Физическая природа звука
Звук возникает как результат механических колебаний частиц упругой среды, передающихся от источника в окружающее пространство. Эти колебания приводят к периодическому изменению давления, плотности и скорости движения частиц среды. В отличие от электромагнитных волн, звуковые волны требуют для распространения материальную среду — газ, жидкость или твердое тело. Наиболее распространённой в повседневной жизни средой распространения звука является воздух.
Источник звука — это любой объект, совершающий быстрые механические колебания. Это может быть струна музыкального инструмента, голосовые связки человека, мембрана громкоговорителя или, например, поршень в трубке Кундта. В каждом из этих случаев движение источника вызывает в окружающей среде упругие возмущения, которые распространяются в форме волн.
Звук в физике — это продольная волна, то есть направление смещения частиц среды совпадает с направлением распространения волны. При прохождении звуковой волны через воздух возникают чередующиеся области сжатия и разрежения. Эти области соответствуют максимумам и минимумам давления в волне.
Продольный характер звука особенно легко наблюдается в газах и жидкостях, где поперечные деформации практически не передаются. В твёрдых телах возможны как продольные, так и поперечные звуковые волны, поскольку такие среды обладают как объемной, так и сдвиговой упругостью.
1. Частота (ν) Частота колебаний определяет, сколько раз в секунду происходят сжатия и разрежения среды. Измеряется в герцах (Гц). Диапазон слышимых человеческим ухом частот составляет приблизительно от 16 Гц до 20 кГц.
2. Длина волны (λ) Расстояние между двумя ближайшими точками с одинаковой фазой колебания — например, двумя соседними максимумами давления. Связана с частотой и скоростью звука уравнением λ = v / ν, где v — скорость распространения звука в данной среде.
3. Амплитуда Характеризует максимальное отклонение давления или плотности от среднего значения. От амплитуды зависит воспринимаемая громкость звука, но не его высота.
4. Скорость распространения звука (v) Определяется свойствами среды — её плотностью и упругостью. В воздухе при температуре 20 °C скорость звука составляет примерно 343 м/с. В воде она около 1482 м/с, а в стали — свыше 5000 м/с.
Для распространения звука необходима упругая среда. Вакуум, не обладающий частицами, неспособен передавать звуковые волны. Это фундаментальное отличие звука от электромагнитных волн.
Температура, влажность, давление и состав среды значительно влияют на скорость и распространение звука. Например, повышение температуры воздуха увеличивает его упругость, и, следовательно, увеличивает скорость звука.
С физической точки зрения звук включает как слышимые, так и неслышимые частотные диапазоны:
Звук переносит энергию от источника к приемнику. Плотность энергии звуковой волны определяется её амплитудой и свойствами среды. Важной характеристикой является интенсивность звука — количество энергии, проходящее в единицу времени через единицу площади, перпендикулярную направлению распространения волны:
I = P / A, где P — мощность источника, A — площадь.
Для оценки громкости вводится логарифмическая шкала интенсивности звука — уровень звука, измеряемый в децибелах (дБ). При этом L = 10·log₁₀(I / I₀), где I₀ = 10⁻¹² Вт/м² — порог слышимости.
Процесс распространения звука описывается волновым уравнением для давления или смещения частиц среды. В одномерном случае:
∂²ξ / ∂t² = v²·∂²ξ / ∂x²,
где ξ(x, t) — смещение частиц, v — скорость звука.
Решения уравнения представляют собой бегущие волны вида: ξ(x, t) = A·cos(kx − ωt + φ),
где A — амплитуда, k — волновое число, ω — круговая частота, φ — фаза.
В газах Звук распространяется в виде продольных волн. Скорость зависит от температуры, давления и молекулярной массы. v = √(γRT / M), где γ — показатель адиабаты, R — универсальная газовая постоянная, T — температура, M — молярная масса.
В жидкостях Также только продольные волны. Скорость больше, чем в газах, из-за более плотного расположения молекул.
В твёрдых телах Допускаются как продольные, так и поперечные волны. Звук может распространяться на большие расстояния и с высокой скоростью, что используется, например, при сейсмическом зондировании.
Звуковые волны демонстрируют все типичные волновые эффекты:
Звук используется в разнообразных сферах: