Что такое звук и звуковая волна.
Представьте себе гитарную струну. Если немного оттянуть ее от исходного положения и отпустить, она начнет совершать колебательные движения из стороны в сторону, словно маятник. Эти колебания — механическая энергия, которая передается и окружающим частицам воздуха. Они, получив «толчок» от колеблющейся струны, передают энергию другим частицам. При этом в воздухе образуется продольная волна. Так распространяется звук.
Звук можно объяснить как сгущение и разрежение среды. В случае с гитарной струной частицы отклонились от исходной позиции вместе с ней и устремились обратно — в состояние покоя. Сами частицы не перемещаются, лишь передают энергию. Этот процесс можно проиллюстрировать на примере стадионной «волны»: болельщики (молекулы воздуха) встают, передают цепную реакцию соседям (другим частицам), а затем садятся и ждут, пока до них снова не дойдет очередь.
Визуальное отображение звуковой волны помогает продемонстрировать на примере движения тела колебания, которые создают звуковые волны в течение определенного периода времени.
Горизонтальная ось (X) отражает время, а вертикальная (Y) — смещение тела относительно положения равновесия, где 0 — состояние покоя, а +1 и −1 — величина отклонения тела. Такой график позволяет анализировать звук. Сейчас на картинке синусоида, но график звуковой волны может принимать и другие формы. Именно форма волны связана с тембром звука, благодаря которому мы различаем звучание гитары и флейты, голос человека и пение птиц.
Почему одни звуки громкие, а другие — тихие.
Объяснить, как ведет себя тот или иной звук, помогают несколько понятий. Главные — амплитуда и частота.
Амплитуда звуковой волны показывает, насколько колеблющееся тело отклоняется от исходного положения. Чем больше это отклонение, тем громче звук. Например, чем сильнее мы нажимаем на клавиши или оттягиваем гитарную струну, тем дальше разлетятся частицы. Следовательно, будут выше амплитуда и громкость. Можно провести аналогию с волнами: чем больше сила, с которой мы бросаем камень в море, тем выше всплески от удара о водную гладь.
Еще одна важная характеристика звука — частота. Эта величина показывает количество повторений звуковой волны за единицу времени: то есть демонстрирует, сколько раз за отведенное время молекулы воздуха успеют отклониться от исходного положения вперед и назад и вернуться к начальной точке. Частота измеряется в герцах и обозначается как Гц. Если в заданном промежутке времени волна повторяется дважды, частота колебаний звука (или частота сигнала) составит 2 Гц. Если в этом промежутке времени волна повторится три раза, то ее частота составит 3 Гц и так далее. Частота напрямую влияет на высоту звука — чем чаще будет повторяться волна, тем выше будет сигнал.
Амплитуда и частота — разные характеристики звука, но взаимосвязанные. В музыке используются комбинации различных частот и амплитуд для создания гармонии и ритма. Это можно наблюдать в оркестре, где инструменты с разной частотой и громкостью работают в унисон, создавая богатое и многослойное звучание. То же самое происходит в быту: звук стиральной машины отличается от звука работающего миксера не только по громкости, но и по высоте. Так формируется разнообразная акустическая среда окружающего нас мира.
Как ведет себя звук в пространстве.
Молекулы воздуха перемещаются в пределах «поля действия». Поле действия определяет, как далеко распространяется звук. Некоторые сигналы вроде шепота ощутимы только рядом с их источником, в то время как звук грома или взрыва может быть слышен во всем районе или даже городе.
Звук по-разному распространяется в газах, жидкостях и твердых материалах. Скорость звука напрямую зависит от температуры. Так, в газах молекулы располагаются в хаотичном порядке и находятся на большом расстоянии друг от друга. При повышении температуры молекулы движутся быстрее и передают колебания более эффективно. Например, при 0 скорость звука составляет около 331 м/с, а при 20 — уже 343 м/с. Зная, как ведет себя звук в воздухе, можно делать ориентировочные выводы о расстоянии до далеких источников. В частности, задержка между молнией и звуком грома помогает определить, насколько далеко произошла вспышка.
В жидкостях скорость звука выше, чем в газах: так, в пресной воде она составляет примерно 1 482 м/с при 25 . Это связано с тем, что молекулы в жидкостях находятся ближе друг к другу, что позволяет звуковым волнам передаваться быстрее. Например, рыбы могут слышать человеческие голоса, доносящиеся с берега.
В твердых материалах звуковые волны распространяются еще стремительнее, так как молекулы расположены совсем вплотную друг к другу. Например, в стали скорость передачи может достигать 5 тыс. м/с.
В вакууме — например, в космосе — звук не распространяется. Ведь там нет молекул, способных передавать механические колебания.
Если на своем пути звуковая волна встречает плотное препятствие вроде стен или гор, то она отражается от преград, что замедляет ее скорость. Поэтому в лесу звук слышен хуже, чем на открытой местности.
К тому же в момент отражения волны от твердой поверхности возникает эхо. Это акустическое явление представляет собой звук, который возвращается к источнику. Однако мощность эха значительно ниже, что делает его менее слышимым. Например, звук грома — эхо от взрыва молнии, которое многократно отражается от облаков и земли.
Громкость звука и децибел.
Сила давления звуковой волны измеряется в децибелах и обозначается как дБ. Чем она выше, тем громче звук. Тихий шелест листвы имеет уровень 15 дБ, а обычный разговор между людьми варьируется в диапазоне от 40 до 50 дБ. Когда прибавляется определенное количество децибел, громкость звука повышается в несколько раз:
+10 дБ = громкость х2;
+20 дБ = громкость х4;
+40 дБ = громкость х16 и так далее.
Звуки могут быть опасны для человека, если их интенсивность превышает 85 дБ. Подобное воздействие в течение длительного периода времени может привести к временной или постоянной потере слуха.
В России нет специального закона, который бы регулировал уровень шума. Но существуют отдельные нормы и правила. Максимально допустимый показатель составляет примерно 55 дБ. Опасные звуки и предельно разрешенные уровни громкости на рабочих местах регулируются санитарными нормами (СанПиН 2.1.2.2645−10), а также Государственным стандартом и документом СП.51.13330.2011 «Защита от шума».
Опасными звуками могут быть:
громкая музыка на концертах и дискотеках, часто превышающая порог в 100−110 дБ;
шум от работы электроинструментов вроде перфораторов или пил, который может достигать 90−120 дБ;
свисток поезда, гул сигнализации, рев самолета и другие характерные звуки, которые даже могут вызывать временную потерю слуха.
Какой бывает звук: ультра-, гипер- и инфра-
Как правило, человеческий слух различает сигналы от 20 до 20 тыс. Гц. Однако в зависимости от индивидуальных особенностей здоровья спектр может варьироваться в пределах от 50 до 15 тыс. Гц. Волны, частота колебаний которых выходит за средний диапазон, получили специальные названия.
Так, волны с частотой выше 20 тыс. Гц считаются ультразвуковыми. В отличие от человека, например, их различают некоторые животные. Порог звука, который способна услышать собака, достигает 30−40 тыс. Гц. Так, она может распознать пульс человека и понять, спокоен хозяин или взволнован. Ультразвук также слышат дельфины. Они общаются между собой и ориентируются в пространстве, издавая щелчки разной высоты.
Волны частотой более 100 тыс. Гц называются гиперзвуковыми. Они могут распространяться только в кристаллах с низким уровнем звукового поглощения: например, в монокристаллах кварца, сапфира, ниобата лития, железо-иттриевого граната и других. Гиперзвуковые технологии применяются для изучения структуры твердых тел, а также в области разработки оружия с высокой дальностью.
Звуковые волны частотой ниже 20 Гц называют инфразвуковыми. Уменьшение их частоты невелико, поэтому такие волны активно используют для исследования океана и структуры Земли.
Звук в науке и исследовании мира.
Океан — индикатор изменений климата на Земле. Его глубины можно представить как гигантский термометр, который отражает состояние окружающей среды. Для получения данных о температуре океанических глубин используются акустические методы. В отличие от электромагнитных волн, которые не могут эффективно распространяться в водной среде, звуковые волны хорошо передаются через воду. А скорость их распространения увеличивается с ростом температуры, что позволяет ученым определять, на сколько градусов и на какую глубину прогрелась вода. Для этого используются специальные приборы — эхолоты. Они подают в воду электрический сигнал и преображают его в звуковую волну, которая отражается от дна и возвращается на специальный датчик прибора. По окончании процесса на экране появляется информация о глубине и рельефной поверхности дна. Метод дистанционного мониторинга теплопереноса в океане необходим для прогнозирования и выявления трендов климатических изменений.
Одним из видов звуковых волн выступают сейсмические колебания, спровоцированные, например, землетрясениями и горными обвалами. Ученые анализируют их с помощью специальных приборов — сейсмографов. Они помогают «добраться» до глубинных слоев земли и выявлять потенциальные угрозы вроде цунами и извержения крупных вулканов.
Также ученые проводят глубокое сейсмическое зондирование — детальное изучение земной коры. В рамках данного процесса с помощью ударов, взрывов и вибраций определенной частоты вызываются искусственные сейсмические волны. Это позволяет изучать внутреннюю структуру земли и находить полезные ископаемые: например, доступные для добычи залежи нефти и газа на глубине более 10 км.
Звук находит широкое применение и в медицине. В основе ультразвукового исследования (УЗИ) — свойства высокочастотных звуковых волн: они обладают высокой проникающей способностью и отражаются от внутренних органов.
Аппараты УЗИ позволяют получить на экране монитора двумерную картину конкретной части тела человека. Это помогает выявить заболевания на стадии диагностики. Звуковые волны служат медицинским инструментом: современные ультразвуковые лазеры обладают высокой интенсивностью и используются в качестве лазерного скальпеля, а сфокусированный пучок ультразвука может уничтожить новообразование без вскрытия.
Выводы и основные тезисы:
Звук — это механические колебания, которые распространяются в упругой среде и воспринимаются органами слуха человека.
Амплитуда звуковой волны показывает, насколько колеблющееся тело отклоняется от своего изначального положения.
Частота звука определяет количество повторений звуковой волны за единицу времени.
Человеческий слух различает звуки частотой в диапазоне от 20 Гц до 20 тыс. Гц, но в зависимости от индивидуальных особенностей этот спектр может составлять от 50 до 15 тыс. Гц.
С помощью звука можно исследовать температуру океана, находить залежи полезных ископаемых и проводить хирургические операции.
