Звук — это самое первое, с чем мы сталкиваемся, придя в этот мир. Ещё в материнской утробе малыш может слышать и запоминать различные шумы окружающего мира. Звук проникает сквозь плотные объекты, благодаря чему используется и в медицине, и в науке, и в инженерии, и много где ещё. Что же он собой представляет?
Откуда берется звук?
Под звуком обычно понимается то, что воспринимает наше ухо. Например, мы слышим лай собаки, пение птиц, голоса друзей, тоненький писк мышки или, наоборот, очень низкий и громкий бас соседа, недовольного тем, что его любимая футбольная команда проиграла. Все предметы и живые существа, окружающие нас, от которых мы что-то слышим, называются источниками звука. А наше ухо — это приёмник, помогающий нам этот звук улавливать. Причина звука — вибрация. Источник звука вибрирует, или колеблется, создавая упругую волну — это физическая волна, распространяющаяся в жидких, твёрдых или газообразных средах с помощью упругих деформаций.
Это такие деформации объекта, которые исчезают после того, как на него перестали действовать приложенные силы. Иными словами, объект не деформируется навсегда, а возвращается в своё первоначальное состояние, как только на него перестали воздействовать. Упругая волна возникает вокруг вибрирующего объекта из-за создаваемых им колебаний окружающей среды. Именно эта волна и называется звуком. Представьте себе металлическую линейку, закреплённую в тисках. Если оттянуть край линейки и резко отпустить его, то он завибрирует. Частички линейки при этом будут взаимодействовать с частичками воздуха, толкая их. Те, в свою очередь, будут толкать друг друга, производя тем самым упругие деформации. Так и распространяется упругая волна в окружающей среде — в нашем случае, звуковая волна. Когда эти колебания частичек воздуха доберутся до нашего уха, мы услышим звук вибрирующей линейки. Если вместо линейки взять гитарную струну, оттянуть её и отпустить, то мы услышим звук вибрации этой струны. Заметьте: на гитаре целых шесть струн, и каждая из них звучит по-разному. Задумывались когда-нибудь, как так выходит?
ПОЧЕМУ МЛАДШИЙ БРАТИК ТОНЕНЬКО ПИЩИТ, А ПАПА ГОВОРИТ БАСОМ?
У звуковой волны, как и у других упругих волн, есть две важнейшие характеристики: частота и амплитуда. Представьте себе морскую поверхность. Гребни морских волн будут чередоваться с впадинами между ними. Если море бушует, то волны будут идти одна за другой, а расстояние между их гребнями будет совсем небольшое, другими словами, волны будут частые. Расстояние между двумя соседними гребнями волны будет характеризовать длину волны. А количество волн, обрушившихся на берег за определённый промежуток времени, и есть частота волны. Волны могут быть хоть и не частыми, но достаточно высокими. Например, цунами: достаточно всего одной волны, чтобы смыть с лица земли целый город!
Герц — это единица измерения периодических процессов. Количество герц обозначает количество колебаний, совершаемых объектом, за 1 секунду времени (1 Гц равен 1 с-1). Названа эта единица в честь немецкого физика XIX века, Г Г, который внёс огромный вклад в развитие электродинамики — науки о взаимодействии электромагнитного поля с телами, находящимися в нём. Занимательный факт: человеческое сердце бьётся с частотой в среднем 1 Гц; при этом по-немецки слово «сердце» — Herz — звучит точно так же, как фамилия Генриха Герца (Hertz)! Одной секунде в минус первой степени равна ещё одна единица в системе СИ — 1 беккерель (Бк). Разница между ними в том, что 1 Гц означает периодическое колебание, а 1 Бк — случайное, и используется для измерения процессов ядерного распада.
Высота волны от её пика до самого глубокого места между гребнями и называется амплитудой. Звук, который мы слышим, зависит от частоты и амплитуды звуковой волны, проникающей в наше ухо. Высокие звуки характеризуются высокой частотой звуковых волн, а низкие звуки — соответственно, низкой. Чем тоньше гитарная струна, тем быстрее она вибрирует, и, следовательно, частота её вибрации будет выше, чем у толстой струны. Частота звука измеряется в герцах (Гц). Как правило, то, что мы слышим, состоит не из одной волны, а из целого букета. Все частоты, которые может услышать наше ухо, от самой низкой до самой высокой, лежат в диапазоне от 16 Гц до 20 000 Гц. Голос певца, исполняющего басовую партию в опере, вибрирует с частотой примерно 80–350 Гц. А самый высокий женский голос будет лежать в диапазоне 1200–1400 Гц.
А вот амплитуда колебания звуковой волны влияет на громкость звука, который мы слышим. Чем выше амплитуда колебания, тем громче звук. Попробуйте рано утром посильнее ударить по струнам гитары под дверью родительской спальни, вызвав тем самым вибрации воздушной среды вокруг струн музыкального инструмента. Несмотря на разделяющую вас стену, вы гарантированно услышите высокоамплитудный низкочастотный звук отцовских проклятий и низкоамплитудный высокочастотный звук маминых упрёков. За единицу громкости звука принят 1 бел (Б). Но тот звук, который мы воспринимаем, на практике измеряется в децибелах (дБ): 1 дБ равен 0,1 Б. Самый громкий звук, который может услышать человеческое ухо без болевого ощущения, равен 130 дБ; при 180 дБ барабанная перепонка — орган, улавливающий колебания и передающий этот сигнал для обработки в мозг, — может разорваться.
От того, как именно воздух выходит из лёгких, зависит и звук, который производят голосовые связки. Один и тот же человек может производить звуки разной частоты и амплитуды — всё потому, что голосовые связки меняют свою силу натяжения и толщину благодаря мышцам горла. Если голосовые связки напряжены, они колеблются быстрее (с большей частотой) и производят звуки более высокие. Мужской голос, как правило, ниже женского, потому что голосовые связки мужчин в среднем длиннее женских.
ПОЛОЖЕНИЕ ГОЛОСОВЫХ СВЯЗОК ПРИ РАЗНОМ ДАВЛЕНИИ ВОЗДУХА, ВЫХОДЯЩЕГО ИЗ ЛЁГКИХ
- Нормальное дыхание
- Глубокий вдох
- Шёпот
— Кстати, а как мы говорим?
— У нас в горле тоже есть струны!
Струны в нашем горле называются голосовые связки. Это парный орган нашего тела, который представляет из себя те же струны, только из биологического материала. Они натянуты поперёк дыхательного горла, трахеи. Когда мы дышим или говорим, то воздух, выходя из лёгких, толкает голосовые связки, заставляя их вибрировать. За нашу речь отвечают не только голосовые связки, но и весь сложный аппарат человеческой гортани в целом. Однако для образования звука всегда нужен источник звука — вибрирующий предмет, чьи колебания и создают звуковые волны, распространяющиеся в окружающей среде.
ПОЧЕМУ МЫ СЛЫШИМ СКВОЗЬ СТЕНЫ?
Можно подумать, что однородность среды (наличие одинаковых свойств на всём её протяжении) — обязательное условие распространения звука. Если бы это было так, вы бы не могли услышать, о чём говорят родители с гостями за закрытой дверью зала. Дело в том, что их голосовой аппарат, создавая вибрации воздуха вокруг них, порождает звуковые волны, распространяющиеся во все стороны от источника звука. Таким образом, звук долетит не только до уха гостей, но и до двери зала. Казалось бы, тут звуковая волна должна остановиться, ведь воздушная среда сменяется более плотной средой — твёрдым телом, стеной. Тем не менее даже звуки, проникающие сквозь стены, мы слышим — только приглушёнными. Дело в том, что звуковая волна, распространяясь в среде, постепенно угасает, затухает. Это происходит из-за того, что частицы среды, в которой распространяется звук, трутся друг об друга, и энергия, которую изначально получила волна, постепенно тратится не только на распространение, но и на преодоление сил трения между частицами.
Существуют материалы, почти полностью поглощающие звук. Их используют для создания звукоизоляции, которая, в свою очередь, необходима, например, в музыкальных студиях звукозаписи. В жидких и газообразных средах звуковые волны в основном продольные — направление колебания частиц в них совпадает с направлением распространения волны. А вот в твёрдых телах частицы, помимо продольных колебаний, совершают ещё и поперечные — движутся перпендикулярно направлению распространения волны. На это также тратится энергия. Вот почему за закрытой дверью мы все звуки слышим приглушёнными. Таким образом, звуковая волна, «попадая» в твёрдое тело, затухает в нём на меньшей «глубине», теряя большую часть своей энергии на колебание частиц как в продольном, так и в поперечном направлении. В более плотных средах, где частицы расположены ближе друг к другу, звуковые волны распространяются быстрее. Скорость звука — ещё одна важная его характеристика. По ней можно определить характеристики среды, в которой распространяется звуковая волна. Например, в воздухе скорость звука равна примерно 335 м/с, а в воде звукраспространяется в 4 раза быстрее. Но на скорость распространения звуковых волн в разных средах влияет определённый набор свойств этой среды: в газообразных средах — температура газа, в твёрдых телах — плотность тела.
Слышали ли вы когда-нибудь выражение «звуковой барьер»? Этот барьер, например, проходит сверхзвуковой истребитель. Отсюда и название: скорость такого самолёта выше скорости звука. Из-за этого он «догоняет» и даже «обгоняет» звук собственного двигателя. Звуковой барьер — это самый дальний «край» распространения звуковой волны. Когда истребитель достигает его, слышен очень громкий хлопок. Самолёт как бы протыкает этот барьер, и дальше мы его уже не будем слышать. Бесшумный сверхзвуковой истребитель полезен в военном деле, ведь он может «подкрасться» к противнику незамеченным.
ТАКОЕ ПОЛЕЗНОЕ ЭХО
Звук может проникать и в глубины океана, и в человеческое тело. Человек научился использовать эти свойства для исследования глубин, до которых мы сами пока добраться не можем. Звуковые волны могут не только распространяться всё время вперёд да вперёд. Они могут ещё и отражаться (так получается эхо), преломляться и накладываться одна на другую. Эти свойства используются учёными и инженерами в исследованиях и различных изобретениях. Так, например, свойство отражения звуковых волн используют, чтобы измерять глубину и создавать карты рельефа морского дна, а также находить различные объекты в толще воды под судном. Прибор, который используется для измерения глубины, называется лот, а в случае использования звуковых волн — эхолот (существуют и другие разновидности лотов). Он помещается на судне, с которого производится измерение. Испускаемый эхолотом электрический импульс преобразуется в звуковые волны, которые, достигая дна, отражаются от него и возвращаются. Тут они улавливаются приёмником эхолота, преобразуются обратно в электрический импульс и отображаются на экране. Звук распространяется в воде с более-менее постоянной скоростью, около 1,5 км/с. Таким образом, посчитав время от испускания звуковой волны до приёма её эха, можно рассчитать расстояние, пройденное ею до предмета. Как правило, частота звука в современных эхолотах равна 150–200 кГц. «Что? — спросите вы. — Как это возможно? Разве звук не ограничен частотой 20 кГц?»
Распространение звуковой волны до препятствия, отражение её от препятствия и возвращение к источнику звука. Этот процесс и называется «эхо».
ЧАСТОТА ЗВУКОВЫХ ВОЛН
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭХОЛОТА
С корабля испускается ультразвуковая волна. Отражённая от объектов в толще воды или ото дна, звуковая волна возвращается на корабль, где регистрируется приёмником. Далее она конвертируется в электромагнитные импульсы, которые уже отображают на экране эхолота значения глубин до искомого предмета или морского дна.
Не спешите. 20 кГц — верхняя граница диапазона частот, которые может уловить человеческое ухо. Однако звуковые волны могут распространяться и с большей частотой. Звуковая волна с частотой, превышающей порог чувствительности человеческого уха, называется ультразвуковой. Если частота звуковой волны ниже диапазона 16–20000 Гц, такой звук называется инфразвук. Многие животные могут слышать ультразвук, некоторые из них используют его для общения — например, летучие мыши. Ультразвуком можно исследовать внутренности человека, животных или других плотных предметов. Для этого необходимо иметь внутри достаточно плотную среду, в которой он может распространяться. Дело в том, что ультразвук затухает быстрее, чем более низкочастотные волны, так как поглощение звуковой волны пропорционально квадрату её частоты. Ультразвук широко распространён — не только в науке, но и в повседневной жизни. На основе энергии ультразвуковых волн, например, работают увлажнители воздуха, аппараты для ухода за кожей, отпугиватели грызунов и ловушки для насекомых, медицинские приборы, и многое-многое другое. Подобные приборы вы наверняка видели. И почти каждый из вас хотя бы раз в жизни проходил ультразвуковое исследование, в народе УЗИ. На нём обычно делают вашу первую в жизни фотографию — из маминого живота.
