307\text{ Гц}$

Відповідь: $\nu \approx 307\text{ Гц}$.

7. Швидкість звуку в повітрі дорівнює 330 м/с, а в сталі — 5 км/с. По одному кінці сталевої залізничної рейки завдовжки 12 м стукнули молотком. Визначте, на скільки пізніше звук від удару дійде до іншого кінця рейки в повітрі, ніж у сталі.

Дано:

• $v_1 = 330\text{ м/с}$
• $v_2 = 5\text{ км/с} = 5000\text{ м/с}$
• $l = 12\text{ м}$

Знайти:

• $\Delta t - ?$

Розв’язання:
Час поширення звуку в повітрі:
$t_1 = \dfrac{l}{v_1} = \dfrac{12\text{ м}}{330\,\dfrac{\text{м}}{\text{с}}} \approx 0{,}0364\text{ с}$

Час поширення звуку в сталі:
$t_2 = \dfrac{l}{v_2} = \dfrac{12\text{ м}}{5000\,\dfrac{\text{м}}{\text{с}}} = 0{,}0024\text{ с}$

Різниця в часі приходу звуку до протилежного кінця рейки:
$\Delta t = t_1 - t_2 = 0{,}0364\text{ с} - 0{,}0024\text{ с} = 0{,}034\text{ с} \approx 0{,}03\text{ с}$

Відповідь: у повітрі звук запізниться на $\approx 0{,}03\text{ с}$.

8. Опишіть свій день не через події, а через звуки, які вас супроводжували від ранку до вечора.

Мій день почався з високого та гучного звуку електронного будильника на телефоні. На кухні почулося глухе шипіння води в чайнику і дзвінкий стукіт чайної ложки об склянку. На вулиці мене зустрів низький гул двигунів маршруток, шурхіт коліс по вологому асфальту та тихий шелест листя на деревах. У школі пролунав різкий і гучний дзвінок, який змінився дзвінкими голосами однокласників на перерві й спокійним голосом учительки на уроці. Увечері кімнату наповнило ледь чутне монотонне гудіння вентилятора в ноутбуці, а перед сном за вікном чулися лише тихий шум дощу та приглушений шепіт.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3

Тема: З’ясування залежності висоти тону звуку від частоти коливань джерела.

Мета: переконатися на досліді, що висота тону звуку залежить від частоти коливань.

Обладнання: штатив з лапкою, металева лінійка завдовжки $25\text{–}30\text{ см}$.

Результати дослідження:

Висновок: під час виконання лабораторної роботи ми дослідили коливання вільного кінця закріпленої металевої лінійки та перевірили зв’язок між частотою коливань і звуком. Зі зменшенням вільної довжини лінійки частота її коливань зростає, а утворений звук стає вищим за тоном. Отже, висота тону звуку прямо залежить від частоти коливань джерела: що більша частота, то вищий тон звуку ми чуємо.

ДОДАТКОВЕ ЗАВДАННЯ

Чому під час коливань різної довжини вільного кінця металевої лінійки звук змінювався?

Звук змінювався за висотою тону внаслідок зміни власної частоти механічних коливань лінійки. Довжина вільного кінця визначає його коливну масу та жорсткість. Коротший край лінійки має меншу масу й більшу жорсткість на вигин, тому він коливається значно швидше, роблячи більшу кількість коливань за секунду. Збільшення частоти коливань створює у повітрі звукову хвилю з меншим періодом, яку людське вухо сприймає як вищий тон звуку.