Звук

      ЗВУК  и СЛУХ. 

            Основные физические характеристики  любого колебательного движения - период и амплитуды колебания, а применительно к звуку- частота и интенсивность колебаний.

            Периодом колебания называется  время, в течение которого совершается полное колебание, когда, например, качающийся маятник из крайнего левого положения. Частота колебаний - это число полных колебаний (периодов) за одну секунду. Такую единицу называют герц (Гц). Частота- одна из основных характеристик, по которой мы различаем звуки. Чем больше частота колебаний, тем более высокий тон.

            Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 1000 до 3000 Гц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность находится в области 3000 Гц, от 40 до 60 лет- 2000 Гц, старше 60 лет- 1000 Гц.

            В пределах до 500 Гц мы способны  различить понижение или повышение частоты даже 1 Гц. На более высоких частотах наш слуховой аппарат становится менее восприимчивым к такому незначительному изменению частоты. Так, после 2000 Гц мы можем отличить один звук от другого только, когда разница в частоте будет не менее 5 Гц. При меньшей разнице звуки нам будут казаться одинаковыми. Однако правил без исключения почти не бывает. Есть люди, обладающие необычайно тонким слухом. Одаренный музыкант может уловить изменение звука всего на какую-то долю колебаний.

            С периодом и частотой связано  понятие о длине волны, т.е.  в расстоянии между двумя гребнями (или впадинами). Наглядное представление об этом понятии дают волны, распространяющиеся по поверхности воды.

            Звуки могут отличаться один  от другого и по тембру. Это  значит, что одинаковые звуки по высоте тона могут звучат по-разному, потому что основной тон звука сопровождается, как правило, второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте. Они предают основному звуку дополнительную окраску и называются обертонами. Иными словами, темброкачественная характеристика звука. Чем больше обертонов налагается на основной тон, тем «богаче» звук в музыкальном отношении. Если основной звук сопровождается близкими к нему по высоте обертонами, то сам звук будет мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, появляется «металличность» в голосе или звуке.

            Органы слуха благодаря своему  замечательному устройству легко  отличают одно колебание от другого, голос близкого или знакомого человека от голосов других людей. Потому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг, страх перед опасностью - все это можно услышать, даже не видя кому принадлежит голос. 

                                 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА. 

            Как уже говорилось, звуковые  волны могут распространяться  в воздухе, газах, жидкостях и твердых телах. В безвоздушном пространстве волны не возникают. В этом легко убедиться на простом опыте. Если электрический звонок поместить под воздухонепроницаемый колпак, из которого откачен воздух, мы никакого звука не услышим. Но как только колпак наполнится воздухом, возникает звук.

            Скорость распространения колебательных  движений от частицы к частице зависит от среды.

      В далекие времена воины прикладывали ухо к земле и таким образом обнаруживали конницу противника значительно раньше, чем она появлялась в поле зрения. А известный ученый Леонардо да Винчи в 15 веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень отдаленных от тебя»

            Скорость распространения звука  в воздухе впервые была измерена  в 17 веке Миланской академией наук. На одном из холмов установили пушку, а на другом расположился наблюдательный пункт. Время засекли и в момент выстрела (по вспышке) и в момент приема звука. По расстоянию между наблюдательным пунктом и пушкой и времени происхождения сигнала скорость распространения звука рассчитать уже не составляло труда. Она оказалась равной 330 метров в секунду.

            В воде скорость распространения  звука впервые была измерена  в 1827 году на Женевском озере. Две лодки находились одна от другой на расстоянии 13847 метров. На первой под днищем подвесили колокол, а со второй опустили в воду простейший гидрофон (рупор). На первой лодке одновременно с ударом в колокол подожгли порох, на второй наблюдатель в момент вспышки запустил секундомер и стал, ждать прихода звукового сигнала от колокола. Выяснилось, что в воде звук распространяется в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе, т.е. со скоростью 1450 метров в секунду.

            Чем выше упругость среды, тем  больше скорость: в каучуке- 50, в воздухе- 330, в воде- 1450, а в стали - 5000 метров в секунду. Если бы мы, находились в Москве, могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел до  Петербурга, то нас услышали бы там только через полчаса, а если бы звук на это же расстояние распространялся в стали, то он был бы принят через две минуты.

            На скорость распространения звука оказывает влияние состояние одной и той же среды. Когда мы говорим, что в воде звук распространяется со скоростью 1450 метров в секунду, это вовсе не означает, что в любой воде и при любых условиях. С повышением температуры и солености воды, а так же с увеличением глубины, а следовательно, и гидростатического давления скорость звука возрастает. Или возьмем сталь. Здесь тоже скорость звука зависит какот температуры, так и от качественного состава стали: чем больше в ней углерода, тем она тверже, тем звук в ней распространяется быстрее. Встречая на своем пути препятствие, звуковые волны отражаются от него по строго определенному правилу: угол отражения равен углу падения. Звуковые волны, идущие из воздуха, почти полностью отразятся от поверхности воды вверх, а звуковые волны, идущие от источника, находящегося в воде, отражаются от нее вниз. Звуковые волны, проникая из одной среды в другую, отклоняются от своего первоначального положения, т.е. преломляются. Угол преломления может быть больше или меньше угла падения. Это зависит от того, из какой среды, в какую проникает звук. Если скорость звука во второй среде больше чем в первой, то угол преломления будет больше угла падения и наоборот.

            В воздухе звуковые волны распространяются  в виде расходящийся сферической волны, которая заполняет все больший объем, так как колебания частиц, вызванные источниками звука, передаются массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц ослабевают. Известно, что для увеличения дальности передачи, звук необходимо концентрировать в заданном направлении. Когда мы хотим, чтобы нас лучше было слышно, мы прикладываем ладони ко рту или пользуемся рупором. В этом случае звук будет ослабляться меньше, а звуковые волны - распространяются дальше.

            При увеличении толщины стенки звуколокация  на низких средних частотах увеличивается, но «коварный» резонанс совпадения, вызывающий удушение звуколокации, начинает проявляться, более низких частотах и захватывает более широкую их область. Ослабление звука связано и с тем, что звуковая волна постепенно теряет энергию из-за поглощения ее средой. Степень поглощения опять – таки определяется свойствами среды. В более вязкой среде, например в вате, каучуке, поглощение больше. Однако оно во многом зависит и от частоты звука. Чем больше частота, тем больше поглощение. Звук частоты 10000 Гц поглощается в 100 раз больше, чем звук частоты 1000 Гц. Не случайно орудийный выстрел вблизи кажется нам оглушающе резким, издали – более мягким, глухим. Это объясняется тем, что звук от выстрела пушки содержит в себе как низкие, так высокие частоты, а звуки высоких частот поглощаются в воздухе больше, чем звуки низких частот. Находясь  далеко от стреляющей пушки, мы слышим звуки более низких частот, а звуки высоких не доходят до нас - они поглощаются. Еще более наглядный пример, подтверждающий это явление- звучание удаляющегося оркестра. Сначала пропадают высокие звуки флейт и кларнетов, затем средние- корнетов и альтов, и наконец, когда оркестр будет уже совсем далеко, слышен только большой барабан.

                На дальность распространения  звука большое влияние оказывает рефракция, то есть искривление звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тембольше искривляется звуковой луч. Дальность распространения звука в море, как правило, равна (в зависимости от мощности источника звука) десяткам или сотням километров. Но бывают случаи, когда распространяется по так называемому подводному каналу, который возникает чаще всего в океане. Это область глубин, где скорость звука вначале уменьшается, а достигнув минимума, начинает возрастать.

      Физически это обусловливается большой зависимостью распространения звука в морской воде от ее температуры, солености и гидростатического давления.

                С глубиной скорость звука  уменьшается, но лишь до тех пор, пока понижается температура воды.  Достигнув определенного уровня, скорость начинает возрастать из - за повышения гидростатического давления. Верхние и нижние границы звукового канала имеют глубину с равными скоростями звука.

      За  ось канала принимается глубина с наименьшей скоростью распространения звука. Сверхдальнее происхождение звука в канале объясняется тем, что звуковые лучи, почти полностью отражаясь от верхней и нижней границ звукового канала, не выходят за его пределы, а концентрируются и распространяются вдоль оси звукового канала.

            «Чтобы лучше понять это, - говорит  академик Л.М. Бреховский, -  вспомните, как ведет себя уставший путник, он предпочитает держаться теневой, более прохладной стороны, нести на своих плечах как можно меньше груза и двигаться с минимальной скоростью. Ведь только при этом он сможет пройти максимальное расстояние. Звуковой луч в морской воде подобен этому путнику. Выйдя из источника, он уходит вверх от оси звукового канала. Чем выше, тем теплее, и луч заворачивает вниз, «в холодок», и углубляется до тех пор, пока не начинает «ощущать» тяжесть повышающегося гидростатического давления».

            Американские ученые проделали  в Атлантическом океане эксперимент, подтверждающий слияние среды на дальность распространения звука. На глубине 500 метров каждый. Спустя некоторое время взрыв был зафиксирован на Бермудских островах, удаленных от места эксперимента на 4500 км. Такой взрыв в воздухе слышен всего на расстоянии 4 км, а в лесу - не более 200 м. Явление сверх дальнего распространения звука в подводном звуковом канале специалисты использовали для создания спасательной системы «Софар». С кораблей и самолетов, терпящих бедствие, сбрасывают небольшие бомбочки весом от 0,5 до 2,5 кг, которые взрываются на глубине залегания оси звукового канала. Береговые посты принимают место взрыва, а следовательно, и место катастрофы. 
 
 

      a