Звук

Нас оточує багато предметів, здатних видавати звуки. Наприклад, музичні інструменти: скрипка, гітара, віолончель, флейта, сопілка… То, що ж таке звук? 

Звук — коливальний рух частинок пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газі, рідині чи твердому тілі. У вузькому значенні терміном звук визначають коливання, які сприймаються сенсорною системою тварин і людини.

Органи слуху людини сприймають звуки у відносно вузькому частотному діапазоні. Слуховий апарат багатьох тварин сприймає звуки в значно ширшому інтервалі частот. В загальному випадку цим терміном визначається процес поширення збурень в різних за фізичними властивостями середовищах, в яких відновлювальною силою, що намагається повернути збурену частинку в положення рівноваги, є сила пружності. Хвильові збурення, що визначаються як звук є об'єктивною реальністю і існують незалежно від сприйняття їх будь-якими живими істотами.

Збудження звукових хвиль

Якщо довгу сталеву лінійку затиснути в лещатах або щільно притиснути до краю столу, то, відхиливши кінець лінійки від положення рівноваги, ми порушимо її коливання (рис. а). Але ці коливання не будуть сприйматися нашим вухом. Проте, якщо вкоротити виступаючий кінець лінійки (рис. б), то ми виявимо, що лінійка почне звучати. Справа тут ось в чому:

Пластина в ході коливань вздовж нормалі до неї стискає прилеглий до однієї з її сторін шар повітря і одночасно створює розрідження з іншого боку. Ці стиснення і розрідження чергуються в часі та поширюються у обидві сторони у вигляді пружних поздовжніх хвиль. Одна з них досягає нашого вуха і викликає поблизу нього періодичні коливання тиску, які впливають на слуховий апарат. Вухо людини сприймає у вигляді звуку коливання, частота яких лежить в межах від 17 до 20 000 Гц. Такі коливання називаються акустичними.

Акустика — це вчення про звук. Чим коротше виступаючий кінець лінійки, тим більше частота його коливань. Тому ми й починаємо чути звук, коли виступаючий кінець сталевої лінійки стає досить коротким.

Будь-яке тіло (тверде, рідке або газоподібне), нестійке зі звуковою частотою, створює в навколишньому середовищі звукову хвилю.

Класифікація звуків

Більшість звуків, які зустрічаються в природі складні, тобто є суперпозицією (сумою) хвиль різної частоти. Суперпозиція хвиль різної частоти надає чутному звуку забарвлення, яке називають тембром.

За частотними характеристиками акустичної хвилі розрізняють:

• простий тон — синусоїдні коливання. Звукові коливання простого тону в достатньо хорошому наближенні випромінюють звукові генератори і камертон
• складний тон
• гармонічний — визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та обертонів. Звуки такого спектрального складу дають музичні інструменти. Тембр звуку, тобто співвідношення обертонів та основного тону надає кожному музичному інструменту своє характерне звучання.
• негармонічний — приблизно визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та негармонічних обертонів
• негармонічний — приблизно визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та негармонічних обертонів
• шум
• білий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються рівномірно по всьому діапазону
• кольоровий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються нерівномірно по всьому діапазону, як правило з поступовим зменшенням інтенсивності від низьких до високих частот 

Звукові хвилі в різних середовищах

Найчастіше звукові хвилі досягають наших вух по повітрю. Досить рідко ми опиняємося зануреними цілком, разом з вухами, у воду. Але, звичайно, повітря не має яких-небудь особливих переваг в порівнянні з іншими середовищами в сенсі можливості поширення в ньому звукових хвиль. Звук поширюється у воді і твердих тілах. Пірнувши з головою під час купання, ви можете почути звук, наприклад, від удару двох каменів, виробленого у воді на великій відстані.

Добре проводить звук земля. Російський історик Н. М. Карамзін повідомляє, що Дмитро Донський перед Куликівської битвою, приклавши вухо до землі, почув тупіт копит кінноти противника, коли вона ще не була видна.

Якщо піднести впритул до вуха кінець довгої дерев’яної лінійки і злегка постукати по іншому її кінці ручкою, то буде чітко чутний звук. Відсунувши ж лінійку трохи від вуха, ви виявите, що звук майже перестає бути чутним. У вакуумі звукові хвилі поширюватися не можуть. Для доказу цього можна, наприклад, електричний дзвінок помістити під купол повітряного насоса. У міру того, як тиск повітря під куполом зменшується, звук буде слабшати до тих пір, поки не припиниться зовсім. 

Погано проводять звук такі матеріали, як повсть, пористі панелі, пресована пробка і т. д. Ці матеріали використовують для звукоізоляції, тобто для захисту приміщень від проникнення в них сторонніх звуків.

Поширення звуку

У газах та рідинах звук поширюється як поздовжня хвиля, тобто як послідовність стиснень та розширень. У твердих тілах крім поздовжніх звукових хвиль можуть поширюватись також поперечні хвилі, в яких коливання відбуваються у напрямку перпендикулярному до напрямку поширення. Поздовжні та поперечні хвилі поширюються із різними швидкостями. В ізотропних середовищах швидкість поширення збурень не залежить від напрямку. В анізотропних середовищах, таких як кристали, спостерігається анізотропія швидкості, коли швидкість звуку змінюється в залежності від напрямку поширення.

Розповсюдження звуку є адіабатичним процесом, тобто коливання тиску й густини відбувається швидше, ніж встигає вирівнятися температура. Це означає, що локальна температура змінюється разом із густиною — при стискуванні відбувається нагрівання, при розширенні охолодження.
Звукова хвиля, зустрівши на своєму шляху перешкоду, дифрагує, тобто огинає перешкоду, якщо її розмір менший або порівняний із довжиною хвилі. Звукова хвиля також частково відбивається від перешкоди. Відбивання більше, якщо розмір перешкоди більший від довжини хвилі. Завдяки відбиттю звукової хвилі від перешкод виникає таке акустичне явище, як луна. Людське вухо не розрізняє дуже близькі за часом звуки, тому мінімальна відстань, з якої людина чує луну становить приблизно 16 м.
При поширенні звукових хвиль може спостерігатися зміна форми сигналу, що містить певний набір гармонічних складових. Таке явище носить назву дисперсія. Причиною виникнення дисперсії можуть бути спеціальні фізичні властивості середовища, в якому поширюється збурення (фізична дисперсія) або геометричні особливості області, в якій поширюється звук (геометрична дисперсія).

За частотою коливань хвиль, звуки є:

1. Інфразвук (0 Гц - 20 Гц)
2. Чутний звук (20Гц - 20000 Гц)
3. Ультразвук (20 кГц - 1 ГГц)
4. Гіперзвук (f>1ГГц)

Теоретичні відомості

Статистичні дані

Презентація на тему "Звуки та коливання"