Звуковые волны

Наиболее частым видом механических волн в жизни человека являются звуковые волны. Рассмотрим кратко их особенности, а также механизм образования и распространения.

Возникновение звуковых волн

Большинство веществ и сред в Природе являются в той или иной мере упругими. Упругость среды выражается в том, что она «сопротивляется» внешнему возмущающему воздействию, и стремится вернуться в свое исходное состояние. Поскольку таким свойством обладает любая точка среды, то возникают хорошие условия для распространения возмущений.

Для иллюстрации схемы возникновения звуковой волны, представим себе кристалл упругого вещества, по которому нанесен внешний удар. В результате удара возникнет некоторая деформация кристаллической решетки.

Рис. 1. Деформация кристаллической решетки после удара

Возникают силы, которые, во-первых, деформируют более далекие области кристалла, а во-вторых, стремятся вернуть деформированные области к исходному состоянию.

Исходная область возвращается в состояние равновесия, однако, при этом приобретает некоторую скорость и кинетическую энергию. В результате атомы кристалла проходят некоторое расстояние дальше точки равновесия, пока снова не возникнут силы, направленные обратно.

Таким образом, атомы области, в которую был нанесен удар, начинают колебаться. Более далекие области кристалла испытывают воздействие, и также приходят в колебательное движение с некоторой задержкой, и, в свою очередь, передают колебания дальше. В среде возникает упругая волна сжатий и растяжений, распространяющаяся с некоторой скоростью, которая имеет все характеристики, присущие волновым процессам, и описывается теми же формулами.

Такая волна называется звуковой волной или просто звуком.

Рис. 2. Распространение звуковой волны

Звуковые волны в воздухе и в других средах

Чаще всего, когда речь идет о звуке, имеются ввиду звуковые волны в воздухе. Примерами звуковых волн могут являться звуки грома, шум листьев, наш голос – любой звук, который мы можем слышать – является звуковой волной.

Однако, звук может распространяться не только по воздуху, но и по любой среде, в которой есть силы упругости. И скорость его распространения зависит от величины этих сил.

Для газов силы упругости возникают из-за локальных колебаний давления. Для кристаллов силами упругости являются межмолекулярные взаимодействия. Поскольку силы, возникающие во втором случае, гораздо больше, то и передача колебаний в кристалле происходит с гораздо большей скоростью, чем в воздухе. В жидкостях силы упругости имеют обе описанных составляющих, поэтому скорость звука в них больше, чем в газах, но меньше, чем в кристаллах.

Интересное явление происходит на границе разделения двух сред с различными упругостями. Из-за разности упругих свойств на границе передача колебаний происходит не полностью. Часть колебаний передается дальше, а часть – возвращается в среду, и начинает движение в обратном направлении. В среде возникает волна, имеющие характеристики, близкие к исходной, но имеющая более низкую мощность, и движущаяся в обратном направлении – эхо.

Рис. 3. Образование звукового эха

Особенности звуковых волн

Из представленного описания можно отметить следующие особенности звуковых волн.

  • Звук – это упругие колебания среды, распространяющиеся с некоторой скоростью.
  • Звук не может распространяться в отсутствие упругой среды. Вакуум не проводит звук.
  • Скорость звука тем выше, чем более упруга среда. Наименьшая скорость звука в разреженных газах при низкой температуре. Наибольшая скорость звука в кристаллах с высокой упругостью (металлы, стекло).
  • Звуковые колебания представляют собой продольную волну.
  • Звуковые волны могут отражаться от границы сред, и возвращаться в виде эха.

Скорость звука в воздухе составляет около 300 метров в секунду. Это позволяет примерно оценить расстояние до удаленных источников, например, по задержке между молнией и громом можно оценить расстояние до молнии.

Что мы узнали?

Звуковые волны – это механические колебания, распространяющиеся в упругой среде. Звуковые волны представляют собой продольную волну. В различных средах скорость звуковых волн различна.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Упругость среды состоит в том, что среда…

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    
  • Егор Князев
    10/10

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6. Всего получено оценок: 79.

Предметы