Звук и его распространение

Предисловие. 

Звук – это  распространяющиеся в упругих средах – газах, жидкостях и твёрдых  телах – механические колебания, воспринимаемые органами слуха. 

Теперь немного  поразмышляем. Если, например, в горах  упал камень, а рядом не было никого, кто мог бы слышать звук его  падения, существовал звук или нет? На вопрос можно ответить и положительно и отрицательно в равной степени, так как слово «звук» имеет  двоякое значение. Поэтому нужно  условиться, что же считать звуком – физическое явление в виде распространения  звуковых колебаний в воздухе  или ощущения слушателя. Первое по существу является причиной, второе следствием, при этом первое понятие о звуке  – объективное, второе – субъективное. 

В первом случае звук действительно представляет собой  поток энергии, текущей подобно  речному потоку. Такой звук может  изменить среду, через которую он проходит, и сам изменяется ею. Во втором случае под звуком мы понимаем те ощущения, которые возникают у  слушателя при воздействии звуковой волны через слуховой аппарат  на мозг. Слыша звук, человек может  испытывать различные чувства. Самые  разнообразные эмоции вызывает у  нас тот сложный комплекс звуков, который мы называем музыкой. Звуки  составляют основу речи, которая служит главным средством общения в  человеческом обществе. И, наконец, существует такая форма звука, как шум. Анализ звука с позиций субъективного  восприятия более сложен, чем при  объективной оценке. 

Распространение звука  в пространстве и его воздействие  на органы слуха человека. 

При достижении звуковой волной какой-либо точки пространства, частицы вещества, до того не совершавшие  упорядоченных движений, начинают колебаться. Любое движущееся тело, в том числе  и колеблющееся, способно совершать  работу, то есть оно обладает энергией. Следовательно, распространение звуковой волны сопровождается распространением энергии. Источником этой энергии является колеблющееся тело, которое и излучает в окружающее пространство(вещество) энергию.  

Органы слуха человека способны воспринимать колебания с  частотой от 15-20 герц до 16-20 тысяч герц. Механические колебания с указанными частотами называются звуковыми  или акустическими(акустика – учение о звуке) 

Итак, звук – это  волновой колебательный процесс, происходящий в упругой среде и вызывающий слуховое ощущение. Однако восприимчивость  человека к звукам избирательна, поэтому  мы говорим о слышимых и неслышимых звуках. Совокупность тех и других в общем напоминает спектр солнечных  лучей, в котором есть видимая  область – от красного до фиолетового  цвета и две невидимые –  инфракрасная и ультрафиолетовая. По аналогии с солнечным спектром звуки, которые не воспринимаются человеческим ухом, называются инфразвуками, ультразвуками  и гиперзвуками. 

Что же происходит в  органах слуха с различными системами  и процессами преобразования слуха? Рассмотрим строение слухового аппарата человека. 

Наружное ухо состоит  из ушной раковины и слухового  прохода, соединяющих её с барабанной перепонкой. Основная функция наружного  уха – определение направления  на источник звука. Слуховой проход представляющий сужающуюся внутрь трубку длиной в  два сантиметра, предохраняет внутренние части уха и играет роль резонатора. Слуховой проход заканчивается барабанной перепонкой – мембраной, которая  колеблется под действием звуковых волн. Именно здесь, на внешней границе  среднего уха, и происходит преобразование объективного звука в субъективный. За барабанной перепонкой расположены  три маленьких соединённых между  собой косточки: молоточек, наковальня и стремя, с помощью которых  колебания передаются внутреннему  уху. 

Там, в слуховом нерве, они преобразуются в электрические  сигналы. Малая полость, где находится  молоточек, наковальня и стремя, наполнена  воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой трубой. Благодаря  последней поддерживается одинаковое давление на внутреннюю и внешнюю  сторону барабанной перепонки. Обычно евстахиева труба закрыта, а открывается  лишь при внезапном изменении  давления(при зевании, глотании) для  выравнивания его. Если у человека евстахиева труба закрыта, например, в связи  с простудным заболеванием, то давление не выравнивается, и человек ощущает  боль в ушах. 

Далее колебания  передаются от барабанной перепонки  к овальному окну, которое является началом внутреннего уха. 

Сила, действующая  на барабанную перепонку, равна произведению давления на площадь барабанной перепонки. 

Но настоящие таинства слуха начинаются с овального  окна. Звуковые волны распространяются в жидкости (перилимфе), которой наполнена  улитка. Этот орган внутреннего уха, по форме напоминающий улитку, имеет  длину три сантиметра и по всей длине разделён перегородкой на две  части. Звуковые волны доходят до перегородки, огибают её и далее  распространяются по направлению почти  к тому же месту, где они впервые  коснулись перегородки, но уже с  другой стороны. 

Перегородка улитки состоит из основной мембраны, очень  толстой и тугой. Звуковые колебания  создают на её поверхности волнообразную  рябь, при этом гребни для разной частоты лежат в совершенно определённых участках мембраны. 

Механические колебания  преобразуются в электрические  в специальном органе(органе Корти), размещённом над верхней частью основной мембраны. 

Над органом Корти  расположена текториальная мембрана. Оба эти органа погружены в  жидкость – эндолимфу и отделены от остальной части улитки мембраной  Рейснера. Волоски, растущие из органа Корти почти пронизывают текториальную  мембрану, и при возникновении  звука они соприкасаются –  происходит преобразование звука, теперь он закодирован в виде электрических  сигналов. 

Заметную роль в  усилении нашей способности к  восприятию звуков играет кожный покров и кости черепа, что обусловлено  их хорошей проводимостью. Например, если приложить ухо к рельсу, то движение приближающегося поезда можно  обнаружить задолго до его появления.

Свойства звука  и его характеристики. 

Основные физические характеристики звука – частота  и интенсивность колебаний. Они  и влияют на слуховое восприятие людей. 

Периодом колебания  называется время, в течение которого совершается одно полное колебание. Можно привести в пример качающийся маятник, когда он из крайнего левого положения перемещается в крайнее  правое и возвращается обратно в  исходное положение. 

Частота колебаний  – это число полных колебаний(периодов)за одну секунду. Эту единицу называют герцем (Гц). Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, то есть звук имеет более высокий  тон. В соответствии с принятой международной  системой единиц, 1000 Гц называется килогерцем (кГц), а 1.000.000 – мегагерцем (МГц). 

Распределение по частотам: слышимые звуки – в пределах 15Гц-20кГц, инфразвуки – ниже 15Гц; ультразвуки  – в пределах 1,5·104 – 109 Гц; гиперзвуки - в пределах 109 – 1013Гц. 

Ухо человека наиболее чувствительно к звукам с частотой от 2000 до 5000 кГц. Наибольшая острота  слуха наблюдается в возраст 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. 

С периодом и частотой колебаний связано понятие о  длине волны. Длиной звуковой волны  называется расстояние между двумя  последовательными сгущениями или  разрежениями среды. На примере волн, распространяющихся на поверхности  воды, - это расстояние между двумя  гребнями. 

Звуки различаются  также по тембру. Основной тон звука  сопровождается второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте(обертона). Тембр – это качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается  на основной тон, тем «сочнее» звук в музыкальном отношении. 

Вторая основная характеристика – амплитуда колебаний. Это наибольшее отклонение от положения  равновесия при гармонических колебаниях. На примере с маятником – максимальное отклонение его в крайнее левое  положение, либо в крайнее правое положение. Амплитуда колебаний  определяет интенсивность(силу) звука. 

Сила звука, или  его интенсивность, определяется количеством  акустической энергии, протекающей  за одну секунду через площадь  в один квадратный сантиметр. Следовательно, интенсивность акустических волн зависит  от величины акустического давления, создаваемого источником в среде. 

С интенсивностью звука  в свою очередь связана громкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако эти понятия  не равнозначны. Громкость – это  мера силы слухового ощущения, вызываемого  звуком. Звук одинаковой интенсивности  может создавать у различных  людей неодинаковое по своей громкости  слуховое восприятие. Каждый человек  обладает своим порогом слышимости. 

Звуки очень большой  интенсивности человек перестаёт  слышать и воспринимает их как  ощущение давления и даже боли. Такую  силу звука называют порогом болевого ощущения.

Шум. Музыка. Речь. 

С точки зрения восприятия органами слуха звуков, их можно  разделить в основном на три категории: шум, музыка и речь. Это разные области  звуковых явлений, обладающие специфической  для человека информацией. 

Шум – это бессистемное сочетание большого количества звуков, то есть слияние всех этих звуков в  один нестройный голос. Считается, что  шум – это категория звуков, которая мешает человеку или раздражает.  

Люди выдерживают  лишь определённую дозу шума. Но если проходит час – другой, и шум не прекращается, то появляется напряжение, нервозность  и даже боль. 

Звуком можно убить  человека. В средние века существовала даже такая казнь, когда человека сажали под колокол и начинали в него бить. Постепенно колокольный  звон убивал человека. Но это было в  средние века. В наше время появились  сверхзвуковые самолёты. Если такой  самолёт пролетит над городом  на высоте 1000-1500 метров, то в домах  лопнут стёкла. 

Музыка – это  особое явление в мире звуков, но, в отличие от речи, она не передаёт точных смысловых или лингвистических  значений. Эмоциональное насыщение  и приятные музыкальные ассоциации начинаются в раннем детстве, когда  у ребёнка ещё словесного общения. Ритмы и напевы связывают его  с матерью, а пение и танцы  являются элементом общения в  играх. Роль музыки в жизни человека настолько велика, что в последние  годы медицина приписывает ей целебные свойства. 

С помощью музыки можно нормализовать биоритмы, обеспечить оптимальный уровень деятельности сердечно-сосудистой системы. 

А ведь стоит лишь вспомнить, как солдаты идут в  бой. Испокон веков песня была непременным атрибутом солдатского  марша. 

Речь – важнейшее  средство мышления и общения людей. Речь состоит из более или менее  длительных шумов и тонов, составляющих группы. Овладение речью происходит еще в младенческом возрасте, когда  ребёнок еще только слушает и  пытается воспроизвести самые несложные  и легко произносимые слова: «мама» и «папа».

Законы распространения  звука. 

К основным законам  распространения звука относятся  законы его отражения и преломления  на границах различных сред, а также  дифракция звука и его рассеяние  при наличии препятствий и  неоднородностей в среде и  на границах раздела сред. 

На дальность распространения  звука оказывает влияние фактор поглощения звука, то есть необратимый  переход энергии звуковой волны  в другие виды энергии, в частности, в тепло. Важным фактором является также  направленность излучения и скорость распространения звука, которая  зависит от среды и её специфического состояния. 

От источника звука  акустические волны распространяются во все стороны. Если звуковая волна  проходит через сравнительно небольшое  отверстие, то она распространяется во все стороны, а не идёт направленным пучком. Например, уличные звуки, проникающие  через открытую форточку в комнату, слышны во всех её точках, а не только против окна. 

Характер распространения  звуковых волн у препятствия зависит  от соотношения между размерами  препятствия и длиной волны. Если размеры препятствия малы по сравнению  с длиной волны, то волна обтекает это препятствие, распространяясь  во все стороны. 

Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются  от своего первоначального направления, то есть преломляются. Угол преломления  может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды в какую проникает  звук. Если скорость звука во второй среде больше, то угол преломления  будет больше угла падения, и наоборот. 

Встречая на своём  пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определённому правилу  – угол отражения равен углу падения  – с этим связано понятие эха. Если звук отражается от нескольких поверхностей, находящихся на разных расстояниях, возникает многократное эхо.