Звук: физическая природа и восприятие¶

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение механических колебаний упругой среды (газообразной, жидкой или твёрдой) в виде продольных (в газах и жидкостях) или поперечных (в твёрдых телах) волн, воспринимаемых органами слуха человека и животных. В более узком смысле под звуком понимают субъективное слуховое ощущение, возникающее под воздействием этих колебаний. Звук является одним из основных каналов получения информации об окружающем мире и фундаментальным объектом изучения акустики — науки, исследующей природу, свойства и особенности распространения звуковых волн.

¶Физическая природа и характеристики

Звуковые волны возникают при колебательном движении частиц среды относительно положения равновесия. Источником звука может быть любой объект, совершающий механические колебания: струна, мембрана, столб воздуха в духовом инструменте, голосовые связки человека. Колеблющееся тело создаёт в прилегающей среде зоны сжатия и разрежения, которые последовательно передаются соседним частицам, формируя волну, распространяющуюся со скоростью, зависящей от свойств среды.

Ключевыми объективными характеристиками звука являются:

• Частота — количество колебаний в секунду, измеряемое в герцах (Гц). Человеческое ухо воспринимает колебания в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 000 Гц. Колебания ниже 20 Гц называются инфразвуком, выше 20 кГц — ультразвуком.
• Интенсивность (сила звука) — энергия, переносимая волной через единицу площади за единицу времени. Измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Для практических целей чаще используется уровень интенсивности, выражаемый в децибелах (дБ) — логарифмической шкале, отражающей отношение интенсивности звука к пороговому значению.
• Спектр — совокупность частотных составляющих, образующих данный звук. Различают тоны (периодические колебания одной или нескольких частот), шумы (непериодические колебания со сплошным спектром) и звуковые удары (кратковременные импульсные воздействия).

¶Скорость распространения

Скорость звука зависит от плотности, упругости и температуры среды. В воздухе при температуре 20 °C она составляет приблизительно 343 м/с. В воде звук распространяется быстрее — около 1480 м/с, а в стали — примерно 5000–6000 м/с. В вакууме звуковые волны не распространяются, поскольку отсутствует материальная среда для передачи колебаний.

Скорость звука в газах возрастает с повышением температуры. Это свойство учитывается в аэродинамике: отношение скорости движения объекта к скорости звука в данной среде называется числом Маха. Преодоление звукового барьера сопровождается образованием ударной волны, воспринимаемой на земле как громкий хлопок.

¶Субъективное восприятие звука

Орган слуха человека — ухо — преобразует механические колебания в нервные импульсы, которые обрабатываются в височных долях головного мозга. Слуховая система способна различать огромное количество градаций звука. Субъективными характеристиками восприятия являются:

• Громкость — ощущение силы звука, зависящее не только от интенсивности, но и от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне 2000–5000 Гц, а на низких и очень высоких частотах для достижения той же громкости требуется большая интенсивность.
• Высота — субъективная характеристика, определяемая в первую очередь частотой колебаний. Чем выше частота, тем выше воспринимаемый тон.
• Тембр — окраска звука, позволяющая различать источники одинаковой высоты и громкости. Тембр определяется спектральным составом звука, наличием обертонов и характером их затухания.

Порог слышимости человека составляет около 0 дБ (для тона 1000 Гц), порог болевого ощущения — примерно 120–130 дБ. Длительное воздействие звуков уровнем свыше 85–90 дБ может приводить к необратимой потере слуха.

¶Виды звуков

¶Музыкальные звуки

Музыкальные звуки характеризуются определённой высотой, то есть периодичностью колебаний. Они образуют основу музыки и обладают стабильным спектром, включающим основной тон и кратные ему гармоники (обертоны). Система организации музыкальных звуков по высоте называется звукорядом; в европейской традиции принят равномерно темперированный строй, разделяющий октаву на 12 полутонов.

¶Шумы

Шумы представляют собой непериодические колебания со сложным, непрерывным спектром. К ним относятся звуки ветра, морского прибоя, работающих механизмов, голоса толпы. Шумы не имеют определённой высоты и воспринимаются как гул, шипение, треск или грохот. В технике и экологии шум рассматривается как нежелательный фактор, подлежащий нормированию и снижению.

¶Инфразвук и ультразвук

Инфразвук (ниже 20 Гц) не воспринимается слухом, но может ощущаться как вибрация и вызывать у человека состояние дискомфорта или тревоги. Источниками инфразвука являются землетрясения, штормы, работа крупных промышленных установок.

Ультразвук (выше 20 кГц) широко используется в технике и медицине: для диагностики (УЗИ), очистки поверхностей, сварки, эхолокации. Некоторые животные — дельфины, летучие мыши, киты — используют ультразвук для ориентации в пространстве.

¶Распространение и взаимодействие со средой

При распространении звуковые волны подчиняются законам отражения, преломления, дифракции и поглощения. Отражение звука от препятствий создаёт эхо — повторение звука, приходящее к слушателю с задержкой более 50 миллисекунд. Многократное отражение в замкнутых помещениях формирует реверберацию — постепенное затухание звука после прекращения его источника.

Поглощение звука зависит от свойств среды и частоты: высокие частоты затухают быстрее низких. Этот эффект объясняет, почему отдалённый гром слышен как низкий раскат, а звук приближающегося поезда сначала воспринимается как гул, и лишь вблизи различаются высокочастотные составляющие.

¶Значение звука в природе и технике

В живой природе звук выполняет важнейшие коммуникативные функции: животные используют его для обмена информацией, предупреждения об опасности, привлечения партнёров. Эхолокация позволяет некоторым видам ориентироваться в полной темноте. Звуковые сигналы играют ключевую роль в социальном поведении многих видов, включая приматов и китообразных.

В технике звуковые волны применяются для неразрушающего контроля материалов, гидролокации, сейсморазведки, акустической диагностики механизмов. Запись и воспроизведение звука лежат в основе звукозаписи, радиовещания, кинематографа и телекоммуникаций. В архитектуре и строительстве учитываются акустические свойства помещений для обеспечения комфортной слышимости речи и музыки.

¶Интересные факты

• Самый громкий звук, зафиксированный в истории наблюдений, был вызван извержением вулкана Кракатау в 1883 году; он был слышен на расстоянии более 4800 километров.
• Киты способны общаться на частотах ниже 20 Гц, распространяющих сигнал на сотни километров в океане.
• В космическом пространстве звук не распространяется, однако плазменные волны в солнечном ветре могут преобразовываться в слышимые сигналы при специальной обработке.
• Человеческое ухо различает около 400 000 различных звуков, однако способность к различению высоты ухудшается с возрастом, особенно в области высоких частот.