ЗВУК И ШУМ 2.2.1. Звук. Источники звука. Характеристики звука

Звук в широком смысле - упругие колебания и волны, распространяющиеся в некоторой среде; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органом слуха человека и животных. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.

Верхняя граница частоты колебаний, воспринимаемая ухом человека, изменяется с возрастом, что показано ниже в таблице 3.

ВОЗРАСТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ЧАСТОТЫ ВОСПРИНИМАЕМОГО ЗВУКА

Возраст человека	Верхняя граница частоты, Гц
Маленькие дети До 20 лет 35 лет 50 лет	22 000 20 000 примерно 15 000 примерно 12 000

Различают биологическое и физическое понятия звука. К биологическому понятию звука относят колебания и волны, которые воспринимаются человеческом органом слуха. Ощущение звука проявляется только в том случае, когда частота колебаний и их интенсивность лежат в определенных пределах. Для человеческого уха спектр слышимых звуковых колебаний лежит в диапазоне от 15-20 Гц до 20 кГц, если не принимать во внимание индивидуальные способности и возрастные ограничения.
Физическое понятие о звуке объединяет как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред (условно от 0 до 1013 Гц). Колебания с частотами ниже 20 Гц называются инфразвуком. Нижний предел частот инфразвука не ограничен. В окружающей нас природной среде встречаются инфразвуковые колебания с частотами в тысячные доли Гц. Изучение диапазона инфразвуковых волн представляет значительный интерес. Примером могут служить сейсмические волны, возникающие в земной коре. По характеру их распространения можно изучать строение земной коры и производить разведку полезных ископаемых. Колебания упругих сред с частотами более 20 кГц называют ультразвуком, который тоже не вызывает у человека слуховых ощущений. Ультразвук широко применяется в современной технологии (дефектоскопии, ультразвуковой технологии обработки материалов и т.п.), медицине (диагностике, физиотерапии, хирургии ит. и.), радиотехнике и многих других областях науки и техники.
Существующие в природе звуки разделяют на несколько видов: Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром). Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Тон может быть простым, характеризующимся одной частотой (например, издаваемый камертоном, звуковым генератором), и сложным (издаваемый, например, аппаратом речи, музыкальным инструментом).

• Шум - это звук, имеющий сложную, неповторяющуюся временную структуру, сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шорох, скрип).
Источники звука можно разделить на следующие основные типы, не претендуя на исчерпывающую классификацию: колебательные или автоколебательные системы, в которых под действием локального источника энергии возникают либо собственные затухающие колебания, либо незатухающие автоколебания (все музыкальные инструменты, человеческий голос, паровые и пневматические свистки и т. и.); вращательные системы, в которых периодические изменения давления в среде вызываются вращающимися телами (винт самолета или корабля; ротор электромеханического устройства; турбины; сирены, создающие звук в результате периодических изменений скорости газовой струи ит. и.); электроакустические преобразователи (телефоны, громкоговорители, эталонные источники звука - термофоны и т. и.).
Голосовой аппарат человека является сложной автоколебательной системой, включающей в себя легкие, бронхи, трахею, гортань с голосовыми связками, совокупность резонаторов (глотка, носоглотка, рот, нос). Уникальными голосовыми данными обладают великие мастера оперной сцены.
Таким образом, источниками звука могут быть разнообразные процессы, явления, вызывающие возмущение упругой среды относительно среднего равновесного состояния.
При распространении волны частицы среды вовлекаются в колебательное движение.

Частота этих колебании называется частотой волны. Механические волны разделены на следующие частотные диапазоны, указанные в таблице 4.
Таблица 4
ШКАЛА МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН

Частота (Гц)	Наименование диапазона волн	Источники
0,5-20	Инфразвуковой	Цунами, тоны сердца
20-2-104	Звуковой	Голос, фонокардиограмма
2-104—105	Низкочастотный	Звуки, издаваемые дельфинами,
	ультразвуковой	летучими мышами
105-107	Среднечастотный	Магнитострикционные излуча-
	ультразвуковой	тели
107-109	Высокочастотный	Пьезоэлектрические излуча-
	ультразвуковой	тели

При распространении волны колебания охватывают все более широкую область среды. Поверхность, отделяющую область среды, охваченную колебательным движением, от области, где колебательное движение частиц еще не началось, называют фронтом волны.
Скоростью волны называется скорость перемещения ее фронта. Скорость волны зависит от упругости, плотности и температуры среды, характера движения ее частиц и, в некоторой степени, от частоты. Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна 330 м/с. Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.
Скорость звука в газах при 0°С и давлении, равном одной атмосфере, и жидкостях представлена в таблице 5.
Таблица 5
СКОРОСТЬ ЗВУКА В ГАЗАХ И ЖИДКОСТЯХ

Газ	Скорость звука, м/с	Жидкость, м/с	Скорость звука,
Водород	1284	Вода	1490
Воздух	331	Спирт этиловый	1180
Метан	430	Ртуть	1453

Скорость распространения механических волн, в частности ультразвуковых, широко используется для оценки механических свойств биологических тканей. В таблице б представлена скорость распространения ультразвука в некоторых тканях человека.
Таблица 6
СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В ТКАНЯХ ЧЕЛОВЕКА

Ткань	Скорость V, м/с
Вода	1500
Кровь	1590
Жировая ткань	1450
Мышечная ткань, хрящи	1550-1570
Кожа	1600
Роговица, хрусталик, склера	1640-1650

Звук является объектом слухового ощущения и оценивается человеком субъективно. Однако субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны. Воспринимая звуки, человек различает их по высоте, тембру и громкости. Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). Тембр звука
определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру даже в том случае, когда основной тон у них одинаков. Громкость звука определяется амплитудой колебаний (чем больше амплитуда, тем звук громче).

<< | >>

↑

Источник: В. А. Праг, О. Н. Балакшина, Н. Б. Розова. Изучение вопросов экологии в школьном курсе физики. 2005

Еще по теме ЗВУК И ШУМ 2.2.1. Звук. Источники звука. Характеристики звука:

- Детская психология - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -