Перейти к основному содержанию

Звук как физическое явление

Что такое звук?

Если коротко — это волнообразные сгущения и разрежения воздуха (или другой среды), воспринимаемые органом слуха человека.

Когда речь идет о звуке, обычно используется выражение «звуковые колебания». И это отражает суть явления, поскольку механическое движение в упругой среде вызывает волнообразное колебание её плотности (те самые сгущения и разрежения), или с точки зрения помещенного в среду тела — колебание давления на это тело со стороны среды. Эти колебания давления и воспринимаются нами как звук:

звукухо

Как видим, в результате механического воздействия частицы вещества не движутся последовательно в одном направлении, а совершают колебания относительно своего первоначального положения, это проявление упругости вещества.

Надо отметить, что в отличие от поперечных волн, которые, например, создает на поверхности воды брошенный камень, звуковые волны относятся к продольным, т.е. таким, в которых смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны.

Конечно, звук может распространяться не только в воздухе. Это может быть любая среда, обладающая достаточной степенью упругости — газ, жидкость или твердое тело. Звук прекрасно распространяется, например, в воде или металле, но в менее упругих или высокоэластичных средах звуковые волны быстро затухают.

Важная характеристика звуковой волны — её частота. Человеческое ухо способно воспринимать изменения давления в определенном диапазоне частот, приблизительно от 20 до 20000 колебаний в секунду (или Герц), такие колебания и называют звуковыми. Колебания с меньшей частотой называют инфразвуком, а с большей — ультразвуком.

Таким образом, звук — понятие психофизическое, т.е. связанное со способом восприятия этого физического явления сенсорным аппаратом и сознанием человека:

  • частоту колебаний давления мы воспринимаем как высоту звука,
  • амплитуду этих колебаний как его громкость,
  • а спектральный состав, т.е. относительную интенсивность компонентов, из которых складывается любое сложной колебание — как тембр.

«С одной стороны, звук - это объективное физическое явление, колебательный процесс, порождающий в упругой среде быстро распространяющиеся волны. С другой же - субъективное психологическое: нечто воспринятое слухом и отразившееся в сознании в виде особого психического образа» (Е. Назайкинский).

Спектральный состав звука и шумы

Совсем не каждый звук обладает такой характеристикой, как высота. Большинство естественных звуков относится к шумам, это звуки, не имеющие определенной высоты. Казалось бы, это противоречит сказанному выше, ведь в качестве высоты звука мы воспринимаем его частоту, которая характеризует любое колебательное движение.

Это объясняется способом восприятия звуковых колебаний слуховым аппаратом человека. Технически мы воспринимаем любое сложное звуковое колебание как набор гармонических (синусоидальных) колебаний (см. теория слуха Г. Гельмгольца):

сложение синусоид
Пример разложения сложного колебания на простые (гармонические).
Синим и розовым цветом обозначены гармонические колебания, а зеленым — исходное сложное (негармоническое) колебание.

Гармоническими или простыми называют колебания, которые описываются функциями вида f(x) = sin(x) и f(x) = cos(x). Графики таких функций имеют вид синусоиды, поэтому их также называют синусоидальными. Гармонические колебания совершает, например, проекция точки, равномерно движущейся по окружности:

синусоида

Синусоиды, из которых состоит любое сложное звуковое колебание, называют его частотными или спектральными компонентами. Эти компоненты могут иметь самую разнообразную амплитуду, но в качестве высоты звука воспринимается частота наиболее мощного из них — основного тона:

основной тон

Если же энергия звуковой волны беспорядочно распределена между огромным количеством частотных компонентов (как это обычно бывает в естественных шумах), основной тон отсутствует, а звук не имеет определенной высоты и воспринимается как шум.

Кроме того, в силу так называемой «инерционности слуха», наш слуховой аппарат реагирует лишь на частотные компоненты достаточной продолжительности, позволяющей зафиксировать несколько периодов колебания: от 15 мс. для частот в полосе 1000-2000 Гц и от 60 мс. — для частот ниже 500 Гц.

Музыкальные звуки

К музыкальным принято относить звуки, обладающие ярко выраженной высотой. В таком звуке, помимо основного тона, выделяются его гармоники — компоненты, частоты которых кратны частоте основного тона. Например, если частота основного тона 220 Гц, его гармоники будут иметь частоты 440 Гц, 660 Гц, 880 Гц и т.д. Колебания струны в струнном, и колебания плотности воздушного столба в духовом инструменте создают звуки именно такого характера — с выраженными гармониками, подчеркивающими в нашем восприятии основной тон. В некоторых случаях гармоники даже вызывают иллюзию отсутствующего основного тона (резидуальные звуки).

Природа возникновения гармоник довольна проста — например, колебание струны имеет сложный характер, в нем кроме движения целой струны, создающего основной тон, можно выделить движение её половин, третей, четвертей и т.д., каждое их которых создает гармонику соответствующей частоты:

гармоники