Тема: Механические колебания и волны. Звук
Урок 37. Скорость звука. Отражение звука. Эхо
Ерюткин Евгений Сергеевич
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.
| Вещество | Скорость звука |
| Вода | 1483
|
| Свинец | 2160
|
| Дерево | 5000
|
| Стекло | 5500
|
| Медь | 4700
|
| Сталь | 5000 – 6100
|
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.
Список дополнительной литературы:
А так ли хорошо знакомо вам распространение звука? // Квант. — 2008. — № 3. — С. 32-33. Бялко А.В. Физика музыкальной гармонии // Квант. — 1987. — № 5. — С. 41-43. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. – М., 1974.