Акустичні саги. Що таке звук?
Мабуть, одна з найбільш тендітних і складних систем в організмі людини - слухова. Близько 20 відсотків людей сприймають інформацію на слух набагато краще, ніж при візуальному її надходження. Радіо, аудіоплеєр, телефон, лекція, бесіда, будильник - Ці поняття без слова «звук» стали б порожнім звуком або змінилися б до невпізнання.
Люди, позбавлені здатності сприймати звук, визнаються суспільством інвалідами.
У чому ж суть явища, службовця об'єктом сприйняття одним з почуттів людини - слухом? Спочатку жорстко визначимо: звук - це коливання середовища. З цього, як мінімум, слід: немає середовища - немає звуку. Космонавти у відкритому космосі, позбавлені радіозв'язку, перебуваючи в кількох сантиметрах один від одного, можуть скільки завгодно кричати щось один одному, бачачи лише движенье губ в непроглядній тиші. І лише стикаючись оглядовими стеклами скафандрів, теоретично вони зможуть почути один одного.
Говорячи про звук просто, можна представити його у вигляді ущільнення середовища, що переміщається прямолінійно в напрямку геть від джерела коливань. Друге порівняння - морська хвиля. Подібно звуку, хвилю можна розглянути як деяке «ущільнення» середовища, що переміщається в просторі з певною швидкістю. Так само, як і звук, морська хвиля втрачає свою «ущільненість» з відстанню, поступово згасаючи. Згасання звуку набагато інтенсивніше, ніж у морської хвилі. Воно обернено пропорційно квадрату відстані від джерела звуку.
Швидкість поширення звуку в газах залежить від природи газу, щільності середовища, температури і статичного атмосферного тиску. Для рідких і газоподібних середовищ - в основному від природи середовища. Так, у повітрі ця величина складає від 330 до 345 м / с при зміні температури від 0 до 20 градусів за Цельсієм, у воді - близько 1500 м / с, в сталі - 6000 м / с. Рекордсменом за швидкістю поширення звуку є металевий берилій - 12 500 м / с.
Порівняємо всі ці швидкості зі швидкістю світла і зауважимо, що вони мізерно малі. У вакуумі швидкість світла становить близько 300 млн м / с. Стає зрозумілим, чому вибух, що стався далеко від нас, чути не відразу. Приблизно кожні 330 метрів від нас до джерела звуку додають 1 секунду до різниці між картинкою візуальної та звукової. Те ж відноситься і до спалаху блискавки. Засікаючи час від моменту спалаху до перших звуків гуркоту, ви з легкістю визначте, на якій відстані від вас вона відбулася. Просто розділіть кількість секунд на три - і отримаєте відстань до найближчої до вас точки спалаху в кілометрах.
Розглянемо механізм виникнення звукових хвиль і їх розповсюдження в просторі. Уявіть собі динамік з коливається мембраною. Напевно, кожен з вас бачив тремтіння цієї мембрани. Кожен рух мембрани у напрямку до нас створює ущільнення повітря, подальший рух мембрани від нас створює розрідження в повітрі. Частота такого «тремтіння» визначає частоту (висоту) звуку, а амплітуда тремтіння мембрани, тобто, відстань, на яку вона зміщується - гучність звуку. Послідовність таких ущільнень-розрідження пересувається зі швидкістю, зазначеної вище, до нашого вуха. Слід зазначити, що швидкість звуку не залежить від його частоти.
Цікавою особливістю звуку є зміна його частоти у випадку, коли джерело рухається з постійною швидкістю. Звук сирени наближається пожежної машини, що рухається у напрямку до нас, вище, ніж у що стоїть на місці, а від віддалюваною - відповідно нижче. Прочитавши міркування нижче, можна уявити собі причину такого явища.
Для тих, хто любить візуалізувати все, з чим стикається, зобразимо звук графічно. Система координат: амплітуда (вертикальна вісь, ордината) - час (горизонтальна вісь, абсциса). Під амплітудою можна розуміти:
а) положення коливається мембрани динаміка щодо положення спокою, коли вона не видає ніяких звуків (це визначення амплітуди, близьке до реальності, введемо для полегшення розуміння) ;
б) значення надлишкового (недостатнього) тиску, створюваного мембраною в середовищі в результаті своїх коливань (більш точне визначення). У цьому випадку ми підбираємося до загальноприйнятого терміну звуковий тиск.
Чистий звук певної частоти на такому графіку виглядатиме синусоїдою. Збільшення гучності звуку призведе до розтягування цієї синусоїди по вертикальній осі, збільшення частоти - до стиснення по горизонтальній. Принцип роботи всіх джерел звуку приблизно однаковий, будь то вже згаданий динамік або голосові зв'язки лектора. Наше вухо, в силу сталості швидкості звуку при однакових умовах, сприймає таку послідовність коливань як однорідний гул, дзвін, писк. Однак якщо джерело звуку рухається на нас, частота появи піків максимуму на графіку збільшиться, приводячи до підвищення частоти звуку. За аналогією, при русі машини від нас, частота звуку зменшиться.
Залишається лише додати, що людське вухо може сприймати коливання повітря частотою від 16 до 20000 Герц (коливань в секунду). Діапазон частот людського голосу також досить великий - від 70 до 9000 Гц. Верхня межа в 20 кГц зможуть вловити лише одиниці з нас, тому іноді вказують цифру порога чутності в 16 кГц. Всі звуки з частотою поза вказаного діапазону відносяться до інфразвуку (нижче 16 Гц), або ультразвуку (вище 20 кГц).
Це аж ніяк не означає, що такі звуки не може почути ніхто. Наприклад, вважається, що дельфіни здатні чути звуки частотою від 100 аж до 200 000 Гц, а кішки і собаки мають порогом сприйняття в 60 і 40 кГц відповідно. Можливо, саме звуками, нам недоступними, можна пояснити часом неординарне поведінка наших домашніх улюбленців. ]
