Теория:

Перейдём к рассмотрению звуковых явлений.
Мир окружающих нас звуков разнообразен — голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчел, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолётов и других объектов.
 
Обрати внимание!
Источниками звука являются колеблющиеся тела.
Пример:
Закрепим в тисках упругую металлическую линейку. Если её свободную часть, длина которой подобрана определённым образом, привести в колебательное движение, то линейка будет издавать звук (рис. 1).
 
линейка.png
Рис. 1
 
Таким образом, колеблющаяся линейка является источником звука.
Рассмотрим изображение звучащей струны, концы которой закреплены (рис. 2). Размытые очертания этой струны и кажущееся утолщение в середине свидетельствуют о том, что струна колеблется.
 
gitara_struny_metall_poverhnost_grif_9536_1366x768.png
Рис. 2
 
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.
 
На рисунке 3 изображён камертон — изогнутый металлический стержень на ножке, который укреплён на резонаторном ящике.
 
733573860ce5927fc10ce2a51eb7d602.gif
Рис. 3
 
Если по камертону ударить мягким молоточком (или провести по нему смычком), то камертон зазвучит (рис. 4).
 
камертон.png
Рис. 4
 
Поднесём к звучащему камертону лёгкий шарик (стеклянную бусинку), подвешенный на нитке, — шарик будет отскакивать от камертона, свидетельствуя о колебаниях его ветвей (рис. 5).
 
p-11e-3.gif
Рис. 5
 
Чтобы «записать» колебания камертона с малой (порядка \(16\) Гц) собственной частотой и большой амплитудой колебаний, можно к концу одной его ветви привинтить тонкую и узкую металлическую полоску с остриём на конце. Остриё необходимо загнуть вниз и слегка коснуться им лежащей на столе закопчённой стеклянной пластинки. При быстром перемещении пластинки под колеблющимися ветвями камертона остриё оставляет на пластинке след в виде волнообразной линии (рис. 6).
 
запись.png
Рис. 6
 
Волнообразная линия, прочерченная на пластинке остриём, очень близка к синусоиде. Таким образом, можно считать, что каждая ветвь звучащего камертона совершает гармонические колебания.
 
Различные опыты свидетельствуют о том, что любой источник звука обязательно колеблется, даже если эти колебания незаметны для глаза. Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук сирены, свист ветра, шелест листьев, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха.
 
Обрати внимание!
Не всякое колеблющееся тело является источником звука.
Например, не издаёт звука колеблющийся грузик, подвешенный на нити или пружине. Перестанет звучать и металлическая линейка, если удлинить её свободный конец настолько, чтобы частота его колебаний стала меньше \(16\) Гц.
Человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от \(16\) до \(20000\) Гц (передающиеся обычно через воздух).
Механические колебания, частота которых лежит в диапазоне от \(16\) до \(20000\) Гц называются звуковыми.
Указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно с возрастом верхняя частотная 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 некоторые другие живые существа.
Дельфины излучают и используют ультразвук для общения друг с другом, предупреждения сородичей об опасности, обнаружении косяков рыбы.
 
Для летучих мышей ультразвук является средством обнаружения добычи (рис. 7).
 
летучая мышь.png
Рис. 7
 
Медузы чувствуют приближение шторма благодаря улавливанию создаваемой им инфразвуковой волны.
 
Ультразвук находит широкое применение в технике.
Например, направленные узкие пучки ультразвука применяются для измерения глубины моря (рис. 8). Для этой цели на дне судна помещают излучатель и приёмник ультразвука.
 
Эхолот.png
 
Излучатель даёт короткие сигналы, которые доходят до дна и, отражаясь от него, достигают приёмника. Моменты излучения и приёма сигнала 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, то есть \(2h\):
 
2h=vt.
 
Отсюда легко вычислить глубину моря:
 
h=vt2.
 
Описанный метод определения расстояния до объекта называется эхолокацией.