Звук
Звук (или звуковые волны) — это распространяющиеся в виде волн колебательные движения частиц упругой среды — газообразной, жидкой или твёрдой.
Под словом «звук» понимают также ощущения, вызываемые действием звуковых волн на специальный орган чувств (орган слуха, или, проще говоря, ухо) человека и животных: человек слышит звук частотой от 16 Гц до 20 кГц. Частоты этого диапазона называют звуковыми.
Итак, физическое понятие звука подразумевает упругие волны не только тех частот, которые человек слышит, но также более низкие и более высокие частоты. Первые называются инфразвуком, вторые — ультразвуком (рис. 63). Самые высокочастотные упругие волны в диапазоне 
Гц относятся к гиперзвуку.
«Услышать» звуковые волны можно, заставив дрожать зажатую в тисках длинную стальную линейку. Однако если над тисками будет выступать большая часть линейки (рис. 64, а), то, вызвав её колебания, мы не услышим порождаемые ею волны. Но если укоротить выступающую часть линейки и тем самым увеличить частоту её колебаний (рис. 64, б), то линейка начнёт звучать.
Любое тело, колеблющееся со звуковой частотой, является источником звука, так как в окружающей среде возникают распространяющиеся от него волны.
Существуют как естественные, так и искусственные источники звука. Один из искусственных источников звука, камертон (рис. 65), был изобретён в 1711 г. английским музыкантом Дж. Шором для настройки музыкальных инструментов.
Камертон представляет собой изогнутый (в виде двух ветвей) металлический стержень с держателем посередине. Ударив резиновым молоточком по одной из ветвей камертона, мы услышим определённый звук. Ветви камертона начинают вибрировать, создавая вокруг себя попеременные сжатия и разрежения воздуха (рис. 65, а). Распространяясь по воздуху, эти возмущения образуют звуковую волну.
Стандартная частота колебаний камертона — 440 Гц. Это означает, что за 1 с его ветви совершают 440 колебаний.
Для усиления звука, создаваемого камертоном, его держатель укрепляют на деревянном ящике, открытом с одной стороны (см. рис. 65, б). Этот ящик называют резонатором. При колебаниях камертона вибрация ящика передаётся находящемуся в нём воздуху. Из-за резонанса, возникающего при правильно подобранных размерах ящика, амплитуда вынужденных колебаний воздуха возрастает, и звук усиливается. Его усилению способствует и увеличение площади излучающей поверхности, которое имеет место при соединении камертона с ящиком.
Нечто подобное происходит и в таких музыкальных инструментах, как гитара, скрипка.
Источниками звука могут быть не только колеблющиеся твёрдые тела, но и некоторые явления, вызывающие колебания давления в окружающей среде (взрывы, полёт пуль, завывания ветра и т. д.). Наиболее ярким примером подобных явлений является молния. Во время грозы температура в канале молнии увеличивается до 30 000 °C. Давление резко возрастает, и в воздухе возникает ударная волна, постепенно переходящая в звуковые колебания (с типичной частотой 60 Гц), распространяющиеся в виде раскатов грома.
Приёмники звука служат для восприятия звуковой энергии и преобразования её в другие виды энергии. К приёмникам звука относятся, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для приёма звука применяют главным образом микрофоны (в воздухе), гидрофоны (в воде) и геофоны (в земной коре).
В газах и жидкостях звуковые волны распространяются в виде продольных волн сжатия и разрежения. Сжатия и разрежения среды, возникающие вследствие колебаний источника звука (колокольчика, струны, камертона, мембраны телефона, голосовых связок и т. д.), через некоторое время достигают человеческого уха, заставляя барабанную перепонку уха совершать вынужденные колебания с частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожания барабанной перепонки передаются посредством системы косточек окончаниям слухового нерва, раздражают их и тем вызывают у человека определённые слуховые ощущения. Животные также реагируют на упругие колебания, правда, в качестве звука они воспринимают волны других частот.
Человеческое ухо — очень чувствительный прибор. Воспринимать звук мы начинаем уже тогда, когда амплитуда колебаний частиц воздуха в волне оказывается равной всего лишь радиусу атома! С возрастом из-за потери эластичности барабанной перепонки верхняя граница воспринимаемых человеком частот постепенно снижается. Лишь молодые люди способны слышать звуки с частотой 20 кГц. В среднем и тем более в старшем возрасте как мужчины, так и женщины перестают воспринимать звуковые волны, частота которых превышает 12-14 кГц.
Ухудшается слух людей и в результате длительного воздействия громких звуков. Работа вблизи мощных самолётов, в очень шумных заводских цехах, частое посещение дискотек и чрезмерное увлечение аудиоплеерами негативно влияют на остроту восприятия звуков (особенно высокочастотных) и в некоторых случаях могут привести к потере слуха.
Громкость звука — это субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать звуки по шкале от тихих до громких.
Громкость звука определяется амплитудой: чем больше амплитуда колебаний в звуковой волне, тем больше громкость.
Громкость звука зависит также от того, насколько чувствительно наше ухо к данному звуку. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает к звуковым волнам с частотой 1-5 кГц. Поэтому, например, высокий женский голос с частотой 1000 Гц будет восприниматься нашим ухом как более громкий, чем низкий мужской голос с частотой 200 Гц, даже если амплитуды колебаний голосовых связок у них одинаковы.
Громкость звука зависит также от его длительности, интенсивности и от индивидуальных особенностей слушателя.
Интенсивностью звука называется энергия, переносимая звуковой волной за 1 с через поверхность площадью 1 
. Оказалось, что интенсивность самых громких звуков (при которых возникает ощущение боли) превышает интенсивность самых слабых звуков, доступных восприятию человека, в 10 триллионов раз! В этом смысле человеческое ухо оказывается намного более совершенным устройством, чем любой из обычных измерительных приборов. Ни одним из них столь широкий диапазон значений измерить невозможно (у приборов диапазон измерений редко превосходит 100).
Единицу громкости называют соном. Громкостью в 1 сон обладает приглушённый разговор. Тиканье часов характеризуется громкостью около 0,1 сона, обычный разговор — 2 сона, стук пишущей машинки — 4 сона, громкий уличный шум — 8 сон. В кузнечном цехе громкость достигает 64 сон, а на расстоянии 4 м от работающего двигателя реактивного самолёта — 264 сон. Звуки ещё большей громкости начинают вызывать болевые ощущения.
Помимо громкости звук характеризуется высотой. Высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук. Колебаниям небольшой частоты соответствуют низкие звуки, колебаниям большой частоты — высокие звуки.
Так, например, шмель машет своими крылышками с меньшей частотой, чем комар: у шмеля частота составляет 220 взмахов в секунду, а у комара — 500-600. Поэтому полёт шмеля сопровождается низким звуком (жужжанием), а полёт комара — высоким (писком).
Звуковую волну определённой частоты иначе называют музыкальным тоном, поэтому о высоте звука часто говорят как о высоте тона.
Основной тон с примесью нескольких колебаний других частот образует музыкальный звук. Например, звуки скрипки и пианино могут включать до 15-20 различных колебаний. От состава каждого сложного звука зависит его тембр.
Частота свободных колебаний струны зависит от её размеров и натяжения. Поэтому, натягивая струны гитары с помощью колышков и прижимая их к грифу гитары в разных местах, мы меняем их собственную частоту, а следовательно, и высоту издаваемых ими звуков.
При обычной речи в мужском голосе встречаются колебания с частотой от 100 до 7000 Гц, а в женском — от 200 до 9000 Гц. Наиболее высокочастотные колебания входят в состав согласного звука «с».
На границе между двумя разными средами часть звуковой волны отражается, а часть проходит дальше. При переходе звука из воздуха в воду 99,9% звуковой энергии отражается назад, однако давление в прошедшей в воду звуковой волне оказывается почти в 2 раза большим, чем в воздухе. Слуховой аппарат рыб реагирует именно на это. Поэтому, например, крики и шумы над поверхностью воды являются верным способом распугать обитателей водоёма.
При переходе звука из воды в воздух снова отражается 99,9% энергии. Но если при переходе из воздуха в воду звуковое давление увеличивалось, то теперь оно, наоборот, резко уменьшается. Именно по этой причине человек, находящийся над водой, не слышит звук, возникающий под водой при ударе одним камнем о другой.
Отражением звука объясняется и эхо. Эхо — это звуковые волны, отражённые от какого-либо препятствия и возвратившиеся к своему источнику. Мы слышим эхо лишь в том случае, когда отражённый звук воспринимается отдельно от произнесенного. Происходит это тогда, когда до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделённые интервалом времени t > 50-60 мс. Тогда возникает многократное эхо. Некоторые из таких явлений приобрели мировую известность. Так, например, скалы, расположенные в форме круга возле Адерсбаха в Чехии, в определённом месте повторяют 7 слогов, а в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов!
Увеличение длительности звука, вызванное его отражениями от различных препятствий, называется реверберацией. Реверберация велика в пустых помещениях, где она приводит к гулкости. И наоборот, помещения с мягкой обивкой стен, драпировками, шторами, мягкой мебелью, коврами, а также наполненные людьми хорошо поглощают звук, и потому реверберация в них незначительна.
Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
| Упругие волны (механические волны) в физике |
| Длина и скорость волны в физике |
| Скорость звука в физике |
| Масса молекул в физике |
