Звук удара в физике и восприятии¶

Звук удара — акустическое явление, возникающее при кратковременном контакте двух тел, сопровождающемся резким изменением их скоростей и передачей импульса. Представляет собой короткий импульсный сигнал с широким спектром частот, воспринимаемый слухом как щелчок, стук, хлопок или грохот в зависимости от силы, материала и геометрии соударяющихся тел. Звук удара изучается в акустике, механике деформируемого твёрдого тела и психоакустике.

¶Физическая природа

При соударении кинетическая энергия движущегося тела частично переходит в энергию упругих деформаций, а затем — в тепло и акустическое излучение. Колебания, возбуждаемые в материале, распространяются в виде упругих волн: продольных, поперечных и поверхностных. Доля энергии, уходящая в звук, обычно невелика — от долей процента до нескольких процентов, однако именно она определяет громкость.

Длительность удара составляет от долей миллисекунды (удар металла о металл) до десятков миллисекунд (удар мягких тел). Чем короче контакт, тем шире спектр излучаемых частот. Идеально короткий импульс имел бы равномерный спектр; реальные удары дают сигнал с максимумом в области собственных частот соударяющихся тел.

¶Спектр и тембр

Звук удара не имеет выраженной высоты тона, поскольку содержит множество частот одновременно. Воспринимаемый тембр определяется:

• материалом — сталь даёт звонкий высокочастотный отклик, дерево — глухой и короткий, резина — приглушённый;
• массой и размерами — крупные тела излучают более низкие частоты;
• формой — пластины и оболочки имеют набор собственных мод колебаний, придающих звуку характерную «окраску»;
• силой удара — влияет главным образом на громкость, а не на спектральный состав.

Именно совокупность собственных частот позволяет на слух различать, например, удар по стеклу, металлу или керамике.

¶Восприятие человеком

Слуховая система человека определяет направление на источник удара по разнице времени прихода сигнала к двум ушам и по спектральным различиям, вносимым ушной раковиной. Короткие импульсы локализуются хуже, чем протяжённые звуки, поскольку реверберация помещения маскирует прямой сигнал.

Громкость измеряется в децибелах звукового давления. Ориентировочные значения:

Длительное воздействие уровней выше 85 дБ без защиты слуха ведёт к постепенной потере слуха.

¶Применение

Акустическая диагностика использует звук удара для неразрушающего контроля. Метод свободных колебаний и ударного отклика позволяет выявлять трещины, расслоения и пустоты в изделиях: дефект меняет спектр отклика. Так проверяют колёсные пары, лопатки турбин, обшивку летательных аппаратов, рельсы.

В медицине перкуссия — простукивание поверхности тела — применяется для оценки границ органов и наличия полостей с жидкостью или газом. В строительстве и геофизике ударные волны используют в сейсморазведке и при испытаниях свай.

В музыкальной практике ударные инструменты (барабаны, тарелки, ксилофоны) основаны на управлении спектром ударного возбуждения: натяжение мембраны и форма корпуса задают высоту и длительность звучания.

¶Звук удара в технике и быту

В двигателях внутреннего сгорания детонация и стук клапанов распознаются по характерному звуку; акустические датчики позволяют корректировать зажигание. В железнодорожном транспорте стук колёс на стыках долгое время служил естественным счётчиком пути. В быту звук удара используется в сигнализациях, датчиках разбития стекла и охранных системах, реагирующих на вибрацию.

¶Интересные факты

• Скорость звука в стали около 5000 м/с, поэтому удар по длинному рельсу слышен на расстоянии в несколько километров.
• Хлопок при переходе самолёта через звуковой барьер — не «звук удара» о воздух, а следствие ударной волны, возникающей при скачках уплотнения.
• В вакууме звук удара не распространяется, хотя сами тела при соударении колеблются.
• Звон бокала зависит от уровня налитой жидкости: изменение массы меняет собственные частоты.

¶Источники

• Исакович М. А. Общая акустика.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория упругости.
• Алдошина И. А., Приттс Р. Музыкальная акустика.
• Материалы по неразрушающему контролю и технической диагностике.