Звук

Узнать больше

Узнать больше в энциклопедической статье

Перейти

Перейти к материалам ОГЭ/ЕГЭ

РУВИКИ для ОГЭ/ЕГЭ

        Читайте краткую версию статьи для подготовки к ОГЭ и ЕГЭ

Перейти

Экспертиза РАН

Проведена экспертиза
Российской Академией Наук

Подробнее

Материал ОГЭ/ЕГЭ

База знаний для подготовки к ЕГЭ и ОГЭ, проверенная Российской Академией наук

Подробнее

Звук — физическое явление, которое представляет собой распространение упругих волн в газе, жидкости или твёрдой среде. В узком понимании под звуком подразумевают такие волны, рассматриваемые с точки зрения их восприятия органами чувств.^[1]

Звуковой источник — тело, совершающее механические колебания в соответствии с определённым законом.

Как правило, звук представляет собой совокупность волн разных частот. Распределение интенсивности по частотам $dI/df$ может быть непрерывным (гладким) или дискретным, с пиками при $f=f_{1},\,f_{2},\dots$ . Для простоты часто выделяют одну гармонику с определённой частотой.

Человеческое ухо воспринимает колебания в диапазоне приблизительно от 16—20 Гц Гц до 15—20 кГц^[2]. Звуки ниже этой области называют инфразвуком, выше — до 1 ГГц — ультразвуком, а свыше 1 ГГц — гиперзвуком.

В упрощённом представлении громкость звука определяется амплитудой волны, а тона и высота звука — её частотой. На практике громкость зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний, а высота — не только от частоты, но и от давления звука.

Среди слышимых человеком звуков выделяют фонетические, речевые звуки и фонемы, из которых складывается устная речь, и музыкальные звуки, составляющие основу музыки. Музыкальный звук состоит обычно из нескольких тонированных гармоник с фиксированными частотами $f_{i}$ , а порой содержит и широкополосные шумовые составляющие. В неограниченной среде звуковые волны переносят импульс.

Понятие о звуке

Чередующиеся области сжатия и разрежения в звуковой волне

Звуковые волны являются примером колебательного процесса. Любое колебание — выход системы из состояния равновесия с последующим возвращением к нему. Для звука такой характеристикой является давление среды, а отклонение от равновесия — переменное давление. Пространства, заполненные звуком, называют звуковыми полями.

Если в упругой среде совершить резкий толчок (например, движением поршня), в точке воздействия повысится давление. Эта область через связи частиц передаёт возмущение соседям, формируя волну с чередованием зон сжатия и разрежения. При этом каждая частица совершает колебание вокруг равновесного положения.

более детальная информация

Скорость колебаний частиц, называемая колебательная скорость, измеряется в м/с. В реальных системах часть энергии уходит на трение и излучение, поэтому колебания затухают. Характерные параметры затухающих колебаний — коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).

Коэффициент затухания S определяет скорость убывания амплитуды: если время затухания в е раз обозначить $\tau$ , то S = 1/ $\tau$ . Логарифмический декремент D равен отношению периода T к $\tau$ : D = T/ $\tau$ .

При воздействии периодической силы возникают вынужденные колебания, частота которых совпадает с частотой внешней силы, а амплитуда зависит от параметров системы. Особый случай — механический резонанс, когда амплитуда достигает максимума при совпадении вынужденной и собственной частот.

Акустическая энергия в среде описывается акустическим сопротивлением Z, равным произведению плотности $\rho$ на скорость звука c:

Z=\rho c

.

Единица измерения Z в СИ — Па·с/м (или дин·с/см³ в СГС).

Акустическое давление — разница между мгновенным давлением с колебаниями и статическим давлением без них. Амплитудное значение рассчитывается по формуле:

P=2\pi f\rho cA

,

где A — амплитуда смещения частиц.

Максимумы звукового давления и ускорения частиц во время ультразвуковой волны смещены во времени: ускорение $a=(2\pi f)^{2}A$ . При распространении волны на препятствие возникает дополнительное постоянное давление — давление излучения, используемое, к примеру, для образования аэрозолей и в ультразвуковых весах.

В жидкостях и газах звук распространяется в виде продольных волн, когда частицы колеблются вдоль направления распространения. В твёрдых телах помимо продольных могут возбуждаться поперечные волны — колебания частиц перпендикулярно направлению волны. Скорость продольных волн заметно выше скорости поперечных.

В гуманитарных науках, таких как философия, психология и экология коммуникации, звук изучают с точки зрения его влияния на восприятие и мышление — например, понятие акустического пространства, создаваемого электронными средствами связи.

Физические параметры звука

Спектр звука

Примеры форм сигналов и соответствующих спектров: a–c — дискретные; d — непрерывный

Спектр звука — функция $dI/df$ , показывающая распределение звуковой энергии по частоте. При дискретном спектре $dI/df$ выражается через сумму дельта-функций $\sum I_{i}\delta (f-f_{i})$ , что позволяет перечислить частоты и их вклады: $(f_{1},I_{1}),(f_{2},I_{2}),\dots$ .

В музыке вместо «спектра» употребляют термин «тембр» в аналогичном значении.

Интенсивность звука

Интенсивность (сила) звука — скалярная величина, характеризующая мощность потока звуковой энергии в направлении распространения. Полный показатель:

I=\int (dI/df)\,df

.

Различают мгновенную $I(t)$ и усреднённую $\langle I(t)\rangle$ интенсивность. Измеряют с помощью акустических зондов, а для фокусировки используют акустические зеркала и концентраторы.

Длительность звука

Длительность звука — общее время работы колебательного источника в секундах или, в музыкальной нотации, в долях такта (длительность (музыка)).

Скорость звука

Бинауральный эффект при звуковом наблюдении

Скорость звука — скорость распространения упругих волн в среде. В газах скорость обычно ниже, чем в жидкостях. В воздухе при комнатной температуре c≈340 м/с. В любой среде:

c={\sqrt {\frac {1}{\beta \rho }}}

,

где $\beta$ — адиабатическая сжимаемость, а $\rho$ — плотность.

Громкость звука

Громкость звука — субъективное восприятие силы звука. Она определяется давлением, амплитудой, частотой, а также спектром, локализацией, тембром, длительностью и индивидуальной чувствительностью слуха^[3]^[4].

Высота звука

Высота звука — субъективное свойство, связанное в основном с частотой колебаний среды. При повышении частоты ощущаемый звук становится выше. В первом приближении высота пропорциональна логарифму частоты (закон Вебера–Фехнера).

Высота звука, наряду с громкостью и тембром, позволяет упорядочить звуки от низких к высоким. Для чистого тона (гармонического колебания) она зависит главным образом от частоты, однако восприятие меняется и с интенсивностью: повышение уровня звука может восприниматься как понижение высоты. В сложных сигналах высота зависит от распределения энергии по спектру.

Измеряется в мелах: тон 1 кГц при звуковом давлении 2·10⁻³ Па (40 дБ) соответствует 1000 мел. В диапазоне 20 Гц–9000 Гц насчитывается около 3000 мел. Введена также единица барк: 1 барк=100 мел.

Высоту определяют с помощью сравнения двух звуков по равенству или отношению высот.

Генерация звука

Колебания среды создают источники различной природы: Голосовые связки, Громкоговорительы, камертоны. Большинство инструментов использует эти принципы, за исключением духовые инструменты, где звук образуется взаимодействием потока воздуха с резонаторами. Для когерентного излучения применяют фононные лазеры^[5]. В технике используют также генераторы звука.

Ультразвук

Ультразвук — упругие колебания с частотами выше предела восприятия уха (порядка 16 Гц–20 кГц). Частицы среды воспринимают ультразвук по отражению в методах ультразвуковой диагностики.

Поглощение ультразвука

Ультразвуковые волны в вязких средах теряют энергию из-за внутреннего трения и теплопроводности, что проявляется в уменьшении их амплитуды и энергии при удалении от источника. Поглощённая энергия в основном переходит в тепло, а часть вызывает необратимые структурные изменения.

Глубина проникновения — расстояние, на котором интенсивность падает вдвое, обратнопропорциональна коэффициенту поглощения. В неоднородных средах на затухание влияют также рассеяние и преломление ультразвука.

Бегущие и стоячие волны

В отсутствии отражений ультразвуковые волны бегут, постепенно затухая. При наличии границ с разным удельным сопротивлением часть волны отражается, и наложение падающей и отражённой волн образует стоячие волны, возникающие при кратности расстояния между границами половине длины волны.

Инфразвук

Инфразву́к — колебания с частотами ниже слышимого диапазона человека (обычно <16—25 Гц). Нижний предел инфразвука условно равен 0,001 Гц. Особенно слабое поглощение позволяет инфразвуку распространяться на большие расстояния. Из-за очень большой длины волны выражена дифракция.

Инфразвуковые волны, возникающие в море, считают одним из возможных факторов, приводящих к появлению заброшенных судов^[6].

Опыты и демонстрации

Видеоурок: возникновение звука

Для иллюстрации стоячих волн используется труба Рубенса. Разница скоростей звука в газах проявляется через изменение тембра голоса: с гелием звук становится выше, с гексафторид серы SF₆ — ниже^[7].

Вода служит примером высокой скорости звука, что демонстрируется в опыте по дифракции света на ультразвуке. В 2014 году создали установку, где звуковыми лучами поднимают мелкие предметы^[8].

См. также

Примечания

↑ И. П. Голямина. Звук // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.
↑ Слух — общая информация (неопр.). Дата обращения: 25 августа 2010. Архивировано из оригинала 12 января 2013 года.
↑ Архив журнала «Звукорежиссёр», 2000, #8 Архивная копия от 27 февраля 2007 на Wayback Machine
↑ Архив журнала «Звукорежиссёр», 2000, #9 Архивировано 27 февраля 2007 года.
↑ Jacob B. Khurgin. Phonon lasers gain a sound foundation (англ.) // Physics. — 2010. — Vol. 3. — P. 16.
↑ Мезенцев В. А. В тупиках мистики. М.: Московский рабочий, 1987.
↑ Демонстрация изменения голоса с гексафторидом серы на YouTube
↑ Акустический «силовой луч» притягивает предметы на расстоянии Архивная копия от 17 мая 2014 на Wayback Machine // Популярная механика

Литература

Звук // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
Радзишевский А. Ю. Основы аналогового и цифрового звука. — М.: Вильямс, 2006. — С. 288. — ISBN 5-8459-1002-1.

Ссылки

Sounds Amazing; a KS3/4 learning resource for sound and waves Архивная копия от 13 марта 2012 на Wayback Machine (uses Flash
HyperPhysics: Sound and Hearing Архивная копия от 2 февраля 2009 на Wayback Machine
Introduction to the Physics of Sound Архивная копия от 23 декабря 2008 на Wayback Machine
Hearing curves and on-line hearing test Архивная копия от 21 января 2009 на Wayback Machine
Audio for the 21st Century
Conversion of sound units and levels Архивная копия от 18 января 2009 на Wayback Machine
Sound calculations Архивная копия от 18 января 2009 на Wayback Machine
Audio Check: a free collection of audio tests and test tones playable on-line Архивная копия от 3 октября 2019 на Wayback Machine
More Sounds Amazing; a sixth-form learning resource about sound waves Архивная копия от 10 февраля 2019 на Wayback Machine

[1] И. П. Голямина. Звук // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.

[2] Слух — общая информация (неопр.). Дата обращения: 25 августа 2010. Архивировано из оригинала 12 января 2013 года.

[Алдошина_И._Основы_психоакустики._Громкость-3] Архив журнала «Звукорежиссёр», 2000, #8 Архивная копия от 27 февраля 2007 на Wayback Machine

[Алдошина_И._Основы_психоакустики._Громкость_сложных_звуков-4] Архив журнала «Звукорежиссёр», 2000, #9 Архивировано 27 февраля 2007 года.

[5] Jacob B. Khurgin. Phonon lasers gain a sound foundation (англ.) // Physics. — 2010. — Vol. 3. — P. 16.

[6] Мезенцев В. А. В тупиках мистики. М.: Московский рабочий, 1987.

[7] Демонстрация изменения голоса с гексафторидом серы на YouTube

[8] Акустический «силовой луч» притягивает предметы на расстоянии Архивная копия от 17 мая 2014 на Wayback Machine // Популярная механика

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]