Что называется звуком. Звук, звуковая волна, инфразвук, ультразвук. Допустимые уровни инфразвука в жилых помещениях

Занимаясь музыкой, бывает очень полезно представлять себе в целом, что такое звук и как происходит запись звука на компьютере. Имея такие знания, становится намного проще понять, что такое, например, компрессия или как появляется клиппинг. В музыке, как и почти в любом деле, зная основы, проще идти вперёд.

Что такое звук?

Звук - это физические колебания среды, распространяющиеся в виде волн. Мы улавливаем эти колебания и воспринимаем их как звук . Если же попытаться графически изобразить звуковую волну, мы получим, как это ни удивительно, волну .

Синусоидальная звуковая волна

Выше изображена синусоидальная звуковая волна, звучание которой можно услышать из аналоговых синтезаторов или из телефонной трубки стационарного телефона, если вы им ещё пользуетесь. Кстати, в телефоне звучит , говоря техническим, а не музыкальным языком.

Звук обладает тремя важными характеристиками, а именно: громкость, высота и тембр - это субъективные ощущения, но они имеют своё отражение в физическом мире в виде физических свойств звуковой волны.

Амплитуда

То что воспринимается нами как громкость - это сила колебаний или уровень звукового давления , который измеряется в (дБ).

Графически изображается волнами разной высоты:

Чем выше амплитуда (высота волны на графике), тем громче воспринимается звук, и наоборот, чем меньше амплитуда, тем тише звук. Конечно, на восприятие громкости влияет ещё и частота звука, но это особенности нашего восприятия.

Примеры различной громкости, в децибелах:

Звук	Громкость (дБ)	Эффект
Сельская местность вдали от дорог	25 дБ	Почти не слышно
Шёпот	30 дБ	Очень тихо
Офис в рабочее время	50-60 дБ	Уровень шума остаётся комфортным до 60 дБ
Пылесос, фен для волос	70 дБ	Назойливый; мешает говорить по телефону
Кухонный комбайн, блендер	85-90 дБ	Начиная с громкости в 85 дБ при длительном (8 часов) прослушивании начинается повреждение слуха
Грузовик, бетономешалка, вагон метро	95-100 дБ	Для звуков от 90 до 100 дБ рекомендуется воздействие не более 15 минут на незащищённое ухо
Бензопила, отбойный молоток	110 дБ	Регулярное воздействие звуков громче 110 дБ на протяжении более 1 минуты вызывает риск необратимой потери слуха
Рок концерт	110-140 дБ	Болевой порог начинается около 125 дБ

Частота

Когда мы говорим, что звук «выше» или «ниже», то понимаем о чём речь, но графически это отображается не высотой, а расстоянием и частотой:

Высота ноты (звука) — частота звуковой волны

чем меньше расстояние между звуковыми волнами, тем выше частота звука или, просто, выше звук.

Думаю, все знают, что человеческое ухо способно воспринимать звуки частотой приблизительно от 20 Гц до 20 кГц (в исключительных случаях - от 16 Гц до 22 кГц), а музыкальные звуки находятся в интервале от 16,352 Гц («до» субконтроктавы) до 7,902 кГц («си» пятой октавы).

Тембр

И последняя важная нам характеристика - тембр звука. Говоря словами, это то, как «окрашен» звук, а графически выглядит как различная комплексность, сложность звуковой волны. Вот, например, графическое отображение звуковых волн скрипки и рояля:

Тембр звука — комплексность (сложность) звуковой волны

Посложнее синусоиды, не правда ли?

Существует несколько способов записи звука: нотная запись, аналоговая запись и цифровая запись.

Нотная запись - это просто данные о частоте, длительности и громкости звуков, которые необходимо воспроизвести на каком-либо инструменте. В компьютерном мире есть аналог - MIDI данные. Но рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данной статьи, разберём его подробно в другой раз.

Аналоговая запись - по сути своей запись физических колебаний как они есть на какой-либо носитель: виниловую пластинку или магнитную ленту. Тут сразу должно начаться обильное слюноотделение у любителей тёплого лампового звука, но мы не из таких и , что аналоговые приборы имеют сильную погрешность и принципиальные ограничения, это вносит искажения и ухудшает качество записи, а физические носители со временем изнашиваются, что ещё сильней снижает качество фонограммы, поэтому аналоговая запись сейчас ушла в прошлое.

Цифровая запись звука - технология, которая дала возможность любому попробовать себя звукоинженером или продюсером. Так как же она работает? Ведь компьютер может записывать только числа, а если быть точным, только нули и единицы, в которых кодируются другие цифры, буквы, изображения. Как в цифрах записать такие сложные данные как звук?

Решение довольно простое - нарезать звуковую волну маленькими кусочками, то есть преобразовать непрерывную функцию (звуковую волну) в дискретную. Этот процесс называется дискретизацией , не от слова «кретин», а от слова «дискретность» (лат. discretus - разделённый, прерывистый). Каждый такой маленький кусочек звуковой волны уже очень легко описать цифрами (уровень сигнала в определенный момент времени), что при цифровой записи и происходит. Этот процесс называется аналого-цифровым преобразованием (analog to digital conversion), а преобразующее устройство (микросхема), соответственно, - аналого-цифровым преобразователем (analog to digital convertor) или АЦП (ADC).

Вот пример отрывка звуковой волны длиной почти в пять миллисекунд райд-тарелки (ride cymbal):

Видите, она вся состоит из зубчиков? Это и есть дискретные маленькие кусочки, на которые нарезана звуковая волна, но при желании через эти зубчики-столбики можно провести непрерывную кривую линию, которая и будет изначальной звуковой волной. При воспроизведении так и происходит в устройстве (тоже микросхеме) под названием цифро-аналоговый преобразователь (digital to analog convertor) или ЦАП (DAC). АЦП и ЦАП являются основными деталями аудио-интерфейса и от их качества зависит его качество и возможности.

Частота дискретизации и битность

Я, наверное, уже утомил даже самых стойких читателей, но не отчаивайтесь, это часть статьи, ради которой она и затевалась.

У процесса преобразования аналогового сигнала в цифровой (и наоборот) есть два важных свойства - это частота дискретизации (она же частота семплирования или sample rate) и глубина дискретизации (битность).

Частота дискретизации - это частота, с которой звуковой сигнал режется на кусочки (семплы). Не повторите мою ошибку: с частотой звука частота дискретизации связана только через теорему Котельникова, которая говорит: для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала. Таким образом используемая при записи CD и музыки частота дискретизации в 44,1 кГц покрывает
слышимый человеком диапазон частот.

Битность - это глубина дискретизации, измеряемая в битах, то есть это количество бит, используемое для записи амплитуды сигнала. При записи CD используется 16 бит, что достаточно для в 96 дБ, то есть мы сможем записать звук, у корого разница между самой тихой и самой громкой его частями составляет 96 дБ, что почти всегда достаточно для записи любой музыки. В студиях при записи обычно применяют 24-битную разрядность, что даёт динамический диапазон в 144 дБ, но поскольку 99% устройств, воспроизводящих звук (магнитофоны, плееры, звуковые карты, идущие в комлекте с компьютером) умеют обрабатывать только 16-разрядный звук, при рендеринге всё равно придётся потерять 48 дБ (144 минус 96) динамического диапазона, используя 16-битное разрешение.

Напоследок подсчитаем битрейт музыки на Audio CD:
16 бит x 44 100 семплов в секунду x 2 канала = 1 411 200 бит в секунду = 1 411,2 кбит/с.

Таким образом, одна секунда записи на Audio CD занимает 172 килобайта или 0,168 мегабайта.

Это всё, что я хотел рассказать про запись звука на компьютере.
Ну, или почти всё.

Последний раздел для хардкорных читатателей.

Dither

При рендеринге проектов в звуковых редакторах при выборе формата 44 100 kHz 16 bit иногда появляется галочка Dither. Что это такое?
Это подмешивание псевдослучайного сигнала. Едва ли вам стало легче от такой формулировки, но я сейчас объясню.

При аналого-цифровом преобразовании происходит округление амплитуды. То есть при 16-битной глубине дискретизации нам доступно 2 16 = 65 536 возможных вариантов уровня амплитуды. Но если амплитуда у звука в одном из семплов оказалась равной 34 целых и 478 тысячных, то нам придётся её округлить до 34.

Для малых уровней амплитуды входного сигнала такое округление несёт негативные последствия в виде искажений, с чем и борется dither .

Вот теперь точно всё. Спасибо за чтение!

Не забудьте написать комментарий и нажать на красивые кнопочки социальных сетей в низу статьи.

Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом. Диапазон звуковых частот лежит в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком , а с частотой более 20 кГц - ультразвуком . Волны звукового диапазона могут распространяться не только в газе, но и в жидкости (продольные волны) и в твердом теле (продольные и поперечные волны). Однако волны в газообразной среде - среде нашего обитания - представляют особый интерес. Изучением звуковых явлений занимается раздел физики, который называют акустикой .

При распространении звука в газе атомы и молекулы колеблются вдоль направления распространения волны. Это приводит к изменениям локальной плотности ρ и давления p . Звуковые волны в газе часто называют волнами плотности или волнами давления.

В простых гармонических звуковых волнах, распространяющихся вдоль оси OX , изменение давления p (x , t ) зависит от координаты x и времени t по закону

Два знака в аргументе косинуса соответствуют двум направлениям распространения волны. Соотношения между круговой частотой ω, волновым числом k , длиной волны λ, скоростью звука υ такие же, как и для поперечных волн в струне или резиновом жгуте (2.6):

Важной характеристикой звуковых волн является скорость их распространения . Она определяется инертными и упругими свойствами среды. Скорость распространения продольных волн в любой безграничной однородной среде определяется по формуле

где B - модуль всестороннего сжатия, ρ - средняя плотность среды. Еще Ньютон пытался вычислить значение скорости звука в воздухе. Он предположил, что упругость воздуха просто равна атмосферному давлению p атм, тогда скорость звука в воздухе получается меньшей 300 м/с, в то время, как истинная скорость звука при нормальных условиях (т. е. при температуре 0 °С и давлении 1 атм) равна 331,5 м/с, а скорость звука при температуре 20 °С и давлении 1 атм равна 343 м/с. Только через сто с лишним лет французский ученый Пьер Лаплас показал, что предположение Ньютона равносильно предположению о быстром выравнивании температуры между областями разрежения и сжатия. Это предположение из-за плохой теплопроводности воздуха и малого периода колебаний в звуковой волне не выполняется. На самом деле между областями разрежения и сжатия газа возникает разность температур, которая существенно влияет на упругие свойства. Лаплас предположил, что сжатие и разрежение газа в звуковой волне происходят по адиабатическому закону , т. е. без влияния теплопроводности. Формула Лапласа (1816 г.) имеет вид

где p - среднее давление в газе, ρ - средняя плотность, γ - некоторая константа, зависящая от свойств газа. Для двухатомных газов γ = 1,4. Расчет скорости звука по формуле Лапласа дает значение υ = 332 м/с (при нормальных условиях).

В термодинамике доказывается, что коэффициент γ равен отношению теплоемкостей при постоянном давлении C p и при постоянном объеме C V . Формулу Лапласа можно представить в другом виде, если воспользоваться уравнением состояния идеального газа . Приведем здесь окончательное выражение:

где T - абсолютная температура , M - молярная масса , R = 8,314 Дж/моль·К - универсальная газовая постоянная . Скорость звука сильно зависит от свойств газа. Чем легче газ, тем больше скорость звука в этом газе. Так, например, в воздухе (M = 29·10 -3 кг/моль) при нормальных условиях υ = 331,5 м/с, в гелии (M = 4·10 -3 кг/моль) υ = 970 м/с, в водороде (M = 2·10 -3 кг/моль) υ = 1270 м/с.

В жидкостях и твердых телах скорость звуковых волн еще больше. В воде, например, υ = 1480 м/с (при 20 °С), в стали υ = 5-6 км/с.

При восприятии различных звуков человеческое ухо оценивает их прежде всего по уровню громкости , зависящей от потока энергии или интенсивности звуковой волны. Воздействие звуковой волны на барабанную перепонку зависит от звукового давления , т. е. амплитуды p 0 колебаний давления в волне. Человеческое ухо является совершенным созданием Природы, способным воспринимать звуки в огромном диапазоне интенсивностей: от слабого писка комара до грохота вулкана. Порог слышимости соответствует значению p 0 порядка 10 -10 атм, т. е. 10 -5 Па. При таком слабом звуке молекулы воздуха колеблются в звуковой волне с амплитудой всего лишь 10 -7 см! Болевой порог соответствует значению p 0 порядка 10 -4 атм или 10 Па. Таким образом, человеческое ухо способно воспринимать волны, в которых звуковое давление изменяется в миллион раз. Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то диапазон интенсивностей оказывается порядка 10 12 ! Человеческое ухо, способное воспринимать звуки в таком огромном дипазоне интенсивности, можно сравнить с прибором, который можно использовать для измерения и диаметра атома и размеров футбольного поля.

Для сравнения укажем, что при обычных разговорах людей в комнате интенсивность звука приблизительно в 10 6 раз превышает порог слышимости, а интенсивность звука на рок-концерте приближается к болевому порогу.

Еще одной характеристикой звуковых волн, определяющей их слуховое восприятие, является высота звука . Колебания в гармонической звуковой волне воспринимаются человеческим ухом как музыкальный тон . Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона , колебания низкой частоты - как звуки низкого тона . Звуки, издаваемые музыкальными инструментами, а также звуки человеческого голоса могут сильно различаться по высоте тона и по диапазону частот. Так, например, диапазон наиболее низкого мужского голоса - баса - простирается приблизительно от 80 до 400 Гц, а диапазон высокого женского голоса - сопрано - от 250 до 1050 Гц.

Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой . Голос скрипки, например, перекрывает приблизительно три с половиной октавы (196-2340 Гц), а звуки пианино - семь с лишним октав (27,5-4186 Гц).

Когда говорят о частоте звука, издаваемого струнами любого струнного музыкального инструмента, то имеется в виду частота f 1 основного тона. Но в колебаниях струн могут присутствовать и гармоники, частоты f n которых удовлетворяют соотношению:

f n = nf 1 , (n = 1, 2, 3...).

Поэтому звучащая струна может излучать целый спектр волн с кратными частотами. Амплитуды A n этих волн зависят от способа возбуждения струны (смычок, молоточек); они определяют музыкальную окраску звука или тембр . Аналогично обстоит дело с духовыми музыкальными инструментами. Трубы духовых инструментов являются акустическими резонаторами , то есть акустическими колебательными системами, способными возбуждаться (резонировать) от звуковых волн определенных частот. При определенных условиях в воздухе внутри труб возникают стоячие звуковые волны. На рис. 2.7.1 показаны несколько типов стоячих волн (мод) в органной трубе, закрытой с одного конца и открытой с другого. Звуки, издаваемые трубами духовых инструментов, состоят из целого спектра волн с кратными частотами.

При настройке музыкальных инструментов часто используется устройство, называемое камертоном . Оно состоит из деревянного акустического резонатора и скрепленной с ним металлической вилки, настроенных в резонанс. При ударе молоточком по вилке вся система возбуждается и издает чистый музыкальный тон.

Акустическим резонатором является и гортань певца. На рис. 2.7.2 представлены спектры звуковых волн, испускаемых камертоном, струной пианино и низким женским голосом (альт), звучащими на одной и той же ноте.

Звуковые волны, частотные спектры которых изображены на рис. 2.7.2, обладают одной и той же высотой, но различными тембрами .

Рассмотрим теперь явление, возникающее при наложении двух гармонических звуковых волн с близкими, но все же несколько отличающимися частотами. Это явление носит название биений . Оно возникает, например, при одновременном звучании двух камертонов или двух гитарных струн, настроенных на почти одинаковые частоты. Биения воспринимаются ухом как гармонический тон, громкость которого периодически изменяется во времени. Пусть звуковые давления p 1 и p 2 , действующие на ухо, изменяются по законам

p 1 = A 0 cos ω 1 t и p 2 = A 0 cos ω 2 t .

В соответствии с принципом суперпозиции полное давление, вызываемое обеими волнами в каждый момент времени, равно сумме звуковых давлений, вызываемых в тот же момент времени каждой волной в отдельности.

Суммарное действие обеих волн с помощью тригонометрических преобразований можно представить в виде

На рис. 2.7.3(1) изображены зависимости давлений p 1 и p 2 от времени t . В момент времени t = 0 оба колебания находятся в фазе, и их амплитуды складываются. Так как частоты колебаний несколько отличаются друг от друга, через некоторое время t 1 колебания окажутся в противофазе. В этот момент суммарная амплитуда обратится в нуль (колебания «гасят» друг друга). К моменту времени t 2 = 2t 1 колебания снова окажутся в фазе и т. д. (рис. 2.7.3 (2)).

Минимальный интервал между двумя моментами времени с максимальной (или минимальной) амплитудой колебаний называется периодом биений T б. Медленно изменяющаяся амплитуда A результирующего колебания равна

Период T б изменения амплитуды равен 2π / Δω. Это можно показать и другим способом, предположив, что периоды колебаний давлений в звуковых волнах T 1 и T 2 таковы, что T 1 < T 2 (т. е. ω 1 > ω 2). За период биений T б происходит некоторое число n полных циклов колебаний первой волны и (n - 1) циклов колебаний второй волны.

Звук представляет собой звуковые волны, которые вызывают колебания мельчайших частиц воздуха, других газов, а также жидких и твердых сред. Звук может возникать только там, где есть вещество, не важно, в каком агреатном состоянии оно находится. В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Например, в космосе. Звук может модифицироваться, видоизменяться, превращаясь в иные формы энергии. Так, звук, преобразованный в радиоволны или в электрическую энергию, можно передавать на расстояния и записывать на информационные носители.

Звуковая волна

Движения предметов и тел практически всегда становятся причиной колебаний окружающей среды. Не важно, вода это или воздух. В процессе этого частицы среды, которой передаются колебания тела, также начинают колебаться. Возникают звуковые волны. Причем движения осуществляются в направлениях вперед и назад, поступательно сменяя друг друга. Поэтому звуковая волна является продольной. Никогда в ней не возникает поперечного движения вверх и вниз.

Характеристики звуковых волн

Как и любое физическое явление, они имеют свои величины, при помощи которых можно описать свойства. Основные характеристики звуковой волны - это ее частота и амплитуда. Первая величина показывает, какое количество волн образуется за секунду. Вторая определяет силу волны. Низкочастотные звуки имеют низкие показатели частоты, и наоборот. Частота звука измеряется в Герцах, и если она превышает 20 000 Гц, то возникает ультразвук. Примеров низкочастотных и высокочастотных звуков в природе и окружающем человека мире достаточно. Щебетание соловья, раскаты грома, грохот горной реки и другие - это все разные звуковые частоты. Значение амплитуды волны напрямую зависит от того, насколько звук громок. Громкость же, в свою очередь, уменьшается по мере удаления от источника звука. Соответственно, и амплитуда тем меньше, чем дальше от эпицентра находится волна. Другими словами, амплитуда звуковой волны уменьшается при удалении от источника звука.

Скорость звука

Этот показатель звуковой волны находится в прямой зависимости от характера среды, в которой она распространяется. Значимую роль здесь играют и влажность, и температура воздуха. В средних погодных условиях скорость звука составляет приблизительно 340 метров в секунду. В физике существует такое понятие, как сверхзвуковая скорость, которая всегда по значению больше, чем скорость звука. С такой скоростью распространяются звуковые волны при движении самолета. Самолет движется со сверхзвуковой скоростью и даже обгоняет звуковые волны, создаваемые им. Вследствие давления, постепенно увеличивающегося позади самолета, образуется ударная звуковая волна. Интересна и мало кому известна единица измерения такой скорости. Называется она Мах. 1 Мах равен скорости звука. Если волна движется со скоростью 2 Маха, значит, она распространяется в два раза быстрее, чем скорость звука.

Шумы

В повседневной жизни человека присутствуют постоянные шумы. Измеряется уровень шума в децибелах. Движение автомобилей, ветер, шелест листвы, переплетение голосов людей и другие звуковые шумы являются нашими спутниками ежедневно. Но к таким шумам слуховой анализатор человека имеет возможность привыкать. Однако существуют и такие явления, с которыми даже приспособительные способности человеческого уха не могут справиться. Например, шум, превышающий 120 дБ, способен вызвать ощущение боли. Самое громкое животное - синий кит. Когда он издает звуки, его можно услышать на расстоянии более 800 километров.

Эхо

Как возникает эхо? Здесь все очень просто. Звуковая волна имеет способность отражаться от разных поверхностей: от воды, от скалы, от стен в пустом помещении. Эта волна возвращается к нам, поэтому мы слышим вторичный звук. Он не такой четкий, как первоначальный, поскольку некоторая энергия звуковой волны рассеивается при движении до преграды.

Эхолокация

Отражение звука используется в различных практических целях. Например, эхолокация. Она основана на том, что с помощью ультразвуковых волн можно определить расстояние до объекта, от которого эти волны отражаются. Расчеты осуществляются при измерении времени, за которое ульразвук доберется до места и вернется обратно. Способностью к эхолокации обладают многие животные. Например, летучие мыши, дельфины используют ее для поиска пищи. Другое применение эхолокация нашла в медицине. При исследованиях с помощью ультразвука образуется картинка внутренних органов человека. В основе такого метода находится то, что ультразвук, попадая в отличную от воздуха среду, возвращается обратно, формируя таким образом изображение.

Звуковые волны в музыке

Почему музыкальные инструменты издают те или иные звуки? Гитарные переборы, наигрыши пианино, низкие тона барабанов и труб, очаровывающий тонкий голосок флейты. Все эти и многие другие звуки возникают по причине колебаний воздуха или, другими словами, из-за появления звуковых волн. Но почему звучание музыкальных инструментов настолько разнообразное? Оказывается, это зависит от некоторых факторов. Первое - это форма инструмента, второе - материал, из которого он изготовлен.

Рассмотрим это на примере струнных инструментов. Они становятся источником звука, когда на струны воздействуют касанием. Вследствие этого они начинают производить колебания и посылать в окружающую среду разные звуки. Низкий звук какого-либо струнного инструмента обусловлен большей толщиной и длиной струны, а также слабостью ее натяжения. И наоборот, чем сильнее натянута струна, чем она тоньше и короче, тем более высокий звук получается в результате игры.

Действие микрофона

Оно основано на преобразовании энергии звуковой волны в электрическую. В прямой зависимости при этом находятся сила тока и характер звука. Внутри любого микрофона расположена тонкая пластина, выполненная из металла. При воздействии звуком она начинает совершать колебательные движения. Спираль, с которой соединена пластинка, также вибрирует, в результате чего возникает электрический ток. Почему он появляется? Это связано с тем, что в микрофоне также встроены магниты. При колебаниях спирали между его полюсами и образуется электрический ток, который идет по спирали и далее - на звуковую колонку (громкоговоритель) или к технике для записи на информационный носитель (на кассету, диск, компьютер). Кстати, аналогичное строение имеет микрофон в телефоне. Но как действуют микрофоны на стационарном и мобильном телефоне? Начальная фаза одинакова для них - звук человеческого голоса передает свои колебания на пластинку микрофона, далее все по описанному выше сценарию: спираль, которая при движении замыкает два полюса, создается ток. А что дальше? Со стационарным телефоном все более-менее понятно - как и в микрофоне, звук, преобразованный в электрический ток, бежит по проводам. А как же обстоит дело с сотовым телефоном или, например, с рацией? В этих случаях звук превращается в энергию радиоволн и попадает на спутник. Вот и все.

Явление резонанса

Иногда создаются такие условия, когда амплитуда колебаний физического тела резко возрастает. Это происходит вследствие сближения значений частоты вынужденных колебаний и собственной частоты колебаний предмета (тела). Резонанс может приносить как пользу, так и вред. Например, чтобы вызволить машину из ямки, ее заводят и толкают взад-вперед для того, чтобы вызвать резонанс и придать автомобилю инерцию. Но бывали и случаи негативного последствия резонанса. К примеру, в Петербурге приблизительно сто лет назад рухнул мост под синхронно шагающими солдатами.

Звук (звуковая волна ) –это упругая волна, воспринимаемая органом слуха человека и животных . Иначе говоря, звук представляет собой распространение колебаний плотности (или давления) упругой среды, возникающих при взаимодействии частиц среды друг с другом.

Атмосфера (воздух) является одной из упругих сред. Распространение звука в воздухе подчиняется общим законам распространения акустических волн в идеальных газах, а также имеет особенности, обусловленные непостоянством плотности, давления, температуры и влажности воздуха. Скорость звука определяется свойствами среды и вычисляется по формулам для скорости упругой волны.

Существуют искусственные и естественные источники звука. К искусственным относятся излучатели на основе:

Колебаний твёрдых тел (струны и деки музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов, пьезоэлектрические пластины);

Колебаний воздуха в ограниченном объёме (органные трубы., свистки);

Удара (клавиши рояля, колокол);

Электрического тока (электроакустические преобразователи).

К естественным источникам относятся:

Взрыв, обвал;

Обтекание препятствий потоком воздуха (обдувание ветром угла здания, гребня морской волны).

Также существуют искусственные и естественные приёмники звука:

Электроакустические преобразователи (микрофон в воздухе, гидрофон в воде, геофон в земной коре) и другие приборы;

Слуховой аппарат человека и животных.

При распространении звуковых волн возможны явления, характерные для волн любой природы:

Отражение от препятствия,

Преломление на границе двух сред,

Интерференция (сложение),

Дифракция (огибание препятствий),

Дисперсия (зависимость скорости звука в веществе от частоты звука);

Поглощение (уменьшение энергии и интенсивности звука в среде вследствие необратимого превращения энергии звука в теплоту).

Объективные характеристики звука

Частота звука

Частота звука, слышимого человеком, лежит в пределах от 16 Гц до16 - 20 кГц . Упругие волны с частотой ниже слышимого диапазона называют инфразвуком (в т. ч. сотрясение), сболее высокой частотой– ультразвуком , а самые высокочастотные упругие волны –гиперзвуком .

Весь частотный диапазон звука можно разделить на три части (табл. 1.).

Шум имеет сплошной спектр частот (или длин волн) в области низкочастотного звука (табл. 1, 2). Сплошной спектр означает, что частоты может иметь любое значение из данного интервала.

Музыкальные , или тональные , звуки обладают линейчатым спектром частот в области среднечастотного и частично высокочастотного звука. Оставшуюся часть высокочастотного звука занимает свист. Линейчатый спектр означает, что музыкальные частоты имеют лишь строго определённые (дискретные) значения из указанного интервала.

Кроме того, интервал музыкальных частот делят на октавы. Октава – это интервал частот, заключённый между двумя граничными значениями, верхняя из которых вдвое больше нижней (табл. 3)

Общепринятые октавные полосы частот

Октавные полосы частот	 min , Гц	 max , Гц	 ср , Гц

Примеры интервалов частот звука, создаваемого человеческим голосовым аппаратом и воспринимаемого человеческим слуховым аппаратом, приведены в табл.4.


Контральто, альт
Меццо-сопрано

Колоратурное сопрано

Примеры частотных диапазонов некоторых музыкальных инструментов приведены в таблице 5. Они охватывают не только звуковой диапазон, но и ультразвуковой.

Музыкальный инструмент	Частота, Гц

Саксофон

Животные, птицы и насекомые создают и воспринимают звук других частотных диапазонов, нежели человек (табл. 6).

В музыке каждую синусоидальную звуковую волну называют простым тоном, или тоном. Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Основным тоном сложного музыкального звука называют тон, соответствующий наименьшей частоте в его спектре. Тоны, соответствующие остальным частотам, называются обертонами . Если обертоны кратны частоте основного тона, то обертоны называются гармоническими . Обертон с наименьшей частотой называется первой гармоникой, со следующей - второй и т.л.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться тембром. Тембр зависит от состава обертонов, их частот и амплитуд, характера их нарастания в начале звучания и спада в конце.

Скорость звука

Для звука в различных средах справедливы общие формулы (22) – (25). При этом следует учесть, что формула (22) применима в случае сухого атмосферного воздуха и с учётом числовых значений коэффициента Пуассона, молярной массы и универсальной газовой постоянной может быть записана в виде:

Однако, реальный атмосферный воздух всегда имеет влажность, которая влияет на скорость звука. Это обусловлено тем, что коэффициент Пуассона  зависит от отношения парциального давления водяного пара (p пар ) к атмосферному давлению (p ). Во влажном воздухе скорость звука определяют по формуле:

Из последнего уравнения видно, что скорость звука о влажном воздухе скорость звука немного больше, чем в сухом.

Численные оценки скорости звука, учитывающие влияние температур и влажности атмосферного воздуха, можно осуществлять по приближённой формуле:

Эти оценки показывают, что при распространении звука вдоль горизонтального направления (0 x ) с увеличением температуры на1 0 C скорость звука возрастает на0,6 м/с . Под влиянием водяного пара с парциальным давлением не более10 Па скорость звука возрастает менее чем на0,5 м/с . А в целом, при максимально возможном парциальном давлении водяного пара у поверхности Земли, скорость звука увеличивается не более чем1 м/с .

Звуковое давление

При отсутствии звука атмосфера (воздух) является невозмущённой средой и имеет статическое атмосферное давление (
).

При распространении звуковых волн к этому статическому давлению добавляется дополнительное переменное давление, обусловленное сгущениями и разрежениями воздуха. В случае плоских волн можно записать:

где p зв, max – амплитуда звукового давления, - циклическая частота звука,k– волновое число. Следовательно, атмосферное давление в фиксированной точке в данный момент времени становится равным сумме этих давлений:

Звуковое давление – это переменное давление, равное разности мгновенного фактического атмосферного давления в данной точке при прохождении звуковой волны и статического атмосферного давления при отсутствии звука :

Звуковое давление в течение периода колебаний меняет своё значение и знак.

Звуковое давление практически всегда намного меньше атмосферного

Оно становится велико и соизмеримо с атмосферным при возникновении ударных волн во время мощных взрывов или при прохождении реактивного самолета.

Единицами измерения звукового давления служат следующие:

- паскаль в СИ
,

- бар в СГС
,

- миллиметр ртутного столба ,

- атмосфера .

На практике приборы измеряют не мгновенное значение звукового давления, а так называемое эффективное (илидействующее )звуковое давление . Оно равноквадратному корню из среднего значения квадрата мгновенного звукового давления в данной точке пространства в данный момент времени

(44)

и поэтому называется также среднеквадратическим звуковым давлением . Подставляя выражение (39) в формулу (40), получим:

. (45)

Звуковое сопротивление

Звуковым (акустическим) сопротивлением называют отношение амплитуд звукового давления и колебательной скорости частиц среды:

. (46)

Физический смысл звукового сопротивления : оно численно равно звуковому давлению, вызывающему колебания частиц среды с единичной скоростью:

Единица измерения звукового сопротивления в СИ – паскаль-секунда на метр :

В случае плоской волны скорость колебаний частиц равна

Тогда формула (46) примет вид:

. (46*)

Существует также и другое определение звукового сопротивления, как произведение плотности среды и скорости звука в этой среде:

. (47)

Тогда его физический смысл состоит в том, что оно численно равно плотности среды, в которой распространяется упругая волна с единичной скоростью:

Кроме акустического сопротивления в акустике используется понятие механическое сопротивление (R м ). Механическое сопротивление представляет собой отношение амплитуд периодической силы и колебательной скорости частиц среды:

, (48)

где S – площадь поверхности излучателя звука. Механическое сопротивление измеряется вньютон-секундах на метр :

Энергия и сила звука

Звуковая волна характеризуется теми же энергетическими величинами, что и упругая волна.

Каждый объем воздуха, в котором распространяются звуковые волны, обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды (см. формулу (29)).

Интенсивность звука принято называть силой звука . Она равна

. (49)

Поэтому физический смысл силы звука аналогичен смыслу плотности потока энергии: численно равна среднему значению энергии, которая переносится волной за единицу времени через поперечную поверхность единичной площади.

Единица измерения силы звука – ватт на квадратный метр:

Сила звука пропорциональна квадрату эффективного звукового давления и обратно пропорциональна звуковому (акустическому) давлению:

, (50)

или, учитывая выражения (45),

, (51)

где R ак – акустическое сопротивление.

Звук можно также характеризовать звуковой мощностью. Звуковая мощность – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в течение определённого времени через замкнутую поверхность, окружающую источник звука :

, (52)

или, учитывая формулу (49),

. (52*)

Звуковая мощность, как и любая другая, измеряется в ваттах :

Происходящий в газообразных, жидких и твердых средах, который при достижении органов слуха человека воспринимается им как звук. Частота этих волн лежит в пределах от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Приведем формулы для звуковой волны и рассмотрим подробнее ее свойства.

Почему появляется звуковая волна?

Многие люди задаются вопросом, что такое звуковая волна. Природа звука заключается в возникновении возмущения в упругой среде. Например, когда в некотором объеме воздуха происходит возмущение давления в виде сжатия, то данная область стремится распространиться в пространстве. Этот процесс приводит к сжатию воздуха в соседних от источника областях, которые также стремятся расшириться. Данный процесс охватывает все большую и большую часть пространства до тех пор, пока не достигнет какого-либо приемника, например, уха человека.

Общая характеристика звуковых волн

Рассмотрим вопросы, что такое звуковая волна и как она воспринимается человеческим ухом. Звуковая волна является продольной, она при попадании в раковину уха вызывает колебания ушной перепонки с определенной частотой и амплитудой. Также можно представлять эти колебания как периодические изменения давления в микрообъеме воздуха, прилегающего к перепонке. Сначала оно увеличивается относительно нормального атмосферного давления, а затем уменьшается, подчиняясь математическим законам гармонического движения. Амплитуда изменений сжатия воздуха, то есть разница максимального или минимального прессинга, создаваемого звуковой волной, с атмосферным давлением пропорционально амплитуде самой звуковой волны.

Многие физические эксперименты показали, что максимальные давления, которые может воспринимать человеческое ухо без нанесения ему вреда, составляют 2800 мкН/см 2 . Для сравнения скажем, что атмосферное давление вблизи поверхности земли равно 10 млн мкН/см 2 . Учитывая пропорциональность давления и амплитуды колебаний, можно сказать, что последняя величина даже для самых сильных волн является незначительной. Если говорить о длине звуковой волны, то для частоты в 1000 колебаний в секунду она будет составлять тысячную долю сантиметра.

Самые слабые звуки создают колебания давления порядка 0,001мкН/см 2 , соответствующая амплитуда колебаний волны для частоты 1000 Гц составляет 10 -9 см, при этом средний диаметр молекул воздуха составляет 10 -8 см, то есть ухо человека является чрезвычайно чувствительным органом.

Понятие интенсивности звуковых волн

С геометрической точки зрения звуковая волна представляет собой колебания определенной формы, с физической же - главным свойством звуковых волн является их способность переносить энергию. Самым важным примером переноса энергии волной является солнце, излученные электромагнитные волны которого обеспечивают энергией всю нашу планету.

Интенсивность звуковой волны в физике определяется как количество энергии, переносимой волной через единицу поверхности, которая перпендикулярна распространению волны, и за единицу времени. Говоря более коротко, интенсивность волны - это ее мощность, переносимая через единицу площади.

Силу звуковых волн принято измерять в децибелах, которые основываются на логарифмической шкале, удобной для практического анализа результатов.

Интенсивность различных звуков

Следующая шкала в децибелах дает представление о значении различной и ощущениях, которые она вызывает:

порог неприятных и некомфортных ощущений начинается со 120 децибел (дБ);
клепальный молоток создает шум в 95 дБ;
скоростной поезд - 90 дБ;
улица с интенсивным автомобильным движением - 70 дБ;
громкость обычного разговора между людьми - 65 дБ;
современный автомобиль, движущийся с умеренными скоростями, создает шум в 50 дБ;
средняя громкость радиоприемника - 40 дБ;
тихий разговор - 20 дБ;
шум листвы деревьев - 10 дБ;
минимальный порог звуковой чувствительности человека близок к 0 дБ.

Чувствительность человеческого уха зависит от частоты звука и составляет максимальное значение для звуковых волн с частотой 2000-3000 Гц. Для звука, находящегося в этом интервале частот, нижний порог чувствительности человека составляет 10 -5 дБ. Более высокие и более низкие частоты, чем указанный интервал, приводят к увеличению нижнего порога чувствительности таким образом, что близкие к 20 Гц и к 20 000 Гц частоты человек слышит только при их интенсивности в несколько десятков дБ.

Что касается верхнего порога интенсивности, после которого звук начинает вызывать неудобства для человека и даже болевые ощущения, то следует сказать, что он практически не зависит от частоты и лежит в пределах 110-130 дБ.

Геометрические характеристики звуковой волны

Реальная звуковая волна представляет собой сложный колебательный пакет продольных волн, который можно разложить на простые гармонические колебания. Каждое такое колебание описывается с геометрической точки зрения следующими характеристиками:

Амплитуда - максимальное отклонение каждого участка волны от равновесия. Для этой величины принято обозначение A.
Период. Это время, за которое простая волна совершает свое полное колебание. Через это время каждая точка волны начинает повторять свой колебательный процесс. Период принято обозначать буквой T и измерять в секундах в системе СИ.
Частота. Это физическая величина, которая показывает, сколько колебаний данная волна совершает за секунду. То есть по своему смыслу она является величиной, обратной к периоду. Обозначается она f. Для частоты звуковой волны формула ее определения через период выглядит следующим образом: f = 1/T.
Длина волны - это расстояние, которое она пробегает за один период колебаний. Геометрически длина волны представляет собой расстояние между двумя ближайшими максимумами или двумя ближайшими минимумами на синусоидальной кривой. Длина колебаний звуковой волны - это расстояние между ближайшими областями сжатия воздуха или ближайшими местами его разрежения в пространстве, где движется волна. Обозначается она обычно греческой буквой λ.
Скорость распространения звуковой волны - это расстояние, на которое распространяется область сжатия или область разряжения волны за единицу времени. Обозначается эта величина буквой v. Для скорости звуковой волны формула имеет вид: v = λ*f.

Геометрия чистой звуковой волны, то есть волны постоянной чистоты, подчиняется синусоидальному закону. В общем случае формула звуковой волны имеет вид: y = A*sin(ωt), где y - значение координаты данной точки волны, t - время, ω = 2*pi*f - циклическая частота колебаний.

Апериодический звук

Многие источники звука можно считать периодическими, например, звук от таких музыкальных инструментов, как гитара, пианино, флейта, но также существует большое количество звуков в природе, которые являются апериодическими, то есть звуковые колебания изменяют свою частоту и форму в пространстве. Технически такой вид звука называется шумом. Яркими примерами апериодического звука является городской шум, шум моря, звуки от ударных инструментов, например, от барабана и другие.

Среда распространения звуковых волн

В отличие от электромагнитного излучения, фотоны которого для своего распространения не нуждаются в какой-либо вещественной среде, природа звука такова, что для его распространения нужна определенная среда, то есть, согласно законам физики, звуковые волны не могут распространяться в вакууме.

Звук может распространяться в газах, в жидкостях и в твердых телах. Основными характеристиками распространяющейся в среде звуковой волны являются следующие:

волна распространяется линейно;
она распространяется одинаково по всем направлениям в гомогенной среде, то есть от источника звук расходится, образуя идеальную сферическую поверхность.
независимо от амплитуды и частоты звука, его волны распространяются с одинаковой скоростью в данной среде.

Скорость звуковых волн в различных средах

Скорость распространения звука зависит от двух основных факторов: от среды, в которой движется волна, и от температуры. В общем случае действует следующее правило: чем более плотной является среда, и чем выше ее температура, тем быстрее в ней движется звук.

Например, скорость распространения в воздухе звуковой волны вблизи поверхности земли при температуре 20 ℃ и влажности 50% составляет 1235 км/ч или 343 м/с. В воде же при данной температуре звук движется быстрее в 4,5 раза, то есть около 5735 км/ч или 1600 м/с. Что касается зависимости скорости звука от температуры в воздухе, то она увеличивается на 0,6 м/с с увеличением температуры на каждый градус Цельсия.

Тембр и тон

Если позволить струне или металлической пластине вибрировать свободно, то она будет производить звуки различной частоты. Очень редко можно встретить тело, которое бы издавало звук одной конкретной частоты, обычно звук какого-либо объекта обладает набором частот в некотором интервале.

Тембр звука определяется количеством гармоник, присутствующих в нем, и их соответствующими интенсивностями. Тембр является субъективной величиной, то есть это восприятие звучащего объекта конкретным человеком. Тембр обычно характеризуют следующими прилагательными: высокий, блестящий, звучный, мелодичный и так далее.

Тон является звуковым ощущением, которое позволяет его классифицировать как высокий или низкий. Данная величина является также субъективной и не может быть измерена каким-либо инструментом. Тон связан с объективной величиной - частотой звуковой волны, но между ними не существует однозначной связи. Например, для одночастотного звука постоянной интенсивности тон растет при увеличении частоты. Если же частота звука остается постоянной, а увеличивается его интенсивность, то тон становится более низким.

Форма источников звука

В соответствии с формой тела, которое совершает механические колебания и тем самым порождает волн бывают трех основных типов:

Точечный источник. Он создает звуковые волны сферической формы, которые быстро убывают при удалении от источника (приблизительно на 6 дБ, если расстояние от источника увеличивается вдвое).
Линейный источник. Он создает волны цилиндрической формы, интенсивность которых убывает медленнее, чем от точечного источника (при каждом увеличении расстояния вдвое относительно источника интенсивность уменьшается на 3 дБ).
Плоский или двумерный источник. Он порождает волны только в определенном направлении. Примером такого источника может быть поршень, двигающийся в цилиндре.

Электронные источники звука

Для создания звуковой волны электронные источники используют специальную мембрану (динамик), которая совершает механические колебания за счет явления электромагнитной индукции. К таким источникам можно отнести следующие:

проигрыватели различных дисков (CD, DVD и другие);
кассетные магнитофоны;
радиоприемники;
телевизоры и некоторые другие.