Звук, в широком смысле -
колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в
газообразной, жидкой или твёрдой средах. В узком смысле - явление, субъективно
воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит
звук с частотой от 16 Гц до 20000 Гц. Физическое понятие о звуке охватывает как
слышимые, так и неслышимые звуки. Звуки с частотой ниже 16 Гц называется
инфразвуком, выше 20000 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 герц. 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 звука является его спектр, получаемый в результате разложения
звука 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. Звук со сплошным
спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки
работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают
музыкальные звуки; основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух
высоту звука, а набор гармонических составляющих - тембр звука. В спектре звука
речи имеются форманты - устойчивые группы частотных составляющих,
соответствующие определённым фонетическим элементам. Энергетической
характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука - энергия,
переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную
направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность звука
зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от
формы волны. Субъективной характеристикой звука, 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, 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 звука 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 или магнитострикционных материалов). Источниками
звука 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 звука может производиться ударом или щипком
(колокола, струны); в них может поддерживаться режим автоколебаний за счёт,
например, потока воздуха (духовые инструменты). Обширный класс источников звука
- электроакустические преобразователи, в которых механические колебания
создаются путём преобразования колебаний электрического тока той же частоты. В
природе звук возбуждается при обтекании твёрдых тел потоком воздуха за счёт
образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром проводов, труб,
гребней морских волн. Звуки 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 звука
относится, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для
приёма звука 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. 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 звука 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 фаза сжатия распространяется с большей скоростью, чем фаза
разрежения, благодаря чему синусоидальная форма волны постепенно искажается и
звуковая волна превращается в ударную волну. В ряде случаев наблюдается
дисперсия звука, т. е. зависимость скорости распространения от частоты.
Дисперсия звука 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.
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 звука 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 звука на пузырьках в воде, на взволнованной поверхности моря, в
турбулентной атмосфере, рассеяние высокочастотного ультразвука в
поликристаллических металлах, на дислокациях в кристаллах. На распространение
звука в атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и
скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т. е.
рефракцию звука, которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру звук
слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости звука с глубиной в
океане объясняет наличие т. н. подводного звукового канала, в котором
наблюдается сверхдальнее распространение звука, например звук взрыва
распространяется в таком канале на расстояние более
Вторая группа факторов,
определяющих затухание звука, связана с физическими процессами в веществе -
необратимым переходом звуковой энергии в др. формы (главным образом в тепло). Т.
е. с поглощением звука, обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды, а
также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов
(молекулярное или релаксационное поглощение). Поглощение звука 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.