Світ звуків! Як він різноманітний і неповторний! Хіба можна сплутати шум морського прибою і щебетання птахів, вигуки вболівальників на стадіоні і шелест листя, виття злітаючого реактивного літака і нявкання кошеня. Так само просто відрізнити гру симфонічного оркестру від гри ансамблю гітаристів. Прикладів таких ми могли б навести безліч. Адже сприйняття звуків - це не що інше, як відчуття, яке впливає на слухача.

Що ж таке звук?

Щоб відповісти на це питання, давайте зробимо невелику екскурсію у світ звуків.

Зараз всі знають, що звук є коливальний процес. У попередній главі ми розповіли про фізику Юнзі, що вперше зафіксував сліди звуків.Та вдалося це йому тому, що він встановив: звук - це коливання повітря. А раз звук - коливальний процес, то його можна зафіксувати.Сконструйований ним для цього прилад повністю підтвердив це припущення вченого, а 1807 рік став роком відкриття цього явища.

З механічними коливаннями твердих тіл ви, очевидно, детально познайомилися в школі. Нагадаємо все ж коротко про коливальному процесі, щоб допомогти вам зрозуміти сутність звукових коливань.

Класичним представником коливного тіла є маятник. Згадайте досвід, який зазвичай демонструють на уроках фізики. Якщо грузик, підвішений на нитці, відвести від положення рівноваги, то він почне робити рухи, що повторюються, кожен раз повертаючись у вихідну точку і двічі проходячи через положення рівноваги. Отже, коливальний рух є рух повторюється або, як кажуть, періодичне. А в техніці періодичні коливання називають ще і гармонійними.Одна з найважливіших характеристик такого процесу - це період коливання, або просто період, що позначається буквою Т. Період коливання показує, за який час коливне тіло здійснює повний цикл руху. Для маятника періодом коливання буде час, за який він здійснить одне коливальний рух і повернеться у вихідну точку. Інша важлива характеристика періодичного коливання - амплітуда коливання, або просто амплітуда. Для маятника це буде відстань від точки рівноваги до вихідної точки, або найбільше відхилення від положення рівноваги.А тепер давайте спробуємо «розгорнути» коливальний рух маятника. Для цього до маятника прикріпимо шматочок від грифеля олівця і помістимо під маятником аркуш паперу. Коли папір нерухома, грифель на маятнику буде прочерчивать пряму лінію. Але варто почати рівномірно пересувати папір в напрямку, перпендикулярному до площини коливання маятника, як грифель прочертит криву лінію, що повторюється стільки разів, скільки коливань здійснить маятник. Ця крива лінія показана на малюнку. Називається вона синусоїда.

Зробимо ще один дослід з маятником. Відведіть грузик, підвішений на нитці, і дайте йому можливість вільно коливатися. Ви помітите, що ці коливання маятника будуть тривати досить довго, а чим важче грузик, тим довше буде коливатися маятник, причому його коливання в початковому періоді будуть мати незмінну амплітуду. Тепер цей же грузик отвяжите від нитки і прикріпіть до дощечці, а в її протилежному від грузика кінці просвердлите отвір. Вставивши в цей отвір цвях, ми знову отримаємо коливальну систему, але тепер уже дещо зміненого виду.Привівши в рух цей маятник, ми переконаємося, що він досить швидко припиняє свої коливання, а їх амплітуда поступово зменшується. Порівнюючи між собою обидва коливальних процесу, можна зробити висновок, що існують два види коливань, одне з яких має постійну амплітуду і триває досить довго (можна сказати - нескінченно), а інша має поступово убуваючу амплітуду і швидко припиняється. Перше з цих коливань називається незатухающим, а друге - затухаючим.

Говорячи про коливання маятника, ми ні словом не обмовилися про середовище, в якій він здійснює свій рух. А адже середовище не може залишитися байдужою до будь-якого руху, в тому числі і до коливального, і її частинки при цьому будуть, стискаючись, зміщуватися з одного положення в інше, прилеглий шар середовища буде впливати на більш віддалений шар, той, у свою чергу, буде впливати на наступний шар і т. д. Руху частинок середовища будуть подібні руху води, коли вона розходиться колами від кинутого в неї камінця. Такі коливання середовища називають звуковими, хоча не всі вони можуть бути почуті.В фізиці поняття «звукові коливання» використовується у більш широкому розумінні.

Звукові коливання можуть виникати в будь-якому середовищі, здатної стискатися. Вивченням таких коливань займається наука, яка називається акустикою. Але нас цікавлять не коливання взагалі, а тільки коливання в повітрі, які викликають слухові відчуття.

Отже, під час звукових коливань елементарна частинка повітря, залишаючись на місці, буде здійснювати коливання біля положення рівноваги. Як і у випадку з маятником, такі коливання характеризуються амплітудою і періодом коливання. Проте в техніці зазвичай користуються величиною, зворотною періоду, яку називають частота. Вона показує кількість коливань в одиницю часу. Частота, при якій за 1 секунду відбувається один цикл періодичного процесу, отримала позначення герц (Гц). Наприклад, змінний струм в електричній мережі має 50 коливань в секунду.Але ми зазвичай говоримо, що частота змінного струму в електричній мережі 50 герц.

Щоб мати повне уявлення про звуковому коливанні, нагадаємо ще про одну фізичною величиною, що характеризує періодичні коливання. При звукових коливань повітря в кожній точці середовища відбуваються періодичні чергування стиснення і розрідження, які в будь-якій точці середовища створюють то більшу, то меншу тиск порівняно з тим, яке було до початку звукового коливання, тобто коли середовище (повітря) була в спокійному стані. Це надмірне (або недостатнє) тиск і називають звуковим.За одиницю тиску, в тому числі і звукового, прийнятий паскаль (Па), який показує тиск силою в 1 ньютон (Н), рівномірно розподіленої по поверхні площею 1 квадратний метр (1 Па = Н/м2).

Звуковий тиск у порівнянні з нормальним атмосферним тиском становить зовсім незначну величину. Наприклад, голосна розмова в кімнаті буде розвивати звукове тиск в мільйон разів менше атмосферного. Так чому ж при такому незначному тиску ми чуємо звук?Згадайте, що звуковий тиск виходить шляхом стиснення і розрідження повітря. Отже, наше вухо реагує не на абсолютне тиск, а саме на надлишкове або недостатнє, тобто на зміни тиску. Щоб підтвердити це, пошлемося на такий приклад.При спуску з другого поверху на перший постійно діє на наш організм атмосферний тиск змінюється всього на 0,2 своєї величини, і, природно, вухо його не помічає. Але аналогічне за величиною звуковий тиск, що діє на барабанну перетинку вуха (а саме таке звуковий тиск розвиває шум від роботи реактивного двигуна літака на відстані в кілька метрів), здатне викликати больові відчуття.

А який же інтервал звукових тисків здатне розрізняти наше вухо? Розберемося по порядку.

Синусоїдально змінюється в часі звуковий тиск буде впливати на вухо і сприйматися нами як звук у тому разі, коли воно не занадто мало і не дуже велика, а частота його не дуже мала і не надто велика. Скільки обмежень відразу! Як їх розуміти?

З поступовим зменшенням звукового тиску чутний нами звук буде ставати все тихіше і тихіше, поки нарешті не перестане бути чутним.Це звуковий тиск (або відповідне йому значення сили звуку) прийнято називати порогом чутності. Для тони частоти 1000 Гц відповідає порогу чутності звуковий тиск в 2 х 10^-5 Па або приблизно двом десятимільйонним часток грама. Настільки малий тиск навряд чи відзначать кращі мікроваги.

Якщо тепер не зменшувати, а навпаки, поступово збільшувати звуковий тиск, то при деякому його значенні ми вже не зможемо розрізняти звук, бо з'являться больові відчуття. Ця друга точка сприйняття звуку називається порогом больового відчуття, а відповідний йому звуковий тиск буде в декілька мільйонів разів більше звукового тиску, що відповідає порогу чутності. Між цими крайніми точками і лежить та область звукових тисків, які сприймає людина з нормальним слухом. А щоб уявити собі, як велика ця область, давайте продовжимо аналогію з вагами.Так от, звуковий тиск на порозі чутності так відноситься до звукового тиску порогу больового відчуття, як вага мухи відноситься до ваги слона. Чи знайдуться у світі такі ваги, за допомогою яких можна було б визначити вагу мухи і вагу слона? Думаємо, що навряд чи. А слух нормальної людини здатний розрізняти такі тиску.

А щоб наочніше уявити собі, наскільки незначна величина такого звукового тиску, додамо, що при такому звуковому тиску амплітуда зміщення частинок повітря ледь досягає десятої частки радіуса молекули. І, природно, почути такий звук може тільки людина з нормальним слухом і в повній тиші.

Тепер про частоті звуку. Що означає вираз: «не дуже мала і не надто велика»? Вчені на ряді дослідів встановили здатність людини сприймати «на слух» звукові коливання з частотами приблизно від 30 до 16000 Гц. Чому приблизно? По-перше, тому, що цю ділянку частот (фахівці таку ділянку називають діапазоном) не постійний і змінюється з віком. Встановлено, наприклад, що діти чують звуки з частотою аж до 20000 Гц, а люди похилого віку лише до 12 000 - 14 000 Гц. По-друге, це пояснюється будовою людського вуха. Але про це ми розповімо трохи пізніше.

Рис. 5. «Сімейство» равнослышимых кривих, званих «кривими рівної гучності», показує, як змінюється суб'єктивне сприйняття гучності звуку в залежності від висоти його тону.

Аналізуючи здатність людини сприймати різні за частотою звуки, вчені встановили цікаву особливість: чутливість слуху на різних частотах не однакова. Найбільша чутливість слуху лежить в діапазоні частот від 2500 до 4000 Гц і в обидві сторони від нього поступово зменшується. Крім цього, при тихих звуках залежність чутливості вуха від частоти звукових коливань більше, ніж при гучних звуках. На основі цих досліджень були складені так звані криві рівної гучності, показані на малюнку.Розглядаючи цей графік, ви, напевно, звернули увагу на не зустрічалася раніше одиницю обчислення, відкладену по вертикальній осі і позначену літерами дБ. Це безрозмірна логарифмічна одиниця, звана бел (Б). Однак бел досить велика одиниця, і в практичній діяльності зазвичай користуються її десятою частиною, званої децибел (дБ). Децибел показує відношення будь-яких однойменних фізичних величин. Подивившись ще уважніше на цей графік, ви, безсумнівно, знайдете, що і частоти на горизонтальній осі теж відкладені в логарифмічному масштабі. Чи випадково це?Виявляється, немає. І справа тут в суб'єктивній оцінці гучності, яка зростає приблизно пропорційно логарифму звукового тиску. Але це не єдина причина. Виявляється, відчуття висоти тону, тобто частоти звуку, також підпорядковується логарифмічним законом, і значно більш точно, чим суб'єктивна оцінка гучності звуку. Тому будь-яке збільшення частоти звуку в два рази завжди створює слухове відчуття підвищення тону на одну октаву, незалежно від того, яким по частоті був початковий тон.До цього слід додати, що у фізиці, так і в техніці, часто вдаються до логарифмічним масштабом в тому випадку, коли на одному графіку потрібно показати величини, які мають між собою дуже велику різницю. А різниця в звукових тисків між порогом чутності і порогом больового відчуття дуже велика.Якщо величину звукового тиску, що відповідає порогу чутності, висловити відрізком в один міліметр, то величина звукового тиску, що відповідає порогу больового відчуття, виразиться дорогою в кілька кілометрів. Такий графік накреслити неможливо.Це дозволяє зробити тільки логарифмічний масштаб, так як при зростанні якої-небудь величини в 10, 100, 1000 і т. д. раз її логарифм збільшується на 1, на 2, на 3 і т. д.

Кілька слів про самих звуках. Звуки з малою частотою називають низькими, а звуки з великою частотою - високими. Низькі частоти, що лежали за порогом чутності (до 20 Гц), називають инфранизкими або инфразвуковыми, а високі частоти, також лежать за порогом чутності (вище 20 000 Гц), називають ультрависокими або ультразвуковими. Наука акустика вивчає як чутні звуки, так і інфранизькі і ультравысокие. Вчені відкрили, наприклад, що риби «розмовляють» між собою инфранизкими частотами. Кажани, навпаки, використовують ультравысокие звукові частоти.Досліджуючи спосіб життя і звички летючих мишей, вчені встановили дуже багато цікавого і корисного. Виявляється, наприклад, щоб летюча миша могла літати вночі, в цілковитій темряві, природа забезпечила її досконалим ультразвуковим эхолокатором, що працює наступним чином. При польоті кажан посилає в простір короткі імпульси з частотою 25 000 - 50 000 Гц та тривалістю 10 - 15 тисячних часток секунди, які, потрапляючи на перешкоду, відбиваються від нього і повертаються назад.Слухові органи летючої миші здатні сприйняти відбитий сигнал навіть у тому випадку, якщо він буде в 2000 раз слабкіше посланого. Більш того, летюча миша має здатність відрізняти свій відбитий сигнал серед стороннього шуму, навіть якщо цей шум в тисячі разів перевершує за силою ехо посланого нею сигналу. А відстань до перешкоди кажан визначає (зрозуміло, інстинктивно) по часу, який проходить з моменту посилки сигналу до його повернення.

Ультразвукові коливання взагалі дуже широко використовуються в науці і техніці, і про них можна було б розповісти багато цікавого.Але ми трохи відволіклися від теми нашої розмови і зробили це лише для того, щоб показати, яке величезне значення мають звукові коливання і нашого життя і навколишнього нас природі.