Звуки навколо нас

Ощущение звука вызывается звуковыми волнами, достигающими органа слуха - уха. Важнейшая часть этого органа - барабанная перепонка. Пришедшая к ней звуковая волна вызывает вынужден­ные колебания барабанной перепонки с частотой колебаний в волне. Они воспринимаются мозгом как звук.

Звуки бывают разные. Мы легко различаем свист и дробь ба­рабана, мужской голос (бас) от женского (сопрано).

Об одних звуках говорят, что они низкого тона, другие мы называем звуками высокого тона. Ухо их легко различает. Звук, создаваемый большим барабаном, это звук низкого тона, свист - звук высокого тона. Простые измерения (развертка колебаний) показывают, что звуки низких тонов - это колебания малой частоты в звуковой волне. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Частота колебаний в звуковой волне определяет тон звука.

Существуют особые источники звука, испускающие единствен­ную частоту, так называемый чистый тон. Это камертоны различ­ных размеров - простые устройства, представляющие собой изогнутые металлические стержни на ножках. Чем больше размеры камертона, тем ниже звук, который он испускает при ударе по нему.

Если взять несколько камертонов разного размера, то не представит труда расположить их на слух в порядке возрастания высоты звука. Тем самым они окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон даёт низкий звук, а маленький - наиболее высокий.

Звуки даже одного тона могут быть разной громкости. Гром­кость звука связана с энергией колебаний в источнике и в волне. Энергия же колебаний определяется амплитудой колеба­ний. Громкость, следовательно, зависит от амплитуды колеба­ний. Но связь между громкостью звука и амплитудой колебаний не простая.

Самый слабый ещё слышимый звук, дошедший до барабанной перепонки, приносит в 1 секунду энергию, равную примерно 10-16 Дж, а самый громкий звук (звук реактивного ракетного двигателя в нескольких метрах от него) - около 10-4 Дж. Следовательно, по мощности самый громкий звук примерно в тысячу миллиардов раз превосходит самый слабый.

Интенсивности звука при слуховом восприятии соответствует ощущение громкости звука. При определенной минимальной интен­сивности человеческое ухо не воспринимает звука. Эта мини­мальная интенсивность называется порогом слышимости. Порог слышимости имеет различные значения для различных частот. При больших интенсивностях ухо испытывает болевое ощущение. Наибольшая интенсивность при болевом восприятии звука называ­ется порогом болевого ощущения.

Уровень интенсивности звука определяется в децибелах (дБ). Например, громкость звука, шороха листьев оценивается в 10 дБ, шёпота - 20 дБ, уличного шума - 70 дБ. Шум громкостью 130 дБ ощущается кожей и вызывает ощущение боли.

Количество децибел равно десятичному логарифму отношения интенсивностей, умноженному на 10, т.е. 10 lg.(I/I0).

Обычно в акустике за I0 принимается интенсивность равная 1 пДж (м × с), приблизительно равная интенсивности на пороге слышимости при 1000 Гц.

Простейшие наблюдения показывают, что громкость тона ка­кой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Звук камертона после удара по нему постепенно затихает. Это происходит вместе с затуханием колебаний, т.е. с уменьшением их амплитуды. Ударив камертон сильнее, т.е. сообщив колеба­ниям большую амплитуду, мы услышим более громкий звук, чем при слабом ударе. То же можно наблюдать и со струной, и вообще со всяким другим источником звука.

К таким же заключениям можно прийти, пользуясь не камер­тонами, а упрощённой сиреной - вращающимся диском с отвер­стиями, через которые продувается струя воздуха. Повышая напор струи воздуха, мы усиливаем колебания плотности воздуха позади отверстий. При этом звук, сохраняя одну и ту же вы­соту, делается громче. Ускоряя вращение диска, мы уменьшаем период прерываний воздушной струи. Вместе с тем звук, не меняясь по громкости, повышается. Можно также сделать в диске два или более рядов отверстий с разным количеством отверстий в каждом ряду. Продувание воздуха через каждый из рядов даёт тем более высокий звук, чем больше отверстий в этом ряду, т.е. чем короче период прерываний.

Но, взяв в качестве источника звука сирену, можно полу­чить хотя и периодическое, но уже негармоническое колебание: плотность воздуха в прерывистой струе меняется резкими толч­ками. На ряду с этим и звук сирены, хотя и является музыкаль­ным, но совсем не похож на тон камертона. Можно подобрать высоту звука сирены такой же, как и у какого-либо из камерто­нов. При этом и громкость звука можно сделать одинаковой. Тем не менее легко можно отличить звук камертона от звука сирены.

Таким образом, если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет ещё одно качество, кроме высоты и гром­кости, а именно - специфический оттенок, называемый тембром. По различному тембру мы легко распознаём звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты, гар­мони и т.д., хотя все эти звуки имели бы одну и ту же высоту и громкость. По тембру мы можем узнать голоса разных людей. Исследование вопроса, с чем связан тембр звука, показало, что для нашего уха существенны только частоты и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т.е. тембр звука определя­ется его гармоническим спектром. Сдвиги отдельных тонов по времени, другими словами, изменения фаз тонов, никак не воспринимаются на слух, хотя могут очень сильно менять форму результирующего колебания. Таким образом, один и тот же звук может восприниматься при очень различных формах колебания. Важно только, чтобы сохранялся спектр, т.е. частоты и ампли­туды составляющих тонов.

100 цікавих запитань про звук

Чому механічні хвилі з частотою від 16 Гц до 20000 Гц називаються акустичними, або звуковими хвилями?

Чому вислів: „Усе, що коливається, - звучить” – неправильний?

Чому вислів: „Усе, що звучить, - обов'язково коливається” – правильний?

Чому людина чує звукові коливання?

Чому звук поширюється з певною кінцевою швидкістю?

Чому швидкість звуку залежить від температури середовища, у якому він поширюється?

Чому виникає луна?

Чому для ехолокації використовують не звукові хвилі, а ультразвукові?

Чому ехолокацію в основному використовують у воді (гідролокація) ?

Чому в народних казках герой, щоб почути, чи далеко погоня, прикладає вухо до землі?

Чому людина чує звуки різного тону?

Чому одні звуки людина чує гучними, а інші – тихими?

Чому ми відрізняємо знайомих людей за голосом?

Чому деякі звуки людина сприймає як шуми?

Чому корпуси скрипок чи гітар мають спеціальні форми і розміри?

Чому звукова хвиля поздовжна?

Чому на Місяці панує тиша?

Чому по-різному звучать польоти комара і джмеля?

Чому буває, що люди народжуються глухими, хоча орган слуху – вухо – в них нормальне, як в усіх, хто чує?

Чому для настроювання музичних інструментів використовуються спеціальні прилади – камертони?

Чому довжина хвилі навіть того самого звуку в різних середовищах різна?

Чому звукова хвиля може відбиватися?

Чому ультразвукові хвилі не сприймаються вухом людини?

Чому зараз дуже поширений метод медичної діагностики „УЗД”?

Чому камертони встановлюють на спеціальному ящичку – резонаторі?

Чому можна на слух визначити, працює електродриль ухолосту чи свердлить отвір?

Чому в порожній залі для глядачів звуки гучніші й розкотистіші, ніж у залі, заповненій людьми?

Чому швидкість звуку в повітрі не залежить від швидкості руху джерела звуку?

Чому на Місяці не буває луни?

Чому для перевірки коліс поїзда на стоянці їх обстукують молотком?

Чому, коли в пляшку наливають воду, то чутно звук певного тону, який у міру наповнення пляшки стає все вищим і вищим?

Чому створений звук із часом зникає?

Чому, якщо вдарити молотком по одному кінці довгої металевої труби, то на іншому кінці труби можна почути подвійний удар?

Чому під час пострілу куля вилітає з рушниці зі свистом, а кинута рукою – летить безшумно?

Чому голос людини можна почути на значній відстані, але слів при цьому розібрати не можна?

Чому в горах луна багаторазова?

Чому суфлерську будку оббивають повстю?

Чому в туман гудки тепловозів і теплоходів чутні на більш далекій відстані?

Чому, коли прислухаються до віддаленого шуму, то мимоволі відкривають рота?

Чому рясний дощ можна відрізнити за звуком ударів крапель об дах?

Чому нерозумно „кланятися” кулям, що часом роблять у бойовій обстановці необстріляні солдати?

Чому, зачиняючи вікно, можна помітно знизити гучність звуків, що проникають знадвору, хоча саме скло гарно „пропускає” звукові хвилі?

Чому звукові хвилі називаються сферичними? Чому природа створила людину та інших істот з двома вухами?