Среди всех видов упругих волн особое место занимают звуковые волны. Ухо человека воспринимает в виде звуковых ощущений (звука) колебания, частоты которых лежат в диапазоне примерно от 16 Гц до 20 кГц. Поэтому механические колебания с такими частотами принято называть звуковыми.
Звуковыми волнами называют упругие волны с частотами от 16 Гц до 20 кГц. Упругие волны с частотами менее 16 Гц называют инфразвуковыми, а волны с частотами более 20 кГц — ультразвуковыми.
Приведённые границы звукового диапазона условны, так как зависят от индивидуальных особенностей слухового аппарата каждого человека. Среди животных собаки, летучие мыши и дельфины слышат ультразвуковые колебания с частотами более 30 кГц. Звуковые колебания распространяются в газообразных, жидких и твёрдых средах. Звуковые волны в газах и жидкостях представляют собой продольные упругие волны. В твёрдых телах возможно распространение и поперечных, и продольных звуковых волн. Скорость распространения звука, как и всех упругих волн, зависит от упругих свойств среды и её плотности.
Скорости распространения звуковых волн в некоторых средах приведены в табл. 1. Источником звука может быть любое тело, совершающее колебания с частотами звукового диапазона (рис. 163). Если между этим телом и ухом находится упругая среда, то звуковые колебания источника возбуждают в этой среде звуковую волну, которая достигает уха, и человек слышит звук.
Если вокруг источника звука нет упругой среды, то звук распространяться не будет. Например, если поместить электрический звонок под стеклянный колпак и начать откачивать из-под колпака воздух, то звук от звонка будет слышен всё хуже.
Звуки, которые мы слышим, различаются. Человеческий голос может быть громким и еле слышимым, низким (басистым) и высоким (писклявым), звонким и хриплым. Для характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота тона и тембр.
Чтобы исследовать характеристики различных звуков, можно использовать установку, изображённую на рис. 164. В этой установке микрофон преобразует звуковые колебания в колебания электрического напряжения. Усиленные с помощью специального усилителя, они подаются на вход осциллографа — прибора, который преобразует колебания электрического напряжения в видимое изображение. В результате на экране осциллографа будут отображаться колебания напряжения, соответствующие изучаемым
звуковым колебаниям.
Расположим перед микрофоном камертон — специальный прибор, используемый в качестве источника звука определённой частоты. Если ударить по ветви камертона, то мы услышим звук, возбуждаемый её колебаниями. При этом на экране осциллографа мы увидим зависимость напряжения от времени в виде синусоиды. Следовательно, звуковые колебания камертона происходят по синусоидальному (гармоническому) закону. Если ударить по камертону сильнее, то громкость звучания увеличится. Соответственно, увеличится и амплитуда колебаний на экране осциллографа. Это означает, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний, а следовательно, от энергии звуковой волны. Отметим, что громкость звука, воспринимаемая человеком, не прямо пропорциональна энергии, приносимой звуковой волной. Так, если поступающую в ухо энергию увеличить в 10 раз, то для человека громкость звука возрастёт в 2 раза. При увеличении поступающей энергии в 100 раз громкость возрастёт в 4 раза и т. д. Такая зависимость воспринимаемой человеком громкости от поступающей энергии звуковой волны связана с особенностью нашего слуха. Это позволяет нам слышать и шелест листьев, и рёв урагана. Если частота звука приближается к границам слышимости (к 16 Гц или к 20 кГц), то воспринимаемая человеком громкость звука уменьшается.
Таким образом, громкость звука зависит не только от энергии, приносимой звуковой волной, но и от её частоты.
Воздействие звуковой волны на барабанную перепонку уха зависит от амплитуды колебаний давления воздуха в звуковой волне. Человеческое ухо является совершенным созданием природы, способным воспринимать звуки в огромном диапазоне амплитуд колебаний: от слабого писка комара до грохота стартующей ракеты. При амплитудах колебаний меньше порога слышимости человек перестаёт слышать звук. При частотах около 3,5 кГц порогу слышимости соответствуют колебания с амплитудой давления меньше 10 Па. При таком слабом звуке молекулы воздуха колеблются в звуковой волне с амплитудой всего лишь порядка 10−10 см! Болевой порог, при котором возникают болевые ощущения, соответствует амплитудам колебаний давления в звуковой волне, превышающим 108 Па. Таким образом, человеческое ухо способно воспринимать волны, в которых звуковое давление изменяется в миллионы раз. Так как энергия, приносимая звуковой волной, пропорциональна квадрату амплитуды колебаний давления, то отношение максимальной мощности звука, воспринимаемого ухом человека, к минимальной составляет около 1014!
Звуки, издаваемые гармонически колеблющимися телами, называют чистыми музыкальными. Примером такого звука является звук камертона. Звуки различных камертонов отличаются друг от друга частотами колебаний. Про такие звуки говорят, что они различаются по высоте тона.
Чем больше частота чистого музыкального звука, тем выше его тон.
Звук человеческого голоса может быть низкого тона — бас (частоты от 70 до 300 Гц), а может быть и высокого тона — колоратурное сопрано (частоты от 330 до 1400 Гц). Струны музыкальных инструментов, например гитары, совершают колебания с разными частотами. Поэтому они издают звуки разного тона.
Наконец, рассмотрим особую характеристику звука, отличающую, например, разные музыкальные инструменты, — тембр звука. Если заставить звучать одну и ту же мелодию на разных музыкальных инструментах перед подключённым к осциллографу микрофоном, то на экране осциллографа будет изображаться не синусоида, а более сложная периодически изменяющаяся кривая. Такую кривую можно представить в виде суммы синусоид с кратными частотами разных амплитуд (рис. 165). Колебание с наименьшей частотой называют основным тоном, а остальные колебания — с большими частотами — обертонами, или гармониками.
Наличие или отсутствие в звуке тех или иных обертонов (гармоник) и определяет тембр звука. Тембр звука связан со строением его источника. Устройство разных музыкальных инструментов различается, поэтому они обладают разным тембром.
Строение голосового аппарата каждого человека также имеет свои особенности. В результате голоса людей различаются по тембру. Это и позволяет нам узнавать знакомые голоса.
В отличие от музыкальных звуков, есть звуки, которым не соответствует определённая частота или упорядоченный набор кратных частот. Такие звуки называют шумом. Шум представляет собой беспорядочную суперпозицию звуков самых разных частот.
В заключение отметим, что наличие у человека двух ушей (приёмников звука) позволяет ему определять направление в пространстве на источник звука с точностью до 5 градусов. Это связано с тем, что человек способен различать моменты прихода звуковой волны в одно и другое ухо с точностью до 3·10−5с.
Поделиться с друзьями: