Физическая природа звука

Природа наших ощущений

Звук как явление физическое представляет собой колебательные движения материальных тел - твердых, газообразных или жидких. Возникновение слуховых ощущений человека связано, как правило, именно с колебаниями воздуха. Вот поэтому в безвоздушной среде передача звука становится невозможной.

Колебания воздуха, воспринимаемые органом слуха человека как звук, в естественных условиях имеют очень широкий диапазон величин давления, в связи с этим принято пользоваться логарифмической шкалой, выражая уровень интенсивности в белах (Б) или децибелах (дБ). Децибел - единица уровня интенсивности, равная десятикратному десятичному логарифму отношения интенсивности одного звука к некоторой другой интенсивности звука, условно принятой за уровень отсчета и близкой к пороговой.

Колебания, имеющие интенсивности, выходящие за пределы данного диапазона, как звук уже не воспринимаются, то есть они или совсем не слышны и не вызывают практически никаких ощущений, или воспринимаются тактильными и болевыми рецепторами и дают ощущения давления или боли, вытесняющие слуховые ощущения.

Звук как колебательный процесс характеризуется также частотой, которая по существу представляет собой описание изменений звукового давления во времени. Если эти изменения имеют правильный синусоидальный характер, то говорят о чистом тоне. В реальных условиях к такому чистому основному тону, как правило, примешивается еще некоторое количество добавочных тонов, которые придают звуку его часто неповторимую индивидуальность. Звук считается чистым, если добавочные тоны по своей акустической энергии не превышают 10 процентов. В жизни нам нередко приходится сталкиваться с естественными чистыми звуками. Это звуки, издаваемые птицами и зверями, это и звуки, получающиеся при произнесении нами гласных.

Звуки, в которых нельзя выделить основного тона и в которых соответственно колебания звукового давления описываются более сложной, чем синусоидальная, зависимостью, обозначают как шумы. И если акустическая энергия распределена равномерно по всему спектру, то говорят о "белом" шуме.

Орган слуха человека воспринимает колебания воздуха (при достаточном уровне интенсивности) в диапазоне от 16 герц до 20 килогерц, и соответственно эти частоты в физике и технике обозначают как звуковые, а менее 16 герц - как инфразвук и более 20 килогерц - как ультразвук. Человек инфра- и ультразвуковые колебания не слышит, сколь бы большой интенсивности они ни были. Но это совсем не означает, что такие виды энергии вообще на человека не действуют. Они представляют собой типичный пример раздражителей, которые мы с вами обозначили ранее как "внерецепторные", то есть которые не вызывают специфических ощущений. Человек же начинает ощущать их опосредованно в результате взаимодействия, и нередко неблагоприятного, с тканями нашего тела.

Звук как колебательный процесс характеризуется также длиной волны, которая количественно при неизменной частоте может меняться в зависимости от скорости распространения звука. Эта скорость в воздухе при температуре 0 градусов по шкале Цельсия и нормальном атмосферном давлении составляет 332 метра в секунду, возрастая при повышении давления и температуры воздуха.

В более плотной среде скорость распространения звука значительно выше, составляя при этом: в граните - 6000 метров в секунду, в стекле - 5500 метров в секунду, в алюминии - 5140 метров в секунду, в железе и стали - 5000 метров в секунду, в твердых породах дерева (в продольном направлении) - 4000 метров в секунду, в меди - 3560 метров в секунду и в воде (при температуре 19 градусов по шкале Цельсия) - 1461 метр в секунду. Таким образом, звуковые колебания одной и той же частоты в разных средах имеют различную длину волны. Это оказывается небезразличным для нашего слуха и обусловливает некоторые особенности слухового восприятия при пребывании человека под водой. А теперь рассмотрим механизм восприятия звука.

Виктор Иванович Шостак, 1983 год