Спів птахів, шум дощу та вітру, гуркіт грому, музика – все, що ми чуємо, ми вважаємо звуком.

З наукової точки зору звук – це фізичне явище, яке є механічні коливання, що поширюються в твердому, рідкому та газоподібному середовищі. Вони й викликають слухові відчуття.

Як з'являється звукова хвиля

Натиснути на картинку

Усі звуки поширюються як пружних хвиль. А хвилі з'являються під впливом пружних сил, що виникають, коли тіло деформують. Ці сили прагнуть повернути тіло у вихідний стан. Наприклад, натягнута струна у нерухомому стані не звучить. Але варто тільки відвести її в бік, як під дією сили пружності вона прагнутиме зайняти своє первісне становище. Вібруючи, вона стає джерелом звуку.

Джерелом звуку може бути будь-яке тіло, що коливається, наприклад, закріплена з одного боку тонка сталева пластинка, повітря в музичному духовому інструменті, голосові зв'язкилюдини, дзвіночок і т.д.

Що відбувається у повітрі у разі коливання?

Як будь-який газ, повітря має пружність. Він пручається стиску і відразу починає розширюватися, коли тиск зменшується. Будь-який тиск на нього він рівномірно передає в різні сторони.

Якщо за допомогою поршня різко стиснути повітря, то тут відразу збільшиться тиск. Воно одразу ж передасться сусіднім шарам повітря. Вони стискатимуться, і тиск у них збільшиться, а в попередньому шарі зменшиться. Так по ланцюжку зони підвищеного і зниженого тиску, що чергуються, передаються далі.

Відхиляючись в сторони по черзі, струна, що звучить, стискає повітря спочатку в одному напрямку, а потім у протилежному. У тому напрямку, куди відхилилася струна, тиск стає вищим за атмосферний на якусь величину. З протилежного бокутиск на таку ж величину зменшується, тому що повітря там розріджується. Стиснення та розрідження чергуються і поширюватимуться в різні боки, викликаючи коливання повітря. Ці коливання і називаються звуковою хвилею . А різницю між атмосферним тиском і тиском у шарі стиснення чи розрідження повітря називають акустичним, або звуковим тиском.

Натиснути на картинку

Звукова хвиля поширюється не тільки в повітрі, але і в рідкому, і в твердому середовищі. Наприклад, вода чудово проводить звук. Ми чуємо під водою удар каменю. Шум гвинтів надводного корабля вловлює акустик підводного човна. Якщо на один кінець дерев'яної дошки покласти наручний механічний годинник, то, приклавши вухо до протилежного кінця дошки, ми почуємо їх цокання.

Чи відрізнятимуться звуки у вакуумі? Англійський фізик, хімік і богослов Роберт Бойль, який жив у XVII столітті, помістив годинник у скляну посудину, з якої відкачав повітря. Тикання годинника він не почув. Це означало, що звукові хвилі у безповітряному просторі не поширюються.

Характеристики звукової хвилі

Форма звукових коливань залежить від джерела звуку. Найбільш просту формумають рівномірні, чи гармонійні коливання. Їх можна уявити у вигляді синусоїди. Такі коливання характеризуються амплітудою, довжиною хвилі та частотою поширення коливань.

Амплітуда

Амплітудою у загальному випадку називають максимальне відхиленнятіла від положення рівноваги.

Так як звукова хвиля складається з областей високого і низького тиску, що чергуються, то її часто розглядають як процес поширення коливань тиску. Тому говорять про амплітуді тиску повітря у хвилі.

Від амплітуди залежить гучність звуку. Чим вона більша, тим голосніше звук.

Кожен звук людської мови має форму коливань, властиву лише йому. Так, форма коливань звуку "а" відрізняється від форми коливань звуку "б".

Частота та період хвилі

Кількість коливань за секунду називається частотою хвилі .

f = 1/Т

де Т - Період коливань. Це проміжок часу, протягом якого відбувається одне повне коливання.

Чим більше період, тим менше частота, і навпаки.

Одиниця виміру частоти у міжнародній системі вимірів СІ – герц (Гц). 1 Гц – це одне коливання за секунду.

1 Гц = 1 с -1.

Наприклад, частота 10 Гц означає 10 коливань за 1 секунду.

1000 Гц = 1 кГц

Від частоти коливань залежить висота тону. Чим вища частота, тим вищий тон звуку.

Людське вухо здатне сприймати в повному обсязі звукові хвилі, лише ті, які мають частоту від 16 до 20 000 Гц. Саме ці хвилі вважаються звуковими. Хвилі, частота яких нижче 16 Гц, називають інфразвуковими, а понад 20 000 Гц ультразвуковими.

Людина не сприймає ні інфразвукові, ні ультразвукові хвилі. Але тварини та птахи здатні чути ультразвук. Наприклад, звичайний метелик розрізняє звуки, що мають частоту від 8000 до 160000 Гц. Діапазон, що сприймається дельфінами, ще ширший, він коливається від 40 до 200 тисяч Гц.

Довжина хвилі

Довжиною хвилі називають відстань між двома найближчими точками гармонійної хвилі, що знаходяться в однаковій фазі, наприклад, між двома гребенями. Позначається як ƛ .

За час, що дорівнює одному періоду, хвиля проходить відстань, що дорівнює її довжині.

Швидкість поширення хвилі

v = ƛ / T

Так як T = 1/f,

то v = ƛ·f

Швидкість звуку

Спроби визначити швидкість звуку з допомогою експериментів робилися ще першій половині XVII століття. Англійський філософ Френсіс Бекон у своїй роботі «Новий органон» запропонував свій спосіб вирішення цього завдання, заснований на різниці швидкостей світла та звуку.

Відомо, що швидкість світла значно вища за швидкість звуку. Тому під час грози спочатку ми бачимо спалах блискавки, а вже потім чуємо гуркіт грому. Знаючи відстань між джерелом світла та звуку та спостерігачем, а також час між спалахом світла та звуком, можна розрахувати швидкість звуку.

Ідеєю Бекона скористався французький учений Марен Марсен. Спостерігач, який знаходиться на деякій відстані від людини, яка стріляла з мушкету, зафіксував час, що минув від світлового спалаху до звуку пострілу. Потім величину відстані розділили на якийсь час і отримали швидкість звуку. За результатами експерименту швидкість дорівнювала 448 м/с. То був приблизний розрахунок.

У початку XIXстоліття група вчених Паризької академії наук повторила цей досвід. За розрахунками швидкість світла мала значення 350-390 м/с. Але ця цифра не була точною.

Теоретично швидкість світла намагався вирахувати Ньютон. В основу своїх розрахунків він поклав закон Бойля-Маріотта, який описував поведінку газу в ізотермічному процесі (за постійної температури). А так буває, коли обсяг газу змінюється дуже повільно, встигаючи віддати навколишньому середовищітепло, що у ньому.

Ньютон ж припускав, що між областями стискування та розрідження температура вирівнюється швидко. Але цих умов немає у звуковій хвилі. Повітря погано проводить тепло, а відстань між шарами стиснення та розрідження велика. Тепло із шару стиснення не встигає перейти у шар розрідження. І між ними виникає різницю температур. Тому розрахунки Ньютона виявилися невірними. Вони давали цифру 280 м/с.

Французький вчений Лаплас зумів пояснити, що помилка Ньютона полягала в тому, що звукова хвиля поширюється в повітрі. адіабатичних умовах, при температурі, що змінюється. Відповідно до розрахунків Лапласа, швидкість звуку повітря при температурі 0 про З дорівнює 331,5 м/с. Причому вона зростає зі зростанням температури. І при підвищенні температури до 20 про С вона дорівнюватиме вже 344 м/с.

У різних середовищах звукові хвилі поширюються з різною швидкістю.

Для газів та рідин швидкість звуку обчислюється за формулою:

де з -швидкість звуку,

β - адіабатична стисливість середовища,

ρ - густина.

Як видно з формули, швидкість залежить від щільності та стисливості середовища. У повітряному середовищі вона менша, ніж у рідкому. Наприклад, у воді при температурі 20 про З вона дорівнює 1484 м/с. Причому, що вища солоність води, то з більшою швидкістю у ній поширюється звук.

Вперше швидкість звуку у воді виміряли у 1827 р. Цей експеримент чимось нагадував вимір швидкості світла Мареном Марсеном. З борту одного човна у воду спустили дзвін. На відстані понад 13 км від першого човна знаходився другий. На першому човні вдаряли в дзвін і одночасно запалювали порох. На другому човні фіксували час спалаху, а потім час приходу звуку від дзвону. Розділивши відстань на якийсь час, отримали швидкість звукової хвилі у воді.

Найвищу швидкість звук має у твердому середовищі. Наприклад, у сталі вона сягає понад 5000 м/с.

Лютий 18, 2016

Світ домашніх розваг досить різноманітний і може включати: перегляд кіно на хорошій домашній кінотеатральній системі; захоплюючий та захоплюючий ігровий процесабо прослуховування музичних композицій. Як правило, кожен знаходить щось своє в цій галузі, або поєднує все одразу. Але якими б не були цілі людини з організації свого дозвілля і в яку крайність не вдарялися - всі ці ланки міцно пов'язані одним простим і зрозумілим словом - "звук". Справді, у всіх випадках нас буде вести за ручку звуковий супровід. Але питання це не таке просте і тривіальне, особливо в тих випадках, коли з'являється бажання досягти якісного звучання в приміщенні або будь-яких інших умовах. Для цього не завжди обов'язково купувати дорогі hi-fi або hi-end компоненти (хоча буде вельми доречним), а буває достатнім гарне знання фізичної теорії, яка здатна усунути більшість проблем, що виникають у всіх, хто поставив за мету отримати озвучення високої якості.

Далі буде розглянуто теорію звуку та акустики з погляду фізики. У даному випадкуя постараюся зробити це максимально доступно для розуміння будь-якої людини, яка, можливо, далека від знання фізичних законів або формул, але пристрасно мріє втіленням мрії створення досконалої акустичної системи. Я не беруся стверджувати, що для досягнення хороших результатівв цій галузі в домашніх умовах (або в автомобілі, наприклад) необхідно знати ці теорії досканально, проте розуміння основ дозволить уникнути безліч дурних і абсурдних помилок, а також дозволить досягти максимального ефектузвучання від будь-якого рівня.

Загальна теорія звуку та музична термінологія

Що ж таке звук? Це відчуття, яке сприймає слуховий орган "вухо"(саме собою явище існує і без участі «вуха» в процесі, але так простіше для розуміння), що виникає при збудженні барабанної перетинки звуковою хвилею. Вухо у разі виступає у ролі " приймача " звукових хвиль різної частоти.
Звукова хвиляж є по суті послідовний ряд ущільнень і розряджень середовища (найчастіше повітряного середовища в нормальних умовах) різної частоти. Природа звукових хвиль коливальна, викликана і вироблена вібрацією будь-яких тіл. Виникнення та поширення класичної звукової хвилі можливе у трьох пружних середовищах: газоподібних, рідких та твердих. При виникненні звукової хвилі в одному з цих типів простору неминуче виникають деякі зміни в середовищі, наприклад, зміна щільності або тиску повітря, переміщення частинок повітряних мас і т.д.

Оскільки звукова хвиля має коливальну природу, то вона має така характеристика, як частота. Частотавимірюється в герцах (на честь німецького фізика Генріха Рудольфа Герца), і позначає кількість коливань за період часу, що дорівнює одній секунді. Тобто. наприклад, частота 20 Гц позначає цикл 20 коливань за одну секунду. Від частоти звуку залежить суб'єктивне поняття його висоти. Чим більше звукових коливань відбувається за секунду, тим вище здається звучання. У звукової хвилі також є ще одна найважливіша характеристика, що має назву - довжина хвилі. Довжиною хвиліприйнято вважати відстань, яка проходить звук певної частоти за період, що дорівнює одній секунді. Наприклад, довжина хвилі найнижчого звуку в чутному діапазоні людини частотою 20 Гц становить 16,5 метрів, а довжина хвилі найвищого звуку 20000 Гц становить 1,7 сантиметра.

Людське вухо влаштоване таким чином, що здатне сприймати хвилі лише в обмеженому діапазоні, приблизно 20 Гц - 20000 Гц (залежить від особливостей конкретної людини, хтось здатний чути трохи більше, хтось менше). Таким чином, це не означає, що звуків нижче або вище за ці частоти не існує, просто людським вухом вони не сприймаються, виходячи за кордон чутного діапазону. Звук вище чутного діапазону називається ультразвуком, звук нижче чутного діапазону називається інфразвуком. Деякі тварини здатні сприймати ультра та інфра звуки, деякі навіть використовують цей діапазон для орієнтування у просторі (кажани, дельфіни). У разі, якщо звук проходить через середовище, яке безпосередньо не стикається з органом слуху людини, такий звук може бути не чуємо або сильно ослабленим згодом.

У музичній термінології звуку є такі важливі позначення, як октава, тон і обертон звуку. Октаваозначає інтервал, в якому співвідношення частот між звуками становить 1 до 2. Октава зазвичай дуже добре помітна на слух, тоді як звуки в межах цього інтервалу можуть бути дуже схожими один на одного. Октавой також можна назвати звук, який робить удвічі більше коливань, ніж інший звук, в однаковий часовий період. Наприклад, частота 800 Гц, є ні що інше, як вища октава 400 Гц, а частота 400 Гц у свою чергу є наступною октавою звуку частотою 200 Гц. Октава у свою чергу складається з тонів та обертонів. Змінні коливання в гармонійній звуковій хвилі однієї частоти сприймаються людським вухом як музичний тон. Коливання високої частоти можна інтерпретувати як звуки високого тону, коливання низької частоти як звуки низького тону. Людське вухо здатне чітко відрізняти звуки з різницею один тон (в діапазоні до 4000 Гц). Незважаючи на це, в музиці використовується дуже мало тонів. Пояснюється це з міркувань принципу гармонійної співзвучності, все ґрунтується на принципі октав.

Розглянемо теорію музичних тонів з прикладу струни, натягнутої певним чином. Така струна, залежно від сили натягу, матиме налаштування на якусь одну конкретну частоту. При дії на цю струну чимось із однією певною силою, що викличе її коливання, стабільно спостерігатиметься якийсь один певний тон звуку, ми почуємо шукану частоту налаштування. Цей звук називається головним тоном. За основний тон у музичній сфері офіційно прийнято частоту ноти "ля" першої октави, що дорівнює 440 Гц. Однак більшість музичних інструментів ніколи не відтворюють одні чисті основні тони, їх неминуче супроводжують призвуки, іменовані обертонами. Тут варто згадати важливе визначення музичної акустики, поняття тембру звуку. Тембр- це особливість музичних звуків, які надають музичним інструментам та голосам їх неповторну впізнавану специфіку звучання, навіть якщо порівнювати звуки однакової висоти та гучності. Тембр кожного музичного інструменту залежить від розподілу звукової енергії обертонами в момент появи звуку.

Обертони формують специфічне забарвлення основного тону, яким ми легко можемо визначити й дізнатися конкретний інструмент, а як і чітко відрізнити його звучання від іншого інструмента. Обертони бувають двох типів: гармонійні та негармонічні. Гармонічні обертониза визначенням кратні частоті основного тону. Навпаки, якщо обертони не кратні і помітно відхиляються від величин, вони називаються негармонічними. У музиці практично виключається оперування некратними обертонами, тому термін зводиться до поняття "обертон", маючи на увазі гармонічний. У деяких інструментів, наприклад, фортепіано, основний тон навіть не встигає сформуватися, за короткий проміжок відбувається наростання звукової енергії обертонів, а потім так само стрімко відбувається спад. Багато інструментів створюють так званий ефект "перехідного тону", коли енергія певних обертонів максимальна в певний момент часу, зазвичай на самому початку, але потім різко змінюється і переходить до інших обертонів. Частотний діапазон кожного інструменту можна розглянути окремо, і він зазвичай обмежується частотами основних тонів, який здатний відтворювати цей конкретний інструмент.

Теоретично звуку також є таке поняття як ШУМ. Шум- це будь-який звук, який створюється сукупністю неузгоджених між собою джерел. Всім добре знайомий шум листя дерев, колихається вітром і т.д.

Від чого залежить гучність звуку?Очевидно, що подібне явище безпосередньо залежить від кількості енергії, що переноситься звуковою хвилею. Для визначення кількісних показників гучності існує поняття - інтенсивність звуку. Інтенсивність звукувизначається як потік енергії, що пройшов через якусь площу простору (наприклад, см2) за одиницю часу (наприклад, за секунду). При звичайній розмові інтенсивність становить приблизно 9 або 10 Вт/см2. Людське вухо здатне сприймати звуки достатньо широкого діапазонучутливість, при цьому сприйнятливість частот неоднорідна в межах звукового спектру. Так найкраще сприймається діапазон частот 1000 Гц - 4000 Гц, який найбільш широко охоплює людську мову.

Оскільки звуки настільки сильно різняться за інтенсивністю, зручніше розглядати її як логарифмічну величину та вимірювати в децибелах (на честь шотландського вченого Олександра Грема Белла). Нижній поріг слухової чутливості людського вухастановить 0 Дб, верхній 120 Дб, він ще називається " больовий поріг". Верхня межачутливість так само сприймається людським вухом не однаково, а залежить від конкретної частоти. Звуки низьких частот повинні мати набагато більшу інтенсивність, ніж високі, щоб викликати больовий поріг. Наприклад, больовий поріг на низькій частоті 31,5 Гц настає при рівні сили звуку 135 дБ, коли на частоті 2000 Гц відчуття болю з'явиться вже при 112 дБ. Є також поняття звукового тиску, яке фактично розширює звичне пояснення поширення звукової хвилі повітря. Звуковий тиск- це змінний надлишковий тиск, що виникає в пружному середовищі в результаті проходження через неї звукової хвилі.

Хвильова природа звуку

Щоб краще зрозуміти систему виникнення звукової хвилі, уявімо класичний динамік, що знаходиться в трубі, наповненій повітрям. Якщо динамік здійснить різке рух уперед, повітря, що у безпосередній близькості дифузора на мить стискається. Після цього повітря розшириться, штовхаючи тим самим стисну повітряну область вздовж труби.
Ось цей хвильовий рух і буде згодом звуком, коли досягне слухового органуі "порушить" барабанну перетинку. У разі звукової хвилі у газі створюється надлишковий тиск, надлишкова щільність і відбувається переміщення частинок з постійною швидкістю. Про звукові хвилі важливо пам'ятати те, що речовина не переміщається разом із звуковий хвилею, а виникає лише тимчасове обурення повітряних мас.

Якщо уявити поршень, підвішений у вільному просторіна пружині і здійснює повторювані рухи "вперед-назад", то такі коливання будуть називатися гармонійними або синусоїдальними (якщо уявити хвилю у вигляді графіка, то отримаємо в цьому випадку чисту синусоїду з спадами і підйомами, що повторюються). Якщо уявити динамік в трубі (як і в прикладі, описаному вище), що здійснює гармонічні коливання, то в момент руху динаміка "вперед" виходить відомий ефект стиснення повітря, а при русі динаміка "назад" зворотний ефект розрядження. У цьому випадку по трубі буде поширюватися хвиля стиснень і розріджень, що чергуються. Відстань уздовж труби між сусідніми максимумами або мінімумами (фазами) називатиметься довжиною хвилі. Якщо частки коливаються паралельно до напряму поширення хвилі, то хвиля називається поздовжній. Якщо ж вони коливаються перпендикулярно до напряму поширення, то хвиля називається поперечної. Зазвичай звукові хвилі в газах і рідинах - поздовжні, у твердих тілах можливе виникнення хвиль обох типів. Поперечні хвилі в твердих тілахвиникають завдяки опору зміну форми. Основна різниця між цими двома типами хвиль полягає в тому, що поперечна хвиля має властивість поляризації (коливання відбуваються у певній площині), а поздовжня – ні.

Швидкість звуку

Швидкість звуку безпосередньо залежить від характеристик середовища, в якому він поширюється. Вона визначається (залежна) двома властивостями середовища: пружністю та щільністю матеріалу. Швидкість звуку в твердих тілах безпосередньо залежить від типу матеріалу та його властивостей. Швидкість у газових середовищах залежить лише від одного типу деформації середовища: стиснення-розрідження. Зміна тиску в звуковій хвилі відбувається без теплообміну з навколишніми частинками і зветься адіабатичним.
Швидкість звуку в газі залежить в основному від температури - зростає у разі підвищення температури і падає при зниженні. Так само швидкість звуку в газоподібному середовищі залежить від розмірів і маси самих молекул газу, - чим маса і розмір частинок менше, тим "провідність" хвилі більша і більша відповідно до швидкості.

У рідкому та твердому середовищах принцип поширення та швидкість звуку аналогічні тому, як хвиля поширюється в повітрі: шляхом стиснення-розрядження. Але в цих середовищах, крім тієї ж залежності від температури, досить важливе значення має щільність середовища та її склад/структура. Чим менша щільність речовини, тим швидкість звуку вища і навпаки. Залежність від складу середовища складніше і визначається у кожному конкретному випадку з урахуванням розташування та взаємодії молекул/атомів.

Швидкість звуку повітря при t, °C 20: 343 м/с
Швидкість звуку у дистильованій воді при t, °C 20: 1481 м/с
Швидкість звуку сталі при t, °C 20: 5000 м/с

Стоячі хвилі та інтерференція

Коли динамік створює звукові хвилі в обмеженому просторі, неминуче виникає ефект відображення хвиль від кордонів. В результаті цього найчастіше виникає ефект інтерференції- коли дві чи більше звукових хвиль накладаються друг на друга. Особливими випадками явища інтерференції є утворення: 1) биття хвиль або 2) стоячих хвиль. Биття хвиль- це випадок, коли відбувається складання хвиль з близькими частотами та амплітудою. Картина виникнення биття: коли дві схожі за частотою хвилі накладаються одна на одну. У якийсь момент часу при такому накладенні амплітудні піки можуть збігатися "по фазі", а також можуть збігатися і спади по "протифазі". Саме так і характеризуються биття звуку. Важливо пам'ятати, що на відміну стоячих хвиль, фазові збіги піків відбуваються не завжди, а через якісь тимчасові проміжки. На слух така картина биття відрізняється досить чітко, і чується як періодичне наростання і зменшення гучності відповідно. Механізм виникнення цього ефекту гранично простий: у момент збігу піків гучність наростає, у момент збігу спадів гучність зменшується.

Стоячі хвилівиникають у разі накладання двох хвиль однакової амлітуди, фази та частоти, коли при "зустрічі" таких хвиль одна рухається у прямому, а інша – у зворотному напрямку. У ділянці простору (де утворилася стояча хвиля) виникає картина накладання двох частотних амплітуд, з чергуванням максимумів (т.зв. пучностей) і мінімумів (т.зв. вузлів). У разі цього явища вкрай важливе значення має частота, фаза і коефіцієнт згасання хвилі у місці відбиття. На відміну від хвиль, що біжать, у стоячій хвилі відсутня перенесення енергії внаслідок того, що утворюють цю хвилю пряма і зворотна хвилі переносять енергію в рівних кількостях і в прямому і в протилежному напрямках. Для наочного розуміння виникнення стоячої хвилі, представимо приклад із домашньої акустики. Припустимо, у нас є акустичні системи підлоги в деякому обмеженому просторі (кімнаті). Змусивши їх грати якусь композицію з великою кількістюбаса, спробуємо змінити розташування слухача в приміщенні. Таким чином слухач, потрапивши в зону мінімуму (віднімання) стоячої хвилі, відчує ефект того, що баса стало дуже мало, а якщо слухач потрапляє в зону максимуму (складання) частот, то виходить зворотний ефект суттєвого збільшення басової області. При цьому ефект спостерігається у всіх октав базової частоти. Наприклад, якщо базова частота становить 440 Гц, то явище "додавання" або "віднімання" буде спостерігатися також на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц і т.д.

Явище резонансу

Більшість твердих тіл є власна частота резонансу. Зрозуміти цей ефект досить просто на прикладі звичайної труби, відкритої лише з одного кінця. Уявімо ситуацію, що з іншого кінця труби приєднується динамік, який може грати якусь одну постійну частоту, її також можна змінювати. Так от, труба має власну частоту резонансу, кажучи простою мовою - це частота, на якій труба "резонує" або видає свій власний звук. Якщо частота динаміка (в результаті регулювання) співпаде із частотою резонансу труби, то виникне ефект збільшення гучності у кілька разів. Це відбувається тому, що гучномовець збуджує коливання повітряного стовпа в трубі зі значною амплітудою до тих пір, поки не знайдеться та сама «резонансна частота» і відбудеться ефект додавання. Виникне явище можна описати наступним чином: труба в цьому прикладі "допомагає" динаміку, резонуючи на конкретній частоті, їх зусилля складаються і "виливаються" в гучний ефект. На прикладі музичних інструментів легко простежується це явище, оскільки конструкції більшості присутні елементи, звані резонаторами. Неважко здогадатися, що має на меті посилити певну частоту або музичний тон. Для прикладу: корпус гітари з резонатором у вигляді отвору, що сполучається з об'ємом; Конструкція трубки у флейти (і всі труби взагалі); Циліндрична форма корпусу барабана, який сам собою є резонатором певної частоти.

Частотний спектр звуку та АЧХ

Оскільки практично практично не зустрічаються хвилі однієї частоти, виникає необхідність розкладання всього звукового спектру чутного діапазону на обертони чи гармоніки. Для цього існують графіки, які відображають залежність відносної енергії звукових коливань від частоти. Такий графік називається графіком частотного діапазону звуку. Частотний спектр звукубуває двох типів: дискретний та безперервний. Дискретний графік спектра відображає частоти окремо, розділені порожніми проміжками. У безперервному спектрі присутні відразу всі звукові частоти.
У випадку музики або акустики найчастіше використовується звичайний графік Амплітудно-Частота Характеристики(Скорочено "АЧХ"). На такому графіку представлена ​​залежність амплітуди звукових коливань від частоти протягом усього діапазону частот (20 Гц - 20 кГц). Дивлячись на такий графік легко зрозуміти, наприклад, сильні або слабкі сторониконкретного динаміка або акустичної системи в цілому, найбільш сильні ділянки енергетичної віддачі, частотні спади та підйоми, згасання, а також простежити крутість спаду.

Поширення звукових хвиль, фаза та протифаза

Процес поширення звукових хвиль відбувається у всіх напрямках джерела. Найпростіший прикладдля розуміння цього явища: камінчик, кинутий у воду.
Від місця, куди впав камінь, починають розходитися хвилі по поверхні води у всіх напрямках. Однак, уявимо ситуацію з використанням динаміка в певному обсязі, допустимо закритому ящику, який підключений до підсилювача і відтворює якийсь музичний сигнал. Неважко помітити (особливо за умови, якщо подати потужний НЧ сигнал, наприклад бас-бочку), що динамік здійснює стрімкий рух "вперед", а потім такий самий стрімкий рух "назад". Залишається зрозуміти, що коли динамік здійснює рух уперед, він випромінює звукову хвилю, яку чуємо згодом. А ось що відбувається, коли динамік здійснює рух назад? А відбувається парадоксально те саме, динамік робить той же звук, тільки поширюється він у нашому прикладі повністю в межах обсягу ящика, не виходячи за його межі (скринька закрита). Загалом на наведеному вище прикладі можна спостерігати досить багато цікавих фізичних явищнайбільш значущим є поняття фази.

Звукова хвиля, яку динамік, перебуваючи в обсязі, випромінює у напрямку слухача - знаходиться "у фазі". Зворотна хвиля, яка йде в об'єм ящика, буде відповідно протифазною. Залишається тільки зрозуміти, що мають на увазі ці поняття? Фаза сигналу- Це рівень звукового тиску в даний момент часу в якійсь точці простору. Фазу найпростіше зрозуміти на прикладі відтворення музичного матеріалу звичайною стерео-парою підлоги домашніх акустичних систем. Уявімо, що дві такі колонки встановлені в деякому приміщенні і грають. Обидві акустичні системи у разі відтворюють синхронний сигнал змінного звукового тиску, причому звуковий тиск однієї колонки складається зі звуковим тиском інший колонки. Відбувається подібний ефект рахунок синхронності відтворення сигналу лівої і правої АС відповідно, іншими словами, піки і спади хвиль, випромінюваних лівими і правими динаміками збігаються.

А тепер уявімо, що тиск звуку, як і раніше, змінюються однаковим чином (не зазнали змін), але тільки тепер протилежно один одному. Подібне може статися, якщо підключити одну акустичну систему з двох у зворотній полярності ("+" кабель від підсилювача до "-" клеми акустичної системи, і "-" кабель від підсилювача до "+" клеми акустичної системи). У цьому випадку протилежний у напрямку сигнал викличе різницю тисків, яку можна представити у вигляді чисел наступним чином: ліва акустична система буде створювати тиск "1 Па", а права акустична система буде створювати тиск "мінус 1 Па". В результаті, сумарна гучність звуку в точці розміщення слухача дорівнюватиме нулю. Це називається протифазою. Якщо розглядати приклад більш детально для розуміння, то виходить, що два динаміки, що грають "у фазі" - створюють однакові області ущільнення та розряджання повітря, ніж фактично допомагають один одному. У випадку з ідеалізованою протифазою, область ущільнення повітряного простору, створена одним динаміком, буде супроводжуватися областю розрядження повітряного простору, створеної другим динаміком. Виглядає це приблизно як явище взаємного синхронного гасіння хвиль. Щоправда, практично падіння гучності до нуля немає, і ми почуємо сильно спотворений і ослаблений звук.

Найдоступнішим чином можна описати це так: два сигнали з однаковими коливаннями (частотою), але зрушені за часом. Зважаючи на це, зручніше уявити ці явища зміщення на прикладі звичайного круглого стрілочного годинника. Уявимо, що на стіні висить кілька однакових годин. Коли секундні стрілки цього годинника біжать синхронно, на одному годиннику 30 секунд і на іншому 30, то це приклад сигналу, який знаходиться у фазі. Якщо ж секундні стрілки біжать зі зміщенням, але швидкість, як і раніше, однакова, наприклад, на одному годиннику 30 секунд, а на іншому 24 секунди, то це і є класичний приклад зсуву (зсуву) по фазі. Таким же чином фаза вимірюється в градусах, у межах віртуального кола. У цьому випадку, при зміщенні сигналів один на 180 градусів (половина періоду), і виходить класична протифаза. Нерідко на практиці виникають незначні зміщення по фазі, які можна визначити в градусах і успішно усунути.

Хвилі бувають плоскі та сферичні. Плоский хвильовий фронт поширюється лише одному напрямку і рідко зустрічається практично. Сферичний хвильовий фронт є хвилі простого типу, які виходять з однієї точки і поширюється у всіх напрямках. Звукові хвилі мають властивість дифракції, тобто. здатністю огинати перешкоди та об'єкти. Ступінь обгинання залежить від відношення довжини звукової хвилі до розмірів перешкоди чи отвору. Дифракція виникає і у разі, коли на шляху звуку виявляється якась перешкода. У цьому випадку можливі два варіанти розвитку подій: 1) Якщо розміри перешкоди набагато більші за довжину хвилі, то звук відбивається або поглинається (залежно від ступеня поглинання матеріалу, товщини перешкоди і т.д.), а позаду перешкоди формується зона "акустичної тіні" . 2) Якщо ж розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі або навіть менше її, тоді звук дифрагує певною мірою в усіх напрямках. Якщо звукова хвиля під час руху в одному середовищі потрапляє на межу розділу з іншим середовищем (наприклад, повітряне середовище з твердим середовищем), то може виникнути три варіанти розвитку подій: 1) хвиля відобразиться від поверхні розділу 2) хвиля може пройти в інше середовище без зміни напрямку 3) хвиля може пройти в інше середовище зі зміною напряму на кордоні, це називається "заломлення хвилі".

Відношенням надлишкового тиску звукової хвилі до коливальної об'ємної швидкостіназивається хвильовий опір. Говорячи простими словами, хвильовим опором середовищаможна назвати здатність поглинати звукові хвилі або "опиратися" їм. Коефіцієнти відображення та проходження безпосередньо залежать від співвідношення хвильових опорів двох середовищ. Хвильовий опір у газовому середовищі набагато нижчий, ніж у воді або твердих тілах. Тому якщо звукова хвиля в повітрі падає на твердий об'єкт чи поверхню глибокої води, то звук або відбивається від поверхні, або поглинається значною мірою. Залежить це від товщини поверхні (води чи твердого тіла), яку падає шукана звукова хвиля. При низькій товщині твердого або рідкого середовища звукові хвилі практично повністю "проходять", і навпаки, при великій товщині середовища хвилі частіше відбивається. У разі відображення звукових хвиль відбувається цей процес за добре відомим фізичним законом: "Кут падіння дорівнює кутувідображення". У цьому випадку, коли хвиля з середовища з меншою щільністю потрапляє на кордон із середовищем більшої щільності - відбувається явище рефракції. Воно полягає у вигині (заломленні) звукової хвилі після "зустрічі" з перешкодою, і обов'язково супроводжується зміною швидкості. Рефракція залежить також від температури середовища, в якому відбувається відбиття.

У процесі поширення звукових хвиль у просторі неминуче відбувається зниження їхньої інтенсивності, можна сказати загасання хвиль та ослаблення звуку. На практиці зіткнутися з подібним ефектом досить просто: наприклад, якщо двоє людей встануть у поле на деякій близькій відстані (метр і ближче) і почнуть щось говорити один одному. Якщо згодом збільшувати відстань між людьми (якщо вони почнуть віддалятися один від одного), той самий рівень розмовної гучності ставатиме все менш чутним. Подібний приклад наочно демонструє явище зниження інтенсивності звукових хвиль. Чому це відбувається? Причиною цього є різні процеси теплообміну, молекулярної взаємодії та внутрішнього тертя звукових хвиль. Найчастіше практично відбувається перетворення звукової енергії на теплову. Подібні процеси неминуче виникають у будь-якому з трьох середовищ поширення звуку і їх можна охарактеризувати як поглинання звукових хвиль.

Інтенсивність та ступінь поглинання звукових хвиль залежить від багатьох факторів, таких як: тиск та температура середовища. Також поглинання залежить від певної частоти звуку. При поширенні звукової хвилі в рідинах або газах виникає ефект тертя між різними частинками, що називається в'язкістю. В результаті цього тертя на молекулярному рівніі відбувається процес перетворення хвилі зі звукової на теплову. Іншими словами, чим вище теплопровідність середовища, тим менший ступінь поглинання хвиль. Поглинання звуку в газових середовищах залежить і від тиску (атмосферний тиск змінюється з підвищенням висоти щодо рівня моря). Щодо залежності ступеня поглинання від частоти звуку, то зважаючи на вищезгадані залежності в'язкості та теплопровідності, поглинання звуку тим вище, чим вища його частота. Для прикладу, при нормальній температуріі тиску, повітря поглинання хвилі частотою 5000 Гц становить 3 Дб/км, а поглинання хвилі частотою 50000 Гц становитиме вже 300 Дб/м.

У твердих середовищах зберігаються всі вищезгадані залежності (теплопровідність і в'язкість), проте до цього додається ще кілька умов. Вони пов'язані з молекулярною структурою твердих матеріалів, яка може бути різною, зі своїми неоднорідностями. Залежно від цієї внутрішньої твердої молекулярної будови, поглинання звукових хвиль у разі може бути різним, і від типу конкретного матеріалу. При проходженні звуку через тверде тіло хвиля зазнає ряд перетворень і спотворень, що найчастіше призводить до розсіювання та поглинання звукової енергії. На молекулярному рівні може виникнути ефект дислокацій, коли звукова хвиля викликає усунення атомних площин, які потім повертаються у вихідне положення. Або ж, рух дислокацій призводить до зіткнення з перпендикулярними ним дислокаціями або дефектами кристалічної будови, що викликає їхнє гальмування і як наслідок деяке поглинання звукової хвилі. Однак звукова хвиля може і резонувати з даними дефектами, що призведе до спотворення вихідної хвилі. Енергія звукової хвилі в останній момент взаємодії з елементами молекулярної структури матеріалу розсіюється внаслідок процесів внутрішнього тертя.

У я постараюся розібрати особливості слухового сприйняття людини та деякі тонкощі та особливості поширення звуку.

Звуковими (або акустичними) хвилями називаються пружні хвилі, що поширюються в середовищі, що володіють частотами в межах 16-20 000 Гц. Хвилі зазначених частот, впливаючи на слуховий апарат людини, спричиняють відчуття звуку. Хвилі з v< 16 Гц (ннфразвуковые) и v >20 кГц (ультразвукові) органами слуху людини не сприймаються.

Звукові хвилі в газах і рідинах можуть бути лише поздовжніми, так як ці середовища мають пружність лише по відношенню до деформацій стиснення (розтягування). У твердих тілах звукові хвилі можуть бути як поздовжніми, так і поперечними, так як тверді тіла мають пружність по відношенню до деформацій стиснення (розтягування) і зсуву.

Інтенсивності звуку (або силою звуку) називається величина, що визначається середньою за часом енергією, що переноситься звуковою хвилею в одиницю часу крізь одиничний майданчик, перпендикулярну напрямку поширення хвилі:

Одиниця інтенсивності звуку в СІ – ват на метр у квадраті (Вт/м 2 ).

Чутливість людського вуха різна для різних частот. Для того щоб, викликати звукове відчуття, хвиля повинна мати деяку мінімальну інтенсивність, але якщо ця інтенсивність перевищує певну межу, то звук не чутний і викликає тільки больове відчуття. Таким чином, для кожної частоти коливань існують найменша (поріт чутності) та найбільша (поріг больового відчуття) інтенсивності звуку, які здатні викликати звукове сприйняття. На рис. 223 представлені залежності порогів чутності та больового відчуття від частоти звуку. Область, розташована між двома кривими, є областю чутності.

Якщо інтенсивність звуку є величиною, що об'єктивно характеризує новий процес, то суб'єктивної характеристикою звуку, що з його інтенсивністю, є гучність звуку, залежить від частоти. Відповідно до фізіологічного закону Вебера - Фехнера, зі зростанням інтенсивності звуку гучність зростає за логарифмічним законом. На цій підставі вводять об'єктивну оцінку гучності звуку за виміряним значенням його інтенсивності:

де I 0 - інтенсивність звуку на порозі чутності, яка приймається для всіх звуків, що дорівнює 10 -12 Вт/м 2 . Величина L називається рівнем інтенсивності звуку і виявляється у білах (на честь винахідника телефону Белла). Зазвичай користуються одиницями, вдесятеро меншими, - децибелами (дБ).

Фізіологічною характеристикоюзвуку є рівень гучності, що виражається у фонах (фон). Гучність для звуку 1000 Гц (частота стандартного чистого тону) дорівнює 1 фон, якщо його рівень інтенсивності дорівнює 1 дБ. Наприклад, шум у вагоні метро при великої швидкостівідповідає «90 тл, а шепіт на відстані 1 м -» 20 тл.

Реальний звук є накладенням гармонійних коливаньз великим набором частот, тобто звук має акустичним спектром, який може бути суцільним (у деякому інтервалі присутні коливання всіх частот) і лінійчастим (присутні коливання відокремлених один від одного певних частот).

Звук характеризується крім гучності ще заввишки та тембром. Висота звуку - якість звуку, що визначається людиною суб'єктивно на слух і залежить від частоти звуку. Зі зростанням частоти висота звуку збільшується, тобто звук стає «вищим». Характер акустичного спектру та розподілу енергії між певними частотами визначає своєрідність звукового відчуття, яке називається тембром звуку. Так, різні співаки, що беруть ту саму ноту, мають різний акустичний спектр, тобто їх голоси мають різний тембр.

Джерелом звуку може бути будь-яке тіло, що коливається в пружному середовищі зі звуковою частотою (наприклад, у струнних інструментах джерелом звуку є струна, поєднана з корпусом інструменту).

Здійснюючи коливання, тіло викликає коливання прилеглих до нього частинок середовища з такою самою частотою. Стан коливального руху послідовно передається до дедалі більше віддаленим від тіла частинкам середовища, т. е. серед поширюється хвиля з частотою коливань, що дорівнює частоті її джерела, і з певною швидкістю, що залежить від щільності і пружних властивостей середовища. Швидкість поширення звукових хвиль у газах обчислюється за формулою

(158.1)

де R-молярна газова постійна, М- молярна маса, g = C p / C v - відношення молярних теплоємності газу при постійних тиску і об'ємі, Т-термодинамічна температура. З формули (158.1) випливає, що швидкість звуку в газі не залежить від тиску ргазу, але зростає із підвищенням температури. Чим більша молярна маса газу, тим менша в ньому швидкість звуку. Наприклад, при T = 273 К швидкість звуку повітря (M = 29×10 -3 кг/моль) v = 331 м/с, у водні (M = 2×10 -3 кг/моль) v = 1260 м/с . Вираз (158.1) відповідає дослідним даним.

При поширенні звуку в атмосфері слід враховувати цілий рядфакторів: швидкість і напрям вітру, вологість повітря, молекулярну структуругазового середовища, явища заломлення та відображення звуку на межі двох середовищ. Крім того, будь-яке реальне середовище має в'язкість, тому спостерігається згасання звуку, тобто зменшення його амплітуди і, отже, інтенсивності звукової хвилі в міру її поширення. Згасання звуку обумовлено значною мірою його поглинанням у середовищі, пов'язаним з незворотним переходом звукової енергії в інші форми енергії (переважно теплову).

Для акустики приміщень велике значеннямає реверберацію звуку - процес поступового згасання звуку в закритих приміщеннях після вимкнення його джерела. Якщо приміщення порожні, відбувається повільне згасання звуку і створюється «гучність» приміщення. Якщо звуки загасають швидко (при застосуванні звукопоглинаючих матеріалів), вони сприймаються приглушеними. Час реверберації - це час, протягом якого інтенсивність звуку у приміщенні послаблюється мільйонами, яке рівень - на 60 дБ. Приміщення має гарну акустику, якщо час реверберації становить 0,5-1,5 с.

Розкати грому, музика, шум прибою, людська мова та все інше, що ми чуємо - це звук. А що таке "звук"?

Джерело зображення: pixabay.com

Насправді все, що ми звикли вважаємо звуком - це лише один з різновидів коливань (повітря), які можуть сприймати наш мозок та органи.

Яка природа у звуку

Всі звуки, що розповсюджуються в повітрі, є вібрацією звукової хвилі. Вона виникає у вигляді коливання об'єкта і розходиться з її джерела в усіх напрямах. Об'єкт, що коливається, стискає молекули в навколишньому середовищі, а потім створює розріджену атмосферу, змушуючи молекули відштовхуватися один від одного все далі і далі. Таким чином, зміни в тиску повітря поширюються від об'єкта, самі молекули залишаються у незмінній собі позиції.

Вплив звукових хвиль на барабанну перетинку. Джерело зображення:prd.go.th

У міру того, як звукова хвиля поширюється у просторі, вона відбивається від об'єктів, що зустрічаються на її шляху, створюючи зміни в навколишньому повітрі. Коли ці зміни, досягаючи вашого вуха, впливають на барабанну перетинку, нервові закінченняподають сигнал у мозок, і ви сприймаєте ці коливання як звук.

Основні характеристики звукової хвилі

Найпростішою формою звукової хвилі є синусоїда. Синусоїдні хвилі в чистому вигляді рідко зустрічаються в природі, однак саме з них слід починати вивчення фізики звуку, тому що будь-які звуки можна розкласти на комбінацію синусоїдних хвиль.

Синусоїда чітко демонструє три основні фізичні критерії звуку – частоту, амплітуду та фазу.

Частота

Чим рідше частота коливань, тим нижче звук, Джерело зображення: ReasonGuide.Ru

Частота - це величина, що характеризує кількість коливань за секунду. Вона вимірюється у кількості періодів коливання чи герцах (ГЦ). Людське вухо може сприймати звук у діапазоні від 20 Гц (низькочастотні) та до 20 КГц (високочастотні). Звуки, що знаходяться вище даного діапазону, називається ультразвуком, а нижче – інфразвуком, і людськими органами слуху не сприймаються.

Амплітуда

Чим більше амплітуда звукової хвилі, тим гучніший звук.

Поняття амплітуди (або інтенсивності) звукової хвилі має відношення до сили звуку, яку людські органи слуху сприймають як об'єм чи гучність звуку. Люди можуть сприймати досить широкий спектр гучності звуку: від крана, що капає в тихій квартирі, і до музики, що звучить на концерті. Для вимірювання гучності використовуються фонометри (показники в децибелах), в яких використовується логарифмічна шкала, щоб зробити вимірювання зручнішими.

Фаза звукової хвилі

Фази звукової хвилі. Джерело зображення: Muz-Flame.ru

Використовується для того, щоб описати властивості двох звукових хвиль. Якщо дві хвилі мають однакову амплітуду та частотність, то кажуть, що дві звукові хвилі знаходяться у фазі. Фаза вимірюється в діапазоні від 0 до 360, де 0 це значення, що показує, що дві звукові хвилі синхронні (у фазі), а 180 значення, що означає протилежність хвиль один до одного (перебувають у протифазі). Коли дві звукові хвилі перебувають у фазі, два звуки накладаються і сигнали посилюють одне одного. При суміщенні двох сигналів, що не збігаються по амплітуді, через різницю тиску йде придушення сигналів, що призводить до нульового результату, тобто звук зникає. Цей феномен відомий як “пригнічення фази”.

При поєднанні двох однакових аудіо сигналів - придушення фази може стати серйозною проблемою, так само величезною неприємністю є суміщення оригінальної звукової хвилі з хвилею, яка відображена від поверхонь в акустичній кімнаті. Наприклад, коли поєднують лівий і правий канали мікшерного стерео, щоб отримати гармонійну запис, сигнал може страждати від придушення фаз.

Що таке децибел?

У децибелах вимірюється рівень звукового тиску чи електричної напруги. Це така одиниця, яка показує коефіцієнт відношення двох різних величин один до одного. Бел (названий на честь американського вченого Олександра Белла) є десятковим логарифмом, Що відбиває співвідношення двох різних сигналів один до одного. Це означає, що для кожного наступного біла в шкалі приймається сигнал у десять разів потужніший. Наприклад, звуковий тиск гучного звуку в мільярди разів вищий, ніж у тихого. Для того, щоб відображати такі великі величини, стали використовувати відносну величинудецибел (дБ) – у своїй 1.000.000.000 – це 109, чи навіть 9. Прийняття фізиками акустиками цієї величини дозволило зробити роботу з великими числами зручніше.

Шкала гучності різних звуків. Джерело зображення: Nauet.ru

На практиці виходить так, що біл є занадто великою одиницею для вимірювання рівня звуку, тому замість нього стали використовувати децибел, що становить одну десяту від біла. Не можна сказати, що застосування децибелів замість білов – це використання, скажімо, сантиметрів замість метрів для позначення розміру взуття, білі і децибели - відносні величини.

Зі сказаного вище відомо, що рівень звуку прийнято вимірювати в децибелах. Деякі зразки рівня звуку використовуються в акустиці протягом багатьох років, починаючи з часів винаходу телефону, і досі. Більшість цих еталонів складно застосувати щодо сучасного устаткування, вони використовуються лише застарілих одиниць техніки. На сьогоднішній день на обладнанні в студіях звукозапису та мовлення використовується така одиниця, як дБu (децибел щодо рівня 0,775 В), а в побутовій апаратурі – дБВ (децибел, що відраховується щодо рівня 1 В). У цифровій аудіоапаратурі для вимірювання потужності звуку застосовується дБFS (децибел повної шкали).

дБм– “м” позначає мілівати (мВт), ця одиниця виміру використовується для позначення електричної потужності. Слід відрізняти потужність від електричної напруги, хоча ці поняття тісно пов'язані друг з одним. Одиницю вимірювання дБм почали використовувати ще на зорі впровадження телефонних комунікацій, на сьогоднішній день її теж використовують у професійній апаратурі.

дБu- у разі вимірюється напруга (замість потужності) щодо еталонного нульового рівня, за еталонний рівень прийнято вважати 0,75 вольт. У роботі з сучасною професійною аудіоапаратурою дБu замінений на дБм. Як одиниця виміру у сфері звукотехніки було зручніше використовувати дБu раніше, коли для оцінки рівня сигналу було важливіше вважати електричну потужність, а не його напругу.

дБВ– в основі даної одиниці виміру так само лежить еталонний нульовий рівень (як і у випадку з дБu), проте за еталонний рівень приймають 1 В, що є зручнішим, ніж цифра 0,775 В. Дана одиниця виміру звуку часто використовується для побутової та підлоги професійної аудіо апаратури.

дБFS – дана оцінкарівня сигналу широко використовується в цифровій звукотехніці і відрізняється від зазначених вище одиниць вимірювання. FS (full scale) – повна шкала, яка використовується через те, що на відміну від аналогового звукового сигналу, що має оптимальну напругу, весь діапазон цифрових значень однаково прийнятний при роботі з цифровим сигналом. 0 дБFS – це максимальний рівень цифрового звукового сигналу, який можна записати без спотворення. У аналогових стандартів вимірювання таких, як дБu і дБВ, після рівня 0 дБFS немає запасу динамічного діапазону.

Якщо Вам сподобалась стаття, поставте лайк і підпишіться на канал НАУЧПОП . Залишайтеся з нами, друзі! Попереду чекає багато цікавого!

Звук - це пружні хвилі в середовищі (часто в повітрі), які невидимі, але сприймаються людським вухом (хвиля впливає на барабанну перетинку вуха). Звукова хвиля є поздовжньою хвилею стиснення та розрідження.

Якщо створити вакуум, то чи будемо ми розрізняти звуки? Роберт Бойль у 1660 році помістив годинник у скляну посудину. Відкачавши повітря, він не почув звуку. Досвід доводить, що для поширення звуку необхідне середовище.

Звук може також поширюються в рідкому та твердому середовищі. Під водою добре чути удари каміння. Покладемо годинник на один кінець дерев'яної дошки. Приклавши вухо до іншого кінця, можна ясно почути цокання годинника.

Звукова хвиля поширюється через дерево

Джерело звуку - це тіла, що обов'язково вагаються. Наприклад, струна на гітарі в звичайному станіне звучить, але варто нам змусити її здійснювати коливальні рухи, як виникає звукова хвиля.

Однак досвід показує, що не всяке тіло, що вагається, є джерелом звуку. Наприклад, не видає звук грузик, підвішений на нитці. Справа в тому, що людське вухо сприймає не всі хвилі, а тільки ті, які створюють тіла, що коливаються із частотою від 16Гц до 20000Гц. Такі хвилі називаються звуковими. Коливання із частотою менше 16Гц називається інфразвуком. Коливання із частотою більше 20000Гц називаються ультразвуком.

Швидкість звуку

Звукові хвилі поширюються не миттєво, і з деякою кінцевою швидкістю (аналогічно швидкості рівномірного руху).

Саме тому під час грози ми спочатку бачимо блискавку, тобто світло (швидкість світла набагато більша за швидкість звуку), а потім доноситься звук.

Швидкість звуку залежить від середовища: у твердих тілах та рідинах швидкість звуку значно більша, ніж у повітрі. Це табличні виміряні постійні. Зі збільшенням температури середовища швидкість звуку зростає, зі зменшенням – зменшується.

Звуки бувають різними. Для характеристики звуку вводять спеціальні величини: гучність, висота та тембр звуку.

Гучність звуку залежить від амплітуди коливань: що більше амплітуда коливань, то гучніший звук. Крім того, сприйняття гучності звуку нашим вухом залежить від частоти коливань звукової хвилі. Більш високочастотні хвилі сприймаються як гучніші.

Частота звукової хвилі визначає висоту тону. Чим більша частота коливань джерела звуку, тим вище звук, що видається їм. Людські голоси висотою ділять на кілька діапазонів.

Звуки від різних джерел є сукупністю гармонійних коливань різних частот. Складова найбільшого періоду ( найменшої частоти) називається основним тоном. Інші складові звуку - обертонами. Набір цих складових створює забарвлення, тембр звуку. Сукупність обертонів у голосах різних людейхоч трохи, але відрізняється, це визначає тембр конкретного голосу.

Відлуння. Відлуння утворюється в результаті відбиття звуку від різних перешкод - гір, лісу, стін, великих будівель і т.п. Відлуння виникає лише тому випадку, коли відбитий звук сприймається окремо від спочатку сказаного звуку. Якщо поверхонь, що відбивають, багато і вони знаходяться на різних відстанях від людини, то відбиті звукові хвилі дійдуть до нього в різні моменти часу. У цьому випадку луна буде багаторазовою. Перешкода повинна бути на відстані 11м від людини, щоб можна було почути відлуння.

Відображення звуку.Звук відбивається від гладких поверхонь. Тому при використанні рупора звукові хвилі не розсіюються на всі боки, а утворюють вузьконаправлений пучок, за рахунок чого потужність звуку збільшується, і він поширюється на більшу відстань.

Деякі тварини (наприклад, летюча миша, дельфін) видають ультразвукові коливання, потім сприймають відбиту хвилю від перешкод. Так вони визначають місце розташування та відстань до навколишніх предметів.

Ехолокація. Це спосіб визначення місцезнаходження тіл за відбитими від них ультразвуковими сигналами. Широко застосовується у мореплаванні. На судах встановлюють гідролокатори- прилади для розпізнавання підводних об'єктів та визначення глибини та рельєфу дна. На дні судна поміщають випромінювач та приймач звуку. Випромінювач дає короткі сигнали. Аналізуючи час затримки і напрям сигналів, що повертаються, комп'ютер визначає положення і розмір об'єкта, що відобразив звук.

Ультразвук використовується для виявлення та визначення різних пошкоджень у деталях машин (порожнечі, тріщини та ін.). Прилад, який використовується для цієї мети називається ультразвуковим дефектоскопом. На досліджувану деталь прямує потік коротких ультразвукових сигналів, які відбиваються від неоднорідностей, що знаходяться в ній і, повертаючись, потрапляють у приймач. У тих місцях, де дефектів немає, сигнали проходять крізь деталь без суттєвого відображення та не реєструються приймачем.

Ультразвук широко використовується в медицині для встановлення діагнозу та лікування деяких захворювань. На відміну від рентгенівських променівйого хвилі не надають шкідливого впливуна тканині. Діагностичні ультразвукові дослідження (УЗД)дозволяють без хірургічного втручаннярозпізнати патологічні зміниорганів та тканин. Спеціальний пристрій спрямовує ультразвукові хвилі з частотою від 0,5 до 15МГц на певну частинутіла вони відображаються від досліджуваного органу і комп'ютер виводить на екран його зображення.

Для інфразвуку характерне мале поглинання різних середовищахвнаслідок чого інфразвукові хвилі в повітрі, воді та земній корі можуть поширюватися на дуже далекі відстані. Це явище знаходить практичне застосуванняпри визначенні місцьсильних вибухів або положення зброї, що стріляє. Поширення інфразвуку на великі відстані у морі дає можливість передбачення стихійного лиха- цунамі. Медузи, ракоподібні та ін здатні сприймати інфразвуки і задовго до наступу шторму відчувають його наближення.