Определение звука с физической точки зрения

1.3.1. Что такое звук?

С физической точки зрения, звук, в широком смысле этого слова, представляет собой колебания частиц окружающей среды (воздуха), передающиеся от точки к точке. Процесс распространения звука (в несколько упрощенном виде) происходит следующим образом. Некоторый источник (например, струна музыкального инструмента, мембрана динамика акустической системы или т. п.) совершает быстрые колебания с определенной частотой и амплитудой. Частотой называется количество повторений цикла колебаний в секунду, а амплитудой — максимальное отклонение колеблющегося тела от среднего состояния, измеряемое, например, в миллиметрах.

В результате взаимодействия источника звука с окружающим воздухом частицы воздуха начинают сжиматься и расширяться в такт (или «почти в такт») с движениями источника звука. Затем, в силу свойств воздуха как текучей среды, происходит передача колебаний от одних частиц воздуха другим (рис. 1.8).

Рис. 1.8. К объяснению распространения звуковых волн

В результате колебания передаются по воздуху на расстояние, т. е. в воздухе распространяется звуковая или акустическая волна, или, попросту, звук. Звук, достигая уха человека, в свою очередь, возбуждает колебания его чувствительных участков, которые воспринимаются нами в виде речи, музыки, шума и т. д. (в зависимости от свойств звука, продиктованных характером его источника).

Чем больше амплитуда колебаний источника, тем больше интенсивность возбуждаемых им звуковых волн (т. е. значение локальных сжатий и разрежений воздуха, происходящих в звуковой волне), следовательно, тем громче звук, воспринимаемый нашими органами слуха. Интенсивность звука в технике принято измерять в децибелах, сокращенно дБ (dB). Зависимость интенсивности звука от времени (рис. 1.9) является исчерпывающей информации об этом звуке.

Частота звука, как уже было сказано, измеряется в единицах в секунду, или, по-другому, в герцах, сокращенно Гц (Hz). Частота определяет высоту тона, определяемую нашим ухом. Малые, или низкие, частоты (порядка сотен герц) связаны в нашем сознании с глухими басами, а большие, или высокие, частоты (десятки тысяч герц) — с пронзительным свистом. Таким образом, человеческий слух способен воспринимать звук от сотен до десятков тысяч герц, а более низкие и более высокие, чем порог слышимости, частоты называются соответственно инфразвуком и ультразвуком.

Рис. 1.9. График динамики интенсивности звуковых волн является их исчерпывающей характеристикой

В отношении звуковых волн часто используются производные единицы частоты— килогерц (кГц), равная 1000 Гц и, реже, мегагерц (МГц), равная 10 6 Гц. Чтобы не запутаться, имейте в виду, что мегагерцы, описывающие быстродействие компьютеров, никакого отношения к звуку не имеют (они определяют частоту электрических колебаний в процессоре).

На самом деле, подавляющее большинство знакомых нам звуков не является колебаниями определенной частоты, а представляют собой смесь различных частот, или спектр. Однако некоторые частоты в спектре чаще всего доминируют, определяя наше общее впечатление от звука, который мы слышим (об этом можно судить и по приведенному на рис. 1.9 графику интенсивности звука).

Итак, звук является акустическими волнами, передаваемыми в воздухе, и его основными характеристиками являются частота и интенсивность, а полноценной записью звуковых волн может быть признан временной график интенсивности.

Звук — это слышимый диапазон акустических колебаний. Акустические колебания в диапазоне 16 Гц — 20 кГц, воспринимаемые человеком с нормальным слухом, называют звуковыми. Ухо человека может воспринимать и анализировать звуки в определенных диапазонах частот и интенсивности. Область слышимых звуков ограничена двумя пороговыми кривыми: нижняя — порог слышимости, верхняя — порог болевого ощущения. Между этими порогами находится область слышимости.

Шум — это сочетание неупорядоченных звуков различной частоты и мощности, вызывающих неприятные ощущения. Шум рассматривается как один из видов загрязнения среды обитания человека.

С физической точки зрения звук (шум) это механические колебания упругой среды, вызванные источником звука техногенного или природного происхождения. Скорость распространения волны зависит от среды распространения. В воздухе она равна примерно 334 м/с.

Звуковая волна характеризуется уровнем звукового давления Р (Па), интенсивностью звука /(Вт/м 2 ), частотой/(Гц), скоростью распространения звука С (м/с) и колебательной скоростью v (м/с).

Колебательная скорость — это скорость движения частиц среды около положения равновесия волны. Она значительно меньше скорости распространения звуковой волны, которая зависит от упругих свойств, температуры и плотности среды.

Уровень звукового давления (УЗД) — это разность давлений в возмущенной и невозмущенной средах. При распространении звуковых колебаний в воздушной среде с определенной периодичностью, зависящей от длины волны и скорости ее распространения, появляется область разрежения (понижения давления) и область повышения давления (сжатия).

Интенсивность звука I — это энергия, переносимая звуковой волной через единицу площади поверхности, равную 1 м 2 , расположенной перпендикулярно направлению распространения звука.

Величина интенсивности звука зависит от амплитуды звукового давления:

где Р — среднеквадратичное значение звукового давления, Па;

v — среднеквадратичное значение колебательной скорости частицы в звуковой волне, м/с;

р — плотность среды, кг/м 3 (для воздуха равна примерно 1,29);

С — скорость распространения звука, м/с.

Минимальные значения Р и I, слабо различимые слуховым аппаратом человека, называются пороговыми.

Верхняя граница воспринимаемых человеком звуков (порог болевых ощущений) находится в пределах примерно 1 Вт/м 2 . Нижняя граница (начало слышимости) находится в пределах примерно 20 мкПа. В пределах верхней и нижней границ находится область слышимости (рис. 4.1).

Принято оценивать и измерять не абсолютные, а относительные значения интенсивности звукового давления по отношению к пороговым значениям, которые выражаются в логарифмической форме.

Логарифмическая форма измерения и оценки интенсивности звука обусловлена особенностью восприятия звука органами слуха человека. Она состоит в логарифмической зависимости между мощностью источника звука (раздражителя) и восприятием звука органами слуха человека. Кратность восприятия звука — ступенеобразная: каждая последующая ступень звуковой энергии больше предыдущей в 10 раз

Рис. 4.1. Области звуковых колебаний:

/ — инфразвуковая; // — акустическая; /// — ультразвуковая; IV — гиперзвуковая; кривая /— болевой порог; кривая 2 — порог слышимости

(1; 10; 100; 1000; 10 000 и т. д.). Кратность восприятия звуковой энергии органами слуха согласно логарифмической зависимости будет равна соответственно 0; 1; 2; 3; 4 и т. д. Это психофизический закон Вебера—Фехнера: ощущение пропорционально логарифму раздражения.

Единица, отражающая десятикратную степень увеличения интенсивности звука, называется белом (Б). Это — большая величина, поэтому на практике используют в качестве единицы измерения Ую часть бела — децибел (дБ).

Бел и децибел — это условные единицы, показывающие, насколько фактическая интенсивность звука / в логарифмическом масштабе больше пороговой интенсивности звука /:

где Li — уровень звукового давления, или уровень интенсивности звука (шума), именуемый громкостью звучания, выраженной в белах или децибелах.

Звуковое давление Р и интенсивность звука / характеризуют звуковое поле в определенной точке пространства, но не характеризуют источник шума. Характеристикой источника шума является его звуковая мощность — общее количество звуковой энергии, излучаемой источником этой энергии, в окружающую среду. Единица измерения энергии — ватт (Вт), единица мощности — Вт/м 2 . Начальная (пороговая) мощность равна КГ 12 Вт/м 2 .

Интенсивность звучания / и мощность источника N связаны зависимостью:

Интенсивность звука в пространстве прямо пропорциональна мощности источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от него.

15.08.2017 Музыка с точки зрения физики

Звук, с точки зрения физики – это энергия. В зависимости от частоты звуковых колебаний, уровня громкости, ритма и гармонии, звук может воздействовать на человека положительно или отрицательно. Правильно подобранные звуковые колебания способны активизировать резервы человека. С помощью звука такие физиологические функции, как пульс, сердечный ритм, дыхание, пищеварение, могут быть скоординированы.

Как всем известно, звуки и звуки музыки в частности, являются продольными волнами. И как любые волны, изменяются в замкнутом (или открытом) пространстве на некоторую величину. Параллельно звуковые волны, в силу своих параметров, оказывают влияние на пространство. Даже незначительные изменения уровня мерности пространства (например, человек, вошедший в помещение, наполненное звучащей музыкой; или, напротив, в помещении с людьми включается музыка) вызывают перераспределение музыкальных волн, пронизывающих данный объём пространства.

В результате этого, будучи пронизываемо музыкальными звуковыми волнами, изменяется и пространство; в данном пространстве изменяется распределение первичных волн. Как следствие, изменяется и состояние человека, находящегося в зоне воздействия звуковых волн. Происходит вторичное насыщение человеческого организма волновыми материями.

Колокольный звон

Еще в глубокой древности было известно, что звуковые колебания способны оказывать эффективное лечебное или болезнетворное воздействие на человеческий организм и психику. Одной из самых страшных в Средневековье считалась казнь «под колоколом», когда приговоренного помещали под большой колокол, а затем в этот колокол били. Пагубной, в данном случае, была, в первую очередь сила звуковых волн (громкость), а также интенсивность волновых колебаний.

Попутно можно отметить, что в настоящее время колокольный звон широко используется уже в положительных целях (что доказано исследованиями – звуковые волны, вызванные биением колокола, совпадают между собою и их резонанс благотворно действует на организм человека, но при этом уничтожает бактерии).

Колокольная звонница – это мини-оркестр, который по православной традиции условно делится на 3 группы колоколов: малые (зазвонные), средние (подзвонные) и большие (благовестники). Звон колоколов той или иной группы преимущественно создаёт соответствующие эмоциональные настроения; известно, что более низкие тона действуют успокаивающе, в то время как высокие – возбуждают. Эти знания отчасти и применяют церковные звонари в зависимости от характера праздника и богослужения.

Еще больше влиять на эмоциональное восприятие прихожан можно, используя ладовую основу и динамику звонов. Так, если вы имеете в звоннице мажорный лад, то при увеличении темпа звона он вызывает радостное настроение, а при снижении темпа – спокойствие; при минорном ладе ускорение звона вызывает беспокойство (или гнев), а при замедлении – печаль. Правда, такая закономерность в колокольном звоне не всегда однозначна.

Таким образом, звук – это волна, которая в зависимости от её параметров, воздействует на организм человека как положительно, так и отрицательно.

Попытаемся разобраться, что при этом происходит на клеточном уровне.

Звук, как доктор или палач

Звуковая волна, как и любая другая продольная волна, приходит единым фронтом, и её действие продолжается некоторый промежуток времени, в течение которого сохраняется изменённое состояние клеток. С рассеиванием звуковой волны клетки тела возвращаются к качественному состоянию, в котором они находились до прихода волны. При этом человек переживает соответствующие эмоции.

Таким образом, звуки музыки вызывают у слушателей вынужденные эмоции. Вопрос заключается в том, какие вынужденные эмоции создаёт та или иная музыка?

Распространение звуков в пространстве происходит очень быстро. Распространяющиеся сгустки воздуха (волны), чередуются друг с другом с различной частотой. Поэтому и звуки, которые мы слышим, имеют различную высоту.

Воздушные волны, которые имеют наименьшую частоту колебаний, воспринимаются как низкие, басовые (ударные) звуки. И наоборот, волны, чередующиеся с высокой частотой колебаний, воспринимаются слухом как высокие. Учитывая тот факт, что колебания звуковой волны (биения) обозначаются в Герцах (сокращенно Гц), следует обратиться к научной трактовке этой единицы измерения.

Что такое Герц (Hz)?

Герц – единица для обозначения частоты периодических процессов (в нашем случае – частота звуковых колебаний) в Международной системе единиц; международное обозначение: Hz.

1 Гц означает одно исполнение (реализацию) процесса биения за одну секунду, другими словами – одно колебание в секунду. Приблизительно с такой же частотой в спокойном состоянии бьётся человеческое сердце (примечательно, что Herz в переводе с немецкого означает «сердце»).

Например, 10 Гц – десять исполнений такого процесса, или десять колебаний за одну секунду. Если частота воздушной волны в 200 Гц, это значит, колебания плотности воздуха – 200 раз в одну секунду. Таким образом, частота звука измеряется в герцах, то есть в количестве колебаний за одну секунду. Более интенсивные колебания (тысячи колебаний в секунду) измеряются в килогерцах.

Человеческое ухо воспринимает частоту колебания воздуха как высоту тона (звука): чем интенсивнее колебания воздуха, тем выше звук. Ухо человека способно воспринимать не все звуковые частоты. Доказано, что среднестатистический человек не может слышать звуки частотой ниже 20 Гц и выше 20 кГц. При старении человек всё хуже слышит высокие частоты. Музыканты воспринимают звук в чуть большем диапазоне: 16 герц – 22 килогерца. Частотный диапазон, улавливаемый человеческим ухом, условно делят на три части: нижний звуковой диапазон, средний и верхний.

• 0 — 16 Гц – Инфразвук (сверхнизкий тон)

• 16 — 70 Гц – Басы

• 100 — 120 Гц – Мидбас (средние басы)

• 500 Гц — 1 кГц – Нижнесредние частоты

• 4,5 — 5 кГц – Средние частоты

• 5 — 10 кГц – Средневысокие частоты

• 10 — 20 кГц – Высокие частоты («верха»)

• 16 — 22 кГц – Ультразвук (сверхвысокий тон)

Звуки, которые превышают значения в 20 кГц, называются ультразвуком (высокие частоты). Хотя ультразвук и не слышен ухом человека, он широко применяется в медицине и других сферах.

Воздействие частот на организм человека

В настоящее время, в результате скрупулезных опытов доказано, что каждый орган человеческого организма резонирует с определенной частотой колебаний. Приведем резонансы некоторых органов:

• 20-30 Гц (т.е. 20-30 колебаний в секунду) – резонанс головы

• 40-100 Гц – резонанс глаз

• 0.5-13 Гц – резонанс вестибулярного аппарата

• 4-6 Гц – резонанс сердца

• 2-3 Гц – резонанс желудка

• 2-4 Гц – резонанс кишечника

• 6-8 Гц – резонанс почек

• 2-5 Гц – резонанс рук

В исследованиях часто выделяется звуковые колебания с конкретными числовыми значениями частот, которые резонируют с определенным участком мозга.

Например, низкий Бета-ритм частотой 15 Гц представляет нормальное состояние бодрствующего сознания. Альфа-ритм частотой 10,5 Гц вызывает состояние глубокой релаксации. Все аспекты имеют прямое отношение к воздействию музыки на организм человека.

Хотелось бы обратить особое внимание на периодичность повторения (ритм) низких звуков. Каждая новая низкочастотная звуковая волна приносит с собой изменение клеток в зоне попадания звуковой волны. И всё повторяется вновь. Интервал между моментом завершения действия одной низкочастотной звуковой волны и приходом следующей имеет огромное значение. После «отката» звуковой волны телом клетки производится выброс накопленного избытка концентрации этой материи, и состояние клетки возвращается к исходному.

А если новая звуковая волна приходит до того момента, как клетка ещё не успела вернуться к исходному состоянию? В таком случае звуковая энергия новой волны не позволяет клетке вернуться к исходному состоянию и вынужденно удерживает клетку на этом качественном уровне. Другими словами, периодически повторяющиеся низкочастотные звуки не только провоцируют у человека определённую эмоциональную реакцию, но и в состоянии навязать ему это эмоциональное состояние. Эмоциональные состояния навязываются человеку против его воли, часто даже без понимания с его стороны того, что ему что-то навязывают.

Периодически повторяющиеся низкочастотные звуки в состоянии не только вынужденно удерживать клетку на определённом качественном уровне, но могут вызывать и частичное разрушение её качественных структур. Естественно, это приводит к дестабилизации клетки в целом и частичному разрушению тела клетки, в первую очередь, структур клетки, которые у молодёжи находятся в стадии развития и поэтому легко могут быть разрушены подобным процессом.

Звуковые волны с частотой 6-8 Герц (6-8 биений звуковой волны в секунду), вообще являются оружием. Фронт звуковой волны с данной частотой вызывает такое перераспределение первичных материй при своём прохождении, что вызывает необратимые процессы у высокоорганизованных клеток, которыми являются нейроны мозга. В результате этого возникает перегрузка мозга и нейроны разрушаются, что в итоге приводит к их смерти…

Как учёные объясняют влияние музыки на здоровье?

Вибрация звуков создает энергетические поля, заставляющие резонировать каждую клеточку человеческого организма. Тело «поглощает» энергию, образованную музыкальными звуками (волнами), которая нормализует ритм дыхания, пульс, артериальное давление, температуру, снимает мышечное напряжение. Негармоничная музыка может с помощью электромагнитных волн изменять кровяное давление, частоту сердечных сокращений, ритм и глубину дыхания вплоть до полной его остановки на короткий промежуток времени.

Интересно то, что музыку наш мозг воспринимает одновременно обоими полушариями: левое полушарие отвечает за ритм, а правое – тембр и мелодию. Самое сильное воздействие на организм человека оказывает ритм. Ритмы музыкальных произведений лежат в диапазоне от 2,2 до 4 колебаний в секунду, что очень близко к частоте дыхания и сердцебиения. Организм человека, слушающего музыку, как бы подстраивается под неё. В результате поднимается настроение, работоспособность, снижается болевая чувствительность, нормализуется сон, восстанавливается стабильная частота сердцебиения и дыхания.

Интересный случай

Немногим известен случай, произошедший в США во время сверхсекретных испытаний самолетов-невидимок «Стэлс». Когда домохозяйки небольшого городка, расположенного недалеко от секретной авиабазы, стирали в эмалированных тазиках (которые по форме и по некоторым качествам походили на параболическую антенну) белье, то начинали слышать у себя в голове переговоры летчиков с авиабазой. Все дело в том, что несущая частота радиостанций была выбрана нестандартной и оказалась равной одной из резонансных частот организма.

Музыкальные пристрастия

Для многих не секрет, что разным возрастным группам нравится разная музыка. Но мало кто задумывался над вопросом – почему? Дело в том, что одна и та же музыка по-разному влияет на людей, имеющих различный интеллектуальный и нравственный уровень. Музыка предлагает сущности человека определённое качественно состояние, которое может быть в гармонии с его собственным, или является полностью несовместимым.

В первом случае человек чувствует внутренний подъём, радость. При этом реакция происходит на подсознательном уровне и практически не контролируется сознанием человека. При дисгармонии между музыкой и качественной структурой сущности (состоянием человека), у человека может появиться раздражение или другие эмоциональные проявления, побуждающие человека прекратить слушать данную музыку. Подобное реагирование на музыку является защитной реакцией человека.

Давайте попытаемся понять, почему при слушании музыки может появиться защитная реакция? Как музыка воздействует на человека?

Классическая и эстрадная музыка

С одной стороны, не будем исключать так называемый «человеческий фактор». Ведь все люди разные и интерес к музыкальным направлениям также сугубо индивидуален. Однако, такая занимательная наука, как физика позволяет нам взглянуть на этот вопрос совсем в другом ракурсе.

В классической музыке преобладают высокие частоты, которые наиболее полезны для здоровья и интеллекта, хотя и труднее воспринимаются неискушенным слушателем. Важная роль в классике принадлежит средним частотам (в фольклоре европейских народов средние частоты являются основополагающими).

Вы никогда не задумывались, почему так мало людей любят классическую музыку? Теперь вы знаете. Высокочастотные звуки, используемые в музыке стиля Барокко, обладают большей длиной волны, чем наш мозг способен улавливать. Поэтому некоторые люди испытывают дискомфорт при длительном прослушивании «классики», особенно Барокко. А между тем давно известно, что академическая музыка положительно влияет на организм человека.

Музыка времён Баха приводит к тому, что мозг начинает кроме синхронизации работы полушарий генерировать так называемые Тета—волны, что приводит к улучшению памяти, повышению концентрации, внимание гораздо дольше удерживается на предмете изучения. О том, что музыка периода классицизма оказывает положительное влияние на работоспособность мозга, уже известно.

Но в современной эстрадной музыке всё больше преобладают низкие частоты, которые ранее как в классике, так и в народной музыке применялись лишь эпизодически.

Человеческий мозг не очень любит высокочастотные звуки. Этим можно объяснить такую популярность поп-музыки. Звуки её низкочастотны (порядка 40-66 Гц – этот отрезок охватывает нижние и средние басы, не доходя даже до нижнесредних частот). Отсюда и пристрастия людей к «клубной» музыке.

Послушав, например, музыку в стиле 80-х, можно понять, что низкие частотызвука в тот период ещё не применялись, в настоящее же время им уделяется всё большее внимание. Сегодня молодежь убеждена, что низкие частоты звука «украшают» современную музыку, дополняют её той изюминкой, которой не хватало раньше.

На самом деле, сами того не подозревая, они «порабощены» не так самой музыкой, как именно низкими частотами, которые, действуя на организм, как следствие создают определенное эмоциональное состояние. Низкие частоты, которые используются в этой музыке, не напрягают, а даже в какой-то степени зомбируют людей. Здесь не следует путать «человеческий фактор» (т.е. личные пристрастия, не имеющие отношения к физическим и акустическим законам) и научные факты.

Музыка как физическое явление (частота волнового биения) вызывает сходное действие у любого человеческого организма и не только. Аналогичное воздействие испытывают любые живые организмы, как, например, животные и растения. Естественно, не являются исключением и люди.

Влияние звука на воду

Широко известен опыт, показывающий, как музыка влияет на воду. Исследователи ставили между динамиками музыкального центра колбу с водой, включали различную музыку и внезапно охлаждали воду в процессе звучания музыки. После «прослушивания» водой классических симфоний, получались красивые, правильной конфигурации кристаллы с отчетливыми «лучиками». А вот тяжёлый рок превращал воду в замерзшие страшные рваные осколки. Этому на первый взгляд удивительному явлению есть научное объяснение. С точки зрения физики всё очень просто – несовпадение звуковых волн, их хаотичное «биение» по объекту вызывает аналогичный эффект водной массы с хаотичным беспорядочным движением; а замораживание лишь фиксирует состояние воды на данный момент.

У каждого звука своя частота. Слишком высокие или слишком низкие звуки мы не слышим, но, как уже известно, материальны и они. Американские ученые лаборатории Jet Propulsion в Пасадене открыли феномен «звукосвечения». Направляя мощные ультразвуки в стеклянный сосуд с водой, они увидели, как образуются крошечные пузырьки, излучающие голубоватый свет. Этот феномен доказывает реальность физического воздействия звуков на материю, причем, не только слышимых, но и тех, которые человеческое ухо не способно воспринимать.

В качестве примера были произведены элементарные с точки зрения физики опыты по воздействию звука на любые вещества, как органические, так и неорганические, например, воду.

Влияние звука на сахар

Первый опыт демонстрирует воздействие низких звуков (басов) на воду. В результате хаотичных биений звуковых волн, колебания которых не совпадают, образуя антирезонанс, на воде образуется беспорядочная рябь.

Второй опыт демонстрирует воздействие высоких звуков на сахар. Большая часть данного примера сопровождается звуком, который воспринимается слухом. Таким образом, – это ещё не ультразвук (который воспринимается человеком только на уровне подсознания), а используется обычный высокочастотный звук; лишь в конце эксперимента он переходит в сверхвысокое звучание. Соответственно – здесь изначальная частота звука не превышает 20000 Гц (= 20 кГц), примерный диапазон частот – от 100 Гц до 30 кГц.

С ультразвуком (при частоте колебания выше 20 кГц) происходило бы нечто подобное, с той лишь разницей, что длина волны была бы намного меньше, а узоры мельче (что-то похожее на рябь на воде).

Ультразвук с точки зрения физики – это колебание частиц упругой среды. Ученым хорошо известно, что ультразвук способен изменить мембрану клеток (вплоть до летального исхода), разрушить здание и т.п.; в области биофизики и медицины этой теме посвящено немало мыслей. Именно для подтверждения таких выводов представлен данный пример, процесс которого рассматривается ниже:

На вибрационный стенд крепится пластина, затем генератором частот задаётся частота колебаний. Происходящее далее описать несложно – частицы сахара собираются в областях с наименьшей амплитудой. Этот интерферентный узор, названный фигурами Хладни (в честь учёного – Эрнста Хладни), образуется при «встрече» звуковых волн, исходящих из разных точек. Волны при этом могут исходить непосредственно от источника (в данном случае – генератора) или являться отражением первичных волн.

Таким образом, подобный эффект является результатом наложения друг на друга сжатых или разреженных воздушных участков. Как уже известно, в момент образования звучания распространяющиеся сгустки воздуха (волны) чередуются друг с другом с различной частотой.

Хорошо заметно следующая взаимосвязь: чем выше звук, тем мельче узоры рисунка. Меняется частота звука, меняется и форма фигур. В данном случае наглядность опыта зависела не только от источника звука (расположение источника относительно поверхности с сахаром), или от того, как сам ультразвук направлен на пластину, но и от поверхности на которой рассыпан сахар.

Здесь тип поверхности – тонкая пластина – позволяет ультразвуку максимально эффективно действовать на эту поверхность. В результате стол с пластиной интенсивно подвергается волновому колебанию, и, соответственно, подвергает аналогичным процессам частицы сахара. Думается, что если поставить колонку на пол и рядом рассыпать сахар – эффект будет не таким ярким.

Но в любом случае, – звук, как волновое колебание, однозначно и эффективно действует на любой живой организм, в т.ч. и на человеческий. В свете вышерассмотренного следует осторожнее относиться к выбору музыки для прослушивания. Очень важно всегда сознательно и целенаправленно определять параметры её звучания, такие как громкость, продолжительность, насыщенность низкими частотами и т.п.

1. Определение понятия звук.

С физической точки зрения звук-это колебательное волнообразное движение, распространяющееся в любой материальной среде, те твердые тела, жидкость и газообразные.

В основе зарождения звука всегда лежит механическое колебание.

2. Основные физические характеристики звуковой волны и звукового поля.

Основные физические характеристики звуковой волны.

λ (м,см)-длина звуковой волны.

С (м/с)-скорость распределения звуковой волны, С=340 м/с – постоянная величина.

λ= Низкочастотные волны длиннее высокочастотных.

20-20000 Гц – слуховой диапазон, который ухо распознает.

Длина световой волны 17м-1,7см.

Кривая 1-порог слышимости

Кривая 2-болевой порог.

Звуковое поле (звуковое поле и его действие).

Звуковое поле-область распространения звуковых волн.

Р- звуковое волнение (Па).

ν — колебательная скорость (м/с)

(источники звука: точечный (распространение сферической волны (симфонический оркестр)), звуковой луч (длительный источник распространения цилиндрической волны)).

3. Сила звука. Уровень силы звука.

Сила звука— среднее количество звуковой энергии, переносимое звуковой волной через поверхность в 1 м, перпендикулярно направлению волны.

Ι- сила звука (Вт/м)I=P ν =

Уровень силы звука.

Уровнем измеряют интенсивность логарифмической единицы.

L- уровень. L=дБдиапазон уха от 0-140дБ

4. Законы распространения звуковых волн в закрытых помещениях.

4.1 Отражение звука и его значение для архитектурной акустики.

-Направленные. Размер отражающей поверхности больше длины волны, и эта поверхность гладкая.

-Рассеянные. Размер отражающей поверхности или архитектурных членений этой поверхности соизмеримы с длиной волны.

Рассеянные отражения всегда полезны для акустики зала. Направленные отражения увеличивают интенсивность прямого звука, способствуя улучшению слышимости и разборчивости речи. ( недостатки направленных волн: эхообразование, образование фокусных точек (от одной и той же поверхности в одну и ту же точку приходят одни и те же звуки), мертвые зоны).

4.2 Дифракция звука и ее значение для архитектурной акустики.

Малые отверстия и малые препятствия (меньше длины волны) служат вторичным источником, распространяющим полусферические волны.

Звук рассеивается, создавая диффузность звукового поля. ( хорошее акустическое условие).

4.3 Поглощение звука. Коэффициент звукопоглощения.

Зависит от материала, его структуры, частоты (звука).

α- коэффициент звукопоглощения (безразмерный).

ЭПЗ (общее кол-во звукопоглощения)=А (эквивалентная площадь звукопоглощения).

ЭПЗ = А = Апостоянное + Апеременное + Адобавочное ()

А- постоянное звукопоглощения всеми ограждающими конструкциями.

Апост =Sпотолка ∙ αбетона + Sстен ∙ αстен + Sоконных проемов ∙ αоконных проемов… итд

Аперем.=Nсл. ∙ αсл. + Nкр. ∙ αкр. Nсл.- количество слушателей.

αсл.- (число) коэфициент стула.

Адоб.= αдоб. ∙ Sобщ. Sобщ.- площадь всех ограниченных

Тема: Акустическое проектирование помещений различного назначения.

Звукозапись — работа со звуком

Собираясь создавать у себя дома звукозаписывающую студию или просто провести сессию звукозаписи, прежде всего, вы собираетесь, конечно же, работать со свуком. Лучше узнав природу звуковой волны, Вы лучше будете понимать её поведение и управлять направленостью звуковых волн в Вашем помещении.

Звук с физической точки зрения это волна, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающая в ней механические колебания. Звуком также называется субъективное восприятие такой волны специальными органами чувств живых существ (животных или человека).
Звук в природе можно разделить на «полезный» и «шумовой». «Полезным» можно считать речь, пение и т.п. «Шумовым» — шумы машин и т.п.

Попытка реконструкции того, как могло выглядеть круглосуточное прославление в Иерусалимском Храме: рисунок сделан сотрудниками Института Храма в Иерусалиме

Звук это волна и, как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Если можно представить звуковую волну образно, то она была бы похожа на водопад, только горизонтальный. Амплитуда водопада была бы крайними точками, которые достигались бы волной водопадом вверх и вниз, если смотреть на него сбоку. А спектром частот была бы ширина этого водопада. В плейере Виндовс есть такая опция «Водопад». Если её включить во время проигрывания музыки, то, фактически, амплитуда и частоты становятся визуально видимыми.

В определённых частотах звуковая волна ведёт себя подобно световой! На практике это означает, что, включив в комнате лампу, там, где вы увидите её отражение, там также отразилась бы и звуковая волна. Например, лампу будет хорошо видно в зеркале. И звуковая волна будет также отражаться от зеркала очень хорошо. Вы не увидите отражение лампы на ковре, также и звук будет поглащаем ковром. Звук – волна, свет – прерывистая волна. Но ведут они себя очень похоже.
Поэтому обустраивая свою домашнюю звуковую студию или просто устанавливая дома колонки, представьте себе, что в местах планируемого источника звука, стояла бы лампа. Оглядите помещение и посмотрите где в вашей комнате лампочка будет отражаться. Эти предметы (например, зеркало или стекло или даже ламинированный пол) нужно будет акустически изолировать или они будут рефлектировать звук и ухудшать акустику.

Длина волны зависит от частоты: чем выше звук – тем короче волна. Басы могут достигать до 12 метров в дину. А высокие звуки до нескольких миллиметров. Именно потому что волны по своей высоте различаются в длине – наше ухо способно определять что за высоту звука мы сейчас услышали. Большие уши слона уловят, наверное, волны и длиннее 12 метров, человек уже нет. Уши летучих мышей – слышат ультразвуки, кстати, которые летучие мыши сами и издают. От рефлекции этих волн от предметов, летучие мыши и определяют где находятся препятствия их полёту. Они летают по слуху. Если завязать им глаза – им это при полёте нисколько не помешает.

Большие уши слона уловят, наверное, волны и длиннее 12 метров: это значит, например, что слоны слышат то, что не улавливает человечесоке ухо

Частота называется ещё фреквенцем. Человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Герц. Герц – это фамилия немецкого физика, в честь достижений которого была названа эта характеристика волны. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком. Выше: до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц — гиперзвуком.

С философской точки зрения звук существует только в случае, если наличествует его восприятие: звук — это воздушные вибрации, передающиеся на наши чувства через систему уха, и признающимся таковым только в наших нервных центрах. Если не будет ушей, чтобы слышать, не будет и звука.

Скорость звука — скорость распространения звуковых волн может происходить только в какой-либо среде, то есть там, где волне есть что колебать: имеются в виду молекулы. В вакууме звука нет таким образом.
В газах (а воздух – это тоже газ) скорость звука меньше, чем в жидкостях, и в твёрдых телах.

Другие статьи:

Что такое звук? О природе звука

С философской точки зрения звук существует только в случае, если наличествует его восприятие: звук — это воздушные вибрации, передающиеся на наши чувства через систему уха, и признающимся таковым только в наших нервных центрах. Если не будет ушей, чтобы слышать, не будет и звука .

Звукозапись

Звукозапись — изобретение конца 19 века. Первый носитель звуковой информации был восковой валик и первое, что было на нём записано: шуточная французская песенка. За полтора века технологии сильно шагнули вперёд .

Профессиональные звукозаписывающие студии, конечно, отличаются своим профессиональным подходом к теме звука. Но, как это не удивительно, домашняя студия может произвести материал, который мало чем по качеству будет уступать своим профессиональным конкуррентам. На сегодняшний день это вполне возможно .

Советы по оборудованию домашней звукостудии

Основные два рабочие помещения студии, это, конечно же, помещение, в котором производится запись звука и помещение, где запись мониторится на разных аппаратах, обрабатывается и выкладывается на какой-либо медиа-носитель. В домашних условиях эти два помещения обычно «втискивают» в одну жилую комнату. В этой статье несколько советов по улучшению работы со звуком в таких условиях .

Советы по звукозаписи в домашних условиях

Основная задача записывающего звук: записать его так, чтобы он был полностью идентичен воспроизведённому. Сразу успокоение: сделать это невозможно! В этой статье несколько советов как всё же улучшить качество записываемого материала в домашних условиях .

Виды микрофонов

Микрофон – это первое звено в цепочке звукозаписывания. Существует всего несколько видов микрофонов. Их различия обусловлены различием источников звука, предназначенных для усиления или записывания .

5. Звук с точки зрения акустики и физиологии.

Речевой звук — звук, образуемый произносительным аппаратом человека с целью языкового общения (к произносительному аппарату относятся: глотка, ротовая полость с языком, лёгкие, носовая полость, губы, зубы).

Наука о звуках речи называется фонетикой. В силу своей специфики звуки речи рассматриваются с трёх точек зрения: 1) акустической, поскольку звук является акустическим явлением; 2) физиологической, так как звуки являются продуктом деятельности центральной нервной системы и образуются органами речи; 3)лингвистической (социальной), так как при помощи речевых звуков осуществляется общение; звуки определяют различия смысла слов в каждом отдельном языке.

Общей теорией звука занимается раздел физики – акустика. С точки зрения акустики, звук – это результат колебания какого-либо тела в какой – либо среде, осуществляемый действием какой – либо силы и доступный для слухового восприятия.

Акустика различает в звуке следующие признаки:

1.Высоту, что зависит от частоты колебаний, чем больше частота колебаний в единицу времени, тем выше звук, чем меньше – тем ниже звук.

2.Силу, что зависит от амплитуды колебаний, чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее звук, и наоборот.

3.Длительность или долготу, т.е. продолжительность данного звука.

4.Тембр звука, т.е. индивидуальное качество его акустических признаков.

Важную роль в образовании звуков играет резонанс – многократное отражение звука от какой-либо поверхности (возникает в замкнутой воздушной среде). Роль стенок резонатора основана на известном законе физики – гладкая поверхность отражает, рыхлая поглощает. Поэтому напряженная мускулатура языка содействует излучению резонаторных тонов, рыхлая же поверхность ненапряженного языка впитывает тоны и смазывает характерные резонаторные тоны.

Таким образом, тембр звука – явление сложное, содержащее в себе основной тон и шум (или их комбинацию). Гармонические обертоны (более высокие тона) и резонаторные тоны.

Для образования звуков речи нужны те же условия, что и для образования вообще любых звуков: движущая сила, тело, колебания которого дадут тоны и шумы, и резонатор для оформления тембра звуков.

Источником образования большинства звуков речи, т.е. движущей силой, служит струя воздуха, выталкиваемая из легких по бронхам, трахее через гортань и далее через глотку и полость рта (или носа) наружу. С физиологической точки зрения звук – это колебания, создаваемые голосовыми связками под воздействием струи воздуха.

Специальных органов, предназначенных только для производства речи у человека нет, но органы для дыхания и пищеварения перестроились и приобрели дополнительные функции – говорить. Реч. аппарат включает органы дыхания: легкие , бронхи, трахея. Собственно произносительный аппарат – ротовая и носовая полость, полости глотки и гортань, мозг и ЦНС.

3 фазы артикуляции: 1. экскурсия или приступ – подготовка органов речи к произнесению звуков; 2. выдержка – фаза собственно произношения звука. Органы речи удерживают положение необходимое для произношения звука; 3. рекурсия – фаза, при которой органы речи от произнесения данного звека переходит к спокойному положению или произношению след. звука. В процессе связной речи рекурсия предшествующего звука совпадает с экскурсией следующего.

Определение звука с физической точки зрения

Что такое звук с точки зрения физики?

Звуковые волны или колебания принято рассматривать как механические колебания молекул различных веществ, которые передаются в пространстве. Их появлению предшествует определенное возмущение (к примеру, колебание струны гитары как источника звука). Вследствие него воздух в некой точке начинает колебаться, что приводит к возникновению избыточного давления. Именно оно «толкает» близлежащие слои воздуха и приводит к дальнейшей передаче возмущения.

Основные характеристики звуковой волны

Как прочие колебания, звук обладает следующими характеристиками:

• амплитуда (интенсивность). Под определением подразумевают половину разницы между наибольшим и наименьшим показателем плотности. На соответствующем графике данная характеристика имеет вид разницы между самой высокой либо низкой точкой волны и осью абсцисс;
• частота. Она демонстрирует число возникновений звуковых колебаний за определенный временной промежуток. Стоит отметить, что наше ухо не способно улавливать волны полного спектра частот.
• фаза. Это определенная стадия либо состояние движения тела, которое колеблется, по отношению к одному из его положений, в частности, положения равновесия. Его можно представлять началом отсчета фазы. В таком случае другие положения колеблющегося тела будут характеризоваться стадией движения либо фазой;
• длина. Указанная характеристика обозначает расстояние между самыми близкими точками, колебание которых осуществляется в одной фазе. Для ее измерения используются сантиметры и метры.

Что необходимо знать о скорости звука?

Немаловажным физическим параметром звуковых колебаний является скорость, с которой происходит распространение упругих волн в среде. Она непосредственно зависит от характеристик среды и расстояния между ее отдельными частицами. Наименьшей является данный показатель в газообразных средах, тогда как самой высокой – в телах, имеющих твердую кристаллическую структуру.

Звуковые волны. Источники звука. Характеристики звука (Иванова М.Г.)

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Рис. 1. Звуковая волна

Раздел, который занимается в физике этими волнами, называется акустика. Профессия людей, которых в простонародье называют «слухачами», – акустики. Звуковая волна – это волна, распространяющаяся в упругой среде, это продольная волна, и, когда она распространяется в упругой среде, чередуются сжатие и разряжение. Передается она с течением времени на расстояние (рис. 2).

Рис. 2. Распространение звуковой волны

К звуковым волнам относятся такие колебания, которые осуществляются с частотой от 20 до 20 000 Гц. Для этих частот соответствуют длины волн 17 м (для 20 Гц) и 17 мм (для 20 000 Гц). Этот диапазон будет называться слышимым звуком. Эти длины волн приведены для воздуха, скорость распространения звука в котором равна .

Существуют еще такие диапазоны, которыми занимаются акустики, – инфразвуковые и ультразвуковые. Инфразвуковые – это те, которые имеют частоту меньше 20 Гц. А ультразвуковые – это те, которые имеют частоту больше 20 000 Гц (рис. 3).

Рис. 3. Диапазоны звуковых волн

Каждый образованный человек должен ориентироваться в диапазоне частот звуковых волн и знать, что если он пойдет на УЗИ, то картинка на экране компьютера будет строиться с частотой больше 20 000 Гц.

Ультра- и инфразвук

Ультразвук – это механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту от 20 кГц до миллиарда герц.

Волны, имеющие частоту более миллиарда герц, называют гиперзвуком.

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в литых деталях. На исследуемую деталь направляют поток коротких ультразвуковых сигналов. В тех местах, где дефектов нет, сигналы проходят сквозь деталь, не регистрируясь приемником.

Если же в детали есть трещина, воздушная полость или другая неоднородность, то ультразвуковой сигнал отражается от нее и, возвращаясь, попадает в приемник. Такой метод называют ультразвуковой дефектоскопией.

Другими примерами применения ультразвука являются аппараты ультразвукового исследования, аппараты УЗИ, ультразвуковая терапия.

Инфразвук – механические волны, аналогичные звуковым, но имеющие частоту менее 20 Гц. Они не воспринимаются человеческим ухом.

Естественными источниками инфразвуковых волн являются шторм, цунами, землетрясения, ураганы, извержения вулканов, гроза.

Инфразвук – тоже важные волны, которые используют для колебаний поверхности (например, чтобы разрушить какие-нибудь большие объекты). Мы запускаем инфразвук в почву – и почва дробится. Где такое используется? Например, на алмазных приисках, где берут руду, в которых есть алмазные компоненты, и дробят на мелкие частицы, чтобы найти эти алмазные вкрапления (рис. 4).

Рис. 4. Применение инфразвука

Скорость распространения звуковой волны

Скорость звука зависит от условий среды и температуры (рис. 5).

Рис. 5. Скорость распространения звуковой волны в различных средах

Обратите внимание: в воздухе скорость звука при

Рис. 6. Скорость распространения звуковой волны

Вы знаете из былин, что Илья Муромец пользовался (да и все богатыри и обычные русские люди и мальчики из РВС Гайдара), пользовались очень интересным способом обнаружения объекта, который приближается, но располагается еще далеко. Звук, который он издает при движении, еще не слышен. Илья Муромец, припав ухом к земле, может ее услышать. Почему? Потому что по твердой земле передается звук с большей скоростью, значит, быстрее дойдет до уха Ильи Муромца, и он сможет подготовиться к встрече неприятеля.

Музыкальные волны. Шум

Самые интересные звуковые волны – музыкальные звуки и шумы. Какие предметы могут создать звуковые волны? Если мы возьмем источник волны и упругую среду, если мы заставим источник звука колебаться гармонически, то у нас возникнет замечательная звуковая волна, которая будет называться музыкальным звуком. Этими источниками звуковых волн могут быть, например, струны гитары или рояля. Это может быть звуковая волна, которая создана в зазоре воздушном трубы (органа или трубы). Из уроков музыки вы знаете ноты: до, ре, ми, фа, соль, ля, си. В акустике они называются тонами (рис. 7).

Рис. 7. Музыкальные тоны

У всех предметов, которые могут издавать тоны, будут особенности. Чем они различаются? Они различаются длиной волны и частотой. Если эти звуковые волны создаются не гармонически звучащими телами или не связаны в общую какую-то оркестровую пьесу, то такое количество звуков будет называться шумом.

Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Понятие шума есть бытовое и есть физическое, они очень схожи, и поэтому мы его вводим как отдельный важный объект рассмотрения.

Характеристики звуковых волн

Переходим к количественным оценкам звуковых волн. Какие у музыкальных звуковых волн характеристики? Эти характеристики распространяются исключительно на гармонические звуковые колебания. Итак, громкость звука. Чем определяется громкость звука? Рассмотрим распространение звуковой волны во времени или колебания источника звуковой волны (рис. 8).

Рис. 8. Громкость звука

При этом, если мы добавили в систему не очень много звука (стукнули тихонечко по клавише фортепиано, например), то будет тихий звук. Если мы громко, высоко поднимая руку, вызовем этот звук, стукнув по клавише, получим громкий звук. От чего это зависит? У тихого звука амплитуда колебаний меньше, чем у громкого звука .

Следующая важная характеристика музыкального звука и любого другого – высота. От чего зависит высота звука? Высота зависит от частоты. Мы можем заставить источник колебаться часто, а можем заставить его колебаться не очень быстро (то есть совершать за единицу времени меньшее количество колебаний). Рассмотрим развертку по времени высокого и низкого звука одной амплитуды (рис. 9).

Рис. 9. Высота звука

Можно сделать интересный вывод. Если человек поет басом, то у него источник звука (это голосовые связки) колеблется в несколько раз медленнее, чем у человека, который поет сопрано. Во втором случае голосовые связки колеблются чаще, поэтому чаще вызывают очаги сжатия и разряжения в распространении волны.

Есть еще одна интересная характеристика звуковых волн, которую физики не изучают. Это тембр. Вы знаете и легко различаете одну и ту же музыкальную пьесу, которую исполняют на балалайке или на виолончели. Чем отличаются эти звучания или это исполнение? Мы попросили в начале эксперимента людей, которые извлекают звуки, делать их примерно одинаковой амплитуды, чтобы была одинакова громкость звука. Это как в случае оркестра: если не требуется выделения какого-то инструмента, все играют примерно одинаково, в одинаковую силу. Так вот тембр балалайки и виолончели отличается. Если бы мы нарисовали звук, который извлекают из одного инструмента, из другого, с помощью диаграмм, то они были бы одинаковыми. Но вы легко отличаете эти инструменты по звуку.

Еще один пример важности тембра. Представьте себе двух певцов, которые заканчивают один и тот же музыкальный вуз у одинаковых педагогов. Они учились одинаково хорошо на пятерки. Почему-то один становится выдающимся исполнителем, а другой всю жизнь недоволен своей карьерой. На самом деле это определяется исключительно их инструментом, который вызывает как раз голосовые колебания в среде, т. е. у них отличаются голоса по тембру.

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений/А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «eduspb.com» (Источник)
2. Интернет-портал «msk.edu.ua» (Источник)
3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)

1. Как распространяется звук? Что может служить источником звука?
2. Может ли звук распространяться в космосе?
3. Всякая ли волна, достигшая органа слуха человека, воспринимается им?

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.