Звук: длина волны и эхо
Меняй частоту и расстояние до отражателя. Сравни пространственный период и время возврата.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Скорость звука 343 м/с. График показывает нормированное изменение давления на одном метре; эхо проходит путь 2l. Воспроизведения звука нет.
Среда: звук представляет собой упругую волну
В воздухе звук распространяется как чередование сжатий и разрежений. Малые объёмы воздуха совершают упорядоченные колебания вдоль распространения. На уровне молекул это движение накладывается на их хаотическое тепловое движение: отдельная молекула газа не закреплена возле постоянного места. От источника к слушателю передаётся возмущение, а не одна и та же порция воздуха на всём пути.
Скорость звука зависит от среды и её состояния. Для сухого воздуха около 20 °C можно принять 343 м/с. Это приближение не подходит без изменения для воды, металла или воздуха другой температуры. В вакууме обычный звук не распространяется.
Источник
Создаёт колебания
Среда
Передаёт изменения давления
Приёмник
Преобразует колебания в сигнал
Механическому звуку нужна среда; его скорость не равна скорости света.
Почему вспышку далёкой молнии видят раньше грома?
Свет проходит расстояние гораздо быстрее звука; заметная задержка относится преимущественно к звуковой волне.
Частота, интенсивность, тембр: разные признаки
Высота тона связана главным образом с частотой. Громкость — субъективное ощущение, зависящее от интенсивности, частоты и слуха. Тембр определяется спектральным составом и изменением звука во времени. Два инструмента могут давать одну основную частоту и звучать по-разному.
Диапазон слуха зависит от человека и возраста. В учебнике нижнюю границу принимают около 16 Гц; часто используют ориентир 20 Гц. Верхняя граница около 20 кГц также не является гарантированной для каждого человека. Инфразвук и ультразвук находятся ниже и выше соответствующего диапазона.
| Характеристика | Физическая связь |
|---|---|
| Высота | Преимущественно частота |
| Громкость | Интенсивность и чувствительность слуха |
| Тембр | Спектр и временная форма |
| Длина волны | λ = v/ν |
Громкость и частота не являются одной величиной.
Почему увеличение амплитуды не обязательно повышает тон?
Амплитуда изменяет интенсивность, а период колебания при этом может остаться прежним.
Камертон на 440 Гц
Зубцы камертона колеблются и возбуждают звуковые волны. Частота основного колебания определяет высоту тона.
Édouard Hue (User:EdouardHue) · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Синусоида на экране осциллографа
Осциллограф показывает зависимость напряжения от времени. Длина волны в пространстве и период на временном графике — разные характеристики.
Pittigrilli · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Эхо: путь туда и обратно
При отражении звука возвращается часть волновой энергии. Если между посылкой и приёмом отражения прошло время Δt, расстояние до отражающей поверхности l = vΔt/2. Деление на два учитывает прямой и обратный путь.
Например, при v = 343 м/с и Δt = 0,20 с поверхность находится примерно в 34,3 м. При измерениях важны температура среды, геометрия отражения и задержка прибора. Несколько отражений могут создать несколько возвращающихся сигналов.
Полный путь
s = vΔt
До отражателя
l = vΔt/2
Обратная задача
Δt = 2l/v
В эхолокации измеряется время двойного прохождения расстояния.
Почему нельзя считать l = vΔt?
Так получится сумма расстояний от источника до отражателя и обратно, то есть удвоенная дальность при совмещённых источнике и приёмнике.
Наглядность: частота меняет пространственный рисунок
В модели меняй частоту и расстояние до отражателя. При заданной скорости λ = v/ν: высокая частота даёт меньшую длину волны. Задержка эха определяется дальностью, а не высотой тона в этой недисперсионной модели.
Интенсивность в линейной волне связана с квадратом амплитуды давления. При сравнении уровней используют логарифмическую шкалу: рост интенсивности в 10 раз соответствует 10 дБ. Ощущение громкости не обязано возрастать в то же число раз.
Определить величину
Частота, интенсивность или расстояние?
Выбрать связь
λ = v/ν либо l = vΔt/2
Проверить условия
Среда и отражение известны?
Одна звуковая волна характеризуется несколькими независимыми параметрами.
Изменит ли удвоение частоты время эха при прежних v и l?
Нет. Длина волны уменьшится вдвое, но время двойного пути останется 2l/v.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 6. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 06. Звуковые волны.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.