Звук тем выше чем больше
Звук — это форма энергии. Звуковые волны представляют собой колебания частиц воздуха или иной среды. Звук может передаваться только в среде — воздухе, воде, стекле. В вакууме, где среды нет, нет и звуков. Преобразованный в другие формы энергии, например в электричество или радиоволны (см. статью «Радио«), звук может быть записан и передан на дальние расстояния.
В этой статье мы познакомим читателей со понятием звука; расскажем что такое звуковые волны и опишем основные характеристики звука — скорость, высоту тона и громкость, объясним как звуки воспринимает человек.
На Земли нет, наверное, человека, который бы не любил музыку. Музыка сопровождает нас в течение всей жизни: веселая и грустная, ритмическая и медленная. Но из чего состоит любимое музыкальное произведение? Все звуки, такие как речь, музыка, шум, это все звуковые волны различной частоты и амплитуды. Изучением звуковых явлений занимается особый раздел физики, который называют акустикой.
Нас окружает много предметов, способных издавать звуки, например, музыкальные инструменты: скрипка, гитара, баян, домра, флейта, свирель и другие. Что объединяет все эти предметы? Да, это источники звука.
Источниками звуков является тела, которые колеблются. В скрипке и гитаре колеблется струна, в наушнике телефона — мембрана; когда мы говорим, колеблются голосовые связки. Проведем эксперимент. Для этого возьмем прибор, который называют камертоном. Медленно придвиньте камертон, который звучит, к теннисному шарику, висящему на нитке. Как только они столкнутся, шарик сразу же, как будто от сильного толчка, отскочит в сторону. Так происходит именно из-за частых колебания ножек камертона, при соприкосновении с шариком они отталкивают его.
Звуковые волны
Когда тела колеблются и вызывают колебания окружающего воздуха или иной среды, они издают звуки. При этом частицы среды тоже начинают колебаться, образуя волну, проходящую в среде. Частицы среды могут совершать колебания как вдоль направления распространения волны, так и поперек. Соответственно различают продольные и поперечные механические волны.
Звуковая волна определяется так: волна, которая представляет собой колебание давления, передаваемого через твердое тело, жидкость или газ, c частотой в диапазоне слышимости.
Звуковые волны кажутся схожими с волнами на воде. Если на поверхность озера бросить маленький камень, то от места падения в разные стороны побегут волны. Возникают они потому, что частички воды на поверхности совершают колебания и эти колебания передаются следующим частичкам, то есть волной называется процесс распространения колебаний со временем. Волны на поверхности воды мы можем видеть непосредственно, они поперечные, ведь частицы воды движутся вертикально, вверх-вниз, а волна распространяется горизонтально. Но многие механические волны невидимые, например, звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, мы можем только слышать. Ученые установили, что звуковые волны отличаются от волн на поверхности воды тем, что они продольные. Частицы среды колеблются взад-вперед вдоль направления движения волны, а не перпендикулярно ему, как в поперечных волнах. Еще одно отличие в том, что звук распространяется во всех направлениях, а не только горизонтально, как волны по воде.
Волны изображают с помощью диаграмм, на которых указывают частоту волн (количество колебаний за секунду) и их амплитуду (силу волн). Высокие звуки – это высокочастотные волны, низкие звуки – это низкочастотные волны. Звук с частотой более 20 000 Гц называют ультразвуком. Чем больше амплитуда волны, тем громче звук. По мере удаление от источника звука амплитуда падает и звук стихает. Высокие звуки, такие, как пение птиц, — это высокочастотные волны. Низкие звуки, например рев двигателя, — это низкочастотные волны.
Прибор, который позволяет увидеть форму звуковой волны, называется осциллографом.
В разных средах звуковые волны распространяются с разными скоростями. При 20°С в сухом воздухе скорость звука составляет 343 м/с. Сверхзвуковая скорость — это скорость выше скорости звука. Когда самолет выходит на сверхзвуковую скорость, возникает звуковой удар. Сверхзвуковые скорости измеряются в Махах: 1 Мах равен скорости звука. «Конкорд» летает со скоростью более 2 Махов – вдвое быстрее звука. Летя со сверхзвуковой скоростью, самолет обгоняет распространяемые им звуковые волны. Давление позади самолета нарастает, и возникает ударная волна, вызывающая звуковой удар.
Шум – это неприятный звук. Измеряется уровень шума в децибелах (дБ). Шум свыше 120 дБ может вызвать боль. При падении листа звук в 10 дБ, а при взлете самолета – 110 дБ. Из всех животных самые громкие звуки может издавать синий кит – 188 дБ. Его можно услышать за 850 километров.
Распространение звука
Проведем эксперимент. Под стеклянным колпаком поместим на поролоновой подушке электрический звонок. Затем откачиваем воздух из колпака. В процессе откачивания воздуха слышно, что звук, который издает звонок, становится все тише, хотя сквозь стекло хорошо видно, что звонок продолжает работать. В конце концов, звук вообще исчезнет.
Какой вывод из этого эксперимента? Для распространения звука необходима определенная среда. Среда может быть разной: воздух, вода, стекло, земля. Главное, чтобы среда, в которой распространяется звук, была упругой при изменении ее формы или объема. Заметим, что воздух не имеет никаких преимуществ по сравнению с другими веществами в части возможности распространения в нем звуков. Разве что в разных средах звуковые волны движутся с разной скоростью.
Звук может распространяться и в газе, и в жидкости, и в твердом теле. Источниками звука является колеблющиеся тела. Если такое тело находится в какой-либо среде, колебания передаются «прилегающим» частицам вещества. А поскольку частицы вещества взаимодействуют друг с другом, колеблющиеся частицы передают колебания своим «соседям». В результате колебания начинают распространяться в пространстве. Так возникают звуковые волны.
При распространении звука в среде происходит его поглощения. Знание законов поглощения помогает определять, например, дальность распространения звукового сигнала. Поглощение звука обусловлено причинами, связанными со свойствами самого звука (прежде всего с его частотой) и со свойствами среды. Например, в морях на некоторых глубинах образуются определенные условия для сверхдальнего распространения звука, так называемый водяной звуковой канал. Звук подводного взрыва распространяется в таком канале на расстояние более 5000 км.
При распространении звука в атмосфере происходит его рассеивание. На рассеивание звука влияют температура и давление, сила и скорость ветра.
Изучение того, как рассеивается звук в различных средах, дает информацию о внутреннем строении и физическом состоянии газов, жидкостей и твердых тел. Называется это звуковой локацией.
Приемники звука
Приемником звука является ухо. Наше ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 16 до 20000 Гц. Итак, механические волны с частотой от 20 до 20000 Гц, вызывающие у человека ощущение звука, называются звуковыми.
Многие животные способны различать звуки, частоты которых меньше 20 Гц (рыбы, медузы, даже слон могут слышать звук с частотой 1 Гц и использовать низкочастотные звуки для общения с соплеменниками) и выше 20 кГц (например, дельфины, летучие мыши). Морские свинки воспринимают звуки частотой до 33 кГц.
Как вы уже знаете, звуковые волны распространяются в воздухе как перемежающиеся области с изменяющимся давлением, то есть эти волны являются продольными. Эти волны воздействуют на мембрану в нашем ухе, называемую барабанной перепонкой, заставляя ее колебаться, а слуховой нерв улавливает эти колебания и посылает сигналы в мозг. Так мы слышим звук.
Указанные границы звукового диапазона условные, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата. Обычно верхняя частотная граница звуков, воспринимаемых ухом, с возрастом значительно снижается — некоторые пожилые люди могут слышать звуки с частотами, не превышающими 6000 Гц.
Ухо является естественным приемником звука, однако созданы и искусственные приемники звука. Наиболее широко используются различные микрофоны. Они превращают звуковые колебания на колебания электрического тока, благодаря чему появилась возможность записывать звук и передавать его на большие расстояния.
Свойства звука
Звук, создаваемый одним источником, отличается от звука, создаваемого другим. Например, каждая из струн гитары издает звук, отличающийся от звука, который выдается другими струнами.
Две, казалось бы, совершенно одинаковые скрипки могут звучать по-разному. При этом звук скрипки нельзя спутать со звуком гобоя, звук барабана — со звуком тромбона. Те же звуки, созданные разными людьми, отличаются друг от друга.
Все это свидетельствует о необходимости ввести физические характеристики, с помощью которых можно было бы оценивать излучения и восприятия звука.
Громкость
Громкость звука определяется амплитудой колебаний тела, которое издает звук. Чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем звук кажется более громким, но громкость для звуков различных частот будет разной. Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких частот (около 20 Гц) и высоких (около 20 кГц) частот и значительно лучше — звуки средних частот (от 300 Гц до 3000 Гц). Поэтому даже достаточно сильные колебания с низкой или, напротив, с очень высокой частотой, будут казаться нам тихими, а более слабые колебания со средней частотой — громкими. Это объясняется строением органов слуха человека.
Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Громкость, равной 120 дБ, называется болевым порогом, когда достигается этот уровень, возникают болевые ощущения. А если влияние такого звука является длительным, то происходит непоправимая потеря слуха слуха. А уровень громкости в 180 дБ является смертельным для человека!
Поэтому мы предостерегаем вас от прослушивания звуков с большой громкостью. Если это обусловлено условиями труда (работа на станках, в цехах и др.), обязательно нужно пользоваться специальными защитными наушниками. Не ставьте на максимум громкость в своих наушниках при прослушивании музыки. Берегите свое здоровье и здоровье окружающих.
Таблица различных источников звука и уровень громкости в дБ:
| Громкость, дБ | Характеристика | Источники звука |
| 0 | Ничего не слышно | Космос, за пределами атмосферы земли |
| 5 | Почти не слышно | Легкое дуновение ветерка |
| 10 | Почти не слышно | Тихий шелест листьев |
| 20 | Едва слышно | Шепот человека (на расстоянии 1 метр) |
| 30 | Тихо | Шепот, тиканье настенных часов |
| 35 | Довольно слышно | Приглушенный разговор |
| 40 | Довольно слышно | Обычная речь |
| 50 | Отчётливо слышно | Разговор, пишущая машинка |
| 60 | Шумно | Норма для общественных помещений |
| 70 | Шумно | Громкие разговоры (1м) |
| 80 | Очень шумно | Крик, мотоцикл с глушителем. |
| 90 | Очень шумно | Громкие крики, грузовой железнодорожный вагон (в семи метрах) |
| 100 | Крайне шумно | Оркестр, вагон метро, раскаты грома |
| 105 | Крайне шумно | В самолёте |
| 110 | Крайне шумно | Вертолёт, пескоструйный аппарат (1м) |
| 120 | Почти невыносимо | Отбойный молоток (1м) |
| 130 | Болевой порог | Самолёт на старте |
| 140 | Контузия | Звук взлетающего реактивного самолета |
| 150 | Контузия, травмы | Старт ракеты |
| 160 | Шок, разрыв барабанных перепонок и лёгких | Ударная волна от сверхзвукового самолёта |
| больше 180 дБ | Смертельный уровень! | Звуковое оружие |
Скорость звука
Звук распространяется не мгновенно и скорость распространения его значительно меньше скорости распространения света (которая составляет 300000 км/с).
Пример из истории и литературы: Дмитрий Донской перед Куликовской битвой прикладывал ухо к земле. Зачем? Так как скорость распространения звука в земле больше, чем в воздухе, он услышал топот копыт противника раньше, чем увидел конницу.
Распространение звуковых волн в различных средах происходит с неодинаковой скоростью. С помощью опытов было обнаружено, что в воздух при температуре 0 градусов по Цельсию скорость звука составляет 332 м/с. В воде из температуре 0 o C этот показатель составляет примерно 1485 м/с. В твердых телах скорость звука еще больше, чем в жидкостях. В некоторых металлах скорость звука достигает нескольких тысяч метров в секунду: в частности, в свинце — 1300 м/с, в меди — 4560 м/с, в стали — 5100 м/с. Интересно, что через резину звук проходит со скорость всего 54 м/с, сквозь пробку — 500 м/с, кирпичную стену — 3480 м/с, гранит — 3950 м/с, стекло 5000 м/с. Это связано с тем, что агрегатное состояние, плотность, температура, молекулярное строение различных веществ различны. С ростом температуры скорость звука возрастает. Можно заметить закономерность, чем тверже материал, тем выше скорость звука в нем.
Зависимость скорости звука от свойств среды стала основой метода определения наличия примесей, дефектов во внутреннем строении тел.
Высота (частота)
Если специальным резиновым молоточком ударить по «ножках» камертона, то он будет издавать звук, который называется музыкальным тоном.
Мы хорошо знаем, что звук бывает высокий и низкий. Как известно, бас поет низким голосом, а тенор — высоким. От какой же характеристики звуковой волны зависит высота звука? Опыты показывают, что высота звука определяется частотой звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше.
График (осциллограмма) звуковых волн разных частот. Верхняя волна имеет частоту вдвое ниже чем нижняя.
Частота звуковых колебаний, создаваемых струнными и духовыми музыкальными инструментами, может изменяться от 20 до 4000 Гц.
Еще древнегреческий ученый Пифагор, изучая зависимость высоты тона от длины струны, выяснил, что чем короче струна, тем выше тон.
Писк комара соответствует 500-600 взмахам его крыльев в секунду, жужжание шмеля — 220 взмахам. Колебания голосовых связок певцов могут создавать звуки в диапазоне от 80 до 1400 Гц, хотя в эксперименте фиксировались рекордно низкая (44 Гц) и высокая (2350 Гц) частоты.
Диапазон частот, который соответствует различным певческим голосам певцов:
| Голос | Частота, Гц |
| Бас | 80 — 400 |
| Баритон | 110 — 400 |
| Тенор | 150 — 500 |
| Контральто | 200 — 700 |
| Колоратурное сопрано | 250 — 1400 |
В телефоне для воспроизведения человеческой речи используется область частот от 300 до 2000 Гц. Этого обычно достаточно для передачи всех нюансов человеческой речи, но некоторые гармоники находятся выше этого диапазона и не передаются, поэтому звук в телефоне всегда глуше, чем при живом общении.
Диапазон частот звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты в два раза, называется октавой. Звучание скрипки, например, перекрывает приблизительно три с половиной октавы (196–2340 Гц), а звуки пианино – семь с лишним октав (27,5–4186 Гц).
Тембр
Звуки одинаковой высоты и громкости, создаваемые различными музыкальными инструментами, звучат по-разному, даже та же нота, взятая различными певцами, звучит по-разному. Особое качество звука — его окрас, характерный для каждого голоса или музыкального инструмента, — называют тембром. Тембр связан со специфическими свойствами источника звука.
От чего же зависит тембр звука? Оказывается, что любой источник звука (есть редкие исключения, например, камертон) осуществляет сложные несинусоидальные колебания. Их можно наблюдать с помощью осциллографа. Если подключить микрофон и спеть какую-нибудь мелодию, то на экране осциллографа появится не синусоида, а сложная кривая.
Несинусоидальное колебание может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с различными частотами. Колебания с наименьшей частотой называется основным тоном, а колебания с более высокой частотой называется обертоном, или гармоникой.
Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов — частот, кратных основной. Именно благодаря тембру, звуки различных музыкальных инструментов имеют разное звучание. Чем больше обертонов, тем «насыщеннее», красивее звук. Волшебный, бархатистый оттенок голосов хороших певцов обусловлен именно обертонами.
Отражение звука, эхо и эхолокация
Звук, распространяясь в какой-либо среде, доходит до препятствия и почти полностью отражается. В этом можно убедиться на многих опытах.
В лесу, горах, иногда в помещениях нам приходилось слышать эхо. Звуковые волны отражаются от различных препятствий, даже от облаков. Иногда можно услышать даже многократное эхо — результат нескольких отражений.
Эти и другие опыты с звуковыми волнами позволяют сформулировать обобщения: механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред. Отражение звука происходит по такому же закону, что и отражения света: угол отражения равен углу падения.
Эхо — это вторичный звук, который мы слышим сразу после первоначального. Он вызван отражением звуковой волны от поверхности. Если время распространения звука до препятствия и обратно больше, чем продолжительность звука, — мы слышим четкий повтор звука. Если это время меньше, то эхо смешивается с первичным звуком, и звуки становятся неразборчивыми.
Эхолокация — это способ определить местонахождение объекта, измеряя время, за которое ультразвуковые волны добрались до него и вернулись обратно. Эхолокаторы измеряют морскую глубину, ищут на дне океана затонувшие объекты, следят за стаями рыб. Акустическая система посылает ко дну ультразвук (очень высокий звук), а компьютер замеряет время его возвращения. Некоторые животные, например летучие мыши и дельфины, ориентируются и ищут добычу с помощью эхолокации. Дельфин издает больше 700 ультра звуковых щелчков в секунду. С их помощью он находит добычу.
Отражение звука используется так же для изучения процессов внутри организма, в частности, для слежения за развитием ребенка в утробе. Когда звук переходит из одной среды в другую, часть его возвращается назад в виде эха, с помощью которого компьютер строит «эхокартину». Эта процедура называется ультразвуковой диагностикой.
Отражение звуковых волн от гладких поверхностей используют в рупоре. При использовании рупора звук не рассеивается в разные стороны, наоборот, с помощью рупора образуется узконаправленный пучок звуковых волн, которые распространяются на большее расстояние.
Неслышимые звуки
Звук, который воспринимается или слышится ухом человека, имеет частоты в диапазоне 20-20 000 Гц. Звуковые волны с более низкими частотами называют инфразвуком, а с выше — ультразвуком.
Когда были созданы высокочувствительные приемники звуков для различных частот, оказалось, что инфра- и ультразвуки так же распространены в природе, как и слышимые звуки.
Инфразвук
Инфразвук возникает при работе промышленных установок, автомобилей, тракторов и бытовых приборов. Например, сельскохозяйственные тракторы на резиновом ходу и грузовики имеют максимальные вибрации в диапазоне 1,5-3,5 Гц, гусеничные тракторы — около 5 Гц. Музыкальный орган так же может излучать инфразвук. Могут излучать звуки инфракрасных частот всевозможные взрывы и обвалы.
Чувствительные приемники ультразвука показали, что он входит в состав шума ветра и водопадов, в состав звуков, излучаемых некоторыми животными.
Механизм восприятия инфразвука и его влияние на физиологическое состояние человека пока полностью не изучены. Такие звуки неслышимые, однако в результате их воздействия на организм человека появляются повышенная нервозность, чувство страха, приступы тошноты. Иногда из носа и ушей идет кровь.
Свойство инфразвука вызывать страх используется полицией в ряде стран мира. При необходимости разогнать толпу полицейские включают мощные генераторы и вызывают у многих людей неосознанное чувство страха, желание поскорее уйти оттуда, где действует инфразвук.
При воздействии на человека мощного инфразвука с частотами, близкими к 6 Гц, могут отличаться друг от друга изображения, воспринимаемые левым и правым глазом, возникают проблемы с ориентацией в пространстве, возникать необъяснимые ощущения тревоги, страха. Подобные ощущения вызывают и пульсации света на частотах 4-8 Гц. Еще египетские жрецы, чтобы добиться признания от пленника, привязывали его и с помощью зеркал направляли на глаза пульсирующие солнечные лучи. Через некоторое время в пленника появлялись судороги, шла пена изо рта, его психика подавлялась, и он отвечал на вопросы.
Ультразвук
Ультразвуковые волны можно получить с помощью специальных высокочастотных излучателей. Узкий пучок ультразвуковых волн в процессе распространения очень мало расширяется. Благодаря этому ультразвуковую волну можно излучать в заданном направлении.
О ультразвуке не раз упоминается на уроках биологии — дельфины и летучие мыши используют его для эхолокации, то есть определения положения окружающих предметов.
Оказывается, что многие насекомые воспринимают ультразвук. Восприятие ультразвука в диапазоне частот до 100 кГц — способность многих грызунов. Собаки воспринимают ультразвук с частотой до 40 кГц.
Ультразвук сегодня широко применяют в различных отраслях науки и техники. Например, с его помощью измеряют глубину моря. С корабля посылают ультразвуковой сигнал и фиксируют промежуток времени до возвращения сигнала, отраженного от дна. Зная скорость звука в воде, можно определить расстояние до дна. Прибор для измерения глубины дна называют эхолотом.
С помощью ультразвука «просвечивают» металлические изделия для выявления в них скрытых дефектов — посторонних включений, трещин или пустот.
Ультразвук широко используют и в медицине — как для обследования больного, так и для его лечения. Лечебный эффект ультразвука основан на том, что он вызывает внутренний разогрев тканей организма.
Звук в жизни человека
Мы живем в мире звуков. Этот мир необходим нам для нормального развития и существования. Звуки, которые мы слышим, сообщают о том, что происходит вокруг нас, даже если мы не видим источника звука. Благодаря звукам мы можем общаться, слышим телефонный звонок, гудки автомобилей или шум дождя.
Музыкальные инструменты
Звучание всех музыкальных инструментов основано на колебаниях воздуха. Но делают это они по-разному. На звук влияют также форма инструмента и материал, из которого он сделан. У некоторых инструментов корпус резонирует (колеблется с той же частотой, что и воздух), и тогда получается особенно громкий и глубокий звук. У струнных инструментов струны вибрируют при касании. Чем струна толще, длиннее и слабее натянута, тем ниже звук. При закрывании отверстия духового инструмента акустическая колонна удлиняется, что понижает тон звука. Мы нажимаем на клавишу пианино, рычаг бьет по струне, и она начинает вибрировать. Струны разной длины издают разные звуки. Колебания кожи барабана вызывают это и усиливаются внутри корпуса. Многие инструменты производят сложные звуки, в состав которых входят более высокие звуки меньшей громкости, которые называются гармониками. Они придают каждому инструменту особый тембр.
Синтезатор – это инструмент, в электронной памяти которого хранятся характеристики звуков, записанные двоичным кодом. Электрические импульсы, представляющие тот или иной звук, превращаются в электрический ток и посылаются к громкоговорителю. В синтезаторе хранятся записанные двоичным кодом звуки многих разных инструментов. Даже шаги или собачий лай можно записать двоичным кодом и воспроизвести на синтезаторе.
Микрофоны и громкоговорители
Микрофон превращает звук в электрический ток. Сила тока меняется в зависимости от характера звука. Громкоговоритель превращает электрический ток обратно в звук. В микрофоне имеется тонкая металлическая пластинка — диафрагма, прикрепленная к проволочной спирали, находящейся между полюсами магнита. Звуковая волна заставляет диафрагму вибрировать с соответствующей звуку частотой. Благодаря диафрагме начинает вибрировать спираль, и по проволоке (ведь она движется между полюсами магнита) бежит ток. Сила возникающего в микрофоне тока зависит от амплитуды и частоты звуковых волн. Этот ток можно затем направить к громкоговорителю, использовать для записи звука на кассете или послать по телефонным проводам. В телефонной трубке есть микрофон, превращающий звук в электрический ток, который либо идет по проводам к другому телефону, либо преобразуется в радиоволны и передается на спутник. В трубке имеется также встроенный громкоговоритель.
Первый граммофон был создан в 1895 году. Канавки на поверхности пластинки вызывали вибрацию иглы, и возникали звуковые волны, которые затем усиливались рупором. В громкоговорителе имеются магнит и электромагнит (железный сердечник обмотанный проволокой). Когда по проволоке идет ток, возникает магнитное поле. Проволока соединена с диафрагмой конической формы. Когда вызванный звуковыми волнами электрический ток проходит по проволоке, магнитное поле проволоки и магнита заставляют вибрировать проволоку и диафрагму. Находящийся перед диафрагмой воздух вибрирует с частотой первоначального звука.
Запись и воспроизведение звука
Магнитофон. Магнитная запись представляет собой набор намагниченных участков в слое железа или оксида хрома, нанесенном на пластиковую ленту. Записывающая головка — это электромагнит, металлический сердечник, обмотанный проволокой. Он намагничивается при прохождении электрического тока по проволоке. Магнитная запись на ленте создается перемещаемым магнитным полем записывающей головки. При этом на ленте возникают намагниченные участки, которые и содержат информацию о звуке. Магнитную запись с ленты считывает головка воспроизведения. В ней возникает переменный электрический ток, который в громкоговорителе преобразуется в звук.
На поверхности компакт-диска (CD) звуковые волны (и другая информация) записываются двоичным кодом в виде маленьких углублений — ямок и плоских участков — площадок. В CD-плеере лазерный луч проходит но поверхности диски. В ямках свет рассеивается, а от площадок отражается и попадает ни светочувствительный детектор. При попадании света в детекторе возникает ток. Так читается двоичная запись звуков. Электрические импульсы, возникают при считывании двоичного кода, в громкоговорителе преобразуются в звук.
Шум стал неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Идет ли речь о стрижки газонов, движение на шоссе или шум поездов, наши уши не имеют покоя. Шум вызывает сильнейший стресс, который может привести к бессоннице, высокого кровяного давления и нарушение функций мозга.
По данным Национального института по изучению глухоты, почти 30 миллионов людей в США подвергаются воздействию шума такой степени, что это угрожает их здоровью, а 10 миллионов из них уже пострадали от необратимой потери слуха.
Современный шумовой дискомфорт вызывает у живых организмов болезненные реакции. Шум от пролетающего реактивного самолета, например, угнетающе действует на пчелу, она теряет способность ориентироваться. Этот же шум убивает личинки пчел, и даже разбивает яйца птиц в гнезде. Транспортный или производственный шум угнетающе действует на человека — утомляет, раздражает, мешает сосредоточиться. Как только такой шум исчезает, человек испытывает чувство облегчения и покоя.
Проблема эта усугубляется еще и потому, что чаще всего потеря остроты слуха и другие негативные последствия для здоровья человека проявляются лишь со временем. Это означает, что популярные сегодня портативные плееры с их громкой музыкой через наушники могут стать в будущем причиной снижения слуха у целого поколения.
Однако если уровень шума оказывает такое влияние на качество нашей жизни, приводит к таким последствиям, как снижение производительности труда, нарушение концентрации внимания, повышению кровяного давления и даже агрессивному поведению, то почему мы уделяем этой проблеме так мало внимания?
«Я считаю, причина этого в том, что двадцатый век стало самым громким в истории человечества, — говорит Лес Бломберг, исполнительный директор Центра по борьбе с шумовым загрязнением. Сегодня люди рождаются в громком мире, и поэтому им кажется, что именно таким мир и должно быть — ведь значительная часть этого шума производится техникой».
Звук. Основные характеристики
Звук – это физическое явление, которое можно описать как распространение в виде волн механических колебаний в определенной среде. Среда распространения может быть твердой, жидкой или газообразной. Скорость распространения зависит от плотности среды и может сильно отличаться в различных средах. Звуки, которые слышит человек, распространяются в воздухе, а скорость их распространения зависит от температуры, влажности, ветра и других факторов. Однако приблизительная скорость распространения звука в воздухе составляет 340 метров в секунду.
Представьте волны, которые появляются на поверхности воды, если в воду бросить камень. Отличие распространения звуковых волн состоит в том, что на воде мы видим распространение волн в двухмерной среде, а звук распространяется в трехмерной среде.
Основные характеристики звука
Теперь посмотрим на упрощенное графическое отображение звуковой волны (отображение двухмерное, но мы помним, что говорим о трехмерном явлении).
Ось X – это время.
Ось Y – амплитуда колебания волны. От амплитуды зависит громкость звука. Громкость не может быть отрицательной. Соответственно, волна ниже оси X не имеет отрицательную громкость. Самый тихий звук находится не в самой нижней точке, а на уровне оси Х.
Период T – время, которое необходимо на 1 полный цикл колебания. Период можно разделить на 2 половины – в одной положительная амплитуда, в другой — отрицательная.
Пиковое значение – максимальная точка положительной амплитуды колебания звуковой волны (также есть и отрицательное пиковое значение).
Среднее значение (mean value) – это среднее значение положительной амплитуды колебания волны (полпути до пикового значения).
Эффективная величина или RMS (Root Mean Square) – это среднеквадратическое значение амплитуды. Очень важное значение, поскольку человеческое ухо не слышит пикового значения. Громкость звука, которое воспринимает человеческое ухо, приблизительно равна RMS.
Частота
Частота (frequency) показывает количество периодов колебания звуковой волны за одну секунду и измеряется в Герцах (Hz). Чем выше частота, тем больше периодов колебания делает волна. Соответственно, чем выше звук, тем больше колебаний.
Человек слышит звуки в диапазоне от 20Hz до 20 000 Hz (20kHz). Звуки выше и ниже этого диапазона, конечно, существуют, просто человек их не слышит.
Звук может быть простым, то есть состоящим из одного сигнала.
Или сложным, то есть состоящим из нескольких простых сигналов, звучащих с разными амплитудами и частотами.
Замечательно, мы разобрались с таким понятием как звук и его основными характеристиками. Далее возникает вопрос, каким образом можно записать и воспроизводить звук на акустических системах? Об аналоговом звуке и принципах работы аналоговых устройств пойдет речь в следующей статье.
Интенсивность звука, его сила и поток звуковой энергии
В романе «Тайна двух океанов» и в одноименном приключенческом фильме герои ультразвуковым оружием творили невообразимые вещи: разрушали скалу, убивали огромного кита, уничтожали корабль своих врагов. Произведение было издано еще в 30 годы XX века, и тогда считалось, что в скором будущем существование мощного ультразвукового оружия станет возможным — все дело лишь в доступности технологий. Сегодня наука утверждает, что ультразвуковые волны как оружие — это фантастика.
Вам будет интересно: Заковский Леонид Михайлович: краткая биография, настоящее имя, служба в органах госбезопасности, дата и причина смерти
Другое дело — использование ультразвука в мирных целях (ультразвуковая очистка, сверление отверстий, дробление камней в почках и др.). Дальше мы разберемся, как ведут себя акустические волны с большой амплитудой и интенсивностью звука.
Особенность мощных звуков
Существует понятие нелинейных эффектов. Это эффекты, свойственные только достаточно сильным волнам и зависящие от их амплитуды. В физике есть даже особый раздел, который изучает мощные волны, — нелинейная акустика. Несколько примеров того, что она исследует: гром, подводные взрывы, сейсмические волны от землетрясений. Возникают два вопроса.
- Первый: что такое сила звука?
- Второй: в чем заключаются нелинейные эффекты, что в них необычного, где их применяют?
Что такое акустическая волна
Вам будет интересно: Что значит "Бонжур" во Франции
Звуковая волна — это участки сжатия-разрежения, которые расходятся по среде. В любом ее месте меняется давление. Это происходит из-за изменения степени сжатия. Перемены, накладывающиеся на исходное давление, которое было в среде, и называются звуковым давлением.
Поток звуковой энергии
Волна обладает энергией, которая деформирует среду (если звук распространяется в атмосфере, то это энергия упругой деформации воздуха). Кроме того, волна имеет кинетическую энергию молекул. Направление течения энергии совпадает с тем, в котором расходится звук. Поток энергии, проходящий за единицу времени через единичную площадку, характеризует интенсивность. Причем имеется в виду область, перпендикулярная движению волны.
Интенсивность
И интенсивность I, и акустическое давление p зависят от свойств среды. Не будем останавливаться на этих зависимостях, приведем лишь формулу интенсивности звука, связывающую p, I и характеристики среды — плотность (ρ) и скорость звука в среде (с):
Здесь p0 — амплитуда акустического давления.
Что же такое сильный и слабый шум? Силу (N) принято определять уровнем звукового давления — величиной, которая связана с амплитудой волны. Единица интенсивности звука — децибел (дБ).
Здесь pп — это пороговое давление, условно принятое равным 2×10-5 Па. Давление pп примерно соответствует интенсивности Iп = 10-12 Вт/м2 очень слабого звука, который еще может воспринять человеческое ухо в воздухе на частоте 1000 Гц. Звук тем сильнее, чем выше уровень акустического давления.
Громкость
Субъективные представления о силе звука связаны с понятием громкости, т. е. привязаны к диапазону частот, воспринимаемых ухом (см. таблицу).
А как быть, когда частота лежит за пределами этого диапазона — в области ультразвука? Именно в этой ситуации (при опытах с ультразвуком на частотах порядка 1 мегагерц) проще наблюдать в лабораторных условиях нелинейные эффекты. Делаем вывод: мощными имеет смысл называть такие акустические волны, для которых нелинейные эффекты становятся заметными.
Нелинейные эффекты
Известно, что обычная (линейная) волна, интенсивность звука которой мала, распространяется в среде, не меняя своей формы. При этом и области разрежения, и области сжатия перемещаются в пространстве с одной и той же скоростью — это и есть скорость звука в среде. Если источник порождает волну, то профиль ее остается в форме синусоиды на любом удалении от него.
В интенсивной звуковой волне картина иная: области сжатия (звуковое давление положительно) перемещаются со скоростью, превышающей скорость звука, а области разрежения — со скоростью меньшей, чем скорость звука в данной среде. В итоге профиль сильно меняется. Передние поверхности становятся очень крутыми, а спинки волны — более пологими. Такие сильные изменения формы — это и есть нелинейный эффект. Чем сильнее волна, чем большее ее амплитуда, тем быстрее искажается профиль.
Длительное время считалась возможной передача высоких плотностей энергии на большие расстояния при помощи акустического луча. Вдохновляющим примером стал лазер, способный разрушать конструкции, пробивать отверстия, находясь на большом расстоянии. Создается впечатление, что замена света на звук возможна. Однако есть трудности, из-за которых создать ультразвуковое оружие нереально.
Оказывается, что для любой дистанции существует граничное значение интенсивности звука, который доберется до цели. Чем больше расстояние, тем ниже интенсивность. И обычное затухание акустических волн при прохождении сквозь среду здесь ни при чем. Затухание заметно усиливается с увеличением частоты. Однако можно подобрать ее так, что обычным (линейным) затуханием на нужных расстояниях можно будет пренебречь. Для сигнала частотой 1 МГц в воде — это 50 м, для ультразвука достаточно большой амплитуды — это может быть всего 10 см.
Представим, что в некотором месте пространства сгенерирована волна, интенсивность звука которой такова, что на ее поведении существенно скажутся нелинейные эффекты. Амплитуда колебаний будет уменьшаться по мере удаления от источника. Это будет происходить тем скорее, чем больше начальная амплитуда p0. При очень высоких ее значениях скорость убывания волны не зависит от величины начального сигнала p0. Такой процесс происходит до тех пор, пока волна затухнет и нелинейные эффекты прекратятся. После этого она будет расходиться в нелинейном режиме. Дальнейшее затухание происходит по законам линейной акустики, т. е. является куда более слабым и не зависит от величины исходного возмущения.
Как же тогда ультразвук успешно используют во многих промышленных отраслях: им сверлят, очищают и т. д. При этих манипуляциях расстояние от излучателя небольшое, поэтому нелинейное затухание еще не успевает набрать обороты.
Отчего же ударные волны так сильно воздействуют на препятствия? Известно, что взрывы могут разрушать сооружения, находящиеся довольно далеко. А ведь ударная волна нелинейна, поэтому скорость затухания должна быть выше, чем у более слабых волн.
Суть вот в чем: одиночный сигнал действует не так, как периодический. Его пиковое значение уменьшается по мере удаления от источника. Увеличивая амплитуду волны (например, силу взрыва), можно добиться на заданном (пусть даже небольшом) расстоянии больших давлений на препятствие и тем самым разрушить его.
Что такое звук? Как устроено ухо? Что значит герц и децибел? Как устроен микрофон?
Звук. Он окружает нас с самого рождения. После зрения он, пожалуй, самое главное, с помощью чего мы воспринимаем наш мир. Но что это? Какова его природа? По каким законам он живёт? Давайте разбираться!
Откуда берется звук и почему мы его слышим?
Почему все звуки разные и что такое частоты и герцы, амплитуда и децибелы, а также громкость?
Как устроена звукозапись?
1.Из за наличия у нашей планеты атмосферы, наполненной смесью газов — воздухом, у нас существует такое понятие как звук. Ведь звук — волнообразные колебания молекул воздуха. При любых таких колебаниях, вызванным будь то бегом человека, хлопоком в ладоши, лаем собаки или ударом по струне гитары, они улавливаются нашим ухом и воспринимаются нами как звуки. Рассмотрим этот процесс подробнее: например мы ударили барабанной палочкой в барабан. Тот час слышен соответствующий звук. Что произошло? Удар вызвал резкое смещение молекул воздуха, образовавшее большее давление, по сравнению с общий давлением окружающего воздуха, которое волнообразными колебаниями начало распространяться в пространстве, словно падение частиц домино, составленных в ряд. Так колебания дошли до молекул воздуха, находящихся в нашем наружном ухе. Ушная раковина и внешний ушной проход усилили эти колебания за счет своей формы (это как зал с хорошей акустикой, но в нашем теле), и наконец, движение молекул передалось барабанной перепонке — тонкой мембране, изолирующей от воздуха внутреннею часть уха, что привело уже к колебанию самой перепонки. Колебание передалось через систему среднего уха во внутреннее ухо, а точнее в специальную «улитку» — орган, представляющий собой спиралевидный канал из костной ткани, наполненный жидкостью и волокнами базилярной мембраны.
Мембрана делит улитку на два коридора — лестницу преддверия и барабанную лестницу. Жидкость, а именно перилимфа заполняет барабанную лестницу, а эндолимфа — лестницу преддверия. Через эти жидкости колебание передалось Кортиеву органу, расположенному на базилярной мембране. Он представляет из себя скопление волосковых клеток, улавливающих колебания, и преобразующих их уже в нервный импульс, несущий информацию о характере звука в нервные окончания, идущие в слуховой центр мозга. Сложнейший процесс, который происходит за доли секунды.
2.Мы разобрались с тем, что такое звук и каким образом мы его воспринимаем. Но что его характеризует? И почему все звуки разные?
У любой звуковой волны (то есть у колебания молекул в пространстве) есть несколько свойств: частота (высота), амплитуда (громкость), длина (продолжительность), а также спектр (тембр). В статье рассматриваются только первые два, самые ключевые свойства.
Частота — количество волнообразных колебаний, произошедших за секунду. Определяет то, что мы называем высотой звука. Чем больше частота, тем выше звук. Частота измеряется в герцах. 1 герц — одно колебание в секунду. Человек способен воспринимать звуки от 20 до 20 000 герц. Все что ниже — инфразвук, выше — супер и гиперзвук.
Здесь существует зависимость — чем больше значение герц, то есть чем чаще происходят колебания, тем они короче:
Так, низкие по частоте звуковые волны более продолжительны.
Теперь разберемся с амплитудой, частично задающей то, что мы называем громкостью. Амплитуда это величина, показывающая на сколько сильны колебания воздуха, то есть на сколько сильное давление создает звуковая волна. Вот как выглядят больший и меньший по амплитуде звуки:
У последнего амплитуда колебаний выше, соответственно каждое колебание создаёт большее давление. Сразу уточню — амплитуда и громкость это не одно и тоже! Как я уже упомянул — амплитуда показывает силу давления, создаваемого звуковой волной, а громкость это восприятие нашим ухом этого самого давления. Однако не одна амплитуда определяет, будем ли мы считать звук громким, или тихим. На громкость также влияют главным образом частота, а также остальные свойства звука. Амплитуда, измеряется в децибелах. Децибел это не линейная величина, она показывает не силу давления звука, а то, во сколько раз это давление больше минимального уровня давления, которое может уловить наше ухо. Таким образом прибавление 12 децибел хоть к двум, хоть к ста децибелам увеличивает громкость в 4 раза! То есть прибавить 12 децибел к звуку тихого шепота совсем не все равно, что прибавить 12 децибел к громкости на концерте Rammstein. И в том, и в другом случае амплитуда, а значит и громкость увеличится в 4 раза. Одолжил у Википедии шкалу сравнения громкости в децибелах:
0 — порог слышимости
5 — почти ничего не слышно — тишина среди ночи.
10 — почти не слышно — шёпот, тиканье часов.
15 — едва слышно — шелест листьев.
20 — едва слышно — уровень фона на открытой местности;
25 — мурлыканье кота на расстоянии 0,5 м.
30 — тихо — настенные часы, максимально разрешённый шум для источников постоянного шума, расположенных в жилых помещениях, ночью с 21:00 до 7:00.
35 — хорошо слышно — приглушённый разговор, тихая библиотека, шум в лифте.
40 — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис), шум кондиционера, шум телевизора в соседней комнате.
50 — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина.
60 — умеренно шумно — громкий разговор, норма для контор.
65 — весьма шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м.
70 — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м.
75 — шумно — крик, смех с расстояния 1 м, шум в старом железнодорожном вагоне.
80 — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м, крик, мотоцикл с глушителем, шум работающего двигателя грузового автомобиля, длительный звук вызывает ухудшение слуха.
85 — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;
90 — очень шумно пневматический отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7 м.
95 — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м, громкая игра на фортепиано на расстоянии 1 м;
100 — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;
110 — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;
115 — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, м, пневмосигнал для велосипеда;
120 — почти невыносимо — болевой порог, гром, отбойный молоток, кислородная горелка;
130 — боль — сирена, рекорд по самому громкому крику, мотоцикл (без глушителя);
140 — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;
150 — контузия, травмы — реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам, ухудшается зрение;
160 — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья близко от уха, ударная волна от сверхзвукового самолёта или от взрыва давлением 0,002 МПа;
165—185 — светошумовая граната[4];
194 — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;
200 — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна быстрая смерть;
250 — максимальное давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола — 60 МПа[5];
282 — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве — 2500 МПа[6];
300 — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ — 20 000 МПа;
374 — максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва — 100 000 000 МПа;
Поговорим подробнее о громкости. Выше я уже рассказал, что громкость это распознавание нашим мозгом того, насколько уж простите за тавтологию громким является звук. При этом громкость зависит не только от амплитуды, но во многом и от частоты. Взгляните на таблицу:
Это так называемая кривая громкости, она показывает зависимость уровня громкости, который измеряется здесь в условных единицах фонах, от амплитуды и частоты. Если вы вдруг не поняли, как ей пользоваться, приведу справку: по вертикали уроверь громкости в децибелах, по горизонтали частота в герцах. Выбираете определенную громкость и частоту, и проводите от них воображаемые линии. Точка пересечения линий будет уровнем громкости в фонах. Картинка:
Так, кривые громкости показывают нам, что звук в 40 дб и частотой 200 гц воспринимается нами в 40 фонов, но при этом звук в те же 40 дб, но частотой 500 гц, воспринимается примерно в 45 фонов. Дальше больше: 1000 герц — уровень фонов вернулся к 40, 2500 герц — снова 45 фонов, а на 7500 герц упал до 35. Естественно, все эти значения взяли не из воздуха — кривая громкости составлена по ощущениям большого количества людей в возрасте 18-25 лет, которым включали звуки разной амплитуды и частоты.
3.В завершение статьи хотелось бы упомянуть о том, как устроен микрофон, и каким образом он преобразует звуковые волны, то есть колебания молекул воздуха, в электрический сигнал. Существует большое количество различных типов микрофонов, отличающихся по своей конструкции и способу работы. Хотелось бы рассмотреть конденсаторный микрофон, ведь сейчас это один из самых распространённых типов микрофонов, кроме того, звукозапись музыки или какого либо другого аудиоматериала в студиях всегда осуществляется именно на него. Сразу представлю схему микрофона:
Две синии пластинки это конденсатор. Они не соединены между собой, крайняя представляет из себя тонкую пленку, покрытую никелем с внутренней стороны, которая активно колеблется под действием звуковых волн. Она называется диафрагмой. Вторая пластинка неподвижна. Обе пластинки подключены в электрическую цепь, в них есть ток. При колебании диафрагмы ее расстояние до второй пластинки изменяется, а ее электрические токи действуют на нее. Таким образом, напряжение во второй пластинке меняется в зависимости от приближения, или отдаления диафрагмы. На wavefrom (дорожка, показывающая входящие звуковые волны при звукозаписи в различных аудиоредакторах) показывается ни что иное, как сила тока, идущая от микрофона, и меняющаяся при изменении напряжения, вызванного колебанием диафрагмы.