Об акустике простыми словами. Что такое звук? Часть 1

Предлагаем вашему вниманию цикл материалов «Об акустике простыми словами». Автор статей Ульрих Воогдт много лет преподавал в Любекской академии акустики. Его лекции и практические занятия пользовались большой популярностью у слушателей. Также он является автором известного в Германии учебника по отопластике.

Посредством наших пяти сенсорных чувств мы можем видеть, слышать, осязать, обонять и ощущать на вкус – то есть воспринимать множество самых разных вещей. Является ли песня звуком? Без сомнения, да. Но только в том случае, если она доносится до нас в виде набора звуков. Однако не каждый звук мы можем услышать. Например, вы когда-нибудь слышали пение китов? «Нет», – ответит подавляющее большинство. И это будет правдой, так как эти морские млекопитающие поют на такой высоте тона, которую мы, обычные люди, услышать не можем. Мы не слышим и не воспринимаемый человеческими ушами ультразвук, которым пользуются в ночной тьме для локализации летучие мыши. Очень низкие частоты мы также не в силах услышать. Почему?

Известно, что по сути слух есть восприятие звуковых частот. Мы воспринимаем звуковой раздражитель, если он содержит те частоты и интенсивности, которые находятся в области нашего восприятия. Молодые люди с идеальным слухом воспринимают частоты примерно от 16 до 20 000 Гц. (Гц = один Герц = одно колебание в секунду = 1/с; единица измерения названа в честь немецкого физика Генриха Герца.) Однако к интенсивности мы вернемся чуть позже, а сейчас продолжим. Итак, звук раздражает слуховой орган и почти всегда попадает по воздуху к барабанной перепонке. Звук также может раздражать кожу, приводить в колебания череп и внутренние органы. При этом мы не слышим его или по крайней мере воспринимаем его иначе. Наверняка некоторые из вас хоть раз стояли на дискотеке перед большими сабвуферами и ощущали, как только что выпитая кола бултыхается в желудке.
 
Теперь выясним, как возникает звук, каким образом он распространяется через пространство и как он воспринимается ухом, раз мы уже знаем, что же такое звук. Для этого нам потребуется немного поработать. Но, как говорится, без труда не вытащишь и рыбку из пруда. Кроме того, при необходимости мы коснемся вопроса восприятия акустических раздражителей, которое специалисты называют термином «психоакустика».

Когда вокруг очень-очень тихо, мы, собственно говоря, ничего не слышим. А если вокруг настолько громко, что даже стены трясутся? Попробуйте положить ладонь на звуковую колонку. Вы сможете ощутить колебания очень низких тонов, а в некоторых экстремальных случаях даже увидеть колебания ее корпуса. То есть звук представляет собой не что иное, как передачу механических колебаний из одного места в другое, например, от мембраны колонки на барабанную перепонку или от корпуса колонки к ладони. Для такой передачи требуется среда, проводящая колебания. Это может быть воздух, вода, дерево, камень и даже кость. Хорошо известно, что любая среда начинает более или менее ощутимо колебаться при соответствующем механическом возбуждении. Форма колеблющегося тела, характеристики участвующей в этом среды, частоты и интенсивности возбуждения, то есть сила возбуждения, становятся решающими факторами возникающего рисунка колебаний и его распространения в окружающей среде.

Во время своих лекций в Академии я всегда задавал вопрос слушателям: что произойдет, если вы слегка ударите ложкой по пудингу из желе? Ответ: он начнет колебаться. Но что еще начнет колебаться вместе с десертом? Варианты ответов могут быть самыми разными: тарелка, ложка, окружающий воздух, стол, пол, а также окна, двери и весь дом в целом. Колеблется весь город, вся страна и даже Земля! Вы в это не верите? Нет? Но это действительно так! Будет колебаться все, что только может колебаться. А что же не колеблется? Луна. А почему? Потому что передача механических колебаний в отсутствие колеблющейся среды физически невозможна. В вакууме нет ничего, что могло бы механически колебаться. Поэтому космическое пространство очень-очень тихое. Даже взрыв сверхновой звезды протекает полностью беззвучно.

Если осторожно ударить ложкой по пудингу из желе, начнет колебаться не только сам пудинг, но и все окружение.

Колеблется и барабанная перепонка, потому что колеблется воздух в слуховом проходе. Если звук достаточно громкий, начинают колебаться слуховые косточки и, наконец, чуткие волосковые сенсорные клетки во внутреннем ухе. Именно там колебания преобразуются в электрические нервные сигналы, и вы сможете воспринять колебания пудинга из желе в качестве звука. Таким образом, восприятие звука, то есть внешних механических колебаний, всего лишь возможность нашего сознания вступить в контакт с окружением. При помощи чувства слуха мы узнаем, какие акустические события происходят там, снаружи, за пределами нашего мозга. Мы получаем информацию из окружающей среды: речь, пение, музыку, предостерегающие сигналы и множество акустических помех, таких, например, как бурчание и шипение, журчание и шуршание, гул и грохот. Диапазон звуков и их информационное содержание необычайно огромны. Но акустический контакт с окружающим миром не является улицей с односторонним движением: мы тоже отдаем информацию нашему окружению при помощи речи, пения или свиста.

В конечном счете все акустические сигналы представляют собой всего лишь колебания среды как в истории с пудингом. Когда мы говорим, поем или свистим мы модулируем поток воздуха, который с шумом выдыхаем. Эта модуляция изменяет давление воздуха в ритме колебания, которое мы называем частотой. Возможность передачи акустических колебаний и люди, и животные используют как средство коммуникации. Каждый знает, насколько важна эта коммуникация: вот почему слабослышащим людям нужны слуховые аппараты, усиливающие звук.
 
К счастью, мы слышим звук не на очень большом расстоянии. Потому что в противном случае нам везде было бы невыносимо громко и мы бы не смогли понимать даже собственные слова. Звук распространяется в пространстве из своего источника – из исходного места колебаний – по всем возможным направлениям. Чем дальше человек удаляется от единственного источника сигнала, тем тише становится звук. На пути звука встречаются потери, вызываемые трением, поскольку колеблющиеся частички среды соприкасаются друг с другом, выделяя небольшое количество тепла. Звуковая энергия постепенно распределяется в пространстве и с каждой секундой становится все слабее. Таким образом, интенсивность звука по мере его удаления от источника звука становится все меньше до тех пор, пока человек уже не может ничего услышать – и это хорошо. Многие животные, например собаки, продолжают слышать очень тихие звуки, которые мы не воспринимаем. В какой-то момент звук становится настолько тихим, что его не способен идентифицировать самый чуткий микрофон. Кроме того, он заглушается другими окружающими звуками. Если мы хотим пообщаться с собеседниками на большом расстоянии, то можно использовать рупор, мегафон, рожок или трубку, но лучше всего справится с этой задачей телефон. Проводной или сотовый – не важно, потому как оба они могут передавать электромагнитные колебания на теоретически бесконечное расстояние.

Иногда это просто счастье, что звук слышен только на небольшом расстоянии.

Итак:

• Звук – распространение механических колебаний.
• Распространение звука происходит в колеблющейся среде.
• Чаще всего звук распространяется в пространстве.
• Слышимый звук – звук, громкость и частоту которого можем воспринимать мы, люди.
• Интенсивность звука – сила звуковых колебаний в определенном месте.
• Частота звука описывает число колебаний в единицу времени в Гц или 1/с.