Лютий 18, 2016

Світ домашніх розваг досить різноманітний і може включати: перегляд кіно на хорошій домашній кінотеатральній системі; захоплюючий та захоплюючий ігровий процес або прослуховування музичних композицій. Як правило, кожен знаходить щось своє в цій галузі, або поєднує все одразу. Але якими б не були цілі людини з організації свого дозвілля і в яку крайність не вдарялися - всі ці ланки міцно пов'язані одним простим і зрозумілим словом - "звук". Справді, у всіх випадках нас буде вести за ручку звуковий супровід. Але питання це не таке просте і тривіальне, особливо в тих випадках, коли з'являється бажання досягти якісного звучання в приміщенні або будь-яких інших умовах. Для цього не завжди обов'язково купувати дорогі hi-fi або hi-end компоненти (хоча буде вельми доречним), а буває достатнім гарне знання фізичної теорії, яка здатна усунути більшість проблем, що виникають у всіх, хто поставив за мету отримати озвучення високої якості.

Далі буде розглянуто теорію звуку та акустики з погляду фізики. У даному випадкуя постараюся зробити це максимально доступно для розуміння будь-якої людини, яка, можливо, далека від знання фізичних законів або формул, але пристрасно мріє втіленням мрії створення досконалої акустичної системи. Я не беруся стверджувати, що для досягнення хороших результатів у цій галузі в домашніх умовах (або в автомобілі, наприклад) необхідно знати ці теорії досканально, проте розуміння основ дозволить уникнути безліч дурних і абсурдних помилок, а також дозволить досягти максимального ефектузвучання від будь-якого рівня.

Загальна теорія звуку та музична термінологія

Що ж таке звук? Це відчуття, яке сприймає слуховий орган "вухо"(саме собою явище існує і без участі «вуха» в процесі, але так простіше для розуміння), що виникає при збудженні барабанної перетинки звуковою хвилею. Вухо у разі виступає у ролі " приймача " звукових хвиль різної частоти.
Звукова хвиляж є по суті послідовний ряд ущільнень і розряджень середовища (найчастіше повітряного середовища в звичайних умовах) різної частоти. Природа звукових хвиль коливальна, викликана і вироблена вібрацією будь-яких тіл. Виникнення та поширення класичної звукової хвилі можливе у трьох пружних середовищах: газоподібних, рідких та твердих. При виникненні звукової хвилі в одному з цих типів простору неминуче виникають деякі зміни в середовищі, наприклад, зміна щільності або тиску повітря, переміщення частинок повітряних мас і т.д.

Оскільки звукова хвиля має коливальну природу, то вона має така характеристика, як частота. Частотавимірюється в герцах (на честь німецького фізика Генріха Рудольфа Герца), і позначає кількість коливань за період часу, що дорівнює одній секунді. Тобто. наприклад, частота 20 Гц позначає цикл 20 коливань за одну секунду. Від частоти звуку залежить суб'єктивне поняття його висоти. Чим більше звукових коливаньвідбувається за секунду, тим «вище» здається звучання. У звукової хвилі також є ще одна найважливіша характеристика, що має назву - довжина хвилі. Довжиною хвиліприйнято вважати відстань, яка проходить звук певної частоти за період, що дорівнює одній секунді. Наприклад, довжина хвилі найнижчого звуку в чутному діапазоні людини частотою 20 Гц становить 16,5 метрів, а довжина хвилі найвищого звуку 20000 Гц становить 1,7 сантиметра.

Людське вухо влаштоване таким чином, що здатне сприймати хвилі лише в обмеженому діапазоні, приблизно 20 Гц - 20000 Гц (залежить від особливостей конкретної людини, хтось здатний чути трохи більше, хтось менше). Таким чином, це не означає, що звуків нижче або вище цих частот не існує, просто людським вухомвони не сприймаються, виходячи за кордон чутного діапазону. Звук вище чутного діапазону називається ультразвуком, звук нижче чутного діапазону називається інфразвуком. Деякі тварини здатні сприймати ультра та інфра звуки, деякі навіть використовують цей діапазон для орієнтування у просторі ( летючі миші, Дельфіни). У разі, якщо звук проходить через середовище, яке безпосередньо не стикається з органом слуху людини, такий звук може бути не чуємо або сильно ослабленим згодом.

У музичній термінології звуку є такі важливі позначення, як октава, тон і обертон звуку. Октаваозначає інтервал, в якому співвідношення частот між звуками становить 1 до 2. Октава зазвичай дуже добре помітна на слух, тоді як звуки в межах цього інтервалу можуть бути дуже схожими один на одного. Октавой також можна назвати звук, який робить удвічі більше коливань, ніж інший звук, в однаковий часовий період. Наприклад, частота 800 Гц, є ні що інше, як вища октава 400 Гц, а частота 400 Гц у свою чергу є наступною октавою звуку частотою 200 Гц. Октава у свою чергу складається з тонів та обертонів. Змінні коливання в гармонійній звуковій хвилі однієї частоти сприймаються людським вухом як музичний тон. Коливання високої частоти можна інтерпретувати як звуки високого тону, коливання низької частоти як звуки низького тону. Людське вухо здатне чітко відрізняти звуки з різницею один тон (в діапазоні до 4000 Гц). Незважаючи на це, в музиці використовується дуже мало тонів. Пояснюється це з міркувань принципу гармонійної співзвучності, все ґрунтується на принципі октав.

Розглянемо теорію музичних тонів з прикладу струни, натягнутої певним чином. Така струна, залежно від сили натягу, матиме налаштування на якусь одну конкретну частоту. При дії на цю струну чимось із однією певною силою, що викличе її коливання, стабільно спостерігатиметься якийсь один певний тон звуку, ми почуємо шукану частоту налаштування. Цей звук називається головним тоном. За основний тон у музичній сфері офіційно прийнято частоту ноти "ля" першої октави, що дорівнює 440 Гц. Однак більшість музичних інструментів ніколи не відтворюють одні чисті основні тони, їх неминуче супроводжують призвуки, іменовані обертонами. Тут варто згадати важливе визначення музичної акустики, поняття тембру звуку. Тембр- це особливість музичних звуків, які надають музичним інструментам та голосам їх неповторну впізнавану специфіку звучання, навіть якщо порівнювати звуки однакової висоти та гучності. Тембр кожного музичного інструменту залежить від розподілу звукової енергії обертонами в момент появи звуку.

Обертони формують специфічне забарвлення основного тону, яким ми легко можемо визначити й дізнатися конкретний інструмент, а як і чітко відрізнити його звучання від іншого інструмента. Обертони бувають двох типів: гармонійні та негармонічні. Гармонічні обертониза визначенням кратні частоті основного тону. Навпаки, якщо обертони не кратні і помітно відхиляються від величин, вони називаються негармонічними. У музиці практично виключається оперування некратними обертонами, тому термін зводиться до поняття "обертон", маючи на увазі гармонічний. У деяких інструментів, наприклад, фортепіано, основний тон навіть не встигає сформуватися, за короткий проміжок відбувається наростання звукової енергії обертонів, а потім так само стрімко відбувається спад. Багато інструментів створюють так званий ефект "перехідного тону", коли енергія певних обертонів максимальна в певний момент часу, зазвичай на самому початку, але потім різко змінюється і переходить до інших обертонів. Частотний діапазон кожного інструменту можна розглянути окремо, і він зазвичай обмежується частотами основних тонів, який здатний відтворювати цей конкретний інструмент.

Теоретично звуку також є таке поняття як ШУМ. Шум- це будь-який звук, який створюється сукупністю неузгоджених між собою джерел. Всім добре знайомий шум листя дерев, колихається вітром і т.д.

Від чого залежить гучність звуку?Очевидно, що подібне явищебезпосередньо залежить від кількості енергії, що переноситься звуковою хвилею. Для визначення кількісних показників гучності існує поняття - інтенсивність звуку. Інтенсивність звукувизначається як потік енергії, що пройшов через якусь площу простору (наприклад, см2) за одиницю часу (наприклад, за секунду). При звичайній розмові інтенсивність становить приблизно 9 або 10 Вт/см2. Людське вухо здатне сприймати звуки досить широкого діапазону чутливості, у своїй сприйнятливість частот неоднорідна не більше звукового спектра. Так найкраще сприймається діапазон частот 1000 Гц - 4000 Гц, який найбільш широко охоплює людську мову.

Оскільки звуки настільки сильно різняться за інтенсивністю, зручніше розглядати її як логарифмічну величину та вимірювати в децибелах (на честь шотландського вченого Олександра Грема Белла). Нижній поріг слухової чутливості людського вухастановить 0 Дб, верхній 120 Дб, він ще називається " больовий порігВерхня межа чутливості так само сприймається людським вухом не однаково, а залежить від конкретної частоти. Звуки низьких частот повинні володіти набагато більшою інтенсивністю, ніж високі, щоб викликати больовий поріг. Наприклад, больовий поріг на низькій частоті 31,5 Гц настає при рівні сили звуку 135 дБ, коли на частоті 2000 Гц відчуття болю з'явиться вже при 112 дБ. Є також поняття звукового тиску, яке фактично розширює звичне пояснення поширення звукової хвилі в повітрі. Звуковий тиск- це змінний надлишковий тиск, що виникає в пружному середовищі в результаті проходження через неї звукової хвилі.

Хвильова природа звуку

Щоб краще зрозуміти систему виникнення звукової хвилі, уявімо класичний динамік, що знаходиться в трубі, наповненій повітрям. Якщо динамік здійснить різкий рухвперед, повітря, що знаходиться в безпосередній близькості дифузора на мить стискається. Після цього повітря розшириться, штовхаючи тим самим стисну повітряну область вздовж труби.
Ось цей хвильовий рух і буде згодом звуком, коли досягне слухового органуі "порушить" барабанну перетинку. При виникненні звукової хвилі в газі створюється надлишковий тиск, надлишкова щільність і відбувається переміщення частинок постійною швидкістю. Про звукові хвилі важливо пам'ятати те, що речовина не переміщається разом із звуковий хвилею, а виникає лише тимчасове обурення повітряних мас.

Якщо уявити поршень, підвішений у вільному просторі на пружині і здійснює повторювані рухи "вперед-назад", то такі коливання будуть називатися гармонійними або синусоїдальними (якщо уявити хвилю у вигляді графіка, то отримаємо в цьому випадку чисту синусоїду з спадами, що повторюються). Якщо уявити динамік у трубі (як і в прикладі, описаному вище), що робить гармонійні коливання, то в момент руху динаміка "вперед" виходить відомий ефект стиснення повітря, а при русі динаміка "назад" зворотний ефект розрядження. У цьому випадку по трубі буде поширюватися хвиля стиснень і розріджень, що чергуються. Відстань уздовж труби між сусідніми максимумами або мінімумами (фазами) називатиметься довжиною хвилі. Якщо частки коливаються паралельно до напряму поширення хвилі, то хвиля називається поздовжній. Якщо ж вони коливаються перпендикулярно до напряму поширення, то хвиля називається поперечної. Зазвичай звукові хвилі в газах і рідинах - поздовжні, у твердих тілах можливе виникнення хвиль обох типів. Поперечні хвилі у твердих тілах виникають завдяки опору до зміни форми. Основна різниця між цими двома типами хвиль полягає в тому, що поперечна хвиля має властивість поляризації (коливання відбуваються у певній площині), а поздовжня – ні.

Швидкість звуку

Швидкість звуку безпосередньо залежить від характеристик середовища, в якому він поширюється. Вона визначається (залежна) двома властивостями середовища: пружністю та щільністю матеріалу. Швидкість звуку в твердих тілах безпосередньо залежить від типу матеріалу та його властивостей. Швидкість у газових середовищах залежить лише від одного типу деформації середовища: стиснення-розрідження. Зміна тиску в звуковій хвилі відбувається без теплообміну з навколишніми частинками і зветься адіабатичним.
Швидкість звуку в газі залежить в основному від температури - зростає у разі підвищення температури і падає при зниженні. Так само швидкість звуку в газоподібному середовищі залежить від розмірів і маси самих молекул газу, - чим маса і розмір частинок менше, тим "провідність" хвилі більша і більша відповідно до швидкості.

У рідкому та твердому середовищах принцип поширення та швидкість звуку аналогічні тому, як хвиля поширюється в повітрі: шляхом стиснення-розрядження. Але в цих середовищах, крім тієї ж залежності від температури, досить важливе значення має щільність середовища та її склад/структура. Чим менша щільність речовини, тим швидкість звуку вища і навпаки. Залежність від складу середовища складніше і визначається в кожному конкретному випадкуз урахуванням розташування та взаємодії молекул/атомів.

Швидкість звуку повітря при t, °C 20: 343 м/с
Швидкість звуку у дистильованій воді при t, °C 20: 1481 м/с
Швидкість звуку сталі при t, °C 20: 5000 м/с

Стоячі хвилі та інтерференція

Коли динамік створює звукові хвилі в обмеженому просторі, неминуче виникає ефект відображення хвиль від кордонів. В результаті цього найчастіше виникає ефект інтерференції- коли дві чи більше звукових хвиль накладаються друг на друга. Особливими випадкамиявища інтерференції є утворення: 1) Биття хвиль або 2) Стоячих хвиль. Биття хвиль- це випадок, коли відбувається складання хвиль з близькими частотами та амплітудою. Картина виникнення биття: коли дві схожі за частотою хвилі накладаються одна на одну. У якийсь момент часу при такому накладенні амплітудні піки можуть збігатися "по фазі", а також можуть збігатися і спади по "протифазі". Саме так і характеризуються биття звуку. Важливо пам'ятати, що на відміну стоячих хвиль, фазові збіги піків відбуваються не завжди, а через якісь тимчасові проміжки. На слух така картина биття відрізняється досить чітко, і чується як періодичне наростання і зменшення гучності відповідно. Механізм виникнення цього ефекту гранично простий: у момент збігу піків гучність наростає, у момент збігу спадів гучність зменшується.

Стоячі хвилівиникають у разі накладання двох хвиль однакової амлітуди, фази та частоти, коли при "зустрічі" таких хвиль одна рухається у прямому, а інша – у зворотному напрямку. У ділянці простору (де утворилася стояча хвиля) виникає картина накладання двох частотних амплітуд, з чергуванням максимумів (т.зв. пучностей) і мінімумів (т.зв. вузлів). У разі цього явища вкрай важливе значення має частота, фаза і коефіцієнт згасання хвилі у місці відбиття. На відміну від хвиль, що біжать, у стоячій хвилі відсутня перенесення енергії внаслідок того, що утворюють цю хвилю пряма і зворотна хвилі переносять енергію в рівних кількостях і в прямому і в протилежному напрямках. Для наочного розуміння виникнення стоячої хвилі, представимо приклад із домашньої акустики. Припустимо, у нас є акустичні системи підлоги в деякому обмеженому просторі (кімнаті). Змусивши їх грати якусь композицію з великою кількістюбаса, спробуємо змінити розташування слухача в приміщенні. Таким чином слухач, потрапивши в зону мінімуму (віднімання) стоячої хвилі, відчує ефект того, що баса стало дуже мало, а якщо слухач потрапляє в зону максимуму (складання) частот, то виходить зворотний ефект суттєвого збільшення басової області. При цьому ефект спостерігається у всіх октав базової частоти. Наприклад, якщо базова частота становить 440 Гц, то явище "додавання" або "віднімання" буде спостерігатися також на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц і т.д.

Явище резонансу

Більшість твердих тіл є власна частота резонансу. Зрозуміти цей ефект досить просто на прикладі звичайної труби, відкритої лише з одного кінця. Уявімо ситуацію, що з іншого кінця труби приєднується динамік, який може грати якусь одну постійну частоту, її також можна змінювати. Так от, труба має власну частоту резонансу, кажучи простою мовою- це частота, де труба " резонує " чи видає свій власний звук. Якщо частота динаміка (в результаті регулювання) співпаде із частотою резонансу труби, то виникне ефект збільшення гучності у кілька разів. Це відбувається тому, що гучномовець збуджує коливання повітряного стовпа в трубі зі значною амплітудою до тих пір, поки не знайдеться та сама «резонансна частота» і відбудеться ефект додавання. Виникне явище можна описати наступним чином: труба в цьому прикладі "допомагає" динаміку, резонуючи на конкретній частоті, їх зусилля складаються і "виливаються" в гучний ефект. На прикладі музичних інструментів легко простежується це явище, оскільки конструкції більшості присутні елементи, звані резонаторами. Неважко здогадатися, що має на меті посилити певну частоту або музичний тон. Для прикладу: корпус гітари з резонатором у вигляді отвору, що сполучається з об'ємом; Конструкція трубки у флейти (і всі труби взагалі); Циліндрична форма корпусу барабана, який сам собою є резонатором певної частоти.

Частотний спектр звуку та АЧХ

Оскільки практично практично не зустрічаються хвилі однієї частоти, виникає необхідність розкладання всього звукового спектру чутного діапазону на обертони чи гармоніки. Для цього існують графіки, які відображають залежність відносної енергії звукових коливань від частоти. Такий графік називається графіком частотного діапазону звуку. Частотний спектр звукубуває двох типів: дискретний та безперервний. Дискретний графік спектра відображає частоти окремо, розділені порожніми проміжками. У безперервному спектрі присутні відразу всі звукові частоти.
У випадку музики або акустики найчастіше використовується звичайний графік Амплітудно-Частота Характеристики(Скорочено "АЧХ"). На такому графіку представлена ​​залежність амплітуди звукових коливань від частоти протягом усього діапазону частот (20 Гц - 20 кГц). Дивлячись на такий графік легко зрозуміти, наприклад, сильні або слабкі сторониконкретного динаміка або акустичної системи в цілому, найбільш сильні ділянки енергетичної віддачі, частотні спади та підйоми, згасання, а також простежити крутість спаду.

Поширення звукових хвиль, фаза та протифаза

Процес поширення звукових хвиль відбувається у всіх напрямках джерела. Найпростіший приклад для розуміння цього явища: камінчик, кинутий у воду.
Від місця, куди впав камінь, починають розходитися хвилі по поверхні води у всіх напрямках. Однак, уявимо ситуацію з використанням динаміка в певному обсязі, допустимо закритому ящику, який підключений до підсилювача і відтворює якийсь музичний сигнал. Неважко помітити (особливо за умови, якщо подати потужний НЧ сигнал, наприклад бас-бочку), що динамік здійснює стрімкий рух "вперед", а потім такий самий стрімкий рух "назад". Залишається зрозуміти, що коли динамік здійснює рух уперед, він випромінює звукову хвилю, яку чуємо згодом. А ось що відбувається, коли динамік здійснює рух назад? А відбувається парадоксально те саме, динамік робить той же звук, тільки поширюється він у нашому прикладі повністю в межах обсягу ящика, не виходячи за його межі (скринька закрита). В цілому, на наведеному вище прикладі можна спостерігати досить багато цікавих фізичних явищ, найбільш значущим є поняття фази.

Звукова хвиля, яку динамік, перебуваючи в обсязі, випромінює у напрямку слухача - знаходиться "у фазі". Зворотна хвиля, яка йде в об'єм ящика, буде відповідно протифазною. Залишається тільки зрозуміти, що мають на увазі ці поняття? Фаза сигналу- Це рівень звукового тиску в даний момент часу в якійсь точці простору. Фазу найпростіше зрозуміти на прикладі відтворення музичного матеріалу звичайною стерео-парою підлоги домашніх акустичних систем. Уявімо, що дві такі колонки встановлені в деякому приміщенні і грають. Обидві акустичні системи у разі відтворюють синхронний сигнал змінного звукового тиску, причому звуковий тиск однієї колонки складається зі звуковим тиском інший колонки. Відбувається подібний ефект рахунок синхронності відтворення сигналу лівої і правої АС відповідно, іншими словами, піки і спади хвиль, випромінюваних лівими і правими динаміками збігаються.

А тепер уявімо, що тиск звуку, як і раніше, змінюються однаковим чином (не зазнали змін), але тільки тепер протилежно один одному. Подібне може статися, якщо підключити одну акустичну систему з двох у зворотній полярності ("+" кабель від підсилювача до "-" клеми акустичної системи, і "-" кабель від підсилювача до "+" клеми акустичної системи). У цьому випадку протилежний у напрямку сигнал викличе різницю тисків, яку можна представити у вигляді чисел наступним чином: ліва акустична система буде створювати тиск "1 Па", а права акустична система буде створювати тиск "мінус 1 Па". В результаті, сумарна гучність звуку в точці розміщення слухача дорівнюватиме нулю. Це називається протифазою. Якщо розглядати приклад більш детально для розуміння, то виходить, що два динаміки, що грають "у фазі" - створюють однакові області ущільнення та розряджання повітря, ніж фактично допомагають один одному. У випадку з ідеалізованою протифазою, область ущільнення повітряного простору, створена одним динаміком, буде супроводжуватися областю розрядження повітряного простору, створеної другим динаміком. Виглядає це приблизно як явище взаємного синхронного гасіння хвиль. Щоправда, практично падіння гучності до нуля немає, і ми почуємо сильно спотворений і ослаблений звук.

Найдоступнішим чином можна описати це так: два сигнали з однаковими коливаннями (частотою), але зрушені за часом. Зважаючи на це, зручніше уявити ці явища зміщення на прикладі звичайного круглого стрілочного годинника. Уявимо, що на стіні висить кілька однакових годин. Коли секундні стрілки цього годинника біжать синхронно, на одному годиннику 30 секунд і на іншому 30, то це приклад сигналу, який знаходиться у фазі. Якщо ж секундні стрілки біжать зі зміщенням, але швидкість, як і раніше, однакова, наприклад, на одному годиннику 30 секунд, а на іншому 24 секунди, то це і є класичний прикладусунення (зсуву) по фазі. Таким же чином фаза вимірюється в градусах, у межах віртуального кола. У цьому випадку, при зміщенні сигналів один на 180 градусів (половина періоду), і виходить класична протифаза. Нерідко на практиці виникають незначні зміщення по фазі, які можна визначити в градусах і успішно усунути.

Хвилі бувають плоскі та сферичні. Плоский хвильовий фронт поширюється лише одному напрямку і рідко зустрічається практично. Сферичний хвильовий фронт є хвилі простого типу, які виходять з однієї точки і поширюється у всіх напрямках. Звукові хвилімають властивість дифракції, тобто. здатністю огинати перешкоди та об'єкти. Ступінь обгинання залежить від відношення довжини звукової хвилі до розмірів перешкоди чи отвору. Дифракція виникає і у разі, коли на шляху звуку виявляється якась перешкода. І тут можливі два варіанти розвитку подій: 1) Якщо розміри перешкоди набагато більше довжинихвилі, то звук відбивається або поглинається (залежно від ступеня поглинання матеріалу, товщини перешкоди і т.д.), а за перешкодою формується зона "акустичної тіні". 2) Якщо ж розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі або навіть менше її, тоді звук дифрагує певною мірою в усіх напрямках. Якщо звукова хвиля під час руху в одному середовищі потрапляє на межу розділу з іншим середовищем (наприклад, повітряне середовище з твердим середовищем), то може виникнути три варіанти розвитку подій: 1) хвиля відобразиться від поверхні розділу 2) хвиля може пройти в інше середовище без зміни напрямку 3) хвиля може пройти в інше середовище зі зміною напряму на кордоні, це називається "заломлення хвилі".

Відношенням надлишкового тиску звукової хвилі до коливальної об'ємної швидкості називається хвильовий опір. Говорячи простими словами, хвильовим опором середовищаможна назвати здатність поглинати звукові хвилі або "опиратися" їм. Коефіцієнти відображення та проходження безпосередньо залежать від співвідношення хвильових опорів двох середовищ. Хвильовий опір у газовому середовищі набагато нижчий, ніж у воді або твердих тілах. Тому якщо звукова хвиля в повітрі падає на твердий об'єкт чи поверхню глибокої води, то звук або відбивається від поверхні, або поглинається значною мірою. Залежить це від товщини поверхні (води чи твердого тіла), яку падає шукана звукова хвиля. При низькій товщині твердого або рідкого середовища звукові хвилі практично повністю "проходять", і навпаки, при великій товщині середовища хвилі частіше відбивається. У разі відображення звукових хвиль відбувається цей процес за добре відомим фізичним законом: "Кут падіння дорівнює кутувідображення". У цьому випадку, коли хвиля з середовища з меншою щільністю потрапляє на кордон із середовищем більшої щільності - відбувається явище рефракції. Воно полягає у вигині (заломленні) звукової хвилі після "зустрічі" з перешкодою, і обов'язково супроводжується зміною швидкості. Рефракція залежить також від температури середовища, в якому відбувається відбиття.

У процесі поширення звукових хвиль у просторі неминуче відбувається зниження їхньої інтенсивності, можна сказати загасання хвиль та ослаблення звуку. На практиці зіткнутися з подібним ефектом досить просто: наприклад, якщо дві людини стануть у полі на деякому близької відстані(метр і ближче) та почнуть щось говорити один одному. Якщо згодом збільшувати відстань між людьми (якщо вони почнуть віддалятися один від одного), той самий рівень розмовної гучності ставатиме все менш чутним. Подібний приклад наочно демонструє явище зниження інтенсивності звукових хвиль. Чому це відбувається? Причиною цього є різні процеси теплообміну, молекулярної взаємодії та внутрішнього тертя звукових хвиль. Найчастіше практично відбувається перетворення звукової енергії на теплову. Подібні процеси неминуче виникають у будь-якому з трьох середовищ поширення звуку і їх можна охарактеризувати як поглинання звукових хвиль.

Інтенсивність та ступінь поглинання звукових хвиль залежить від багатьох факторів, таких як: тиск та температура середовища. Також поглинання залежить від певної частоти звуку. При поширенні звукової хвилі в рідинах або газах виникає ефект тертя між різними частинками, що називається в'язкістю. В результаті цього тертя на молекулярному рівні і відбувається процес перетворення хвилі зі звукової на теплову. Іншими словами, чим вище теплопровідність середовища, тим менший ступінь поглинання хвиль. Поглинання звуку в газових середовищах залежить і від тиску (атмосферний тиск змінюється з підвищенням висоти щодо рівня моря). Щодо залежності ступеня поглинання від частоти звуку, то зважаючи на вищезгадані залежності в'язкості та теплопровідності, поглинання звуку тим вище, чим вища його частота. Для прикладу, при нормальній температуріі тиску, повітря поглинання хвилі частотою 5000 Гц становить 3 Дб/км, а поглинання хвилі частотою 50000 Гц становитиме вже 300 Дб/м.

У твердих середовищах зберігаються всі вищезгадані залежності (теплопровідність і в'язкість), проте до цього додається ще кілька умов. Вони пов'язані з молекулярною структурою твердих матеріалів, яка може бути різною, зі своїми неоднорідностями. Залежно від цієї внутрішньої твердої молекулярної будови, поглинання звукових хвиль у разі може бути різним, і від типу конкретного матеріалу. При проходженні звуку через тверде тіло хвиля зазнає ряд перетворень і спотворень, що найчастіше призводить до розсіювання та поглинання звукової енергії. На молекулярному рівні може виникнути ефект дислокацій, коли звукова хвиля викликає усунення атомних площин, які потім повертаються у вихідне положення. Або ж, рух дислокацій призводить до зіткнення з перпендикулярними ним дислокаціями або дефектами кристалічної будови, що викликає їхнє гальмування і як наслідок деяке поглинання звукової хвилі. Однак звукова хвиля може і резонувати з даними дефектами, що призведе до спотворення вихідної хвилі. Енергія звукової хвилі в останній момент взаємодії з елементами молекулярної структури матеріалу розсіюється внаслідок процесів внутрішнього тертя.

У я постараюся розібрати особливості слухового сприйняттялюдини та деякі тонкощі та особливості поширення звуку.

Поняття «звук» тісно пов'язане з поняттям «хвиля». Цікаво, що це поняття, будучи звичним для всіх, у багатьох викликає труднощі при спробі дати йому виразне визначення. З одного боку, хвиля – це щось, що пов'язане з рухом, щось, що розповсюджується у просторі, як, наприклад, хвилі, що розходяться колами від кинутого у воду каменю. З іншого боку, ми знаємо, що гілка, що лежить на поверхні води, майже не стане рухатися в напрямку поширення хвиль від кинутого поряд каменю, а буде в основному лише колихатися на воді. Що ж переноситься у просторі під час поширення хвилі? Виявляється, у просторі переноситься деяке обурення. Покинутий у воду камінь викликає сплеск – зміна стану поверхні води, і це обурення передається від однієї точки водойми до іншої у вигляді коливань поверхні. Таким чином, хвиля– це процес переміщення у просторі зміни стану.

Звукова хвиля(звукові коливання) – це механічні коливання молекул речовини (наприклад, повітря), що передаються в просторі. Давайте уявімо, як відбувається поширення звукових хвиль у просторі. В результаті якихось обурень (наприклад, в результаті коливань дифузора гучномовця або гітарної струни), що викликають рух і коливання повітря в певній точці простору, виникає перепад тиску в цьому місці, оскільки повітря в процесі руху стискається, внаслідок чого виникає надлишковий тиск , Що штовхає навколишні шари повітря. Ці шари стискуються, що знову створює надлишковий тиск, що впливає сусідні шари повітря. Так, як би по ланцюжку, відбувається передача початкового обурення у просторі з однієї точки до іншої. Цей процес описує механізм поширення у просторі звукової хвилі. Тіло, що створює обурення (коливання) повітря, називають джерелом звуку.

Звичне для всіх нас поняття « звук»означає лише сприймається слуховим апаратом людини набір звукових коливань. Про те, які коливання людина сприймає, а які ні, ми поговоримо пізніше.

Звукові коливання, а також взагалі всі коливання, як відомо з фізики, характеризуються амплітудою (інтенсивністю), частотою та фазою. Щодо звукових коливань дуже важливо згадати таку характеристику як швидкість поширення. Швидкість поширення коливань, взагалі кажучи, залежить від середовища, в якому коливання поширюються. На цю швидкість впливають такі фактори, як пружність середовища, його щільність та температура. Так, наприклад, чим вище температура середовища, тим вище швидкість звуку. У нормальних (при нормальній температурі та тиску) умовах швидкість звуку повітря становить приблизно 330 м/с. Таким чином, час, через який слухач починає сприймати звукові коливання, залежить від віддаленості слухача від джерела звуку, а також від характеристик середовища, в якому відбувається поширення звукової хвилі. Важливо відзначити, що швидкість поширення звуку майже залежить від частоти звукових коливань. Це означає, серед іншого, що звук сприймається саме в тій послідовності, якою він створюється джерелом. Якби це було не так, і звук однієї частоти поширювався б швидше за звук іншої частоти, то замість, наприклад, музики, ми б чули різкий і уривчастий шум.

Звуковим хвиль притаманні різні явища, пов'язані з поширенням хвиль у просторі. Перерахуємо найважливіші їх.

Інтерференція- посилення коливань звуку в одних точках простору та ослаблення коливань в інших точках внаслідок накладання двох або кількох звукових хвиль. Коли ми чуємо звуки різних, але досить близьких частот відразу від двох джерел, до нас приходять то гребені обох звукових хвиль, то гребінь однієї хвилі та западина іншої. В результаті накладання двох хвиль звук то посилюється, то слабшає, що сприймається на слух як биття. Цей ефект називається інтерференцією у часі. Звичайно, насправді механізм інтерференції виявляється набагато складнішим, проте його суть не змінюється. Ефект виникнення биття використовується при налаштуванні двох музичних тонів в унісон (наприклад, при налаштуванні гітари): налаштування виконують доти, доки биття перестають відчуватися.

Звукова хвиля, при її падінні на межу розділу з іншим середовищем, може відбитися від кордону розділу, пройти в інше середовище, змінити напрямок руху - переломитися від кордону розділу (це явище називають рефракцією), поглинутися чи одночасно вчинити кілька із перелічених дій. Ступінь поглинання та відображення залежить від властивостей середовищ на межі розділу.

Енергія звукової хвилі у процесі її поширення поглинається середовищем. Цей ефект називають поглинанням звукових хвиль . Існування ефекту поглинання обумовлено процесами теплообміну та міжмолекулярної взаємодії в середовищі. Важливо відзначити, що ступінь поглинання звукової енергії залежить як від властивостей середовища (температура, тиск, щільність), так і від частоти звукових коливань: чим вища частота звукових коливань, тим більше розсіювання зазнає на своєму шляху звукова хвиля.

Дуже важливо згадати також явище хвильового руху в замкнутому обсязі , Суть якого полягає у відображенні звукових хвиль від стінок деякого закритого простору. Відображення звукових коливань можуть впливати на кінцеве сприйняття звуку - змінювати його забарвлення, насиченість, глибину. Так, звук, що йде від джерела, розташованого в закритому приміщенні, багаторазово ударяючись і відбиваючись від стін приміщення, сприймається слухачем як звук, що супроводжується специфічним гулом. Такий гул називається реверберацією(від латів. "reverbero" - "відкидаю"). Ефект реверберації дуже широко використовується у звукообробці з метою надання звучання. специфічних властивостейта тембрального забарвлення.

Здатність огинати перешкоди – ще одна ключова властивість звукових хвиль, яка називається в науці дифракцією. Ступінь обгинання залежить від співвідношення між довжиною звукової хвилі (її частотою) і розміром перешкоди або отвори, що стоїть на її шляху. Якщо розмір перешкоди виявляється набагато більшим за довжину хвилі, то звукова хвиля відбивається від нього. Якщо ж розміри перешкоди виявляються порівнянними з довжиною хвилі або виявляються меншими за неї, то звукова хвиля дифрагує.

Ще один ефект, пов'язаний з хвильовим рухом, про який не можна не згадати – ефект резонансу. Він полягає у наступному. Звукова хвиля, створювана деяким тілом, що вагається, поширюючись в просторі, може переносити енергію коливань іншому тілу ( резонатору), яке, поглинаючи цю енергію, починає вагатися, і, фактично, саме стає джерелом звуку. Так вихідна звукова хвиля посилюється, і звук стає гучнішим. Слід зазначити, що у разі появи резонансу, енергія звукової хвилі витрачається на «розгойдування» резонатора, що позначається на тривалості звучання.

Ефект Доплера– ще один цікавий, останній у нашому списку ефект, пов'язаний із поширенням звукових хвиль у просторі. Ефект полягає в тому, що довжина хвилі змінюється відповідно до зміни швидкості руху слухача щодо джерела хвилі. Чим швидше слухач (реєструючий датчик) наближається до джерела хвилі, тим довжина хвилі, що їм реєструється, стає меншою і навпаки.

Ці та інші явища враховуються та широко використовуються в багатьох областях, таких як акустика, звукообробка та радіолокація.

Звук є звуковими хвилями, які викликають коливання дрібних частинок повітря, інших газів, а також рідких і твердих середовищ. Звук може виникати тільки там, де є речовина, не важливо, в якому стані вона знаходиться. В умовах вакууму, де немає будь-якого середовища, звук не поширюється, тому що там відсутні частинки, які і виступають розповсюджувачами звукових хвиль. Наприклад, у космосі. Звук може модифікуватися, видозмінюватися, перетворюючись на інші форми енергії. Так, звук, перетворений на радіохвилі або в електричну енергію, можна передавати на відстані та записувати на інформаційні носії.

Звукова хвиля

Рухи предметів та тіл практично завжди стають причиною коливань навколишнього середовища. Не важливо, вода це чи повітря. У процесі цього частки середовища, якому передаються коливання тіла, також починають коливатися. Виникають звукові хвилі. Причому рухи здійснюються у напрямах уперед і назад, поступово змінюючи один одного. Тому звукова хвиля є поздовжньою. Ніколи в ній не виникає поперечного руху вгору та вниз.

Характеристики звукових хвиль

Як будь-яке фізичне явище, вони мають свої величини, з яких можна описати характеристики. Основні характеристики звукової хвилі - це її частота та амплітуда. Перша величина показує, скільки хвиль утворюється за секунду. Друга визначає силу хвилі. Низькочастотні звуки мають низькі показники частоти і навпаки. Частота звуку вимірюється в Герцах, і якщо вона перевищує 20 000 Гц, виникає ультразвук. Прикладів низькочастотних і високочастотних звуків у природі та навколишньому світі досить. Щебетання солов'я, гуркіт грому, гуркіт гірської річки та інші – це всі різні звукові частоти. Значення амплітуди хвилі залежить від того, наскільки звук гучний. Гучність же, своєю чергою, зменшується в міру віддалення джерела звуку. Відповідно, і амплітуда тим менша, чим далі від епіцентру знаходиться хвиля. Іншими словами, амплітуда звукової хвилі зменшується при віддаленні джерела звуку.

Швидкість звуку

Цей показник звукової хвилі знаходиться у прямій залежності від характеру середовища, в якому вона поширюється. Значну роль відіграють і вологість, і температура повітря. У середніх погодних умовах швидкість звуку становить приблизно 340 метрів за секунду. У фізиці існує таке поняття, як надзвукова швидкість, яка завжди за значенням більша, ніж швидкість звуку. З такою швидкістю поширюються звукові хвилі під час руху літака. Літак рухається з надзвуковою швидкістю і навіть обганяє звукові хвилі, які він створює. Внаслідок тиску, що поступово збільшується за літаком, утворюється ударна звукова хвиля. Цікава і мало кому відома одиниця виміру такої швидкості. Називається вона Мах. 1 Мах дорівнює швидкості звуку. Якщо хвиля рухається зі швидкістю 2 Маха, то вона поширюється вдвічі швидше, ніж швидкість звуку.

Шуми

У повсякденному життілюдини присутні постійні шуми. Вимірюється рівень шуму децибелах. Рух автомобілів, вітер, шелест листя, переплетення голосів людей та інші звукові шуми є нашими супутниками щодня. Але до таких шумів слуховий аналізаторлюдину має можливість звикати. Однак існують і такі явища, з якими навіть пристосувальні здібності людського вуха не можуть упоратися. Наприклад, шум, що перевищує 120 дБ, здатний спричинити відчуття болю. Найгучніша тварина - синій кит. Коли він видає звуки, його можна почути на відстані понад 800 км.

Відлуння

Як виникає луна? Тут усе дуже просто. Звукова хвиля має здатність відбиватися від різних поверхонь: від води, від скелі, від стін у порожньому приміщенні. Ця хвиля повертається до нас, тож ми чуємо вторинний звук. Він не такий чіткий, як початковий, оскільки деяка енергія звукової хвилі розсіюється під час руху до перешкоди.

Ехолокація

Відображення звуку використовують у різних практичних цілях. Наприклад, ехолокація. Вона полягає в тому, що з допомогою ультразвукових хвиль можна визначити відстань до об'єкта, якого ці хвилі відбиваються. Розрахунки здійснюються при вимірі часу, за який ульразвук дістанеться місця і повернеться назад. Здібністю до ехолокації мають багато тварин. Наприклад, кажани, дельфіни використовують її для пошуку їжі. Інше застосування ехолокація знайшла у медицині. При дослідженнях з допомогою ультразвуку утворюється зображення внутрішніх органів людини. В основі такого методу знаходиться те, що ультразвук, потрапляючи у відмінне від повітря середовище, повертається назад, формуючи таким чином зображення.

Звукові хвилі у музиці

Чому музичні інструменти видають ті чи інші звуки? Гітарні перебори, награші піаніно, низькі тони барабанів та труб, що зачаровує тонкий голосок флейти. Всі ці та багато інших звуків виникають через коливання повітря або, іншими словами, через появу звукових хвиль. Але чому звучання музичних інструментів настільки різноманітне? Це залежить від деяких факторів. Перше – це форма інструменту, друге – матеріал, з якого він виготовлений.

Розглянемо це з прикладу струнних інструментів. Вони стають джерелом звуку, коли на струни впливають торканням. Внаслідок цього вони починають виробляти коливання та посилати у навколишнє середовище різні звуки. Низький звук будь-якого струнного інструменту обумовлений більшою товщиною та довжиною струни, а також слабкістю її натягу. І навпаки, чим сильніше натягнута струна, чим вона тонша і коротша, тим вищий звук виходить в результаті гри.

Дія мікрофона

Воно засноване на перетворенні енергії звукової хвилі на електричну. У прямій залежності при цьому є сила струму і характер звуку. Усередині будь-якого мікрофона розташована тонка пластина, виготовлена ​​з металу. При дії звуком вона починає здійснювати коливальні рухи. Спіраль, з якою з'єднана платівка, також вібрує, внаслідок чого виникає електричний струм. Чому він з'являється? Це з тим, що у мікрофоні також вбудовані магніти. При коливаннях спіралі між його полюсами і утворюється електричний струм, що йде спіралі і далі - на звукову колонку (гучномовець) або техніки для запису на інформаційний носій (на касету, диск, комп'ютер). До речі, аналогічна будова має мікрофон у телефоні. Але як діють мікрофони на стаціонарному та мобільному телефоні? Початкова фазаоднакова для них - звук людського голосу передає свої коливання на платівку мікрофона, далі все за описаним вище сценарієм: спіраль, яка при русі замикає два полюси, створюється струм. А що далі? Зі стаціонарним телефоном все більш-менш зрозуміло - як і в мікрофоні, звук, перетворений на електричний струм, біжить по дротах. А як же справа з стільниковим телефоном або, наприклад, з рацією? У цих випадках звук перетворюється на енергію радіохвиль і потрапляє на супутник. От і все.

Явище резонансу

Іноді створюються такі умови, коли амплітуда коливань фізичного тіларізко зростає. Це відбувається внаслідок зближення значень частоти вимушених коливань та частоти коливань предмета (тіла). Резонанс може приносити як користь, і шкоду. Наприклад, щоб визволити машину з ямки, її заводять і штовхають туди-сюди для того, щоб викликати резонанс і надати автомобілю інерцію. Але траплялися й випадки негативного наслідкурезонансу. Наприклад, у Петербурзі приблизно сто років тому звалився міст під синхронно крокуючими солдатами.

Цей урок висвітлює тему «Звукові хвилі». На цьому уроці продовжимо вивчати акустику. Спочатку повторимо визначення звукових хвиль, потім розглянемо їх частотні діапазони та познайомимося з поняттям ультразвукових та інфразвукових хвиль. Ми також обговоримо властивості, властиві звуковим хвилям у різних середовищах, і дізнаємося, які їм притаманні характеристики .

Звукові хвилі –це механічні коливання, які, поширюючись та взаємодіючи з органом слуху, сприймаються людиною (рис. 1).

Мал. 1. Звукова хвиля

Розділ, який займається фізикою цими хвилями, називається акустика. Професія людей, яких у народі називають «слухачами», – акустики. Звукова хвиля - це хвиля, що поширюється в пружному середовищі, це поздовжня хвиля, і, коли вона поширюється в пружному середовищі, чергуються стиск і розрядження. Передається вона з часом на відстань (рис. 2).

Мал. 2. Поширення звукової хвилі

До звукових хвиль відносяться такі коливання, що здійснюються з частотою від 20 до 20 000 Гц. Для цих частот відповідають довжини хвиль 17 м (для 20 Гц) та 17 мм (для 20 000 Гц). Цей діапазон називатиметься чутним звуком. Ці довжини хвиль наведені повітря, швидкість поширення звуку у якому дорівнює .

Існують ще такі діапазони, якими займаються акустики – інфразвукові та ультразвукові. Інфразвукові – це ті, що мають частоту менше 20 Гц. А ультразвукові – це ті, що мають частоту понад 20 000 Гц (рис. 3).

Мал. 3. Діапазони звукових хвиль

Кожна освічена людина повинна орієнтуватися в діапазоні частот звукових хвиль і знати, що якщо вона піде на УЗД, то зображення на екрані комп'ютера буде будуватися з частотою більше 20 000 Гц.

Ультразвук –це механічні хвилі, аналогічні звуковим, але мають частоту від 20 кГц до мільярда герц.

Хвилі, що мають частоту понад мільярд герц, називають гіперзвуком.

Ультразвук застосовується виявлення дефектів в литих деталях. На досліджувану деталь направляють потік ультразвукових коротких сигналів. У місцях, де дефектів немає, сигнали проходять крізь деталь, не реєструючись приймачем.

Якщо ж деталі є тріщина, повітряна порожнина чи інша неоднорідність, то ультразвуковий сигнал відбивається від неї і, повертаючись, потрапляє у приймач. Такий метод називають ультразвуковою дефектоскопією.

Іншими прикладами застосування ультразвуку є апарати ультразвукового дослідження, апарати УЗД, ультразвукова терапія

Інфразвук -механічні хвилі, аналогічні звуковим, але з частотою менше 20 Гц. Вони не сприймаються людським вухом.

Природними джерелами інфразвукових хвиль є шторм, цунамі, землетруси, урагани, виверження вулканів, гроза.

Інфразвук - теж важливі хвилі, які використовують для коливань поверхні (наприклад, щоб зруйнувати великі об'єкти). Ми запускаємо інфразвук у ґрунт – і ґрунт дробиться. Де таке вживається? Наприклад, на алмазних копальнях, де беруть руду, в яких є алмазні компоненти, і дроблять на дрібні частинки, щоб знайти ці алмазні вкраплення (рис. 4).

Мал. 4. Застосування інфразвуку

Швидкість звуку залежить від умов середовища та температури (рис. 5).

Мал. 5. Швидкість поширення звукової хвилі у різних середовищах

Зверніть увагу: у повітрі швидкість звуку при рівні , при швидкість збільшується на . Якщо ви дослідник, то можуть знадобитися такі знання. Ви, можливо, навіть придумаєте якийсь температурний датчик, який фіксуватиме розбіжності температури шляхом зміни швидкості звуку в середовищі. Ми вже знаємо, що чим щільніше середовище, чим серйозніша взаємодія між частинками середовища, тим швидше поширюється хвиля. Ми в минулому параграфі обговорили це на прикладі сухого та вологого повітря. Для води швидкість поширення звуку. Якщо створити звукову хвилю (стукати камертоном), то швидкість її поширення у воді буде в 4 рази більше, ніж у повітрі. По воді інформація дійде швидше в 4 рази, ніж повітрям. А в сталі і того швидше: (Рис. 6).

Мал. 6. Швидкість розповсюдження звукової хвилі

Ви знаєте з билин, що Ілля Муромець користувався (та й усі богатирі та звичайні російські люди та хлопчики з РВС Гайдара), користувалися дуже цікавим способом виявлення об'єкта, який наближається, але розташовується ще далеко. Звук, який він видає під час руху, ще не чутний. Ілля Муромець, припавши вухом до землі, може її почути. Чому? Тому що по твердій землі передається звук із більшою швидкістю, значить, швидше дійде до вуха Іллі Муромця, і він зможе підготуватися до зустрічі ворога.

Найцікавіші звукові хвилі – музичні звуки та шуми. Які предмети можуть створити звукові хвилі? Якщо ми візьмемо джерело хвилі та пружне середовище, якщо ми змусимо джерело звуку коливатися гармонійно, то у нас виникне чудова звукова хвиля, яка називатиметься музичним звуком. Цими джерелами звукових хвиль може бути, наприклад, струни гітари чи рояля. Це може бути звукова хвиля, яка створена в зазорі повітряної труби (органу або труби). З уроків музики ви знаєте ноти: до, ре, мі, фа, сіль, ля, сі. В акустиці вони називаються тонами (рис. 7).

Мал. 7. Музичні тони

Усі предмети, які можуть видавати тони, мають особливості. Чим вони різняться? Вони відрізняються довжиною хвилі та частотою. Якщо ці звукові хвилі створюються тілами, що не гармонійно звучать або не пов'язані в загальну якусь оркестрову п'єсу, то така кількість звуків буде називатися шумом.

Шум- Безладні коливання різної фізичної природи, що відрізняються складністю тимчасової та спектральної структури. Поняття шуму є побутове і фізичне, вони дуже схожі, і тому ми його вводимо як окремий важливий об'єкт розгляду.

Переходимо до кількісним оцінкамзвукових хвиль. Які у музичних звукових хвиль характеристики? Ці характеристики поширюються виключно гармонійні звукові коливання. Отже, гучність звуку. Чим визначається гучність звуку? Розглянемо поширення звукової хвилі у часі чи коливання джерела звукової хвилі (рис. 8).

Мал. 8. Гучність звуку

При цьому, якщо ми додали в систему не дуже багато звуку (стукнули тихо по клавіші фортепіано, наприклад), то буде тихий звук. Якщо ми голосно, високо піднімаючи руку, викличемо цей звук, стукнувши клавішею, отримаємо гучний звук. Від чого це залежить? У тихого звуку амплітуда коливань менше, ніж у гучного звуку.

Наступна важлива характеристикамузичного звуку та будь-якого іншого - висота. Від чого залежить висота звуку? Висота залежить від частоти. Ми можемо змусити джерело коливатися часто, а можемо змусити його коливатись не дуже швидко (тобто здійснювати за одиницю часу меншу кількість коливань). Розглянемо розгортку за часом високого та низького звуку однієї амплітуди (рис. 9).

Мал. 9. Висота звуку

Можна зробити цікавий висновок. Якщо людина співає басом, то має джерело звуку (це голосові зв'язки) коливається у кілька разів повільніше, ніж у людини, яка співає сопрано. У другому випадку голосові зв'язки коливаються частіше, тому частіше викликають осередки стиснення та розрядження у поширенні хвилі.

Є ще одна цікава характеристиказвукових хвиль, що фізики не вивчають. Це тембр. Ви знаєте і легко розрізняєте ту саму музичну п'єсу, яку виконують на балалайці або на віолончелі. Чим відрізняються ці звучання чи це виконання? Ми попросили на початку експерименту людей, які отримують звуки, робити їх приблизно однаковою амплітуди, щоб була однакова гучність звуку. Це як у випадку оркестру: якщо не потрібно виділення якогось інструменту, всі грають приблизно однаково, однаково. Так ось тембр балалайки та віолончелі відрізняється. Якби ми намалювали звук, який витягують із одного інструмента, з іншого, за допомогою діаграм, то вони були б однаковими. Але ви легко вирізняєте ці інструменти по звуку.

Ще один приклад важливості тембру. Уявіть собі двох співаків, які закінчують той самий музичний вуз у однакових педагогів. Вони вчилися однаково добре на п'ятірки. Чомусь один стає видатним виконавцем, а інший усе життя незадоволений своєю кар'єрою. Насправді це визначається виключно їх інструментом, який викликає якраз голосові коливання в середовищі, тобто вони відрізняються голоси по тембру.

Список літератури

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Фізика: довідник із прикладами розв'язання задач. - 2-ге видання переділ. – X.: Веста: видавництво «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Перишкін А.В., Гутнік Є.М., Фізика. 9 кл.: Підручник для загальноосвіт. установ/А.В. Перишкін, Е.М. Гутник. - 14-те вид., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300 с.

1. Інтернет-портал «eduspb.com» ()
2. Інтернет-портал «msk.edu.ua» ()
3. Інтернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнє завдання

1. Як поширюється звук? Що може бути джерелом звуку?
2. Чи може звук поширюватись у космосі?
3. Чи всяка хвиля, яка досягла органу слуху людини, сприймається ним?

Спів птахів, шум дощу та вітру, гуркіт грому, музика – все, що ми чуємо, ми вважаємо звуком.

З наукової точкизору звук – це фізичне явище, яке є механічні коливання, що поширюються в твердому, рідкому та газоподібному середовищі. Вони й викликають слухові відчуття.

Як з'являється звукова хвиля

Натиснути на картинку

Усі звуки поширюються як пружних хвиль. А хвилі з'являються під впливом пружних сил, що виникають, коли тіло деформують. Ці сили прагнуть повернути тіло у вихідний стан. Наприклад, натягнута струна у нерухомому стані не звучить. Але варто тільки відвести її в бік, як під дією сили пружності вона прагнутиме зайняти своє первісне становище. Вібруючи, вона стає джерелом звуку.

Джерелом звуку може бути будь-яке тіло, що коливається, наприклад, закріплена з одного боку тонка сталева пластинка, повітря в музичному духовому інструменті, голосові зв'язки людини, дзвіночок і т.д.

Що відбувається у повітрі у разі коливання?

Як будь-який газ, повітря має пружність. Він пручається стиску і відразу починає розширюватися, коли тиск зменшується. Будь-який тиск на нього він рівномірно передає в різні сторони.

Якщо за допомогою поршня різко стиснути повітря, то тут відразу збільшиться тиск. Воно одразу ж передасться сусіднім шарам повітря. Вони стискатимуться, і тиск у них збільшиться, а в попередньому шарі зменшиться. Так по ланцюжку зони підвищеного і зниженого тискупередаються далі.

Відхиляючись в сторони по черзі, струна, що звучить, стискає повітря спочатку в одному напрямку, а потім у протилежному. У тому напрямку, куди відхилилася струна, тиск стає вищим за атмосферний на якусь величину. З протилежного боку тиск на таку саму величину зменшується, оскільки повітря розріджується. Стиснення та розрідження чергуються і поширюватимуться в різні боки, викликаючи коливання повітря. Ці коливання і називаються звуковою хвилею . А різницю між атмосферним тиском і тиском у шарі стиснення чи розрідження повітря називають акустичним, або звуковим тиском.

Натиснути на картинку

Звукова хвиля поширюється не тільки в повітрі, але і в рідкому, і в твердому середовищі. Наприклад, вода чудово проводить звук. Ми чуємо під водою удар каменю. Шум гвинтів надводного корабля вловлює акустик підводного човна. Якщо на один кінець дерев'яної дошки покласти наручний механічний годинник, то, приклавши вухо до протилежного кінця дошки, ми почуємо їх цокання.

Чи відрізнятимуться звуки у вакуумі? Англійський фізик, хімік і богослов Роберт Бойль, який жив у XVII столітті, помістив годинник у скляну посудину, з якої відкачав повітря. Тикання годинника він не почув. Це означало, що звукові хвилі у безповітряному просторі не поширюються.

Характеристики звукової хвилі

Форма звукових коливань залежить від джерела звуку. Найбільш просту форму мають рівномірні або гармонійні коливання. Їх можна уявити у вигляді синусоїди. Такі коливання характеризуються амплітудою, довжиною хвилі та частотою поширення коливань.

Амплітуда

Амплітудою у випадку називають максимальне відхилення тіла від положення рівноваги.

Так як звукова хвиля складається з областей високого і низького тиску, її часто розглядають як процес поширення коливань тиску. Тому говорять про амплітуді тиску повітря у хвилі.

Від амплітуди залежить гучність звуку. Чим вона більша, тим гучніший звук.

Кожен звук людської мови має форму коливань, властиву лише йому. Так, форма коливань звуку "а" відрізняється від форми коливань звуку "б".

Частота та період хвилі

Кількість коливань за секунду називається частотою хвилі .

f = 1/Т

де Т - Період коливань. Це проміжок часу, протягом якого відбувається одне повне коливання.

Чим більший період, тим менша частота, і навпаки.

Одиниця виміру частоти у міжнародній системі вимірів СІ – герц (Гц). 1 Гц – це одне коливання за секунду.

1 Гц = 1 с -1.

Наприклад, частота 10 Гц означає 10 коливань за 1 секунду.

1000 Гц = 1 кГц

Від частоти коливань залежить висота тону. Чим вища частота, тим вищий тон звуку.

Людське вухо здатне сприймати в повному обсязі звукові хвилі, лише ті, які мають частоту від 16 до 20 000 Гц. Саме ці хвилі вважаються звуковими. Хвилі, частота яких нижче 16 Гц, називають інфразвуковими, а понад 20 000 Гц ультразвуковими.

Людина не сприймає ні інфразвукові, ні ультразвукові хвилі. Але тварини та птахи здатні чути ультразвук. Наприклад, звичайний метелик розрізняє звуки, що мають частоту від 8000 до 160000 Гц. Діапазон, що сприймається дельфінами, ще ширший, він коливається від 40 до 200 тисяч Гц.

Довжина хвилі

Довжиною хвилі називають відстань між двома найближчими точками гармонійної хвилі, що знаходяться в однаковій фазі, наприклад, між двома гребенями. Позначається як ƛ .

За час, що дорівнює одному періоду, хвиля проходить відстань, що дорівнює її довжині.

Швидкість поширення хвилі

v = ƛ / T

Так як T = 1/f,

то v = ƛ·f

Швидкість звуку

Спроби визначити швидкість звуку з допомогою експериментів робилися ще першій половині XVII століття. Англійський філософ Френсіс Бекон у своїй роботі «Новий органон» запропонував свій спосіб вирішення цього завдання, заснований на різниці швидкостей світла та звуку.

Відомо, що швидкість світла значно вища за швидкість звуку. Тому під час грози спочатку ми бачимо спалах блискавки, а вже потім чуємо гуркіт грому. Знаючи відстань між джерелом світла та звуку та спостерігачем, а також час між спалахом світла та звуком, можна розрахувати швидкість звуку.

Ідеєю Бекона скористався французький учений Марен Марсен. Спостерігач, який знаходиться на деякій відстані від людини, яка стріляла з мушкету, зафіксував час, що минув від світлового спалаху до звуку пострілу. Потім величину відстані розділили на якийсь час і отримали швидкість звуку. За результатами експерименту швидкість дорівнювала 448 м/с. То був приблизний розрахунок.

На початку ХІХ століття група вчених Паризької академії наук повторила цей досвід. За розрахунками швидкість світла мала значення 350-390 м/с. Але ця цифра не була точною.

Теоретично швидкість світла намагався вирахувати Ньютон. В основу своїх розрахунків він поклав закон Бойля-Маріотта, який описував поведінку газу в ізотермічному процесі (за постійної температури). А так буває, коли обсяг газу змінюється дуже повільно, встигаючи віддати довкіллю тепло, що виникає в ньому.

Ньютон ж припускав, що між областями стискування та розрідження температура вирівнюється швидко. Але цих умов немає у звуковій хвилі. Повітря погано проводить тепло, а відстань між шарами стиснення та розрідження велика. Тепло із шару стиснення не встигає перейти у шар розрідження. І між ними виникає різницю температур. Тому розрахунки Ньютона виявилися невірними. Вони давали цифру 280 м/с.

Французький вчений Лаплас зумів пояснити, що помилка Ньютона полягала в тому, що звукова хвиля поширюється в повітрі. адіабатичних умовах, при температурі, що змінюється. Відповідно до розрахунків Лапласа, швидкість звуку повітря при температурі 0 про З дорівнює 331,5 м/с. Причому вона зростає зі зростанням температури. І при підвищенні температури до 20 про С вона дорівнюватиме вже 344 м/с.

У різних середовищах звукові хвилі поширюються з різною швидкістю.

Для газів та рідин швидкість звуку обчислюється за формулою:

де з -швидкість звуку,

β - адіабатична стисливість середовища,

ρ - густина.

Як видно з формули, швидкість залежить від щільності та стисливості середовища. У повітряному середовищі вона менша, ніж у рідкому. Наприклад, у воді при температурі 20 про З вона дорівнює 1484 м/с. Причому, що вища солоність води, то з більшою швидкістю у ній поширюється звук.

Вперше швидкість звуку у воді виміряли у 1827 р. Цей експеримент чимось нагадував вимір швидкості світла Мареном Марсеном. З борту одного човна у воду спустили дзвін. На відстані понад 13 км від першого човна знаходився другий. На першому човні вдаряли в дзвін і одночасно запалювали порох. На другому човні фіксували час спалаху, а потім час приходу звуку від дзвону. Розділивши відстань на якийсь час, отримали швидкість звукової хвилі у воді.

Найвищу швидкість звук має у твердому середовищі. Наприклад, у сталі вона сягає понад 5000 м/с.