Что такое звук. Как возникает звук.

Звуковые волны переносят энергию, которая, как всякая энергия, может использоваться человеком. Огромный диапазон выразительных средств, которым обладают речь и музыка, делает звук высокоэффективным средством связи. Ультразвук (звук высокой частоты, не воспринимаемый человеком) дает возможность летучим мышам, дельфинам и китам ориентироваться в пространстве. Однако даже самый громкий звук несет очень небольшую энергию. Играющий во всю мощь симфонический оркестр производит звуковую энергию, эквивалентную световой и тепловой энергии маломощной электрической лампочки.

Как возникает звук. Энергия звука-это одна из форм кинетической энергии, возникающей при колебаниях любого тела. Причиной всех звуков является вибрация, хотя обычно это незаметно. Источником звука, сопровождающего автомобильные катастрофы, служат поверхности столкнувшихся автомобилей, которые начинают колебаться под действием удара; музыка звучит из радиоприемника благодаря колебаниям мембраны громкоговорителя; речь и пение обусловлены колебаниями голосовых связок.

Колеблющееся тело заставляет колебаться ближайшие молекулы воздуха. Колебания распространяются в воздухе, образуя звуковую волну, однако сам воздух не движется вместе с волной. Там, где молекулы воздуха собираются вместе, возникает область высокого давления (сжатие), а там, где они разбегаются,-область низкого давления (разрежение). Чередование областей сжатия и разрежения распространяется в воздухе в виде звуковой волны. Достигая нашего уха, она заставляет колебаться барабанную перепонку, и мы слышим звук.

Чем сильнее колебания, тем больше разность давлений и тем громче звук. Частота колебаний определяет высоту звука, или тон. Если колебания следуют быстрее, области сжатия и разрежения в волне сближаются-тон звука повышается. Медленное чередование колебаний соответствует низкому по гону звуку.

Звуковая волна распространяется во всех направлениях от источника со скоростью 331 м/с, или 1194 км/ч (в воздухе на уровне моря). На больших высотах скорость звука меньше, поскольку плотность воздуха там ниже, а в воде и металле скорость звука больше, ибо эти среды более упруги, чем воздух, и лучше проводят колебания. В вакууме звук не распространяется, так как там нет среды, по которой могли бы распространяться колебания.

Звуковая волна состоит из чередующихся областей различного давления, изображенных на рисунке (А) в виде темных и светлых полос. Приведенный здесь график показывает, как давление изменяется со временем. Эта волна имеет постоянную частоту (один тон), но изменяется по интенсивности. Волна типа Б характеризует звук, частота которого постепенно увеличивается, а интенсивность остается неизменной.

Как и другие волны, несущие энергию, звук распространяется прямолинейно, но может частично огибать препятствия. Встречая на своем пути поверхности, скажем стены или пол, звук отражается от них; когда же звук проходит через отверстие, например окно, он дифрагирует, т.е. отклоняется от прямого пути.

Громкость, высота и частота. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Строго говоря, прибор, используемый для этой цели, измеряет интенсивность звука, связанную с давлением звуковой волны. Шкала интенсивностей логарифмическая-усиление звука на 10 дБ соответствует десятикратному увеличению интенсивности. Громкость звука пропорциональна кубическому корню из интенсивности, так что увеличение интенсивности на 10 дБ соответствует усилению громкости примерно в два раза. Наше ухо воспринимает не все частоты звука одинаково, и низкий звук кажется нам менее громким, чем высокий звук той же интенсивности.

Число сжатий в секунду определяет частоту звука, которая измеряется в герцах (Гц): 1 Гц соответствует 1 колебанию в секунду. Шкала частот не является логарифмической, и тон в 440 Гц («ля» первой октавы) звучит в два раза выше (как говорят, октавой выше), чем тон в 220 Гц. Другими словами, чем больше частота, тем выше звук.

Диапазон звуков, различаемых человеком и животными, весьма широк. Птицы и человек имеют очень сходный диапазон восприятия звуков. И те и другие пользуются звуками для общения. Летучие мыши и дельфины чувствительны к ультразвуку, что позволяет им обходить препятствия и находить свою добычу посредством звуколокации. Есть серьезные основания полагать, что дельфины и другие китообразные общаются при помощи ультразвука. Ультразвук помогает ночным бабочкам ускользать от хищников. Москиты слышат звуки в довольно узком диапазоне, что соответствует их образу жизни. Диапазон звуков, воспринимаемых рыбами, также предельно мал.

Шум и акустика. Шум не имеет определенного тона и перекрывает широкий диапазон частот. Очень громкий шум опасен, поскольку продолжительное воздействие звука громкостью выше 100 дБ (уровень шума реактивного самолета и многих заводских механизмов) приводит к необратимому ухудшению слуха. При этом звуки низкой частоты особенно коварны, так как они кажутся менее громкими, чем высокие звуки. Эксперименты показывают, что низкочастотные звуки и инфразвуки (звук ниже диапазона восприятия человеческого уха) высокой интенсивности вызывают головокружение, тошноту и другие физиологические эффекты.

Галерея шепотов под куполом Собора св. Павла в Лондоне знаменита своей акустикой. Если вы, повернувшись к стене, что-нибудь прошепчете на одной стороне галереи, то звук будет отчетливо слышен на другой ее стороне. Стены галереи имеют круглую форму и сделаны из камня. Они отражают звук и концентрируют его на противоположной стороне, удаленной на 32,6 м. Обычно шепот на таком расстоянии не различим.

Инженеры-акустики работают над проблемами снижения шумов и повышения качества звука. При конструировании машин, например реактивных двигателей, они находят различные способы уменьшить производимый машинами шум. Здания также стремятся конструировать так, чтобы помешать прохождению шумов через металлические конструкции. Использование мягких звукопоглощающих материалов в полах, стенах й потолках предохраняет помещения от попадания звука извне и проникновения его наружу. При сооружении концертных залов строго учитывают эффекты отражения звука и добиваются такой акустики, которая обеспечивает необходимую реверберацию и другие условия для наиболее качественного воспроизведения звука. Сегодня этого, в частности, добиваются электронным усилением, однако при слишком большой громкости музыка в концертном зале теряет свою чистоту. В некоторых студиях звукозаписи стены полностью покрывают звукопоглощающим материалом, это позволяет устранить эхо и добиться полной чистоты звучания.

Шум самолетов весьма опасен, и персонал аэропорта, работающий на взлетной полосе, вынужден надевать защитные наушники. На большем расстоянии шум физиологически не опасен. Вблизи аэропорта уровень шума близок к 90 дБ - это достаточно, чтобы заглушить любой разговор, а на многие километры вокруг шум может держаться на уровне 80 дБ, как на оживленном перекрестке. При посадке самолета возникает гораздо больше проблем, чем при взлете. Приземляющийся самолет летит вблизи Земли более продолжительное время, а звук его подобен раздражающему высокочастотному вою. При взлете же самолет быстро набирает высоту, и возникающий шум воздействует на значительно меньший район. В этом случае звук скорее напоминает гром. Предполагается, что реактивные сверхзвуковые самолеты нового поколения будут иметь менее шумящие двигатели; при этом область, подверженная звуковому воздействию, сократится примерно в 10 раз.