Физическая природа звука

Звук - это колебательный процесс, возникающий в воздухе (или другой упругой среде) под действием каких-либо колеблющихся предметов. Источниками звука могут быть, например, голосовые связки человека, струны музыкальных инструментов или любой другой вибрирующий предмет, заставляющий колебаться окружающие его частицы воздуха. Плотность воздушной среды, при этом, то увеличивается, то уменьшается в соответствии с колебаниями источника звука. В простейшем случае это - "чистый" тон (звук камертона), при котором источник излучает только одну частоту, и изменение мгновенных значений колебания строго подчиняются закону синуса. В повседневной жизни чистые синусоидальные тоны почти не встречаются. Из музыкальных инструментов, в какой-то степени приближается к чистому тону только флейта.

Звуки, которые мы обычно слышим - речь, музыка или шумы окружающей среды - значительно сложнее такого элементарного тона и представляют собой сложные по форме колебания, состоящие из комбинаций нескольких или даже многих тонов. Это так называемые созвучия, речь о которых пойдет ниже. Однако вскрыть и описать механизмы воздействия звуковых колебаний на барабанную перепонку уха и возникающие при этом слуховые ощущения много легче на примерах простых тонов. При изложении основ акустики и звукотехники прибегают именно к такому упрощению, не нарушающему общих закономерностей явлений.

Итак, рассмотрим простейший, так называемый, "чистый" тон. Его можно описать графиком изменения во времени давление воздуха в определенной точке поля под воздействием источника звука. Причём, ощущаемая на слух разность между полным давлением воздуха и тем средним, которое будет наблюдаться в среде при отсутствии звука (например, нормальным атмосферным давлением) называется звуковым давлением. При этом принято считать, что в фазе сжатия среды звуковое давление положительное, а в фазе разряжения - отрицательное.

В соответствии с международной системой единиц СИ единицей звукового давления служит "Паскаль" (Па), определяемый как давление, создаваемое силой в 1 Ньютон, воздействующей на 1 кв. метр площади.

Распространяясь в воздушном пространстве во все стороны со скоростью, равной, примерно, 340-343 м/с, звуковые колебания образуют звуковую волну. Эта волна воздействует на барабанную перепонку уха, создавая слуховое ощущение. Область пространства, в котором наблюдаются звуковые волны, называется звуковым полем.

При прохождении звуковой волны молекулы воздушной среды смещаются. Размах этих колебательных смещений зависит от звукового давления. Волны с перпендикулярным к направлению распространения волны смещением частиц называют поперечными, а те, в которых смещения происходят вдоль направления распространения - продольными. В газах и жидких средах могут распространяться только продольные волны.

Важным в акустике понятием является длина волны звукового колебания. Она определяется отрезком на предполагаемой оси, расположенной в направлении распространения звука, на котором умещается полный цикл изменений звукового давления. Иначе говоря, это наименьшее расстояние между точками звукового поля с одинаковыми фазами колебания. Длина звуковой волны наглядно изображена в виде графика на рисунке.

Синусоидальная звуковая волна за один период колебания Т проходит путь, равный длине волны. А так как период колебания и частота величины взаимообратные (Т= 1/f), то длина волны для данного колебания однозначно определяется частотой звукового сигнала и вычисляется по формуле

λ= c/f,

где

λ - длина волны в метрах,

с = 340 м/с - скорость распространения звука в воздухе,

f- частота звуковых колебаний в герцах (Гц).

 Скорость звука в воде в 4,5 раза выше, чем в воздухе. Еще быстрее звук движется по твердым телам. По стальным конструкциям звуковая волна распространяется в 60 раз быстрее, чем в воде. Это соответствует увеличению длины волны по сравнению с воздухом более чем в 270 раз.

Звуки различаются между собой:

•          по динамике или силе звучания;

•          по тембру;

•          по высоте;

•          по длительности.

 

Фазовые характеристики волн

При описании сложных волновых процессов приходится учитывать различия временных характеристик соседних звуковых волн, для чего вводится понятие фазы волны. Рассмотрим практические примеры. Если две одинаковые волны распространяются абсолютно синхронно, считается, что они «находятся в фазе». Если одна волна запаздывает относительно другой, точно такой же по форме, на полпериода, в этом случае говорят, что волны «находятся в противофазе». Когда противофазные волны сходятся в одной точке, чисто теоретически можно было бы ожидать их полного взаимного уничтожения. Увы, в акустике, в отличие от электроники, это бывает крайне редко; чаще противофазные волны при наложении друг на друга сильно искажают тембр звука. Аналогичный, но менее выраженный эффект наблюдается при суммировании двух сходных звуковых волн с разницей фаз, большей либо меньшей половины периода.

 

Дифракция звука

Дифракция (от латинского diffractus— разломанный) наблюдается при прохождении волн мимо края препятствия. Взаимодействие с препятствием вызывает отклонение волн от прямолинейного распространения. Из-за дифракции волны приобретают способность огибать препятствия, проникая в область геометрической тени. Этим явлением, например, объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. В некотором приближении явление дифракции объясняет принцип Гюйгенса Френеля. Согласно этому принципу, каждую точку среды, которой достигла распространяющаяся волна, можно считать источником вторичных волн. Именно эти вторичные волны и могут проникать в зоны акустической тени, недоступные для первоначальных звуковых лучей. Наиболее отчетливо дифракция проявляется в тех случаях, когда размер огибаемых препятствий соизмерим с длиной волны.

Читать далее