Звуковые колебания. Источники и характеристики звука

Среди огромного количества различных колебательных и волновых движений, которые встречаются в природе и технике, особо место в жизни человека занимают звуковые колебания, или просто звуки. Достаточно сказать, что окружающий мир наполнен огромным количеством звуков, которые издают люди, птицы и животные, машины и так далее.

Итак, что же такое звук и как он возникает?

Начнём с того, что раздел физики, в котором изучаются звуковые явления, называется акустикой.

Многочисленные опыты и наблюдения показали, что общим для всех тел, издающих звуки является то, что все они совершают колебательные движения.

Таким образом, звук — это упругие колебания, распространяющиеся в какой-либо среде.

Для примера, возьмём в качестве среды воздух, а в качестве источника звука — камертон, который был изобретён в начале восемнадцатого века английским музыкантом Джоном Шором для настройки музыкальных инструментов. Камертон представляет собой изогнутый металлический стержень на ножке.

Если ударить по камертону молоточком, то можно услышать чистый музыкальный звук, который возникает из-за частых колебаний ветвей камертона, незаметных для глаза. Когда ветвь камертона движется наружу, то она уплотняет ближайшие молекулы воздуха. Образуется слой сжатого воздуха, который стремиться расшириться обратно, уплотняя таким образом другие, соседние молекулы и так далее. Когда же ветвь камертона возвращается обратно, то создаётся разрежённый слой воздуха. Стремясь его заполнить туда устремляются соседние молекулы и разряженный слой воздуха точно также перемещается. Чтобы убедиться, что звучащий камертон действительно колеблется, достаточно поднести к нему лёгкий шарик, который тут же начнёт отскакивать.

Как и в случае колебаний маятника, камертон может сам записать свои колебания. Для этого к ножке камертона крепится тонкая металлическая полоска с остриём, загнутым вниз. При быстром перемещении закопчённой стеклянной пластинки под ветвями камертона остриё оставляет на стекле волнообразную линию, которая по форме очень близка к синусоиде. Следовательно, ножки камертона совершают гармонические колебания.

Источниками звуков могут быть не только твёрдые тела, но и жидкости, а также газы. Так, например, вода «поёт» в быстрых речках. А колебаниями масс воздуха обусловлены свист ветра, шелест листьев, раскаты грома и так далее.

Однако, как подсказывает нам наш жизненный опыт, не всякое колеблющееся тело издаёт звуки. Так, например, мы не слышим колебания обычного математического маятника. Всё дело здесь в частоте колебаний, которой характеризуется колебательная система. Так, наше ухо способно воспринимать только акустические звуки, то есть колебания, частота которых находится в пределах от шестнадцати до двадцати тысяч герц. А колебания других частот ощущаются нами в основном как вибрации, толчки, удары и тому подобное.

Например, звуковые удары возникают при выстреле или взрыве. А шумы представляют собой последовательность непериодических ударов. Таковы шум ветра в листьях деревьев, скрип и тому подобное.

Колебания с частотой меньше 16 герц называют инфразвуком.

А колебания с частотой более 20 килогерц называют ультразвуком.

Инфразвук и ультразвук не воспринимаются человеческим ухом. Лишь представители живой природы способны на это. Так, учёные обнаружили, что медузы и рыбы воспринимают инфразвуковые волны в диапазоне от 8 до 13 Герц. Многие животные, например, кошки, собаки и летучие мыши могут издавать и воспринимать ультразвуки. Ультразвуки самых высоких частот (до 200 килогерц) способны издавать и воспринимать дельфины.

Широко ультразвук используется и человеком. Например, ультразвуковое исследование применяется для изучения анатомии и мониторинга внутриутробного развития плода.

А для определения глубины водоёма или поиска косяков рыбы используются эхолоты. Это такие приборы, которые излучают ультразвуковые волны и принимают их после отражения. Принцип работы эхолота следующий: излучатель даёт короткие сигналы, которые дойдя до дна отражаются и возвращаются на приёмник. Зная время прохождения сигнала туда и обратно, а также его скорость, легко вычислить глубину моря. Описанный метод называется эхолокацией.

Звуки, окружающие нас, самые разнообразные. Поэтому для характеристики звуков используются такие понятия, как громкость, высота и тембр звука.

Для начала поговорим о громкости звука. Чтобы выяснить от какой характеристики он зависит, обратимся к опыту. Возьмём два камертона и ударим по ним молоточками с разной силой. Чем сильнее мы ударим молоточком по камертону, тем громче будет звук, который мы слышим. Поднеся лёгкий шарик к ветвям камертонов, легко заметить, что, чем громче звучит камертон, тем с большей амплитудой колеблется шарик. Следовательно, камертон, звучащий громче, имеет большую амплитуду колебаний.

Таким образом, громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Единицу громкости звука называют сон (от латинского «сонус» — звук). Но в практических задачах используется другая, внесистемная единица уровня громкости — бел или децибел, названная в честь английского изобретателя Александра Белла.

Мы уже показали, что колебания ветвей камертона являются гармоническими. Так вот, звук, который мы слышим, когда его источник совершает гармонические колебания, называется музыкальным или чистым тоном.

Так как большинство звучащих тел создают целый набор звуковых частот, то для описания создаваемых ими звуков принято использовать целый ряд терминов.

Так, например, основным тоном называется звук наименьшей частоты, издаваемый звучащим телом. А обертонами называются звуки более высоких частот, чем основной тон.

Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона. Поэтому их ещё называют высшими гармоническими тонами.

Основной тон голоса человека определяется голосовыми связками: чем они тоньше и короче, тем больше частота колебаний и выше голос. Но неповторимость и красоту голоса создают обертоны, которые возникают при колебаниях не только связок, но и губ, языка.

Если колебания источника звука не являются гармоническими, то на слух звук имеет ещё одно качество, а именно — специфический оттенок, называемый тембром.

Тембр определяет неповторимость звуков человеческих голосов и различных музыкальных инструментов. По различному тембру мы легко распознаем голос человека, звучание струны гитары или пианино, даже если бы все эти звуки имели одну и туже громкость и высоту.

Высота звука определяется частотой основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук. Поэтому при сравнении голосов мы говорим о «басе», «теноре» или «альте».

А теперь давайте подумаем: кто в полёте чаще машет крыльями: шмель, муха или комар?

Ответ на этот вопрос достаточно простой.  Мы только что сказали, что чем выше высота тона звука, тем большей частотой колебаний он вызван. Мы знаем, что комар при полёте издаёт более высокий тон, чем муха или шмель.

Значит комар и чаще машет крыльями в полёте.

В заключении ещё раз отметим, что слуховой аппарат человека способен распознавать лишь звуки в определённых интервалах громкости и частоты. Если в окружающем пространстве находится очень большое количество шумовых звуков или звуков большой громкости, то говорят об акустическом загрязнении пространства.

Например, если после звонка в классе начинают говорить одновременно практически все находящиеся в нём ученики, то услышать, что говорит даже рядом стоящий человек, достаточно трудно.

Помните, что систематическое воздействие на человека громких звуков (а особенно шумов), очень плохо сказывается на его здоровье.