Просмотр кода страницы Звук

{{другие значения}}
'''Звук''' — [[физическое явление]], представляющее собой распространение [[Упругие волны|упругих волн]] в газообразной, жидкой или твёрдой [[Сплошная среда|среде]]. В узком смысле под звуком имеют в виду эти волны, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются [[органы чувств|органами чувств]]<ref>{{Книга:Физическая энциклопедия|автор=И. П. Голямина|статья=Звук|ссылка=http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1222.html|страницы=}}</ref>.

Источником звука может выступать тело, совершающее [[механические колебания]] по определённому закону.

В общем случае звук является совокупностью волн различных [[Частота|частот]]. Распределения интенсивности по частотам <math>dI/df</math> бывают плавными (непрерывными) или с выраженными максимумами при <math>f =f_1,\,f_2,..</math> (дискретными). Для упрощения нередко сосредоточиваются на одной волне конкретной частоты.

Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от {{Герц|16—20}} до 15—20 кГц<ref>{{Cite web |url=http://www.zdo-rov.ru/sluh-obcshaja-informacija |title=Слух — общая информация |accessdate=2010-08-25 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20130112064818/http://www.zdo-rov.ru/sluh-obcshaja-informacija |archivedate=2013-01-12 |deadlink=yes }}</ref>. Звук ниже диапазона слышимости человека называют [[инфразвук]]ом; выше: до 1 ГГц, — [[ультразвук]]ом, от 1 ГГц — [[гиперзвук]]ом.

В первом приближении [[громкость звука]] диктуется [[амплитуда|амплитудой]] волны, а [[Тональность|тон]], [[высота звука]] — частотой. Более точно, громкость сложным образом зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний, а высота звука — не только от частоты, но и от величины звукового давления.

Среди слышимых звуков выделяются фонетические, [[Речевой звук|речевые звуки]] и [[фонема|фонемы]] (из которых состоит [[устная речь]]) и [[музыкальный звук|музыкальные звуки]] (из которых состоит [[музыка]]). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов (волн фиксированных частот <math>f_i</math>), а иногда и шумовые компоненты в широком акустическом диапазоне.

== Понятие о звуке ==
[[Файл:Soundwaves.png|мини|справа|Звуковые волны в воздухе — чередующиеся области сжатия и разрежения]]
Звуковые волны могут служить примером [[Колебательный процесс|колебательного процесса]]. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является [[давление (физика)|давление]] в точке среды, а её отклонение — [[звуковое давление|звуковым давлением]].

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте (например, с помощью поршня), то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

{{начало скрытого блока|более детальная информация}}
Скорость колебательного движения частиц упругой среды — ''[[колебательная скорость]]'' — измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики [[Затухающие колебания|затухающих колебаний]] используются [[коэффициент затухания]] (S), логарифмический [[декремент]] (D) и [[добротность]] (Q).

''Коэффициент затухания'' отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раз, через <math>\tau</math>, то:
: <math>S=\frac{1}{\tau}</math>.
Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания <math>\tau</math>:
: <math>D=\frac{T}{\tau}</math>

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают ''[[вынужденные колебания]]'', характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы.

При частотах воздействия, значительно меньших резонансной, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. [[Акустическое сопротивление]] среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разрежения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды (<math>\rho</math>) на скорость (с) распространения в ней звуковых волн.
: <math>Z=\rho c</math>
Удельное акустическое сопротивление измеряется в [[Паскаль (единица измерения)|паскаль]]-[[секунда]]х на [[метр]] (Па·с/м) или дин•с/см³ (СГС); 1 Па·с/м = {{e|−1|0}} дин • с/см³.

Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г/с·см², причём 1 г/с·см² = 1 дин•с/см³. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, [[Преломление звука|преломлением]] и отражением ультразвуковых волн.

[[Звуковое давление|Звуковое, или акустическое, давление]] в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статическим давлением в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:
: <math>P=2\pi f\rho cA</math>
где Р — максимальное акустическое давление (амплитуда давления);
* f — частота;
* с — скорость распространения ультразвука;
* <math>\rho</math> — плотность среды;
* А — амплитуда колебания частиц среды.
На расстоянии в половину длины волны (λ/2) значение звукового давления из положительного становится отрицательным. Разница давлений в двух точках с максимальным и минимальным его значением (отстоящих друг от друга на λ/2 вдоль направления распространения волны) равна 2Р.

Для выражения звукового давления в единицах [[СИ]] используется паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на квадратный метр (Н/м²). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см²; 1 дин/см² = {{e|−1|0}} Па = {{e|−1|0}} Н/м². Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98{{e|6}} дин/см² = 0,98{{e|5}} Н/м². Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = {{e|6|0}} дин/см².

Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются [[Ускорение|ускорениями]], величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак.

Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением:

: <math>a=\omega^2A=(2\pi f)^2A</math>

Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разрежения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности.
Этот механизм нашёл применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях — ультразвуковых весах.
{{конец скрытого блока}}

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют [[Продольные волны|продольный]] характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В [[Твёрдое тело|твёрдых телах]], помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны ([[поперечная волна]]). Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

В философии, психологии и экологии средств коммуникации звук исследуется в связи с его воздействием на восприятие и мышление (речь идёт, например, об акустическом пространстве как пространстве, создаваемом воздействием электронных средств коммуникации).

== Физические параметры звука ==

=== Спектр звука ===
{{Основная статья|Акустический спектр}}
[[Файл:Comparison-of-sounds.svg|thumb|right|Примеры форм звуковых сигналов (слева) и соответствующих спектров: a-c — дискретные; d — непрерывный]]
Под ''спектром'' понимается распределение звуковой энергии по частоте <math>dI/df</math>, то есть функция, показывающая относительную представленность различных частот в изучаемом звуке. Если это распределение дискретное, то <math>dI/df</math> записывается как сумма [[Дельта-функция|дельта-функций]] вида <math>\sum I_i\delta(f-f_i)</math>; в таком случае может быть приведён перечень присутствующих частот с их вкладами в общую интенсивность: <math>(f_1,\,I_1),\,\,(f_2,\,I_2),..</math> и так далее.

Применительно к музыкальным звукам вместо слова «спектр» используется понятие «[[тембр]]» в том же значении.

=== Интенсивность звука ===
{{Основная статья|Интенсивность звука}}
''Интенсивность (сила) звука'' — скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую в направлении распространения звука. Учитывает весь частотный диапазон, а именно <math>I = \int (dI/df)\,df</math>. Различаются мгновенная, то есть в данный момент <math>I(t)</math>, и усреднённая по некоторому промежутку времени <math><I(t)></math> интенсивность.

=== Длительность звука ===
''Длительность звука'' — общая продолжительность колебаний источника упругих волн в секундах или, в музыке, в единицах музыкального ритма (см. [[длительность (музыка)]]).

=== Скорость звука ===
[[Файл:Akustika.jpg|thumb|right|Средства звукового наблюдения, основанные на [[бинауральный эффект|бинауральном эффекте]]]]
{{Основная статья|Скорость звука}}
''Скорость звука'' — скорость распространения звуковых волн в среде.

Как правило, в [[газ]]ах скорость звука меньше, чем в [[Жидкость|жидкостях]].

Скорость звука в воздухе зависит от температуры и в нормальных условиях составляет примерно 340 м/с.

Скорость звука в любой среде вычисляется по формуле:
: <math>c = \sqrt{\frac{1}{\beta\rho}}</math>,
где <math>\beta</math> — [[адиабата|адиабатическая]] [[сжимаемость]] среды; <math>\rho</math> — плотность.

=== Громкость звука ===
{{Основная статья|Громкость звука}}
''Громкость звука'' — субъективное [[восприятие]] силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от [[звуковое давление|звукового давления]], [[амплитуда|амплитуды]] и [[частота|частоты]] звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний, индивидуальная чувствительность слухового анализатора человека и другие факторы<ref name="Алдошина И. Основы психоакустики. Громкость">[http://rus.625-net.ru/audioproducer/2000/08/4.htm Архив журнала «Звукорежиссёр», 2000, #8] {{Wayback|url=http://rus.625-net.ru/audioproducer/2000/08/4.htm |date=20070227120529 }}</ref><ref name="Алдошина И. Основы психоакустики. Громкость сложных звуков">[http://rus.625-net.ru/audioproducer/2000/09/aldoshina.htm Архив журнала «Звукорежиссёр», 2000, #9] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20070227120259/http://rus.625-net.ru/audioproducer/2000/09/aldoshina.htm |date=2007-02-27 }}</ref>.

== Генерация звука ==
Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование [[Голосовые связки|голосовых связок]], [[Громкоговоритель|динамиков]] или [[камертон]]а. Большинство [[Музыкальные инструменты|музыкальных инструментов]] основано на том же принципе. Исключением являются [[духовые инструменты]], в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте. Для создания когерентного звука применяются так называемые [[Звуковой лазер|звуковые или фононные лазеры]]<ref>{{статья|автор=Jacob B. Khurgin.|заглавие=Phonon lasers gain a sound foundation|ссылка=https://dx.doi.org/10.1103/Physics.3.16|язык=en|издание=[[Physics]]|год=2010|том=3|страницы=16}}</ref>.

В технике применяются [[Генератор сигналов|генераторы звука]].

== Ультразвук ==
{{Основная статья|Ультразвук}}
Ультразвук — упругие звуковые колебания высокой [[частота|частоты]]. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде [[упругие волны]] частотой приблизительно до 16 Гц-20 [[Герц (единица измерения)|кГц]]; колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). На явлении отражения основана [[Ультразвуковая дефектоскопия|ультразвуковая диагностика]].<!-- При одновременном движении в среде нескольких звуковых волн в каждой определённой точке среды происходит суперпозиция (наложение) этих волн. Наложение волн одинаковой частоты друг на друга называется интерференцией. Если в процессе прохождения через объект звуковые волны пересекаются, то в определённых точках среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. При этом состояние точки среды, где происходит взаимодействие, зависит от соотношения фаз звуковых колебаний в данной точке. Если звуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях приводит к увеличению амплитуды колебаний. Если же волны приходят к точке среды в противофазе, то смещение частиц будет разнонаправленным, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний.
-->

;Поглощение ультразвуковых волн
Поскольку среда, в которой распространяется ультразвук, обладает вязкостью, теплопроводностью и имеет другие причины внутреннего трения, то при распространении волны происходит [[Поглощение волн|поглощение]], то есть по мере удаления от источника амплитуда и энергия ультразвуковых колебаний становятся меньше. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощённой энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения.

Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой [[Интенсивность звука|интенсивность]] уменьшается вдвое. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше расстояние, на котором интенсивность ультразвука ослабляется наполовину.

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счёте, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

На границе раздела сред (напр., эпидермис — дерма — фасция — мышца) будет наблюдаться [[Преломление звука|преломление]] ультразвуковых волн.

;Бегущие и стоячие ультразвуковые волны
Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются [[Бегущая волна|бегущие волны]]. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний.
Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению [[Стоячая волна|стоячих волн]]. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.

== Инфразвук ==
{{Основная статья|Инфразвук}}
'''Инфразву́к''' (от {{lang-la|infra}} — ниже, под) — звуковые колебания, имеющие частоты ниже воспринимаемых человеческим ухом. За верхнюю границу частотного диапазона инфразвука обычно принимают 16—25 Гц. Нижняя же граница инфразвукового диапазона условно определена как {{Герц|0,001}}. Практический интерес могут представлять колебания от десятых и даже сотых долей герц, то есть с периодами в десяток секунд.

Поскольку природа возникновения инфразвуковых колебаний такая же, как и у слышимого звука, инфразвук подчиняется тем же закономерностям, и для его описания используется такой же математический аппарат, как и для обычного слышимого звука (кроме понятий, связанных с уровнем звука). Инфразвук слабо поглощается средой, поэтому может распространяться на значительные расстояния от источника. Из-за очень большой [[длина волны|длины волны]] ярко выражена [[дифракция]].

Инфразвук, образующийся в море, называют одной из возможных причин нахождения судов, покинутых экипажем<ref>''Мезенцев В. А. '' В тупиках мистики. М.: [[Московский рабочий]], 1987.</ref>.

== Опыты и демонстрации ==
[[Файл:Возникновение звука.webm|мини|справа|Видеоурок: возникновение звука]]
Для демонстрации стоячих волн звука служит [[труба Рубенса]].

Различие в скоростях распространения звука наглядно, когда вдыхают вместо воздуха гелий, и говорят что-либо, выдыхая им, — голос становится выше. Если же газ — [[гексафторид серы]] SF<sub>6</sub>, то голос звучит ниже<ref>{{YouTube|HIXEzj08MwE|Демонстрация изменения голоса с гексафторидом серы}}</ref>. Связано это с тем, что газы примерно одинаково хорошо сжимаемы, поэтому в обладающем очень низкой плотностью гелии по сравнению с воздухом происходит увеличение скорости звука, и понижение — в гексафториде серы с очень высокой для газов плотностью, размеры же ротового резонатора человека остаются неизменными, в итоге меняется резонансная частота, так как чем выше скорость звука, тем выше резонансная частота при остальных неизменных условиях.

О скорости звука в воде можно визуально получить представление в опыте [[Дифракция#Дифракция света на ультразвуке|дифракции света на ультразвуке в воде]]. В воде по сравнению с воздухом, скорость звука выше, так как даже при существенно более высокой плотности воды (что должно было бы привести к падению скорости звука), вода настолько плохо сжимаема, что в итоге в ней скорость звука оказывается всё равно в несколько раз выше.

В 2014 году была представлена установка, которая звуковыми волнами поднимает сантиметровые предметы<ref>[http://www.popmech.ru/science/15940-akusticheskiy-silovoy-luch-prityagivaet-predmety-na-rasstoyanii/ Акустический «силовой луч» притягивает предметы на расстоянии] {{Wayback|url=http://www.popmech.ru/science/15940-akusticheskiy-silovoy-luch-prityagivaet-predmety-na-rasstoyanii/ |date=20140517132822 }} // [[Популярная механика]]</ref>.

== См. также ==
{{колонки}}
* [[Акустика]] / [[Музыкальная акустика]]
* [[Число Маха]]
* [[Гранулярный синтез]]
* [[Эффект Доплера]]
* [[Второй звук в жидком гелии]]
* [[АЧХ]] / [[Логарифмический масштаб]]
* [[Цифровые аудиоформаты]]
{{колонки|конец}}

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{ВТ-ЭСБЕ|Звук}}
* {{книга
|заглавие = Основы аналогового и цифрового звука
|автор = Радзишевский А. Ю.
|isbn = 5-8459-1002-1
|страницы = 288
|год = 2006
|место = М. |издательство = [[Вильямс (издательство)|Вильямс]]
}}

== Ссылки ==
{{Родственные проекты
 |Портал       = Физика
 |Викисловарь  = звук
 |Викиучебник  = 
 |Викитека     = 
 |Викиновости  = 
 |Метавики     = 
 |Проект       = 
}}
* [http://www.acoustics.salford.ac.uk/schools/index1.htm Sounds Amazing; a KS3/4 learning resource for sound and waves] {{Wayback|url=http://www.acoustics.salford.ac.uk/schools/index1.htm |date=20120313122023 }} (uses [[Flash Video|Flash]])
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/soucon.html HyperPhysics: Sound and Hearing] {{Wayback|url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/soucon.html |date=20090202082931 }}
* [http://podcomplex.com/guide/physics.html Introduction to the Physics of Sound] {{Wayback|url=http://podcomplex.com/guide/physics.html |date=20081223024410 }}
* [http://www.phys.unsw.edu.au/~jw/hearing.html Hearing curves and on-line hearing test] {{Wayback|url=http://www.phys.unsw.edu.au/~jw/hearing.html |date=20090121080055 }}
* [https://web.archive.org/web/20090123120804/http://audiodesignline.com/howto/audioprocessing/193303241 Audio for the 21st Century]
* [http://www.sengpielaudio.com/calculator-soundlevel.htm Conversion of sound units and levels] {{Wayback|url=http://www.sengpielaudio.com/calculator-soundlevel.htm |date=20090118020926 }}
* [http://www.sengpielaudio.com/Calculations03.htm Sound calculations] {{Wayback|url=http://www.sengpielaudio.com/Calculations03.htm |date=20090118020936 }}
* [http://www.audiocheck.net Audio Check: a free collection of audio tests and test tones playable on-line] {{Wayback|url=http://www.audiocheck.net/ |date=20191003234030 }}
* [http://salfordacoustics.co.uk/sound-waves More Sounds Amazing; a sixth-form learning resource about sound waves] {{Wayback|url=http://salfordacoustics.co.uk/sound-waves |date=20190210201755 }}

{{Внешние ссылки}}

[[Категория:Звук| ]]
[[Категория:Упругие волны]]