Разные звуки в физике и восприятии¶

Звук — это механическая волна, распространяющаяся в упругой среде (воздухе, воде, твёрдых телах) и воспринимаемая органами слуха человека и животных. Разные звуки отличаются друг от друга по целому ряду объективных физических характеристик — частоте, амплитуде, спектру, длительности и фазе, — а субъективно воспринимаются как высота, громкость, тембр и длительность. Именно сочетание этих параметров делает возможным различение речи, музыки, шумов и сигналов окружающего мира.

¶Физическая природа звука

Звук представляет собой продольную волну, в которой чередуются области сжатия и разрежения среды. Источником звука служит любое колеблющееся тело: струна, мембрана, столб воздуха, голосовые связки. Скорость распространения звука зависит от среды и её температуры: в воздухе при 20 °C она составляет около 343 м/с, в воде — примерно 1480 м/с, в стали — около 5000 м/с. В вакууме звук не распространяется, поскольку отсутствует упругая среда.

Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания в диапазоне примерно от 16–20 Гц до 20 кГц. Колебания ниже этого диапазона называют инфразвуком, выше — ультразвуком. Многие животные слышат звуки за пределами человеческого восприятия: летучие мыши и дельфины используют ультразвук для эхолокации, слоны и киты общаются инфразвуком на больших расстояниях.

¶Основные характеристики

Разные звуки различаются прежде всего по частоте и амплитуде.

Высота определяется частотой основного тона: чем выше частота, тем выше звук. Громкость связана с амплитудой и измеряется в децибелах (дБ); порог слышимости принимается за 0 дБ, а болевой порог лежит в районе 120–130 дБ. Тембр — это «окраска» звука, зависящая от набора обертонов (гармоник) и их соотношения; именно благодаря тембру различаются голоса людей и звучание разных музыкальных инструментов, даже если они издают ноту одной высоты.

¶Классификация звуков

По происхождению и характеру звуки делят на несколько групп.

• Тоны — звуки с периодической структурой и чётко выраженной высотой (камертон, струна, голос).
• Шумы — звуки с непериодическим, хаотичным спектром (шум дождя, скрип, грохот).
• Музыкальные звуки — упорядоченные тоны с определёнными интервалами и гармониками.
• Речевые звуки — сложные сигналы, формируемые артикуляционным аппаратом человека.
• Сигналы и акустические помехи — звуки, создаваемые техническими устройствами.

Отдельно выделяют чистый тон (одна частота), сложный тон (основной тон плюс обертоны) и белый шум — сигнал с равномерной спектральной плотностью во всём диапазоне.

¶Восприятие и психоакустика

Психоакустика изучает связь физических параметров звука с его субъективным восприятием. Зависимость громкости от частоты нелинейна: на низких и очень высоких частотах чувствительность уха падает, что отражают кривые равной громкости. Громкость измеряют в фонах, а уровень звукового давления — в децибелах.

Человек способен различать изменение частоты примерно на 0,2–0,3 % в среднем диапазоне, а также определять направление на источник звука благодаря бинауральному слуху — разнице во времени и интенсивности прихода сигнала к правому и левому уху. Способность выделять нужный звук на фоне шума называется слуховой маскировкой и селективным вниманием.

¶Применение знаний о звуках

Понимание различий между звуками лежит в основе множества технологий и практик.

• Акустика помещений — проектирование концертных залов и студий с учётом отражений и поглощения.
• Звукозапись и обработка — эквалайзеры, фильтры, компрессоры управляют спектром и динамикой.
• Медицина — аудиометрия, ультразвуковая диагностика, слуховые аппараты.
• Техника — гидролокация, дефектоскопия, шумоподавление в наушниках.
• Речевые технологии — распознавание и синтез речи, сжатие аудиоданных.

¶Интересные факты

Самый громкий звук, зафиксированный в истории, — взрыв вулкана Кракатау в 1883 году; его слышали за тысячи километров. Некоторые звуки человек не слышит, но ощущает: инфразвук может вызывать тревогу и дискомфорт. Тишина в специальных безэховых камерах настолько необычна, что человек начинает слышать собственное сердцебиение и движение крови.

Источники: учебники по общей физике, справочники по акустике, материалы по психоакустике, энциклопедические издания о звуке и слухе.