Звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде и могут быть восприняты слухом или прибором. В воздухе источник поочерёдно сжимает и разрежает окружающий газ, а эти изменения давления передаются дальше. Частицы воздуха при этом не летят от динамика к слушателю: они лишь колеблются около своих положений, передавая энергию соседям.
Как рождается звуковая волна
Источником звука служит колеблющееся тело. Струна гитары движется из стороны в сторону, голосовые складки периодически изменяют поток воздуха, диффузор динамика перемещается вперёд и назад. Перед ним возникает область повышенного давления, затем разрежение. Последовательность таких областей образует продольную волну.
В жидкости звук тоже распространяется главным образом как чередование сжатий и разрежений. В твёрдом теле частицы связаны сильнее, поэтому возможны разные виды упругих волн. Звуковая энергия может проходить по стене или металлической трубе, хотя воспринимаемый результат зависит от частоты и устройства границ.
В вакууме обычного звука нет: там отсутствуют частицы, способные передавать механическое возмущение. Космический взрыв можно увидеть по электромагнитному излучению, но напрямую услышать через пустоту нельзя. Радиосигнал из космоса становится звуком только после того, как приёмник преобразует его в колебания динамика.
Частота и высота тона
Частота показывает, сколько полных колебаний происходит за секунду, и измеряется в герцах. Медленные периодические колебания обычно соответствуют низкому тону, быстрые – высокому. Человеческий слух в молодом возрасте ориентировочно охватывает диапазон от 20 до 20 000 герц, но границы индивидуальны и верхний предел часто снижается с возрастом.
Колебания ниже слышимого диапазона называют инфразвуком, выше – ультразвуком. «Неслышимый» не означает «несуществующий»: такие волны регистрируют приборы. Ультразвук применяют в диагностике, очистке и измерении расстояний, а некоторые животные используют его для ориентации.
Длина волны – расстояние между ближайшими одинаковыми фазами колебания, например между двумя областями максимального сжатия. Она связана со скоростью и частотой: чем выше частота при той же скорости, тем короче волна.
Амплитуда и громкость
Амплитуда характеризует величину изменения давления. Чем она больше, тем интенсивнее волна и обычно громче ощущение. Однако громкость – субъективное свойство слухового восприятия. Ухо неодинаково чувствительно к разным частотам, поэтому два сигнала с одинаковой физической интенсивностью могут казаться разными по громкости.
Уровень звукового давления часто выражают в децибелах по логарифмической шкале. Увеличение числа децибел не означает линейного роста энергии. Длительный или очень громкий звук способен повреждать чувствительные структуры внутреннего уха. Расстояние, длительность воздействия и средства защиты имеют значение наряду с показанием прибора.
Тишина в быту почти никогда не означает полного отсутствия колебаний. Слышны вентиляция, движение воздуха, работа устройств и собственные физиологические шумы. Мягкие пористые поверхности поглощают и рассеивают часть энергии, поэтому снег заглушает звуки.
Почему инструменты звучат по-разному
Камертон создаёт звук, близкий к чистому тону, но большинство источников колеблется сложнее. Вместе с основной частотой возникают обертоны. Их набор, относительная сила, начало и затухание формируют тембр, благодаря которому скрипку можно отличить от флейты на одной ноте.
Форма корпуса усиливает одни частоты и ослабляет другие. Полость гитары приводит в движение больше воздуха, чем одна струна. В речи положение языка, губ и полостей изменяет резонансы воздушного столба, превращая колебания голосовых складок в разные гласные и согласные.
Резонанс возникает, когда внешнее периодическое действие близко к собственной частоте системы. Тогда даже небольшие толчки могут накапливать заметную энергию. Явление помогает музыкальным инструментам звучать, но его учитывают и инженеры, чтобы вибрации не повреждали машины и конструкции.
С какой скоростью идёт звук
Скорость зависит от среды и её состояния. В сухом воздухе при комнатной температуре она составляет примерно 343 метра в секунду. При повышении температуры воздух передаёт возмущение быстрее. В воде скорость значительно выше, а во многих твёрдых материалах ещё выше из-за их упругих свойств.
Молнию видно почти сразу, а гром приходит позже, потому что свет распространяется несравнимо быстрее звука. По задержке можно приблизительно оценить расстояние до грозы. Отражённая от препятствия волна образует эхо, если задержка достаточна, чтобы слух различил исходный и возвращённый сигналы.
При переходе между средами часть волны отражается, часть проходит дальше, а часть энергии поглощается. Поэтому закрытая дверь ослабляет речь, но не устраняет её полностью. Звукоизоляция требует сочетать массу, герметичность, развязку конструкций и поглощающие материалы.
Как звук становится ощущением
Ушная раковина направляет волну в слуховой проход. Барабанная перепонка колеблется, слуховые косточки среднего уха передают движение во внутреннее ухо, а жидкость в улитке возбуждает чувствительные волосковые клетки. Они превращают механическое движение в нервные сигналы. Подробнее этот путь разобран в статье «Как человек слышит звук».
Мозг сопоставляет сигналы от обоих ушей, частотный состав, громкость и отражения. Благодаря этому человек распознаёт речь, определяет направление и оценивает свойства помещения. Звук как физическая волна и слуховое ощущение связаны, но не тождественны: прибор может зарегистрировать колебание, которого человек не слышит.
Звук можно преобразовать в электрический сигнал, записать и воспроизвести. Микрофон переводит колебания давления в изменения напряжения, носитель сохраняет их представление, а динамик выполняет обратное преобразование. Один из исторических способов описан в материале о том, как магнитная лента записывает звук.
Итак, звук начинается с механического колебания, проходит через вещество в виде волны и становится ощущением после работы уха и мозга. Его высоту определяет прежде всего частота, интенсивность связана с амплитудой, тембр – со спектром, а скорость – со свойствами среды.
