|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Звук | Звук (далее З) в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой средах (см. также Упругие волны) в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит З с частотой от 16 гц до 20 000 гц. Физическое понятие о З охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. З с частотой ниже 16 гц называется инфразвуком, выше 20 000 гц - ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 109 до 1012-1013 гц относят к гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена - в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли гц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами, характеризующими и молекулярное строение среды: длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстоянии в жидкостях и в твердых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 109 гц и выше, а в твердых телах - с частотой более 1012-1013 гц.
Основные характеристики звука. Важной характеристикой З является его спектр, получаемый в результате разложения З на простые гармонические колебания (т. н. частотный звука анализ). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. З со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные З (рис. 1); основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих - тембр звука. В спектре З речи имеются форманты - устойчивые группы частотных составляющих, соответствующие определенным фонетическим элементам (рис. 2). Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука - энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность З зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны. Субъективной характеристикой З, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1-5 кгц. В этой области порог слышимости, т. е. интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна 10-12вм/м2, а соответствующее звуковое давление - 10-5н/м2. Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом З характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вм/м2. В ультразвуковой технике достигаются значительно большие интенсивности (до 104 квм/м2).
Источники звука - любые явления, вызывающие местное изменение давления или механическое напряжение. Широко распространены источники З в виде колеблющихся твердых тел (например, диффузоры громкоговорителей и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов; в ультразвуковом диапазоне частот - пластинки и стержни из пьезоэлектрических материалов или магнитострикционных материалов). Источниками З могут служить и колебания ограниченных объемов самой среды (например, в органных трубах, духовых музыкальных инструментах, свистках и т.п.). Сложной колебательной системой является голосовой аппарат человека и животных. Возбуждение колебаний источников З может производиться ударом или щипком (колокола, струны); в них может поддерживаться режим автоколебаний за счет, например, потока воздуха (духовые инструменты). Обширный класс источников З - электроакустические преобразователи, в которых механические колебания создаются путем преобразования колебаний электрического тока той же частоты. В природе З возбуждается при обтекании твердых тел потоком воздуха за счет образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром проводов, труб, гребней морских волн. З низких и инфранизких частот возникает при взрывах, обвалах. Многообразны источники акустических шумов, к которым относятся применяемые в технике машины и механизмы, газовые и водяные струи. Исследованию источников промышленных, транспортных шумов и шумов аэродинамического происхождения уделяется большое внимание ввиду их вредного действия на человеческий организм и техническое оборудование.
Приемники звука служат для восприятия звуковой энергии и преобразования ее в др. формы. К приемникам З относится, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для приема З применяются главным образом электроакустические преобразователи: в воздухе - микрофоны, в воде - гидрофоны и в земной коре - геофоны. Наряду с такими преобразователями, воспроизводящими временную зависимость звукового сигнала, существуют приемники, измеряющие усредненные по времени характеристики звуковой волны, например диск Рэлея, радиометр.
Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. В газообразных и жидких средах распространяются продольные волны (направление колебательного движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость которых определяется сжимаемостью среды и ее плотностью. Скорость З в сухом воздухе при температуре 0°С составляет 330 м/сек, в пресной воде при 17°С - 1430 м/сек. В твердых телах, кроме продольных, могут распространяться поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным распространению волны, а также поверхностные волны (Рэлея волны). Для большинства металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/сек до 7000 м/сек, а поперечных - от 2000 м/сек до 3500 м/сек.
При распространении волн большой амплитуды (см. Нелинейная акустика) фаза сжатия распространяется с большей скоростью, чем фаза разрежения, благодаря чему синусоидальная форма волны постепенно искажается и звуковая волна превращается в ударную волну. В ряде случаев наблюдается дисперсия звука, т. е. зависимость скорости распространения от частоты. Дисперсия З приводит к изменению формы сложных акустических сигналов, включающих ряд гармонических составляющих, в частности - к искажению звуковых импульсов. При распространении звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции и дифракции. В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде велик по сравнению с длиной волны, распространение звука подчиняется обычным законам отражения и преломления волн и может рассматриваться с позиций геометрической акустики.
При распространении звуковой волны в заданном направлении происходит постепенное ее затухание, т. е. уменьшение интенсивности и амплитуды. Знание законов затухания практически важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала. Затухание обусловливается рядом факторов, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от характеристик самого звука (и в первую очередь, его частоты) и от свойств среды. Все эти факторы можно подразделить на две большие группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового распространения в среде. Так, при распространении в неограниченной среде З от источника конечных размеров интенсивность его убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению ее в первоначальном направлении, например рассеяние З на пузырьках в воде, на взволнованной поверхности моря, в турбулентной атмосфере (см. Турбулентность), рассеяние высокочастотного ультразвука в поликристаллических металлах, на дислокациях в На распространение З в атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т. е. рефракцию З, которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру З слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости З с глубиной в океане объясняет наличие т. н. подводного звукового канала, в котором наблюдается сверхдальнее распространение З, например З взрыва распространяется в таком канале на расстояние более 5000 км.
Вторая группа факторов, определяющих затухание З, связана с физическими процессами в веществе - необратимым переходом звуковой энергии в др. формы (главным образом в тепло), т. е. с поглощением звука, обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды ("классическое поглощение"), а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов (молекулярное или релаксационное поглощение). Поглощение З заметно возрастает с частотой. Поэтому высокочастотный ультразвук и гиперзвук распространяются, как правило, лишь на очень малые расстояния, часто всего на несколько см. В атмосфере, в водной среде и в земной коре дальше всего распространяются инфразвуковые волны, отличающиеся малым поглощением и слабо рассеиваемые. На высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах в твердом теле возникает дополнительное поглощение, обусловленное взаимодействием волны с тепловыми колебаниями решетки, с электронами и со световыми волнами. Это взаимодействие при определенных условиях может вызвать и "отрицательное поглощение", т. е. усиление звуковой волны.
Значение звуковых волн, а следовательно, и их изучение, которым занимается акустика, чрезвычайно велико. С давних пор З служит средством связи и сигнализации. Изучение всех его характеристик позволяет разработать более совершенные системы передачи информации, повысить дальность систем сигнализации, создать более совершенные музыкальные инструменты. Зовые волны являются практически единственным видом сигналов, распространяющихся в водной среде, где они служат для целей подводной связи, навигации, локации (см. Гидроакустика). Низкочастотный звук является инструментом исследования земной коры. Практическое применение ультразвука создало целую отрасль современной техники - ультразвуковую технику. Ультразвук используется как для контрольно-измерительных целей (в частности, в дефектоскопии), так и для активного воздействия на вещество (ультразвуковая очистка, механическая обработка, сварка и т.п.). Высокочастотные звуковые волны и особенно гиперзвук служат важнейшим средством исследований в физике твердого тела.
Лит.: Стретт Д ж. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 1-2, М., 1955; Красильников В. А., Зовые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960; Розенберг Л. Д., Рассказ о неслышимом звуке, М., 1961.
И. П. Голямина.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
