Звук

Звуковые волны (звуки музыки) часть 1 // Наука 2.0

Звуковые волны (звуки музыки) часть 2

Звук — физическое явление, вызываемое колеблющимися движениями частиц среды, обычно воздуха, которое мы воспринимаем слухом.

Механические вибрации, ассоциированные со звуком, могут распространяться во всех формах вещества: газах, жидкости, твердых телах и в плазме. Звук не может идти через вакуум. Считается, что человеческий слух воспринимает звуки частотой между 16 Гц и 20 кГц. Верхний предел обычно уменьшается с возрастом.

Распространение звука в среде носит характер упругих волн. Как и всякая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Изучением звука занимается наука акустика.

Основные характеристики звука

Частотный диапазон

Физическое понятие «звук» охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называют инфразвуком, выше 20 кГц — ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹ до 10¹²−10¹³ Гц относят к гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена — в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли герц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами: длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и более межатомного расстояния в жидкости и в твердых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 10⁹ Гц и выше, а в твердых телах — с частотой более 10¹²−10¹³ Гц.

Спектр

Важной характеристикой звука является его спектр, который получается в результате разложения звука на простые гармонические колебания (т. н. частотный анализ звука). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в некоторой области частот, и линейчатый, если имеется совокупность дискретных частотных составляющих. Звук со сплошным спектром воспринимается как шум (напр. шелест деревьев под ветром). Линейчатый спектр с кратными частотами характерен для музыкальных звуков; основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих — тембр звука.

Скорость звука

Распространение звуковых волн в среде характеризуется скоростью звука. В газообразной и жидкой среде распространяются продольные звуковые волны (направление колебательного движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость которых определяется сжимаемостью среды и её плотностью. Скорость звука в сухом воздухе при температуре 0° С составляет 330 м/с, в пресной воде при 17° С — 1430 м/с. В твердых телах, кроме продольных, могут распространяться поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным направлению распространения волны, а также поверхностные волны. Для большинства металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/с до 7000 м/с, а поперечных — от 2000 м/с до 3500 м/с.

Практическое использование звука

С давних времен звук служит средством связи и сигнализации. Изучение его характеристик позволяет разрабатывать более совершенные системы передачи информации, увеличить расстояние действия систем сигнализации. Звуковые волны являются практически единственным видом сигналов, распространяющихся в водной среде, где они являются средством подводной связи, навигации, локации (см. Гидроакустика). Низкочастотный звук служит средством исследования земной коры. Практическое применение ультразвука создало целую отрасль современной техники — ультразвуковую технику. Ультразвук применяется как для контрольно-измерительных целей (в частности, в дефектоскопии), так и для активного воздействия на вещество (ультразвуковая очистка, механическая обработка, сварка и т. п.). Высокочастотные звуковые волны, и особенно гиперзвук, являются важным средством исследований в физике твердого тела.

См. также

• Распространение звука в вакууме
• Автомобильный звук

Литература

• Звук // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890−1907.