Курс фізікі, ч. II
Памер: 223с.
Мінск 1958
Спынім камертон і будзем хутка вярцець шматграннае люстра, на экране мы заўважым суцэльную гарызантальную лінію. Калі цяпер зноў прымусіць камертон гучаць, то на экране мы атрымаем сінусоіду (рыс. 69). Значыць, ваганні камертона з' яўляюцца сінусаідальнымі, або гарманічнымі, ваганнямі. Яны ўяўляюць сабой найбольш просты від гукавых ваганняў.
36. Класіфікацыя гукаў. Па форме і характару хвалі прынята адрозніваць тры віды гукаў: 1) гукавыя ўдары, 2) шумы і 3) музычныя гукі, або тоны.
58
Гукавыя ўдары ўзнікаюць пры выстрале, выбуху, электрычнай іскры, пры ўдары якіхнебудзь цяжкіх цел і г. д.
Ударная хваля, якая адпавядае гэтым гукам, уяўляе сабой адзінкавую хвалю.
Ш у м ы ўяўляюць сабой паслядоўнасць неперыядычных удараў. Такімі, напрыклад, з’яўляюцца шум ветру ў лісцях дрэў, трэск пры ламанні дрэва, ляск жалеза, скрып і г. д.
Музычныя гукі выклікаюцца перыядычнымі ваганнямі крыніц: яны складаюцца з рада аднолькавай даўжыні і фор.мы хваль, якія бесперапынна ідуць адна за другой. Такімі, напрыклад, з’яўляюцца гукі камертона, музычных інструментаў, спевакоў і г. д.'
Рыс. 70. Ад гучалыіага званочка ў паветры распаўсюджваюцца хвалі. якія даходзяць да вуха.
37. Распаўсюджванне гукаў. Мы ўспрыймаем гук дзякуючы нашаму органу слыху — вуху. Вуха з’яўляецца для нас прыёмнікам гуку. Паміж вухам і гучальным (вагаючымся) целам — вібратарам— знаходзіцца перадаючае асяроддзе; часцей за ўсё ім з’яўляецца паветра.
Калі якоенебудзь цела гучыць, яно вагаецца, яго ваганні перадаюцца прылягаючым частачкам паветра, якія таксама пачынаюць вагацца і перадаюць ваганні суседнім частачкам, а гэтыя ў сваю чаргу перадаюць ваганні далей і г. д. У выніку ў паветры ўзнікаюць і распаўсюджваюцца гукавыя хвалі (рыс. 70). Гэтыя хвалі выклікаюцца вагальным рухам частачак асяроддзя (паветра), прычы.м ваганні частачак адбываюцца ў напрамку распаўсюджвання хвалі.г. зн. з’яўляюцца падоўжнымі ваганнямі.
Неабходнай умовай для перадачы гуку ад вібратара да прыёмніка (у прыватнасці, да нашага вуха) з’яўляецца існаванне пругкага асяроддзя паміж вібратарам і прыёмнікам. Схематычна працэс распаўсюджвання гуку можна паказаць так:
Вібратар—»перадаючае асяроддзе—*прыёмнік.
Калі паміж вібратарам і прыёмнікам устараніць пругкае гукаперадаючае асяроддзе, то гукавыя хвалі не змогуць дасягнуць прыёмніка.
Змесцім пад каўпак паветранага насоса гадзіннікбудзільнік (рыс. 71). Пакуль у каўпаку знаходзіцца паветра, гук званка мы чуем выразна. Пры адкачванні паветра зпад каўпака гук паступова слабее і, нарэшце, робіцца нячутным. Малаточак працягвае ўдараць
59»
па талерцы званка; значыць, талерка вагаецца, але гэтыя ваганні далей ужо не могуць распаўсюджвацца (няма перадаючага асяроддзя) і не могуць дайсці да нашага вуха. Упусцім пад каўпак паветра і зноў пачуем звон.
Пакладзём на адзін канец доўгай дошкі кішэнны гадзіннік, а самі адыйдзем да другога канца. Прыклаўшы вуха да дошкі, мы выразна пачуем ход гадзінніка.
Рыс. 71. Дослед, якІ даказвае, што беспаветраная прастора не перадае гукавых ваганняў.
Прывяжам да металічнай лыжкі вяровачку. Канцы вяровачкі прыкладзём да вушэй. Удараючы на лыжцы, пачуем моцны гук. Яшчэ больш моцны гук пачуем, калі вяровачку заменім дротам, але зусім не пачуем гуку, калі замест вяровачкі возьмем гумавы шнур.
Здольнасць розных цел перадаваць гукавыя ваганні называецца гукаправоднасцю.
Мяккія і порыстыя целы — дрэнныя праваднікі гуку. Каб ахаваць якоенебудзь памяшканне ад пранікнення пабочных гукаў, сцены, падлогу і столь пракладваюць праслойкамі з гукапаглынаючых матэрыялаў. Такімі матэрыяламі з’яўляюцца: лямец, дываны, прэсаваны корак, порыстыя каменні, свінец. Гукавыя хвалі ў такіх праслойках хутка затухаюць.
Вадкасці добра праводзяць гук. Рыба, напрыклад, чуе крокі і галасы на беразе, гэта вядома спрактыкаваным рыбаловам.
Такім чынам, гукавыя хвалі распаўсюджваюцца ў цвёрдых, вадкіх і газападобных целах, але не могуць распаўсюджвацца ў беспаветранай прасторы.
38. Скорасць распаўсюджвання гуку. Простыя назіранні паказваюць, што гук распаўсюджваецца ў кожным асяроддзі з пэўнай скорасцю.
Калі мы глядзім здалёку на страляніну з ружжа, то спачатку бачым агонь і дым, а потым праз некаторы час чуем гук выстралу. Дым паяўляецца ў той жа час, калі адбываецца першае гукавое ваганне. Вымераўшы прамежак часу (t сек) паміж момантам узнікнення гуку {момант паяўлення дыму) і момантам, калі ён даходзіць да вуха, і ведаючы адлегласць (s лі) ад нас да крыніцы гуку, можна вызначыць скорасць распаўсюджвання гукавых хваль, або скорасць гуку:
Вымярэнні паказваюць, што скорасць гуку ў паветры пры 0° С
і нармальным атмасферным ціску роўна 332 —^—.
С6К
Пры павышэнні тэмпературы паветра скорасць гуку ўзрастае, паколькі пры гэтым узрастае пругкасць паветра. Напрыклад, пры 15° С
60
скорасць гуку ў паветры роўна 342—, пры 30° С — 349^, пры 100° С —386— .
сек
У іншых газах скорасць гуку не такая, чым у паветры. Чым лягчэйшы газ, тым больш рухомыя малекулы яго і тым скорасць гуку ў ім большая. У вадародзе яна роўна 1280 ^пры 0°С. У вуглякіслым газе скорасць гуку меншая: пры 0° С яна роўна 260^ . Скорасць гуку ў вадзе ў 4 j раза большая, чым у паветры. У металах скорасць гуку яшчэ большая.
Скорасць гуку ў розных асяроддзях (пры 0° С) I у —^—
\ С£К ,
Паветра.......................................... 332
Вада......................................... 1450
Медзь........................................... 3800
Жалеза.......................................... 4900
Шкло............................................ 5600
Яловае дрэва.................................... 4800
Корак...................... ................ 430—530
Каўчук............................................ 50
39. Музычныя гукі. Вышыня тону. Музычныя гукі або, як прынята гаварыць, музычныя тоны, характарызуюцца в ы ш ы н ё й, г у чнасцю і тэмбрам.
Возьмем два камертоны, якія даюць гукі рознай вышыні, і запішам графікі іх ваганняў на закопчанай пласцінцы. Мы атрымаем крывыя.
паказаныя на рыс. 72. Верхняя крывая атрымана ад камертона, які дае нізкі тон, ніжняя — ад камертона з высокім тонам. У першым выпадку атрымалася крываязбольш доўгай хваляй, у другім — з хваляй меншай даўжыні. Адсюль відаць, што ў першага камертона (з нізкім тонам) большы перыяд ваганняў і меншая частата, чым у другога.
У выпадку гарманічных гукавых
VWWWW
Рыс. 72. Верхняя крывая адпавядае нізкаму тону, ніжняя — высокаму тону.
ваганняў, якімі, напрыклад, з’яўляюцца ваганні камертона, наша адчуванне вышыні тону аб’ектыўна адпавядае частаце ваганняў. Чым меншы перыяд і адпаведна большая частата ваганняў, тым тон вышэйшы, і наадварот: чым меншая частата ваганняў, тым тон ніжэйшы.
Такім чынам, фізічным з’явам — ваганням рознай частаты — адпавядаюць адчуванні рознай вышыні тонаў.
Наша вуха здольна ўспрыймаць як гук ваганні ў межах ад 20 да 20 000 гц.
Межы для гукаў чалавечага голасу знаходзяцца паміж 64 гц (нізкая басовая нота) і 1300 гц (верхняя сапранавая нота). Ніжняя нота «ля» раяля мае 27,5 гц, а яго верхняе «до» — 4096 гц.
61
У прыродзе сустракаюцца ваганні, якія маюць частату, не ўспрыймаемую нашым вухам. Ад крыніцы нячутнага гуку хвалі, вядома, усё ж даходзяць да нашага вуха і ўздзейнічаюць на барабанную перапонку, але наш слыхавы апарат не адклікаецца на гэтыя ўздзеянні. Гукавыя ваганні, частоты якіх ляжаць за межамі чутных, г. зн. вышэй *20 кгц, называюцца ультрагукамі.
Сучасная тэхніка валодае сродкамі атрымання ультрагукаў у шырокім дыяпазоне частот ад 20 кгц да 500 мггц.
Рыс. 73. Графік трох тонаў аднолькавай частаты, але рознай гучнасці; крывой з большай амплітудай вагання адпавядае больш гучны тон.
біялагічныя і фізіялагічныя дзеянні.
Ультрагукі ў цяперашні час знайшлі досыць шырокае прымяненне ў тэхніцы. Імі карыстаюцца, напрыклад, для вымярэння марскіх глыбінь (эхалоты). Ультрагукі прымяняюцца для выяўлення розных дэфектаў у металічных вырабах і адліўках (ультрагукавая дэфектаскапія). Пры дапамозе ультрагукавых ваганняў атрымліваюць розныя эмульсіі.
Ультрагукі могуць утвараць Так, напрыклад, абпраменьванне
ультрагукамі насення павышае яго ўсходжасць, абпраменьванне ультрагукамі малака захоўвае яго на доўгі час ад скісання. Чырвоныя крывяныя шарыкі пад дзеяннем ультрагукаў разбураюцца, і з прычыны гэтага жывёлы гінуць. Дробныя рыбкі і жабы забіваюцца ультрагукамі праз 1—2 мінуты..
40. Сіла і гучнасць гуку. Сілаю гуку1 называецца велічыня, вымяраемая колькасцю энергіі, якая штосекундна працякае праз пляцоўку ў 1 см2, перпендыкулярную к напрамку гукавой хвалі.
Сілу гуку вымяраюць у cJPceK
Сіле гуку адпавядае адчуванне гучнасці, падобна да таго, як частаце ваганняў — вышыня тону.
Сіла гуку і гучнасць — паняцці нераўназначныя. Сіла гуку характарызуе фізічны працэс незалежна ад таго, успрыймаецца ён слухачом або не; гучнасць жа з’яўляецца суб’ектыўнай якасцю гуку.
Разгледзім цяпер, ад чаго залежыць сіла гуку, а значыць, і яго гучнасць. Запішам для гэтага ваганні камертона паслядоўна некалькі разоў з некаторымі прамежкамі ў часе (рыс. 73). Гук камертона паступова заціхае, і гэта зараз жа адбіваецца на графіку яго ваганняў.
Як відаць з графікаў 1, 2, 3, перыяд ваганняў камертона не мяняўся: грэбені і ўпадзіны на ўсіх трох графіках аднолькава частыя. Але па меры аслаблення гуку памяншалася амплітуда ваганняў.
1 Слова с і л а ў выразе с і л а гукуне адпавядае зместу гэтага паняцця, па
колькі мы маем тут справу не з сілай, а з энергіяй.
62
У самага моцнага гуку амплітуда была найбольшай (графік 1);
калі гук стаў амаль нячутным, амплітуда ваганняў аказалася маленькай (графік 3). Калі камертон перастане вагацца, графік пера
творыцца ў прамую лінію.
Такім чынам, мы бачым, што сіла гуку звязана з амплітудай ваганняў. Чым болыйая амплітуда ваганняў, тым мацнеіішы гук; чым
меншая амплітуда, тым гук слабейшы.
Калі якоенебудзь цела гучыць, то яно прыводзіць у ваганне навакольныя частачкі асяроддзя (напрыклад, частачкі паветра) і аддае ім пры гэтым частку сваёй энергіі. Запас энергіі ў гучальным целе памяншаецца, памяншаецца амплітуда яго вагапняў, слабее гук.
Пры распаўсюджванні ў асяроддзі гук слабее па меры аддалення ад крыніцы. Уся энергія, якая спачатку была сканцэнтравана каля аднаго цэнтра — крыніцы гуку, па меры аддалення ад яго будзе размяркоўвацца на ўсё большы і большы лік частачак асяроддзя; на долю кожнай частачкі будзе прыпадаць усё менш і менш энергіі. Пры распаўсюджванні гукавых хваль у ізатропным1 асяроддзі паверхня распаўсюджваючайся хвалі будзе сферай з цэнтрам 0, прак
КНІГІ ОНЛАЙН
