Какими свойствами обладает звук?

Звук — это физическое явление, представляющее собой механические колебания, которые распространяются в упругой среде (воздухе, воде, твёрдых телах) в виде звуковых волн. Звук возникает при колебании какого-либо тела и воспринимается человеком с помощью органов слуха.

Звук обладает рядом физических и воспринимаемых человеком свойств, которые определяют, как он распространяется и каким мы его слышим.

1. Основные свойства звука

1. Высота звука

Высота звука зависит от частоты колебаний источника. Чем выше частота, тем более высоким кажется звук, а чем ниже частота, тем более низким он воспринимается.

Частота измеряется в герцах (Гц).

Например:

• Писк комара — высокий звук, поскольку колебания происходят с высокой частотой.

• Гул двигателя грузовика — низкий звук, в котором преобладают низкие частоты.

• Звуки фортепиано отличаются по высоте в зависимости от нажатой клавиши.

Человек с нормальным слухом в молодом возрасте обычно способен воспринимать звуки с частотой примерно от 20 до 20 000 Гц. С возрастом верхняя граница слышимого диапазона часто снижается.

2. Громкость звука

Громкость характеризует то, насколько сильным или слабым человек воспринимает звук.

Она связана с интенсивностью звуковой волны и зависит от амплитуды колебаний, частоты звука и особенностей человеческого слуха.

Чем больше амплитуда колебаний при прочих равных условиях, тем выше интенсивность звука и, как правило, тем громче он воспринимается.

Для характеристики уровня звука используют децибелы (дБ).

Примеры приблизительных уровней звука:

• Шелест листьев — 20–30 дБ.

• Обычный разговор — 50–60 дБ.

• Интенсивное дорожное движение — 70–85 дБ.

• Громкий концерт — 100–110 дБ.

• Работающий поблизости реактивный двигатель — 120–140 дБ.

Продолжительное воздействие громкого звука может приводить к повреждению слуха.

3. Тембр звука

Тембр — это свойство, благодаря которому мы различаем звуки одинаковой высоты и примерно одинаковой громкости, издаваемые разными источниками.

Например, одна и та же музыкальная нота на скрипке, гитаре и флейте звучит по-разному.

Тембр определяется спектральным составом звука, соотношением основного тона и обертонов, а также изменением звука во времени.

Именно благодаря тембру мы узнаём голоса знакомых людей и различаем музыкальные инструменты.

4. Длительность звука

Длительность показывает, сколько времени продолжается звучание.

Звук может быть коротким, продолжительным или прерывистым.

Например, хлопок в ладоши длится очень недолго, а протяжный гудок может продолжаться несколько секунд.

Длительность особенно важна в музыке, речи и передаче звуковых сигналов.

2. Физические свойства звука

Помимо характеристик, воспринимаемых человеческим слухом, звук обладает определёнными физическими свойствами.

1. Частота

Частота определяет количество полных колебаний за одну секунду и измеряется в герцах.

По частоте механические волны условно подразделяют на три категории:

• Инфразвук — частоты ниже 20 Гц.

• Слышимый звук — приблизительно от 20 до 20 000 Гц.

• Ультразвук — частоты выше 20 000 Гц.

Инфразвук может возникать при землетрясениях и работе крупного оборудования, а ультразвук применяется в медицине, промышленности и различных измерительных приборах.

2. Амплитуда

Амплитуда характеризует максимальное отклонение колеблющейся величины от положения равновесия.

Для звуковых волн можно рассматривать, например, амплитуду колебаний давления.

При прочих равных условиях увеличение амплитуды звукового давления приводит к увеличению интенсивности звука.

3. Скорость распространения

Звук распространяется с определённой скоростью, зависящей от среды и её физических характеристик.

Примерные значения:

В большинстве обычных условий звук в твёрдых телах распространяется быстрее, чем в жидкостях, а в жидкостях — быстрее, чем в газах. Однако точная скорость зависит от свойств конкретного вещества и типа звуковой волны.

Важно отметить, что в вакууме звук не распространяется, поскольку для передачи механических колебаний необходима материальная среда.

4. Длина волны

Длина звуковой волны — это расстояние между ближайшими точками волны, колеблющимися в одинаковой фазе.

Она определяется формулой:

где:

• $\lambda$ — длина волны;

• $v$ — скорость распространения звука;

• $f$ — частота колебаний.

При одинаковой скорости распространения чем выше частота звука, тем меньше длина волны.

5. Интенсивность

Интенсивность звука характеризует количество энергии, переносимой звуковой волной через единицу площади за единицу времени.

Она измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Интенсивность связана с уровнем звука, который обычно выражают в децибелах.

3. Волновые свойства звука

Поскольку звук представляет собой механическую волну, ему присущи основные волновые явления.

1. Отражение

Звуковые волны способны отражаться от поверхностей и препятствий.

Примером отражения является эхо, которое возникает, когда отражённый звук возвращается к слушателю с заметной задержкой.

Отражение звука используется в эхолокации, гидролокации и ультразвуковой диагностике.

2. Преломление