Скорость звука. Отражение звука. Эхо

 Скорость звука в воздухе

Тема урока – рас­про­стра­не­ние звука, ско­рость звука. Также мы по­го­во­рим об от­ра­же­нии звука и об­су­дим такое яв­ле­ние, как эхо. На­пом­ним, что звук – про­доль­ная ме­ха­ни­че­ская волна, ко­то­рая рас­про­стра­ня­ет­ся в упру­гой среде и вос­при­ни­ма­ет­ся ор­га­на­ми слуха че­ло­ве­ка, вы­зы­ва­ет зву­ко­вые ощу­ще­ния. На­ли­чие среды – необ­хо­ди­мое усло­вие рас­про­стра­не­ния звука. Как свя­за­на ско­рость рас­про­стра­не­ния зву­ко­вых ко­ле­ба­ний со сре­дой? Пер­вые экс­пе­ри­мен­ты, ко­то­рые были про­ве­де­ны по опре­де­ле­нию ско­ро­сти звука в воз­ду­хе, от­но­сят­ся к 1636 году. Фран­цуз­ский уче­ный Мер­сенн в ре­зуль­та­те экс­пе­ри­мен­та, свя­зан­но­го с из­ме­ре­ни­ем вре­ме­ни на­блю­де­ния за вспыш­кой при вы­стре­ле из ружья и услы­шан­ным зву­ком, опре­де­лил, что ско­рость звука в воз­ду­хе со­став­ля­ет 343 м/с. При 20 °С ско­рость звука в воз­ду­хе со­став­ля­ет 343 .

После уточ­не­ний уда­лось вы­яс­нить, что ско­рость звука в воз­ду­хе опре­де­ля­ет­ся на се­го­дняш­ний день как 340–330 . Об­ра­ти­те вни­ма­ние, что есть неко­то­рый раз­брос, свя­зан­ный с тем, в каком со­сто­я­нии на­хо­дит­ся наша ат­мо­сфе­ра. В даль­ней­шем стало ясно, что ско­рость звука за­ви­сит, во-пер­вых, от тем­пе­ра­ту­ры: чем выше тем­пе­ра­ту­ра, тем ско­рость звука боль­ше. И еще, ока­зы­ва­ет­ся, ско­рость звука в газах за­ви­сит от того, ка­ко­вы сами эти газы, мо­ле­ку­лы этих газов. Чем мо­ле­ку­лы, атомы газов мень­ше, тем ско­рость звука боль­ше. Чем масса мо­ле­кул газа мень­ше, тем ско­рость звука боль­ше.

На­при­мер, в во­до­ро­де, мо­ле­ку­лы – ма­лень­кие объ­ек­ты, ма­лень­кие ча­сти­цы, ско­рость звука со­став­ля­ет 1284 . В кис­ло­ро­де мо­ле­ку­лы этого газа боль­ше, чем мо­ле­ку­лы во­до­ро­да, ско­рость звука со­став­ля­ет 316 . Можно су­дить о том, как из­ме­ня­ет­ся ско­рость звука в за­ви­си­мо­сти от свойств того, ка­ко­вы ча­сти­цы дан­но­го газа.

 Скорость звука в воде и других средах

По­го­во­рим те­перь о ско­ро­сти звука в жид­ко­сти. В част­но­сти, в воде. В жид­ко­сти из­ме­рить ско­рость звука было, ко­неч­но, слож­нее. Но в 1826 году в Же­нев­ском озере был про­ве­ден сле­ду­ю­щий экс­пе­ри­мент: в воду был опу­щен ко­ло­кол и вме­сте с этим под­ни­мал­ся факел над водой.

Рис. 1. Опре­де­ле­ние ско­ро­сти звука в воде 

Ис­сле­до­ва­те­ли в лодке уда­ря­ли в ко­ло­кол, ко­то­рый на­хо­дил­ся под водой, мо­лот­ком. В ре­зуль­та­те звук, ко­то­рый рас­про­стра­нял­ся по воде и под водой, до­сти­гал на­блю­да­те­ля и в этот мо­мент под­ни­ма­ли дру­гой факел, на дру­гой лодке. За­се­ка­ли время, в те­че­ние ко­то­ро­го про­ис­хо­ди­ло это на­блю­де­ние. Итак, ско­рость звука в воде имен­но в этом экс­пе­ри­мен­те со­ста­ви­ла 1440 . Ско­рость звука в воде при 8 °С со­став­ля­ет 1440.

Об­ра­ти­те вни­ма­ние, что в дан­ном слу­чае тоже есть за­ви­си­мость от тем­пе­ра­ту­ры воды. Ко­неч­но, самая боль­шая ско­рость рас­про­стра­не­ния звука – это рас­про­стра­не­ние звука в твер­дых телах. На­при­мер, в стали ско­рость рас­про­стра­не­ния звука со­став­ля­ет 5000 , т.е. 5 км в се­кун­ду. В за­ви­си­мо­сти от того, какая сталь по со­ста­ву, ско­рость может из­ме­нять­ся. Она может быть и боль­ше и со­став­лять даже 6000 .

Можно сде­лать сле­ду­ю­щий вывод о ве­ли­чи­нах, от ко­то­рых за­ви­сит ско­рость звука в раз­лич­ных ве­ще­ствах. Во-пер­вых, огром­ную роль иг­ра­ет плот­ность ве­ще­ства. Да­вай­те по­смот­рим на таб­ли­цу и про­на­блю­да­ем, как ме­ня­ет­ся ско­рость звука в за­ви­си­мо­сти от ве­ще­ства.

Вто­рой па­ра­метр, опре­де­ля­ю­щий ско­рость звука в среде, – это тем­пе­ра­ту­ра. Об этом мы го­во­ри­ли выше.

 Отражение звука

От­ра­же­ние звука

Как можно пред­ста­вить себе от­ра­же­ние звука? Пред­ста­вить можно сле­ду­ю­щим об­ра­зом: если зву­ко­вая волна рас­про­стра­ня­ет­ся в ве­ще­стве и до­хо­дит до гра­ни­цы с дру­гим ве­ще­ством, то при вза­и­мо­дей­ствии ча­сти­цы вто­ро­го тела тоже на­чи­на­ют со­вер­шать ко­ле­ба­ния. В свою оче­редь ча­сти­цы вто­ро­го ве­ще­ства на гра­ни­це раз­де­ла будут пе­ре­да­вать свои ко­ле­ба­ния не толь­ко внутрь своей среды, но и пе­ре­да­вать среде, из ко­то­рой волна при­ш­ла. Вот таким об­ра­зом и со­зда­ет­ся волна от­ра­жен­ная. От­ра­жен­ная волна, при­ня­тая на­блю­да­те­лем, может нами вос­при­ни­мать­ся как эхо.

 Эхо

Эхо – от­ра­жен­ная от ка­ко­го-ли­бо пре­пят­ствия зву­ко­вая волна, ко­то­рая вос­при­ни­ма­ет­ся на­блю­да­те­лем.

Рис.2. От­ра­же­ние звука. Эхо 

Об­ра­ти­те вни­ма­ние на то, что эхо мы можем слы­шать не все­гда, а толь­ко в том слу­чае, если от мо­мен­та со­зда­ния звука до мо­мен­та вос­при­я­тия от­ра­жен­но­го звука прой­дет не мень­ше 0,06 с. Если время будет мень­ше, то ни­ка­ко­го эха мы не услы­шим. Наш слу­хо­вой ап­па­рат не вос­при­ни­ма­ет сиг­нал как два от­дель­ных звука. Имен­но по­это­му мы не слы­шим эха в ма­лень­ких по­ме­ще­ни­ях. Огром­ную роль иг­ра­ет еще и то, много ли вещей на­хо­дит­ся в ком­на­те, ко­то­рые по­гло­ща­ют звук. На­при­мер, мяг­кие по­ри­стые ве­ще­ства хо­ро­шо по­гло­ща­ют звук, в этом слу­чае ни­ка­ко­го эха не со­зда­ет­ся.

Эхо яв­ля­ет­ся одной из ос­нов­ных про­блем при про­ек­ти­ро­ва­нии кон­церт­ных и те­ат­раль­ных залов. По­это­му спе­ци­аль­ная обив­ка этих залов про­из­во­дит­ся таким об­ра­зом, чтобы ни­ка­ко­го от­ра­же­ния не было или это от­ра­же­ние было ми­ни­маль­но. Но есть об­ла­сти, где мы долж­ны обя­за­тель­но со­зда­вать это от­ра­же­ние, уси­ли­вать его.

Рис. 3. Рупор

На­при­мер, всем из­вест­ный рупор ра­бо­та­ет ис­клю­чи­тель­но на прин­ци­пе от­ра­же­ния звука. Это либо круг­лая, либо квад­рат­ная труба, в ко­то­рую мы про­из­но­сим что-то, и звук в ре­зуль­та­те от­ра­же­ния от сте­нок ру­по­ра со­би­ра­ет­ся в один пучок, ко­то­рый в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии рас­про­стра­ня­ет­ся с боль­шой ин­тен­сив­но­стью. В этом слу­чае этот звук слыш­но го­раз­до даль­ше.