Звук

Звук. При ударе по барабану его пластина вибрирует, и колебания передаются по воздуху в виде волн. Когда они попадают в ухо, эти волны создают ощущение звука. Однако есть также звук, который нельзя услышать: инфразвук ниже диапазона человеческого слуха и ультразвук выше диапазона человеческого слуха.

Термины, используемые при изучении звука

Акустика - это наука о звуке и его влиянии на людей.

Конденсация - это область звуковой волны, в которой звуковая среда более плотная, чем обычно.

Децибел (дБ) - это единица измерения интенсивности звука. Тональный сигнал с частотой 3000 герц и 0 дБ - это самый тихий звук, который может слышать обычное человеческое ухо.

Частота звука - это количество звуковых волн, которые проходят через заданную точку каждую секунду.

Герцы - это единица измерения частоты звуковых волн. Один герц равен одному циклу (вибрации или звуковой волне) в секунду.

Сила звука - это мера мощности его волн.

Громкость означает, насколько сильным кажется звук, когда мы его слышим.

Шум - это неприятный, раздражающий и отвлекающий звук.

Высота звука - это степень высоты или слабости звука, который мы слышим.

Редкость - это область звуковой волны, в которой плотность звуковой среды меньше нормальной.

Частота резонанса - это частота, на которой объект будет естественным образом вибрировать, если его потревожить.

Звуковая среда - это вещество, в котором распространяются звуковые волны. Например, воздух - звуковая среда.

Качество звука, также называемое тембром, является характеристикой музыкальных звуков. По качеству звука различаются ноты одинаковой частоты и интенсивности, воспроизводимые разными музыкальными инструментами.

Ультразвук - это звук с частотами, превышающими диапазон человеческого слуха, то есть выше 20 000 герц.

Длина волны - это расстояние между любой точкой на волне и соответствующей точкой на следующей волне.

Технически звук определяется как механическое возмущение, распространяющееся через эластичную среду - материал, который после деформации стремится вернуться в исходное состояние. Среда не обязательно должна быть воздухом; металл, дерево, камень, стекло, вода и многие другие вещества проводят звук, многие из них лучше воздуха.

Источников звука великое множество. К знакомым типам относятся вибрация голосовых связок человека, вибрирующие струны (фортепиано, скрипка), вибрирующий столб воздуха (труба, флейта) и вибрирующие твердые тела (дверь, когда кто-то стучит). Перечислить их все невозможно, потому что все, что вызывает возмущение упругой среды (например, взрывающаяся петарда в окружающем воздухе), является источником звука.

Звук можно описать с помощью высоты тона - от низкого грохота далекого грома до пронзительного гудения комара - и громкости. Однако высота и громкость - это субъективные качества; они частично зависят от слуха слушателя. Объективные измеримые качества звука включают частоту и интенсивность, которые связаны с высотой тона и громкостью. Эти термины, как и другие термины, используемые при обсуждении звука, лучше всего понять, изучив звуковые волны и их поведение.

Скорость звука в различных средах
Середина	Скорость в футах в секунду	Скорость в метрах в секунду
Температура воздуха 59 градусов по Фаренгейту (15 градусов по Цельсию).	1,116	340
Алюминий	16 000	5 000
Кирпич	11 980	3650
Дистиллированная вода при температуре 77 градусов по Фаренгейту (25 градусов по Цельсию).	4908	1,496
Стекло	14 900	4,540
Морская вода при температуре 77 градусов по Фаренгейту (25 градусов по Цельсию).	5 023	1,531
Стали	17 100	5 200
Дерево (клен)	13 480	4 110

СОДЕРЖАНИЕ

1. Звуковые волны
2. Скорость звука
3. Поведение звуковых волн
4. Качество звука
5. История

Воздух, как и все вещества, состоит из молекул. Даже в крошечной области воздуха содержится огромное количество молекул воздуха. Молекулы находятся в постоянном движении, беспорядочно перемещаясь с большой скоростью. Они постоянно сталкиваются и отскакивают друг от друга, а также ударяются и отскакивают от объектов, находящихся в контакте с воздухом.

Вибрирующий объект излучает в воздухе звуковые волны. Например, когда головка барабана ударяется молотком, она вибрирует и производит звуковые волны. Вибрирующая пластина барабана издает звуковые волны, потому что она движется поочередно наружу и внутрь, отталкиваясь от окружающего воздуха, а затем удаляясь от него. Молекулы воздуха, которые ударяются о пластину барабана, когда она движется наружу, отскакивают от нее с большей, чем обычно, энергией и скоростью, получив толчок от пластика. Эти более быстро движущиеся молекулы перемещаются в окружающий воздух. Поэтому на мгновение область рядом с пластиной барабана имеет более высокую, чем обычно, концентрацию молекул воздуха - она ​​становится областью сжатия. Когда более быстро движущиеся молекулы догоняют молекулы воздуха в окружающем воздухе, они сталкиваются с ними и передают свою дополнительную энергию.Область сжатия перемещается наружу по мере того, как энергия от вибрирующего барабана передается группам молекул все дальше и дальше.

Молекулы воздуха, которые ударяются о пластину барабана, когда она движется внутрь, отскакивают от нее с меньшей энергией и скоростью, чем обычно. Поэтому на мгновение область рядом с пластиной барабана содержит меньше молекул воздуха, чем обычно, - она ​​становится областью разрежения. Молекулы, сталкивающиеся с этими более медленными молекулами, также отскакивают с меньшей скоростью, чем обычно, и область разрежения перемещается наружу.

Волновая природа звука становится очевидной, когда строится график, показывающий изменения концентрации молекул воздуха в некоторой точке, когда чередующиеся импульсы сжатия и разрежения проходят через эту точку. График для одного чистого тона, например, создаваемого камертоном. Кривая показывает изменение концентрации. Он начинается произвольно в какой-то момент, когда концентрация нормальна и только что прибывает импульс сжатия. Расстояние от каждой точки кривой до горизонтальной оси указывает, насколько концентрация отличается от нормы.

Каждое сжатие и последующее разрежение составляют один цикл. (Цикл также можно измерить от любой точки кривой до следующей соответствующей точки.) Частота звука измеряется в циклах в секунду или герцах (сокращенно Гц). Амплитуда - это наибольшая величина, на которую концентрация молекул воздуха отличается от нормы.

Длина волны звука - это расстояние, которое возмущение проходит за один цикл. Это связано со скоростью и частотой звука по формуле скорость / частота = длина волны. Это означает, что высокочастотные звуки имеют короткие длины волн, а низкочастотные звуки - длинные волны. Человеческое ухо может улавливать звуки с частотами от 15 Гц до 20 000 Гц. В неподвижном воздухе при комнатной температуре звуки с этими частотами имеют длину волны 75 футов (23 м) и 0,68 дюйма (1,7 см) соответственно.

Интенсивность относится к количеству энергии, передаваемой возмущением. Он пропорционален квадрату амплитуды. Интенсивность измеряется в ваттах на квадратный сантиметр или в децибелах (дБ). Шкала децибел определяется следующим образом: интенсивность 10-16 Вт на квадратный сантиметр равна 0 дБ. (Записано в десятичной форме, 10-16 отображается как 0,0000000000000001.) Каждое десятикратное увеличение ватт на квадратный сантиметр означает увеличение на 10 дБ. Таким образом, интенсивность 10-15 ватт на квадратный сантиметр также может быть выражена как 10 дБ, а интенсивность 10-4 (или 0,0001) ватт на квадратный сантиметр как 120 дБ.

Интенсивность звука быстро падает с увеличением расстояния от источника. Для небольшого источника звука, излучающего энергию равномерно во всех направлениях, интенсивность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. То есть на расстоянии двух футов от источника интенсивность в одну четверть меньше, чем на расстоянии одного фута; в трех футах он составляет только одну девятую от одного фута и т. д.

Подача

Высота звука зависит от частоты; как правило, повышение частоты вызывает ощущение повышения высоты звука. Однако способность различать два близких по частоте звука снижается в верхней и нижней частях слышимого диапазона частот. Способность различать два звука почти одинаковой частоты от человека к человеку также различается. Некоторые обученные музыканты могут обнаруживать разницу в частоте от 1 до 2 Гц.

Из-за того, как функционирует слуховой механизм, восприятие высоты звука также зависит от интенсивности. Таким образом, когда камертон, вибрирующий с частотой 440 Гц (частота A выше среднего C на фортепиано), приближается к уху, слышен немного более низкий тон, как если бы вилка вибрировала медленнее.

Когда источник звука движется с относительно высокой скоростью, неподвижный слушатель слышит звук более высокой высоты, когда источник движется к нему или к ней, и звук более низкой высоты, когда источник удаляется. Это явление, известное как эффект Доплера, связано с волновой природой звука.

Громкость

Как правило, увеличение интенсивности вызывает ощущение повышенной громкости. Но громкость не увеличивается прямо пропорционально интенсивности. Звук в 50 дБ в десять раз сильнее звука в 40 дБ, но только в два раза громче. Громкость увеличивается вдвое с каждым увеличением интенсивности на 10 дБ.

На громкость также влияет частота, потому что человеческое ухо более чувствительно к одним частотам, чем к другим. Порог слышимости - самая низкая интенсивность звука, при которой у большинства людей возникает ощущение слуха, - составляет около 0 дБ в диапазоне частот от 2000 до 5000 Гц. Для частот ниже и выше этого диапазона звуки должны быть более интенсивными, чтобы их можно было услышать. Так, например, звук с частотой 100 Гц едва слышен на уровне 30 дБ; звук с частотой 10 000 Гц едва слышен на уровне 20 дБ. При уровне от 120 до 140 дБ большинство людей испытывают физический дискомфорт или настоящую боль, и этот уровень интенсивности называется порогом боли.

Скорость звука зависит от эластичности и плотности среды, в которой он распространяется. В целом звук в жидкостях распространяется быстрее, чем в газах, и быстрее в твердых телах, чем в жидкостях. Чем выше эластичность и ниже плотность, тем быстрее звук распространяется в среде. Математическое соотношение: скорость = (эластичность / плотность).

Влияние упругости и плотности на скорость звука можно увидеть, сравнив скорость звука в воздухе, водороде и железе. Воздух и водород обладают примерно одинаковыми упругими свойствами, но плотность водорода меньше, чем у воздуха. Таким образом, звук в водороде распространяется быстрее (примерно в 4 раза), чем в воздухе. Хотя плотность воздуха намного меньше плотности железа, эластичность железа намного выше, чем у воздуха. Таким образом, в железе звук распространяется быстрее (примерно в 14 раз), чем в воздухе.

Скорость звука в материале, особенно в газе или жидкости, зависит от температуры, потому что изменение температуры влияет на плотность материала. Например, в воздухе скорость звука увеличивается с повышением температуры. При 32 ° F. (0 ° C), скорость звука в воздухе составляет 1087 футов в секунду (331 м / с); при 68 ° F. (20 ° C), это 1127 футов в секунду (343 м / с).

Термины дозвуковой и сверхзвуковой относятся к скорости объекта, такого как самолет, по отношению к скорости звука в окружающем воздухе. Дозвуковая скорость ниже скорости звука; сверхзвуковая скорость, превышающая скорость звука. Объект, движущийся со сверхзвуковой скоростью, производит ударные волны, а не обычные звуковые волны. Ударная волна - это волна сжатия, которую, когда она создается в воздухе, обычно можно услышать как звуковой удар.

Скорости сверхзвуковых объектов часто выражаются в терминах числа Маха - отношения скорости объекта к скорости звука в окружающем воздухе. Таким образом, объект, движущийся со скоростью 1 Мах, движется со скоростью звука; на скорости 2 Маха он движется со скоростью вдвое большей скорости звука.

Подобно световым и другим волнам, звуковые волны отражаются, преломляются и дифрагируют, а также имеют интерференцию.

Отражение

Звук постоянно отражается от множества различных поверхностей. В большинстве случаев отраженный звук не замечается, потому что два идентичных звука, которые достигают человеческого уха с интервалом менее 1/15 секунды, не могут быть различимы как отдельные звуки. Когда отраженный звук слышен отдельно, это называется эхом.

Звук отражается от поверхности под тем же углом, под которым он ударяется о поверхность. Этот факт позволяет фокусировать звук с помощью изогнутых отражающих поверхностей так же, как изогнутые зеркала можно использовать для фокусировки света. Это также объясняет эффекты так называемых шепчущихся галерей, комнат, в которых слово, прошептанное в одной точке, можно отчетливо услышать в некоторой другой точке довольно далеко, хотя его нельзя услышать нигде в комнате. (Примером является Скульптурный зал Капитолия Соединенных Штатов.) Отражение также используется для фокусировки звука в мегафоне и при звонке через сложенные ладони.

Отражение звука может стать серьезной проблемой в концертных залах и аудиториях. В плохо спроектированном зале первое слово говорящего может отражаться (повторяться эхом) в течение нескольких секунд, так что слушатели могут слышать эхо всех слов предложения одновременно. Музыка тоже может быть искажена. Такие проблемы обычно можно исправить, накрыв отражающие поверхности звукопоглощающими материалами, такими как драпировки или акустическая плитка. Одежда также поглощает звук; по этой причине реверберация в пустом зале сильнее, чем в зале, заполненном людьми. Все эти звукопоглощающие материалы пористые; звуковые волны, входящие в крошечные заполненные воздухом пространства, отскакивают в них, пока не израсходуется их энергия. По сути, они в ловушке.

Отражение звука используется некоторыми животными, особенно летучими мышами и зубатыми китами, для эхолокации - обнаружения и в некоторых случаях идентификации объектов с помощью слуха, а не зрения. Летучие мыши и зубатые киты издают звуковые всплески частот, далеко выходящих за верхние пределы человеческого слуха, до 200 000 Гц в случае китов. Коротковолновые звуки отражаются даже от очень маленьких предметов. Летучая мышь безошибочно обнаруживает и ловит даже комара в полной темноте. Сонар - это искусственная форма эхолокации.

Преломление

Когда волна проходит от одного материала к другому под углом, она обычно меняет скорость, в результате чего фронт волны изгибается. Преломление звука можно продемонстрировать в физической лаборатории, используя воздушный шар в форме линзы, наполненный углекислым газом, чтобы сфокусировать звуковые волны.

Дифракция

Когда звуковые волны проходят вокруг препятствия или через отверстие в препятствии, край препятствия или проем действует как вторичный источник звука, посылая волны той же частоты и длины волны (но меньшей интенсивности), что и исходный источник. Распространение звуковых волн от вторичного источника называется дифракцией. Из-за этого явления звук может быть слышен из-за углов, несмотря на то, что звуковые волны обычно распространяются по прямой линии.

Вмешательство

Когда волны взаимодействуют, возникает интерференция. Для звуковых волн это явление, возможно, лучше всего понять, если подумать о сжатиях и разрежениях двух волн, когда они достигают определенной точки. Когда волны находятся в фазе так, что их сжатия и разрежения совпадают, они усиливают друг друга (конструктивная интерференция). Когда они не совпадают по фазе, так что сжатия одного совпадают с разрежением другого, они имеют тенденцию ослаблять или даже гасить друг друга (деструктивная интерференция). Взаимодействие между двумя волнами создает результирующую волну.

В зрительных залах деструктивная интерференция между звуком со сцены и звуком, отраженным от других частей зала, может создать мертвые зоны, в которых как громкость, так и четкость звука недостаточны. Такие помехи можно уменьшить, используя звукопоглощающие материалы на отражающих поверхностях. С другой стороны, помехи могут улучшить акустические качества зала. Это достигается путем размещения отражающих поверхностей таким образом, чтобы уровень звука фактически увеличивался в том месте, где сидит публика.

Интерференция между двумя волнами почти, но не совсем равных частот производит тон попеременно увеличивающейся и уменьшающейся интенсивности, потому что две волны постоянно падают в фазу и не совпадают. Слышимые пульсации называются биениями. Тюнеры пианино используют этот эффект, регулируя тон струны по сравнению со стандартным камертоном до тех пор, пока удары не перестанут быть слышны.

Звуки одной чистой частоты производятся только камертонами и электронными устройствами, называемыми генераторами; большинство звуков представляют собой смесь тонов разной частоты и амплитуды. Звуки, издаваемые музыкальными инструментами, имеют одну важную общую характеристику: они периодичны, то есть колебания происходят в повторяющихся образцах. Осциллограмма звука трубы показывает такую ​​картину. Для большинства немузыкальных звуков, таких как звук лопнувшего воздушного шара или кашляющего человека, осциллограмма покажет зубчатый, нерегулярный узор, указывающий на смешение частот и амплитуд.

Столб воздуха, как в трубе, и струна фортепиано имеют основную частоту - частоту, на которой они наиболее легко колеблются, когда они приводятся в движение. Для колеблющегося столба воздуха эта частота определяется в основном длиной столба. (Клапаны трубы используются для изменения эффективной длины колонны.) Для вибрирующей струны основная частота зависит от длины струны, ее натяжения и ее массы на единицу длины.

В дополнение к своей основной частоте струна или колеблющийся столб воздуха также производит обертоны с частотами, кратными основной частоте. Количество воспроизводимых обертонов и их относительная сила придают музыкальному тону из данного источника его отличительное качество или тембр. Добавление дополнительных обертонов приведет к получению сложной картины, такой как осциллограмма звука трубы.

Как основная частота вибрирующей струны зависит от длины струны, натяжения и массы на единицу длины, описывается тремя законами:

1. Основная частота колеблющейся струны обратно пропорциональна ее длине.

Уменьшение длины вибрирующей струны вдвое увеличит ее частоту, повысив высоту звука на одну октаву, если натяжение останется прежним.

2. Основная частота вибрирующей струны прямо пропорциональна квадратному корню из натяжения.

Увеличение натяжения вибрирующей струны увеличивает частоту; если напряжение увеличивается в четыре раза, частота удваивается, а высота звука повышается на одну октаву.

3. Основная частота колеблющейся струны обратно пропорциональна квадратному корню из массы на единицу длины.

Это означает, что из двух струн из одного материала, с одинаковой длиной и натяжением более толстая струна имеет более низкую основную частоту. Если масса на единицу длины одной струны в четыре раза больше, чем у другой, более толстая струна имеет основную частоту вдвое меньше, чем у более тонкой струны, и дает тон на октаву ниже.

Одно из первых открытий относительно звука было сделано в шестом веке до нашей эры греческим математиком и философом Пифагором. Он отметил взаимосвязь между длиной вибрирующей струны и производимым ею тоном - то, что сейчас известно как первый закон струн. Пифагор, возможно, также понял, что ощущение звука вызывается вибрациями. Вскоре после него было признано, что это ощущение зависит от вибраций, распространяющихся по воздуху и ударяющих по барабанной перепонке.

Около 1640 года французский математик Марин Мерсенн провел первые эксперименты по определению скорости звука в воздухе. Мерсенну также приписывают открытие второго и третьего законов струн. В 1660 году британский ученый Роберт Бойль продемонстрировал, что для передачи звука требуется среда, показав, что нельзя слышать звон колокола в сосуде, из которого откачивали воздух.

Эрнст Хладни, немецкий физик, провел обширный анализ звуковых колебаний в конце 1700-х - начале 1800-х годов. В 1801 году французский математик Фурье обнаружил, что такие сложные волны, как те, которые производятся колеблющейся струной со всеми ее обертонами, состоят из серии простых периодических волн.

В 19 веке в целом по волнам было проделано много работы. Томас Янг, английский физик, особенно исследовал дифракцию и интерференцию. Кристиан Иоганн Доплер из Австрии сформулировал математическую связь между фактической и воспринимаемой частотами волн, когда источник волн движется относительно наблюдателя.

Важный вклад в понимание акустики внес Уоллес Клемент Сабин, физик из Гарвардского университета, в конце 1890-х годов. Сабину попросили улучшить акустику главного лекционного зала художественного музея Фогга в Гарварде. Он первым измерил время реверберации, которое в лекционном зале составило 5 1/2 секунд. Экспериментируя сначала с подушками сидений из ближайшего театра, а затем с другими звукопоглощающими материалами и другими методами, Сабина заложила основу архитектурной акустики. Он спроектировал Бостонский симфонический зал (открыт в 1900 году), первое здание с научно сформулированной акустикой.

Во второй половине 20-го века рост уровня шума в современном мире, особенно в городских районах, вызвал целую серию исследований, в основном касающихся физиологического и психологического воздействия шума на людей.