ЗВУК

ЗВУК в широком смысле
- колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде
волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах (см. также Упругие волны);
в
узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое специальным органом
чувств человека и животных. Человек слышит 3. с частотой от 16 гц до
20 000 гц. Физич. понятие о 3. охватывает как слышимые, так и неслышимые
звуки. 3. с частотой ниже 16 гц наз. инфразвуком, выше 20
000 гц - ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне
от 10⁹ до 10¹²-10¹³ гц относят
к гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не
ограничена - в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в
десятые и сотые доли гц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху
ограничивается физич. факторами, характеризующими атомное и молекулярное
строение среды: длина упругой волны должна быть значительно больше длины
свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстояний в жидкостях
и в твёрдых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук
с частотой 10⁹ гц и выше, а в твёрдых телах - с частотой
более 10¹²-10¹³ гц.

Основные характеристики звука.
Важной характеристикой 3. является его спектр, получаемый в результате
разложения 3. на простые гар-монич. колебания (т. н. частотный звука
анализ). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно
распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда
имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. 3.
со сплошным спектром воспринимается как шум, напр. шелест деревьев под
ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами
обладают муз. 3. (рис. 1); осн. частота определяет при этом воспринимаемую
на слух высоту звука, а набор гармонич. составляющих - тембр
звука.

Рис. 1 (слева). Частотно-амплитудные
спектры звуков музыкальных инструментов: а - скрипки (звук ля первой
октавы, основная частота 426 гц); б - скрипки (звук мн второй октавы,
основная частота 640 гц); в - деревянной флейты (звук ми второй
октавы, основная частота 106 гц); г - тромбона (звук ми бемоль первой
октавы, основная частота 306 гц). Рис. 2 (справа). Частотно-амплитудные
спектры гласных "о", "а", "и".

В спектре 3. речи имеются
форманты
- устойчивые группы частотных составляющих, соответствующие определённым
фонетич. элементам (рис. 2). Энергетич. характеристикой звуковых колебаний
является интенсивность звука - энергия, переносимая звуковой волной
через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения
волны, в единицу времени. Интенсивность 3. зависит от амплитуды звукового
давления, а также от свойств самой среды и от формы волны. Субъективной
характеристикой 3., связанной с его интенсивностью, является громкость
звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое
ухо обладает в области частот 1-5 кгц. В этой области порог слышимости,
т.
е. интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна
10^-12 вт/м², а соответствующее звуковое давление-10^-5
н/м².
Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом
3. характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от
частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вт/м².
В
ультразвуковой технике достигаются значительно большие интенсивности (до
10⁴ квт/м²).

Источники звука - любые явления,
вызывающие местное изменение давления или механич. напряжение. Широко распространены
источники 3. в виде колеблющихся твёрдых тел (напр., диффузоры громкоговорителей
и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов; в ультразвуковом
диапазоне частот - пластинки и стержни из пьезоэлектрических материалов
или
магнитострикционных
материалов). Источниками 3. могут служить и колебания ограниченных
объёмов самой среды (напр., в органных трубах, духовых музыкальных инструментах,
свистках и т. п.). Сложной колебат. системой является голосовой аппарат
человека и животных.

Возбуждение колебаний источников
3. может производиться ударом или щипком (колокола, струны); в них может
поддерживаться режим автоколебаний за счёт, напр., потока воздуха
(духовые инструменты). Обширный класс источников 3. - электроакустические
преобразователи, в к-рых механич. колебания создаются путём преобразования
колебаний электрич. тока той же частоты. В природе 3. возбуждается при
обтекании твёрдых тел потоком воздуха за счёт образования и отрыва вихрей,
напр. при обдувании ветром проводов, труб, гребней морских волн. 3. низких
и инфранизких частот возникает при взрывах, обвалах. Многообразны источники
акустических шумов, к к-рым относятся применяемые в технике машины
и механизмы, газовые и водяные струи. Исследованию источников промышленных,
транспортных шумов и шумов аэродинамич. происхождения уделяется большое
внимание ввиду их вредного действия на человеческий организм и технич.
оборудование.

Приёмники звука служат для
восприятия звуковой энергии и преобразования её в др. формы. К приёмникам
3. относится, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике
для приёма 3. применяются гл. обр. электроакустич. преобразователи: в воздухе
- микрофоны, в воде - гидрофоны и в земной коре - геофоны.
Наряду
с такими преобразователями, воспроизводящими временную зависимость звукового
сигнала, существуют приёмники, измеряющие усреднённые по времени характеристики
звуковой волны, напр. диск Рэлея, радиометр.

Распространение звуковых
волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. В газообразных
и жидких средах распространяются продольные волны (направление колебат.
движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость
к-рых определяется сжимаемостью среды и её плотностью. Скорость 3. в сухом
воздухе при темп-ре О °С составляет 330 м/сек, в пресной воде при
17 °С- 1430 м/сек. В твёрдых телах, кроме продольных, могут распространяться
поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным распространению
волны, а также поверхностные волны (Рэлея волны). Для большинства
металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/сек до
7000 м/сек, а поперечных-от 2000 м/сек до 3500 м/сек.

При распространении волн
большой амплитуды (см. Нелинейная акустика) фаза сжатия распространяется
с большей скоростью, чем фаза разрежения, благодаря чему синусоидальная
форма волны постепенно искажается и звуковая волна превращается в ударную
волну. В ряде случаев наблюдается дисперсия звука, т. е. зависимость
скорости распространения от частоты. Дисперсия 3. приводит к изменению
формы сложных акустич. сигналов, включающих ряд гармонич. составляющих,
в частности - к искажению звуковых импульсов. При распространении
звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции
и дифракции. В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде
велик по сравнению с длиной волны, распространение звука подчиняется обычным
законам отражения и преломления волн и может рассматриваться с позиций
геометрической
акустики.

При распространении звуковой
волны в заданном направлении происходит постепенное её затухание, т. е.
уменьшение интенсивности и амплитуды. Знание законов затухания практически
важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала.
Затухание обусловливается рядом факторов, к-рые проявляются в той или иной
степени в зависимости от характеристик самого звука (и в первую очередь,
его частоты) и от свойств среды. Все эти факторы можно подразделить на
две большие группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового
распространения в среде. Так, при распространении в неограниченной среде
3. от источника конечных размеров интенсивность его убывает обратно пропорционально
квадрату расстояния. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой
волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению её в первоначальном
направлении, напр. рассеяние 3. на пузырьках в воде, на взволнованной поверхности
моря, в турбулентной атмосфере (см. Турбулентность), рассеяние высокочастотного
ультразвука в поликристаллич. металлах, на дислокациях в кристаллах.
На распространение 3. в атмосфере и в море влияет распределение темп-ры
и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых
лучей, т. е. рефракцию 3., к-рая объясняет, в частности, тот факт, что
по ветру 3. слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости 3.
с глубиной в океане объясняет наличие т. н. подводного звукового канала,
в к-ром наблюдается сверхдальнее распространение 3., напр. 3. взрыва распространяется
в таком канале на расстояние более 5000 км.

Вторая группа факторов, определяющих
затухание 3., связана с физич. процессами в веществе - необратимым переходом
звуковой энергии в др. формы (гл. обр. в тепло), т. е. с поглощением
звука, обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды ("классическое
поглощение"), а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных
процессов (молекулярное или релаксационное поглощение). Поглощение 3. заметно
возрастает с частотой. Поэтому высокочастотный ультразвук и гиперзвук распространяются,
как правило, лишь на очень малые расстояния, часто всего на несколько см.
В
атмосфере, в водной среде и в земной коре дальше всего распространяются
инфразвуковые волны, отличающиеся малым поглощением и слабо рассеиваемые.
На высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах в твёрдом теле возникает
дополнит. поглощение, обусловленное взаимодействием волны с тепловыми колебаниями
кристаллической решётки, с электронами и со световыми волнами. Это взаимодействие
при определённых условиях может вызвать и "отрицательное поглощение", т.
е. усиление звуковой волны.

Значение звуковых волн, а
следовательно, и их изучение, к-рым занимается акустики, чрезвычайно
велико. С давних пор 3. служит средством связи и сигнализации. Изучение
всех его характеристик позволяет разработать более совершенные системы
передачи информации, повысить дальность систем сигнализации, создать более
совершенные муз. инструменты. Звуковые волны являются практически единств.
видом сигналов, распространяющихся в водной среде, где они служат для целей
подводной связи, навигации, локации (см. Гидроакустики). Низкочастотный
звук является инструментом исследования земной коры. Практич. применение
ультразвука создало целую отрасль совр. техники - ультразвуковую технику.
Ультразвук используется как для контрольно-измерительных целен (в частности,
в дефектоскопии), так и для активного воздействия на вещество (ультразвуковая
очистка, механич. обработка, сварка и т. п.). Высокочастотные звуковые
волны и особенно гиперзвук служат важнейшим средством исследований в физике
твердого тела.

Лит.: Стретт Дж. (лорд
Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 1 - 2, М.. 1955); Красильников
В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твёрдых телах,
3 изд., М., I960; Розенберг Л. Д., Рассказ о неслышимом звуке. М.. 1961.
И.П.
Голямина.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я