Основы распространения звука. Как звук распространяется в пространстве? Примеры распространения и скорости звука

Звук распространяется посредством звуковых волн. Эти волны проходят не только сквозь газы и жидкости, но и через твердые тела. Действие любых волн заключается главным образом в переносе энергии. В случае звука перенос принимает форму мельчайших перемещений на молекулярном уровне.

В газах и жидкостях звуковая волна сдвигает молекулы в направлении своего движения, то есть в направлении длины волны. В твердых телах звуковые колебания молекул могут происходить и в направлении перпендикулярном волне.

Звуковые волны распространяются из своих источников во всех направлениях, как это показано на рисунке справа, на котором изображен металлический колокол, периодически сталкивающийся со своим языком. Эти механические столкновения заставляют колокол вибрировать. Энергия вибраций сообщается молекулам окружающего воздуха, и они оттесняются от колокола. В результате в прилегающем к колоколу слое воздуха увеличивается давление, которое затем волнообразно распространяется во все стороны от источника.

Скорость звука не зависит от громкости или тона. Все звуки от радиоприемника в комнате, будь они громкими или тихими, высокого тона или низкого, достигают слушателя одновременно.

Скорость звука зависит от вида среды, в которой он распространяется, и от ее температуры. В газах звуковые волны распространяются медленно, потому что их разреженная молекулярная структура слабо препятствует сжатию. В жидкостях скорость звука увеличивается, а в твердых телах становится еще более высокой, как это показано на диаграмме внизу в метрах в секунду (м/с).

Путь волны

Звуковые волны распространяются в воздухе аналогично показанному на диаграммах справа. Волновые фронты движутся от источника на определенном расстоянии друг от друга, определяемом частотой колебаний колокола. Частота звуковой волны определяется путем подсчета числа волновых фронтов, прошедших через данную точку в единицу времени.

Фронт звуковой волны удаляется от вибрирующего колокола.

В равномерно прогретом воздухе звук распространяется с постоянной скоростью.

Второй фронт следует за первым на расстоянии, равном длине волны.

Сила звука максимальна вблизи источника.

Графическое изображение невидимой волны

Звуковое зондирование глубин

Пучок лучей гидролокатора, состоящий из звуковых волн, легко проходит через океанскую воду. Принцип действия гидролокатора основан на том факте, что звуковые волны отражаются от океанского дна; этот прибор обычно используется для определения особенностей подводного рельефа.

Упругие твердые тела

Звук распространяется в деревянной пластине. Молекулы большинства твердых тел связаны в упругую пространственную решетку, которая плохо сжимается и вместе с тем ускоряет прохождение звуковых волн.

Если звуковая волна не встречает препятствий на своём пути, она распространяется равномерно по всем направлениям. Но и не всякое препятствие становится преградой для неё.

Встретив препятствие на своём пути, звук может огибать его, отражаться, преломляться или поглощаться.

Дифракция звука

Мы можем разговаривать с человеком, стоящим за углом здания, за деревом или за забором, хотя и не видим его. Мы слышим его, потому что звук способен огибать эти предметы и приникать в область, находящуюся за ними.

Способность волны огибать препятствие называется дифракцией .

Дифракция возможна, когда длина звуковой волны превышает размер препятствия. Звуковые волны низкой частоты имеют довольно большую длину. Например, при частоте 100 Гц она равна 3,37 м. С уменьшением частоты длина становится ещё больше. Поэтому звуковая волна с лёгкостью огибает объекты, соизмеримые с ней. Деревья в парке совершенно не мешают нам слышать звук, потому что диаметры их стволов значительно меньше длины звуковой волны.

Благодаря дифракции, звуковые волны проникают через щели и отверстия в препятствии и распространяются за ними.

Расположим на пути звуковой волны плоский экран с отверстием.

В случае, когда длина звуковой волны ƛ намного превышает диаметр отверстия D , или эти величины примерно равны, то позади отверстия звук достигнет всех точек области, которая находится за экраном (область звуковой тени). Фронт выходящей волны будет выглядеть как полусфера.

Если же ƛ лишь немного меньше диаметра щели, то основная часть волны распространяется прямо, а небольшая часть незначительно расходится в стороны. А в случае, когда ƛ намного меньше D , вся волна пойдёт в прямом направлении.

Отражение звука

В случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред, возможны разные варианты её дальнейшего распространения. Звук может отразиться от поверхности раздела, может перейти в другую среду без изменения направления, а может преломиться, то есть перейти, изменив своё направление.

Предположим, на пути звуковой волны появилось препятствие, размер которого намного больше длины волны, например, отвесная скала. Как поведёт себя звук? Так как обогнуть это препятствие он не может, то он отразится от него. За препятствием находится зона акустической тени .

Отражённый от препятствия звук называется эхом .

Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.

Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.

Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале.

Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.

Выпуклая поверхность звук рассеивает.

Эффект рассеивания дают выпуклые колонны, крупные лепные украшения, люстры и т.д.

Звук не переходит из одной среды в другую, а отражается от неё, если плотности сред значительно отличаются. Так, звук, появившийся в воде, не переходит в воздух. Отражаясь от границы раздела, он остаётся в воде. Человек, стоящий на берегу реки, не услышит этот звук. Это объясняется большой разницей волновых сопротивлений воды и воздуха. В акустике волновое сопротивление равно произведению плотности среды на скорость звука в ней. Так как волновое сопротивление газов значительно меньше волновых сопротивлений жидкостей и твёрдых тел, то попадая на границу воздуха и воды, звуковая волна отражается.

Рыбы в воде не слышат звук, появляющийся над поверхностью воды, но хорошо различают звук, источником которого является тело, вибрирующее в воде.

Преломление звука

Изменение направления распространения звука называется преломлением . Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны.

Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.

где i – угол падения,

r – угол отражения,

v 1 – скорость распространения звука в первой среде,

v 2 – скорость распространения звука во второй среде,

n – показатель преломления.

Преломление звука называют рефракцией .

Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о, то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.

Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.

В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.

Поглощение звука

При встрече звуковой волны с поверхностью, часть её энергии поглощается. А какое количество энергии может поглотить среда, можно определить, зная коэффициент поглощения звука. Этот коэффициент показывает, какую часть энергии звуковых колебаний поглощает 1 м 2 препятствия. Он имеет значение от 0 до 1.

Единицу измерения звукопоглощения называют сэбин . Своё название она получила по имени американского физика Уоллеса Клемента Сэбина, основателя архитектурной акустики. 1 сэбин – это энергия, которую поглощает 1 м 2 поверхности, коэффициент поглощения которой равен 1. То есть, такая поверхность должна поглощать абсолютно всю энергию звуковой волны.

Реверберация

Уоллес Сэбин

Свойство материалов поглощать звук широко используют в архитектуре. Занимаясь исследованием акустики Лекционного зала, части построенного Fogg Museum, Уоллес Клемент Сэбин пришёл к выводу, что существует зависимость между размерами зала, акустическими условиями, типом и площадью звукопоглощающих материалов и временем реверберации .

Реверберацией называют процесс отражения звуковой волны от препятствий и её постепенное затухание после выключения источника звука. В закрытом помещении звук может многократно отражаться от стен и предметов. В результате возникают различные эхосигналы, каждый из которых звучит как бы обособленно. Этот эффект называют эффектом реверберации .

Самой важной характеристикой помещения является время реверберации , которое ввёл и вычислил Сэбин.

где V – объём помещения,

А – общее звукопоглощение.

где a i – коэффициент звукопоглощения материала,

S i - площадь каждой поверхности.

Если время реверберации велико, звуки словно "бродят" по залу. Они накладываются друг на друга, заглушают основной источник звука, и зал становится гулким. При маленьком времени реверберации стены быстро поглощают звуки, и они становятся глухими. Поэтому для каждого помещения должен быть свой точный расчёт.

По результатам своих вычислений Сэбин расположил звукопоглощающие материалы таким образом, что уменьшился «эффект эха». А Симфонический Зал Бостона, при создании которого он был акустическим консультантом, до сих пор считается одним из лучших залов в мире.

Специфическое ощущение, воспринимаемое нами как звук, является результатом воздействия на слуховой аппарат человека колебательного движения упругой среды - чаще всего воздуха. Колебания среды возбуждаются источником звука и, распространяясь в среде, доходят до приемного аппарата - нашего уха. Таким образом, бесконечное разнообразие слышимых нами звуков вызывается колебательными процессами, различающимися друг от друга частотой и амплитудой. Не следует смешивать две стороны одного и того же явления: звук как физический процесс представляет собой частный случай колебательного движения; в качестве же психо-физиологического явления звук есть некоторое специфическое ощущение, мехайизм возникновения которого изучен в настоящее время довольно подробно.

Говоря о физической стороне явления, мы характеризуем звук его интенсивностью (силой), его составом и частотой связанных с ним колебательных процессов; имея же в виду звуковые ощущения, мы говорим о громкости, о тембре, о высоте звука.

В твердых телах звук может распространяться как в виде продольных, так и в виде поперечных колебаний. Поскольку жидкости и газы не имеют упругости сдвига, очевидно, что в газообразной и в жидкой средах звук может распространяться только в виде продольных колебаний. В газах и в жидкостях звуковые волны представляют собой чередующиеся сгущения и разрежения среды, удаляющиеся от источника звука с определенной характерной для каждой среды скоростью. Поверхностью звуковой волны является геометрическое место частиц среды, имеющих одинаковую фазу колебаний. Поверхности звуковых волн можно провести, например, так, чтобы между поверхностями соседних волн заключались слой сгущения и слой разрежения. Направление, перпендикулярное к поверхности волны, называют лучом.

Звуковые волны в газообразной среде могут быть сфотографированы. Для этой цели за источником звука помещают

фотографическую пластинку, на которую спереди направляют пучок света от электрической искры так, чтобы эти лучи от мгновенной вспышки света падали на фотопластинку, пройдя через воздух, окружающий источник звука. На рис. 158-160 приведены полученные по указанному способу фотографии звуковых волн. Источник звука был отделен от фотопластинки небольшим экранчиком на подставке.

На рис. 158, а видно, что звуковая волна только что вышла из-за экрана; на рис. 158, б та же волна заснята вторично спустя несколько тысячных долей секунды. Поверхностью волны в данном случае является сфера. На фотографии изображение волны получается в виде окружности, радиус которой со временем увеличивается.

Рис. 158. Фотография звуковой волны в два момента времени (а и б). Отражение звуковой волны (в).

На рис. 158, в приведена фотография звуковой сферической волны, отраженной от плоской стенки. Здесь следует обратить внимание на то, что отраженная часть волны как бы исходит из точки, находящейся за отражающей поверхностью на таком же расстоянии от отражающей поверхности, как и источник звука. Общеизвестно, что явлением отражения звуковых волн объясняется эхо.

На рис. 159 показано изменение волновой поверхности при прохождении звуковой волны через линзообразный мешочек, наполненный водородом. Это изменение поверхности звуковой волны является следствием преломления (рефракции) звуковых лучей: у поверхности раздела двух сред, где скорость волн различна, направление распространения волны изменяется.

Рис. 160 воспроизводит фотографию звуковых волн, на пути распространения которых поставлен экран с четырьмя щелями. Проходя через щели, волны огибают экран. Это явление огибания волнами встреченных препятствий называют дифракцией.

Законы распространения, отражения, преломления и дифракции звуковых волн могут быть выведены из принципа Гюйгенса, согласно которому каждая приведенная в колебание частица

среды может рассматриваться как новый центр (источник) волн; интерференция всех этих волн дает наблюдаемую в действительности волну (способы применения принципа Гюйгенса будут пояснены в третьем томе на примере световых волн).

Звуковые волны несут с собой некоторое количество движения и вследствие этого оказывают давление на встречаемые ими препятствия.

Рис. 159. Преломление звуковой волны.

Рис. 160. Дифракция звуковых волн.

Для пояснения этого факта обратимся к рис. 161. На этом рисунке пунктиром изображена синусоида смещений частиц среды в некоторый момент времени при распространении в среде продольных волн. Скорости этих частиц в рассматриваемый момент времени изобразятся косинусоидой, или, что то же, синусоидой, опережающей синусоиду смещений на четверть периода (на рис. 161 - сплошная линия). Нетрудно сообразить, что сгущения среды будут наблюдаться там, где в данный момент смещение частиц равно нулю или близко к нулю и где скорость направлена в сторону распространения волн. Наоборот, разрежения среды будут наблюдаться там, где смещение частиц тоже равно нулю или близко к нулю, но где скорость частиц направлена в сторону, противоположную распространению волн. Итак, в сгущениях частицы движутся вперед, в разрежениях - назад. Но в

Рис. 161. В сгущениях проходящей звуковой волны частицы движутся вперед,

сгущенных слоях находится большее число частиц, чем в разрежениях. Таким образом, в любой момент времени в бегущих продольных звуковых волнах число частиц, движущихся вперед, несколько превышает число частиц, движущихся назад. Вследствие этого звуковая волна несет с собой некоторое количество движения, что и проявляется в давлении, которое звуковые волны оказывают на встречаемые ими препятствия.

Экспериментально давление звука было исследовано Рэлеем и Петром Николаевичем Лебедевым.

Теоретически скорость звука определяется формулой Лапласа [§ 65, формула (5)]:

где К - модуль всесторонней упругости (когда сжатие производится без притока и отдачи тепла), плотность.

Если сжатие тела производить, поддерживая температуру тела постоянной, то для модуля упругости получаются величины меньшие, чем в том случае, когда сжатие производится без притока и отдачи тепла. Эти два значения модуля всесторонней упругости, как доказывается в термодинамике, относятся так, как теплоемкость тела при постоянном давлении к теплоемкости тела при постоянном объеме.

Для газов (не слишком сжатых) изотермический модуль всесторонней упругости равен просто давлению газа Если, не изменяя температуры газа, мы сожмем газ (увеличим его плотность) в раз, то и давление газа возрастет в раз. Следовательно, по формуле Лапласа получается, что скорость звука в газе не зависит от плотности газа.

Из газовых законов и формулы Лапласа можно вывести (§ 134), что скорость звука в газах пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газа:

где ускорение силы тяжести, отношение темплоемкостей универсальная газовая постоянная.

При С скорость звука в сухом воздухе равна при средних температурах и средней влажности скорость звука В воздухе считают равной Скорость звука в водороде при равен

В воде скорость звука составляет в стекле в железе

Следует заметить, что ударные звуковые волны, вызываемые выстрелом или взрывом, в начале своего пути имеют скорость,

значительно превосходящую нормальную скорость звука в данной среде. Ударная звуковая волна в воздухе, вызванная сильным взрывом, может иметь вблизи источника звука скорость, в несколько раз превосходящую нормальную скорость звука в воздухе, но уже на расстоянии десятков метров от места взрыва скорость распространения волны уменьшается до нормальной величины.

Как уже упоминалось в § 65, звуковые волны разной длины имеют практически одинаковую скорость. Исключение составляют те области частот, для которых характерно особенно быстрое затухание упругих волн при их распространении в рассматриваемой среде. Обычно эти частоты лежат далеко за пределами слышимости (для газов при атмосферном давлении - это частоты порядка колебаний в секунду). Теоретический анализ показывает, что дисперсия и поглощение звуковых волн связаны с тем, что для перераспределения энергии между поступательным и колебательным движениями молекул требуется некоторое, хотя и малое, время. Это приводит к тому, что длинные волны (волны звукового диапазона) движутся несколько медленнее, чем очень короткие «неслышимые» волны. Так, в парах углекислоты при и атмосферном давлении звук имеет скорость тогда как весьма короткие, «неслышимые», волны распространяются со скоростью

Звуковая волна, распространяясь в среде, может иметь различную форму, зависящую от размеров и формы источника звука. В случаях, технически наиболее интересных, источник звука (излучатель) представляет собой некоторую колеблющуюся поверхность, - таковы, например, мембрана телефона или диффузор громкоговорителя. Если такой источник звука излучает звуковые волны в открытое пространство, то форма волны существенным образом зависит от относительных размеров излучателя; излучатель, размеры которого велики сравнительно с длиной звуковой волны, излучает звуковую энергию в одном только направлении, именно в направлении своего колебательного движения. Напротив, излучатель малого сравнительно с длиной волны размера излучает звуковую энергию по всем направлениям. Форма волнового фронта в том и другом случаях будет, очевидно, различной.

Рассмотрим сначала первый случай. Представим себе жесткую плоскую поверхность достаточно большого (сравнительно с длиной волны) размера, совершающую колебательное движений в направлении своей нормали. Двигаясь вперед, такая поверхность создает перед собой сгущение, которое благодаря упругости среды будет распространяться в направлении смещения излучателя). Двигаясь обратно, излучатель создает за собой разрежение, которое будет перемещаться в среде вслед за начальным сгущением. Недлительном колебании излучателя мы будем наблюдать по обе стороны от него звуковую волну, характеризующуюся тем, что все частицы среды, находящиеся на равном расстоянии от излучающей поверхности средней плотности среды и скорости звука с:

Произведение средней плотности среды на скорость звука, называют акустическим сопротивлением среды.

Акустические сопротивления при 20° С

(см. скан)

Рассмотрим теперь случай сферических волн. Когда размеры излучающей поверхности становятся малыми сравнительно с длиной волны, волновой фронт заметно искривляется. Это происходит потому, что энергия колебаний распространяется по всем направлениям от излучателя.

Явление можно лучше всего понять на следующем простом примере. Представим себе, что на поверхность воды упало длинное бревно. Возникшие благодаря этому волны идут параллельными рядами в обе стороны от бревна. Иначе обстоит дело в том случае, когда в воду брошен небольшой камень, - при этом волны распространяются концентрическими кругами. Бревно велико сравнительно

с длиной волны на поверхности воды; идущие от него параллельные ряды волн представляют собой наглядную модель плоских волн. Камень же имеет небольшие размеры; расходящиеся от места его падения круги дают нам модель сферических волн. При распространении сферической волны поверхность волнового фронта возрастает пропорционально квадрату его радиуса. При постоянной мощности источника звука энергия, протекающая через каждый квадратный сантиметр сферической поверхности радиуса обратно пропорциональна Так как энергия колебаний пропорциональна квадрату амплитуды, то ясно, что амплитуда колебаний в сферической волне должна убывать как величина, обратная первой степени расстояния от источника звука. Уравнение сферической волны имеет, следовательно, такой вид:

МОСКВА, 16 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Всем известно, что в каждом доме своя слышимость. В одних домах люди даже не подозревают о существовании по соседству шумного ребенка и огромной овчарки, а в других можно проследить маршрут передвижения по квартире даже маленькой кошки.

Звуковая волна представляет собой колебания частиц, при которых происходит перенос энергии. То есть частицы меняют свое положение относительно равновесия, вибрируя вверх-вниз или влево-вправо. В воздухе частицы, помимо колебаний, находятся в постоянном хаотическом движении. Когда мы говорим, то заставляем молекулы воздуха колебаться с определенной частотой, которую регистрирует наш орган слуха. Благодаря беспорядочному движению молекул они быстрее, чем их "собратья" в твердом теле, "теряют" частоту, в пределах которой двигались ранее.

А что насчет твердых тел? Если ударить молотком по стене или полу дома, звуковая волна побежит по твердой конструкции, заставляя колебаться атомы или молекулы, из которых она состоит. Однако следует помнить, что в твердых телах частицы "упакованы" более плотно, так как они располагаются ближе друг к другу. И скорость звука в плотных средах в несколько раз выше, чем скорость звука в воздухе. При 25 градусах Цельсия средняя скорость его распространения 346 метров в секунду. А в бетоне это значение достигает 4250-5250 метров в секунду. Разница более чем в 12 раз! Неудивительно, что звуковая волна способна передаваться на большие расстояния именно в твердых телах, а не в воздухе.

Колебания молекул воздуха довольно слабы, поэтому их может поглотить толстая, например, бетонная стена. Конечно, чем она толще, тем качественнее изолирует обитателей квартиры от знакомства с секретами соседей.

Но если движение молекул воздуха остановит стена, то внутри нее звук промчится без преград. Колебания молекул твердых тел намного более "энергичны", поэтому без труда передают энергию воздушным средам. Предположим, человек на пятом этаже решил прибить полочку к стене. Движение сверла дрели заставляет колебаться молекулы, из которых состоит вся твердая поверхность. Сам человек слышит как воздушный шум, так и ударный. А вот его соседи парой этажей выше слышат только ударный шум, возникающий вследствие распространения звуковой волны по конструкции здания.

Допустим, соседи сверху топают, прыгают, стучат мячом до середины ночи, а еще их крупный кот любит перескакивать с полки шкафа на пол как раз над вашей головой. В этом случае людям обычно рекомендуют делать звукоизоляцию потолка. Но чаще всего она не помогает или помогает очень слабо. Почему? Просто звуковая волна при ударе распространяется по материалу. Она успешно побежит не только по потолку, но и по стенам и даже по полу. Поэтому для эффективной борьбы с шумом необходимо делать изоляцию всех стен комнаты. Конечно, загасить звуковую волну в самом начале намного проще и эффективнее. Ведь в случае возгорания полотенца, неудачно положенного рядом с конфоркой, мы тушим сразу полотенце, а не ждем, пока загорится вся кухня. Поэтому лучше сразу выбирать соседей сверху с шумоизолированным полом. Или при ремонте придется делать полную изоляцию спальни.

Серии многоквартирных домов можно разделить на кирпичные, блочные и железобетонные. А вот последние конструкции по технологии строительства делятся на панельные, монолитные и сборно-монолитные.

Когда строится панельный дом, плиты изготавливаются на заводах и доставляются на стройку, где рабочим остается только собрать из них нужную конструкцию. При малейшей нестыковке плит между квартирами возникают щели, через которые проходит звук. Да и толщина таких панелей чаще всего составляет 10-12 сантиметров, поэтому эти дома считаются одними из самых плохих в плане звукоизоляции.

Для монолитных домов строится арматурный каркас, а бетон заливается в уже собранную с помощью прочных щитов форму. Толщина стен подобных домов в среднем 20-40 сантиметров, поэтому разговоры соседей практически не слышны, но ударный шум легко распространяется по перекрытиям из-за их монолитности.

Кирпичные дома традиционно считаются самыми тихими и теплыми. Правда, с мечтой о чисто кирпичных домах жители крупных городов могут попрощаться, так как работы по их возведению требуют очень больших временных затрат. Хотя для строительства монолитных домов иногда используют также и кирпич, обкладывая им внешние стены и перегородки. Но на общую звукоизоляцию это влияет мало, поэтому любые монолитные дома считаются довольно шумными.

"Звукоизоляция сильно зависит и от материала, и от технологии. Для поглощения звуков должны использоваться различные пористые материалы. Например, в старых панельных домах, где звукоизоляции вообще не было, часто вешали ковры на стену и клали их на пол. Сейчас потребности в этом меньше и ковры из моды вышли, так как сильно собирают пыль. Существуют добавки в бетон, которые могут существенно уменьшить передаваемый по стенам шум. Однако ГОСТы и предписания не обязывают строительные компании добавлять в бетон звукопоглощающие добавки", — говорит Иван Завьялов, научный сотрудник кафедры прикладной механики МФТИ.

Современные постройки далеки от идеалов шумоизоляции. Чтобы быть полностью уверенным в круглосуточном покое и не зависеть от увлечений соседей, пожалуй, остается только приобрести частный дом.

звук колебание волна отражение

Мы воспринимаем звуки, находясь на расстоянии от их источников. Обычно звук доходит до нас по воздуху. Сжатие и разрежение воздуха (вызванные колебаниями источника и распространяющиеся благодаря возникновению упругих сил) достигают нашего уха и приводят барабанную перепонку в колебательное движение. В результате у нас возникают определенные слуховые ощущения. Таким образом, воздух служит передающей средой, т. е. веществом, в котором звук распространяется от источника к приемнику, в частности к нашему уху. Если между источником и приемником удалить упругую звукопередающую среду, то звук распространяться не будет и, следовательно, приемник не воспримет его. Продемонстрируем это на опыте. Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник. Пока в колоколе находится воздух, звук звонка мы слышим ясно. При откачивании воздуха из-под колокола звук постепенно слабеет и, наконец, становится неслышимым. Без передающей среды колебания тарелки звонка не могут распространяться, и звук не доходит до нашего уха. Впустим под колокол воздух и снова услышим звон. Хорошо проводят звуки упругие вещества, например металлы, древесина, жидкости, газы. Положим на один конец деревянной доски карманные часы, а сами отойдем к другому концу. Приложив ухо к доске, мы ясно услышим ход часов. Привяжем к металлической ложке бечевку. Конец бечевки приложим к уху. Ударяя по ложке, услышим сильный звук. Еще более сильный звук услышим, если бечевку заменим проволокой. Мягкие и пористые тела -- плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. В качестве прослоек используют войлок, прессованную пробку, пористые камни, различные синтетические материалы (например, пенопласт), изготовленные на основе вспененных полимеров. Звук в таких прослойках быстро затухает. Жидкости хорошо проводят звук. Рыбы, например, хорошо слышат шаги и голоса на берегу, это известно опытным рыболовам. Итак, звук распространяется в любой упругой среде -- твердой, жидкой и газообразной, но не может распространяться в пространстве, где нет вещества.

Звуковые волны. Скорость звука

Известно, что звук распространяется в пространстве только при наличии какой-либо упругой среды. Среда необходима для передачи колебаний от источника звука к приемнику, например к уху человека. Другими словами, колебания источника создают в окружающей его среде упругую волну звуковой частоты. Волна, достигая уха, воздействует на барабанную перепонку, заставляя ее колебаться с частотой, соответствующей частоте источника звука. Дрожания барабанной перепонки передаются посредством системы косточек окончаниям слухового нерва, раздражают их и тем вызывают ощущение звука. В газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие волны. Звук в воздухе, например, передается продольными волнами, т. е. чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука. Звуковая волна, как и любые другие механические волны, распространяется в пространстве не мгновенно, а с определенной скоростью. Простейшие наблюдения позволяют убедиться в этом. Например, когда мы издалека наблюдаем за стрельбой из ружья, то сначала видим огонь и дым, а потом через некоторое время слышим звук выстрела. Дым появляется в то же время, когда происходит первое звуковое колебание. Измерив промежуток времени t между моментом возникновения звука (момент появления дыма) и моментом, когда он доходит до уха, можно определить скорость распространения звука: Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при О °С и нормальном атмосферном давлении равна 332 м/с. Скорость звука в газах тем больше, чем выше их температура. Например, при 20 °С скорость звука в воздухе равна 343 м/с, при 60 °С -- 366 м/с, при 100 °С -- 387 м/с. Объясняется это тем, что с повышением температуры возрастает упругость газов, а чем больше упругие силы, возникающие в среде при ее деформации, тем быстрее передаются колебания от одной точки к другой. Скорость звука зависит также от свойств среды, в которой распространяется звук. Например, при 0 °С скорость звука в водороде равна 1284 м/с, а в углекислом газе -- 259 м/с.

В настоящее время скорость звука может быть измерена в любой среде.

Отражение звука. Эхо

Каждый из вас знаком с таким звуковым явлением, как эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград -- стен большого пустого помещения, леса, сводов высокой арки в здании. Но почему мы не слышим эха в небольшой квартире? Ведь и в ней звук должен отражаться от стен, потолка, пола. Оказывается, мы слышим эхо лишь в том случае, когда отраженный звук воспринимается отдельно от произнесенного. Для этого нужно, чтобы промежуток времени между воздействием этих двух звуков на ушную барабанную перепонку составлял не менее 0,06 с. Давайте определим, через какое время после произнесенного вами короткого возгласа отраженный от стены звук достигнет вашего уха, если вы стоите на расстоянии 3 м от этой стены. Звук должен пройти двойное расстояние -- до стены и обратно, т, е. 6 м, распространяясь со скоростью 340 м/с. На это потребуется время t = s:v, т. е. t = 6м: 340 м/с ~ 0,02 с. В данном случае интервал между двумя воспринимаемыми вами звуками -- произнесенным и отраженным -- значительно меньше того, который необходим, чтобы услышать эхо. Кроме того, образованию эха в комнате препятствует находящаяся в ней мебель, шторы и другие предметы, частично поглощающие отраженный звук. Поэтому в таком помещении речь людей и другие звуки не искажаются эхом и звучат четко и разборчиво. Большие полупустые помещения с гладкими стенами, полом и потолком обладают свойством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию предшествующих звуковых волн на последующие получается наложение звуков, и образуется гул. Для улучшения звуковых свойств больших залов и аудиторий их стены часто облицовывают звукопоглощающими материалами. На свойстве звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора -- расширяющейся трубы обычно круглого или прямоугольного сечения. При использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается и он распространяется на большее расстояние.

Звуковой резонанс

Мы знаем, что амплитуда установившихся вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом. Например, довольно тяжелый нитяной маятник можно сильно раскачать, если периодически дуть на него (даже очень слабой струей) в направлении его движения с частотой, равной его собственной частоте. Резонанс может быть вызван и действием звуковых волн. Ящики, на которых установлены камертоны, способствуют усилению звука и наиболее полной передаче энергии от одного камертона к другому. Усиление звука происходит за счет колебаний самого ящика и особенно столба воздуха в нем. Размеры ящика подбирают таким образом, чтобы собственная частота воздушного столба в нем совпадала с частотой колебаний камертона. При этом столб воздуха колеблется в резонанс с камертоном, т. е. амплитуда его колебаний и, соответственно, громкость звука достигают наибольших значений. Камертон, снабженный таким ящиком (резонатором), издает более громкий, но менее длительный звук (по закону сохранения энергии). В музыкальных инструментах роль резонаторов выполняют части их корпусов. Например, в гитаре, скрипке и других подобных им струнных инструментах резонаторами служат деки, которые усиливают издаваемые струнами звуки и придают звучанию инструмента характерную для него окраску -- тембр. Тембр звука зависит не только от формы и размера резонатора, но и от того, из какого дерева он изготовлен, и даже от состава лака, покрывающего его. Тембр определяется также материалом, из которого сделана струна, и тем, гладкая она или витая. Резонаторы имеются и в нашем голосовом аппарате. Источники звука в голосовом аппарате -- голосовые связки. Они приходят в колебание благодаря продуванию воздуха из легких и возбуждают звук, основной тон которого зависит от их натяжения. Этот звук богат обертонами. Гортань усиливает те из обертонов, частота колебаний которых близка к ее собственной частоте. Дальше звуковые волны попадают в полость рта. Для произнесения каждой гласной необходимо особое положение губ, языка и определенная форма резонаторной полости во рту.

Влияние звуков на человека

Ежедневно каждый из нас, людей, живущих в городских условиях, подвергается довольно агрессивному воздействию множества факторов. Это и «ароматы» выхлопных газов, и отопление, и излучение различных приборов, и, конечно, звуки. Звуки окружают нас повсюду, зачастую мы не можем их выбирать - шум проезжающих машин, работ на стройке, чья-то речь или навязчивая музыка в маршрутке. Все звуки, осознаем мы это или нет, оказывают сильное влияние на наше сознание и самочувствие. Конечно, от звукового фона города можно отгородиться плеером. О том, что в таком случае полезнее всего в нем слушать, я хочу поговорить сегодня. Тишина, которая сегодня идет на вес золота, просто необходима человеку, особенно в ночное время. Доказано, что отсутствие тишины во время сна отрицательно сказывается на самочувствии - организму не удается восстановиться полностью, возникает преждевременная (а при постоянном шумовом воздействии - перманентная) усталость, раздражительность. Вы, конечно, помните, как важно правильно отдыхать и хорошо спать, поэтому необходимо принять меры по звукоизоляции своей квартиры - установку стеклопакетов, использование звукоизоляционных материалов, а в качестве крайней меры - переезд в более тихое место. Чем выше уровень шума, который воздействует на человека, тем больший вред он наносит здоровью и психике. Например, люди, занятые на производстве с высоким уровнем шумового воздействия, теряют не только слух, сильно страдают жизненно важные органы: сердце, пищеварительная система, печень. Ок, эти люди получают надбавку за вредные условия работы, которая хоть как-то компенсирует нанесенный вред. А что насчет простых людей, которые ежедневно подвергаются, например, шумовому воздействию среднего уровня - открывая окно своего рабочего кабинета или перемещаясь по городу? Оказывается, даже небольшой шум создает серьезную нагрузку на нервную систему человека, влияет на психическое здоровье. Не случайно одной из пыток, которые раньше использовали китайцы, было монотонное воздействие шума на протяжении долгого времени. Это может привести даже к полной потере рассудка. Если шум не настолько навязчив, сознание и организм адаптируются, мы можем даже не осознавать, что слышим шум, но это не значит, что он на нас не влияет. При этом звуки, которые производит сам человек, не оказывают на него негативного влияния, а посторонний шум может «наградить» различными заболеваниями. Вредные звуки Итак, с точки зрения психологии, изучения мозговой деятельности человека, слухового аппарата и влияния различных звуков на человека, отрицательное влияние имеет следующие звуки: Современная коммерческая музыка - хип-хоп, рок, хард рок, электронная и поп-музыка - пишется на низких частотах, что, согласно исследованиям, оказывает воздействие схожее с грохотом землетрясения, обрушением здания или сходом снежной лавины. Человек подсознательно ощущает угрозу, кроме того, может почувствовать упадок сил и депрессию. Длительное воздействие низких частот вызывает изменение функционирования желез, ответственных за гормональный фон, изменяется уровень инсулина в крови, а также снижается или исчезает полностью способность к самоконтролю. Бранная и нецензурная речь, тексты песен с негативным посылом, оказывают на человека сильнейшее влияние. Помните, как меняется вода в зависимости от сказанных ей слов? Человек, постоянно слышащий вокруг мат, крики, негативные речи, просто зачахнет, если не задумается о том, чтобы защитить себя. Полезные звуки: в первую очередь, это, конечно, звуки природы: журчание ручья, пение птиц, звуки волн и дождя, песни дельфинов. Эти звуки позволяют отключиться от городской суеты и направить свой внутренний взор к собственным истокам - живой природе. Результат: снятие стресса, состояние покоя и релаксации, снижение артериального давления, улучшение самочувствия в целом, улучшение настроения. В Интернете звуки природы представлены в огромном количестве, например, неплохая коллекция здесь. Классическая музыка пиштся на высоких частотах, которые благоприятно воздействуют на сознание и организм человека. Произведения Моцарта активизируют процессы головного мозга, дают энергетическую подзарядку. Слушая Баха и Вивальди, вы обретете состояние гармонии, равновесия, и очень поможете своему сердцу: произведения этих композиторов имеют идеальный музыкальный ритм (60 ударов в минуту), который соответствует нормальному, здоровому биению сердца. Людям с сердечными заболеваниями рекомендуется также слушать Моцарта. Народная и религиозная музыка, мантры, церковные песнопения, индийская классическая музыка, вальс - именно эти стили музыки гармонизируют работу чакр человека, выравнивают его энергетическое поле. Написанные Бахом и Генделем произведения в стиле «барокко» улучшают память, помогают в изучении иностранных языков. Звукотерапия Для решения многих психологических проблем и лечения определенных органов, настраивания организм на исцеление, используется звукотерапия - прослушивание игры на определенных музыкальных инструментах: Скрипка способствует самопознанию, развивает сострадание, лечит душевные раны. Флейта снимает озлобленность и раздражительность, помогает излечиться от несчастной любви, очищает бронхи и всю дыхательную систему. Арфа и струнные нормализует кровяное давление и работу сердца, помогает при истерии. Пианино благотворно воздействует на почки и мочевой пузырь, щитовидную железу. Саксофон активизирует сексуальную энергию, благоприятен для половой системы. Звуки балалайки прекрасно исцеляют пищеварительную систему. Аккордеон и баян активизируют работу органов брюшной полости. Орган помогает привести в порядок мысли, гармонизирует потоки энергии в позвоночнике. Кларнет улучшает кровообращение и избавляет от уныния. Труба исцеляет радикулит, а цимбала - печень. Барабан стимулирует кровеносную систему, восстанавливает нормальный ритм сердца. Гитара, контрабас и виолончель лечат почки, благоприятно воздействуют на сердце и тонкую кишку.

Воздействие инфразвука на человека весьма своеобразно. Известен такой интересный случай. Как-то в театре для пьесы о временах Средневековья заказали знаменитому физику Р. Вуду (1868--1955) огромную органную трубу, около 40 метров длиной. Труба издает тем ниже звук, чем она длиннее. Такая длинная труба должна была издать уже не слышимый человеческим ухом звук. Звуковая волна в 40 м длиной соответствует частоте около 8 Гц. А это вдвое ниже нижнего предела слышимости человека по высоте. Конфуз получился, когда попробовали на спектакле воспользоваться этой трубой. Инфразвук такой частоты хотя и не был слышим, но близко подошел к так называемому альфа-ритму человеческого мозга (5 -- 7 Гц). Колебания такой частоты вызвали у людей чувство страха и паники. Зрители разбежались, устроив при этом давку. Такие частоты вообще опасны для человека.

Интересные факты о звуке

Звук - это призывающий и творческий символ. Многие мифы о творении свидетельствуют, что Вселенная была создана с помощью звука. Согласно Гермесу Трисмегисту, звук был первым, что потревожило предвечную тишину, и посему он являлся причиной всего созданного в мире, предшествуя свету, воздуху и огню. В индуизме звук Аум привел космос к бытию.

Сила звука измеряется в единицах, получивших название белл - в честь Александра Белла, изобретателя телефона. Однако на практике оказалось более удобным использовать десятые доли бела, то есть децибелы. Максимальным порогом силы звука для человека является интенсивность 120...130 децибел. Звук такой силы вызывает боль в ушах.

Звук, который вы слышите, когда «ломаете» суставы, фактически является звуком разрывания пузырей газа азота.

Первое определение скорости распространения звука в воздухе было произведено французским физиком и философом Пьером Гассенди в середине XVII в - она оказалась равной 449 метрам в секунду. Звук рева тигра можно услышать на расстоянии 3 км.

Интересный факт: быть глухим не значит ничего не слышать, и тем более не значит не иметь «музыкальный слух». Великий композитор Бетховен, например, вообще был глухим. Он приставлял к роялю конец своей трости, а другой ее конец прижимал к зубам. И звук доходил до его внутреннего уха, которое было здоровым.

Томас Эдисон считал свой аппарат для записи и воспроизведения звука игрушкой, непригодной для серьезного практического применения.

Громкая музыка, звучащая из наушников, очень нагружает нервы в слуховой системе и в мозге. Этот факт приводит к ухудшению способности различать звуки, причем сам человек даже не ощущает, что его слуховое здоровье ухудшается.

Кузнечики издают звук при помощи задних ног.

Шелест листьев производит шум силой 30 децибел, громкая речь - 70 децибел, оркестр - 80 децибел, а реактивный двигатель - от 120 до 140 децибел.

Если взять в зубы тикающие наручные часы и заткнуть себе уши, то тиканье превратится в сильные, тяжелые удары -- настолько оно усилится.

Гранит проводит звук в десять раз лучше, чем воздух.

Водопад Ниагара производит шум, сравнимый с шумом фабричного цеха (90-100 децибел).

Громкий храп может достигать того же уровня звука, что и отбойный молоток. Ударяясь о барабанную перепонку в ухе, звук колеблет ее, и она повторяет колебания воздушных волн.

Человек способен услышать звук, даже если барабанная перепонка под его воздействием отклонилась на расстояние, равное радиусу ядра атома водорода.