Звук и его параметры
Звуком называется колебательное движение частиц воздуха, воспринимаемое слухом. Вокруг всякого колеблющегося тела возникают колебания частиц воздуха. Их порождают колебания струны, вибрация камертона, движение диффузора громкоговорителя и др. Колебания воздуха от источника звука в виде звуковых волн распространяются со скоростью приблизительно 340 м/с. Звуковой волной называется процесс направленного распространения колебаний воздуха от источника звука.
Звуковая волна представляет собой чередование сжатий и разряжений воздуха. В области сжатий давление воздуха превышает атмосферное, в области разряжений - меньше его. Переменная часть атмосферного давления называется звуковым давлением Р.
Звуковое давление составляет очень небольшую часть атмосферного давления. Если излучающее звук тело колеблется по закону синусоиды, то звуковое давление также изменяется по синусоидальному закону. Колебательное движение частиц воздуха в звуковой волне характеризуется рядом параметров. Время, за которое совершается одно полное колебание, называется периодом колебания Т.
Период колебания выражается в секундах (с).
Число полных колебаний, происходящих в 1 с, называется частотой колебаний f. Единицей измерения частоты является герц (Гц) или килогерц (1 кГц =1000 Гц).
Расстояние, на котором укладывается один период колебания (между соседними сжатиями или разряжениями воздуха), называется длиной волны К.
Длина волны выражается в метрах (м). Длина волны и частота колебания связаны соотношением К = c/f, где с
- скорость распространения звука.
Максимальное отклонение колеблющейся величины от среднего положения называется амплитудой колебания, или просто амплитудой.
Звуковые колебания могут быть затухающими и незатухающими. Амплитуда (интенсивность) затухающих колебаний постепенно уменьшается. Примером затухающих колебаний может служить звук, возникающий при однократном возбуждении струны или ударе гонга. Причиной затухания колебаний струны является трение струны о воздух, а также трение между частицами колеблющейся струны.
Незатухающие колебания могут существовать, если потери на трение компенсируются притоком энергии извне. Примером незатухающих колебаний являются колебания чашечки электрического звонка. Пока нажата кнопка включения, в звонке существуют незатухающие колебания. После прекращения подвода энергии к звонку колебания затухают.
Распространение звуковых волн сопровождается уменьшением их интенсивности. Это происходит из-за потерь звуковой энергии на преодоление трения между частицами воздуха. Кроме того, распространяясь во все стороны от источника, волна охватывает все большую область пространства, что приводит к уменьшению количества звуковой энергии на единицу площади. Достигнув барабанной перепонки, которая является чувствительным элементом уха, звуковые волны вызывают ее колебания. Имеющиеся в ухе нервные клетки воспринимают колебания барабанной перепонки, и человек ощущает колебания воздуха в виде звука.
Имеется связь между физическими параметрами звука и соответствующими ощущениями человека:
· звуковое давление -> громкость звука
· частота -> тон звука
· спектральный состав -> тембр звука.
Человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания с частотой приблизительно от 16 до 20000 Гц. Верхняя и нижняя границы частотного диапазона звуков, воспринимаемых человеческим слухом, различны для разных людей. Чем выше частота звуковых колебаний, тем выше тон; низкочастотные колебания воспринимаются как гудение (шмель), а высокочастотные - как писк (комар).
Неслышимые колебания с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуковыми, а с частотой выше 20000 Гц - ультразвуковыми. Диапазон записываемых и воспроизводимых звукотехнической аппаратурой частот определяет ее качество и должен соответствовать воспринимаемому человеком диапазону.
Слуховой аппарат человека воспринимает звуковые колебания в определенном диапазоне звуковых давлений, что соответствует ощущению громкости.
Очень слабые звуки не воспринимаются на слух. Можно сказать, что их интенсивность лежит ниже порога слухового восприятия. Звуки очень большой интенсивности воспринимаются как боль в ушах. Такие ощущения могут возникнуть при близком раскате грома, вблизи работающего реактивного двигателя. Звуки, вызывающие ощущение боли, имеют интенсивность, превышающую болевой порог слухового восприятия. Нормальное ощущение звука возможно, если интенсивность звука находится между порогом слышимости и болевым порогом.
Звуки, интенсивность которых приближается к болевому порогу, оказывают вредное воздействие на слух. Ухудшение слуха вызывает систематическое прослушивание музыки при большой громкости, поэтому в звуковоспроизводящей аппаратуре всегда имеется регулятор громкости, который позволяет установить желаемую громкость звука.
Звуки, которые мы слышим (музыка, человеческий голос, шумы и т.п.), не состоят из звуковых колебаний одной частоты, а содержат много частот, поэтому каждый звук имеет свою окраску – тембр.
Звуковое колебание синусоидальной формы называется гармоническим,
или простым. Такое колебание излучает камертон. Другие источники звука, например колеблющаяся струна, излучают сложный звук, состоящий сразу из нескольких синусоидальных составляющих (гармоник). В общем виде любой звуковой сигнал может быть представлен в виде набора синусоидальных составляющих, имеющих различные частоты и амплитуды.
