Звук — механическая волна, представляющая собой отклонения плотности и давления упругой материальной среды от равновесного состояния. В более узком смысле, под звуком понимаются волны, которые способны восприниматься органами чувств человека. Источником звуковых колебаний может выступать любое тело, совершающее механические колебания по определённому закону.
Физическая природа звука
Звуковая волна распространяется через колебания частиц среды, будь то воздух, вода или твёрдые тела. Представьте, что вы бросаете камень в воду: вокруг точки падения камня образуются круги. Эти круги — аналог звуковых волн, которые распространяются от источника. В случае звука, колебания частиц происходят вдоль направления волны, что делает звук продольной волной.
Уравнение звуковой волны можно задать как ξ(x, t) = Аcos(ωt-kx+φ).
, где A — амплитуда , ω — циклическая частота, k — волновое число , φ — начальная фаза.
Основные характеристики звука
Звук имеет несколько ключевых характеристик: частота, амплитуда, скорость, тембр и тон. Частота — это количество колебаний звуковой волны в секунду, измеряемое в герцах (Гц). Она определяет высоту звука: чем выше частота, тем выше воспринимаемый звук.
Амплитуда звука — это максимальное отклонение звуковой волны от положения равновесия . Она определяет громкость звука: чем больше амплитуда, тем громче звук. Амплитуда измеряется в децибелах (дБ) и влияет на интенсивность звука, которую воспринимают наши уши.
Скорость звука зависит от среды, через которую он распространяется. В воздухе при комнатной температуре звук распространяется со скоростью около 340 метров в секунду, а в воде — примерно 1500 метра в секунду. Это связано с плотностью и упругостью среды: чем плотнее среда, тем быстрее распространяется звук.
Тембр — это своеобразная «окраска», позволяющая отличить один музыкальный инструмент или голос от другого при одинаковой высоте и громкости звука. Тембр определяется гармоническим составом звуковой волны, то есть наличием и относительными амплитудами обертонов к основному тону. Именно уникальный спектр обертонов придаёт каждому источнику звука неповторимую звуковую палитру, узнаваемую нашим слухом.
Каталонская версия схематического представления слуховой сигнализации
Тон — это звук, который издаёт тело, совершающее гармонические колебания (например, камертон или струна). Высота тона определяется частотой этих колебаний: чем выше частота, тем выше нам кажется звук. Так, натягивая струну, мы увеличиваем частоту её колебаний и, соответственно, высоту звука.
Применение и восприятие звука
Звук находит широкое применение в различных областях. В музыке и речи он служит средством коммуникации и выражения эмоций. Эхолокация, используемая летучими мышами и дельфинами, помогает им ориентироваться в пространстве и находить добычу. Человеческое ухо воспринимает звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.. Животные, такие как слоны и собаки, могут слышать инфразвук (ниже 16 Гц) и ультразвук (выше 20 кГц) соответственно. В медицине ультразвук используется для диагностических исследований, а инфразвук позволяет исследовать сейсмологические активности.