Итак, звук
- это распространяющиеся в упругих средах - газах, жидкостях и твердых
телах - механические колебания. Но здесь, как нам кажется, требуется
сделать одно уточнение. Издавна повелось называть звуком только то, что
мы слышим. Стало быть, у слова "звук" есть два основных значения. В
одном случае оно является термином, обозначающим физическое явление, и
это явление существует в природе независимо от нас; в другом случае этим
словом мы называем, в сущности, наше восприятие физического явления -
то, что мы слышим, на что так или иначе реагируем. Именно поэтому, как
уже было сказано, и появилось деление звуков на слышимые и неслышимые,
деление, надо сказать, не совсем строгое уже хотя бы потому, что мы
воспринимаем звуки по-разному - по громкости, по тону, по высоте и
"окраске" звука - тембру. Отсюда ясно, что наше субъективное восприятие
не может служить объективной основой для оценки физических параметров
звука.
Рассмотрим, что же такое звук с объективной точки зрения. Вот, например,
заработал радиоприемник. Диффузор динамика передает свои колебания
окружающим частицам воздуха. В момент колебания диффузора подстегнутые
толчком сместились мельчайшие частицы воздуха - молекулы. Но далеко
молекулы не уходят. Резко подавшись вперед, они смешиваются с молекулами
слоев воздуха, расположенных перед ними, и "поджимают" их. Поэтому в
соседних слоях воздуха на ничтожное мгновение окажется гораздо больше
молекул, чем было раньше. Следовательно, давление на них на мгновение
возрастет, воздух станет плотнее. При движении диффузора в обратном
направлении смещение молекул приводит к тому, что в слое, расположенном
рядом со сжатым, на мгновение окажется недостаток молекул. В результате
рядом со слоем сгущенным, слоем повышенного давления, возникает слой
разреженный, с пониженным давлением.
Пока работает радиоприемник, слон сгущений и разряжений, то есть упругие
колебания среды (в данном случае воздуха), будут распространяться все
дальше и дальше. Попадая в человеческое ухо, чередующиеся сжатия и
разрежения вызывают ощущение звука. Таким образом, то, что мы называем
звуком, представляет собою быструю последовательную смену чередующихся
сжатий и разрежений воздуха. При этом частицы воздуха не перемещаются с
распространяющимся звуком. Подталкиваемые сжатым воздухом, они только
колеблются, попеременно смещаясь вперед и назад на очень небольшие
расстояния. Изолированных колебаний одного тела не существует. В каждой
среде в результате взаимодействия между частицами колебания передаются
все новым и новым частицам, в то время как сама среда в целом остается
неподвижной, а в ней распространяются звуковые волны.
Проще уяснить понятие о звуковых волнах можно, если вместо реального
источника звука рассмотреть источник в виде периодически раздувающегося
и сокращающегося шарика. Шарик, расширяясь, сжимает непосредственно
прилегающий к нему слой среды, который, в свою очередь, передает это
сжатие следующему слою. Такое сжатие проходит через всю среду. В
следующий момент шарик сокращается, и примыкающие к нему сжатые частички
среды получают возможность отдаляться друг от друга. Расширение тоже
проходит через все пространство.
С физической точки зрения звук - это чередующиеся сжатия и разрежения
среды, распространяющиеся во все стороны.
Наглядный пример - волны на поверхности воды. Если бросить камень в
воду, вначале появится углубление, затем возвышение, а потом возникают
волны, представляющие собой последовательно чередующиеся гребни и
впадины. Увеличиваясь по фронту, они распространяются по всем
направлениям, но отдельные частицы не передвигаются вместе с волнами, а
колеблются только в небольших пределах около некоторого неизменного
положения. В этом можно убедиться, например, наблюдая за пробкой,
подпрыгивающей на волнах. Она будет подниматься и опускаться, то есть
колебаться, пропуская под собой бегущую волну *. На поверхности воды за
гребнем волны следует впадина, а в воздухе, в котором распространяется
звук, сгущение молекул сменяется разрежением. И в том и в другом случае
отдельные частицы вещества совершают колебательные движения. Благодаря
сходству в движении частиц воздуха и воды чередующиеся сжатия и
разрежения в воздухе называют звуковыми волнами. При достижении звуковой
волной какой-либо точки пространства частицы вещества, до того не
совершавшие упорядоченных движений, начинают колебаться. Любое
движущееся тело, в том числе и колеблющееся, способно совершать работу,
то есть оно обладает энергией. Следовательно, распространение звуковой
волны сопровождается распространением энергии.
Чтобы наглядно показать, в чем суть колебательного движения, прибегают
обычно к маятнику. Сделаем то же самое и мы.
Если маятник (или груз, подвешенный на нитке) отклонить от положения
равновесия, а затем отпустить, то он будет совершать свободные
колебания. Под действием силы тяжести маятник возвращается в свое
первоначальное положение, по инерции проходит исходную точку и
поднимается вверх, при этом сила тяжести будет тормозить его движение. В
точке максимального отклонения маятник на мгновение остановится и начнет
движение в обратном направлении. Циклы колебаний маятника непрерывно
повторяются, и мы являемся свидетелями колебательного движения.
Органы слуха человека способны воспринимать звуки с частотой от 15-20
колебаний в секунду до 16-20 тысяч *. Соответственно этому механические
колебания с указанными частотами называются звуковыми, или
акустическими.
Вопросы, которыми занимается акустика, очень разнообразны. Некоторые из
них связаны со свойствами и особенностями органов слуха.
Общая акустика изучает вопросы возникновения, распространения и
поглощения звука.
Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за
последние десятилетия охватила и колебания, лежащие за пределами
слышимости (ультраакустика). При этом она широко использует
разнообразные методы превращения механических колебаний в электрические
и обратно. Применительно к звуковым колебаниям в число задач физической
акустики входит и изучение физических явлений, обусловливающих те или
иные качества звука, различаемые на слух.Электроакустика занимается
получением, передачей, приемом и записью звуков при помощи электрических
приборов.
Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях,
влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов,
покрывающих стены и потолки, и т. д.
Музыкальная акустика исследует природу музыкальных звуков, а также
музыкальные строи и системы. Мы различаем, например, музыкальные звуки
(пение, свист, звон, звучание струн) и шумы (треск, стук, скрип,
шипение, гром). Музыкальные звуки более просты, чем шумы. Комбинация
музыкальных звуков может вызвать ощущение шума, но никакая комбинация
шумов не даст музыкального звука.
Гидроакустика занимается изучением явлений, происходящих в водной среде,
связанных с излучением, приемом и распространением акустических волн.
Она включает вопросы разработки и создания акустических приборов,
предназначенных для использования в водной среде.
Атмосферная акустика изучает звуковые процессы в атмосфере, в частности
распространение звуковых волн, условия сверхдальнего распространения
звука.
Физиологическая акустика исследует возможности органов слуха, их
устройство и действие. Она изучает образование звуков органами речи и
восприятие звуков органами слуха. В последние годы в связи с развитием
кибернетики перед физиологической акустикой встала очень сложная, но
крайне важная проблема анализа и синтеза звуковой речи человека.
Создание систем, способных анализировать человеческую речь,- важный этап
на пути проектирования машин, в особенности роботов-манипу-ляторов и
электронных вычислительных машин, послушных устным распоряжениям
операторов. Аппарат для синтеза речи может дать большой экономический
эффект. Если по междугородным телефонным каналам передавать не сами
речевые сигналы, а коды, полученные в результате их анализа, а на выходе
линий синтезировать речь, по тому же каналу можно передавать в несколько
раз больше информации. Правда, абонент не услышит настоящего голоса
собеседника, но слова-то будут те же, что были сказаны в микрофон.
Конечно, это не совсем подходит для семейных разговоров, но удобно для
деловых бесед, а именно они-то и перегружают каналы связи.
Биологическая акустика рассматривает вопросы звукового и ультразвукового
общения животных и изучает механизм локации, которым они пользуются,
исследует также проблемы шумов, вибрации и борьбы с ними за оздоровление
окружающей среды.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.