Что такое звук? Ответ на этот вопрос будет по-разному звучать в устах разных людей: большая их часть ответит примерно так - "звук - это то, что мы слышим", меньшая их часть вспомнит определение звука из учебника физики: "звук - это физическое явление вибрации (вибрация - это механические колебания, происходящие вокруг точки равновесия), распространяющейся посредством упругих акустических волн различных частот в газообразной, жидкой, твёрдой и плазменной (ионно-звуковые волны) средах (но не в вакууме), и воспринимаемое органами слуха (слуховыми нервами и слуховым центром головного мозга) человека и животных". Оба определения являются верными, однако первое определение - это констатация субъективного восприятия человека, а второе - это объяснение объективной сути этого явления, и именно оно и послужит отправной точкой для нашего обзора ниже.
Звуковые волны генерируются теми или иными источниками звука, создающими колебания в окружающей среде. Основными физическими свойствами, характеризующими звуковые волны, являются: а) частота; б) длина волны; в) амплитуда; г) скорость распространения звука (скорость звука), и т.д.. Давайте вспомним, что собой представляет каждая из этих характеристик звуковых волн.
Частота - это количество повторений звуковой волны за единицу времени; измеряется в герцах (Гц) и показывает количество повторений волны за 1 (одну) секунду;
Длина волны - это путь, который проходит фронт волны за интервал
времени, равный периоду колебательного процесса (или более простым
языком - это расстояние, на котором повторяется форма волны); измеряется в метрах (м);
Амплитуда - это максимальное отклонение звуковой волны от её среднего состояния/значения; амплитуда звука измеряется в децибелах (дБ);
Скорость распространения звука/скорость звука - это расстояние, которое проходит звуковая волна за единицу времени при распространении в упругой среде, т.е. это скорость распространения колебаний в той или иной среде; измеряется в метрах в секунду (м/с); скорость распространения звука сильно зависит от температуры и плотности среды, в которой распространяются звуковые волны (например, при t°= +20°C звук распространяется в воздухе со скоростью 343 м/с, в воде - со скоростью 1481 м/с, а в твёрдых средах, сравнимых по плотности с железом - со скоростью 5120 м/с).
Для общей оценки звука как явления объективной реальности окружающего нас мира очень важны две следующие характеристики - громкость звука и высота звука.
Громкость звука - это субъективное ощущение звукового давления, испытываемое слушающим; громкость звука определяется амплитудой колебаний у источника звука - чем больше амплитуда, тем громче звук.
Высота звука - это свойство звука, определяемое человеком на слух (в границах диапазона воспринимаемых органами слуха человека частот звуковых волн); высота звука определяется частотой звуковых волн - чем больше частота, тем выше звук.
На основании частоты звуковых волн весь звуковой спектр можно подразделить на следующие сегменты:
А) Инфразвук - это звуковые волны, имеющие частоту ниже воспринимаемой человеческими органами слуха; частотный диапазон инфразвука находится в границах от 0,001 Гц до 20 Гц; ~ инфразвук имеет гораздо большую амплитуду колебаний по сравнению со звуками из диапазона слышимых человеком; ~ в воздушной, водной средах, а также в земной коре инфразвук распространяется на гораздо большие расстояния по сравнению со звуками из других диапазонов частоты по причине слабого его поглощения в этих средах; ~ из-за большой длины инфразвуковых волн инфразвуку присуща дифракция (дифракция - это способность волн огибать препятствия на пути их распространения); ~ инфразвук входит в резонанс с крупными объектами, чем вызывает их вибрацию; ~ природными источниками инфразвука являются эпицентры землетрясений, извергающиеся вулканы, ветры ураганной силы, земная поверхность в местах попадания ударов молний, а также некоторые виды животных, использующие инфразвук для коммуникации;
Б) Звук в акустическом диапазоне звуковых частот, воспринимаемых человеком, или просто - звук - это звуковые волны в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, которые и определяют звуковой ландшафт окружающего нас мира и являются основными поставщиками аудиоинформации (в том числе в виде речи, музыки, различных информирующих и/или предупреждающих аудиосигналов, и др.) для людей и большей части наземных позвоночных и беспозвоночных животных; ~ звук в диапазоне звуковых частот также является основным средством коммуникации для множества видов животных - млекопитающих, птиц, земноводных, а
также насекомых;
В) Ультразвук - это звуковые волны, имеющие частоту выше диапазона слышимости человеком - от 20 кГц до 1 ГГц; ~ в воздушной и водной средах ультразвук распространяется в виде продольных волн (в этом случае направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны), тогда как в твёрдых средах из-за возможных напряжений/упругих деформаций сдвига в них колебания частиц могут иметь перпендикулярное по отношению к направлению распространения волны направление; ~ малая длина ультразвуковых волн обусловливает такую особенность их распространения, как зависимость от молекулярной структуры среды, в которой распространяется ультразвук (например, в твёрдой и жидкой средах ультразвуковые волны слабо поглощаются средой и медленно затухают, тогда как в воздушной среде наблюдается их сильное затухание); ~ в зависимости от материала встречающихся на пути распространения
ультразвуковых волн препятствий ультразвук может ими отражаться, рассеиваться, поглощаться или пропускаться; ~ природными источниками ультразвука являются: ветер, морской прибой, шум падающей воды (водопады), а также множество видов позвоночных и беспозвоночных животных, издающих ультразвуки;
Г) Гиперзвук - это звуковые волны с частотами от 1 ГГц до 10 ТГц; ~ в отличие от всех вышеописанных видов звука, гиперзвуковые волны в воздухе и в других газовых средах не распространяются из-за того, что длина гиперзвуковой волны при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении примерно равна длине свободного пробега молекул (это среднее расстояние, которое пролетает частица за промежуток времени между двумя последовательными столкновениями) в газообразной среде, тогда как волны могут распространяться только при условии, что их длина заметно больше длины свободного пробега молекул в этой среде; ~ в жидких средах дальность распространения гиперзвуковых волн мала из-за сильного затухания; ~ сравнительно хорошо распространяется гиперзвук только в твёрдых телах, имеющих монокристаллическую структуру - таких как кварц, сапфир, железо-иттриевый гранат, турмалин, и др., и только при
низких температурах; ~ природными источниками гиперзвука являются непрерывные и беспорядочные тепловые колебания атомов или ионов, составляющих кристаллическую решётку, около положения равновесия, в результате чего возникают продольные и поперечные гиперзвуковые волны, распространяющиеся во всех направлениях (т.н. гиперзвук теплового происхождения); и др.;
Как уже было отмечено выше, диапазон восприятия звуков у многих видов животных значительно шире, чем у человека. Например, собаки и кошки могут воспринимать звуки не только в слышимом человеком, но и в ультразвуковом частотном диапазоне (например, верхней границей слухового восприятия собак является частота 45 кГц, кошек - 64 кГц). Это же относится и ко многим другим животным (например, рыбы рода алоза (Alosa), или каспийско-черноморские сельди, могут воспринимать звуки частотой до 180 кГц; многие виды ночных насекомых могут воспринимать звуки частотой до 200 кГц; и т.д.).
Большинство видов наземных животных для внутривидовой коммуникации используют звуковые частоты в границах акустического диапазона слышимости человеческого уха. Однако имеется также достаточно большое количество видов животных, которые звуковое общение друг с другом осуществляют на инфразвуковых или на ультразвуковых частотах. Например, азиатские (Elephas maximus) и африканские (Loxodonta africana и Loxodonta cyclotis) слоны при общении друг с другом используют как звуки на частотах, слышимых человеком (используются при непосредственных контактах либо для коммуникации между особями, находящимися на небольшом расстоянии друг от друга - не более 1,5 км), так и инфразвук на частотах 14 Гц - 20 Гц, с помощью которого слоны общаются со своими сородичами, находящимися от них на расстоянии от 1,5 км до 10 км (как мы знаем из текста выше, инфразвук может распространяться на большие расстояния по причине слабого поглощения инфразвуковых волн в различных средах).
Жирафы (Giraffa camelopardalis) и их лесные родственники - окапи (Okapia johnstoni), а также все виды азиатских и африканских носорогов (Rhinocerotidae) практически не издают звуков на частотах, слышимых человеческим ухом, и общаются с сородичами исключительно в инфразвуковом диапазоне на частотах от 7 Гц до 14 Гц (жирафы и окапи), и 3 Гц - 7 Гц (носороги).
Самцы миссисипского аллигатора (Alligator mississippiensis) во время брачного сезона, находясь в воде, издают инфразвуки на частотах 9 Гц - 10 Гц с целью привлечения самок в свою акваторию. Бегемоты (Hippopotamus amphibius) в зависимости от среды, в которой происходит их
акустическое взаимодействие, используют для общения друг с другом как звуки на частотах в диапазоне восприятия человеком (если коммуникация происходит вне воды), так и инфразвуки на частотах 15 Гц - 18 Гц (если коммуникация происходит в воде).
Инфразвук на частотах от 8 Гц до 20 Гц также является средством коммуникации для всех видов усатых китов - гренландского, южного, серого, горбатого, синего китов, финвала, сейвала, полосатиков Брайда и Омуры, малого полосатика и т.д.; благодаря способности инфразвука распространяться в воде на очень большие расстояния усатые киты могут поддерживать связь со своими сородичами, находясь от них на расстоянии до 40 км (например, синие киты, ведущие преимущественно одиночный образ жизни, обычно кормятся планктоном, находясь на расстоянии 10 км - 15 км друг от друга; при этом они находятся в постоянном инфразвуковом контакте друг с другом, и в случаях нападения на самку с детёнышем стаи косаток все находящиеся поблизости - на расстоянии до 10 км от места нападения синие киты, получив инфразвуковой сигнал о нападении косаток от самки - плывут ей на помощь; этим объясняется очень низкая результативность охоты косаток на детёнышей синего кита и непопулярность их как потенциальной добычи у косаток, т.к. стая косаток располагает достаточно ограниченным запасом времени для того, чтобы отбить у самки детёныша и умертвить его до того, как прибудет подмога в виде одного или нескольких синих китов, услышавших сигнал самки о помощи).
В отличие от усатых китов зубатые киты, к которым относятся кашалоты, когии, клюворылы, ремнезубы, бутылконосы, нарвалы, белухи, косатки, дельфины, речные дельфины, морские свиньи - используют не инфразвуковые, а ультразвуковые волны. Однако делают они это не только с целью коммуникации с сородичами (для этой цели они используют, кроме ультразвука, также и звуки в диапазоне частот, воспринимаемых человеческим ухом), но также для определения положения, размеров и свойств различных объектов в пространстве с целью обнаружения потенциальной добычи и последующей охоты на неё, обнаружения естественных врагов и избегания встречи с ними, а также для навигации в водной среде. Для этого ими используется эхолокация - излучение звуковых сигналов в окружающее пространство и восприятие отражённых от находящихся на пути распространяющихся звуковых волн различных неподвижных и/или движущихся объектов эхо-сигналов. Для зубатых китов слух и связанная с ним эхолокация являются наиболее важными источниками информации об окружающем мире, так как в водной среде все другие органы чувств, кроме слуха - являются малоэффективными. Именно благодаря применению эхолокации зубатые киты в процессе эволюции смогли занять различные экологические ниши в морских экосистемах (больше узнать о морских экосистемах можно из тематической статьи, ранее размещённой на нашем канале):
- такие, как ~ цефалоподофагов (питающихся головоногими моллюсками) в океанских глубинах - кашалоты, когии, нарвалы, клюворылы, ремнезубы, ряд видов дельфинов, и т.д.; ~ ихтиофагов (питающихся рыбой) в приповерхностных водах - большая часть видов дельфинов, речных дельфинов, белухи, морские свиньи; ~ эврифагов (всеядных - питающихся рыбой, моллюсками, массовыми рачками и т.д.) - некоторые виды дельфинов; ~ саркофагов (питающихся мясом теплокровных животных) - косатки; и т.д..
Кроме зубатых китов, с теми же целями эхолокацией (преимущественно в ультразвуковом диапазоне, однако некоторые виды осуществляют эхолокацию и в диапазоне слышимых человеческим ухом звуковых частот) пользуются также и некоторые другие виды животных, а именно:
~ летучие мыши, подавляющее большинство видов которых использует для эхолокации ультразвук в диапазоне от 60 кГц до 212 кГц, некоторая часть видов - в диапазоне от 20 кГц до 60 кГц, а небольшая часть видов летучих мышей "работает" на частотах в диапазоне восприятия человеческого уха (например, пятнистый ушан (Euderma maculatum), основной добычей которого являются крупные мотыльки и кузнечики, использует для эхолокации частоту 12,7 кГц); ~ крыланы из рода Rousettus (7 видов; используют для эхолокации звуковые частоты в диапазоне восприятия человеческим слухом);
~ два вида землероек из рода Sorex - евразийская землеройка (Sorex araneus), степная землеройка (Sorex vagrans), и короткохвостая землеройка (Blarina brevicauda) из рода Blarina - используют ультразвуковые частоты для эхолокации с целью ориентации в пространстве и поиска пищевых объектов; ~ щелезубы двух видов - кубинский щелезуб (Atopogale cubana) и гаитянский щелезуб (Solenodon paradoxus) - используют ультразвуковую эхолокацию для ориентации в пространстве и поиска пищи; ~ тенреки: 5 (пять) видов из подсемейства Tenrecinae, и 2 (два) вида из рода Nesogale подсемейства Oryzorictinae - используют ультразвуковую эхолокацию на небольших расстояниях для поиска пищи;
~ китайская роющая соня (Typhlomys cinereus), вопреки её названию, ведёт не подземный, а древесный образ жизни (в норе она только ночует) и использует ультразвуковую эхолокацию для ориентации в пространстве, т.к. является функционально слепой (её глаза могут различать только контуры предметов на очень близком расстоянии), что отражено в её латинском названии;
Не только млекопитающие могут обладать способностью к эхолокации. Эхолокацию используют также несколько десятков видов птиц и множество видов насекомых:
~ гуахаро, или жирный козодой (Steatornis caripensis) - ведёт колониальный ночной образ жизни (вылетает на кормёжку по ночам), а дневное время проводит в пещерах, там же и выводит птенцов; для ориентации в пещерах использует эхолокацию в диапазоне слышимых человеком звуковых частот - на частоте 2 кГц; ~ стрижи 25 (двадцати пяти) видов из рода Aerodramus и 1 (один) вид - малая салангана (Collocalia troglodytes) - из рода Collocalia - ведут колониальный образ жизни, для ночёвки и для выведения птенцов используют пещеры, в которых ориентируются с помощью эхолокации в диапазоне слышимых человеком звуковых частот - на частотах 4 кГц - 5 кГц;
~ медведицевые, или тигровые мотыльки (Arctiinae) - включающее около 11 тыс. видов подсемейство семейства Erebidae отряда Чешуекрылых; большинство видов ведёт преимущественно ночной или сумеречный образ жизни; в процессе эволюционного развития у тигровых мотыльков выработалась способность к ультразвуковой эхолокации, с помощью которой они распознают местоположение охотящихся на них летучих мышей и уклоняются от контакта с ними, а некоторые виды с помощью издаваемых ультразвуков могут "глушить" эхолокацию летучих мышей (например, тигровый мотылёк Bertholdia trigona с помощью издаваемых им ультразвуков очень высокой частоты полностью блокирует эхолокацию охотящихся на него летучих мышей); всё вышенаписанное относится также и к мотылькам следующих двух родов: мёртвых голов (Acherontia) и языканов (Macroglossum) из семейства Бражников (Sphingidae).
Человек также использует разные виды звуковых волн в различных областях своей жизнедеятельности. Так, например, ультразвук широко применяется в промышленной (дефектоскопия материалов) и медицинской (визуализация состояния внутренних органов) диагностике, в регенеративной терапии тканей человеческого организма, в промышленном производстве - фармацевтическом, косметическом, лакокрасочном (для гомогенизации ингредиентов при производстве различных суспензий, эмульсий, лаков, красок, и т.д.), в металлообработке, в ультразвуковой сварке, в гальванотехнике, и т.д.. Однако всё это не имеет отношения к тематике нашего канала и поэтому не рассматривается в рамках настоящего обзора.
Если вам понравилась статья, ставьте лайк, делитесь своим мнением в комментариях и подписывайтесь на канал - будет интересно!
Читайте также:
и другие статьи на нашем канале.
Желаем вам приятного и познавательного чтения!
Если вы хотите поддержать автора, вы можете это сделать, нажав на ладонь с сердечком внизу справа. Спасибо!
