Звук. Как возникает звук?

Рис. 6.9

Если один конец длинной железной линейки зажать в тисках, а другой конец линейки отклонить от положения равновесия и отпустить, то линейка начнет колебаться (рис. 6.9,а), но звука мы не услышим. А если линейку зажать посередине (т.е. укоротить верхний выступающий конец) (рис. 6.9,б), то при ее колебаниях мы обнаружим, что линейка звучит. Почему?

Оказывается, что линейка при колебаниях сжимает прилегающий слой воздуха с одной стороны и создает разрежение с другой. Эти сжатия и разрежения распространяются в обе стороны в виде упругой продольной волны. Волна достигает нашего уха и вызывает периодические изменения давления, которые воспринимаются барабанной перепонкой, и у нас возникает ощущение звука.

Читатель: А почему же мы ничего не слышим, если у линейки выступает длинный конец?

Автор: Все дело в частоте колебаний. Человеческое ухо воспринимает в виде звука колебания, частота которых лежит в пределах от 16 до 20000 Гц. Если частота меньше 16 Гц, то такие волны называются инфразвуком, а если больше 20000 Гц – ультразвуком. Человеческое ухо не воспринимает ни инфразвук, ни ультразвук.

Звуки различаются по громкости. Громкость звука определяется амплитудой звуковой волны: чем больше амплитуда, тем громче звук (рис. 6.10).

Рис. 6.10

Интенсивностью звука (I) называется величина, равная энергии, переносимой звуковой волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно распространению звуковой волны:

В СИ размерность интенсивности звука

[I] = .

Человеческое ухо в состоянии различать звук с интенсивностью до 2×10^–12 Вт/м² при частоте 2 кГц – это звук писка комара с расстояния 2 м. При интенсивностях порядка 1–10 Вт/м² волна перестает восприниматься как звук, вызывая лишь ощущение боли и давления.

Громкость, воспринимаемая на слух человеком, растет гораздо медленнее, чем интенсивность звука. Поэтому введем в рассмотрение еще одну величину, называемую уровнем громкости (L) звука:

, (6.10)

где I – интенсивность данного звука, а I₀ = 10^–12 Вт/м², т.е. при I = = I₀ = 10^–12 Вт/м² громкость = 0.

Единица уровня громкости, определяемая формулой (6.10), называется белом (Б), но обычно пользуются величиной, в 10 раз меньшей, – децибелом (дБ). Значение L в децибелах определяется формулой

. (6.11)

Заметим, что порог слышимости (минимальная интенсивность, при которой человек воспринимает звук) и порог болевого ощущения (минимальная интенсивность, при которой человек перестает воспринимать звук) зависят от частоты звука (рис. 6.11) . Уровни громкости для некоторых звуков приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Рис. 6.11	Звук	Уровень громкости, дБ
Тикание часов Шепот на расстоянии 1 м Тихий разговор Речь средней громкости Громкая речь Крик Шум самолетного двигателя: на расстоянии 5 м на расстоянии 3 м

Высота звука

Звуки, как мы знаем, различаются по высоте: высокий звук – это писк, а низкий – это бас. Высота звука определяется частотой колебаний звуковой волны (рис. 6.12).

Рис. 6.12

Диапазон обычного человеческого голоса заключен в интервале от 200 до 1000 Гц, а воспринимает мы звуки при помощи уха от 16 до 20000 Гц. Музыкальные инструменты дают частоты от 30 до 5000 Гц, а обычный телефон передает частоты примерно от 300 до 3000 Гц. Заметим также, что не все звуки можно сравнить по высоте. Например, звук от проезжающего автомобиля или от падающей воды воспринимается нами как шум – звук, в котором перемешены волны самых разных частот.

СТОП! Решите самостоятельно: А6–А8, В5, В6.

Скорость звука

Звук распространяется не только в воздухе, но и во всякой упругой среде: воде, металле, дереве и т.д. Причем скорость распространения звука в различных средах разная.

Для скорости звука в газе справедлива формула

, (6.12)