Звук, в широкому сенсі - коливальний рух частинок пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль в газоподібному, рідкому або твердому середовищах (див. Також пружні хвилі ) У вузькому сенсі - явище, суб'єктивно сприймається спеціальним органом чуття людини і тварин. Людина чує З. з частотою від 16 гц до 20 000 гц. Фізичне поняття про З. охоплює як чутні, так і нечутні звуки. З. з частотою нижче 16 гц називається інфразвуком , Вище 20 000 гц - ультразвуком ; самі високочастотні пружні хвилі в діапазоні від 109 до 1012-1013 гц відносять до гіперзвуку . Область інфразвукових частот знизу практично не обмежена - в природі зустрічаються інфразвукові коливання з частотою в десяті і соті долі гц. Частотний діапазон гіперзвукових хвиль зверху обмежується фізичними факторами, що характеризують атомне і молекулярну будову середовища: довжина пружної хвилі повинна бути значно більше довжини вільного пробігу молекул в газах і більше міжатомних відстані в рідинах і в твердих тілах. Тому в повітрі не може поширюватися гіперзвук з частотою 109 гц і вище, а в твердих тілах - з частотою більше 1012-1013 гц.

Основні характеристики звуку. Важливою характеристикою З. є його спектр, що отримується в результаті розкладання Заходу на Схід прості гармонійні коливання (т. Н. Частотний звуку аналіз ). Спектр буває суцільний, коли енергія звукових коливань безперервно розподілена в більш-менш широкій області частот, і лінійчатий, коли є сукупність дискретних (перериваних) частотних складових. З. із суцільним спектром сприймається як шум, наприклад шелест дерев під вітром, звуки працюючих механізмів. Лінійчатим спектром з кратними частотами володіють музичні З. (рис. 1); основна частота визначає при цьому сприйману на слух висоту звуку , А набір гармонійних складових - тембр звуку. В спектрі З. мови є форманти - стійкі групи частотних складових, відповідні певним фонетичним елементам (рис. 2). Енергетичної характеристикою звукових коливань є інтенсивність звуку - енергія, що переноситься звуковою хвилею через одиницю поверхні, перпендикулярно напрямку поширення хвилі, в одиницю часу. Інтенсивність З. залежить від амплітуди звукового тиску , А також від властивостей самого середовища і від форми хвилі. Суб'єктивної характеристикою З., пов'язаної з його інтенсивністю, є гучність звуку , Що залежить від частоти. Найбільшою чутливістю людське вухо володіє в області частот 1-5 кгц. В цій області поріг чутності , Т. Е. Інтенсивність найслабкіших чутних звуків, своєю чергою величини дорівнює 10-12 вм / м2, а відповідний звуковий тиск - 10-5 н / м2. Верхня по інтенсивності межа області сприймаються людським вухом З. характеризується порогом больового відчуття , Слабо залежать від частоти в чутному діапазоні і рівним приблизно 1 вм / м2. У ультразвукової техніки досягаються значно більші інтенсивності (до 104 кв / м2).

Джерела звуку - будь-які явища, що викликають місцеву зміну тиску або механічну напругу. Широко поширені джерела З. у вигляді тих, хто вагається твердих тіл (наприклад, дифузори гучномовців і мембрани телефонів, струни і деки музичних інструментів; в ультразвуковому діапазоні частот - пластинки та стрижні з п'єзоелектричних матеріалів або магнітострикційних матеріалів ). Джерелами З. можуть служити і коливання обмежених обсягів самого середовища (наприклад, в органних трубах, духових музичних інструментах, свистках і т.п.). Складною колебательной системою є голосовий апарат людини і тварин. Збудження коливань джерел З. може проводитися ударом або щипком (дзвона, струни); в них може підтримуватися режим автоколебаний за рахунок, наприклад, потоку повітря (духові інструменти). Обширний клас джерел З. - електроакустичні перетворювачі , В яких механічні коливання створюються шляхом перетворення коливань електричного струму тієї ж частоти. У природі З. збуджується при обтіканні твердих тіл потоком повітря за рахунок освіти і відриву вихорів, наприклад при обдувании вітром проводів, труб, гребенів морських хвиль. З. низьких і інфранизьких частот виникає при вибухах, обвалах. Різноманітні джерела акустичних шумів , До яких відносяться застосовувані в техніці машини і механізми, газові та водяні струмені. Дослідженню джерел промислових, транспортних шумів і шумів аеродинамічного походження приділяється велика увага з огляду на їх шкідливої ​​дії на людський організм і технічне обладнання.

Приймачі звуку служать для сприйняття звукової енергії і перетворення її в ін. Форми. До приймачів З. відноситься, зокрема, слуховий апарат людини і тварин. В техніці для прийому З. застосовуються головним чином електроакустичні перетворювачі: в повітрі - мікрофони , В воді - гідрофони і в земній корі - геофони . Поряд з такими перетворювачами, що відтворюють тимчасову залежність звукового сигналу, існують приймачі, що вимірюють усереднені за часом характеристики звукової хвилі, наприклад диск Релея , радіометр .

Поширення звукових хвиль характеризується в першу чергу швидкістю звуку . В газоподібних і рідких середовищах поширюються повздовжні хвилі (напрямок коливального руху частинок збігається з напрямком поширення хвилі), швидкість яких визначається сжимаемостью середовища і її щільністю. Швидкість З. в сухому повітрі при температурі 0 ° С становить 330 м / сек, в прісній воді при 17 ° С - 1430 м / сек. У твердих тілах, крім поздовжніх, можуть поширюватися поперечні хвилі, з напрямком коливань, перпендикулярним поширенню хвилі, а також поверхневі хвилі ( Релея хвилі ). Для більшості металів швидкість поздовжніх хвиль лежить в межах від 4000 м / сек до 7000 м / сек, а поперечних - від 2000 м / сек до 3500 м / сек.

При поширенні хвиль великої амплітуди (див. нелінійна акустика ) Фаза стиснення поширюється з більшою швидкістю, ніж фаза розрідження, завдяки чому синусоїдальна форма хвилі поступово спотворюється і звукова хвиля перетворюється в ударну хвилю . У ряді випадків спостерігається дисперсія звуку , Т. Е. Залежність швидкості поширення від частоти. Дисперсія З. призводить до зміни форми складних акустичних сигналів, що включають ряд гармонійних складових, зокрема - до спотворення звукових імпульсів . При поширенні звукових хвиль мають місце звичайні для всіх типів хвиль явища інтерференції і дифракції. У разі, коли розмір перешкод і неоднорідностей в середовищі великий у порівнянні з довжиною хвилі, поширення звуку підкоряється звичайним законам відбиття і заломлення хвиль і може розглядатися з позицій геометричній акустики .

При поширенні звукової хвилі в заданому напрямку відбувається поступове її згасання, т. Е. Зменшення інтенсивності і амплітуди. Знання законів загасання практично важливо для визначення граничної дальності поширення звукового сигналу. Загасання обумовлюється рядом факторів, які проявляються в тій чи іншій мірі в залежності від характеристик самого звуку (і в першу чергу, його частоти) і від властивостей середовища. Всі ці фактори можна поділити на дві великі групи. В першу входять фактори, пов'язані з законами хвильового поширення в середовищі. Так, при поширенні в необмеженому середовищі З. від джерела кінцевих розмірів інтенсивність його зменшується обернено пропорційно квадрату відстані. Неоднорідність властивостей середовища викликає розсіювання звукової хвилі з різних напрямків, що приводить до ослаблення її в первісному напрямку, наприклад розсіювання З. на бульбашках в воді, на схвильованій поверхні моря, в турбулентної атмосфері (див. турбулентність ), Розсіювання високочастотного ультразвуку в полікристалічних металах, на дислокаціях в кристалах. На поширення З. в атмосфері і в море впливає розподіл температури і тиску, сили і швидкості вітру. Ці фактори викликають викривлення звукових променів, т. Е. Рефракцію З., яка пояснює, зокрема, той факт, що за вітром З. чути далі, ніж проти вітру. Розподіл швидкості З. з глибиною в океані пояснює наявність т. Н. підводного звукового каналу, в якому спостерігається наддалеке поширення З., наприклад З. вибуху поширюється в такому каналі на відстань понад 5000 км.

Друга група факторів, що визначають загасання З., пов'язана з фізичними процесами в речовині - необоротним переходом звукової енергії в ін. Форми (головним чином в тепло), т. Е. З поглинанням звуку , Обумовленим в'язкістю і теплопровідністю середовища ( «класичне поглинання»), а також переходом звукової енергії в енергію внутрішньомолекулярних процесів (молекулярне або релаксаційні поглинання). Поглинання З. помітно зростає з частотою. Тому високочастотний ультразвук і гіперзвук поширюються, як правило, лише на дуже малі відстані, часто всього на кілька сантиметрів. В атмосфері, у водному середовищі і в земній корі найдалі поширюються інфразвукові хвилі, що відрізняються малим поглинанням і слабо розсіюється. На високих ультразвукових і гіперзвукових частотах в твердому тілі виникає додаткове поглинання, обумовлене взаємодією хвилі з тепловими коливаннями кристалічної решітки, з електронами і зі світловими хвилями. Ця взаємодія при певних умовах може викликати і «негативне поглинання», т. Е. Посилення звукової хвилі.

Значення звукових хвиль, а отже, і їх вивчення, яким займається акустика , Надзвичайно велике. З давніх-давен З. служить засобом зв'язку та сигналізації. Вивчення всіх його характеристик дозволяє розробити більш досконалі системи передачі інформації, підвищити дальність систем сигналізації, створити досконаліші музичні інструменти. Звукові хвилі є практично єдиним видом сигналів, що поширюються у водному середовищі, де вони служать для цілей підводного зв'язку, навігації, локації (див. гідроакустики ). Низькочастотний звук є інструментом дослідження земної кори. Практичне застосування ультразвуку створило цілу галузь сучасної техніки - ультразвукову техніку. Ультразвук використовується як для контрольно-вимірювальних цілей (зокрема, в дефектоскопії ), Так і для активного впливу на речовину (ультразвукове очищення, механічна обробка, зварювання і т.п.). Високочастотні звукові хвилі і особливо гіперзвук служать найважливішим засобом досліджень у фізиці твердого тіла.

Літ .: Стретт Д ж. (Лорд Релей), Теорія звуку, пров. з англ., 2 вид., т. 1-2, М., 1955; Красильников В. А., Звукові і ультразвукові хвилі в повітрі, воді і твердих тілах, 3 вид., М., 1960; Розенберг Л. Д., Розповідь про нечутні звуки, М., 1961.

І. П. Голяміна.

Мал. 1 (ліворуч). Частотно-амплітудні спектри звуків музичних інструментів: а - скрипки (звук ля першої октави, основна частота 426 гц); б - скрипки (звук мі другої октави, основна частота 640 гц); в - дерев'яної флейти (звук мі другої октави, основна частота 106 гц); г - тромбона (звук мі бемоль першої октави, основна частота 306 гц).

Мал. 2 (праворуч). Частотно-амплітудні спектри голосних «о», «а», «і».