Звук, звуковая коммуникация и акустическая среда

Звук и основные свойства звуковых волн

Звук и основные свойства звуковых волн

В мире животных самым распространенным и совершенным способом общения можно считать звуковую сигнализацию. В высшей степени она развита у птиц и млекопитающих. Звуки, издаваемые зверями, чрезвычайно разнообразны. Это свисты, скрипы, вопли, визги, рычания, вой, тявканья, фырканья, шипения... Да, всех их, пожалуй, и не назвать, так как только часть из них мы способны слышать непосредственно. Большинство же звуковых сигналов животных нашему слуху недоступно, ибо относится к ультразвуковому диапазону частот. Правда, о существовании их мы можем догадываться, наблюдая за поведением тех или иных животных, однако для их обнаружения и распознавания требуется специальная аппаратура.

Звуки в жизни зверей имеют огромное значение. Часто именно они обеспечивают возможность встречи самки с самцом в период размножжения. Решение конфликтных вопросов между зверями тоже не обходится без специфических звуковых сигналов. Звуками животные предупреждают друг друга об опасности.

Для понимания поведения зверей необходимо разбираться в их голосовых реакциях. Порой даже незначительные изменения в звуке появление новых его оттенков могут указывать на изменение в настроении или намереньях животного. Известно, что особенности любого звукового сигнала обусловлены теми или иными его физическими свойствами. Поэтому вспомним из школьного курса физики, что же такое звук и каковы его свойства.

Учитывая, что многими любителями природы физика обычно воспринимается как трудная наука, мы приведем здесь лишь общие, самые необходимые для понимания нашей книги сведения по акустике. Мы надеемся, что несколько страниц о физических понятиях не испортят настроения нашим читателям.

Итак, звук есть колебательное движение частиц упругой среды. Упругие колебания частиц, возникающие в одной точке среды вызывают колебания соседних частиц. Таким образом колебательный процесс распространяется в среде, в результате чего появляются звуковые волны.

В качестве единицы частоты звукового колебания принято считать частоту такого колебательного процесса, при котором в одну секунду совершается одно колебание. Эту единицу по имени немецкого физика Герца называют "герц" (сокращенно Гц) и соответственно тысячу колебаний в одну секунду - "килогерц" (сокращенно кГц). Величину, обратную частоте, называют периодом колебания. Последний определяется временем, за которое совершается одно колебание.

Когда мы слышим звук, то это означает, что где-то произошло колебание воздуха, которое достигло наших ушей. Ухо человека воспринимает далеко не все колебания, а только те, частота которых не менее 20 и не более 20 000 герц, то есть 20 килогерц. Колебания в этом диапазоне частот рассматривают как особую группу колебаний, а именно слышимых человеком, называя их звуковыми, а также просто звуком. Выделение группы звуковых колебаний связано только с физиологическими особенностями человеческого органа слуха, настроенного на прием колебаний именно этих частот. С точки зрения физики звуковые колебания, например, в 5 герц или в 50 килогерц ничем специфически не отличаются от колебаний в 20 герц или в 20 килогерц. Тем не менее понятие о диапазоне частот, воспринимаемых человеком, закрепилось и в науке о звуке - акустике, и все колебания среды принято подразделять на три категории: 1) инфразвуки - частота колебаний менее 20 герц, 2) собственно звуки - частота колебаний от 20 герц до 20 килогерц и 3) ультразвуки - частота колебаний более 20 килогерц.

Явление распространения колебаний в среде называют волной. Примером образования волн могут служить волны, возникающие на водной поверхности в результате падения на нее, например, камня. Область водной поверхности, которая непосредственно возмущена упавшим камнем, начинает колебаться. Ее колебание распространяется во все стороны, отчего образуется волна, которую мы и наблюдаем. Звук - такая же форма волнового движения, как и волны на воде, разбегающиеся от падающего камня. Когда звук распространяется от источника звука в какой-нибудь среде, например в воде, давление в этой среде ритмически изменяется, то возрастая, то убывая в каждой данной точке. Это происходит в результате перераспределения молекул вещества среды, в данном случае - водной: в некоторых местах молекулы группируются тесно, а в других свободно. В местах сгущения молекул давление в среде повышено, в местах разрежения - понижено. Графическое изображение распространения звуковой волны и происходящего при этом изменения давления звука представляет собой синусоиду.

Как и всякая волна, звуковая волна имеет длину. Длиной волны считается расстояние между двумя последовательными зонами максимума или минимума давления. В нашем примере с камнем длиной волны будет расстояние между ее соседними гребнями или впадинами, уровень которых соответственно выше или ниже среднего уровня волны.

Число волн, проходящих в одну секунду через данную точку среды, и будет частотой звука. Понятно, что на том или ином заданном расстоянии коротких волн уложится больше, чем длинных, а также и то, что за данный промежуток времени большее число коротких волн достигнет определенной точки. Иначе говоря, частота коротких волн больше, чем длинных.

Вернемся к нашему примеру с водной поверхностью и камнем. Легко заметить, что волны, вызванные на поверхности воды упавшим камнем, движутся с постоянной скоростью. Но по мере распространения волны делаются все слабее и слабее, то есть высота их, или по другому говоря - амплитуда колебаний водной поверхности, уменьшается. Но пока волны остаются еще заметными, их скорость не меняется. Скорость распространения волны не зависит и от частоты колебания среды. Все сказанное о волнах на воде справедливо и для звуковых волн.

Так, например, звуковое колебание любой среды так же, как и колебание водной поверхности, имеет амплитуду. В практике же обычно измеряют не амплитуду звукового колебания, а звуковое, давление. Это давление выражается силой (в ньютонах), с которой воздействует звуковая волна на площадь среды в один квадратный метр. Скорость звука зависит главным образом от упругости среды, в которой распространяется звуковая волна, и в значительно меньшей степени от других факторов, например от температуры. Скорость звука в воздухе при нуле градусов равна примерно 332, а в морской воде -1550 метрам в секунду. Таким образом, скорость звука в воде в 4,5 раза больше, чем в воздухе. Скорость распространения звука в более упругих, чем вода, средах еще больше. Так, во льду она равна 3200, а в твердых породах деревьев и в почве - около 4000 метрам в секунду.

Соотношение между скоростью звука, обозначаемой С, его частотой f и длиной его волны λ можно выразить следующим простым уравнением: λ=C/f. Так как скорость звука есть постоянная величина для определенной среды в определенных условиях, то понятно, что длина звуковой волны изменяется обратно пропорционально частоте звука, а именно: чем больше частота, тем меньше длина волны, и наоборот.

Звук мы слышим потому, что звуковая волна передает нам часть энергии источника звуковых колебаний. От количества энергии зависит так называемая интенсивность звука, или его сила. Интенсивность звука оценивается количеством энергии в джоулях, приносимой звуковой волной за одну секунду (то есть мощностью звуковой волны, выраженной в ваттах) на поверхность среды в один квадратный сантиметр. Интенсивность самых слабых звуков, воспринимаемых человеческим ухом, составляет 10-16 ватт на кадратный сантиметр, а для сильных звуков, вызывающих у нас уже болевое ощущение,- 10-2 ватт. Это значит, что в диапазоне различаемых нами звуков интенсивность самых сильных звуков больше самых слабых в 100 триллионов раз. У многих животных этот диапазон еще больше.

На практике и в научных исследованиях по акустике, чтобы не иметь дело с такими огромными значениями величин, пользуются логарифмической единицей измерения интенсивности звука, называемой "децибел". Децибел является не абсолютной, а относительной единицей измерения, характеризующей разницу между интенсивностью одного звука (I1) и интенсивностью другого (I2). Эта, выражаемая в децибелах, разница определяется по формуле х=10 lg (I1/I2). Следовательно, если мы говорим, что интенсивность одного звука больше интенсивности другого, например, в тысячу раз, то это значит, что их интенсивности отличаются на 30 децибел. Как выражают различия интенсивностей двух звуков в децибелах, так же можно выразить и различие звуковых давлений. В этом случае вычисления проводят по формуле x=20 lg (P1/P2), где P1 и Р1 - значения сравниваемых звуковых давлений.

В децибелах измеряют не только соотношения, но и сами величины интенсивностей и звуковых давлений. В этом случае говорят об интенсивности звука и о звуковом давлении относительно так называемого стандартного нулевого уровня. Стандартный нулевой уровень соответствует минимальному уровню звукового давления, или минимальному уровню интенсивности звука, воспринимаемому человеком при частоте звуковых колебаний в один килогерц. При вычислении величины интенсивности звука в децибелах за стандартный нулевой уровень принимают величину его мощности, равную 10-16 ватт в расчете на квадратный сантиметр поверхности среды, а при вычислении величины звукового давления - 2x10-5 Ньютона на квадратный метр.