Звук

в широком смысле — колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах (см. Также Упругие волны) в узком смысле — явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит З. С частотой от 16 гц до 20 000 гц. Физическое понятие о З. Охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. З. С частотой ниже 16 гц называется Инфразвуком, выше 20 000 гц — Ультразвуком. Самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 109 до 1012—1013 гц относят к Гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена — в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли гц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами, характеризующими атомное и молекулярное строение среды.

Длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстоянии в жидкостях и в твёрдых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 109 гц и выше, а в твёрдых телах — с частотой более 1012—1013 гц. Основные характеристики звука. Важной характеристикой З. Является его спектр, получаемый в результате разложения З. На простые гармонические колебания (т. Н. Частотный Звука анализ). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. З. Со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов.

Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные З. (рис. 1). Основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука (См. Высота звука), а набор гармонических составляющих — Тембр звука. В спектре З. Речи (См. Речь) имеются форманты (См. Форманта) — устойчивые группы частотных составляющих, соответствующие определённым фонетическим элементам (рис. 2). Энергетической характеристикой звуковых колебаний является Интенсивность звука — энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность З. Зависит от амплитуды звукового давления (См. Звуковое давление), а также от свойств самой среды и от формы волны.

Субъективной характеристикой З., связанной с его интенсивностью, является Громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1—5 кгц. В этой области Порог слышимости, т. Е. Интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна 10-12вм/м2, а соответствующее звуковое давление — 10-5н/м2. Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом З. Характеризуется порогом болевого ощущения (См. Порог болевого ощущения), слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вм/м2. В ультразвуковой технике достигаются значительно большие интенсивности (до 104 квм/м2). Источники звука — любые явления, вызывающие местное изменение давления или механическое напряжение.

Широко распространены источники З. В виде колеблющихся твёрдых тел (например, диффузоры громкоговорителей и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов. В ультразвуковом диапазоне частот — пластинки и стержни из пьезоэлектрических материалов (См. Пьезоэлектрические материалы) или магнитострикционных материалов (См. Магнитострикционные материалы)). Источниками З. Могут служить и колебания ограниченных объёмов самой среды (например, в органных трубах, духовых музыкальных инструментах, свистках и т.п.). Сложной колебательной системой является Голосовой аппарат человека и животных. Возбуждение колебаний источников З. Может производиться ударом или щипком (колокола, струны). В них может поддерживаться режим автоколебаний (См.

Автоколебания) за счёт, например, потока воздуха (духовые инструменты). Обширный класс источников З. — Электроакустические преобразователи, в которых механические колебания создаются путём преобразования колебаний электрического тока той же частоты. В природе З. Возбуждается при обтекании твёрдых тел потоком воздуха за счёт образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром проводов, труб, гребней морских волн. З. Низких и инфранизких частот возникает при взрывах, обвалах. Многообразны источники акустических Шумов, к которым относятся применяемые в технике машины и механизмы, газовые и водяные струи. Исследованию источников промышленных, транспортных шумов и шумов аэродинамического происхождения уделяется большое внимание ввиду их вредного действия на человеческий организм и техническое оборудование.

Приёмники звука служат для восприятия звуковой энергии и преобразования её в др. Формы. К приёмникам З. Относится, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для приёма З. Применяются главным образом электроакустические преобразователи. В воздухе — Микрофоны, в воде — Гидрофоны и в земной коре — Геофоны. Наряду с такими преобразователями, воспроизводящими временную зависимость звукового сигнала, существуют приёмники, измеряющие усреднённые по времени характеристики звуковой волны, например Диск Рэлея, Радиометр. Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука (См. Скорость звука). В газообразных и жидких средах распространяются продольные волны (направление колебательного движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость которых определяется сжимаемостью среды и её плотностью.

Скорость З. В сухом воздухе при температуре 0°С составляет 330 м/сек, в пресной воде при 17°С — 1430 м/сек. В твёрдых телах, кроме продольных, могут распространяться поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным распространению волны, а также поверхностные волны (Рэлея волны). Для большинства металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/сек до 7000 м/сек, а поперечных — от 2000 м/сек до 3500 м/сек. При распространении волн большой амплитуды (см. Нелинейная акустика) фаза сжатия распространяется с большей скоростью, чем фаза разрежения, благодаря чему синусоидальная форма волны постепенно искажается и звуковая волна превращается в ударную волну (См. Ударная волна). В ряде случаев наблюдается Дисперсия звука, т.

Е. Зависимость скорости распространения от частоты. Дисперсия З. Приводит к изменению формы сложных акустических сигналов, включающих ряд гармонических составляющих, в частности — к искажению звуковых Импульсов. При распространении звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции и дифракции. В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде велик по сравнению с длиной волны, распространение звука подчиняется обычным законам отражения и преломления волн и может рассматриваться с позиций геометрической акустики (См. Геометрическая акустика). При распространении звуковой волны в заданном направлении происходит постепенное её затухание, т. Е. Уменьшение интенсивности и амплитуды.

Знание законов затухания практически важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала. Затухание обусловливается рядом факторов, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от характеристик самого звука (и в первую очередь, его частоты) и от свойств среды. Все эти факторы можно подразделить на две большие группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового распространения в среде. Так, при распространении в неограниченной среде З. От источника конечных размеров интенсивность его убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению её в первоначальном направлении, например рассеяние З.

На пузырьках в воде, на взволнованной поверхности моря, в турбулентной атмосфере (см. Турбулентность), рассеяние высокочастотного ультразвука в поликристаллических металлах, на дислокациях (См. Дислокации) в кристаллах. На распространение З. В атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т. Е. Рефракцию З., которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру З. Слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости З. С глубиной в океане объясняет наличие т. Н. Подводного звукового канала, в котором наблюдается сверхдальнее распространение З., например З. Взрыва распространяется в таком канале на расстояние более 5000 км. Вторая группа факторов, определяющих затухание З., связана с физическими процессами в веществе — необратимым переходом звуковой энергии в др.

Формы (главным образом в тепло), т. Е. С поглощением звука (См. Поглощение звука), обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды («классическое поглощение»), а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов (молекулярное или релаксационное поглощение). Поглощение З. Заметно возрастает с частотой. Поэтому высокочастотный ультразвук и гиперзвук распространяются, как правило, лишь на очень малые расстояния, часто всего на несколько см. В атмосфере, в водной среде и в земной коре дальше всего распространяются инфразвуковые волны, отличающиеся малым поглощением и слабо рассеиваемые. На высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах в твёрдом теле возникает дополнительное поглощение, обусловленное взаимодействием волны с тепловыми колебаниями кристаллической решётки, с электронами и со световыми волнами.

Это взаимодействие при определённых условиях может вызвать и «отрицательное поглощение», т. Е. Усиление звуковой волны. Значение звуковых волн, а следовательно, и их изучение, которым занимается Акустика, чрезвычайно велико. С давних пор З. Служит средством связи и сигнализации. Изучение всех его характеристик позволяет разработать более совершенные системы передачи информации, повысить дальность систем сигнализации, создать более совершенные музыкальные инструменты. Звуковые волны являются практически единственным видом сигналов, распространяющихся в водной среде, где они служат для целей подводной связи, навигации, локации (см. Гидроакустика). Низкочастотный звук является инструментом исследования земной коры.

Практическое применение ультразвука создало целую отрасль современной техники — ультразвуковую технику. Ультразвук используется как для контрольно-измерительных целей (в частности, в дефектоскопии (См. Дефектоскопия)), так и для активного воздействия на вещество (ультразвуковая очистка, механическая обработка, сварка и т.п.). Высокочастотные звуковые волны и особенно гиперзвук служат важнейшим средством исследований в физике твёрдого тела. Лит. Стретт Д ж. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. С англ., 2 изд., т. 1—2, М., 1955. Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твёрдых телах, 3 изд., М., 1960. Розенберг Л. Д., Рассказ о неслышимом звуке, М., 1961. И. П. Голямина. Рис. 1 (слева). Частотно-амплитудные спектры звуков музыкальных инструментов.

А — скрипки (звук ля первой октавы, основная частота 426 гц). Б — скрипки (звук ми второй октавы, основная частота 640 гц). В — деревянной флейты (звук ми второй октавы, основная частота 106 гц). Г — тромбона (звук ми бемоль первой октавы, основная частота 306 гц). Рис. 2 (справа). Частотно-амплитудные спектры гласных «о», «а», «и»..