Звук - Definition. Was ist Звук

Звук

в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах (см. также Упругие волны) в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит З. с частотой от 16 гц до 20 000 гц. Физическое понятие о З. охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. З. с частотой ниже 16 гц называется Инфразвуком, выше 20 000 гц - Ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹ до 10¹²-10¹³ гц относят к Гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена - в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли гц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами, характеризующими атомное и молекулярное строение среды: длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстоянии в жидкостях и в твёрдых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 10⁹ гц и выше, а в твёрдых телах - с частотой более 1012-10¹³ гц.

Основные характеристики звука. Важной характеристикой З. является его спектр, получаемый в результате разложения З. на простые гармонические колебания (т. н. частотный Звука анализ). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. З. со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные З. (рис. 1); основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука (См. Высота звука), а набор гармонических составляющих - Тембр звука. В спектре З. речи (См. Речь) имеются форманты (См. Форманта) - устойчивые группы частотных составляющих, соответствующие определённым фонетическим элементам (рис. 2). Энергетической характеристикой звуковых колебаний является Интенсивность звука - энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность З. зависит от амплитуды звукового давления (См. Звуковое давление), а также от свойств самой среды и от формы волны. Субъективной характеристикой З., связанной с его интенсивностью, является Громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1-5 кгц. В этой области Порог слышимости, т. е. интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна 10^-12вм/м², а соответствующее звуковое давление - 10^-5н/м². Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом З. характеризуется порогом болевого ощущения (См. Порог болевого ощущения), слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вм/м². В ультразвуковой технике достигаются значительно большие интенсивности (до 10⁴ квм/м²).

Источники звука - любые явления, вызывающие местное изменение давления или механическое напряжение. Широко распространены источники З. в виде колеблющихся твёрдых тел (например, диффузоры громкоговорителей и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов; в ультразвуковом диапазоне частот - пластинки и стержни из пьезоэлектрических материалов (См. Пьезоэлектрические материалы) или магнитострикционных материалов (См. Магнитострикционные материалы)). Источниками З. могут служить и колебания ограниченных объёмов самой среды (например, в органных трубах, духовых музыкальных инструментах, свистках и т.п.). Сложной колебательной системой является Голосовой аппарат человека и животных. Возбуждение колебаний источников З. может производиться ударом или щипком (колокола, струны); в них может поддерживаться режим автоколебаний (См. Автоколебания) за счёт, например, потока воздуха (духовые инструменты). Обширный класс источников З. - Электроакустические преобразователи, в которых механические колебания создаются путём преобразования колебаний электрического тока той же частоты. В природе З. возбуждается при обтекании твёрдых тел потоком воздуха за счёт образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром проводов, труб, гребней морских волн. З. низких и инфранизких частот возникает при взрывах, обвалах. Многообразны источники акустических Шумов, к которым относятся применяемые в технике машины и механизмы, газовые и водяные струи. Исследованию источников промышленных, транспортных шумов и шумов аэродинамического происхождения уделяется большое внимание ввиду их вредного действия на человеческий организм и техническое оборудование.

Приёмники звука служат для восприятия звуковой энергии и преобразования её в др. формы. К приёмникам З. относится, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для приёма З. применяются главным образом электроакустические преобразователи: в воздухе - Микрофоны, в воде - Гидрофоны и в земной коре - Геофоны. Наряду с такими преобразователями, воспроизводящими временную зависимость звукового сигнала, существуют приёмники, измеряющие усреднённые по времени характеристики звуковой волны, например Диск Рэлея, Радиометр.

Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука (См. Скорость звука). В газообразных и жидких средах распространяются продольные волны (направление колебательного движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость которых определяется сжимаемостью среды и её плотностью. Скорость З. в сухом воздухе при температуре 0°С составляет 330 м/сек, в пресной воде при 17°С - 1430 м/сек. В твёрдых телах, кроме продольных, могут распространяться поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным распространению волны, а также поверхностные волны (Рэлея волны). Для большинства металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/сек до 7000 м/сек, а поперечных - от 2000 м/сек до 3500 м/сек.

При распространении волн большой амплитуды (см. Нелинейная акустика) фаза сжатия распространяется с большей скоростью, чем фаза разрежения, благодаря чему синусоидальная форма волны постепенно искажается и звуковая волна превращается в ударную волну (См. Ударная волна). В ряде случаев наблюдается Дисперсия звука, т. е. зависимость скорости распространения от частоты. Дисперсия З. приводит к изменению формы сложных акустических сигналов, включающих ряд гармонических составляющих, в частности - к искажению звуковых Импульсов. При распространении звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции и дифракции. В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде велик по сравнению с длиной волны, распространение звука подчиняется обычным законам отражения и преломления волн и может рассматриваться с позиций геометрической акустики (См. Геометрическая акустика).

При распространении звуковой волны в заданном направлении происходит постепенное её затухание, т. е. уменьшение интенсивности и амплитуды. Знание законов затухания практически важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала. Затухание обусловливается рядом факторов, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от характеристик самого звука (и в первую очередь, его частоты) и от свойств среды. Все эти факторы можно подразделить на две большие группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового распространения в среде. Так, при распространении в неограниченной среде З. от источника конечных размеров интенсивность его убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению её в первоначальном направлении, например рассеяние З. на пузырьках в воде, на взволнованной поверхности моря, в турбулентной атмосфере (см. Турбулентность), рассеяние высокочастотного ультразвука в поликристаллических металлах, на дислокациях (См. Дислокации) в кристаллах. На распространение З. в атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т. е. рефракцию З., которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру З. слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости З. с глубиной в океане объясняет наличие т. н. подводного звукового канала, в котором наблюдается сверхдальнее распространение З., например З. взрыва распространяется в таком канале на расстояние более 5000 км.

Вторая группа факторов, определяющих затухание З., связана с физическими процессами в веществе - необратимым переходом звуковой энергии в др. формы (главным образом в тепло), т. е. с поглощением звука (См. Поглощение звука), обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды ("классическое поглощение"), а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов (молекулярное или релаксационное поглощение). Поглощение З. заметно возрастает с частотой. Поэтому высокочастотный ультразвук и гиперзвук распространяются, как правило, лишь на очень малые расстояния, часто всего на несколько см. В атмосфере, в водной среде и в земной коре дальше всего распространяются инфразвуковые волны, отличающиеся малым поглощением и слабо рассеиваемые. На высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах в твёрдом теле возникает дополнительное поглощение, обусловленное взаимодействием волны с тепловыми колебаниями кристаллической решётки, с электронами и со световыми волнами. Это взаимодействие при определённых условиях может вызвать и "отрицательное поглощение", т. е. усиление звуковой волны.

Значение звуковых волн, а следовательно, и их изучение, которым занимается Акустика, чрезвычайно велико. С давних пор З. служит средством связи и сигнализации. Изучение всех его характеристик позволяет разработать более совершенные системы передачи информации, повысить дальность систем сигнализации, создать более совершенные музыкальные инструменты. Звуковые волны являются практически единственным видом сигналов, распространяющихся в водной среде, где они служат для целей подводной связи, навигации, локации (см. Гидроакустика). Низкочастотный звук является инструментом исследования земной коры. Практическое применение ультразвука создало целую отрасль современной техники - ультразвуковую технику. Ультразвук используется как для контрольно-измерительных целей (в частности, в дефектоскопии (См. Дефектоскопия)), так и для активного воздействия на вещество (ультразвуковая очистка, механическая обработка, сварка и т.п.). Высокочастотные звуковые волны и особенно гиперзвук служат важнейшим средством исследований в физике твёрдого тела.

Лит.: Стретт Д ж. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 1-2, М., 1955; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твёрдых телах, 3 изд., М., 1960; Розенберг Л. Д., Рассказ о неслышимом звуке, М., 1961.

И. П. Голямина.

Рис. 1 (слева). Частотно-амплитудные спектры звуков музыкальных инструментов: а - скрипки (звук ля первой октавы, основная частота 426 гц); б - скрипки (звук ми второй октавы, основная частота 640 гц); в - деревянной флейты (звук ми второй октавы, основная частота 106 гц); г - тромбона (звук ми бемоль первой октавы, основная частота 306 гц).

Рис. 2 (справа). Частотно-амплитудные спектры гласных "о", "а", "и".

Звук

Звук - учение о З. - акустика. Мы отличаем шум от тона. Притом ещевсякий З. характеризируется высотою, силою и оттенком. Каков бы ни былисточник З., можно различными приемами не только доказать, что звучащеетело находится в состоянии колебательного движения, но и определитьчисло колебаний его в одну секунду. Это можно сделать: 1) графическимспособом, сосчитав число зигзагов, образованных на поверхностивращающегося цилиндра в известный промежуток времени каким либо легкимострием, прикрепленным к звучащему телу; 2) акустическим способом, припомощи так называемой сирены Каньяра-Латура, зубчатого колеса Савара,монохорда, сонометра Шейблера и т. п.; 3) оптическим способом Лиссажу,манометрическими огоньками Кёнига и т. д. Высота З. зависит от числаколебаний. Пределы слышимых колебаний для различных лиц и условийнеодинаковы. Самым низшим З. соответствуют числа колебаний от 10 до 28 в1 секунду, а самым высоким - от 30000 до 40000. Интервал,соответствующий двум тонам, из которых один обладает числом колебаний в2 раза большим, нежели другой, называется октавой; отношения же междучислами колебаний 3:2, 4:3, 5:4, 6:5 соответствуют последовательноинтервалам квинте, кварте, большой и малой терциям. Трезвучие мажорногоаккорда состоит из примы 1, большой терции 5/4 и квинты 3/2; минорныйаккорд составляют интервалы 1, 6/5 и 3/2. Интервалы мажорной гаммы : 19/8 5/4 4/3 8/5 5/3 15/8 2. Интервалы минорной гаммы: 1 9/8 6/5 4/3 3/28/5 9/5 2. Тоны, числа колебали которых по отношению к некоторомуосновному тону 1 образуют последовательно ряд 2, 3, 4, 5 и т. д.,называются высшими гармоническими тонами (или обертонами) относительноосновного тона. Оттенок З. или тембр зависит именно от того, что во всяком З. вообщеосновной тон сопровождается в большем или меньшем числе высшимигармоническими тонами. Так, звучащая струна колеблется не только простоцеликом, но и каждая ее часть в большей или меньшей степени колеблетсяотдельно, усложняя, таким образом, общую форму колебания струны, отчего, следовательно, и должен зависеть оттенок З. Эти сложные колебанияструны можно наблюдать и изучать при помощи вибрационного микроскопаГельмгольца. От числа и силы высших тонов, примешанных к основному тону,зависят и гласные З. человеческого голоса. сила З. в данном месте есть количество звуковой энергии, проходящей вединицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлениюраспространения З. На основании этого определения можно вывести формулу: Е = 2p2rwа2N2, в которой r есть плотность среды, w скоростьраспространения З., a амплитуда колебаний, N число колебаний в 1секунду. Отсюда следует, что при постоянном N сила З. пропорциональнаквадрату амплитуды колебаний и произведению из плотности среды наскорость распространения в ней З. Кроме того сила З. обратнопропорциональна квадратам расстояния данного места от источника З.Некоторая часть З. энергии должна также тратиться в среде на внутреннеетрение и преобразовываться в теплоту. Что звукопроводность различных телнеодинакова, можно убедиться простыми опытами. В пустом (безвоздушном)пространстве З. вовсе не распространяется. В водороде - весьма слабо.Жидкости и твердые тела гораздо лучше проводят З., нежели газы. К лучшимпроводникам З. принадлежат стекло, сталь, дерево. Между металлами худшийпроводник - свинец. Дерево значительно лучше проводит З. вдоль волокон,нежели поперек их. Мягкая резина, сердцевина бузины относятся к самымхудым проводникам З. Опытами доказано, что можно считатьзвукопроводность (подобно электропроводности) прямо пропорциональноюплощади поперечного сечения тела и обратно пропорциональною длине его. Скорость З. в свободном воздухе, на основании более точныхнаблюдений, равняется 332,5 метрам при 0°. Вычисление дает тоже самое изформулы: (где р упругость, D плотность воздуха и есть отношение теплоемкостейвоздуха при постоянном давлении и при постоянном объеме. Затем gускорение тяжести, d плотность ртути, a коэффициент расширения воздуха,t температура, d плотность сухого воздуха при 0° и 76 с. м. давления, fупругость водяных паров в воздухе и h барометрическая высота). Сповышением температуры скорость З. возрастает. Она не зависит ни отвысоты, ни от силы З. Скорость З. в трубах меньше, чем в свободномвоздухе, в особенности в трубах или каналах малого поперечника. СкоростьЗ. в воде, по опытам Колладона и Штурма, 1435 м. При +8°. В твердыхтелах, хорошо проводящих З., скорость З. еще значительнее. Так в стекле,алюминии, стали - ок. 5200 м.; в чугуне 4300 м., в меди 3750 м.; всвинце же гораздо меньше, именно 1200 м. В каучуке (резине) - изолятореЗ. - скорость З. раз в 10 меньше, нежели в воздухе. В дереве, вообще,скорость З. почти такая же, как в металлах, притом она больше понаправлению волокон (фибр). Так, напр., в ели скорость З. вдоль волоковв 2,2 раза больше, чем поперек; в сосне - в 1,6 раза больше; в дубе - в1,36 раза.

Was (wer) ist Звук - definition

Wikipedia