Как найти частоту звуковых колебаний формула

Как найти частоту звуковых колебаний

Звуком называют волны механических деформаций, распространяющиеся в любой достаточно упругой среде (жидкостях, твердых телах, газах). Как и другие волны, звук характеризуется, в частности, частотой колебаний. В зависимости от начальных условий найти частоту звука можно разными способами.

Вам понадобится

• — калькулятор;
• — физический справочник;
• — тахометр;
• — звуковой датчик;
• — осциллограф.

Инструкция

Найдите частоту звуковых колебаний, если известна длина их волн и скорость звука в среде, где они распространяются. Вычисления следует производить по формуле F=V/L. Здесь V — скорость звука в среде, а L — длина волны (известная величина). Значения скоростей звука для разных сред можно узнать из физических справочников. Так, для воздуха при нормальных условиях (температуре в районе 20°C и давлении, близком к атмосферному) это значение составляет 341 м/с. Поэтому, например, звуковые колебания в воздухе с длиной волны в 0,25 м будут иметь частоту 341/0,25=1364 Гц.

Найти частоту звуковых колебаний, зная их период, можно по простой формуле: F=1/T. Обратите внимание на то, что для получения корректных значений частоты, представленных в герцах, период T должен быть выражен системе СИ, то есть иметь размерность в секундах.

Для получения частоты звуковых колебаний, распространяющихся в реальной среде, осуществите физический эксперимент. Примените специализированное устройство — тахометр. Сегодня тахометры, как правило, имеют высокую точность измерений и отображают информацию в готовом виде на цифровом индикаторе.

При отсутствии тахометра для нахождения частоты звука можно воспользоваться микрофоном или другим звуковым датчиком с достаточной чувствительностью, а также осциллографом. Подключите датчик к осциллографу и создайте условия для получения сигнала (например, поместите датчик в исследуемую среду). Подберите чувствительность осциллографа так, чтобы колебания на экране отображались с достаточной амплитудой. Путем подстройки частоты развертки добейтесь отображения устойчивой картинки. Узнайте период звуковых колебаний, ориентируясь на шкалу прибора. Найдите частоту, используя способ, описанный во втором шаге.

Обратите внимание

При вычислениях, связанных с получением значений частоты звука, всегда переводите все известные значения в систему СИ.

Полезный совет

Если дополнительно требуется найти циклическую частоту звуковых колебаний, рассчитайте ее по формуле w=2*PI*F, где F — частота, выраженная в герцах, полученная одним из описанных способов.

Войти на сайт

или

Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?

Звуковая волна – период, длина, частота и скорость распространения

Калькуляторы онлайн перевода длины звуковой, инфразвуковой или ультразвуковой
волны в частоту и наоборот. Таблица соответствия
нот полного звукоряда частотам.

Звуковая волна – это механические колебания, которые в результате колебаний молекул вещества распространяются в какой-либо
среде (в газе, жидкости или твёрдом теле) и, достигнув органов слуха человека, воспринимаются им как звук. Источник, создающий
возмущение (колебания воздуха), называется источником звука.
Как уже было сказано, для распространения звука необходима какая-либо упругая среда. Поэтому в вакууме ори, не ори – тебя никто не
услышит, по причине того, что звуковые волны распространяться не смогут, так как там нечему колебаться.., да и слушать там, по большому
счёту, тоже некому.

Так же, как и в случае с электромагнитными волнами, соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний,
в общем случае выглядит следующим образом:
λ (м) = V (м/сек) / F (Гц), где V (м/сек) — это скорость распространения
звука в среде.

Период колебаний также не претерпел никаких изменений и по-прежнему равен:

T(сек) = 1 / F (Гц) = λ (м) / V (м/сек).

Частота колебаний звукового сигнала F (Гц) – это параметр стабильный, практически не зависящий от среды распространения.

А вот скорость звука V (м/сек), а соответственно и длина звуковой волны – это величины, которые зависят
не только от плотности вещества, но и от его упругости, а в случае с жидкостями и газами ещё – и от температуры, и атмосферного
давления.

Зависимость скорости звуковой волны от свойств упругой среды легко прослеживается по следующей формуле:
V (м/сек) = √Eупр (паскаль) / ρ (кг/м³)
,
где Eупр представляет собой модуль объёмной упругости среды, а ρ – плотность среды.
Модуль упругости, так же как и плотность – это справочные величины, прописанные для конкретных материалов.

В качестве примера, ниже приведена таблица величины скорости распространения звука в различных средах:

Среда	Скорость звука, м/сек
Воздух при 0°	331
Воздух при 30°	350
Вода	1450
Медь	3800
Дерево	4800
Железо	4900
Сталь	5600

Для газов параметры модуля объёмной упругости и плотности имеют ярко выраженную зависимость от температуры и атмосферного давления.
Если углубиться, то скорость звука в газах можно вычислить по следующей формуле:

V (м/сек) = √γ*Ратм / ρ ,
где

γ = cp/сv – это отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении
к удельной теплоёмкости при постоянном объёме, а Pатм – атмосферное давление,
которое связано с температурой газообразной среды.

Поэтому, чтобы никого сильно не грузить, приведу и приближённую зависимость скорости звука (при нормальном
атмосферном давлении) от температуры среды:
V (м/сек) = (331 + 0,6 * T°), где 331 м/сек – это скорость звука при 0°С,
а T° – температура в градусах Цельсия.

Теперь можно совместить формулы и получить простое соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний с учётом
температуры среды:

λ (м) = (331 + 0,6 * T°) / F (Гц).

Всё это без лишнего напряга несложно посчитать при помощи листа бумаги или деревянных счёт, ну а для пущего упрощения жизни человека,
приведу и пару он-лайн считалок для перевода одного из параметров в другой.
Калькуляторы предполагают расчёты длины и частоты звуковой волны для воздушной среды при нормальном атмосферном
давлении (760 мм ртутного столба).

Онлайн калькулятор расчёта длины звуковой волны по частоте

Частота звуковых колебаний f
Температура Т(°С) (по умолчанию 20°)
Длина волны

Онлайн калькулятор расчёта частоты по длине звуковой волны

Длина волны λ при заданной Т
Температура Т(°С) (по умолчанию 20°)
Частота колебаний

Полный диапазон звуковых частот условно находится в пределах:
16…20 000 Гц.
Ниже ( 0,001…16Гц ) – инфразвук.
Выше ( 20…100кГц ) – низкочастотный ультразвук,
ещё выше (100кГц…1МГц) – высокочастотный ультразвук.

А для интересующихся приведу таблицу соответствия нот стандартного музыкального звукоряда частотам.

Частота (Гц)
Октава	Нота
До	До — диез	Ре	Ми — бемоль	Ми	Фа	Фа — диез	Си	Си- диез	Ля	Соль-бемоль	Соль
C	C#	D	Eb	E	F	F#	G	G#	A	Bb	B
0	16.35	17.32	18.35	19.45	20.60	21.83	23.12	24.50	25.96	27.50	29.14	30.87
1	32.70	34.65	36.71	38.89	41.20	43.65	46.25	49.00	51.91	55.00	58.27	61.74
2	65.41	69.30	73.42	77.78	82.41	87.31	92.50	98.00	103.8	110.0	116.5	123.5
3	130.8	138.6	146.8	155.6	164.8	174.6	185.0	196.0	207.7	220.0	233.1	246.9
4	261.6	277.2	293.7	311.1	329.6	349.2	370.0	392.0	415.3	440.0	466.2	493.9
5	523.3	554.4	587.3	622.3	659.3	698.5	740.0	784.0	830.6	880.0	932.3	987.8
6	1047	1109	1175	1245	1319	1397	1480	1568	1661	1760	1865	1976
7	2093	2217	2349	2489	2637	2794	2960	3136	3322	3520	3729	3951
8	4186	4435	4699	4978	5274	5588	5920	6272	6645	7040	7459	7902

Что такое звук и как он образуется

Давайте познакомимся с темой звука поближе, остановившись подробно на самых ключевых основах как с точки зрения науки, так и более приземлённо. Все мы с раннего детства привыкли жить в мире, наводнённым самыми разными звуками и их сочетаниями, этот момент ни у кого не вызывает удивления или вопросов. Но понять, а тем более визуализировать процесс распространения звука в пространстве способен далеко не каждый. Изучением звука и явлений, с ним связанных, издавна занимается хорошо нам знакомая наука физика. Что же она может сказать нам по данному поводу, как может объяснить природу явления? Несмотря на то, что физическая формулировка может быть несколько «замудрёной» и малопонятной на первый взгляд, на самом деле всё достаточно просто.

Звук представляет собой волновой процесс передачи энергии/давления в пространстве от некого колебательного источника.

Давайте попробуем разобраться детальнее в приведённом вольном определении. Уточним основные моменты в развёртке:

• Для возникновения звука всегда должен быть некий источник колебаний, взаимодействующий с окружающей средой. Если слышим какой-либо звук, то значит где-то есть его источник, что-то или кто-то излучает звуковые волны в пространство. Источник всегда колебательный: что-то колеблется и передаёт эти колебания дальше с помощью среды. Это могут быть голосовые связки человека, струны музыкального инструмента или любой «излучатель», тот же акустический динамик.
• На образование звука всегда тратится какая-то энергия и совершается некая работа. Известный из физики принцип «ничто не даётся просто так» или «ничто не возникает ниоткуда и не уходит в никуда» работает безотказно всегда, не будет исключением и звук, на «создание» которого должна совершиться механическая работа и затратиться энергия.

Колебания распространяются в виде звуковых волн

Звук представляет собой волну. В простейшем случае это механическая волна, т.к. процесс колебаний частиц среды вполне себе определённый физикой как маханика смещения/взаимодействия частиц. Каким образом можно его представить волновым? Вот есть источник, от него расходятся колебания… В каких-то определённых направлениях! Раз у звука есть направление от источника, то уже можно условно представить данный процесс «линией», вектором со стрелкой. Но и это ещё не всё.

Вспоминая всё те же закономерности физики можно даже логически додумать: при образовании импульса изменённого повышенного давления от источника звука, движущегося в пространстве, вслед за этим неизбежно возникает компенсация и, за областью повышенного давления образуется точно такая же область пониженного. А что напоминают подобные чередования подъёмов и спадов в природе, да и не только? Конечно же волны! Будь то морские или «искуственные» синусы, неважно, принцип везде одинаков — за пиком всегда циклично следует спад и т.д. Поэтому распространение энергии в пространстве и можно представить волной, т.к. «движется» она неравномерно, чередованием зон уплотнений (повышенное давление) и разряжений (пониженное давление).

Среды где существует звук

Для распространения звука есть одно обязательное условие — необходимо наличие среды. Что это значит и какие могут быть среды? Для ответа на вопрос снова полезно будет вспомнить физику, хотя и без неё можно догадаться, что почти всё вокруг нас условно можно считать средой. Чтобы это понять или запомнить, достаточно знать, что среда — это то, где есть некий молекулярный состав и структура. Вот именно в таких (и только!) условиях и может распространяться звуковая волна, взаимодействуя с молекулярной структурой среды. Таким образом, звук может свободно «гулять» лишь в трёх хорошо известных средах:

1. В газообразной. Самый очевидный и понятный пример — воздух вокруг нас;
2. В жидкой. Например в воде;
3. В твёрдой. Например в металле или древесине;

Во всех приведённых примерах у среды есть некий молекулярный состав, что и является основным условием передачи звука. Так, например, в воздухе есть молекулы, невидимые глазу, однако именно они и выступают в роли транспортного проводника звуковой волны, и тут происходит передача энергии благодаря ниличию упругой связи между частицами. Тоже самое можно сказать про воду и уж конечно в твёрддых телах происходят активнее всего такие взаимодействия, структуру последних для наглядности можно и пощупать или увидеть в микроскоп.

А где же тогда звук не сможет распространяться? Не произойдёт этого явления в вакууме, стало быть в просторах бескрайнего космоса звука не существует.

Поэтому, когда в кино показывают эффектную вспышку взрывной волны с раскатами оглушающего звука, то знайте, что это уловка (или недоработка) создателей фильма и ничего подобного в реальности бы не произошло, для стороннего наблюдателя взрыв в космосе происходит в полной тишине.

По средам распространения, за счёт взаимодействия с ними, звук имеет свои интересные нюансы, на которые стоит обратить внимание:

1. Когда волна распространяется где-либо в пространстве, она «контактирует» с его структурой, но практически никак её не видоизменяет и фактически не двигает! То есть металлический брусок, через который пройдёт звуковая волна, — останется структурно неизменным, хотя в процессе движения энергии будет выделяться незначительное тепло в результате внутреннего трения. Тогда что же такое неуловимое движется от источника звука и в конечном счёте достигает наших искушённых ушей? Это весьма интересный и сложный момент, ведь во всех случаях с передачей звука двигается не само вещество или его структура (молекулам двигаться сложно и фактически некуда из-за тесной и прочной природы связей между ними), а перемещается как бы энергия, путём передачи сообщающегося «толчка» от одних молекул другим, соседним. Чтобы это представить наглядно, нарисуем в воображении бассеин, заполненный надутыми воздушными шариками до отказа. Деться шарикам некуда, т.к. они плотно втиснуты в объём бассеина. Но, если толкнуть один крайний шарик механически, то этот удар будет передаваться каждому последующему шарику с некоторым ослабеванием, что похоже также на принцип «домино». Вот и получается, что сами шары никуда особо не движутся, лишь в малых пределах, но передают друг через друга начальный «ударный» импульс. Точно так происходит и с занимательными путешествиями звуковой волны, пронизывающей структуры пространства, но не способной сместить молекулы с точки их равновесия.
2. При прохождении через слои пространства среды волна неизбежно ослабевает, что объясняется силами трения между молекулами. Если сильная звуковая волна, только возникнув, хорошо «качнула» первый ряд молекул того же воздуха и пошла дальше, то следующий ряд молекул «качнётся» неизбежно чуточку слабее и так будет происходить по нарастающей, где через какое-то расстояние наша звуковая волна полностью рассеится, расстеряв весь свой энергетический потенциал. Всё это происходит из-за того, что каждая молекула находится в неком равновесном состоянии, тем самым всячески сопротивляясь внешним попыткам сдвинуться с места, тут-то и возникает эффект внутреннего трения и потерь внутри среды, которые будут варьироваться в зависимости от разных сред и множества других факторов. Упрощённо говоря, звук всегда будет ослабевать с момента возникновения в источнике до конечного слушателя или приёмника звука, вопрос лишь в том, насколько это ослабевание будет интенсивным и быстрым.

Виды и формы звуковых волн от плоской до сферической

Вот наш звук появился на свет в форме волны, но как именно распространяется и чем ещё характеризуется? У любой звуковой волны будет направление движения или правильнее сказать направление распространения в пространстве от источника. В повседневной жизни мы чаще всего сталкиваемся со звуком, «путешествующим» по воздуху. Воздушная среда, благодаря наличию в ней упругих сил, оказывает сопротивление деформации. Именно благодаря этой особенности в газообразной и жидкой средах возникают волны, называемые продольными.

Представим источник звука в виде какого-то объекта/точки, окружённого воздущным пространством. Объект этот, пусть будет музыкант с инструментом в руках, стоящий в чистом бескрайнем поле, будет излучать звук в воздушное пространство вокруг себя во всех направлениях, но сами волны всегда будут продольными. Такими называются те волны, где распространение перемещения энергии/изменения давления в пространстве происходит строго в том же направлении, что и движение молекул среды, хотя движением его можно назвать с натяжкой, т.к. как помним — молекулы сами по себе никуда не движутся, но всё же смещаются на некоторое расстояние в пределах зоны свох «свобод», происходит нарушение равновесного состояния, пытающегося восстановиться упругими связями. Продольные волны можно нарисовать графически стрелочкой, которая будет параллельна импульсу молекулярного смещения в среде. Продольные волны образуются во всех трёх средах: твёрдой, жидкой и газообразной, но только в двух последних не могут образоваться волны иного типа, что объясняется упругими связями, присущими жидкостям и газам.

Когда же речь заходит о перемещении звуковой волны внутри твёрдого тела, то ситуация несколько усложняется за счёт особой структуры данной среды. В твёрдых телах, помимо продольных волн, могут образовываться ещё и поперечные. Кто не забыл школьные уроки геометрии наверняка догадается, что это за тип волнового излучения: фронт звука в таком случае уже будет не сонаправлен с молекулярным смещением, а перпендикулярен относительно него. Происходит это из-за особенностей структуры многих твёрдых тел, где молекулы, «возбуждая» соседние при передаче волны, начинают хаотично отклоняться в стороны относительно направления движения зон чередования давлений, тем самым и звук «расходится» не только вдоль от источника, но и поперёк. У поперечных волн главным отличием можно отметить подверженность поляризации, т.е. такие волны колеблются в строго определённой плоскости.

В нашем примере музыканта в открытом поле направление звука расходится во все стороны от источника волнами разных типов, что будет зависеть от способа возбуждения колебаний.

Инструмент музыканта будет излучать в пространство смешанные типы волн, они зависят от геометрической формы излучающей (или взаимодействующей со звуковым фронтом) поверхности и от соотношения длины самой волны к размеру этой поверхности. Наиболее распространённые волны следующих форм:

• Плоские звуковые волны. Образуются плоской колеблющейся твёрдой поверхностью, например ровным листом фанеры. В данном случае поверхность должна быть больше по размеру, нежели длина излучаемой волны, ещё плоские волны могут образовываться сами по себе в пространстве на удалении от излучателя. Лучи (направление) плоских волн всегда параллельны. Такие волны существует больше в идеализированном представлении, нежели в реальности, или на значительном удалении от источника звука.
• Сферические звуковые волны. Данные колебания звука в пространство создаёт точка или шар/сфера. В противовес плоским, при создании сферической волны — излучающая поверхность должна быть меньше длины звуковой волны. Лучи (направление) совпадают с радиусами шара/круглого объекта.

Формы звуковых волн носят несколько условный характер и зависят от расстояния рассмотрения излучающего объекта. Так, при близком рассмотрении сферического объекта, излучение одной его стороны можно рассматривать как плоскую волну и т.д.

Когда некое твёрдое тело совершает в среде череду повторяющихся колебаний в виде возвратно-поступательных движений с неизбежным затуханием со временем (если только колебания не поддерживаются некой силой извне), то возникающая в результате таких повторяющихся движений волна называется гармонической или синусоидальной, поскольку своей чередой зон уплотнений и разряжений давления повторяет синус.

Промежуток времени между двумя пиками или спадами называется периодом колебаний, а количество полных периодов будет частотой гармонической звуковой волны. Традиционный акустический динамик совершает как раз вынужденные (с применением внешней силы) гармонические синусоидальные колебания, в которых при движении диффузора динамика вперёд распространяется зона сжатия, а при движении назад происходит компенсация и в ход вступает уже зона разряжения.

Скорость звука

Следующей характеристикой будет скорость, с которой волна «растекается», движется сквозь пространство от источника к конечной цели взаимодействия, где её можно уловить. Традиционно в физике измеряется расстояние, пройденное волной за какой-то период времени, чаще всего за секунду. Скорость, как и в случае с направлением, зависит в первую очередь от среды и уже от её состояния в конкретный момент времени, а также от температуры. Таких состояний может быть достаточно много, например, воздух может быть разреженным или плотным, «морозным» или прогретым и т.д. Рассмотрим, как в разных средах меняется скорость распространения звуковой волны и от чего зависит:

• В газообразных средах наименьшая молекулярная плотность, оттого скорость звука будет самой низкой среди прочих. Зависеть она будет от состава газа и его температуры. Типичное значение скорости звука в воздухе составляет 331 метров в секунду при температуре 0 градусов.
• В жидкостях скорость распространения звука возрастает т.к. возрастает и плотность среды, стало быть взаимодействие при передаче происходит быстрее. Также будет действовать зависимость скорости от состава жидкости и от температуры. Для примера, в воде скорость звука будет 1403 метра в секунду при температуре 0 градусов.
• В твёрдых телах отмечается наибольшая скорость распространения звуковых волн, к тому же там могут существовать два типа волн: продольные и поперечные, скорость их будет различной, скорость продольной волны всегда будет выше скорости поперечной. Конечно же максимальная скорость звуковой волны объясняется соответствующей структурой и максимальной плотностью кристаллической решётки, потому «сообщение» импульса будет практически мгновенным. Зависимость от температуры и конкретного состава также сохраняется. Например, в железе звук будет «лететь» со скоростью 5130 метра в секунду при температуре 0 градусов.

Скорость во всех средах всегда одинаково меняется с изменением температуры, зависимость прямая: чем температура среды/вещества/материи выше, тем быстрее волна будет там распространяться. Объясняется это тем, что с повышением температуры увеличивается молекулярная подвижность, а значит облегчается/ускоряется и передача самой звуковой волны.

Для наглядности табличка со скоростью звука в наиболее частых условиях, окружающих человека:

Глядя на цифры становится понятно, что для людей в сравнении с привычными значениями скорости движения объектов вокруг нас, — скорость звука оказывается очень велика, для нашего восприятия звук движется почти молниеносно и меньше секунды достигает ушей от источника. Быстрее звука движется разве что свет.

Амплитуда и громкость

Мы уже вполне чётко определили, что звук по своей природе — есть волна, или распространение череды пиков и спадов. Перенося это представление на реальную волну, скажем морскую, мы можем графически изобразить простейшим синусом, где будет двигаться сначала «гребень» волны, а затем «яма». Отсюда логично вывести, что у волны есть амплитуда, которую можно охарактеризовать размерами пиков и провалов волны, зависимых друг от друга, т.е. чем больше пик волны, тем соответственно больше провал. Перенося это представление на морскую волну, легко понять суть понятия амплитуды: чем волна на море выше, тем амплитуда её больше и наоборот. На графике амплитудой будет расстояние от пика волны (верхняя точка) до провала (нижняя точка). От чего же зависит амплитуда звуковой волны и что в конечном счёте даёт нам при восприятии звука? Нетрудно догадаться, что амплитуда или своего рода «сила» звука будет зависеть от степени энергетической наполненности изначального импульса от источника колебаний. Или простыми словами: чем большее энергии затратилось и чем внушительнее работа совершилась, тем амплитуда волны будет больше.

Простой пример: возьмём гитару и легонечко оттянем струну а потом отпустим, в результате получив ровный тихий звук; Теперь сделаем тоже самое уже со значительным механическим усилием и, если струна не порвётся и выдержит, то получим звук гораздо громче на слух, со значительно бОльшей амплитудой звуковой волны. Из описанного примера сразу же наглядно видим самую очевидную зависимость субъективного плана, что от размаха амплитуды звука напрямую зависит его воспринимаемая громкость: больше затраченной энергии = больше амплитуда = выше громкость и наоборот. Поэтому субьективное понятие громкости тесно связано с амплитудой волны и её энергетической насыщенностью. Громкость принято измерять в децибелах (Дб), в честь знаменитого учёного Белла. Однако Децибел — величина не совсем простая и прямолинейная, по сути своей она логарифмическая, что сделано не случайно и перекликается с особенностями устройства человеческого слухового аппарата и наших возможностей по восприятию звука, о чём речь пойдёт чуть дальше.

Громкость зависит от частоты звуковой волны и будет различна на низких, средних, высоких частотах, что определяется особенностями нашего слуха. Так, тон 1000 гц в 50 дб субьективно будет восприниматься существенно громче тона 200 Гц, и чтобы их уровнять, потребуется поднять уровень громкости нижней частоты на целых 10 дб! Так нелинейно люди воспринимают почти все звуки разных частот слышимого диапазона — какие-то громче, какие-то тише, при этом исходная энергетическая интенсивность будет одинаковой! На основании этой уникальной особенности есть график Флетчера и Мэнсона (учёных, проводивших оригинальный эксперимент), отражающий слуховую нелинейность.

Интенсивность звуковой волны

Ранее мы поняли главное, что в качестве звука совершает движение энергия. Оглядываясь на физику сразу возникает закономерный вопрос: сколько конкретно её переместилось за единицу времени? Конечно же это можно измерить и посчитать, получив в итоге характеристику волны под названием интенсивность. Интенсивность — обозначает количество энергии, перенесённую волной звука за какой-то период времени через поверхность/среду. От интенсивности, от степени энергетической насыщенности волны напрямую зависит громкость звука и соответственно амплитуда волны. Человеческие органы слуха отличаются пороговой слышимостью для тихих и громких звуков, что тесно связано с интенсивностью звука: самый тихий звук начинается примерно с 0 Дб; а верхняя граница обозначается болевым порогом, наступающим примерно в районе 120 Дб.

Звуки сильно различаются по интенсивности, в десятки раз, поэтому рассматривать их проще и удобнее логарифмами, с чем успешно и справляется размерность в децибелах. Сравнивается рассматриваемое значение интенсивности звука с неким исходным. Таким образом один звук, громче другого на 20 Дб, на самом деле отличается инстенсивностью в 100 раз больше, согласно правилам логарифмов. Шкала громкости различных звуков от самого тихого еле слышимого до белевого порога — тоже логарифмическая. Достаточно помнить, что изменение громкости на 1 Дб в ту или иную сторону, означает примерное изменение интенсивности звука в 2 раза.

Звуковые волны и их частоты в герцах (Гц)

Кроме амплитуды, наиболее важной характеристикой звуковой волны является частота. Что это такое? Можно догадаться из определения, данный параметр будет определять то, насколько часто совершаются колебания источником звука за какой-то период времени, в физике таким периодом принимается 1 секунда по системе СИ. Итак, попробуем представить частоту звука наглядно. Скажем, у нас есть некоторый объект, пусть это будет низкочастотный излучающий динамик, который совершит 20 колебаний за секунду, такое количество мы вполне можем представить и даже ухватить невооружённым глазом. Так вот, эти 20 колебаний в секунду и будут частотой излучаемого динамиком звука. Частота в физике традиционно измеряется в герцах (в честь знаменитого учёного первооткрывателя), и в нашем примере с низкочастотным звуковым излучением 20 колебаний в секунду правильно будет обозначить частотой звука 20 Герц.

Слышимые звуковые частоты условно делятся для удобства на низкие, средние и высокие, хотя при желании можно делить и на более узкие отрезки. Человек биологически так устроен, что способен воспринимать и слышать звуки ограниченного отрезка — это частотные диапазоны, примерно от 15 герц снизу до 25000 герц сверху, что варьируется от индивидуальных особенностей строения слухового аппарата и возраста. В зависимости от частоты: звук ниже порога человеческой слышимости называется «инфразвуком», а звук выше порога называется «ультразвуком». Таким образом это вовсе не значит, что звуков за пределами слышимого диапазона нет, просто человеческий слух не способен воспринять эти частоты колебаний, однако на это способны некоторые животные, а также легко справляется чувствительная звукоулавливающая аппаратура. В примере выше мы посмотрели на колебания низкой частоты 20 гц, вполне видимую глазами, а что будет, если дёрнуть гитарную струну? Она конечно же тоже создаст колебания, только их будет гораздо больше за период в 1 секунду, скажем 1000 гц — это будут уже высокочастотные колебания настолько частые, что практически неуловимые и невидимые зрительно.

С частотой звука, а точнее с её изменением связан один любопытный эффект, названный эффектом Доплера, в честь открывшего его человека. Заключается он в том, что воспринимаемая частота колебаний изменяется в случае движения источника звука относительно приёмника, или же наоборот, происходит частотный сдвиг. Пронаблюдать эффект можно, например, у проезжающего мимо автомобиля, частота звука двигателя которого будет меняться по мере сближения и удаления. Объясняется оно тем, что при движении объекта относительно слушателя с разным расстоянием меняются и длины звуковых волн от источника. Примерно получается следующая картина: частоты становятся ниже в случае удаления источника звука и выше в случае сближения.

Длина звуковой волны

Поскольку звук разной частоты представляет собой волну, то почти как и всё в физике, — он может быть измерен, и такой характеристикой выступает длина волны. Считается она за один полный период от пика до следующего пика, или соответственно от спада до спада и зависит в первую очередь от частоты.

По сути это расстояние, на которое распространяется волна за один полный период колебаний. Звуки высоких частот всегда отличаются малыми длинами волн до десятков сантиметров, но чем частота больше опускается, тем более длинным становится один полный период колебаний, доходящий уже до десятков метров.

Различные звуковые явления на границе раздела сред с примерами

Теперь мы примерно представляем основы распространения звуковых волн в разных средах, но в реальной жизни гораздо больше условий взаимодействия звуковых волн с пространством вокруг нас, ситуации эти многообразны и со звуком происходит немало трансформаций и прочих интересных явлений, большинство из которых достаточно хорошо изучены. Попробуем рассмотреть звуковую волну в таком разрезе и лучше познакомиться с возможными её трансформациями и взаимодействиями со структурами различных сред, поскольку самое интересное чаще всего происходит именно на границах раздела между ними.

Вернёмся к нашему примеру музыканта в поле. Пусть он заиграет на своём музыкальном инструменте, тогда звук вокруг него «польётся» по воздуху во всех направлениях, однако волны в каждом случае будут продольными.

Ситуация пока предельно проста и понятна: звуковые волны перемещаются в воздушной среде, потихоньку затухая по мере удаления от источника звука, притом сила и степень затухания будет неравномерной на разных частотах звука даже при условии одинаковой изначальной интенсивности, что связано с длиной волны. Таким образом, игра музыканта будет хорошо слышна во всех направлениях относительно него, даже сверху. Теперь усложним задачку и добавим новые среды: пусть рядом с музыкантом появится водоём в форме маленького пруда и кирпичная сплошная стена, на некотором удалении. При взаимодействии с этими новыми средами звук будет демонстрировать интересные явления, которые, впрочем, все применимы к теории волн в физике, но разберём их детальнее.

Итак, первое явление, с которым мы столкнёмся, будет частичное проникновение звука из одной среды в другую. Т.е. звуковая волна, движущаяся свободно по воздуху, наткнувшись по пути на препятствие ввиде водной глади пруда или кирпичной стены, — частично проникнет внутрь структуры этих сред и начнёт распространяться уже там по всем сопутствующим законам и правилам. В процессе такого проникновения волна претерпевает изменения: она частично гасится, превращаясь в тепло, и меняет направление своего движения, т.е. преломляется. Угол преломления в данном случае будет зависеть от того, из какой среды в какую проникает звук: если скорость звука в новой среде больше для волны, то и угол преломления будет большим и с точностью до наоброт. Переходные процессы и трансформации звуковых волн объясняются тем, что плотность новой среды меняется, как меняется и скорость распространения. Из нашего примера: часть «музыкальной» звуковой волны проникнет в водную поверхость, часть проникнет в структуру кирпичной стены и пойдут дальше уже внутри этих новых сред.

Волны проникают из одной среды в другую, но что при этом происходит с направлением их движения? Когда звук «входит» в некое препятствие/новую для него среду — угол падения равен углу отражения, единое правило для всех волн в физике. Однако, уже на границе раздела среды сразу после вхождения направление волны изменится, произойдёт явление преломления, называемого также рефракцией. Правило тут такое: вектор движения изменится, если при падении на границу раздела угол падения будет отличен от 90 градусов по отношению к препятствию. Рефракция может возникнуть и в рамках одной среды при условии неоднородностей, когда скорость звука хаотично меняется от точки к точке. На практике такое происходит, например, при плавном изменении температуры, частое явление в атмосфере. Как помним, скорость звука зависит от температуры и с её повышением будет увеличиваться. Таким образом, при плавном изменении температуры в одной среде — звуковые волны будут менять своё направление в сторону участка среды с более высокой температурой. Представим на примере с атмосферой, где в ряде случаев происходит ступенчатое увеличение температуры по вертикали с увеличением высоты, тогда у звуков, издаваемых источником с поверхности земли будет меняться траектория таким образом, что будет как бы «тянуться» в сторону вертикального столба температурного градиента. Подобное «утягивание» волны вверх может даже привести к тому, что зона направления звука на достаточном удалении от источника, вопреки ожидаемому появлению там звуковой волны, будет зоной молчания, куда звук не дойдёт вовсе или же доберётся со значительно сниженной интенсивностью. Эффект рефракции по градиенту температуры будет наблюдаться во всех известных средах: в газах, в жидкостях и твёрдых телах.

Другим явлением, не менее интересным, на границе раздела двух сред — будет отражение. В нашем примере оно будет частичным, т.к. какая-то доля волнового фронта звука проникнет внутрь новой среды, какая-то отразится. Явление происходит по физическим законам, известным многим ещё со школы знаменитой формулировкой «угол падения равен углу отражения». Однако сам принцип отражения тех или иных волн зависит опять-таки от «новой» для звуковой волны среды, её состава и свойств. Отражённая звуковая волна непременно потеряет часть своей энергии и поменяет направление движения, далее уже в таком виде «полетит» обратно в воздушное пространство. В примере музыканта, играющего в поле, звуковые волны отразятся от поверхности водной глади пруда и кирпичной стены, потеряют часть своей энергии и, по какой-то новой траектории продолжат распространяться в воздушной среде.

Познакомившись с явлением отражения, у звуковых волн можно выделить ещё одну классификацию в зависимости от направления движения волны: она может быть прямой, в направлении от источника звука / излучателя; и обратной — возвращающейся из-за отражения в противоположном изначальному направлению движения. Прямые и обратные волны могут взаимодействовать друг с другом, образуя ряд как положительных, так и весьма нежелательных эффектов, о чём будет рассказано чуть дальше.

Звуковая волна, при встрече с препятствием, как мы поняли, будет и отражаться и проникать внутрь в каком-то соотношении. Этот момент определяется несколькими ключевыми факторами:

• размерами препятствия в сравнении с длиной волны, при этом роль играет как площадь такой преграды, так и её толщина. Так, например, если перегородка на пути звука будет сплошной, но при этом тонкой, то преобладать будет эффект проникновения волн, нежели их отражение.
• самой структурой среды, в частности соотношениями плотностей различных сред и скорости звука в них.

Ещё одним знаковым явлением будет дифракция, или способность звука огибать препятствие, или как бы обтекать его. Оно происходит тогда, когда размер волны примерно равен или больше, чем физический размер препятствия, следовательно, почти все волны низких частот, обладающие внушительными длинами волн, чаще и охотнее прочих подвержены этому явлению, а значит и будут слышны лучше и отчётливее прочих.

Благодаря дифракции также звук свободно проходит в мелкие щели и зазоры почти беспрепятственно. Вернувшись к музыканту, играющему в поле, волны его музыкального перформанса будут огибать лишь кирпичную стену и будут хорошо слышимы за ней, но только те звуковые волны, длина которых больше размера предполагаемой стены.

Взаимодействие волн звука друг с другом

Когда наш виртуальный музыкант в поле игрет на своём музыкальном инструменте, будь то скрипка или гитара, он излучает в пространство звук не какой-то одной частоты, а целый обширный набор звуковых волн разных частот в достаточно широком отрезке слышимого человеком диапазона. Такая картина уже сложнее для понимания, но она же в свою очередь ближе к реальным условиям жизни, когда нас окружают мириады различных звуков, как по интенсивности так и по частотам, они могут согласовываться с друг другом гармонически или входить в диссонанс, образуя какофонию звуков, которые принято называть всем знакомым термином «шум».

Вообще шум — это множественные несогласованные друг с другом звуки, создаваемые разрозненными источниками звука. Всем хорошо известные примеры уличного городского шума, или шума листвы деревьев.

Держа в уме, что волн распространяется одновременно большое количество, нетрудно сообразить, что и между собой они могут как-то взаимодействовать и влиять друг на друга. Действительно, так и происходит, в результате возникает ряд эффектов, как положительных, так и достаточно вредных (хотя зависит от того, с какой стороны на них посмотреть и как использовать).

Основу взаимодействия волн определяет эффект интерференции, или наложения двух или более волн друг на друга.

Уже на базе интерференции могут образовываться так называемые стоячие волны. Возникают они при отражении звука, когда возвращающаяся в обратном направлении волна определённой частоты, фазы и амплитуды натыкается на «летящую» в первоначальном направлении с точно такими же характеристиками, что будет важным условием для образования стоячих волн. Такие волны складываются в той точке пространства, где судьба свела их вместе и, в результате слияния получается эффект двойного энергетического выброса, т.е. проще говоря, локальное усиление звука по амплитуде (громкости) вдвое (если сложилось две волны) или более (если повстречалось более двух волн в одной точке) для стороннего слушателя, также возможен и ряд других побочных эффектов.

В результате образования стоячей волны в пространстве возникает постоянная недвижущаяся картина т.н. пучностей и узлов волны, если источники излучения звука и окружающие поверхности не движутся относительно друг друга. В пучностях происходит максимальный выброс энергии/интенсивности звуковой волны, а в узлах частицы не колеблются и не смещаются. Стоячая волна часто весьма неплохо «ловится на слух» неестественным подъёмом громкости какой-то одной отдельной частоты и её близжайших гармоник.

Ещё одним познавательным моментом взаимодействия звуковых волн будет возникновение так называемых биений. Этот случай также относится к интерференции, оказывается, складываться могут не только полностью совпадающие по определённым характеристикам волны, но и просто похожие по частотам, можно сказать близкие. Например, волны с частотами 100 и 110 гц недалеко ушли друг от друга в частотном плане, и при встрече друг с другом вполне могут образовать форму слияния ввиде биений. В этом случае амплитуда звука также увеличивается, как это происходило со стоячими волнами, только чуть иначе. Произойдёт как бы компенсация зоны провала звукового давления волны одной частоты зоной пика другой. Биения, несмотря на достаточно слабую выраженность, также неплохо улавливаются на слух как и стоячие волны, с их помощью можно настраивать и корректировать звучание звуковоспроизводящей аппаратуры или музыкальные инструменты.

Возникновение Эха. Все мы с детства помним увлекательный эксперимент, когда кричишь в пещере, тоннеле или в шахту колодца, то звук через какое-то время дублируется и повторяет сам себя. Но в результате каких физических взаимодействий разворачивается сие чудо? Происходит следующее: в основе образования эффекта лежит отражение звуковых волн от различных поверхностей. Но для возникновения эха обычных отражений будет недостаточно, требуется «особое», а точнее определённое время задержки возвращающейся отражённой звуковой волны.

Для полноценного эха время задержки должно составлять не менее 0,06 секунды с момента появления исходного звука. Если условия рсположения внешних поверхностей для отражения соответствуют этой картине задержки, то тогда мы и услышим эффект повторения только что произнесённого или излучаемого чем-то звука. Соответственно, для возникновения эха необходимо помещение или окружение с достаточно звонкими резонирующими поверхностями, которые будут приоритетно отражать звуки, а не поглощать их.

Выделяется несколько разных видов эха:

• Однократное эхо. Когда волна отражается один раз и с задержкой возвращается к слушателю.
• Многократное эхо. Когда эхо возникает несколько раз, содержит несколько повторений звука.
• Реверберация как частный случай эха. Многочисленное эхо, сливающее в один сплошной повторяющийся звук/гул, возникает обычно в маленьких помещениях с определёнными поверхностями.
• Мировое эхо. Явление в целом диапазоне радиоволн, когда волны возвращаются через промежуток от 1 до 40 секунд с момента начала радиовещания. Причины явления до сих пор науке неизвестны.

Эффект резонанса звука

Применительно только к твёрдым телам благодаря их особой неупругой структуре, в них возникает весьма интересное явление. Дело в том, что внешнее механическое воздействие, приложение силы или даже другой звук, распространяющийся внутри твёрдого тела — все эти воздействия могут заставить твёрдое тело вибрировать и колебаться, его молекулярная структура начинает как бы «играть» от внешнего воздействия, но прочность связей велика и удерживает целостность. Однако, когда твёрдое тело начинает колебаться от внешнего воздействия оно само становится ничем иным как излучателем звука! По сути из сказанного выходит, что любое твёрдое тедо в том или ином случае превращается в музыкальный инструмент, или по крайней мере точно способно издавать собственные звуки. В зависимости от формы, материала, кристаллического строения эта способность к излучению колебаний и звуковых волн у разных твёрдых тел будет различной: одни «охотнее» раскачиваются и моментально отзываются призвуками в отклик на минимальное внешнее механическое воздействие; тогда как другие скорее этому сопротивляются и в реале не особо «звучат». Многие слышали, в таких случаях говорят, что рассматриваемый предмет/твёрдое тело резонирует. Но что это значит?

Всё элементарно, за счёт особенностей строения, любое твёрдое тело имеет свою резонансную частоту, т.е. ту, на которой оно колеблется больше всего, в переводе на русский язык — на этой определённой частоте его молекулярная структура наиболее подвижна, а связи наименее прочные. Частота в данном случае обозначается всё в тех же старых добрых герцах, поскольку колебательная природа в физике едина. Вот и получаем понятие резонансной частоты твёрдых тел — это та частота колебаний, на которой твёрдое тело вибрирует сильнее всего само. При любом внешнем воздействии на некий предмет оно будет пытаться «звучать» всегда именно на частоте своего резонанса, например внешний удар по колоколу молотком «запустит» его резонансную частоту, которую колокол станет сам активно излучать во внешний мир и мы услышим хорошо известный каждому звон.

Вспоминая эффект взаимного усиления волн одной частоты при взаимодействии друг с другом, описанный ранее, возникает закономерное предположение: что получится, если воздействовать на твёрдое тело извне звуковой волной близкой или равной по частоте к его собственной резонансной? Ответ вполне логичен и, как и в случае со взаимодействием волн в упругих средах, мы получим эффект многократного усиления амплитуды нашей звуковой волны на частоте его собственного резонанса, своеобразный «бесплатный выброс энергии». Этим эффектом часто пользуются при построении акустических систем или при игре на музыкальных инструментах, при их настройке и т.д. Хотя иногда явление резонанса может быть и серьёзной помехой.

Стоит заметить ещё одну немаловажную особенность, касающуюся резонансной частоты: по сути на ней твёрдое тело наиболее уязвимо структурно, на ней оно сильнее всего расшатывается и стремится к саморазрушению, поэтому попытка внешнего воздействия именно на резонансной частоте фактически рисковано и в ряде случаев может привести именно к разбалансированию твёрдого тела вплоть до его полного разрушения, когда структурные молекулярные связи не выдерживают и распадаются. Знаменитый пример резонансного уничтожения был в истории, когда марширующая рота солдат так раскачала мост в унисон ритмичным шагам в резонансе с его собственной частотой, что он рухнул.

Поглощение звука средой

Мы уже рассматривали ситуацию, что звуковая волна рассеивается в любой среде по мере удаления от источника, что определяется многими факторами, в первую очередь самим пространством распространения и его составом, заканчивая так же температурой, давлением и характеристиками самих излучаемых волн.

В жидкостях и газах процессы внутреннего трения среды обусловлены наличием упругих сил, т.н. вязкостью среды. Именно благодаря этому во многом происходит затухание звука и превращение его в тепловую энергию. Так, поглощение будет зависеть во многом от частоты звука — чем она выше, тем больше волна рассеивается, что объясняется не только вязкостью, но и теплопроводностью, которая увеличивается пропорционально квадрату частоты, т.е. чем больше частота, тем больше теплопроводность и степень затухания звуковой волны.

Теплопроводность и вязкость действуют и в твёрдых телах, но к ним добавляется особенность неоднородной кристаллической структуры тел, что также напрямую влияет на «торможение» звуковой волны. Твёрдые тела состоят из кристаллов, которые деформируются и кратковременно смещаются при прохождении звуковой волны через них, и за счёт этой деформации звук на границе кристаллов рассеивается и поглощается.

Степень поглощения той или иной средой звука зависит от плотности среды и скорости звука в ней, что вместе образует акустическое волновое сопротивление среды. Коэффициент достаточно важен и определяет условия отражения и преломления звука на границе между разными средами. Если АС сред равны, то волна проходит границу без отражения.

В помещении или замкнутом объёме появляется понятие реверберации, т.е. времени, за которое волна полностью затухнет по причине множественных переотражений и взаимодействий.

Звуки за пределами слышимого диапазона и их характеристики с практическим применением

Напомним ещё раз, что человеческий слуховой аппарат воспринимает только звуки в отрезке частотного диапазона от 20 Гц до 20 кГц (примерно). Но при этом колебания частот выше или ниже вполне себе существуют и оказывают конкретное воздействие и на внешние объекты и даже могут быть слышны некоторыми животными или аппаратурой. Речь идёт про сверхвысокий ультразвук и сверхнизкий инфразвук, каждому человечество нашло какое либо применение или по крайней мере оно изучается наукой.

• Инфразвук известен человеку довольно давно, и хоть он не слышим ухом, но может вполне осязаться телесно низкими вибрациями, проходящими насквозь, с таким эффектом можно столкнуться на музыкальном концерте, например, хотя инфразвук свободно существует и в природе. Притом интересно, что он практически ничем не ограничен снизу, среда позволяет объектам колебаться с частотой до сотых и тысячных долей одного герца. Инфразвук легче всего распространяется во всех трёх средах, т.к. структурно они плохо его поглощают, притом за счёт длины волны он «улетает» на приличные расстояния от источника излучения. В природе такие волны возникают во время гроз, цунами, землетрясений и прочих природных катаклизмов; человек тоже создал источники таких звуков, их можно ощутить во время сильных взрывов, выстрелов, раскатов сильных басов на музыкальном концерте, инфразвук генерируют различные двигатели, громоздкие турбины и т.д.
• Ультразвук обладает рядом особенно полезных характеристик и возможностей, благодаря им активно используется человеком в разных сферах жизни. В отличие от инфразвука, сверхчастотные волны имеют ограничения «сверху», упираясь условно в потолок, обусловленный молекулярным строением среды. Ультразвук отлично локализуется, имеет чёткое направление своеобразными пучками волн, что обусловлено сверхмалыми длинами звуковых волн на этих частотах. Взаимодействие со средами у звуков сверхвысоких частот неоднозначное: он отлично и быстро распространяется в жидкостях и твёрдых телах, но «тормозит» в газовых средах. Распространения ультразвука в среде тем интенсивнее, чем выше его частота.В природе ультразвук активно используется некоторыми животными для коммуникации и ориентирования в пространстве, например летучими мышами и дельфинами. Для генерации/создания ультразвуковых волн используются различные конструкции и физические свойства. В целом его можно получить механически, или преобразованием из электромагнитных и тепловых источников энергии. В воздушной среде используются механические преобразователи, тогда как в водной среде и твёрдых телах большее распространение получили электроакустические, магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Остановимся на них чуть подробнее:
  • Магнитострикционные преобразователи используют энергию магнитного поля, преобразуя её в механические ультразвуковые колебания. Принцип действия такого преобразователя предельно прост: в магнитное поле помещаются металлы, которые деформируются под действием магнитного поля, например тоненькие полоски железа или каких-то сплавов. В результате происходит точная передача колебаний, соответсвующих частоте переменного магнитного поля, в который помещается данный ультразвуковой излучатель. Обычно такие преобразователи эффективнее всего работают на собственной частоте колебаний, т.к. это обеспечивает наибольший КПД излучения.
  • Пьезоэлектрические преобразователи берут электрическую энергию и превращают её в механическую колебательную на ультравысоких частотах. Работают они по схожему с магнитными преобразователями принципу, только в этот раз деформируются кристаллы кварца, солей или керамики уже под воздействием электрического поля. Таким образом электрическое поле желаемой частоты подаётся на вырезанный определённым образом пьезоэлектрик-излучатель, обычно сопряжённый с водной средой или твёрдым телом. Достаточно тонких пластинок из указанных материалов, чтобы получить направленный пучок ультразвуковых волн высокой интенсивности. Дополнительным удобством таких излучателей выступает произвольная форма излучателей, выполненная например как сферическая чаша, тем самым она может фокусировать и посылать мощные ультразвуковые пучки на большие расстояния.

  Человеком ультразвук широко используется в трёх основных направлениях, за счёт его выдающихся проникающих свойств:

  1. Получение информации при помощи ультразвука, т.н. способ «видеть звуком». Всем хорошо известное УЗИ (ультразвуковое) обследование основано как раз на этом принципе. Ультразвук не только позволяет заглянуть внутрь человеческого тела, но и вполне подходит для исследования строения любого вещества и материи с достаточно детальным результатом, без необходимости механического нарушения целостности рассматриваемой структуры.»Видеть» ультразвуком можно не только внутри биологических организмов, но и внутри практически любого твёрдого тела, таким образом появляется эффективный метод исследования структуры твёрдых тел, не приносящий ей вреда — зондирование ультразвуком. Работает он так: используются проникающие способности ультразвуковых волн и их отражение от внутренних неоднородностей тела. Волна определённой частоты «запускается» внутрь объекта, в процессе распространения она отталкивается от неодноровностей и трещин, возвращаясь обратно, тем самым можно их локализовать и определить достаточно точно. Ультразвук используется в сонарах гидролокации с целью обнаружения объектов под водой, при этом принцип отчасти позаимствован у животных и выглядит следующим образом: направленные пучки ультразвукового сигнала посылаются в водное пространство, а их отражения/возвращения улавливаются и, по разнице времени возвращения сигнала складывается «картинка» нахождения объекта и расстояния до него. Таким образом и работает эхолокация.
  2. Активное воздействие на вещество и его структуру позволяет задействовать ультразвук, например, для тонкого ювелирного ремонта бытовой техники, химической очистки и подобных процессов. Ультразвук определённой высокой интенсивности и частоты так воздействует на вещество или материю, что способен необратимо изменить его структуру, потому применяется с осторожностью. Свойства необратимого изменения структуры возникают из-за имеющихся нелинейных эффектов внутри звукового поля. Зато эти особенности отлично подходят для очистки внешнего налёта химических примесей на различные металлы и иные вещества, особенно в случаях, когда ручная очистка слишком трудоёмкая или вовсе невозможна. Обычно технология такого воздействия заключается в применении какой-то жидкости на внешней стороне обрабатываемой поверхности. Через жидкость пропускается ультразвуковая волна высокой интенсивности и возникает эффект кавитации, образование пузырьков, схлопывающихся при повышении давления. Именно этот процесс и вызывает в конечном счёте серьёзные изменения в среде, в рассматриваемом примере в водной и сопряжённых с нею. Ещё ультразвуком высокой интенсивности можно спаивать металлы, ювелирно и очень тонко обрабатывать какие-то поверхности, удалять загрязения и окислы с микросхем.Ультразвук активно применяется и в лечнии, различной терапии. С помощью ультразвукового излучения можно обеззараживать хирургические инструменты, убивая болезнетворные бактерии. Хорошие результаты достигаются с ультразвуком при лечении различных мозговых отклоненией, хоть и нет однозначного понимания механизмов такого лечения.
  3. Ультразвук позволяет передавать сигналы на расстоянии и обработывать их, что находит широкое применение в области связи, современных интернет технологий.

  В целом, ультразвуковое излучение по природе своей по-прежнему представляет собой распространение звуковой энергии в той или иной среде, следовательно подчиняется всё тем же общим законам звука: она отражается от границы раздела сред, преломляется, затухает, огибает препятствия и т.д.

  Частота ультразвука — это та же частота колебаний за период, измеряемая в герцах (Гц), только в случае с ультразвуком она всегда очень большая в сравнении с привычными человеком мерами восприятия. Выбор частоты при ультразвуковых обследованиях выбирается исходя из расположения тканей или органов в человеческом теле, или каких либо неоднороднойстей структуры в твёрдых телах: для поверхностного «сканирования» берутся достаточно высокие частоты в районе 3 мГц, для более глубокого исследования выбираются частоты ниже.

  Ключевой и наиболее полезной особенностью ультразвуковых волн является конечно же проникающая. Как и следует из общей волновой теории звука, применительно ко всем волнам и к ультразвуку в частности: проникающая способность зависит от частоты, и чем частота ультразвука выше, тем проникающая способность меньше и наоборот. Так, например, на частоте 3000 кГц ультразвук проникает примерно на глубину 1 см, а на частоте 30 кГц волна проникнет вглубь уже примерно на 10 см.

  Интенсивность излучения ультразвуковых волн соответствует данному определению для всего спектра звука. Однако, применительно к сверхвысоким частотам от интенсивности будет зависеть воздействие ультразвука на материю/вещество. Как помним, интенсивность определяет количество энергии, проходящее некоторое расстояние в пространстве за единицу времени. В случае с ультразвуком интенсивность измеряется по системе СИ в вт/см2. Применяемую в медицине интенсивность по воздействую условно делят на:

  • малую (0,05-0,4 Вт/см²) — оказывает лёгкое стимулирующее действие;
  • среднюю (0,5-0,8 Вт/см²) — отличается противовоспалительным и обезболивающим воздействием;
  • большую (0,9-1,2 Вт/см²) — обладает рассасывающим действие.

  Как и прочие звуковые волны, ультразвук подвержен отражению, наложению волн друг на друга, рассеиванию. Звук испытывает все эти явления на границах разделов, не будет исключением ультразвук, на практике часто распространяющийся внутри твёрдых или «комбинированных» по составу тел. Так, границами раздела внутри твёрдых тел будут различные неоднородности и переходные элементы структуре, в организме человека это будут органы и кости, т.е. «новая» для звука среда с отличными характеристиками. Там поведение ультразвука аналогично уже описанному: волна будет частично отражаться, частично проникать внутрь, частично рассеиваться, что будет зависеть от коэффициента волнового сопротивления сред и соотношения этих коэффициентов между собой, а так же от размера и формы препятствия.

Звуковая волна в музыке или музыкальная интерпретация звука

До сих пор мы рассматривали звук как явление с точки зрения физики, при этом человечество издавна использует звук для создания музыки, в которой правит своя уникальная терминология, также связанная со звуком, но уже более узкозаточенно. Вообще музыка в правильном и понятном смысле этого слова, то, какой она должна быть — это попытка гармонично сочетать разные звуки между собой для получения в конечном счёте мелодичного звукого ансабля, исключительно приятного и ласкающего слух.

Музыка всегда была процессом творческим и по сути безграничным, но и там существуют важные правила, выведенные и подтверждённые многовековым опытом. На основе всего этого и родилась своя собственная терминология, описывающая уже музыкальные звуки. Для музыки традиционно сложилось, что композиции звуковых волн излучают исполнители вокальных партий или певцы, а также огромное многообразие музыкальных инструментов и их вольное сочетание.

В музыке гармонические колебания группируют для удобства в спектры, он означает распределение энергии звуковой волны по частотам, уникальное в каждом случае. Пользоваться спектрами удобно, обозначая сразу нужный отрезок диапазона частот того или иного музыкального инструмента, вместе с тем отражая уникальную картину насыщения основного тона обертонами и призвуками.

На основе спектра можно начертить простейший график, отражающий зависимость конкретного энергетического выброса и определённой частоты. Такие спектры могут быть дискретными или непрерывными. Дискретный служит для отображения выборочных частот, при этом остальные частоты «вырезаны»; в непрерывном спектре присутствуют все звуковые частоты.

Музыкальные звуки по природе своей — колебания периодические, потому появляется понятие основного чистого тона звука и окружающих его неизбежных призвуков, именуемых обертонами. Дело в том, что в природе и в реальной жизни редко встречаются звуки всего лишь одной частоты, как это рассматривалось выше, а чаще всего любое звуковое излучение будет комплексным набором звуков разных частот, даже самые простейшие. Как это представить? Вообразим себе игру на типичном барабане, при ударе о который рукой музыкант создаст звуковой фронт в пространство, но какой именно? Всего один лёгенький удар при детальном рассмотрении будет содержать в себе некую основную частоту, полученную резонансом корпуса барабана, скажем это будет 80 гц, и множественные её призвуки, именуемые обертонами. Эти призвуки всегда будут частотно близки к основному тону, как бы расходиться в стороны, если представить графически, вниз будут частоты 70 гц, 60 гц, а вверх соответственно 90 гц, 100 гц и т.д.

Главный интерес в том, что энергетическая наполненость обертонов неодинакова, что в конечном счёте и сформирует хорошо узнаваемый звук барабана, но в тоже время и абсолютно уникальный, т.к. повторить идеально точно такую же наполненность звуковой частоты энергии и полное соответствие всех призвуков вряд ли возможно. Таким образом, обертона или призвуки отвечают за окраску звучания, придания звуку неповторимости и узнаваемых ноток, при этом на фоне основного тона они всегда звучат ослабленно, как бы по нисходящей, но тем не менее результирующий практический вклад их огромен! Музыкальное понятие тона — это периодические колебания, т.е. повторяющиеся через определённый промежуток времени. Эти периоды можно представить суммами колебаний с частотами, кратными частоте основного тона.

Длительность музыкального звука отражает фактически время его существования с момента появления (атаки) до полного затухания (спад). Длительность по классификации бывает абсолютной и относительной. Абсолютная длительность просто очерчивает звучание одной ноты или аккорда инструмента за период времени, обычно в милисекундах. Относительная методом сравнения длительности звучания одной ноты по отношению к другой (или даже разных инструментов).

Чистый тон звука, обогащённый гармониками, не может оставаться постоянным во времени, т.е. не может как бы «зависнуть» и звучать с одинаковой энергетической насыщенностью. Поэтому с течением времени он меняет свою интенсивность у любого инструмента или голоса. Вообще состав тона непостоянный и быстро меняется на всём протяжении возникновения звука до его полного исчезновения. Иногда звук может держаться относительно ровно и долго по субьективной воспринимаемой частоте, а иногда он будет «плавать» даже в короткий импульс, как происходит у пианино, например.

Звуки в музыке классифицируются субьективными понятиями: высотой, громкостью и тембром, хотя все их можно соотнести с научными представлениями о звуке. Так:

• Высота звука в музыке определяется частотой волны основного тона и расставляет эти тона по частотному возрастанию или убыванию среди всех музыкальных звуков. Поскольку высота, как и всё в музыке — субьективна, её зависимость от конкретной частоты также условна. Ещё высота звучания на слух будет варьироваться от интенсивности звука: кажущаяся частота будет уменьшаться при значительной прибавке громкости музыки.Субъективно-воспринимаемая высота музыкального звука таит в себе ещё немало подводных камней, например, казалось бы, на слух мы должны воспринимать ту частоту, которая составляет ту или иную слышимую частоту рассматриваемого спектра. Например, если мы слышим звук с распределением по часотам 200, 300, 400 и 500 Гц, но с разным энергетическим насыщением каждой частоты, то в теории мы должны определить высоту тону по одной из этих частот, что было бы логично. Но на практике встречаются ситуации, когда субъективная высота звука определится как частота в 100 Гц, она же опорная частота гармонического ряда, хоть её и вовсе не присутствовало в слышимом звуковом отрезке! Но, к счастью, чаще всё же определяемая частота присутствует в спектре музыкального звука.Помимо сказанного, свой вклад в восприятие той или иной частоты или интенсивности звука вносит само строение слухового аппарата, нелинейность воспринимаемого звука. Наши уши устроены таким образом, что способны выделять звучание отдельных частот на фоне других, как бы усиливать и подчёркивать, что уже даст сильно искажённую по сравнению с реальной картину энергетической наполненности спектра звука. Ещё нелинейность выражается в появлении на слух искажений или частот, которых изначально не присутствовало в исходном сигнале. Называются такие призвуки субьктивными тонами и появляются они из-за особенностей функционирования нашего слухового аппарата, так как различные его элементы ассинхронны. В итоге, в конечном звуке музыки мы можем (и услышим) целый набор «лишних» частот, которые там и вовсе не присутствовали, правда проявит данный эффект себя по большей части лишь в ситуации повышенной амплитуды звука/высокой интенсивности волны. Определение частоты звука на слух можно развивать тренировками, однако частоту основного тона определить не всегда способен даже хорошо тренированный музыкант, для этого необходимо слышать и узнавать уникальный тембр звука того или иного инструмента или голоса.
• Тембр отражает уникальное сочетание частот звуковых колебаний, присущих обычно человеческому голосу или музыкальным инструментам. При этом всегда подразумевается неповторимая окраска излучаемого таким образом звука, она уже в свою очередь зависит исключительно от звукового излучателя и его тонкостей, каких-то особенностей устройства или строения. Так, например, голос пости каждого человека уникален по причине неизбежных различий в строении голосовых связок. Тоже самое можно сказать и о музыкальных инструментах, где добиться абсолютной точности даже при серийном изготовлении практически нереально. Т.е. получается, что даже если звук одинаковой высоты и громкости, то за счёт вклада обертонов, призвуков и гармоник — он всегда будет хорошо отличаться на слух и его легко узнавать. Тембр будет зависеть от распределения энергии по обертонам во времени с момента образования звука до его затухания.
• Громкость музыкальных звуков связана с их интенсивностью. Если набор обертонов зависит от неповторимой конфигурации музыкального инструмента, то интенсивность энергетического насыщения гармоник будет зависеть уже от способа «возбуждения» мызкального инструмента, приложения силы и т.д. нюансов. При игре на музыкальном инструменте обычно максимально насыщается частота основного тона и какие-то гармоники этой частоты — чётные или нечётные (в зависимости от настройки и способа извлечения звука). Чаще всего максимальное насыщение основных тонов происходит в т.н. области формант. Форманты — это наиболее акцентированные частоты звука, обладающие максимальной энергией, обычно за счёт искуственного выделения этих частот конструкцией музыкальных инструментов с резонаторами, т.е. элементами, которые конструктивно спроектированы усиливать определённые частоты.

Акустика помещений и звуки разных музыкальных инструментов

Музыка «в живую» чаще всего исполняется в каких-то помещениях / замкнутых пространствах, в наше время реже используются для этих целей открытые стадионы, амфитеатры и т.д. Во всех перечисленных случаях на конечный характер звучания инструментов или вокала для случшателя оказывает само помещение, которое значительно видеоизменяет многократно отражённые от стен и разных поверхностей звуковые волны. Таким образом до слушателя в неком закрытом помещении ВСЕГДА доходит чуть искажённая и приукрашенная звуковая картина, обусловленная множественными факторами особенностей помещения: его геометрией и материалами стен/пола/потолка. Всё это сложным образом создаст картину переотражений волн, их взаимодействия друг с другом и наложения, образования стоячих волн, поглощения и т.д. эффектов, уникальных в случае каждого конкретного зала для прослушивания. Иногда эта картина получается субьективно положительной, когда акустика комнаты как бы помогает и приукрашивает звук таким образом, что на слух он воспринимается даже интереснее и ярче варианта без взаимодействия волн. Иногда наоборот, вклад помещения получается крайне негативный, появляется множество искажений, призвуков, паразитных стоячих волн, искажающих равномерность наполения частот энергией. Из всей этой совокупности явлений и зависимостей складывается в конечном счёте акустика помещения — уникальная и важная характеристика, отвечающая в конечном счёте за финальную частотную характеристику слышимого звука и его окраску. Акустика очень важна на любом концерте, правильное изначальное «построение» которой может как угробить звук, так и наоборот превознести его на небывалый уровень эстетической красоты.

Несмотря на то, что в современном мире правит звукозапись с последующим достаточно точным звуковоспроизведением изначального материала, прослушивание музыки на живых концертах всё ещё остаётся значимым и неповторимым опытом для любого меломана и ценителя музыки. Как звуковые музыкальные волны распространяются на живом концерте? Принцип тут тот же, что и при обычном распространении звуковых волн через толщу воздушного пространства. Однако, из-за многообразия излучаемых волн разных инструментов или вокала часто возникают ситуации наложения и сложения близких по частотам волн друг с другом, что чаще негативно сказывается на звуке, нарушая целостность изначальной задумки творца. Задачей грамотного музыканта сочинить такую партию, чтобы волны гармонировали друг с другом во всём частотном диапазоне, но используемые инструменты и вокал меньше пересекались друг с другом в одних и тех же частотных отрезках. В целом же, картина распространения музыкальных волн на концерте или даже в комнате для прослушивания высокоточной аппаратуры весьма сложна и многогранна, успех во многом зависит как от правильно подобранного помещения, так и от самого качественного и грамотного согласования множественных источников звуков разных частот друг с другом.

Музыкальные инструменты обладают каждый своим неповторимым хорошо узнаваемым тембром, тоже самое касается и человеческого голоса. Однако охватываемый диапазон звуковых частот различен: голос способен покрыть всего две октавы звука, а отдельные музыкальные инструменты берут снизу вверх аж до 10 октав! Например, оргАн способен играть весь слышимый частотный диапазон от 20 гц до 20 кгц.

Большинство музыкальных инструментов состоят из: колеблющегося элемента и вспомогательного резонатора, который связывает получающийся звук с окружающей воздушной средой, а также часто выступает в роли «естественного» частотного усилителя. В большинстве музыкальных инструментов в роли колеблющегося элемента выступают либо струны либо столбы воздуха. Каждый такой элемент не способен создать звук какой либо одной единственной частоты (за редким исключением), и получающееся волновое ищлучение всегда окрашивается многочисленными гармониками.

Среди всего многообразия особо выделяются следующие группы инструментов:

• Струнные инструменты являются особым классом, где звук излучают натянутые струны. Но сам по себе звук струны был бы тихими и невыразительным, поэтому в конструкции почти всегда используются корпуса сложной формы со специальными резонирующими отверстиями или поверхностями, соответственно усиливающими звук каждой отдельно звучащей струны. В качестве «извлечения» звука путём передачи механической энергии используется или специалтный щипок (например арфа) или ударная сила (фортепиано), или сила натяжения пальцев (у гитары или электрогитары) или же специальный смычок (скрипичная группа). Получение звука какой-то определённой опорной частоты достигается различным натяжением, длиной струн и их неодинаковой массой, соответственно иногда используются ещё и разнообразные материалы.
• Фортепиано принадлежит к особому типу инструментов, у которого звучание извлекается ударом молоточка по натянутой определённым образом струне. Удар создаёт довольно короткий по протяжённости, но сильный звук. У инструмента внушительный по размерам корпус, обеспечивающий довольно однородное звучание любой ноты и широкий покрываемый диапазон звучания. Интересная особенность звучания фортепиано в том, что наполнение энергией некоторых гармоник может быть сильнее и ярче основного тона. Настроить натяжение струн фортепиано — целое мастерство, особенно в области низких частот, по причине того, что сила натяжения практически одинакова, варьируется лишь толщина и длина струн.
• Скрипичные — это хорошо известная вариация струнного инструмента, где извлечение музыки происходит взаимодействием смычка по струне способом её внушительного механического оттягивания, сопровождающегося трением и натяжением. Смычок, на протяжении всего долгого тона, которым особо выделяется скрипка, непрерывно воздействует на струну приложением силы. Скрипичные инструменты делаются разных размеров, притом существует прямая зависимость: чем больше размер инструмента, тем ниже тональность извлекается, в порядке снижения частоты идут: скрипка, альт, виолончель, контрабас. Звучание скрипичных особенно насыщенно обертонами и многочисленными послезвучиями, богато украшающими конечное звучание.
• Духовые инструменты из дерева отличаются своим неповторимым характером звучания, образующимся путём возбуждения воздушного столба внутри трубы с особой формой как самой трубы, так и выходящих наружу отверстий-резонаторов. В локальной зоне трубки такого иструмента возникают периодические колебания, зоны изменённого давления, впоследствии взаимодействующие с краевыми резонаторными отверстиями, усиливающими эти колебания воздуха. Частоты излучаемого звука регулируются силой «продувки» и главным образом скоростью созданного воздушного завихрения, взаимодействующего с резонаторными отверстиями.
• Духовые инструменты медные в основном представлены следующим набором инструментов: труба, валторна, тромбон, горн и туба. Способ возбуждения колебаний воздушного столба губами, выдувая воздух из лёгких. Звучание медных интрументов обычно громкое и выразительное, наполненное верхними гармониками и повышенным давлением внутри полости инструмента, что обуславливается звонкостью самого металла и его хорошими резонирующими свойствами, а также особенностями конструкции. Чаще всего такие инструменты представлябт собой металлический ствол определённой длины, сужающийся конусовидными секциями, число и форма которых обеспечивает частотную настройку и широту излучаемого звучания. Ствол может быть фиксированным по длине, а у некоторых инструментов может регулироваться в определённых пределах. Если длина не меняется, то в распоряжении музыканта будут только основные тона, доступные резонансными частотами самого ствола. С изменяемой длиной ствола перебор нот становится легче, например у тромбона для этих целей придумана специальная выдвижная кулиса, каждая длина ствола в таком случае будет «авктивировать» свой собственный набор обертонов. На конце медных духовых обычно располагается выходной раструб, проходя через который звук усиливается и дополнительно обогащается гармониками, звук становится особо насыщенным и ярким.
• Ударные инструменты принадлежат к особому классу инструментов, дополняющих звучание остального мелодичного ансабля. Главная особенность многих ударных в том, что звучание их не гармоничное, возбуждаемые обертона хаотичные и не раскладываются по чётным и нечётным. Вдобавок к этому, извлекать правильный звук с помощью ударных сложнее, т.к. все они представляют твёрдые тела определённой формы, где излучателем и одновременно резонатором служит само тело инструмента, из-за чего внутри поверхности образуется много сложных и труднопредсказуемых звуковых волн по форме: сжатия, изгиба и кручения. Поэтому у таких инструментов гораздо больше резонансов, искажений, хаотично возникающих призвуков и послезвучий. К ударным относятся барабаны, тарелки, ксилофон и треугольник, колокол.

Воссоздание пространственной картины звучания при воспроизведении звука в разрезе моно и стерео

Современные технологии давно дошли до того уровня, когда можно записать некую музыкальную композицию, после чего воспроизвести её на соответствующего класса аппаратуре с настолько высокой степенью достоверности и точности передачи записанного, что это может быть практически неотличимо от эффекта пребывания на сессии звукозаписи или же на живом концерте. Сейчас уже неким негласным стандартом является воспроизведение звука в формате стерео, однако изначально существовали лишь монозаписи звука. В чём тут принципиальная разница? Чтобы её лучше понять, необходимо разобраться с тем, какой звук и образы мы пытаемся воссоздать в принципе. Одно дело — повторить достоверность частотной передачи, соответствующей образам исходного звучания инструментов и голоса, с нужным уровнем интенсивности звука, соответствовавшей той, что была на момент перформанса тем или иным музыкантом. Однако сейчас нас с вами интересует пространственная локализация инструментов исполнителей на виртуальной сцене.

Когда мы находимся на концерте, то с закрытыми глазами легко можем определить: где именно в пространстве на сцене стоит вокалист, где относительно него чуть в стороне играет гитара, а ещё чуть поодаль подхватывает свою партию скрипка и т.д. Все звуки слышимого диапазона примерно выше 80-100 Гц прекрасно локализуются в пространстве на слух, мы безошибочно определяем направление на каждый из них и даже примерное расстояние. Слушатель так чётко определяет это из-за особого устройства слуха, а именно по малейшей разнице, одно и того же звука правым и левым ухом. Теперь при попытке воссоздать эту пространственную картину воспроизведением как раз и случается проблема, которую можно рассмотреть на примере моно и стерео звукозаписи:

• моно звук, как следует из названия, воспроизводится одним единственным громкоговорителем на который ложится вся нагрузка как по правильному воссозданию слышимого частотного диапазона звука, так и задача по «прорисовке» пространственной картины виртуальных образов. С обеими задачами такой акустический динамик справляется не очень хорошо, в частности он практически не способен воссоздать пространственную картину изначального звучания. Запись такого звука производилась одним микрофоном, но даже если бы она производилась большим числом, то один единственный воспроизводящий динамик всё равно не способен передать пространство: слушатель ощущает звук, идущий из одной точки, инструменты будут сливаться воедино, происходит жёсткая привязка к динамику.
• стерео звук (от греческого stereos, что означает «пространственный») делает успешную попытку воссоздать локализацию расположения источников звука в пространстве на момент записи, при грамотном построении такой системы с учётом большого количества нюансов можно «отстроить» виртуальную сцену с предельной степенью достоверности, не уступающей исходным данным из реальности. Запись простейшей стереозаписи (без доп обработок) осуществляется двумя микрофонами, расположенными в определённых точках пространства относительно источников звукового излучения. После сигналы этих двух микрофонов воспроизводятся также раздельно: записанное левым микрофоном берёт на себя левый громкоговоритель, а записанное правым соответственно правая акустическая система. Всё это должно быть правильно расставлено в помещении (разнесено друг относительно друга) и настроено определённым образом относительно характеристик имеющейся комнаты прослушивания и тогда появляется возможность точно воссоздать реальную пространственную картину, т.н. виртуальную сцену звука, в точности повторяющую реальную. В имеющейся стереосистеме, даже правильно расставленной, будет господствовать определённая зона волнового фронта, в каких-то точках пространства внутри этой зоны эффект правильной стереопанорамы/воссоздания пространственной картины будет полным (довольно узкая зона, где в центре будет искомая точка оптимального прослушивания) или частичным (более обширная зона, в которой стереоэффект частично смазывается 60-80% достоверности и до локализации трёх источников в пространстве).

Восприятие звука и способы улавливания и приёма звуковых сигналов

Мы рассмотрели выше, как звуковые волны образуются, как они затем распространяются в пространстве различных сред, как взаимодействуют со структурой вещества и друг с другом, какие изменения претерпевают. Всё это конечно хорошо, но толку от этого мало, если звук не уловить, не воспринять, как-то потом не использовать. Давайте рассмотрим, какие имеются для этого механизмы.

1. Основное восприятие для нас с вами приходится конечно же на слух, отвечает за который у человека (да и многих живых существ) слуховой аппарат и «улавливатель» под названием ухо. Это парный орган, форма которого устроена таким образом, чтобы лучше слышать жизненно важный звуковой отрезок диапазона, исторически эволюционно в такой роли выступают средние частоты, используемые нами чаще всего в повседневной жизни и некогда критически важных в вопросе выживания. Схема улавливания и восприятия звуковой информации кажется простой и даже интуитивно понятной, но при детальном рассмотрении всё с точностью до наоборот. Доступно и коротко: звуковые волны фронтом возмущения давления достигают в пространстве наших ушей, форма ушных раковин облегчает «обтекание» волн определённых частот. Затем звук проникает во внутреннее ухо, где колебательным движением раздражает чувствительную барабанную перепонку. Дальше происходит процесс преобразования колебаний в электрические сигналы, они-то в последствии попадают непосредственно в мозг, где интерпретируются тем или иным образом понятийным аппаратом. Так мы в итоге слышим всё то бесконечное многообразие звуков и их сочетаний, которые способны воспринять.
2. Человек изобрёл множество устройств для улавливания звука, с целью записи, сохранения, обработки и прочих манипуляций. Полученную/записанную информацию в наше время чаще всего обрабатывают на компьютере. Самим известным таким устройством является конечно же традиционный микрофон. Конструкция у него может быть различной, но суть и принцип работы всегда один и тот же: звуковые колебания воздуха воздействуют на тонкую мембрану микрофона, заставляя колебаться её, уже после колебания мембраны переходят в электрические в зависимости от конкретного устройства микрофона: это может быть явление электромагнитной индукции, или пьезоэлектрический эффект или изменение ёмкости в конденсаторах. Получается устройство, обратное громкоговорителю в акустической системе, преобразователь механических колебаний в электрические. Электрический переменный ток, полученный после колебания мембраны микрофона, должен быть идентичным форме пришедшей волны звука (или максимально приближенным).Наиболее распространены два типа микрофонов:
   • Динамический, на принципе электромагнитной индукции. В устройстве такого микрофона используется лёгкая мембрана, прикреплённая к тонкому проводнику, находящемуся в постоянном магнитом поле. Когда мембрана колеблется под воздействием звукового давления извне, эти колебания передаются проводнику, который начинается механически двигаться «по цепочке» в магнитном поле. Такое движение проводника провоцирует явление электромагнитной индукции и получается электрический сигнал, точно описывающий пришедшую звуковую волну.
   • Конденсаторный микрофон работает по схожему принципу, основанному уже на свойстве конденсаторов менять свою ёмкость в зависимости от расстояния между его пластинами. Так и выполнен конденсаторный микрофон: у него в качестве одной пластины предусмотрена тонкая мембрана, улавливающая звуковые колебания из воздушной среды, вторая же пластина неподвижна. Когда звуковое давление передаётся на мембрану/пластину — она начинает двигаться относительно неподвижной, тем самым меняя ёмкость конденсатора. Возникает электрический ток, форма которого вновь повторяет форму поступившей «на вход» звуковой волны. Однако конденсатор уже должен работать в электрическом поле, потому таким микрофонам часто требуется внешнее питание. Также сигнал получается слабым и требует предусиления, правда более точным и правильным.
3. Ещё одним изобретением человечества для улавливания и работы со звуком можно отметить менее известный прибор под названием геофон или сейсмограф. Как можно предположить из названия, приставка «гео» означает, что создан данный улавливатель с целью «слышать» и выцеплять колебания из поверхности земли. Принцип работы схож с микрофонным: прибор улавливает механические волны, приходящие из поверхности земли или твёрдых пород, например скальных и горных, затем преобразует механические колебания в электрические. По конструкции геофоны исполняются электродинамическими, т.е. имеется катушка на пружине, находящаяся в постоянном магнитном поле. Приходящий волновой фронт передаёт колебания через корпус на катушку, которая вызывает своим движением относительно корпуса переменный ток, повторяющий по своей форме частоту пришедшей звуковой волны. Также для снижения времени собственных колебаний часто применяется система затухания. Геофон позволяет получить информацию о средних скоростях звуковых волн, распространяющихся в земле и смежных поверхностях, узнать о наличие пустот под землёй и о резких возникновениях каких-то мощных вибраций, вызванных взрывамии иными схожими процессами как природной, так и техногенной составляющей. Используются геофоны для различных целей: это могут быть предсказания землетрясений, извержений вулкана, исследования смещения тектонических плит и т.д. Применяются они и в военных целях.
4. Чтобы получать звуки из воды тоже потребовалось создать отдельное устройство, получившее название гидрофон. Принцип работы гидрофона основан на пьезоакустике, когда напряжение электрического тока получается путём воздействия механической волны в водной среде на особый кристалл соли или керамики, электрическое напряжение при этом будет пропорционально воздействующему на элемент акустическому давлению. Гидрофон обычно расположен в неразборном корпусе, а его пьезоэлемент соединяется с предварительным усилителем, поскольку собственная чувствительность прибора мала. Мембрана надёжно защищена от воздействия воды и наводок сторонних электромагнитных полей эластичным компаундом с металлизированным покрытием, иногда в несколько слоёв.
5. Ларингофон — это такая разновидность микрофона, которая «снимает» звук с вибрации гортани говорящего человека напрямую, преобразуя по известным ранее схемам в электрический сигнал. Используется в условиях повышенной окружающей шумности, когда нужно напрямую снимать или транслировать речь говорящего без внешних помех, особенно прижилось в войсках воздушных и танковых. В качестве принципа действия в наше время используется или электродинамический или пьезоэлектрический. Обычно ларингофон включает в себя один или два микрофона, «упакованных» в эластичный мешочек на ремешке, который фиксируется на гортани человека. Иногда в конструкцию включается гибкий звкопровод с преобразователем сигнала на обратном конце.
6. Стетоскоп или фонендоскоп — простейший акустический прибор, усиливающий звуковой фронт, приходящий из твёрдых тел. Предназначен для различной диагностики, может использоваться в медицине, ремонте автомобилей и смежных областях. Стетоскоп усиливает конкретный звук, возникающий из-за каких-то внутренних процессов в организме или механизме, он способен его достаточно чётко локализовать в пространстве твёрдого тела.Стетоскопы бывают:
   • механические, устроены предельно просто — у них имеется герметичная камера для улавливания звука, внутри неё располагается мембрана. Камера переходит в звуковую трубку, которая заканчивается своеобразными каплевидными вставными наушниками. Акустическая камера может быть устроена по-разному у медицинских и стетоскопов другого назначения, но суть сохраняется. Принцип работы прост, почти как и у всех звукоулавливателей: колебания передаются с мембраны в камеру, где фокусируются и дальше идёт беспрепятственно по трубкам прямо к барабанным перепонкам, при этом не рассеиваясь и не затухая, не теряя своей энергии, происходит эффект усиления. У стетоскопов для диагностики механизмов могут быть дополнительные насадки, облегчающие прослушивание конкретных узлов и механизмов, например эластичный рупор или металлический щуп.
   • электронные стетоскопы устроены сложнее, хотя принцип работы сохраняется. В таких устройствах присутствует звукоулавливающий блок специальной конструкции, работающий чаще всего по принципу пьезоэлектрического микрофона, далее звук поступает на усилитель с регулировками и наушники. Электронный стетоскоп является профессиональным прибором для диагностики, он имеет больше число регулировок и фильтров звука, позволяет регулировать интенсивность прослушиваемого звука, обрабатывать входящий сигнал и т.д. показания прибора часто отображаются на отдельном экране.

Особенности человеческого восприятия звука

Любопытный и весьма важный нюанс касательно восприятия человеком звуковых волн из внешней среды заключается в том, что мы слышим и воспринимаем звуки не совсем так, как они звучат на самом деле, с позиции чистого «холодного» научного взгляда. Причина тому кроется в устройстве психики человека, сложном и витиеватом, но факт остаётся фактом. В завистмости от разных внутренних состояний и настроений, даже каких-то индивидуальных особенностей и пережитого опыта: каждый из нас слышит тот или иной звук, который объективно один единственный — по своему. Вспомните, как вы делились эйфорией от прослушивания любимой композиции с кем-то знакомым, а он лишь с недоумением пожимал плечами, выражая противоположный набор эмоционального отклика.

Так и появляется субъективная оценка звуков человеком, чаще даже не звуков, а их сочетаний и в особенности музыкальных композиций, зависящая всецело от индивидуального восприятия и уровня развития каждой личности в отдельности. Всё у нас может развиваться и совершенствоваться, слух и его способности не будут исключением, тоже самое можно сказать про развитие музыкального «вкуса» и т.д. Важно лишь отметить, что любая субьективная оценка того или иного звучания не может ни в коей мере быть истиной или точкой опоры для каких-либо серьёзных суждений, поскольку наша собственная психика недоверительна, может незаметно сыграть злую шутку с восприятием и, например, заставит услышать то, что не звучало на самом деле, при этом уверенность в услышанном у человека будет предельно высокой. Такая же зависимость от настроения, многие могли отмечать и на себе, что с изменением настроения любимая музыка уже воспринимается совершенно иначе, скорее в негативном ключе, меняются кратковременно жанровые пристрастия и часто в таких случаях говорят «слушаю музыку по настроению». Все эти примеры лишь отражают сложную и местами противоречивую природу психического восприятия, описать которую коротко не представляется возможным. Изучением этих вопросов занимается целый раздел науки под названием «психоакустика».

Как бы каждый из нас не слышал и не интерпретировал тот или иной звук, особенности воспроизведения музыкального материала или технической аппаратуры, важно помнить, что есть объективные и субьективные моменты восприятия и это далеко не одно и тоже. Объективная реальность всегда одна единственная, неумолимо строгая и неизменная, отражающая истину вопроса. Именно по этой причине часто чужое, даже кажеющееся весьма авторитетным, мнение не может служить ориентиром и полагаться на него нельзя. Вместо этого лучше развивать себя, своё уникальное восприятие и лучше понимать тонкости именно своей психики и особенности эмоциональных реакций на те или иные звуки и музыку.

Физические формулы для расчёта параметров звуковой волны

Определение скорости звука в газах:

Определение скорости звука в жидкостях:

Формула оценки громкости звука:

Формула расчёта длины звуковой волны:

Альтернативная формула расчёта длины звуковой волны:

Формула расчёта частоты звуковой волны:

Формула расчёта уровня интенсивности звука:

Формула интенсивности звуковой волны:

Формула расчёта частоты звуковых колебаний:

Формула расчёта звукового давления:

Формула Френеля для падения/оражения звуковых волн:

Формула коэффициента проникновения звуковых волн:

Формула стоячей волны:

Альтернативная формула звукового давления:

    Очень часто походя употребляют такие вроде бы понятные термины, как спектр, фаза, частота и прочие. Но зачастую мы до конца не понимаем, что же это на самом деле такое.  Что значат эти термины на самом деле, как можно «пощупать» их истинное значение? Можно пойти в библиотеку и почитать там книги по теории радиотехники и цифровой обработке сигналов, но времени постоянно не хватает даже на более важные дела. Поэтому автор попытался дать читателю выжимки из радиотехнических учебников, объясненные «на пальцах» и самый минимум формул (если кто-то заинтересовался более «математическим» изложением материала).

Волновая форма сигнала (звука). Период. Частота

     Что такое звук? Это переменное звуковое (воздушное) давление на барабанную перепонку. Ухо воспринимает как звук только изменение давления. Когда звучит отдельная нота давление периодически то нарастает, то убывает и этот процесс циклически повторяется.

Период (T, сек) — длительность этого цикла. 

Частота (f, Гц, Герц) — количество периодов, помещающихся в одной секунде. 1 Герц — это 1 период за секунду.

f = 1 / T (формула частоты)

    Причем закон (форма) изменения звукового давления не изменяется от периода к периоду.

    Если у нас звучит мелодия, то волны, порождаемые разными нотами (которые то появляются, то исчезают), складываются друг с другом в общую волну, которая уже не имеет периода (цикла повтора).

    А что же такое шум?

    Шум — это сигнал (волновая форма не имеет периода), который в любой момент времени имеет случайное значение звукового давления. Шум не имеет периода.

   Звук, как известно распространяется с задержкой, которая зависит от расстояния от источника до человеческого уха. Как это происходит?

Длина волны

   Механические колебания источника звука (музыкального инструмента или динамика колонки) сжимают/разрежают (выталкивают/притягивают) воздух около себя. Сжатый воздух начинает расширятся прочь от источника звука, сжимая в свою очередь соседнюю воздушную область. Таким образом область сжатого воздуха путешествует от источника звука к уху.

     Расстояние, между областями одинакового сжатия воздуха называется длиной звуковой волны.

L = M / f (формула длины волны),

где

L — длина волны в метрах;

M — скорость звука (331,46 м/с) в метрах в секунду;

f — частота звука в Герцах.

   Длина волны для:

    20 Гц L20 = (331,46 м/с) / (20 Гц) = 16,5 м.

    100 Гц L100 = (331,46 м/с) / (100 Гц) = 3,3 м.

    1000 Гц L1000 = (331,46 м/с) / (1000 Гц) = 0,33 м = 33 см.

    10000 Гц L10000 = (331,46 м/с) / (10000 Гц) = 0,033 м = 3,3 см.

    20000 Гц L10000 = (331,46 м/с) / (20000 Гц) = 0,017 м = 1,7 см.

    Чтобы «надавить» на ухо, область сжатого звука должна затратить некоторое время, чтобы пройти путь от музыкального инструмента до уха. Этим и объясняется задержка звука.

     Расстояние  вносит  задержку распространения звука не зависящую от частоты, так как скорость звука на разных частотах одинакова.

   Dt = l / M (формула задержки распространения звука),

где

Dt — задержка в секундах;

l — расстояние в метрах;

M — скорость звука (331,46 м/с) в метрах в секунду.

      1 метр вносит задержку распространения звука

      Dt= (1 м) / (331,46 м/с) = 0,003 секунды или 3 миллисекунды (мс).

Автор: Юрий Корзунов (2010)

ПРОДОЛЖЕНИЕ…>>