Звук - продольная механическая волна с частотой от 20 до 20 000 Гц, распространяющаяся в среде.
Источниками звука являются тела, колеблющиеся в среде с определенной частотой.
Кроме собственно слышимого звука выделяют диапазоны инфразвука (диапазон частот < 20 Гц) и ультразвука (частота > 20 000 Гц).
Звуковые волны распространяются с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Поскольку звук - это продольная волна, для ее распространения необходимо, чтобы в среде возникала сила упругости при сжатии. Этим свойством обладают все среды: твердая, жидкая и газообразная. Но воздействие быстрее передается в более плотной среде, поскольку частицы в такой среде расположены ближе.
Скорость звука в твердых телах зависит от упругости и плотности среды, так как звук - это волны плотности или давления. Скорость звука в твердой среде определяется по формуле:
Е - модуль Юнга, Па
ρ - плотность, кг/м3.
Характеристики звука
Громкость - величина звукового давления, зависит от амплитуды волны. За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости.
| Децибел, дБ | Характеристика | Источники звука |
| 0 | Ничего не слышно | |
| 5 | Почти не слышно | |
| 10 | Почти не слышно | тихий шелест листьев |
| 15 | Едва слышно | шелест листвы |
| 20 | Едва слышно | шепот человека (на расстоянии более 1 метра). |
| 25 | Тихо | шепот человека (1 м) |
| 30 | Тихо | шепот, тиканье настенных часов. |
| Допустимый максимум по нормам для жилых помещений ночью, с 23 до 7 ч. | ||
| 35 | Довольно слышно | приглушенный разговор |
| 40 | Довольно слышно | обычная речь. |
| Норма для жилых помещений днём, с 7 до 23 ч. | ||
| 45 | Довольно слышно | обычный разговор |
| 50 | Отчётливо слышно | разговор, пишущая машинка |
| 55 | Отчётливо слышно | Верхняя норма для офисных помещений класса А (по европейским нормам) |
| 60 | Шумно | Норма для контор |
| 65 | Шумно | громкий разговор (1 м) |
| 70 | Шумно | громкие разговоры (1 м) |
| 75 | Шумно | крик, смех (1 м) |
| 80 | Очень шумно | крик, мотоцикл с глушителем. |
| 85 | Очень шумно | громкий крик, мотоцикл с глушителем |
| 90 | Очень шумно | громкие крики, грузовой железнодорожный вагон (в семи метрах) |
| 95 | Очень шумно | вагон метро (в 7 метрах снаружи или внутри вагона) |
| 100 | Крайне шумно | оркестр, вагон метро (прерывисто), раскаты грома |
| Максимально допустимое звуковое давление для наушников плеера (по европейским нормам) | ||
| 105 | Крайне шумно | в самолёте (до 80-х годов ХХ столетия) |
| 110 | Крайне шумно | вертолёт |
| 115 | Крайне шумно | пескоструйный аппарат (1м) |
| 120 | Почти невыносимо | отбойный молоток (1м) |
| 125 | Почти невыносимо | |
| 130 | Болевой порог | самолёт на старте |
| 135 | Контузия | |
| 140 | Контузия | звук взлетающего реактивного самолета |
| 145 | Контузия | старт ракеты |
| 150 | Контузия, травмы | |
| 155 | Контузия, травмы | |
| 160 | Шок, травмы | ударная волна от сверхзвукового самолёта |
| При уровнях звука свыше 160 децибел — возможен разрыв барабанных перепонок и лёгких, | ||
| Больше 200 — смерть (шумовое оружие) | ||
Высота тона - зависит от частоты. Чем больше частота, тем выше тон. У разных животных различные диапазоны воспринимаемых частот.
Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.
Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.
Звуковые явления
Отражение звука.
Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.
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.
Эхо
Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Ухо может различать отдельные сигналы, если промежуток времени между ними не немнье 1/15 с. Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным.
Интерференция
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.
Волновое движение в замкнутом объеме
Это отражение 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.
Дифракция
Дифракция - явление огибания волнами препятствий. 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. Эти препятствия должны ненамного превышать длину набегающей на них волны. Всем известно, что даже мелкие предметы отбрасывают тень, т.е. свет, встречая их на своём пути, не проходит дальше. В то же время, для того чтобы воспрепятствовать распространению звука, требуется предмет больших размеров, например гора или большой дом. Длина звуковой волны в среднем равна нескольким метрам, что вполне соизмеримо с небольшими домами или другими предметами. Поэтому такие предметы не мешают слышать, что происходит за ними, т. е. не отбрасывают звуковой «тени».
Резонанс
Резонанс - явление резкого увеличения амплитуды вынужденных колебаний при совпадении собственной частоты колебаний и частоты вынуждающей силы. 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. В случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора, что соответственно сказывается на длительности звучания.
Эффект Допплера
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.
Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается. Если удаляется — длина волны увеличивается.
Частота волны в общем виде, зависит только от того, с какой скоростью двигается приемник
λ — длина волны
ω0 — циклическая частота, с которой источник испускает волны
ω — циклическая частота, регистрируемая приёмником
c — скорость распространения звуковых волн в среде
v — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется)
u — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).
