Звук — физическое явление и его восприятие¶
Звук — механические колебания и волны упругой среды (газа, жидкости, твёрдого тела), способные восприниматься слуховым аппаратом человека и животных. В физике под звуком понимают упругие волны с частотами примерно от 16 до 20 000 Гц, то есть находящиеся в диапазоне, доступном человеческому слуху. Колебания более низкой частоты называют инфразвуком, более высокой — ультразвуком.
¶Физическая природа
Звук возникает при колебании какого-либо источника — струны, голосовых связок, динамика, удара по поверхности. Колеблющееся тело передаёт энергию окружающей среде, создавая области сжатия (компрессии) и разрежения (разрежения). Эти области распространяются волной от источника к слушателю. Перенос энергии происходит без переноса самой среды: молекулы воздуха колеблются вокруг равновесного положения, передавая импульс соседним.
Основные характеристики звука:
- Частота — число колебаний в секунду, измеряется в герцах (Гц). Определяет высоту тона: чем выше частота, тем выше звук.
- Амплитуда — величина максимального отклонения от равновесного положения. Связана с громкостью.
- Длина волны — расстояние между соседними гребнями. Обратно пропорциональна частоте при неизменной скорости звука.
- Скорость — в воздухе при 20 °C составляет около 343 м/с, в воде — около 1480 м/с, в стали — около 5000 м/с.
Звуковая волна в газах и жидкостях является продольной (колебания направлены вдоль распространения), в твёрдых телах возможны также поперечные волны.
¶Слышимый диапазон
Человеческий слух охватывает диапазон примерно от 20 Гц до 20 кГц. Верхняя граница с возрастом снижается: у детей она может достигать 20–22 кГц, у пожилых людей — 12–15 кГц и ниже. Слышимый диапазон разделяют на низкие частоты (20–1000 Гц), средние (1–4 кГц, где чувствительность слуха максимальна) и высокие (4–20 кГц).
Инфразвук (ниже 20 Гц) не воспринимается слухом, но может ощущаться организмом как вибрация. Источники инфразвука — землетрясения, взрывы, работа крупных двигателей. Ультразвук (выше 20 кГц) активно используется в медицине (УЗИ), промышленной дефектоскопии, ультразвуковой очистке.
¶Восприятие звука человеком
Слуховой тракт человека состоит из трёх отделов:
- Наружное и среднее ухо — улавливают звуковые волны и передают их через цепочку слуховых косточек (молоточка, наковальни и стремечка) к внутреннему уху.
- Внутреннее ухо (улитка) — заполненная жидкостью спиральная структура, в которой механические колебания преобразуются в нервные импульсы. Базилярная мембрана улитки резонирует на разных частотах в разных участках, что обеспечивает частотный анализ звука.
- Слуховой нерв и кора головного мозга — интерпретируют сигналы, формируя ощущение тона, громкости, тембра и локализации источника.
Тембр — индивидуальная окраска звука, обусловленная наличием обертонов (гармоник) при одной и той же основной частоте. Именно тембр позволяет отличать голоса разных людей и звучание разных музыкальных инструментов при совпадении высоты ноты.
¶Измерение звука
Громкость измеряется в децибелах (дБ) — логарифмической единице, отражающей отношение интенсивности звука к порогу слышимости. Порог слышимости принят за 0 дБ, болевой порог — около 120–130 дБ. Шёпот на расстоянии 1 м — около 20 дБ, разговорная речь — 50–60 дБ, работа пылесоса — около 70 дБ, рок-концерт — 100–110 дБ.
Длительное пребывание в шуме интенсивностью свыше 85 дБ приводит к необратимому повреждению слуха. В Российской Федерации действуют санитарные нормы (СанПиН), ограничивающие уровень шума на рабочих местах и в жилых помещениях.
¶Применение
Звуковые явления используются в широком спектре областей:
- Музыка и акустика — создание и воспроизведение музыкальных произведений, проектирование концертных залов.
- Речь и коммуникация — основной канал устного общения, телефония, распознавание речи.
- Медицина — аудиометрия (проверка слуха), отоскопия, лечение звуковыми волнами.
- Промышленность — ультразвуковая дефектоскопия сварных швов, навигация (эхолокация).
- Наука — сейсмология (регистрация инфразвуковых волн), астрономия (звуковые волны в плазме).
¶Звук в культуре
Звук и слух играют важную роль в культурной истории человечества. Устное творчество, поэзия и музыка существовали задолго до появления письменности. Изучение звука как физического явления ведётся с античности: Пифагор исследовал соотношение длины струны и издаваемого тона, в XVII веке Христиан Гюйгенс и Роберт Гук заложили основы волновой теории звука, в XIX веке Огюстин-Луи Коши и Георг Симон Ом сформулировали математический аппарат акустики.
Источники:
- Френкель В. Я., Ребунский Б. В. «Общая акустика»
- Роуз С., Биддисон Л. «Слух и мозг»
- СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах»
- Большая медицинская энциклопедия, раздел «Слух»