Звук — физическая природа, свойства и восприятие¶
Звук — это механические колебания и волны упругой среды (газа, жидкости, твёрдого тела), способные восприниматься слуховым аппаратом человека и животных. В физике под звуком понимают упругие волны с частотами примерно от 16 до 20 000 Гц, которые в среде с постоянными свойствами распространяются с ограниченной скоростью и несут энергию. Диапазон, воспринимаемый человеческим ухом, называют слышимым диапазоном; колебания с частотой ниже 16 Гц относят к инфразвуку, выше 20 000 Гц — к ультразвуку.
¶Природа звука
Звук относится к механическим волнам, то есть для его существования необходима среда. В вакууме звук не распространяется. При возникновении колебания источник (струна, голосовые связки, динамик) передаёт энергию соседним частицам среды, и в ней образуется волна, в которой последовательно чередуются участки сжатия (компрессии) и разрежения (разрежения). Частицы среды колеблются вокруг положения равновесия, перенося не вещество, а энергию и импульс.
По характеру распространения различают продольные волны (частицы колеблются вдоль направления распространения — так звук идёт в воздухе и жидкостях) и поперечные (в твёрдых телах возможны оба типа; поперечные волны не распространяются в газах).
¶Основные характеристики звука
Колебательные процессы описываются несколькими физическими величинами:
| Величина | Обозначение | Единица СИ | Описание |
|---|---|---|---|
| Частота | f | герц (Гц) | Число колебаний в секунду; определяет высоту тона |
| Период | T | секунда (с) | Время одного полного колебания; T = 1/f |
| Амплитуда | A | метр (м) | Максимальное отклонение частицы от положения равновесия; связана с громкостью |
| Длина волны | λ | метр (м) | Расстояние между соседними гребнями; λ = v/f |
| Скорость звука | v | м/с | Зависит от среды и температуры |
| Интенсивность | I | Вт/м² | Энергия, переносимая волной через единицу площади за единицу времени |
Высота тона субъективно соответствует частоте: чем выше частота, тем выше звук. Громкость зависит от интенсивности и амплитуды колебаний и измеряется в децибелах (дБ) как уровень интенсивности или звукового давления.
¶Скорость звука
Скорость звука определяется свойствами среды — её упругостью и плотностью. В воздухе при температуре 0 °C скорость звука составляет примерно 331 м/с; при повышении температуры на каждый градус скорость возрастает примерно на 0,6 м/с. В воде звук распространяется со скоростью около 1400–1500 м/с, в стали — около 5000–6000 м/с. Звук не может распространяться вакууме, поскольку для его переноса необходима среда.
¶Слышимый диапазон и восприятие
Человеческое ухо воспринимает колебания с частотами примерно от 16 до 20 000 Гц. Верхняя граница с возрастом снижается. Звуки ниже 16 Гц называются инфразвуком — они воспринимаются не слухом, а ощущаются вибрацией тела. Звуки выше 20 000 Гц — ультразвук — не слышны человеком, но используются в технике и медицине (ультразвуковая диагностика, навигация летучих мышей, дефектоскопия).
Слуховой аппарат преобразует механические колебания в нервные импульсы: звуковая волна попадает в наружный слуховой проход, вызывает колебания барабанной перепонки, которые через цепочку слуховых косточек передаются на мембрану овального окна, а затем к улитке. В улитке колебания жидкости возбуждают волосковые клетки, превращая механическое воздействие в электрические сигналы, которые по слуховому нерву поступают в мозг.
¶Классификация звуков
По спектральному составу различают:
- тональные звуки — имеют выраженный основной тон (например, звучание камертона);
- шумы — нерегулярные колебания со сплошным спектром (шум ветра, стук);
- щелчки — короткие одиночные импульсы.
По происхождению звуки делят на речь, музыку и шумы. Речь и музыка представляют собой сложные периодические сигналы с богатой гармонической структурой.
¶Применение
Знание законов звука используется в акустике — науке о механических волнах в упругих средах. Акустика применяется при проектировании концертных залов, студий звукозаписи, шумозащитных ограждений, в речевой терапии, гидроакустике (подводная навигация, поиск объектов) и приборостроении. Ультразвук и инфразвук, выходящие за пределы слышимого диапазона, нашли применение в медицине, промышленной дефектоскопии, метеорологии и военном деле.
¶Основные формулы
Для расчётов, типичных для школьного курса физики (ОГЭ), используются соотношения:
- λ = v · T = v / f;
- v = s / t;
- уровень интенсивности: L = 10 · lg(I / I₀), где I₀ = 10⁻¹² Вт/м² — порог слышимости.
Источники:
- Физика. 8 класс. Учебник для общеобразовательных организаций / Пёрышкин А. В. — М.: Дрофа.
- Физика. 8 класс. Учебник / Романов И. В., Ройзен И. И. — М.: Просвещение.
- Гранберг Г. Г. Курс общей физики. Том 1. Механика. Колебания и волны.
- Большая советская энциклопедия. Статья «Звук».
- Энциклопедический словарь юного физика / Кулаев М. Ф. — М.: Педагогика.