Основные характеристики звука. Общее понятие о работе органа слуха.

Звуком называют упругие колебания, (чаще всего в воздухе), воспринимаемые ухом. Для человека границы звукового диапазона соответствуют частотам примерно от 20 Гц до 20 000 Гц (у разных людей эти границы довольно сильно различаются). Понятие звука неразрывно связано со свойствами органа слуха, причём – именно органа слуха человека. Некоторые животные ощущают колебания с частотой около 10 Гц; другие (летучие мыши, дельфины) – с частотами много выше 20 000 Гц (ультразвуки).

Как известно, длина волны связана с частотой соотношением λ = с/ν; где с – скорость волны. Например, скорость звука в воздухе 340 м/c, поэтому при частоте 20 Гц длина волны равна 340/20 = 17 м; при частоте 20 000 Гц - в 1000 раз меньше, то есть 17 мм. Как видно, длина звуковых волн сравнима с размерами окружающих нас предметов, поэтому для звука большое значение имеет дифракция, то есть звуковые волны огибают встречающиеся на их пути предметы.

Звуковые волны всегда распространяются в какой-то среде. В газах и жидкостях эти волны продольные, то есть молекулы среды колеблются вдоль направления распространения волны. (Отсюда, кстати, следует, что для звука не существует явления поляризации). Эти колебания приводят к тому, что в одних точках возникает сгущение молекул, приводящее к локальному повышению давления, а в других точках - разрежение (понижение давления). Таким образом, звуковая волна – это распространение в воздухе (или в другой среде) колебаний давления. В простейшем случае эти колебания могут быть гармоническими (в музыке такие колебания называют чистыми тонами). Гармоническое звуковое колебание выражается формулой:

Δр = р – р_o = Δр_max.cosωt,

где Δр – разность между давлением в данной точке волны и давлением в невозмущённой среде (практически – атмосферным давлением). Величину Δр называют звуковым давлением.

На практике почти все звуки являются сложными колебаниями, форма которых далека от синусоиды. Однако, по формуле Фурье сложное колебание можно разложить в гармонический спектр, то есть представить как сумму простых (гармоничеcких) колебаний; поэтому свойства сложных звуков можно, в основном, свести к свойствам гармонических колебаний.

Другой важнейшей характеристикой звука является его интенсивность. Интенсивность звука (как и любой волны) – это физическая величина, равная энергии, переносимой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны, за единицу времени. Так как энергия, переносимая за единицу времени – это мощность, можно сказать и так: интенсивность – это мощность, переносимая волной через единицу площади:

; размерность [Вт.м^-2]

Интенсивность звука связана простым соотношением со звуковым давлением: , где ρ – плотность среды, с – скорость звука.

Воспользуемся последним уравнением для расчёта звукового давления. Обычный разговор характеризуется интенсивностью звука около 10^-8 Вт.м^-2. . В этом случае (плотность воздуха 1,2 кг/м³; скорость звука 340 м/с):

= 3·10 ^{– 3} Па

Нетрудно подсчитать, что максимальное акустическое давление в этом случае составляет три миллионных доли процента от атмосферного. При этом амплитуда колебаний молекул воздуха около 1 нанометра. Эти цифры дают представление о необычайно высокой чувствительности органа слуха.