Что такое звук по научному

В какой акустике мы живем.

Звучание даже самых распрекрасных фирменных динамиков без корпуса, как и измеренные технические характеристики, совершенно не впечатляет. Но недоумение это обстоятельство может вызвать лишь у начинающих. Мыто с вами хорошо понимаем, что динамик без ящика — всё* равно, что струны без гитары. Роль этого ящика настолько велика, что ему дали серьезное имя — «акустическое оформление». И только гармоничное сочетание хороших головок с грамотно построенным акустическим оформлением в результате обеспечивает хайфайный звук акустической системы. Это неизбежно наводит на мысль и о существенном влиянии на звук свойств самого помещения, в котором воспроизводится музыка. Комнатки, комнаты и комнатиши разного объема — наше жилье — оказываются полноправными участниками исполнения ваших любимых музыкальных произведений. В технических описаниях систем разработчики приводят характеристики, полученные, как правило, в условиях заглушённой камеры, когда помещения как бы вовсе и нет, А что же происходит со звуком в обычной комнате? Иногда можно услышать мнение, что некоторые помещения в состоянии так сильно изменить звучание, что в пору ставить вопрос о целесообразности приобретения дорогостоящей аппаратуры, поскольку всё равно от «высокой верности» звука в этих условиях ничего не останется. Несмотря на определенную односторонность и примитивизм такого суждения, отмечу, что в этих словах, к сожалению, больше правды, чем этого хотелось бы. Но не следует спешить отказываться от добротных систем, ведь осмысленное отношение к акустическому оформлению комнаты прослушивания может не только свести на нет вредное влияние этого своеобразного «музыкального» инструмента (замкнутый объем комнаты), но в чем-то даже подправить звучание ваших колонок.

Воздух в помещении может быть свежим, прохладным, теплым или холодным, но он всегда упругий: помните, как пружинит эта незаметная в повседневности субстанция при использовании ручного насоса? А раз есть упругость, то есть и возможность «раскачивания» давления (по-научному — резонанса), когда колебания с определенным периодом начинают возрастать настолько, что становятся заметными на слух! Эти колебания воздуха в замкнутом объеме комнаты «вредят» хай-фаю, потому что голосок у типичного жилого помещения, конечно, не ангельский, а низенький, басовитый. Обратите внимание, с каким удовольствием ваша комната «подпевает» рычащим и грохочущим грузовикам, которые проезжают рядом с домом. Что же происходит в комнате с включенными колонками? Оказывается то же самое — комната порой начинает резонировать на частотах, имеющих для слуха заметное значение, например, в диапазоне 20-100 Тц. Для любознательных откроем секрет: звуковой шторм возникает от так называемых стоячих волн. Стоячая волна никуда не бежит и образуется, например, у стены, полностью отражающей звуковые волны. Длина, ширина и высота вашей комнаты задают вполне определенные частоты колебаний. Эти избранные частоты, на которых рождается прибой из стоячих волн, называются резонансными. Их различают по старшинству: первая, вторая, третья. Причем первая — самая низкая по частоте — в прямоугольном помещении соответствует наибольшему размеру. Когда акустическая система находится в комнате, где нет поглощения звука, такая волна будет самодовольно и неограниченно разбухать, корежа музыку, в первую очередь, на басах. Мы обсудили лишь, так сказать, одно измерение комнаты; аналогичные рассуждения можно провести и для двух остальных. Но даже это не учитывает всей сложности реальной картины. Теперь мы с уверенностью можем сказать, что в гулком, с хорошим отражением помещении не все частоты звукового спектра получают неискаженное отображение. Если спектр звукового сигнала был гладким в «глухой» комнате, то в комнате с отражениями он будет сильно изрезан. Какие-то частоты получат нежелательное усиление, а какие-то, наоборот, будут завалены. Замечу, что учет резонансных свойств помещений актуален для малых объемов, какие соответствуют типичным малогабаритным квартирам. Чем больше комната, тем ниже первые резонансные частоты. Таким образом, от размеров помещения напрямую зависит точность воспроизведения басовой части музыкальных произведений. Для комнаты объёмом 35 кубометров (2,5×3,5×4,5 м) существенное изменение звучания будет иметь место в диапазоне приблизительно 20-200 Гц. Первый полезный вывод, который можно сделать из сказанного, касается геометрии помещения. Итак, если вам суждено слушать музыку в прямоугольной комнате (а у вас есть выбор?), то пусть она будет побольше и, желательно, чтобы её длина, ширина и высота заметно отличались друг от друга, причем лучше не в целое число раз. Наиболее неблагоприятные условия для прослушивания создаются в кубических объёмах, здесь спектр собственных частот сильно разрежен, и искажения баса будут иметь глубокий и масштабный характер. Естественным способом борьбы с навязчивостью резонансов является звукопоглощение. Гасить надо не только огонь

Как было упомянуто, резонансная стоячая волна образуется в комнате с полностью отражающими поверхностями. Если же стены, пол, потолок хотя бы частично поглощают звуковую энергию, то неприятное «раскачивание» объема помещения уже не развивается, по крайней мере звуковой катастрофы не будет. Полное поглощение или «проглатывание» звука дает, например, открытое окно, которое просто пропускает волну без отражений. Реальная комната даже без мебели тоже не может до бесконечности накапливать звуковую энергию, поскольку обычные строительные материалы обладают определенным поглощением. Бетон, например, на частоте 500 Гц поглощает около 1% звуковой энергии, оштукатуренные стены — 2%, линолеум — 3%, а паркетный пол — 7%. Конечно, этого мало, а вот длинноворсныи ковер на полу создает не только домашний уют, но и гасит звук на 20-40%. Для тех, кто в этой жизни ценит только и только Hi-Fi, можно порекомендовать использование специальных эффективных поглотителей звука, правда, жить тогда придется на кухне. Несколько полезных советов. Не надо пытаться покрывать ватными одеялами и коврами все четыре стены и потолок с полом вместе взятые! Порой достаточно повысить поглощение трёх смежных поверхностей, например: постелить ковер — на пол, повесить тяжелые портьеры — на окно, пару книжных шкафов без стеклянных витрин поставить — к стене. Кстати, вся ваша мягкая мебель (диван, кресла, стулья), скатерть на столе являются прекрасными поглотителями звука. Да и гости, пришедшие послушать Вагнера, поглощают не только икру и шампанское. Наиболее эффективно «работают» поглотители, размещенные в углах и на стыках стен комнаты. Упомянем важный параметр, которым в архитектурной акустике характеризуют затухание звука. Волна мечется эхом по комнате и со временем замирает. Это — время реверберации. Многократное эхо воспринимается как гулкость. Реверберация определяется размерами помещения и отражающей способностью поверхностей (стен, пола). Вам приходилось замечать, как непривычен звук в пустой комнате, подготовленной для ремонта, или в громадном ангаре, где большая реверберация? Строгая въедливая наука утверждает, что меньшее время реверберации улучшает акустику помещения. Для комнат большинства современных квартир (объем 30- 100 куб.м) можно признать приемлемым время реверберации приблизительно 0,1- 0,3 секунды. Чем значительней объём комнаты, тем большее в ней эхо, что, конечно, не здорово: звуки начинают мешать друг другу. С другой стороны, желательно использовать для прослушивания помещения большего объёма, чтобы убежать от резонансов. Уладить это противоречие поможет хорошее поглощение! Но в погоне за поглощением звука с помощью ковров и портьер важно вовремя остановиться: и здесь диалектика (единство и борьба противоположностей). Ведь добившись очень сильного заглушения, вы получите неприятный эффект, близкий к условиям «свободного поля» (полное отсутствие отражений). А это уже — смерть звука. Можете представить, как звучит скрипка Страдивари. в чистом поле? Эксперимент — путь к лучшему звуку

Комнаты и помещения, где воспроизводится звук, также как и корпуса акустических систем, можно рассматривать как вторичное акустическое оформление, которое частенько вносит заметный (не всегда положительный) вклад в звучание домашнего аудио. Аранжировщиком и интерпретатором музыки, оказывается, может быть не только дирижер и звукорежиссер. Акустика помещения может что-то неуловимое подчеркнуть в звуке инструмента или голоса, что-то лишнее слегка притушить. Кстати, создание классных концертных залов и по сей день относится к чрезвычайно сложным задачам. Несмотря на высокий уровень науки, опирающейся на громадное количество объективных критериев оценки качества акустического оформления, никогда нельзя заранее абсолютно точно знать, как будет звучать тот или иной проектируемый зал, студия или помещение для прослушивания. Зал ЦТСА «звучит» плохо по вполне понятным причинам: здесь просто были допущены ошибки при проектировании. А вот в Малом зале Московской консерватории прекрасная акустика, при том что формально время реверберации завышено: 2 секунды вместо рекомендуемых для таких объёмов 1,35. Конечно, нам вряд ли удастся дать универсальный совет всем хайфайщикам и на все случаи жизни, тем более что даже наука здесь ограничива- ется лишь общими рекомендациями, полагаясь на его величество Эксперимент. Но если влияние размеров комнаты, наличие или отсутствие поглощения для вас — не пустой звук, будем считать, что «лед тронулся». По крайней мере теперь у вас есть козырь в борьбе с упорствующими домашними при отвоевывании жизненного пространства для любимой акустики. Возможно, предложенные рекомендации помогут избежать грубых деформаций в звучании ваших акустических систем. А если вы подойдете творчески к созданию собственной комнаты прослушивания, то, конечно, добьетесь и большего. Сначала проверьте, не слишком ли «жива» ваша комната: если резкий хлопок в ладоши дает на слух отчетливые отражения, то стоит заняться заглушением; а если возникает ощущение «ватного», мертвого звука — готовьтесь к выносу ковров. Варьируйте положение колонок: иногда удается улучшить звук путем размещения стереопары не вдоль короткой, а вдоль длинной стены. Поменяйте место для прослушивания: у стены, например, будут явственно выделяться басы. Подвиньте мягкие кресла в углы, снимите ковер со стены и положите его перед парой колонок. Кроме легких тюлевых занавесок, на окна повесьте плотные шторы. Если по высоким частотам начнет ощущаться дефицит, уберите толстый ковер, замените его на узкую дорожку, вставьте стеклянные двер- цы в шкаф. Помните, что чрезмерное снижение времени реверберации при заглушении мягкой мебелью приводит к сухому звучанию. Обращайте основное внимание на изменения в звучании басов. На мой взгляд, ваши экспериментальные исследования в области домашней акустики могут дать гораздо больший эффект для улучшения звука, чем это кажется на первый взгляд. Дорогу осилит идущий. Дерзайте!

Громкость звука, чувствительность и отдача акустических систем

Звук представляет собой волны, распространяющиеся в воздушной среде, то есть колебания давления воздуха. Как известно, единица измерения давления — паскаль, в этих единицах и измеряется звуковое давление, соответствующее амплитуде звуковой волны.

Звуковые волны переносят энергию и могут характеризоваться плотностью потока мощности (то есть энергией, переносимой звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения) в единицу времени. Давайте сначала ответим на вопрос, что же такое громкость звука?

Громкость звука это субъективная величина, характеризующая представление об интенсивности звука.

Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления (или интенсивности звука), длительности, а также частоты колебаний или спектра звука.

Как же связать все эти величины?

Ответ можно найти, покопавшись в старинных справочниках и журналах и переведя внесистемные единицы в систему СИ. езультаты сведены в табл. 3.1:

Таблица 3.1 Громкость, звуковое давление и поток мощности

Громкость, дБ	Характеристика звука	Звуковое давление, Па	Плотность потока мощности, мкВт/м2
0	Порог слышимости	2×10 -5	10 -6
10	Тихий шепот на расстоянии 1 м	6,4×10 -5	10 -5
20	Шелест листвы	2×10 -4	10 -4
30	Шепот на расстоянии 1 м	6,4×10 -4	0,001
40	Тихий разговор на расстоянии 1 м	0,002	0,01
50	Слабая работа громкоговорителя	0,0064	0,1
60	Обычный разговор на расстоянии 1 м	0,02	1
70	Громкая работа громкоговорителя	0,064	10

Таблица составлена по данным справочника Г. Г. Гинкина для хорошо слышимой ухом частоты 1000 Гц. Заметим, что увеличение громкости на каждые 10 дБ (одинаковое субъективное увеличение) вызывается увеличением потока мощности в 10 раз, поэтому при больших громкостях требуемая мощность растет очень быстро.

Если принять расстояние до громкоговорителя равным 1 м, как обычно и делается при акустических измерениях, и предположить, что излучение ненаправленное, можно вычислить и акустическую мощность, излучаемую громкоговорителем, просто умножив плотность потока мощности на площадь сферы радиусом 1 м (вспомните, что точно так же рассчитывался поток мощности для радиоволн).

Для трех последних случаев, приведенных в таблице и представляющих для нас практический интерес, излучаемая акустическая мощность составит 1,26, 12,6 и 126 мкВт соответственно.

Необходимую электрическую мощность можно найти, разделив акустическую мощность на КПД громкоговорителя. Здесь начинаются слезы! Для обычных бытовых динамиков малой мощности он составляет, по порядку величины, около 1%. Тогда получаем электрическую мощность порядка единиц милливатт.

Электромагнитные громкоговорители (конструкция которых напоминает устройство телефона), широко распространенные в ранние годы, теперь вышли из употребления из-за плохих характеристик и заменены головками электродинамической системы с постоянными магнитами. Их отдача прямо зависит от магнитной индукции в зазоре, где размещена звуковая катушка. Большую отдачу имеют головки с малым зазором и сильным магнитом.

В справочных данных на динамические головки часто указывается среднее стандартное звуковое давление (отдача). Оно измеряется на расстоянии 1 м при подведении электрической мощности 100 мВт и колеблется, для большинства типов громкоговорителей, в пределах от 0,1 до 0,4 Па. Имеются сообщения о головках, отдающих до 0,6 Па. Любопытно сосчитать, какая электрическая мощность нужна при этом для получения громкости звука 60 дБ. Результаты приведены в табл. 3.2.

Наглядно видно даже по этой небольшой подборке, что для наших целей нужны громкоговорители с большой отдачей, что у мощных динамиков отдача больше, а менее всего подходят малогабаритные динамики от карманных и портативных приемников. Огромное влияние на отдачу оказывает акустическое оформление динамика.

Таблица 3.2 Отдача широко распространенных громкоговорителей

Тип громкоговорителя	Отдача, Па	Требуемая мощность сигнала ЗЧ для громкости 60 дБ, мВт
0.025ГД-2	0,075	3,6
0.05ГД-1	0,15	1,8
1ГД-5, 1ГД-28, 1ГД-36, 2ГД-7	0,2	1,0
1ГД-4, ЗГД-1.4ГД-4, 4ГД-5	0,3	0,45
5ГД-1.6ГД-1 РРЗ, 6ГД-3	0,4	0,25
8ГД-1 РРЗ	0,45	0,2

Высококачественные акустические системы с обилием поглощающего материала имеют отдачу от 0,08 Па (25АС-16, 25АС-416) до 0,11 Па (35АС-2), следовательно, малопригодны.

Для импортных акустических систем часто указывают чувствительность — уровень громкости на расстоянии 1 м при подведении электрической мощности в 1 Вт. Она обычно колеблется от 87 до 92 дБ. Если мы на сколько-то децибел снизим громкость звука, то на столько же децибел уменьшится и требуемая электрическая мощность. Очень легко сосчитать, что для получения нужной нам громкости 60 дБ требуемая мощность сигнала 34 должна составить на 27-32 дБ меньше, то есть от 2 мВт до 0,63 мВт.

Больший КПД и соответственно раза в три большую отдачу имеют рупорные громкоговорители, во-первых, за счет лучшего согласования электромеханической системы со средой и, во-вторых, за счет некоторой направленности излучения. Это подтверждает и радиолюбительский опыт, начиная с 20-х гг., когда в журналах было немало сообщений о том, что наушник, помещенный в стакан или на дно кастрюльки, звучит громче, и описаний всевозможных рупоров из бумаги, картона и фанеры, до наших дней, когда (весьма редко) еще появляются описания очень удачных конструкций АС с большой отдачей.

Рупорная акустическая система с фазоинвертором, свернутым в «подкову», по утверждению изобретателей и разработчиков, обеспечила с громкоговорителем 6ГД-1 КПД около 2,3%, а на низких частотах даже до 3,4%. Поскольку для получения громкости звука 60 дБ надо излучать 12,6 мкВт акустической мощности, эта система потребует для своей работы с такой громкостью 12,6 / 3,4% = 0,56 мВт.

Думается, что авторы несколько занизили КПД своей АС, поскольку головка 6ГД-1 при стандартных акустических измерениях на большом экране требует несколько меньшей мощности и, следовательно, обладает большим КПД.

Итак, мы установили, что с высокочувствительной АС, например с восьмиваттным динамиком Рижского радиозавода 8ГД-1 РРЗ в корпусе большого объема, нам достаточно мощности сигнала ЗЧ около 0,2 мВт, а с плохой, например с маленьким динамиком от карманного приемника в пластмассовой коробочке, и 3 мВт будет недостаточно. Согласитесь, разница существенная.

Что такое звук и как его создать?

На этом уроке мы поговорим о природе звука и его источниках. Узнаем, как происходит распространение звука. Познакомимся с основными характеристиками звука. А также узнаем, от чего зависит скорость звука и как её можно определить.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Что такое звук и как его создать?»

Особенно важное место в жизни человека среди всех типов механических волн занимают звуковые волны (или просто звуки). Эти волны окружают нас с первых дней жизни. Они позволяют нам общаться между собой, выражать эмоции и наслаждаться музыкой. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен. Однако мы достаточно легко ориентируемся в нём и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

— Так что же такое звук?

Звук — это упругие колебания, распространяющиеся в какой-либо среде и способные вызывать у человека слуховые ощущения.

Проведя много опытов, было установлено, что любые тела, которые издают звуки, совершают колебательные движения.

— А как возникает звук?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим такой источник звука, как камертон. Этот инструмент был изобретён в начале XVIII века англичанином Джоном Шором, чтобы настраивать музыкальные инструменты.

Когда по камертону ударяют молоточком, его ветви начинают совершать частые колебания (незаметные для глаз), и мы слышим чистый музыкальный звук. Последний возникает из-за того, что ветви камертона создают попеременно сжатие и разрежение в прилегающей к ним области воздуха. Так образуется продольная волна, которая распространяется в воздухе.

Достигнув нашего уха, эта волна через слуховой проход доходит до барабанной перепонки, которая, под действием волны, начинает вибрировать. В барабанной полости расположены три слуховые косточки — молоточек, наковальня и, самая маленькая косточка нашего организма, стремечко. Колебания барабанной перепонки передаются слуховым косточкам: сначала молоточку, затем наковальне и, наконец, стремечку.

Далее колебания передаются во внутреннее ухо. Оно напоминает лабиринт, состоящий из трёх частей: преддверия, улитки и полукружных каналов органа равновесия. В улитке находится перепонка, на которой расположены 23 500 мельчайших волокон, которые проводят слуховое раздражение к коре головного мозга. И, вуаля, мы слышим звук.

Так как звуковые волны являются продольными волнами, то они могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах.

— А возможно ли тогда распространение звука в вакууме?

Вопрос очень интересный. И впервые на него удалось ответить англичанину Роберту Бойлю в 1660 году. Рассмотрим современный вариант его опыта. Для этого возьмём заведённый механический будильник и помесим его под колокол вакуумного насоса. Пока под колоколом есть воздух мы достаточно отчётливо можем слышать звук работающего будильника. Однако стоит начать откачивать воздух из-под колокола, звук будильника начнёт уменьшаться, пока совсем не исчезнет.

— Почему так происходит?

Дело в том, что в созданном нами вакууме практически нет молекул. Поэтому колебания и не могут распространяться. Но если мы впустим под колокол насоса воздух, то вновь услышим звон. Этот опыт Бойля показал, что для распространения звука необходима среда. Среда, отделяющая нас от колеблющихся тел, — это обычно воздух. Но из жизненного опыта вы знаете, что звуки могут так же распространяться в жидкостях и твёрдых телах.

Так, например, находясь под водой мы, например, будем хорошо слышать звук проплывающего вдалеке катера. А распространение звука в твёрдом теле можно показать на таком опыте. Возьмём деревянную дощечку и наручные механические часы. Теперь, если часы закрепить на одном конце доски, а ко второму приложить ухо, то можно ясно услышать тиканье.

Ещё в глубокой древности люди знали, что источниками звуков могут быть не только твёрдые тела, но и жидкости, и даже газы. Кто из вас слышал, как «поёт» вода в быстрых реках? А колебаниями масс воздуха обусловлены свист ветра, шелест листьев и раскаты грома.

— То есть любое колеблющееся тело способно создавать звук?

Не совсем так. Вот у нас есть нитяной маятник, совершающий колебания. Кто-нибудь слышит его звук?

Вот и мы не слышим. А всё потому, что наше ухо способно воспринимать только акустические звуки, то есть колебания, частота которых находится в пределах от 16 Гц до 20 кГц.

Если частота звуковых колебаний составляет менее 16 Гц, то их называют инфразвуком. Такие звуки могут воспринимать некоторые рыбы и медузы.

А вот колебания с частотой более 20 кГц называют ультразвуком. Их воспринимают многие животные, в том числе кошки, собаки, летучие мыши и дельфины.

Ультразвуковые волны широко используются людьми. Например, ультразвуковое исследование применяется для изучения анатомии и мониторинга внутриутробного развития плода.

А для определения глубины водоёма или поиска косяков рыбы используются эхолоты. Это такие приборы, которые излучают ультразвуковые волны и принимают их после отражения. Принцип их работы такой: излучатель даёт короткий сигнал, который дойдя до дна или косяка рыбы отражается и возвращаются на приёмник. Зная время прохождения сигнала туда и обратно, а также его скорость, легко вычислить глубину водоёма. Описанный метод называется эхолокацией.

Окружающие нас с вами звуки очень разнообразны. И чтобы их как-то характеризовать, люди используют такие понятия, как громкость, высота и тембр звука.

Для начала выясним, от какой характеристики зависит громкость звука. Для этого проведём небольшой опыт. Возьмём два одинаковых камертона и ударим по ним молоточками с разной силой. Чем сильнее мы ударим молоточком по камертону, тем громче будет звук, который мы слышим.

А если к звучащим камертонам поднести лёгкие шарики, то можно увидеть, что чем громче звучит камертон, тем с большей амплитудой колеблется шарик.

Это указывает на то, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Единицу громкости звука в СИ называют сон (от латинского «сонус» — звук). Но в практических задачах чаще используется другая, внесистемная единица уровня громкости — бел или децибел. Своё название эта единица получила в честь шотландского изобретателя телефона Александра Белла.

Если источник звука совершает гармонические колебания (как, например, камертон), то звук принято называть музыкальным или чистым тоном.

Вы, наверное, догадались, что большинство звучащих тел создают целый набор звуковых частот. Поэтому для их описания используют ряд терминов. Так, например, основным тоном называется звук наименьшей частоты, издаваемый звучащим телом.

А звуки, частота которых выше, чем у основного тона, называют обертонами.

Интересно, что частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона. Поэтому их ещё называют высшими гармоническими тонами.

Вам наверняка уже известно, что основной тон голоса человека определяется голосовыми связками: чем они тоньше и короче, тем больше частота колебаний и выше голос. Но неповторимость и красоту голоса создают обертоны, которые возникают при колебаниях не только связок, но и губ, языка.

Если колебания источника звука не являются гармоническими, то на слух звук приобретает ещё одно качество — специфический оттенок, который называется тембром. Именно он определяет неповторимость звуков человеческих голосов и различных музыкальных инструментов. По различному тембру мы легко распознаем голос человека, звучание струн гитары или пианино, даже если бы все эти звуки имели одну и туже громкость и высоту.

Высота звука определяется частотой основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук. Поэтому, когда мы сравниваем голоса, мы говорим о «басе», «теноре» или «альте».

В начале урока вы могли заметить, что звук в пространстве передаётся от источника не мгновенно. То есть звуковые волны, так же, как и механические, характеризуются скоростью распространения. Именно этим объясняется то, что во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через некоторое время до нас доносятся раскаты грома. Но гром и молния происходят практически в один и тот же момент времени. А запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе существенно меньше скорости света (примерно в 860 000 раз).

Кстати, впервые измерить скорость звука в воздухе попытались ещё в начале XVII века. Так, например, английский философ Фрэнсис Бэкон в своём научном сочинении «Новый Органон» предложил определять скорость звука путём сравнения времени, между вспышкой света и звуком выстрела.

Эту идею поддержал французский физик Марэн Мерсэнн. В 1636 году он именно так попробовал определить скорость звука в воздухе. Стреляя из пушки, он измерял время, прошедшее между моментами, когда замечал вспышку, и моментом, когда до него доносился отзвук выстрела.

В результате эксперимента учёный получил скорость звука, равную 450 м/с, ошибившись более чем на 100 м/с.

А впервые измерить скорость звука в воде попытался 1827 году швейцарец Жан-Даниэль Колладон на Женевском озере. На одной лодке друг учёного Шарль-Франсуа Штурм поджигал порох и одновременно ударял в подводный колокол. На другой лодке, которая находилась примерно в 16 километрах от первой, Колладон отмечал время наблюдения вспышки света и время улавливания звука с помощью погружённого в воду рупора.

По разности времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала учёный смог примерно определить скорость звука в воде.

Конечно же скорость звука зависит от того, в какой среде он распространяется. Как показали различные измерения, скорость звука в твёрдых телах в большинстве случаев больше скорости звука в жидкостях. А скорость звука в жидкостях, больше, чем в газах.

Благодаря тому, что твёрдые тела хорошо проводят звук, люди с нарушениями слуха могут научиться играть на музыкальных инструментах и танцевать. Вибрация пола или корпуса музыкального инструмента позволяет таким людям распознавать музыкальные такты и даже ноты.

— А теперь давайте подумаем, что произойдёт, если на пути звуковой волны поставить препятствие?

Чтобы подтвердить или опровергнуть ваши предположения давайте проведём небольшой опыт. Возьмём в качестве источника звука громкоговоритель. А приёмникам у нас будет служить микрофон, соединённый с осциллографом — прибором, позволяющим регистрировать звук.

Поставим громкоговоритель и микрофон на расстоянии около метра под некоторым углом друг к другу. Включим источник звука. Микрофон никак не реагирует. Давайте теперь на пути звуковой волны поставим препятствие. При некотором его положении осциллограф покажет, что звук попадает в микрофон. Этот процесс называют отражением звука.

— А можем ли мы услышать эту отражённую звуковую волну?

Оказывается, можем. Давайте послушаем одну древнюю легенду об этом физическом явлении.

В лесах Древней Греции на красивейших берегах прозрачных и холодных ручьёв жила прекрасная нимфа по имени Эхо. Но провинилась нимфа перед Герой — женой всесильного Зевса, молчать должна была она. А отвечать на вопросы нимфа могла, лишь повторяя последние слова.

И вот однажды в этих краях заблудился прекрасный юноша по имени Нарцисс — сын речного бога Кефиса и нимфы Лаврионы. Нарцисс, не зная, куда ему идти, громко крикнул:

— Эй, есть кто-нибудь здесь?

— Здесь. — громко ответила ему Эхо.

— Иди сюда! — крикнул Нарцисс.

— Сюда. — повторила Эхо.

Посмотрев по сторонам и никого не увидев, Нарцисс вновь громко крикнул:

И радостно откликнулась Эхо:

Спешит прекрасная нимфа к Нарциссу из леса. Но гневно оттолкнул её юноша. Никого не любил он, кроме себя. И лишь себя считал достойным любви. Обиделась и спряталась в лесной чаще отвергнутая нимфа. До сих пор страдает она от любви к Нарциссу. Никому не показывается и только печально отзывается на всякий возглас.

Неправда ли — красивая легенда о таком всем хорошо знакомом явлении, как эхо.

Звук

Звук[1]

Звук — некая физическая величина волновых колебаний и/или вибраций, производимая и распространяемая в относительно плотной среде и/или в неком пространстве, воздействующая и воспринимаемая — в различной степени чёткости и/или силы, всеми живыми и неживыми природными формами; в широком научном толковании слова, — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие, в ней, механические колебания; в узком смысле слова, — субъективное восприятие колебаний специальными парными органами чувств человека, как и множества животных — ушами (некоторые представители животного мира, воспринимают звуковые колебания кожным покровом или всем телом — не имея обособленных слуховых органов чувств, как высокого-организованные в социальном плане животные). Наиболее часто «звук» рассматривается в форме неких проявлений в воздухе, однако аналогичные колебания в жидкостях и твёрдых телах, также — именуются «звуком».

1 Во множественности понятий
2 Этимология
3 Понятие о звуке

4 Восприятие звука

4.1 Восприятие звука в воде и через твёрдые среды

5.1 Скорость звука
5.2 Продольные и поперечные волны
5.3 Свойства звуковой волны и особенности
5.4 Колебательные характеристики звука

Во множественности понятий [ править | править код ]

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой колебаний. Считается, что человек слышит звуки в частотном диапазоне от 16 Гц до 25 000 Гц.

Диапазон звуков:

ниже восприятия человеком, именуется — инфразвук;
выше восприятия человеком — до 1 ГГц, именуется — ультразвук;
от 1 ГГц до 10 ТГц, именуются — гиперзвук.

Ультразвук и возраст [5]

Среди слышимых звуков следует также выделить фонетичиские, речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь, и музыкальные звуки, из которых состоит музыка. Некоторые представители животного мира могут различать и издавать звуковые частоты ниже или выше пределов восприятия и осознания их естественными органами чувств человека.

Этимология [ править | править код ]

Этимологический словарь русского языка М.Фасмера [6] сообщает

— русское слово происходит от праслав. , от кот. в числе прочего произошли: русск.-церк.-слав. звѹкъ (др.-греч. ἦχος), русск., укр. звук, чешск., словацк. zvuk, в.-луж., н.-луж. zuk. Вероятно, из *zvǫkъ; ср. с другой ступенью чередования *zvęk- в звя́кать (см.), сербск.-церк.-слав. звѧкъ (ἠχος, φωνή), сербохорв. зве̑к (род. зве̏ка) «звон», польск. dźwięk «звук» (со звукоподражательным dz). Далее ср. звон, звенеть.

Понятие о звуке [ править | править код ]

Создание звука при вибрации мембраны барабана

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Восприятие звука [ править | править код ]

Ухо человека

‎Для людей слышимость обычно ограничивается частотами примерно от 12 Гц до 20 000 Гц . [7] Однако эти пределы точно не определенны. Верхний предел, вообще уменьшается с возрастом. Другие разновидности восприятия имеют различный диапазон слушания. Например, собаки могут чувствовать колебания выше чем 20 кГц. Как сигнал, воспринятый одними из главных чувств, звук используется в виде многих разновидностей для разных целей: чтобы обнаружить опасность при навигации, при нахождении хищников, для коммуникаций. Атмосфера земли, вода, и фактически любое физическое явление, типа огня, дождь, ветер, прибой, или землетрясение, производят (и характеризуют), его уникальные звуки. Много разновидностей, типа лягушек, птицы, морские и земные млекопитающие, также снабжены специальными органами, чтобы производить звук.

Люди используют звук во время разговоров, пения. Кроме того, люди развили культуру и технологию (типа музыки, телефонии и радио), которая позволяет им производить, сделать запись, передавать звук.

Восприятие звука в воде и через твёрдые среды [ править | править код ]

Человек достаточно хорошо слышит в воде, наиболее хорошо проходят высокочастотная составляющая звука.

Характер звуковых изменений [ править | править код ]

Один и тот же, произносимый или издаваемый и воспринимаемый — звук, неодинаков и изменяется по различным — внутренним и внешним причинам в зависимости:

от самочувствия или психофизиологического состояния произносящего и слушающего;

в покое;

при восклицании;

в радости;
при испуге и/или в ужасе;

от хрипоты;
от сиплости в голосе;

от времени суток;
от температуры;
от влажности;
от размеров пространства;

от окружения;

от наличия внутренних препятствий в обстановке пространства;

от количества внутренних объектов и/или субъектов;

от структуры отражающих поверхностей;

Скорость звука [ править | править код ]

Американский самолёт, F/A-18 в момент преодоления звукового барьера . [8]

В зависимости от распространения или прохождения звуковой волны в той или иной среде, скорость её сильно меняется и часто является характеристикой основного показателя рассматриваемого материала:

в газах — скорость звука меньше, чем в жидкостях;

в воздухе — при нормальных условиях, скорость звука составляет 331.46 м/с (1193 км/ч);

в воде — скорость звука составляет 1485 м/с;

Продольные и поперечные волны [ править | править код ]

‎Звук, переданный через газы, плазму, и жидкости в качестве продольных волн, вызывается волнами сжатия. Через твёрдые частицы это может быть передано в виде продольных и поперечных волн. Продольные звуковые волны — волны переменных отклонений давления от давления равновесия, вызывая местные области сжатия и разреженности, в то время как поперечные волны (в твердых частицах) — волны переменного напряжения, появляющиеся в случае бокового напряжения смещения под правильным углом к направлению распространения.

Вопрос в какой среде периодически перемещается звуковая волна, и каким образом колеблется. Энергия, которую несет звуковая волна преобразовывает назад и вперёд между потенциальной энергией дополнительного сжатия (в случае продольных волн) или бокового напряжения смещения (в случае поперечных волн) зависит от кинетической энергии колебаний среды.

Свойства звуковой волны и особенности [ править | править код ]

Основные уравнения
Уравнение непрерывности · Уравнение Эйлера · Уравнения Навье — Стокса · Уравнение диффузии · Закон Гука

Известные учёные
Ньютон · Гук Бернулли · Эйлер · Коши · Стокс · Навье

Звуковые волны характеризуются главными свойствами:

частота,
длина волны,
период,
амплитуда,
интенсивность,
скорость,
вектор волны (направление).

Поперечные волны, также известные как волны сечения, имеют дополнительную собственность поляризации.

Звуковые особенности могут зависеть от типа звуковых волн (продольный против поперечной) так же как от особенностей физических свойств среды передачи[цитата, необходимая].

Колебательные характеристики звука [ править | править код ]

Синусоидальные волны различных частот; донные волны имеют более высокие частоты, чем вышерасположенные. Горизонтальная ось представляет время.

Колебательная скорость измеряется в м/с или см/с.

В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент  и добротность (Q). Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через , то

S = 1/. Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания :  = T/

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы. При частотах воздействия, значительно меньших резонансных, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды  на скорость © распространения в ней ультразвуковых волн. Z = •c Удельное акустическое сопротивление измеряется в Па•с/м (см) или дин•с/см3 (СГС); 1 Па•с/м = 10‒1 дин • с/см3. Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г/с•см2, причём 1 г/с•см2 = 1 дин•с/см3. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн. Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц: P = 2fcA. где Р — максимальное акустическое давление (амплитуда давления); f — частота; с — скорость распространения ультразвука;  — плотность среды; А — амплитуда колебания частиц среды. На расстоянии в половину длины волны (/2) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на /2 пути распространения волны, равна 2Р. Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/м2). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см2; 1 дин/см2 = 10‒1Па = 10‒1Н/м2. Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98o106 дин/см2 = 0,98o105 Н/м2. Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 106 дин/см2. Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак. Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением: a = 2A = (2f)2 A Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях — ультразвуковых весах.

Звуковой уровень давления [ править | править код ]

Основная статья: Звуковое давление

Звуковое давление определено как различие между средним местным давлением средней внешней стороны звуковой волны, в которой это происходит через (в данном пункте и данном времени) и давлением, найденном в пределах звуковой волны непосредственно в пределах той же самой среды. Квадрат этого различия (то есть квадрат отклонения от давления равновесия) обычно усредняется в течение долгого времени и/или место, и квадратный корень такого среднего числа применён, чтобы получить среднюю квадратную (Среднеквадратическую) ценность корня.

Поскольку человеческое ухо может обнаружить звуки с очень широким диапазоном амплитуд, звуковое давление часто измеряется как уровень в логарифмическом масштабе децибела. Звуковой уровень давления (ЗУД) или Lp определен как: L p = 10 log 10 ⁡ ( p 2 p ref 2 ) = 20 log 10 ⁡ ( p p ref ) dB L_\mathrm

=10\, \log_\left(\frac^2><>^2>\right) =20\, \log_\left(\frac

>\right)\mbox < dB>где:

p — среднеквадратичное звуковое давление,
p ref p_\mathrm — давлением звука ссылки.

Обычно используемые давления звука ссылки, определенные в американском стандарте American National Standards Institute ANSI S1.1‒1994, являются 20 МПа в воздухе и 1 МПа в воде. Без указанного давления звука ссылки, ценность, выраженная в децибелах не может представить звуковой уровень давления. Так как человеческое ухо не имеет плоского спектрального ответа, звуковые давления — часто взвешенная частота так, чтобы взвешенный уровень соответствовал воспринятым уровням более близко. Международная Электротехническая Комиссия (Международная Электротехническая Комиссия) определила несколько схем надбавки. A—надбавка пытается соответствовать ответу человеческого уха к шуму, и взвешенные звуковые уровни давления помечены dBA. C—надбавка используется, чтобы измерить пиковые уровни.