Акустические саги. Что такое звук?

В чем же суть явления, служащего объектом восприятия одним из чувств человека — слухом? Поначалу жестко определим: звук — это колебания среды. Из этого, как минимум, следует: нет среды — нет звука. Космонавты в открытом космосе, лишенные радиосвязи, находясь в нескольких сантиметрах друг от друга, могут сколько угодно кричать что-то друг другу, видя лишь движенье губ в кромешной тишине. И лишь соприкасаясь смотровыми стеклами скафандров, теоретически они смогут услышать друг друга.

Говоря о звуке просто, можно представить его в виде уплотнения среды, перемещающегося прямолинейно в направлении прочь от источника колебаний. Второе сравнение — морская волна. Подобно звуку, волну можно рассмотреть как некоторое «уплотнение» среды, перемещающееся в пространстве с определенной скоростью. Так же, как и звук, морская волна теряет свою «уплотненность» с расстоянием, постепенно угасая. Угасание звука намного интенсивнее, чем у морской волны. Оно обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука.

Скорость распространения звука в газах зависит от природы газа, плотности среды, температуры и статического атмосферного давления. Для жидких и газообразных сред — в основном от природы среды. Так, в воздухе эта величина составляет от 330 до 345 м/с при изменении температуры от 0 до 20 градусов по Цельсию, в воде — около 1 500 м/с, в стали — 6 000 м/с. Рекордсменом по скорости распространения звука является металлический бериллий — 12 500 м/с.

Сравним все эти скорости со скоростью света и заметим, что они ничтожно малы. В вакууме скорость света составляет около 300 000 000 м/с. Становится понятным, отчего взрыв, произошедший вдалеке от нас, слышен не сразу. Приблизительно каждые 330 метров от нас до источника звука добавляют 1 секунду к разнице между картинкой визуальной и звуковой. То же относится и к вспышке молнии. Засекая время от момента вспышки до первых звуков раската, вы с легкостью определите, на каком расстоянии от вас она произошла. Просто разделите количество секунд на три — и получите расстояние до ближайшей к вам точки вспышки в километрах.

Рассмотрим механизм возникновения звуковых волн и их распространения в пространстве. Представьте себе динамик с колеблющейся мембраной. Наверняка, каждый из вас видел дрожание этой мембраны. Каждое движение мембраны по направлению к нам создает уплотнение воздуха, последующее движение мембраны от нас создает разрежение в воздухе. Частота такого «дрожания» определяет частоту (высоту) звука, а амплитуда дрожания мембраны, т. е., расстояние, на которое она смещается — громкость звука. Последовательность таких уплотнений-разрежений передвигается со скоростью, указанной выше, к нашему уху. Следует отметить, что скорость звука не зависит от его частоты.

Интересной особенностью звука является изменение его частоты в случае, когда источник движется с постоянной скоростью. Звук сирены приближающейся пожарной машины, движущейся по направлению к нам, выше, чем у стоящей на месте, а от удаляющейся — соответственно ниже. Прочтя рассуждения ниже, можно представить себе причину такого явления.

Для тех, кто любит визуализировать все, с чем сталкивается, изобразим звук графически. Система координат: амплитуда (вертикальная ось, ордината) — время (горизонтальная ось, абсцисса). Под амплитудой можно понимать:
а) положение колеблющейся мембраны динамика относительно положения покоя, когда она не издает никаких звуков (это определение амплитуды, близкое к реальности, введем для облегчения понимания);
б) значение избыточного (недостаточного) давления, создаваемого мембраной в среде в результате своих колебаний (более точное определение). В этом случае мы подбираемся к общепринятому термину звуковое давление.

Чистый звук определенной частоты на таком графике будет выглядеть синусоидой. Увеличение громкости звука приведет к растяжению этой синусоиды по вертикальной оси, увеличение частоты — к сжатию по горизонтальной. Принцип работы всех источников звука приблизительно одинаков, будь то уже упомянутый динамик или голосовые связки лектора. Наше ухо, в силу постоянства скорости звука при одинаковых условиях, воспринимает такую последовательность колебаний как однородный гул, звон, писк. Однако если источник звука движется на нас, частота появления пиков максимума на графике увеличится, приводя к повышению частоты звука. По аналогии, при движении машины от нас, частота звука уменьшится.

Остается лишь добавить, что человеческое ухо может воспринимать колебания воздуха частотой от 16 до 20 000 Герц (колебаний в секунду). Диапазон частот человеческого голоса также довольно обширен — от 70 до 9 000 Гц. Верхний предел в 20 кГц смогут уловить лишь единицы из нас, поэтому иногда указывают цифру порога слышимости в 16 кГц. Все звуки с частотой вне указанного диапазона относятся к инфразвукам (ниже 16 Гц), либо ультразвукам (выше 20 кГц).

Это отнюдь не означает, что такие звуки не может услышать никто. К примеру, считается, что дельфины способны слышать звуки частотой от 100 вплоть до 200 000 Гц, а кошки и собаки обладают порогом восприятия в 60 и 40 кГц соответственно. Возможно, именно звуками, нам недоступными, можно объяснить порой неординарное поведение наших домашних любимцев.