Билет № 8
1. Механические волны. Длина волны, скорость распространения волны и соотношение между ними. Звуковые волны и их свойства. Эхо.

Процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени называется волной.

 Механические волны бывают поперечными и продольными:

 

Длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими частицами среды, находящимися в одинаковом состоянии.

 
 Физическая величина, равная отношению длины волны к периоду колебаний ее частиц , называется скоростью волны.


Колебания частиц среды, в которой распространяется волна, являются вынужденными. Поэтому их период равен периоду колебаний возбудителя волны. Однако скорость распространения волн в различных средах различна.

Звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п.
Способность человека воспринимать упругие колебания, слушать их отразились в названии учения о звуке - акустика.

Вообще человеческое ухо слышит звук только тогда, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 16 Гц но не выше 20 000 Гц. Колебания же с более низкими или с более высокими частотами для человеческого уха неслышимы.
 То, что воздух - проводник звука, было доказано поставленным опытом    Роберта Бойля в 1660 году. Если звучащее тело,  например  электрический звонок, поставить под колокол воздушного насоса, то по мере откачивания из под него воздуха - звук будет делаться  слабее, и наконец, прекратится.
При своих колебаниях тело  попеременно  то  сжимает  слой  воздуха, прилегающий к его поверхности, то, наоборот, создаёт разрежение в  этом слое. Таким образом, распространение звука  в  воздухе  начинается    с  колебаний плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела.

         Звуки бывают разные. Мы легко различаем  свист  и  дробь  барабана, мужской голос (бас) от женского (сопрано).
         Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие  мы  называем звуками высокого  тона.  Ухо  их  легко  различает.  Звук,  создаваемый большим барабаном, это звук низкого тона, свист - звук  высокого  тона.
    Простые измерения (развертка колебаний) показывают,  что  звуки  низких тонов - это колебания малой частоты в звуковой  волне.  Звуку  высокого тона соответствует  большая  частота  колебаний.  Частота  колебаний  в звуковой волне определяет тон звука.
         Существуют  особые  источники   звука,   испускающие   единственную частоту, так называемый чистый тон. Это   камертоны различных  размеров - простые устройства,  представляющие  собой  изогнутые  металлические стержни на ножках.  Чем  больше  размеры  камертона,  тем  ниже   звук, который он испускает при ударе по нему.
         Если взять несколько камертонов разного размера, то  не  представит труда расположить их на слух в порядке возрастания  высоты  звука.  Тем самым они  окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон даёт низкий звук, а маленький - наиболее высокий.
         Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Громкость звука связана с энергией   колебаний  в  источнике  и  в  волне.  Энергия  же  колебаний определяется амплитудой колебаний. Громкость,  следовательно, зависит от амплитуды колебаний.
                      
         В том, что распространение звуковых волн происходит  не  мгновенно, можно увидеть из простейших наблюдений. Если в дали  происходит  гроза, выстрел, взрыв, свисток паровоза, удар топором и т.п., то  сначала  все  эти явления видно, а только потом, спустя некоторое время, слышен звук.
         Как и  всякая  волна,  звуковая  волна   характеризуется  скоростью распространения колебаний в ней.
         Скорость звука  различна  в  разных  средах.  Например  в  водороде скорость распространения звуковых волн  любой длины равна 1284  м/c,  в  резине - 1800 м/с, а в железе - 5850 м/c.

         Сейчас акустика, как область  физики  рассматривает  более  широкий спектр упругих колебаний -  от  самых   низких  до  предельно  высоких,  вплоть до 1012 - 1013 Гц.   Не  слышимые  человеком  звуковые  волны  с  частотами ниже  16  Гц   называют   инфразвуком,   звуковые   волны   с  частотами от 20  000  Гц  до  109Гц  -  ультразвуком,  а   колебания  с частотами выше чем 109Гц называют гиперзвуком.
         Этим неслышимым звукам нашли много применения.
         Ультразвуки и инфразвуки имеют очень важную роль и  в  живом  мире.Так,  например,  рыбы  и  другие  морские  животные  чутко   улавливают  инфразвуковые волны, создаваемые штормовыми волнениями. Таким  образом, они заранее чувствуют приближение шторма или  циклона,  и   уплывают  в  более безопасное место. Инфразвук  -  это   составляющая  звуков  леса, моря, атмосферы.
         При движении  рыб,  создаются  упругие    инфразвуковые  колебания, распространяющиеся в воде. Эти  колебания  хорошо  чувствуют  акулы  за много  километров и плывут на встречу добыче.
         Ультразвуки могут  издавать  и  воспринимать  такие  животные,  как собаки, кошки, дельфины, муравьи,  летучие мыши и др. Летучие  мыши  во  время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём  полёте   они  руководствуются отражениями этих звуков от  предметов, встречающихся на  пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь  только  эхом  от своей мелкой  добычи.  Кошки  и  собаки  могут  слышать  очень  высокие свистящие звуки (ультразвуки).

         Эхо - волна, отраженная от какого-либо препятствия и принятая наблюдателем. Звуковое эхо воспринимается  ухом раздельно от первичного сигнала.  На явлении эхо основан метод определения  расстояний  до  различных предметов и обнаружения  их  месторасположений.  Допустим,  что  каким-нибудь источником звука испущен звуковой сигнал и  зафиксирован  момент его испускания. Звук встретил какое-то препятствие, отразился от  него,  вернулся и был принят приёмником  звука.  Если  при  этом  был  измерен  промежуток времени между моментами испускания и приёма, то легко  найти  и  расстояние  до  препятствия.  За  измеренное  время  t  звук  прошёл  расстояние 2s, где s - это расстояние до препятствия, а 2s - расстояние  от источника звука до препятствия и от препятствия до приёмника  звука.

  По этой формуле можно найти расстояние до  отражателя  сигнала.  Но надо ещё знать, где он находится, в каком направлении от источника сигнал  встретил  его.  Между  тем  звук   распространяется   по   всем    направлениям, и отраженный сигнал мог прийти  с  разных  сторон.  Чтобы  избежать этой трудности используют не обычный звук, а ультразвук.
         Главная особенность ультразвуковых волн состоит в том, что их можно сделать направленными, распространяющимися по определённому направлению от источника. Благодаря этому по отражению ультразвука можно не  только найти расстояние, но и узнать, где находится тот  предмет,  который  их отразил. Так можно, например, измерять глубину моря под кораблем.
         Звуколокаторы позволяют обнаруживать  и  определять  местоположение различных  повреждений   в   изделиях,   например   пустоты,   трещины, постороннего включения и  др.  В  медицине  ультразвук  используют  для обнаружения различных аномалий в теле больного  -  опухолей,  искажений формы органов или их частей и  т.д.  Чем  короче  длина  ультразвуковой  волны,  тем   меньше   размеры   обнаруживаемых   деталей.   Ультразвук  используется также для лечения некоторых болезней.