Физическая и психоэмоциональная природа звука

Физическая природа звука Звук является спутником человека в течение всей его жизни, но мало кто задумывается, что он собой представляет.

С физической точки зрения звук можно определить как колебательные движения частиц в упругой среде, вызванные каким-либо источником, коротко — упругие волны.

Скорость звука зависит от свойств среды, в которой он распространяется: в газах скорость звука растет с ростом температуры и давления, в жидкостях при росте температуры наоборот снижается (исключением является вода, в которой скорость звука достигает максимума при 74°С и начинает снижаться только при увеличении данной температуры). Для воздуха такая зависимость выглядит так:

Таблица 1. Скорость звука в газах при температуре 0 °С и давлении 1 атм. 

Таблица 2. Скорость звука в жидкостях при температуре 20 °С

В твердых телах скорость звука определяется модулем упругости вещества и его плотностью, при этом в продоль ном и поперечном направлении в неограниченных изотропных твердых телах она различается.

Таблица 3. Скорость звука в твердом теле

Из таблиц наглядно видно, что скорость звука в газах значительно ниже, чем в твердых телах, именно поэтому в приклю ченческих фильмах часто можно увидеть, как люди прикладывают ухо к земле, чтобы определить наличие погони за собой, также это явление заметно рядом с железной дорогой, когда звук приходящего поезда, слышится дважды – в первый раз он передается по рельсам, а второй – по воздуху.

Процесс колебательного движения звуковой волны в упругой среде можно описать на примере колебания частицы воздуха: — на частицу воздуха, вынужденную сдвинуться со своей начальной позиции из-за воздействия источника звука, действуют упругие силы воздуха, которые пытаются вернуть ее на свое первоначальное место, но из-за действия сил инерции, возвращаясь, частица не останавливается, а начинает удаляться от начальной позиции в противоположную сторону, где в свою очередь на нее также действуют упругие силы, и процесс повторяется.

На рисунке (рис. 2) маленькими точками образно представлены молекулы воздуха (в кубометре воздуха их более миллиона). Давление в области компрессии несколько превышает атмосферное, а в области разрежения, наоборот, — ниже атмосферного. Направление малых стрелочек показывает, что в среднем молекулы движутся направо из области высокого давления и налево из области низкого. Любая из представленных молекул сначала проходит определенное расстояние в правую сторону, а затем такое же расстояние в левую, относительно своей первоначальной позиции, в то время как звуковая волна двигается равномерно в правую сторону.

Логично задать вопрос: почему звуковая волна перемещается вправо? Ответ можно найти при внимательном рассмотрении стрелочек на предыдущем рисунке: в месте, где стрелочки сталкиваются с друг другом, образуется новое скопление молекул, которое будет находиться с правой стороны от первоначальной области компрессии, при удалении от места столкновения стрелочек плотность молекул снижается и образуется новая область разрежения, следовательно, постепенное перемещение области высокого и низкого давления приводит к движению звуковой волны в правую сторону.

Волновое движение такого рода называется гармоническими или синусоидальными колебаниями, которое описывается следующим образом:

Простая гармоническая или синусоидальная волна изображена на рисунке (рис. 4):

Из этих уравнений видно, что с увеличением частоты длина волны уменьшается.

Таблица 4. Длина волны в зависимости от частоты звука (при температуре воздуха 20 °С)

Интенсивность звука снижается по мере увеличения расстояния от источника звука. Если звуковая волна на своем пути не встречает преград, то звук из источника распространяется во всех направлениях. На рисунке (рис. 5) изображен характер изменения интенсивности звука — сила звука остается постоянной, но площадь воздействия увеличивается, именно поэтому в отдельно взятой точке интенсивность звука снижается.

В зависимости от вида источника звука существует несколько видов звуковых волн: плоские, сферические и цилиндрические.

Плоские волны при распространении не меняют форму и амплитуду, сферические не меняют форму (амплитуда уменьшается как 1/r), цилиндрические меняют и форму, и амплитуду (убывает как).

Психоэмоциональная природа звука Восприятие звука — субъективный процесс, именно поэтому в мире существует множество стилей и разновидностей музыки. Диапазон восприятия звука человеком очень широк, каждый в этом мог убедиться на собственном опыте: когда находишься в тихом помещении, то через некоторое время начинаешь слышать звуки, на которые первоначально не обращаешь внимания: тиканье часов, биение сердца, — и это совершенно не удивительно, если знать, что человече- ское ухо способно воспринимать колебания частиц размером 1/10 диаметра молекулы водорода! К сожалению, в науке нет теории, достоверно объясняющей все аспекты восприятия звука человеком. Вот некоторые из них:

• Струнная теория Гельмгольца
• Теория бегущей волны Бекеши
• Микрофонная теория
• Электромеханическая теория.

В биологии принято разделять человеческое ухо на три части: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо. Стоит отметить, что ухо отвечает в человеческом организме не только за восприятие звуковых импульсов, но и за положение тела в пространстве, а также за способность удерживать равновесие.

Человек воспринимает звуковые волны в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц, упругие волны с частотой ниже называют инфразвуком, а выше — ультразвуком. Считается, что инфразвук негативно влияет на человека, а при длительном воздействии может нанести непоправимый вред его здоровью. Ультразвук используется во многих отраслях науки и техники.