Механічні коливання та хвилі

Звукові хвилі

Звуковими хвилями, або просто звуком, називають пружні хвилі, що викликають у людини слухові відчуття.

Шум – сукупність різноманітних короткочасних звуків (хрускіт, шелест, стукіт тощо), є накладенням великої кількості коливань із близькими амплітудами, але різними частотами (має суцільний спектр).

Музичний тон створюється періодичними гармонічними коливаннями тіла (камертона, струни тощо) однієї частоти.

Гучність звуку визначається як інтенсивністю звуку (амплітудою коливань звукової хвилі), так і різною чутливістю людського вуха на різних частотах. Найбільшою чутливість людське вухо має в діапазоні частот від 1000 до 5000 Гц. З віком людини поріг чутності збільшується.

Висота звуку визначається частотою звукових коливань, що мають найбільшу інтенсивність у спектрі.

Тембр (відтінок звуку) залежить від того, скільки обертонів приєднуються до основного тону і яка їхні інтенсивність і частота. За тембром ми легко відрізняємо звуки скрипки і рояля, флейти та гітари, голоси людей тощо.

Швидкість звуку залежить від пружних властивостей, густини і температури середовища. Чим більші сили пружності, тим швидше поширюється звукова хвиля. Тому модуль швидкості звуку в газах менший, ніж у рідинах, а в рідинах зазвичай менший, ніж у твердих тілах.

Для виникнення звукових відчуттів необхідні: наявність джерела звуку; наявність пружного середовища між джерелом звуку і вухом; частота коливань джерела звуку має перебувати в межах 16—20 000 Гц; потужність звукових хвиль має бути достатньою для того, щоб викликати відчуття звуку.

Оскільки звук є механічною хвилею, всі властивості хвильового руху стосуються й звуку.

Звук поширюється в середовищі зі скінченною швидкістю, яка залежить від температури, густини, складу та інших характеристик середовища. Так, у рідинах звук поширюється швидше, ніж у газах, і повільніше, ніж у твердих тілах. Швидкість поширення звуку зазвичай збільшується зі збільшенням температури середовища (так, у повітрі за температури 0 °С швидкість поширення звуку дорівнює приблизно 330 м/с, а за температури 20 °С — 340 м/с). До того ж чим менша маса молекул середовища, тим швидше поширюється звук.
Джерелом звуку є тіло, що коливається. Такі коливання можуть бути вимушеними (дифузор гучномовця), вільними (струна гітари), автоколиваннями (струни смичкових інструментів).
Звукові хвилі не поширюються у вакуумі.
Під час поширення звуку не відбувається перенесення речовини, але відбувається перенесення енергії.
Звукові хвилі можуть накладатись одна на одну (явище інтерференції); можуть огинати перешкоди (явище дифракції).

Інтерактивний плакат «Звукові хвилі»

Акустичний резонанс — це явище різкого зростання амплітуди звукового сигналу в разі наближення частоти сигналузбудника до частоти власних коливань системи.

Акустичний резонанс використовують для збільшення інтенсивності звуку, створеного певним джерелом (струною, ніжками камертона, голосовими зв’язками тощо). Наприклад, для збільшення гучності камертона його приєднують до дерев’яного ящика (резонатора), власна частота коливань повітря в якому дорівнює частоті коливань камертона. Камертон, приєднаний до резонатора, звучить набагато гучніше, ніж той, який тримають у руці.

Інфразвук (від латин. infra — нижче, під) — механічні хвилі, частота яких менша від 20 Гц.

Інфразвукові хвилі виникають під час штормів, землетрусів, цунамі, вивержень вулканів, унаслідок ударів об берег морських хвиль. Деякі істоти здатні сприймати інфразвукові хвилі. Джерелом інфразвуку можуть бути і об’єкти, створені людиною: турбіни, двигуни внутрішнього згоряння тощо. У містах найбільший рівень інфразвуку біля автомагістралей.

Інфразвук є дуже небезпечним для тварин і людини: він може викликати симптоми морської хвороби, запаморочення, засліплення, спричинити підвищену агресивність. У разі тривалої дії інтенсивне інфразвукове випромінювання може призвести до зупинки серця. При цьому людина навіть не розуміє, що відбувається, адже вона не чує інфразвуку.

Механічні хвилі, частота яких перевищує 20 кГц, називають ультразвуковими хвилями (від латин. ultra— понад, за межами).

Ультразвук наявний у шумі вітру та водоспаду, у звуках, які видають деякі істоти. З’ясовано, що ультразвук до 100 кГц сприймають багато комах і гризунів; уловлюють його й собаки. Ультразвук застосовують у техніці, медицині.

Слабий ультразвук зазвичай використовують для ультразвукової локації — визначення розташування та характеру руху об’єкта за допомогою ультразвуку. Так, кажани та дельфіни, випромінюючи ультразвук і сприймаючи його відлуння, можуть навіть у повній темряві знайти дорогу або спіймати здобич. Ультразвукове дослідження дозволяє «побачити» ще не народжене немовля, дослідити стан внутрішніх органів, виявити сторонні тіла в тканинах. Ультразвукову локацію застосовують також на морських суднах — для виявлення об’єктів у воді (сонари) і дослідження рельєфу морського дна (ехолоти); у металургії — для виявлення та встановлення розмірів дефектів у виробах (дефектоскопи).