разное

РОЖДЕНИЕ ЗВУКА ДВИЖЕНИЕ ОСОБОГО РОДА

Ельзя разобраться в звуковых явлениях, не составив себе ясного представления о том, что такое звук. Прежде всего посмотрим, как он возникает и распростра­няется.

Оттяните, а затем отпустите струну балалайки или гита­ры. Струна начнёт колебаться, и вы услышите звук. Вы

Почувствуете колебания струны, если коснётесь её пальцем. По­держите палец на струне — коле­бания струны прекратятся, а вме­сте с ними исчезнет и звук. Коло­кольчик также перестанет зву­чать, если до него дотронуться. Значит, только колеблющиеся тела порождают звук.

Но что такое колебание? Посмотрите, как движется маятник стенных часов. Он всё время качается вправо и влево (рис.1). Дойдя до крайнего, на­пример, правого положения, ма­ятник на мгновение останавли­вается и потом идёт влево. Ско­рость его увеличивается до тех пор, пока он не дойдёт до сред­него положения. Затем движение маятника начинает замедляться, и в крайнем левом поло­жении он вновь останавливается. В следующее мгновение маятник опять начинает двигаться — теперь уже вправо.

Половина размаха маятника или расстояние от среднего положения его до одного из крайних называется ампли­тудой колебания.

Подобно маятнику часов, любой подвешенный груз может совершать такое же движение. С подобным дви­жением мы часто встречаемся в природе и называем его колебательным движением.

Если бы воздух не оказывал сопротивления маятнику и не было трения в месте его подвеса, то было бы доста­точно толкнуть такой маят­ник один раз, и он колебался бы вечно. Но в природе так не бывает. Трение замедляет скорость движения маятника, расстояние между крайними положениями его постепенно уменьшается, и рано или поздно маятник останавли­вается.

Теперь проделайте такой опыт. Зажмите один конец стальной линейки в тиски, а другой отогните в сторону и отпустите. Линейка начнёт колебаться (рис. 2). При этом возникает звук, напоминаю­щий жужжание. Почему же маятник колеблется беззвуч­но, а колебания линейки со­провождаются жужжанием?

Оказывается, между этими колебаниями имеется суще­ственная разница. Линейка в одну секунду совершает го­раздо больше колеба­ний, чем маятник. Число КО - рис 2. Линейка, зажатая в лебаний в одну секунду на - тисках, колеблясь, рождает

Зывают частотой. Таким звук,

Образом, частота колебания

Линейки больше частоты колебания маятника. Мы слышим звук при колебаниях линейки потому, что она колеблется с большей частотой. Натянутая на барабан кожа от удара

Лёгкой палочкой приходит в колебание и издаёт звук. То же происходит и с маленькой круглой пластинкой в телефонной трубке, так называемой мембраной. Роль палочки в этом случае выполняет электромагнит. Намаг­ничиваясь, он притягивает к себе мембрану и тотчас снова отпускает её, как только прекращается ток в его катушке. Всё это происходит очень быстро, с частотой,

Соответствующей звуку голоса говорящего в телефон. Таких примеров, когда твёрдые тела, колеблясь, звучат, можно при­вести очень много.

А могут ли звучать жидко­сти и газы?

Да, могут. Для этого надо заставить их колебаться. Звуки гудков, сирен, свистков и музы­кальных духовых инструментов есть не что иное, как результат колебательного движения газов или паров. Когда же вы слы­шите шлёпание дождевых ка­пель по луже, шум воды, сте­кающей по жёлобу, или плеск волны, это — звуки, вызывае­мые колеблющейся жидкостью.

Естественно задать вопрос: а чТо же колеблется, когда че­ловек говорит или поёт? Ока­зывается, голос возникает благодаря колебанию двух мускульных упругих перепонок — голосовых свя­зок. Они находятся в верхней части дыхательного гор­ла— в гортани (рис. 3).

Когда мы дышим, голосовые связки раздвинуты так, что образуют треугольное отверстие, и воздух свободно проходит через него в лёгкие и из лёгких. Когда же мы произносим какой-нибудь звук, особые мышцы сближают упругие голосовые связки, и щель становится узкой. Движение воздуха теперь затруднено, и при выдыхании его перепонки начинают колебаться. При этом и возникает звук. Всё разнообразие звуков нашей речи создаётся уже дальше — на пути от гортани через полости рта и носа.

Итак, звук рождается колебательным движением тел. Но, как мы уже видели, далеко не всякое колебание со­провождается звуком. Тело издаёт звук, воспринимаемый ухом, только в том случае, если оно колеблется не меньше 16 и не больше 20 ООО раз в одну секунду. Однако неверно было бы думать, что тело, колеблющееся с частотой, ска­жем, 10 или 30 000 раз в секунду, не звучит. Медленно колеблющийся маятник тоже звучит, как звучат тела и при ста тысячах колебаний в секунду. Только мы этих зву­ков не слышим. Звуки с частотой меньше 16 называют инфразвуками, а с частотой больше 20 000 — ультразвуками. В этой книге мы будем говорить главным образом о звуках слышимых.

Итак, только при определённых количественных зна­чениях частоты звук обладает определённым качеством — 'он воспринимается нашим ухом. При этом в зависимости от постепенного количественного изменения в частоте изменяется качество звука.

Чем отличаются друг от друга звуки, имеющие различ­ные частоты? Сделайте такой простой опыт. Возьмите обыкновенную пилу и тонкую дощечку. Проведите мед­ленно дощечкой по зубцам пилы (рис. 4); вы услышите отдельные удары — стуки доски о зубцы. Проведите несколько быстрее, и вы услышите низкий, густой звук. Чем быстрее водить дощечкой по зубцам, тем выше будут звуки. Вспомните, как пронзительно воет электрическая дисковая пила, когда она разрезает полено.

Можно продолжить опыт и с линейкой, которая изо­бражена на рисунке 2. Зажмите в тиски не самый конец линейки, а её среднюю часть. Теперь линейка будет коле­баться с большей частотой; издаваемый звук будет дру­гой, выше, чем при первом опыте. Чем короче конец линейки, выступающий над тисками, тем выше звук при её колебании. Всё это убеждает нас в том, что чем больше частота, то-есть чем больше колебаний в секунду совершает тело, тем выше издаваемый им звук.

Интересно отметить, что при возникновении звука определённой высоты совершенно безразлично, какое тело колеблется и что является причиной колебаний. Любые тела, колеблющиеся, например, 500 раз в секунду, всегда дадут звук одной и той же высоты, будет ли это струна гитары, колокольчик или свисток. И наосорот, если мы слышим звук данной высоты, то можем уверенно сказать: звучащее тело колеблется 500 раз в секунду. Так, по высоте звука может определяться частота коле­баний тела.

- Эта закономерность часто помогает нам в жизни. Например, наливая в тёмную посуду жидкость, мы по изменению высоты звука определяем, когда она наполнится.

Когда автомобиль идёт по ровной дороге, гул рабо­тающего мотора имеет одну высоту; если же на пути встречается подъём, мотор снижает число оборотов, машина замедляет ход и гул становится другим, более низким. Прислушиваясь к этим звукам, шофёр своевре­менно переводит регулятор скорости. Мотор снова увели­чивает обороты, и высота гула приближается к прежней.

Как же распространяется звук?

Бросьте в воду камень. По её поверхности тотчас же разойдутся круговые волны, уходящие всё дальше и дальше от места падения камня. На первый взгляд кажется, что вместе с волной уходят и отдельные ча­стицы воды. Но если бросить на поверх­ность воды лёгкую щепку, то можно увидеть, что щепка только покачивается вверх и вниз; она в точности повторяет движение окружаю­щих её частиц воды.

Когда волна набе­гает, щепка подни­мается вверх — на

Гребень; волна про­шла — и щепка сно­ва возвращается на прежнее место. Она не движется по на­правлению движения волны, не следует за волной.

Отсюда ясно, что и частицы воды, обра­зующие волну, не рис Схематическое изображение во- уходят С ней, а ТОЛЬ - дяной волны. Стрелками показано направ - ко колеблются вверх Ление движения отдельных частиц воды, и вниз.

На рисунке 5 показано, как частицы одна за другой приходят в колебательное движение, образуя волну.

Распространение звука можно сравнить с распростра­нением волны по воде. Только вместо брошенного в воду камня здесь имеется колеблющееся тело, а вместо поверх­ности воды — воздух.

Пусть источником звука будет камертон. Это — небольшой стальной изогнутый стержень с ножкой на
изгибе (рис. 6). Камертоном часто пользуются при на­стройке музыкальных инструментов. Лёгким ударом по камертону можно заставить его звучать. В первое мгно­вение после удара ветвь камертона отклоняется, допустим, вправо; при этом она толкает вправо и прилегающие к ней частицы воздуха. Тогда в каком-то маленьком про­странстве около камертона воздух окажется сгущённым.

Но в таком состоянии частицы оставаться не % могут. Стремясь разойтись, они потеснят сво -

| их соседей справа, и сгущение очень быстро

| § передастся от одного слоя воздуха другому. Но

' , £ и ветвь камертона не останется в покое. В

^следующий момент она уже отклонится вле - :1 I; § во и потеснит частицы воздуха с левой сто -

I:. $ роны. А справа воздух окажется теперь раз -

11 ^ режённым. Это разрежение так же, как и сгу -

!' щение, быстро сообщится всем слоям воздуха.

При следующем колебании повторится та же картина. Таким образом, каждое коле­бание ветви камертона создаст в воздухе одно сгущение и одно разрежение. Чере­дование таких сгущений и разрежений и есть звуковая волна. Сколько колеба­ний совершает камертон, столько отдельных сгущений — «гребней» и разрежений — «впа­дин» посылает он в воздух. Когда такая волна достигает уха, мы её и воспринимаем как звук.

Однако между водяными и звуковыми вол - Камертон. нами есть существенная разница. Водяные вол­ны распространяются кольцеобразно, в основ­ном по поверхности, и быстро затухают с глубиной. Зву­ковые же волны заполняют всё пространство около зву­чащего тела. Кроме того, в водяной волне колебания от­дельных частиц совершаются вверх и вниз поперёк на­правления волны, а в звуковой волне частицы колеблются вперёд и назад вдоль волны. Поэтому волны на поверх­ности воды называются поперечными, а звуковые — продольными.

Но какова бы волна ни была, частицы вещества, уча­ствующие в колебательном движении, никогда не переме­щаются вместе с волной. И сама волна — это только

Передача движения от одной колеблющейся ча - стицы к другой.

Понять это ещё лучше помогут кости домино. По­ставьте все их в ряд, недалеко друг от друга, и толкните первую кость (рис. 7). Падая, она увлечёт за собой вто­рую кость, вторая — третью и так далее. Через короткое время все кости будут лежать. Каждая из них осталась на своём месте, а передалось по всему ряду только движение.

Движение звуковой волны можно проследить и на таком несложном опыте. Возьмите длинную стальную

Пружину и подвесьте её на ниточках к горизонтальному брусу.

Толкните крайний виток: вы увидите, как движение начнёт передаваться от одного витка к другому по всей длине пружины. Ровное распределение витков пру­жины теперь уже нарушено, в одних местах они ближе теснятся друг к другу, в других расходятся дальше. При­смотревшись внимательно, можно увидеть, как эти сгу­щения и резрежения перемещаются вдоль пружины. При этом, несмотря на то, что движение быстро пере­даётся от одного конца пружины к другому, отдельные витки её только слегка колеблются из стороны в сторону, не удаляясь сколько-нибудь значительно от своего сред­него положения.

Таким же образом частицы колеблющегося воздуха не летят из уст говорящего человека в уши слушающего; в звуковой волне передаётся лишь движение частиц, обра­зующих отдельные сгущения и разрежения.

Передача звука на расстояние требует затраты опре­делённой работы. Ведь для того, чтобы возникла звуко­вая волна, необходимо раскачать частицы воздуха. Однако размах колебаний частиц в звуковой волне ничтожно мал. Давление, которое образуется в мостах сгущения волны, не превосходит даже в самом сильном звуке 0,5 грамма на квадратный сантиметр, а в слабом звуке это давление много меньше давления, оказывае­мого комаром, севшим на голову человека! Отсюда понятно, что и работа, идущая на создание звуковой волны, очень невелика. Если бы миллион человек одно­временно говорили в течение полутора часов, то вся энергия звуковых волн, создаваемых миллионом голосов, была бы достаточна только для того, чтобы вскипятить один стакан воды!

Читатель может спросить: почему же тогда для полу­чения звука приходится тратить значительную работу? Попробуйте дуть некоторое время в свисток,— вы убеди­тесь, что занятие это не такое уж лёгкое. В сиренах и гуд­ках часто применяется сжатый воздух или пар с давле­нием в несколько раз больше давления атмосферного воздуха. И несмотря на такую большую затрату энергии, получаемый звук распространяется на сравнительно небольшое расстояние. Оказывается, во всех источниках звука только малая доля затрачиваемой работы пере­ходит в энергию звука.

Если бы вся энергия гудков и сирен тратилась только на создание звуков, то они были бы слышны на сотни километров! Большинство музыкальных инструментов превращает в звуковую энергию не более одной тысячной доли энергии, затрачиваемой при игре. Человек при разговоре или пении превращает в энергию звука только около одной сотой части совершаемой работы. Остальные 99 частей переходят в другие виды энергии, главным образом в тепловую.