Звук

Звук — некая физическая величина волновых колебаний и/или вибраций, производимая и распространяемая в относительно плотной среде и/или в неком пространстве, воздействующая и воспринимаемая — в различной степени чёткости и/или силы, всеми живыми и неживыми природными формами; в широком научном толковании слова, — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие, в ней, механические колебания; в узком смысле слова, — субъективное восприятие колебаний специальными парными органами чувств человека, как и множества животных — ушами (некоторые представители животного мира, воспринимают звуковые колебания кожным покровом или всем телом — не имея обособленных слуховых органов чувств, как высокого-организованные в социальном плане животные). Наиболее часто «звук» рассматривается в форме неких проявлений в воздухе, однако аналогичные колебания в жидкостях и твёрдых телах, также — именуются «звуком».

Во множественности понятий

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой колебаний. Считается, что человек слышит звуки в частотном диапазоне от 16 Гц до 25 000 Гц.

• Диапазон звуков:
  • ниже восприятия человеком, именуется — инфразвук;
  • выше восприятия человеком — до 1 ГГц, именуется — ультразвук;
  • от 1 ГГц до 10 ТГц, именуются — гиперзвук.

(источник)

Ультразвук и возраст

Среди слышимых звуков следует также выделить фонетичиские, речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь, и музыкальные звуки, из которых состоит музыка. Некоторые представители животного мира могут различать и издавать звуковые частоты ниже или выше пределов восприятия и осознания их естественными органами чувств человека.

Этимология

Этимологический словарь русского языка М.Фасмера сообщает

— русское слово происходит от праслав. , от кот. в числе прочего произошли: русск.-церк.-слав. звѹкъ (др.-греч. ἦχος), русск., укр. звук, чешск., словацк. zvuk, в.-луж., н.-луж. zuk. Вероятно, из *zvǫkъ; ср. с другой ступенью чередования *zvęk- в звя́кать (см.), сербск.-церк.-слав. звѧкъ (ἠχος, φωνή), сербохорв. зве̑к (род. зве̏ка) «звон», польск. dźwięk «звук» (со звукоподражательным dz). Далее ср. звон, звенеть.

Понятие о звуке

Создание звука при вибрации мембраны барабана

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Восприятие звука

Ухо человека

‎Для людей слышимость обычно ограничивается частотами примерно от 12 Гц до 20 000 Гц. Однако эти пределы точно не определенны. Верхний предел, вообще уменьшается с возрастом. Другие разновидности восприятия имеют различный диапазон слушания. Например, собаки могут чувствовать колебания выше чем 20 кГц. Как сигнал, воспринятый одними из главных чувств, звук используется в виде многих разновидностей для разных целей: чтобы обнаружить опасность при навигации, при нахождении хищников, для коммуникаций. Атмосфера земли, вода, и фактически любое физическое явление, типа огня, дождь, ветер, прибой, или землетрясение, производят (и характеризуют), его уникальные звуки. Много разновидностей, типа лягушек, птицы, морские и земные млекопитающие, также снабжены специальными органами, чтобы производить звук.

Люди используют звук во время разговоров, пения. Кроме того, люди развили культуру и технологию (типа музыки, телефонии и радио), которая позволяет им производить, сделать запись, передавать звук.

Восприятие звука в воде и через твёрдые среды

Человек достаточно хорошо слышит в воде, наиболее хорошо проходят высокочастотная составляющая звука.

Характер звуковых изменений

Один и тот же, произносимый или издаваемый и воспринимаемый — звук, неодинаков и изменяется по различным — внутренним и внешним причинам в зависимости:

• от самочувствия или психофизиологического состояния произносящего и слушающего;
  • в покое;
  • при восклицании;
    • в радости;
    • при испуге и/или в ужасе;
  • от сухости во рту или повышенной влажности, в том числе и воздуха;
  • во время болезни;
    • от хрипоты;
    • от сиплости в голосе;
  • при настороженности и/или осторожности и предчувствии чего-то;
  • во время страха и/или боязненного состояния;
  • в спешке и/или при любой активной деятельности;
• от пространственных изменений;
  • от времени суток;
  • от температуры;
  • от влажности;
  • от размеров пространства;
  • от окружения;
    • от наличия внутренних препятствий в обстановке пространства;
      • от количества внутренних объектов и/или субъектов;
    • от наличия отражающих поверхностей (стен);
      • от структуры отражающих поверхностей;
• от непредвиденных факторов и обстоятельств

Скорость звука

Американский самолёт, F/A-18 в момент преодоления звукового барьера.

В зависимости от распространения или прохождения звуковой волны в той или иной среде, скорость её сильно меняется и часто является характеристикой основного показателя рассматриваемого материала:

• в газах — скорость звука меньше, чем в жидкостях;
  • в воздухе — при нормальных условиях, скорость звука составляет 331.46 м/с (1193 км/ч);
• в жидкостях — скорость звука меньше, чем в твёрдых телах;
  • в воде — скорость звука составляет 1485 м/с;
• в твёрдых телах — скорость звука составляет 2000—6000 м/с.

Продольные и поперечные волны

‎Звук, переданный через газы, плазму, и жидкости в качестве продольных волн, вызывается волнами сжатия. Через твёрдые частицы это может быть передано в виде продольных и поперечных волн. Продольные звуковые волны — волны переменных отклонений давления от давления равновесия, вызывая местные области сжатия и разреженности, в то время как поперечные волны (в твердых частицах) — волны переменного напряжения, появляющиеся в случае бокового напряжения смещения под правильным углом к направлению распространения.

Вопрос в какой среде периодически перемещается звуковая волна, и каким образом колеблется. Энергия, которую несет звуковая волна преобразовывает назад и вперёд между потенциальной энергией дополнительного сжатия (в случае продольных волн) или бокового напряжения смещения (в случае поперечных волн) зависит от кинетической энергии колебаний среды.

Свойства звуковой волны и особенности

Механика сплошных сред

Сплошная среда Классическая механика Закон сохранения массы · Закон сохранения импульса Теория упругости Напряжение · Тензор · Твёрдые тела · Упругость · Пластичность · Закон Гука · Реология · Вязкоэластичность Гидродинамика Жидкость · Гидростатика · Гидродинамика · Вязкость · Ньютоновская жидкость · Неньютоновская жидкость · Поверхностное натяжение Основные уравнения Уравнение непрерывности · Уравнение Эйлера · Уравнения Навье — Стокса · Уравнение диффузии · Закон Гука Известные учёные Ньютон · Гук Бернулли · Эйлер · Коши · Стокс · Навье

Звуковые волны характеризуются главными свойствами:

• частота,
• длина волны,
• период,
• амплитуда,
• интенсивность,
• скорость,
• вектор волны (направление).

Поперечные волны, также известные как волны сечения, имеют дополнительную собственность поляризации.

Звуковые особенности могут зависеть от типа звуковых волн (продольный против поперечной) так же как от особенностей физических свойств среды передачи[цитата, необходимая].

Колебательные характеристики звука

Синусоидальные волны различных частот; донные волны имеют более высокие частоты, чем вышерасположенные. Горизонтальная ось представляет время.

Колебательная скорость измеряется в м/с или см/с.

В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент  и добротность (Q). Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через , то

S = 1/. Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания :  = T/

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы. При частотах воздействия, значительно меньших резонансных, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды  на скорость © распространения в ней ультразвуковых волн. Z = •c Удельное акустическое сопротивление измеряется в Па•с/м (см) или дин•с/см3 (СГС); 1 Па•с/м = 10‒1 дин • с/см3. Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г/с•см2, причём 1 г/с•см2 = 1 дин•с/см3. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн. Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц: P = 2fcA. где Р — максимальное акустическое давление (амплитуда давления); f — частота; с — скорость распространения ультразвука;  — плотность среды; А — амплитуда колебания частиц среды. На расстоянии в половину длины волны (/2) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на /2 пути распространения волны, равна 2Р. Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/м2). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см2; 1 дин/см2 = 10‒1Па = 10‒1Н/м2. Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98o106 дин/см2 = 0,98o105 Н/м2. Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 106 дин/см2. Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак. Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением: a = 2A = (2f)2 A Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашел применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях — ультразвуковых весах.

Звуковой уровень давления

Звуковое давление определено как различие между средним местным давлением средней внешней стороны звуковой волны, в которой это происходит через (в данном пункте и данном времени) и давлением, найденном в пределах звуковой волны непосредственно в пределах той же самой среды. Квадрат этого различия (то есть квадрат отклонения от давления равновесия) обычно усредняется в течение долгого времени и/или место, и квадратный корень такого среднего числа применён, чтобы получить среднюю квадратную (Среднеквадратическую) ценность корня.

Поскольку человеческое ухо может обнаружить звуки с очень широким диапазоном амплитуд, звуковое давление часто измеряется как уровень в логарифмическом масштабе децибела. Звуковой уровень давления (ЗУД) или Lp определен как: $$L_\mathrm{p}=10\, \log_{10}\left(\frac{{p}^2}{{p_\mathrm{ref}}^2}\right) =20\, \log_{10}\left(\frac{p}{p_\mathrm{ref}}\right)\mbox{ dB}$$ где:

• p — среднеквадратичное звуковое давление,
• $p_\mathrm{ref}$ — давлением звука ссылки.

Обычно используемые давления звука ссылки, определенные в американском стандарте American National Standards Institute ANSI S1.1‒1994, являются 20 МПа в воздухе и 1 МПа в воде. Без указанного давления звука ссылки, ценность, выраженная в децибелах не может представить звуковой уровень давления. Так как человеческое ухо не имеет плоского спектрального ответа, звуковые давления — часто взвешенная частота так, чтобы взвешенный уровень соответствовал воспринятым уровням более близко. Международная Электротехническая Комиссия (Международная Электротехническая Комиссия) определила несколько схем надбавки. A—надбавка пытается соответствовать ответу человеческого уха к шуму, и взвешенные звуковые уровни давления помечены dBA. C—надбавка используется, чтобы измерить пиковые уровни.

Видео

(источник)

Что такое звук — общие понятия.

См. также

• Звукосочетание
• Ноты
• Фонема
• Ухо
• Аудио
• Аудиовход
• Аудиовыход