Понятие «звук» самым тесным образом связано с понятием «волна».
Интересно, что это понятие, являясь привычным для абсолютно всех, у многих
вызывает затруднения при попытке дать ему внятное определение. С одной стороны,
волна – это что-то, что связано с движением, нечто, распространяющееся в
пространстве, как, например, волны, расходящиеся кругами от брошенного в воду
камня. С другой стороны, мы знаем, что лежащая на поверхности воды ветка почти
не станет двигаться в направлении распространения волн от брошенного рядом
камня, а будет в основном лишь колыхаться на воде. Что же переносится в
пространстве при распространении волны? Оказывается, в пространстве переносится
некоторое возмущение. Брошенный в воду камень вызывает всплеск – изменение
состояния поверхности воды, и это возмущение передается от одной точки водоема
к другой в виде колебаний поверхности. Таким образом, волна – это процесс
перемещения в пространстве изменения состояния.
Звуковая волна (звуковые колебания) – это
передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например,
воздуха). Давайте представим себе, каким образом происходит распространение
звуковых волн в пространстве. В результате каких-то возмущений (например, в
результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны),
вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке пространства, возникает
перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в
результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои
воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное
давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке, происходит
передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую.
Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой волны.
Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.
Привычное для всех нас понятие «звук» означает всего лишь воспринимаемый
слуховым аппаратом человека набор звуковых колебаний. О том, какие колебания
человек воспринимает, а какие нет, мы поговорим позднее.
Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно
из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой. В
отношении звуковых колебаний очень важно упомянуть такую характеристику, как
скорость распространения. Скорость распространения колебаний, вообще говоря,
зависит от среды, в которой колебания распространяются. На эту скорость влияют
такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. Так, например,
чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука. В нормальных (при нормальной
температуре и давлении) условиях скорость звука в воздухе составляет
приблизительно 330 м/с. Таким образом, время, через которое слушатель начинает
воспринимать звуковые колебания, зависит от удаленности слушателя от источника
звука, а также от характеристик среды, в которой происходит распространение
звуковой волны. Немаловажно заметить, что скорость распространения звука почти
не зависит от частоты звуковых колебаний. Это означает, среди прочего, что звук
воспринимается именно в той последовательности, в какой он создается
источником. Если бы это было не так, и звук одной частоты распространялся бы
быстрее звука другой частоты, то вместо, например, музыки, мы бы слышали резкий
и отрывистый шум.
Звуковым волнам присущи различные явления, связанные с
распространением волн в пространстве. Перечислим наиболее важные из них.
Интерференция - усиление колебаний звука в
одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате
наложения двух или нескольких звуковых волн. Когда мы слышим звуки разных, но
достаточно близких частот сразу от двух источников, к нам приходят то гребни
обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате
наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух
как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Конечно, в
реальности механизм интерференции оказывается намного более сложным, однако его
суть не меняется. Эффект возникновения биений используется при настройке двух
музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку
производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться.
Звуковая волна, при ее падении на границу раздела с другой
средой, может отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить
направление движения - преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией),
поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий.
Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.
Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается
средой. Этот эффект называют поглощением
звуковых волн. Существование эффекта поглощения обусловлено
процессами теплообмена и межмолекулярного взаимодействия в среде. Важно
отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды
(температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем
выше частота звуковых колебаний, тем большее рассеяние претерпевает на своем
пути звуковая волна.
Очень важно упомянуть также явление волнового движения в замкнутом объеме,
суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого
пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное
восприятие звука - изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук
идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь
и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как звук,
сопровождающийся специфическим гулом. Такой гул называется реверберацией (от
лат. « reverbero » - «отбрасываю»). Эффект реверберации очень широко
используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств и
тембральной окраски.
Способность огибать препятствия – еще одно ключевое свойство
звуковых волн, называемое в науке дифракцией.
Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее
частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если размер
препятствия оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна
отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с
длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует.
Еще один эффект, связанный с волновым движением, о котором
нельзя не вспомнить - эффект резонанса.
Он заключается в следующем. Звуковая волна, создаваемая некоторым колеблющимся
телом, распространяясь в пространстве, может переносить энергию колебаний
другому телу (резонатору),
которое, поглощая эту энергию, начинает колебаться, и, фактически, само
становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук
становится громче. Надо заметить, что в случае появления резонанса, энергия
звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора, что соответственно
сказывается на длительности звучания.
Эффект Допплера – еще один интересный, последний
в нашем списке эффект, связанный с распространением звуковых волн в
пространстве. Эффект заключается в том, что длина волны изменяется
соответственно изменению скорости движения слушателя относительно источника
волны. Чем быстрее слушатель (регистрирующий датчик) приближается к источнику
волны, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот.
Эти и другие явления учитываются и широко используются во многих
областях, таких как акустика, звукообработка и радиолокация.