Що таке звукові хвилі: простими словами про складне

Прокидаючись вранці під спів пташок, розмовляючи з друзями по телефону чи насолоджуючись улюбленою мелодією — ми постійно взаємодіємо зі звуковими хвилями. Цей невидимий світ коливань створює симфонію нашого повсякденного життя, яку ми часто не помічаємо, але без якої наш світ став би безмовним і незнайомим.

Що таке звукові хвилі

Звукові хвилі — це механічні коливання, які поширюються у пружному середовищі. На відміну від світлових хвиль, звук не може подорожувати у вакуумі. Йому потрібне середовище — повітря, вода чи тверда речовина.

Коли струна гітари вібрує, вона штовхає молекули повітря навколо себе. Ці молекули передають поштовх сусіднім молекулам, створюючи хвилю стиснень і розріджень. Саме цю хвилю наше вухо сприймає як звук.

Моя викладачка фізики колись показала нам просту демонстрацію: вона взяла довгу пружину і смикнула за один кінець. Хвиля побігла вздовж пружини, точно так само, як звукова хвиля біжить повітрям. Ця картинка закарбувалася в моїй пам’яті назавжди.

Властивості звукових хвиль

Частота і висота звуку

Частота визначає, скільки коливань відбувається за одну секунду, і вимірюється в герцах (Гц). Чим вища частота, тим вищий звук ми чуємо.

Коли малеча пищить від радості, частота її голосу може сягати 3000-4000 Гц. А коли говорить дорослий чоловік, частота його голосу зазвичай коливається між 100-150 Гц. Спробуйте порівняти писк комара і гудіння джмеля — і ви відразу відчуєте різницю в частоті.

Гучність і амплітуда

Амплітуда коливань визначає гучність звуку. Чим сильніше ви вдаряєте по барабану, тим більша амплітуда коливань його мембрани, і тим гучніший звук ви чуєте.

Гучність вимірюють у децибелах (дБ). Шепіт має приблизно 30 дБ, звичайна розмова — 60 дБ, а рок-концерт може сягати 120 дБ, що вже на межі больового порогу.

Тембр звуку

Тембр — це те, що дозволяє відрізнити звуки однакової висоти і гучності. Завдяки тембру ми можемо розпізнати голос друга в натовпі або відрізнити скрипку від флейти.

Коли я був малим, ми з другом говорили в однаковій тональності, але мама завжди могла визначити, хто з нас кличе її, навіть не обертаючись. Усе завдяки тембру — унікальному звуковому “почерку”.

Діапазони звукових хвиль

Людське вухо сприймає звуки з частотою від 20 Гц до 20 000 Гц. Але звуковий світ набагато ширший:

• Інфразвук (нижче 20 Гц) ми не чуємо, але відчуваємо. Землетруси, виверження вулканів, навіть деякі тварини спілкуються інфразвуком. Слони використовують його для спілкування на великих відстанях.
• Ультразвук (понад 20 000 Гц) застосовують у медицині для УЗД. Кажани використовують ультразвук як локатор, щоб орієнтуватися в темряві.

Поширення звуку в різних середовищах

Швидкість звуку залежить від середовища. У повітрі при 20°C звук рухається зі швидкістю 343 м/с. У воді він прискорюється до 1480 м/с, а в сталі — до 5100 м/с.

Пригадую, як на березі озера ми з друзями помітили, що звук від удару каменя об воду чути швидше через воду, ніж через повітря, якщо прикласти вухо до води.

Температура також впливає на швидкість звуку. У теплому повітрі звук поширюється швидше, ніж у холодному. Тому влітку звуки чути на більшу відстань, ніж взимку.

Взаємодія звукових хвиль

Відбиття і луна

Звукові хвилі відбиваються від перешкод, створюючи луну. Саме тому в порожньому приміщенні або в горах ви можете почути відлуння свого голосу.

Спробуйте плеснути в долоні в порожній кімнаті, а потім у кімнаті з меблями та килимами. Різниця вразить вас — у порожній кімнаті звук “гуляє” і відбивається від стін.

Резонанс

Коли частота звукової хвилі збігається з власною частотою предмета, виникає резонанс. Це явище може бути руйнівним, як у випадку з мостом Такома-Нерроуз, який зруйнувався від вітру через резонанс.

Але резонанс може бути і корисним. Корпус гітари посилює звук струн саме завдяки резонансу.

Застосування звукових хвиль

Звукові хвилі допомагають нам у багатьох сферах:

• У медицині ультразвук дозволяє бачити внутрішні органи без хірургічного втручання.
• У техніці сонари допомагають кораблям і підводним човнам орієнтуватися під водою.
• У природі дельфіни та кажани використовують ехолокацію для навігації та полювання.

Цікаві запитання про звук

Чому звук не поширюється у вакуумі? Бо звуку потрібне середовище для передачі коливань. Без молекул нема чому коливатися і передавати звук.

Чому голос змінюється, коли ми вдихаємо гелій? Гелій легший за повітря, тому звукові хвилі в ньому поширюються швидше, змінюючи тембр голосу в бік підвищення.

Наш звуковий світ

Звукові хвилі — це не просто фізичне явище, а невід’ємна частина нашого сприйняття світу. Від шепоту коханої людини до громових овацій на стадіоні — звуки створюють емоційну палітру нашого життя.

Дослухайтеся до звуків навколо вас. Спробуйте розрізнити їхні властивості — висоту, гучність, тембр. Це відкриє вам нове сприйняття звичного світу і збагатить ваш досвід взаємодії з ним.