§ 101. Звук

Если упругие волны, распространяющиеся в воздухе, имеют частоту в пределах от 16 до 20 000 Гц, то достигнув человеческого уха, они вызывают ощущение звука. В соответствии с этим упругие волны в любой среде, имеющие частоту, заключенную в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. Упругие волны с частотами, меньшими 16 Гц, называют инфразвуком; волны с частотами, превышающими 20 000 Гц, называют ультразвуком.

Инфра- и ультразвуки человеческое ухо не слышит.

Воспринимаемые звуки люди различают по высоте, тембру и громкости. Каждой из этих субъективных оценок соответствует определенная физическая характеристика звуковой волны.

Всякий реальный звук представляет собой не простое гармоническое колебание, а является наложением гармонических колебаний с определенным набором частот. Набор частот колебаний, присутствующих в данном звуке, называется его акустическим спектром. Если в звуке присутствуют колебания всех частот в некотором интервале от v до то спектр называется сплошным. Если звук состоит из колебаний дискретных частот и т. д., то спектр называется линейчатым. Сплошным акустическим спектром обладают шумы. Колебания с линейчатым спектром вызывают ощущение звука с более или менее определенной высотой. Такой звук называется тональным.

Высота тонального звука определяется основной (наименьшей) частотой. Относительная интенсивность обертонов (т. е. колебаний с частотами и т. д.) определяет окраску, или тембр, звука. Различный спектральный состав звуков, возбуждаемых разными музыкальными инструментами, позволяет отличить на слух, например, флейту от скрипки или рояля.

Под интенсивностью звука понимают среднее по времени значение плотности потока энергии, которую несет с собой звуковая волна. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, которая называется порогом слышимости.

Порог слышимости несколько различен для разных лиц и сильно зависит от частоты звука. Наиболее чувствительно человеческое ухо к частотам от 1000 до 4000 Гц. В этой области частот порог слышимости составляет в среднем около При других частотах порог слышимости лежит выше (см. нижнюю кривую на рис. 101.1).

При интенсивностях порядка волна перестает восприниматься как звук, вызывая в ухе лишь ощущение боли и давления. Значение интенсивности, при котором это происходит, называется порогом болевого ощущения.

Рис. 101.1.

Порог болевого ощущения, так же как и порог слышимости, зависит от частоты (см. верхнюю кривую на рис. 101.1; данные, приведенные на этом рисунке, относятся к среднему нормальному слуху).

Субъективно оцениваемая громкость звука возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность звуковых волн. При возрастании интенсивности в геометрической прогрессии громкость возрастает приблизительно в арифметической прогрессии, т. е. линейно. На этом основании уровень громкости L определяется как логарифм отношения интенсивности данного звука к интенсивности принятой за исходную:

Исходная интенсивность принимается равной так что порог слышимости при частоте порядка 1000 Гц лежит на нулевом уровне

Единица уровня громкости L, определяемого формулой (101.1), называется белом (Б). Обычно пользуются в 10 раз меньшими единицами — децибелами (дБ). Значение L в децибелах определяется формулой

(101.2)

Отношение двух интенсивностей также может быть выражено в децибелах:

(101.3)

С помощью этой формулы может быть выражено в децибелах уменьшение интенсивности (затухание) волны на некотором пути. Так, например, затухание в 20 дБ означает, что интенсивность уменьшается в 100 раз.

Весь диапазон интенсивностей, при которых волна вызывает в человеческом ухе звуковое ощущение (от до , соответствует значениям уровня громкости от 0 до 130 дБ. В табл. 101.1 приведены ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков.

Таблица 101.1

Энергия, которую несут с собой звуковые волны, крайне мала. Если, например, предположить, что стакан с водой полностью поглощает всю падающую на него энергию звуковой волны с уровнем громкости в 70 дБ (в этом случае количество поглощаемой в секунду энергии будет составлять примерно ), то для того, чтобы нагреть воду от комнатной температуры до кипения, потребуется время порядка десяти тысяч лет.

Ультразвуковые волны могут быть получены в виде направленных пучков, подобных пучкам света. Направленные ультразвуковые пучки нашли широкое применение для целей локации (обнаружения предметов и определения расстояния до них) в воде. Впервые идея ультразвуковой локации была высказана выдающимся французским физиком П. Ланжевеном и разработана им во время первой мировой войны для обнаружения подводных лодок. В настоящее время ультразвуковые локаторы используются для обнаружения айсбергов, косяков рыбы и т. п.

Известно, что, крикнув и определив время до прихода эха, т. е. звука, отраженного от препятствий — скалы, леса, поверхности воды в колодце и т. д., — можно, умножив половину этого времени на скорость звука, найти расстояние до препятствия. На этом принципе устроен упомянутый выше локатор, а также ультразвуковой эхолот, который применяется для измерения глубины и снятия рельефа морского дна.

Метод ультразвуковой локации позволяет летучей мыши хорошо ориентироваться при полете в темноте. Летучая мышь периодически испускает импульсы ультразвуковой частоты и по воспринимаемым с помощью органа слуха отраженным сигналам с большой точностью судит о расстояниях до окружающих ее предметов.