Звукова хвиля являє собою хвильовий процес, що відбувається в газоподібних, рідких і твердих середовищах, який при досягненні органів слуху людини сприймається ним як звук. Частота цих хвиль лежить у межах від 20 до 20 000 коливань в секунду. Наведемо формули для звукової хвилі і розглянемо детальніше її властивості.
Чому з’являється звукова хвиля?
Багато людей задаються питанням, що таке звукова хвиля. Природа звуку полягає у виникненні обурення у пружному середовищі. Наприклад, коли в певному об’ємі повітря відбувається обурення тиску у вигляді стиснення, то ця область прагне поширитися в просторі. Цей процес призводить до стиснення повітря в сусідніх від джерела областях, які також намагаються розширитися. Даний процес охоплює все більшу і більшу частину простору до тих пір, поки не досягне якогось приймача, наприклад, вуха людини.
Загальна характеристика звукових хвиль
Розглянемо питання, що таке звукова хвиля і як вона сприймається людським вухом. Звукова хвиля є поздовжньої, вона при попаданні в раковину вуха викликає коливання вушної перетинки з певною частотою і амплітудою. Також можна подавати ці коливання як періодичні зміни тиску в микрообъеме повітря, прилеглого до перетинки. Спочатку воно збільшується відносно нормального атмосферного тиску, а потім зменшується, підкоряючись математичним законам гармонійного руху. Амплітуда змін стиснення повітря, тобто різниця максимального або мінімального тиску, створюваного звуковою хвилею, з атмосферним тиском пропорційно амплітуді самої звукової хвилі.
Багато фізичні експерименти показали, що максимальні тиску, які може сприймати людське вухо без нанесення йому шкоди, складають 2800 мкН/см2. Для порівняння скажемо, що атмосферний тиск біля поверхні землі дорівнює 10 млн мкН/см2. Враховуючи пропорційність тиску і амплітуди коливань, можна сказати, що остання величина навіть для самих сильних хвиль є незначною. Якщо говорити про довжину звукової хвилі, то для частоти 1000 коливань в секунду вона буде становити тисячну частку сантиметра.
Найбільш слабкі звуки створюють коливання тиску порядку 0,001 мкН/см2, відповідна амплітуда коливань хвилі для частоти 1000 Гц становить 10-9 см, при цьому середній діаметр молекул повітря складає 10-8 см, тобто вухо людини є надзвичайно чутливим органом.
Поняття інтенсивності звукових хвиль
З геометричної точки зору звукова хвиля являє собою коливання певної форми, з фізичною ж – головним властивість звукових хвиль є їх здатність переносити енергію. Найважливішим прикладом перенесення енергії хвилею є сонце, излученные електромагнітні хвилі якого забезпечують енергією всю нашу планету.
Інтенсивність звукової хвилі у фізиці визначається як кількість енергії, що переноситься хвилею через одиницю поверхні, яка перпендикулярна поширення хвилі, за одиницю часу. Говорячи більш стисло, інтенсивність хвилі – це її потужність, що переноситься через одиницю площі.
Силу звукових хвиль прийнято вимірювати в децибелах, які ґрунтуються на логарифмічній шкалі, зручною для практичного аналізу результатів.
Інтенсивність різних звуків
Наступна шкала в децибелах дає уявлення про значення різної інтенсивності звуку і почуттях, які вона викликає:
- поріг неприємних і некомфортних відчуттів починається зі 120 децибел (дБ);
- клепальні молоток створює шум 95 дБ;
- швидкісний потяг – 90 дБ;
- вулиця з інтенсивним автомобільним рухом – 70 дБ;
- гучність звичайного розмови між людьми – 65 дБ;
- сучасний автомобіль, що рухається з помірними швидкостями, створює шум 50 дБ;
- середня гучність радіо – 40 дБ;
- тиха розмова – 20 дБ;
- шум листя дерев – 10 дБ;
- мінімальний поріг звукової чутливості людини близький до 0 дБ.
Чутливість людського вуха залежить від частоти звуку і становить максимальне значення для звукових хвиль з частотою 2000-3000 Гц. Для звуку, знаходиться в інтервалі частот, нижній поріг чутливості людини становить 10-5 дБ. Більш високі і більш низькі частоти, ніж зазначений інтервал, призводять до збільшення нижнього порогу чутливості таким чином, що близькі до 20 Гц до 20 000 Гц частоти людина чує тільки при їх інтенсивності кілька десятків дБ.
Що стосується верхнього порогу інтенсивності, після якого звук починає викликати незручності для людини і навіть больові відчуття, то слід сказати, що він практично не залежить від частоти і лежить в межах 110-130 дБ.
Геометричні характеристики звукової хвилі
Реальна звукова хвиля являє собою складний коливальний пакет поздовжніх хвиль, який можна розкласти на прості гармонічні коливання. Кожне таке коливання описується з геометричної точки зору наступними характеристиками:
- Амплітуда – максимальне відхилення кожної ділянки хвилі від рівноваги. Для цієї величини прийнято позначення A.
- Період. Це час, за який проста хвиля здійснює своє повне коливання. Через це кожна точка хвилі починає повторювати свій коливальний процес. Період прийнято позначати буквою T і вимірювати в секундах в системі СІ.
- Частота. Це фізична величина, яка показує, скільки коливань дана хвиля здійснює за секунду. Тобто за своїм змістом вона є величиною, зворотною до періоду. Позначається вона латинською літерою f. Для частоти звукової хвилі формула її визначення через період виглядає наступним чином: f = 1/T.
- Довжина хвилі – це відстань, яку вона пробігає за один період коливань. Геометрично довжина хвилі являє собою відстань між двома найближчими максимумами або двома найближчими мінімумами на синусоїдальної кривої. Довжина коливань звукової хвилі – це відстань між найближчими областями стиснення повітря або найближчими місцями його розрідження в просторі, де рухається хвиля. Позначається вона зазвичай грецькою буквою λ.
- Швидкість поширення звукової хвилі – це відстань, на яку поширюється сфера стиснення або область розрідження хвилі за одиницю часу. Позначається ця величина літерою v. Для швидкості звуковий хвилі формула має вигляд: v = λ*f.
Геометрія чистої звукової хвилі, тобто хвилі постійної чистоти, підпорядковується синусоїдальним законом. У загальному випадку формула звукової хвилі має вигляд: y = A*sin(ωt), де y – значення координати даної точки хвилі, t – час, ω = 2*pi*f – циклічна частота коливань.
Загнаний звук
Багато джерела звуку можна вважати періодичними, наприклад, звук від таких музичних інструментів, як гітара, фортепіано, флейта, але також існує велика кількість звуків у природі, які є апериодическими, тобто звукові коливання змінюють свою частоту і форму в просторі. Технічно такий вид звуку називається шумом. Яскравими прикладами апериодического звуку є міський шум, шум моря, звуки від ударних інструментів, наприклад, від барабана та інші.
Середовище поширення звукових хвиль
На відміну від електромагнітного випромінювання, фотони якого для свого розповсюдження не потребують будь-якої речовинної середовищі, природа звуку така, що для її поширення потрібна певна середовище, тобто, згідно із законами фізики, звукові хвилі не можуть поширюватися у вакуумі.
Звук може поширюватися в газах, рідинах та твердих тілах. Основними характеристиками розповсюджується в середовищі звукової хвилі є наступні:
- хвиля поширюється лінійно;
- вона поширюється однаково по всіх напрямах в гомогенної середовищі, тобто від джерела звук розходиться, утворюючи ідеальну сферичну поверхню.
- незалежно від амплітуди і частоти звуку, його хвилі поширюються з однаковою швидкістю в даному середовищі.
Швидкість звукових хвиль у різних середовищах
Швидкість поширення звуку залежить від двох основних факторів: від середовища, в якому рухається хвиля, і від температури. У загальному випадку діє наступне правило: чим більш щільною є середовище, і чим вище температура, тим швидше в неї рухається звук.
Наприклад, швидкість поширення звукової хвилі в повітрі поблизу поверхні землі при температурі 20 ° с і вологості 50% становить 1235 км/год або 343 м/с. У воді же при даній температурі звук рухається швидше в 4,5 рази, тобто близько 5735 км/год або 1600 м/с. Що стосується залежності швидкості звуку від температури в повітрі, то вона збільшується на 0,6 м/с зі збільшенням температури на кожен градус Цельсія.
Тембр і тон
Якщо дозволити струні або металевій пластині вібрувати вільно, то вона буде виробляти звуки різної частоти. Дуже рідко можна зустріти тіло, яке видавало звук однієї конкретної частоти, зазвичай звук якого-небудь об’єкта володіє набором частот в певному інтервалі.
Тембр звуку визначається кількістю гармонік, присутніх у ньому, і їх відповідними інтенсивностями. Тембр є суб’єктивною величиною, тобто це сприйняття звучащого об’єкта конкретною людиною. Тембр зазвичай характеризують наступними прикметниками: високий, блискучий, дзвінкий, мелодійний і так далі.
Тон є звуковим відчуттям, яке дозволяє класифікувати його як високий чи низький. Дана величина є також суб’єктивною і не може бути виміряна яким-небудь інструментом. Тон пов’язаний з об’єктивною величиною – частотою звукової хвилі, але між ними не існує однозначного зв’язку. Наприклад, для одночастотного звуку постійної інтенсивності тон зростає при збільшенні частоти. Якщо ж частота звуку залишається постійним, а збільшується його інтенсивність, тон стає більш низьким.
Форма джерел звуку
У відповідності з формою тіла, яке здійснює механічні коливання і тим самим породжує звук, джерела звукових хвиль бувають трьох основних типів:
- Точкове джерело. Він створює звукові хвилі сферичної форми, які швидко зникають при віддаленні від джерела (приблизно на 6 дБ, якщо відстань від джерела збільшується вдвічі).
- Лінійний джерело. Він створює хвилі циліндричної форми, інтенсивність яких убуває повільніше, ніж від точкового джерела (при кожному збільшенні відстані вдвічі щодо джерела інтенсивність зменшується на 3 дБ).
- Плоский або двовимірний джерело. Він породжує хвилі тільки в певному напрямку. Прикладом такого джерела може бути поршень, що рухається в циліндрі.
Електронні джерела звуку
Для створення звукової хвилі електронні джерела використовують спеціальну мембрану (динамік), яка здійснює механічні коливання за рахунок явища електромагнітної індукції. До таких джерел можна віднести наступні:
- програвачі різних дисків (CD, DVD та інші);
- касетні магнітофони;
- радіоприймачі;
- телевізори та деякі інші.
