Специфическое ощущение, воспринимаемое нами как звук, является результатом воздействия на слуховой аппарат человека колебательного движения упругой среды - чаще всего воздуха. Колебания среды возбуждаются источником звука и, распространяясь в среде, доходят до приемного аппарата - нашего уха. Таким образом, бесконечное разнообразие слышимых нами звуков вызывается колебательными процессами, различающимися друг от друга частотой и амплитудой. Не следует смешивать две стороны одного и того же явления: звук как физический процесс представляет собой частный случай колебательного движения; в качестве же психо-физиологического явления звук есть некоторое специфическое ощущение, мехайизм возникновения которого изучен в настоящее время довольно подробно.
Говоря о физической стороне явления, мы характеризуем звук его интенсивностью (силой), его составом и частотой связанных с ним колебательных процессов; имея же в виду звуковые ощущения, мы говорим о громкости, о тембре, о высоте звука.
В твердых телах звук может распространяться как в виде продольных, так и в виде поперечных колебаний. Поскольку жидкости и газы не имеют упругости сдвига, очевидно, что в газообразной и в жидкой средах звук может распространяться только в виде продольных колебаний. В газах и в жидкостях звуковые волны представляют собой чередующиеся сгущения и разрежения среды, удаляющиеся от источника звука с определенной характерной для каждой среды скоростью. Поверхностью звуковой волны является геометрическое место частиц среды, имеющих одинаковую фазу колебаний. Поверхности звуковых волн можно провести, например, так, чтобы между поверхностями соседних волн заключались слой сгущения и слой разрежения. Направление, перпендикулярное к поверхности волны, называют лучом.
Звуковые волны в газообразной среде могут быть сфотографированы. Для этой цели за источником звука помещают
фотографическую пластинку, на которую спереди направляют пучок света от электрической искры так, чтобы эти лучи от мгновенной вспышки света падали на фотопластинку, пройдя через воздух, окружающий источник звука. На рис. 158-160 приведены полученные по указанному способу фотографии звуковых волн. Источник звука был отделен от фотопластинки небольшим экранчиком на подставке.
На рис. 158, а видно, что звуковая волна только что вышла из-за экрана; на рис. 158, б та же волна заснята вторично спустя несколько тысячных долей секунды. Поверхностью волны в данном случае является сфера. На фотографии изображение волны получается в виде окружности, радиус которой со временем увеличивается.
Рис. 158. Фотография звуковой волны в два момента времени (а и б). Отражение звуковой волны (в).
На рис. 158, в приведена фотография звуковой сферической волны, отраженной от плоской стенки. Здесь следует обратить внимание на то, что отраженная часть волны как бы исходит из точки, находящейся за отражающей поверхностью на таком же расстоянии от отражающей поверхности, как и источник звука. Общеизвестно, что явлением отражения звуковых волн объясняется эхо.
На рис. 159 показано изменение волновой поверхности при прохождении звуковой волны через линзообразный мешочек, наполненный водородом. Это изменение поверхности звуковой волны является следствием преломления (рефракции) звуковых лучей: у поверхности раздела двух сред, где скорость волн различна, направление распространения волны изменяется.
Рис. 160 воспроизводит фотографию звуковых волн, на пути распространения которых поставлен экран с четырьмя щелями. Проходя через щели, волны огибают экран. Это явление огибания волнами встреченных препятствий называют дифракцией.
Законы распространения, отражения, преломления и дифракции звуковых волн могут быть выведены из принципа Гюйгенса, согласно которому каждая приведенная в колебание частица
среды может рассматриваться как новый центр (источник) волн; интерференция всех этих волн дает наблюдаемую в действительности волну (способы применения принципа Гюйгенса будут пояснены в третьем томе на примере световых волн).
Звуковые волны несут с собой некоторое количество движения и вследствие этого оказывают давление на встречаемые ими препятствия.
Рис. 159. Преломление звуковой волны.
Рис. 160. Дифракция звуковых волн.
Для пояснения этого факта обратимся к рис. 161. На этом рисунке пунктиром изображена синусоида смещений частиц среды в некоторый момент времени при распространении в среде продольных волн. Скорости этих частиц в рассматриваемый момент времени изобразятся косинусоидой, или, что то же, синусоидой, опережающей синусоиду смещений на четверть периода (на рис. 161 - сплошная линия). Нетрудно сообразить, что сгущения среды будут наблюдаться там, где в данный момент смещение частиц равно нулю или близко к нулю и где скорость направлена в сторону распространения волн. Наоборот, разрежения среды будут наблюдаться там, где смещение частиц тоже равно нулю или близко к нулю, но где скорость частиц направлена в сторону, противоположную распространению волн. Итак, в сгущениях частицы движутся вперед, в разрежениях - назад. Но в
Рис. 161. В сгущениях проходящей звуковой волны частицы движутся вперед,
сгущенных слоях находится большее число частиц, чем в разрежениях. Таким образом, в любой момент времени в бегущих продольных звуковых волнах число частиц, движущихся вперед, несколько превышает число частиц, движущихся назад. Вследствие этого звуковая волна несет с собой некоторое количество движения, что и проявляется в давлении, которое звуковые волны оказывают на встречаемые ими препятствия.
Экспериментально давление звука было исследовано Рэлеем и Петром Николаевичем Лебедевым.
Теоретически скорость звука определяется формулой Лапласа [§ 65, формула (5)]:
где К - модуль всесторонней упругости (когда сжатие производится без притока и отдачи тепла), плотность.
Если сжатие тела производить, поддерживая температуру тела постоянной, то для модуля упругости получаются величины меньшие, чем в том случае, когда сжатие производится без притока и отдачи тепла. Эти два значения модуля всесторонней упругости, как доказывается в термодинамике, относятся так, как теплоемкость тела при постоянном давлении к теплоемкости тела при постоянном объеме.
Для газов (не слишком сжатых) изотермический модуль всесторонней упругости равен просто давлению газа Если, не изменяя температуры газа, мы сожмем газ (увеличим его плотность) в раз, то и давление газа возрастет в раз. Следовательно, по формуле Лапласа получается, что скорость звука в газе не зависит от плотности газа.
Из газовых законов и формулы Лапласа можно вывести (§ 134), что скорость звука в газах пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газа:
где ускорение силы тяжести, отношение темплоемкостей универсальная газовая постоянная.
При С скорость звука в сухом воздухе равна при средних температурах и средней влажности скорость звука В воздухе считают равной Скорость звука в водороде при равен
В воде скорость звука составляет в стекле в железе
Следует заметить, что ударные звуковые волны, вызываемые выстрелом или взрывом, в начале своего пути имеют скорость,
значительно превосходящую нормальную скорость звука в данной среде. Ударная звуковая волна в воздухе, вызванная сильным взрывом, может иметь вблизи источника звука скорость, в несколько раз превосходящую нормальную скорость звука в воздухе, но уже на расстоянии десятков метров от места взрыва скорость распространения волны уменьшается до нормальной величины.
Как уже упоминалось в § 65, звуковые волны разной длины имеют практически одинаковую скорость. Исключение составляют те области частот, для которых характерно особенно быстрое затухание упругих волн при их распространении в рассматриваемой среде. Обычно эти частоты лежат далеко за пределами слышимости (для газов при атмосферном давлении - это частоты порядка колебаний в секунду). Теоретический анализ показывает, что дисперсия и поглощение звуковых волн связаны с тем, что для перераспределения энергии между поступательным и колебательным движениями молекул требуется некоторое, хотя и малое, время. Это приводит к тому, что длинные волны (волны звукового диапазона) движутся несколько медленнее, чем очень короткие «неслышимые» волны. Так, в парах углекислоты при и атмосферном давлении звук имеет скорость тогда как весьма короткие, «неслышимые», волны распространяются со скоростью
Звуковая волна, распространяясь в среде, может иметь различную форму, зависящую от размеров и формы источника звука. В случаях, технически наиболее интересных, источник звука (излучатель) представляет собой некоторую колеблющуюся поверхность, - таковы, например, мембрана телефона или диффузор громкоговорителя. Если такой источник звука излучает звуковые волны в открытое пространство, то форма волны существенным образом зависит от относительных размеров излучателя; излучатель, размеры которого велики сравнительно с длиной звуковой волны, излучает звуковую энергию в одном только направлении, именно в направлении своего колебательного движения. Напротив, излучатель малого сравнительно с длиной волны размера излучает звуковую энергию по всем направлениям. Форма волнового фронта в том и другом случаях будет, очевидно, различной.
Рассмотрим сначала первый случай. Представим себе жесткую плоскую поверхность достаточно большого (сравнительно с длиной волны) размера, совершающую колебательное движений в направлении своей нормали. Двигаясь вперед, такая поверхность создает перед собой сгущение, которое благодаря упругости среды будет распространяться в направлении смещения излучателя). Двигаясь обратно, излучатель создает за собой разрежение, которое будет перемещаться в среде вслед за начальным сгущением. Недлительном колебании излучателя мы будем наблюдать по обе стороны от него звуковую волну, характеризующуюся тем, что все частицы среды, находящиеся на равном расстоянии от излучающей поверхности средней плотности среды и скорости звука с:
Произведение средней плотности среды на скорость звука, называют акустическим сопротивлением среды.
Акустические сопротивления при 20° С
(см. скан)
Рассмотрим теперь случай сферических волн. Когда размеры излучающей поверхности становятся малыми сравнительно с длиной волны, волновой фронт заметно искривляется. Это происходит потому, что энергия колебаний распространяется по всем направлениям от излучателя.
Явление можно лучше всего понять на следующем простом примере. Представим себе, что на поверхность воды упало длинное бревно. Возникшие благодаря этому волны идут параллельными рядами в обе стороны от бревна. Иначе обстоит дело в том случае, когда в воду брошен небольшой камень, - при этом волны распространяются концентрическими кругами. Бревно велико сравнительно
с длиной волны на поверхности воды; идущие от него параллельные ряды волн представляют собой наглядную модель плоских волн. Камень же имеет небольшие размеры; расходящиеся от места его падения круги дают нам модель сферических волн. При распространении сферической волны поверхность волнового фронта возрастает пропорционально квадрату его радиуса. При постоянной мощности источника звука энергия, протекающая через каждый квадратный сантиметр сферической поверхности радиуса обратно пропорциональна Так как энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, то ясно, что амплитуда колебаний в сферической волне должна убывать как величина, обратная первой степени расстояния от источника звука. Уравнение сферической волны имеет, следовательно, такой вид:
Данный урок освещает тему «Звуковые волны». На этом уроке мы продолжим изучать акустику. Вначале повторим определение звуковых волн, затем рассмотрим их частотные диапазоны и познакомимся с понятием ультразвуковых и инфразвуковых волн. Мы также обсудим свойства, присущие звуковым волнам в различных средах, и узнаем, какие им присущи характеристики.
Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1).
Рис. 1. Звуковая волна
Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).
Рис. 2. Распространение звуковой волны
К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .
Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).
Рис. 3. Диапазоны звуковых волн
Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.
Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.
Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком .
Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.
Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией .
Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.
Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.
Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.
Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).
Рис. 4. Применение инфразвука
Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).
Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах
Обратите внимание: в воздухе скорость звука при равна , при скорость увеличивается на . Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания. Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее: 
(рис. 6).
Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны
Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.
Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).
Рис. 7. Музыкальные тоны
У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.
Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.
Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука . Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).
Рис. 8. Громкость звука
При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .
Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого - высота . От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).
Рис. 9. Высота звука
Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.
Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр . Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.
Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
- Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.
- Интернет-портал «eduspb.com» ()
- Интернет-портал «msk.edu.ua» ()
- Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()
Домашнее задание
- Как распространяется звук? Что может служить источником звука?
- Может ли звук распространяться в космосе?
- Всякая ли волна, достигшая органа слуха человека, воспринимается им?
Данный урок освещает тему «Звуковые волны». На этом уроке мы продолжим изучать акустику. Вначале повторим определение звуковых волн, затем рассмотрим их частотные диапазоны и познакомимся с понятием ультразвуковых и инфразвуковых волн. Мы также обсудим свойства, присущие звуковым волнам в различных средах, и узнаем, какие им присущи характеристики.
Звуковые волны – это механические колебания, которые, распространяясь и взаимодействуя с органом слуха, воспринимаются человеком (рис. 1).
Рис. 1. Звуковая волна
Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).
Рис. 2. Распространение звуковой волны
К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .
Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).
Рис. 3. Диапазоны звуковых волн
Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.
Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.
Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком .
Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.
Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией .
Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.
Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.
Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.
Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).
Рис. 4. Применение инфразвука
Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).
Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах
Обратите внимание: в воздухе скорость звука при равна , при скорость увеличивается на . Если вы исследователь, то вам могут пригодиться такие знания. Вы, может быть, даже придумаете какой-нибудь температурный датчик, который будет фиксировать расхождения температуры путем изменения скорости звука в среде. Мы уже знаем, что чем плотнее среда, чем более серьезное взаимодействие между частицами среды, тем быстрее распространяется волна. Мы в прошлом параграфе обсудили это на примере сухого и воздуха влажного воздуха. Для воды скорость распространения звука . Если создать звуковую волну (стучать по камертону), то скорость ее распространения в воде будет в 4 раза больше, чем в воздухе. По воде информация дойдет быстрее в 4 раза, чем по воздуху. А в стали и того быстрее: (рис. 6).
Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны
Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.
Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).
Рис. 7. Музыкальные тоны
У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.
Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.
Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука . Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).
Рис. 8. Громкость звука
При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .
Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого - высота . От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).
Рис. 9. Высота звука
Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.
Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр . Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.
Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.
Список литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. - 2-е издание передел. - X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. - 464 с.
- Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2009. - 300 с.
- Интернет-портал «eduspb.com» ()
- Интернет-портал «msk.edu.ua» ()
- Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()
Домашнее задание
- Как распространяется звук? Что может служить источником звука?
- Может ли звук распространяться в космосе?
- Всякая ли волна, достигшая органа слуха человека, воспринимается им?
Звук представляет собой звуковые волны, которые вызывают колебания мельчайших частиц воздуха, других газов, а также жидких и твердых сред. Звук может возникать только там, где есть вещество, не важно, в каком агреатном состоянии оно находится. В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Например, в космосе. Звук может модифицироваться, видоизменяться, превращаясь в иные формы энергии. Так, звук, преобразованный в радиоволны или в электрическую энергию, можно передавать на расстояния и записывать на информационные носители.
Звуковая волна
Движения предметов и тел практически всегда становятся причиной колебаний окружающей среды. Не важно, вода это или воздух. В процессе этого частицы среды, которой передаются колебания тела, также начинают колебаться. Возникают звуковые волны. Причем движения осуществляются в направлениях вперед и назад, поступательно сменяя друг друга. Поэтому звуковая волна является продольной. Никогда в ней не возникает поперечного движения вверх и вниз.
Характеристики звуковых волн
Как и любое физическое явление, они имеют свои величины, при помощи которых можно описать свойства. Основные характеристики звуковой волны - это ее частота и амплитуда. Первая величина показывает, какое количество волн образуется за секунду. Вторая определяет силу волны. Низкочастотные звуки имеют низкие показатели частоты, и наоборот. Частота звука измеряется в Герцах, и если она превышает 20 000 Гц, то возникает ультразвук. Примеров низкочастотных и высокочастотных звуков в природе и окружающем человека мире достаточно. Щебетание соловья, раскаты грома, грохот горной реки и другие - это все разные звуковые частоты. Значение амплитуды волны напрямую зависит от того, насколько звук громок. Громкость же, в свою очередь, уменьшается по мере удаления от источника звука. Соответственно, и амплитуда тем меньше, чем дальше от эпицентра находится волна. Другими словами, амплитуда звуковой волны уменьшается при удалении от источника звука.
Скорость звука
Этот показатель звуковой волны находится в прямой зависимости от характера среды, в которой она распространяется. Значимую роль здесь играют и влажность, и температура воздуха. В средних погодных условиях скорость звука составляет приблизительно 340 метров в секунду. В физике существует такое понятие, как сверхзвуковая скорость, которая всегда по значению больше, чем скорость звука. С такой скоростью распространяются звуковые волны при движении самолета. Самолет движется со сверхзвуковой скоростью и даже обгоняет звуковые волны, создаваемые им. Вследствие давления, постепенно увеличивающегося позади самолета, образуется ударная звуковая волна. Интересна и мало кому известна единица измерения такой скорости. Называется она Мах. 1 Мах равен скорости звука. Если волна движется со скоростью 2 Маха, значит, она распространяется в два раза быстрее, чем скорость звука.
Шумы
В повседневной жизни человека присутствуют постоянные шумы. Измеряется уровень шума в децибелах. Движение автомобилей, ветер, шелест листвы, переплетение голосов людей и другие звуковые шумы являются нашими спутниками ежедневно. Но к таким шумам слуховой анализатор человека имеет возможность привыкать. Однако существуют и такие явления, с которыми даже приспособительные способности человеческого уха не могут справиться. Например, шум, превышающий 120 дБ, способен вызвать ощущение боли. Самое громкое животное - синий кит. Когда он издает звуки, его можно услышать на расстоянии более 800 километров.
Эхо
Как возникает эхо? Здесь все очень просто. Звуковая волна имеет способность отражаться от разных поверхностей: от воды, от скалы, от стен в пустом помещении. Эта волна возвращается к нам, поэтому мы слышим вторичный звук. Он не такой четкий, как первоначальный, поскольку некоторая энергия звуковой волны рассеивается при движении до преграды.
Эхолокация
Отражение звука используется в различных практических целях. Например, эхолокация. Она основана на том, что с помощью ультразвуковых волн можно определить расстояние до объекта, от которого эти волны отражаются. Расчеты осуществляются при измерении времени, за которое ульразвук доберется до места и вернется обратно. Способностью к эхолокации обладают многие животные. Например, летучие мыши, дельфины используют ее для поиска пищи. Другое применение эхолокация нашла в медицине. При исследованиях с помощью ультразвука образуется картинка внутренних органов человека. В основе такого метода находится то, что ультразвук, попадая в отличную от воздуха среду, возвращается обратно, формируя таким образом изображение.
Звуковые волны в музыке
Почему музыкальные инструменты издают те или иные звуки? Гитарные переборы, наигрыши пианино, низкие тона барабанов и труб, очаровывающий тонкий голосок флейты. Все эти и многие другие звуки возникают по причине колебаний воздуха или, другими словами, из-за появления звуковых волн. Но почему звучание музыкальных инструментов настолько разнообразное? Оказывается, это зависит от некоторых факторов. Первое - это форма инструмента, второе - материал, из которого он изготовлен.
Рассмотрим это на примере струнных инструментов. Они становятся источником звука, когда на струны воздействуют касанием. Вследствие этого они начинают производить колебания и посылать в окружающую среду разные звуки. Низкий звук какого-либо струнного инструмента обусловлен большей толщиной и длиной струны, а также слабостью ее натяжения. И наоборот, чем сильнее натянута струна, чем она тоньше и короче, тем более высокий звук получается в результате игры.
Действие микрофона
Оно основано на преобразовании энергии звуковой волны в электрическую. В прямой зависимости при этом находятся сила тока и характер звука. Внутри любого микрофона расположена тонкая пластина, выполненная из металла. При воздействии звуком она начинает совершать колебательные движения. Спираль, с которой соединена пластинка, также вибрирует, в результате чего возникает электрический ток. Почему он появляется? Это связано с тем, что в микрофоне также встроены магниты. При колебаниях спирали между его полюсами и образуется электрический ток, который идет по спирали и далее - на звуковую колонку (громкоговоритель) или к технике для записи на информационный носитель (на кассету, диск, компьютер). Кстати, аналогичное строение имеет микрофон в телефоне. Но как действуют микрофоны на стационарном и мобильном телефоне? Начальная фаза одинакова для них - звук человеческого голоса передает свои колебания на пластинку микрофона, далее все по описанному выше сценарию: спираль, которая при движении замыкает два полюса, создается ток. А что дальше? Со стационарным телефоном все более-менее понятно - как и в микрофоне, звук, преобразованный в электрический ток, бежит по проводам. А как же обстоит дело с сотовым телефоном или, например, с рацией? В этих случаях звук превращается в энергию радиоволн и попадает на спутник. Вот и все.
Явление резонанса
Иногда создаются такие условия, когда амплитуда колебаний физического тела резко возрастает. Это происходит вследствие сближения значений частоты вынужденных колебаний и собственной частоты колебаний предмета (тела). Резонанс может приносить как пользу, так и вред. Например, чтобы вызволить машину из ямки, ее заводят и толкают взад-вперед для того, чтобы вызвать резонанс и придать автомобилю инерцию. Но бывали и случаи негативного последствия резонанса. К примеру, в Петербурге приблизительно сто лет назад рухнул мост под синхронно шагающими солдатами.
У любого явления в нашем Мире, есть какие-либо количественные и качественные показатели, которые можно измерить, а значит изменить, получив предсказуемые, в большинстве случаев, последствия. И звук не стал исключением из правил!
Для него действуют те же параметры и показатели, что и для окружающего мира. Изучением этих параметров и показателей занимается наука «Акустика».
Звуковые колебания графически можно представить в виде графика движения тела, которое порождает звук.
Если речь идёт о динамике, который воспроизводит звук, то график будет отображать движение диффузора. Если речь о струне, то график колебания струны. Если какой-либо духовой инструмент, то график колебания воздуха внутри трубки инструмента и т. д.
Чтобы описать такое явление, как звук, надо сперва понять – а что мы, собственно, слышим.
- Ну, во-первых – громкость, мы различаем громкие и тихие звуки.
- Во-вторых, звуковысотность, мы различаем звуки из которых складывается мелодия.
- В-третьих, мы воспринимаем изменение громкости отдельных звуков.
- В-четвёртых, мы различаем звук одного инструмента от другого, например, пианино от гитары, слышим их уникальный тембр.
Чтобы понять, как всё это работает, надо представить для себя всю картину.
Рассмотрим график движения диффузора в динамике.
Стоит оговориться, что он не может воспроизвести два звука одновременно, он движется линейно, в определённых пределах.
У движения диффузора есть амплитуда:
Грубо говоря – это расстояние на которое он может отклониться из состояния покоя.
Когда он воспроизводит аудиосигнал, он движется в этих пределах:
При движении он создаёт напряжение в воздухе, то сжимая его, то разряжая поочерёдно. Это воздействие диффузора на воздух, создаёт в воздухе «звуковое давление». Если сила сигнала, приходящего в динамик увеличивается, то амплитуда движения диффузора увеличивается:
Вслед за амплитудой увеличивается и скорость движения диффузора, так как большее расстояние ему нужно пройти за одно и то же время – волна-то одна, амплитуды разные. Так как увеличилась скорость, то, получается, что диффузор быстрее сжимает и разряжает воздух, а если воздух сжимается быстрее, то и давление, которое возникает в воздухе, становится больше. Соответственно, доходя до наших ушей, воздух сильнее раскачивает барабанную перепонку, от этого, возбуждение нервов становится больше и мы воспринимаем, что звук стал громче. Такие вот дела.
Из этого же примера можно заметить, что, не смотря на то, что амплитуда волны увеличилась, временные отрезки для обеих волн одинаковы, это обусловлено «частотой колебания», следующим параметром, который мы можем слышать. По сути, частота колебания – это звуковысотность, именно этот параметр отвечает за то, каким мы слышим звук – высоким или низким. Чем частота больше, тем и звук, который мы слышим, – выше, чем частота меньше, тем и звук ниже.
Частота измеряется в Герцах (Гц).
1 Герц – это одно колебание в секунду.
Порог слышимости человеческого слуха – от 20 до 20000 Гц.
Каждой ноте соответствует определённое количество колебаний. Таким образом, диффузор в динамике, который проигрывает какую-либо музыку раскачивает воздух не только с определённой амплитудой, влияя на громкость, слышимой музыки, но также и с определённой частотой. То есть, он совершает то большее, то меньшее количество колебаний, в зависимости от мелодии. Чтобы хоть немного представить скорость движения динамика, то можно сказать, что ноте «Ля» первой октавы соответствует частота в 440 Гц. То есть, если мы одну секунду будем слышать из динамика ноту «Ля», то за эту самую секунду, динамик совершит 440 колебаний.
Частота звука так же влияет на громкость, но это уже больше относится к разделу «психоакустики», так как затрагивает вопрос восприятия человеком звука. Наш слуховой аппарат устроен таким образом, что мы воспринимаем высокие частоты громче, чем низкие, если говорить о «звуковом давлении». То есть, если мы возьмём два звука – низкий и высокий и настроим их громкость так, чтобы они создавали одинаковое звуковое давление, то высокий будет казаться гораздо громче.
Следующее, что мы можем различить в звуке – это его ADSR-огибающая. Понятие ADSR больше относится к одиночным звукам и чаще всего к звукам синтезаторов, при цифровом синтезе звука. ADSR – это аббревиатура от английский слов Attack (Атака), Decay (Спад), Sustaine (Звучание)и Release (Затухание). Чуть позже, мы отдельно поговорим об этом подробнее, но сейчас стоит вкратце объяснить, суть. Представьте себе, что вы взяли гитару и дёрнули на ней струну. Сперва,вы услышите, что звук появился очень быстро, буквально сразу (Атака), затем громкость немного уменьшится (Спад), немного подержится (Звучание) и затихнет (Затухание).
В большинстве случаев, под ADSRподразумевают именно данные стадии звукообразования и их настройку. При цифровом синтезе эти параметры задаются в миллисекундах, при игре на инструменте ими управляет исполнитель.
Ещё одним слышимым качеством звука является тембр инструмента и наша способность эти тембры между собой различать.
Тема сложная и будет наиболее полно раскрыта во время нашего обзора различных инструментов. На тембр влияет практически всё, что есть в инструменте, в большей или меньшей мере. Первое и основное – это конечно способ звукообразования. То есть принцип работы инструмента. На скрипке по струнам водят смычком, на гитаре струны дергают, в клавишных по струнам ударяют молоточки, в духовые дуют, в результате, рождается звук инструмента. При этом, для каждого инструмента характерно своё, неповторимое звучание. Так, две гитары не будут звучать одинаково, что-то будет различаться в их звучании, хоть это по-прежнему будет звук гитары.
Это очень интересная тема, которую мы ещё разберём более подробно.
Из самых очевидных звуковых явлений мы всё рассмотрели, остались не очевидные, но о них в другой раз.
