Как путешествует звук

Звуки — это часть жизни. Люди просыпаются от звука будильника, в течение дня общаются с коллегами и друзьями, а вечерами смотрят фильмы. Но как звук достигает наших ушей? Разбираемся. 

Что такое звук Фото: Africa Studio/Shutterstock/FOTODOM Когда человек бьет в барабан, звук распространяется через воздух и вызывает вибрацию барабанной перепонки и структур среднего уха. Именно тогда человек слышит звук барабана

Звук — это энергия, которую производят вибрирующие объекты. Когда человек бьет в барабан, звук распространяется через воздух и вызывает вибрацию барабанной перепонки и структур среднего уха. Именно тогда человек слышит звук барабана.

Звук имеет два аспекта. Первый — это физический процесс, производство звуковой энергии и ее распространение по воздуху. Второй — психологический процесс, преобразование этой энергии в ощущения, которые мозг интерпретирует как шумы, речь или музыку. Сосредоточимся на физической стороне звука.

Как звук перемещается в пространстве Фото: Raldugina Oksana/Shuttestock/FOTODOM Для распространения звуку нужна среда — будь то воздух, вода, стекло или металл

Звук путешествует в виде волн. Они представляют собой колебания давления, которые распространяются через определенную среду. Эти колебания заставляют частицы вибрировать вперед и назад в направлении движения волны. К сравнению, если потянуть пружину за один конец и отпустить, вдоль нее побежит волна сжатия и расширения. Точно также звуковые волны состоят из чередующихся сжатий (областей высокого давления) и разрежений (областей низкого давления).

Для распространения звуку нужна среда — будь то воздух, вода, стекло или металл. Это впервые доказал англо-ирландский ученый Роберт Бойль. Он поместил звонящий будильник под стеклянный колпак с насосом и начал откачивать воздух. По мере удаления воздуха звук становился тише и в конечном итоге исчезал полностью. Когда же ученый возвращал воздух, звук снова становился слышимым. Этот эксперимент наглядно показал, что без среды звук распространяться не может.

Свойства звуковых волн Фото: Maui Topical Images/Shutterstock/FOTODOM Скорость звука зависит от свойств среды, через которую он проходит. В воде, которая является более плотной средой, скорость возрастает примерно до 1484 м/с

Как и все волны, звук обладает несколькими ключевыми характеристиками.

Амплитуда определяет громкость звука — чем больше амплитуда, тем громче звук. Например, чем сильнее ударить или дернуть струну гитары, тем больше энергии колебаний передастся в воздух, и тем громче будет звук. Частота, измеряемая в герцах (Гц), определяет высоту звука. Высокие частоты соответствуют высоким тонам, как пение птиц, а низкие частоты — низким, как гудение двигателя. Человек может слышать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Длина волны — это расстояние между двумя последовательными сжатиями или разрежениями. Она обратно пропорциональна частоте: низкочастотные звуки имеют длинные волны, а высокочастотные — короткие. Скорость звука зависит от свойств среды, через которую он проходит. В воздухе при температуре около +20°C звук движется со скоростью около 343 м/с. В воде, которая является более плотной средой, скорость возрастает до примерно 1484 м/с. В твердых телах звук распространяется еще быстрее: в бетоне его скорость достигает 3655 м/с, в стекле — около 4000 м/с. Как звук взаимодействует с окружающим миром Фото: monshtein/Shutterstock/FOTODOM Когда звуковая волна сталкивается с препятствием, она может отражаться — это явление мы называем эхом

Звуковые волны ведут себя предсказуемо, и их поведение во многом напоминает световые волны. Когда звуковая волна сталкивается с препятствием, она может отражаться — это явление мы называем эхом. Например, если человек встанет на некотором расстоянии от большой стены и хлопнет в ладоши, он услышит повторение хлопка — это звуковая энергия дошла до стены, отразилась и вернулась.

Звук также может огибать препятствия — это явление называется дифракцией. Дифракция особенно заметна, когда размер препятствия сопоставим с длиной звуковой волны. Благодаря этому можно слышать звук из-за угла здания.

Когда звуковая волна сталкивается с материалом, тот может поглощать часть ее энергии и преобразовывать в тепло. Например, так делает минеральная вата. Поэтому ее часто используют для звукоизоляции помещений.

Как люди слышат звуки Фото: Yuliya Evstratenko/Shuttersttock/FOTODOM Звук — удивительное явление, которое сопровождает человека повсюду

Слуховой аппарат человека — это сложная и точная система. Наружное ухо улавливает звуковые волны и направляет их в слуховой проход. Достигнув барабанной перепонки, волны заставляют ее вибрировать с той же частотой, что и источник звука. Эти колебания передаются на три крошечные косточки среднего уха — молоточек, наковальню и стремечко, которые усиливают вибрацию.

Затем вибрация достигает улитки внутреннего уха, заполненной жидкостью. Волосковые клетки в улитке преобразуют колебания в электрические импульсы, которые передаются по слуховому нерву в мозг. Мозг анализирует эти сигналы и восстанавливает восприятие звука.

Интересные факты о звуке Фото: Nox image/Shutterstock/FOTODOM В космосе нет звука, так как там нет среды для его распространения. Так что космические взрывы в фильмах — это художественный вымысел Киты и дельфины используют звук для общения на огромных расстояниях. Например, киты могут «разговаривать» через океаны, а дельфины применяют эхолокацию для навигации и охоты.  Летучие мыши используют эхолокацию, чтобы ориентироваться в темноте. Инфразвук (ниже 20 Гц) и ультразвук (выше 20 кГц) не слышны человеку, но их используют животные и применяют в технологиях, например, УЗИ в медицине. В космосе нет звука, так как там нет среды для его распространения. Так что космические взрывы в фильмах — это художественный вымысел. Некоторые помещения с куполообразными потолками обладают акустическим эффектом: шепот в одной части зала может быть четко слышен в другой благодаря отражению звука от изогнутых поверхностей.

По материалам explainthatstuff.com.

Почему нам не нравится звук собственного голоса

Почему одни и те же звуки окружающего мира отражаются в языках по-разному

Почему мы слышим шум моря в ракушке