Полученные знания о колебаниях и волнах позволяют нам перейти к рассмотрению звуковых явлений.
Мир окружающих нас звуков разнообразен — голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчёл, гром вовремя грозы, и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолетов и т.д.
Источниками звукаявляются колеблющиеся тела. В этом можно убедиться на простых опытах.
Рассмотрим их.
На рисунке 74 изображена укрепленная в тисках упругая металлическая линейка. Если её свободную часть, длина которой подобрана определенным образом, привести в колебательное движение (крайнее положение линейки показаны штриховыми линиями), то линейка будет издавать звук. В данном случае колебания источника звука очевидны.
Теперь обратимся к рисунку 75. На нём изображена звучащая струна, концы которой закреплены. Размытые очертания этой струны и кажущиеся утолщения в середине свидетельствуют о том, то струна колеблется. Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то полоска будет подпрыгивать от толчков струны. Пока струна колеблется, слышен звук; остановим струну и звук прекращается.
Прибор, изображенный на рисунке 76, называется камертоном. Он представляет собой изогнутый металлический стержень на ножке. В данном случае камертон укреплен на резонаторном ящике ( назначении которого поговорим позже). Если по камертону ударить мягким молоточком или провести по нему смычком, то камертон зазвучит. Поднесём к звучащему камертону легкий шарик (стеклянную бусинку)
подвешенный на нитке, — шарик будет отскакивать от камертона, свидетельствуя о колебании его ветвей. На рисунке 77 показано, как можно «записать» колебания камертона с малой (порядка 16 Гц) собственной частотой и большой амплитудой колебаний. К концу одной ветви камертона привинчена тонкая и узкая металлическая полоска,
оканчивающаяся остриём.
Острие загнуто вниз и слегка касается лежащей на столе закопченной стеклянной пластинки. При быстром перемещении пластинки под колеблющимися ветвями, острие оставляет на ней след в виде волнообразной линии. *Волнообразная линия, прочерченная на пластинке остриём, очень близка к синусоиде. Таким образом, можно считать, что каждая ветвь звучащего камертона совершает гармонические колебания. *
Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц (передающиеся обычно через воздух). Поэтому колебания этого диапазона частот называются звуковыми. Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя граница воспринимаемых звуков значительно понижается — некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц. Дети же, наоборот, могут воспринимать звуки, частота которых несколько больше 20 000 Гц. Механические колебания, частота которых превышает 20 000 Гц, называются ультразвуковыми, а колебания с частотами менее 16 Гц — инфразвуковыми.
Ультразвук и инфразвук распространены в природе так же широко, как и волны звукового диапазона. Их излучают и используют для своих «переговоров» дельфины, летучие мыши и другие живые существа.
Ультразвук находит широкое применение в технике. Например, направленные узкие пучки ультразвука применяются для измерения глубины моря (рис. 78). Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приёмник ультразвука. Излучатель даёт короткие сигналы, которые доходят до дна и, отражаясь от него достигают приёмника. Моменты излучения и приёма сигналов регистрируются. Таким образом, за время t, которое проходит с момента отправления сигнала до момента его приёма, сигнал, распространяющийся со скоростью v, проходит путь, равный удвоенной глубине моря, т.е. 2h:
Отсюда легко вычислить глубину моря:
Описанный метод определения расстояния до объекта называется эхолокацией.
