1. Хвильова природа звуку
2. Швидкість звуку
3. Стоячі хвилі і інтерференція
4. явіще резонансу
5. Частотний спектр звуку і АЧХ
6. Поширення звукових хвиль, фаза і противофаза

Світ домашніх розваг досить різноманітний і може включати в себе: перегляд кіно на хорошій домашній кинотеатральной системі; захоплюючий і захоплюючий ігровий процес або прослуховування музичних композицій. Як правило, кожен знаходить щось своє в цій області, або поєднує все відразу. Але якими б не були цілі людини по організації свого дозвілля і в яку б крайність не вдаряти - всі ці ланки міцно пов'язані одним простим і зрозумілим словом - "звук". Дійсно, у всіх перерахованих випадках нас буде вести за ручку звуковий супровід. Але питання це не таке просте і тривіальний, особливо в тих випадках, коли з'являється бажання домогтися якісного звучання в приміщенні або будь-яких інших умовах. Для цього не завжди обов'язково купувати дорогі hi-fi або hi-end компоненти (хоча буде дуже до речі), а буває достатнім добре знання фізичної теорії, яка здатна вирішити проблеми, що виникають у всіх, хто поставив собі за мету отримати озвучку високої якості.

Далі буде розглянута теорія звуку і акустики з точки зору фізики. В даному випадку я постараюся зробити це максимально доступно для розуміння будь-якої людини, який, можливо, далекий від знання фізичних законів або формул, але тим не менш пристрасно мріє втіленням мрії створення досконалої акустичної системи. Я не беруся стверджувати, що для досягнення хороших результатів у цій галузі в домашніх умовах (або в автомобілі, наприклад) необхідно знати ці теорії досканально, однак розуміння основ дозволить уникнути безліч дурних і абсурдних помилок, а так само дозволить досягти максимального ефекту звучання від системи будь-якого рівня.

Що ж таке звук? Це відчуття, яке сприймає слуховий орган "вухо" (саме по собі явище існує і без участі «вуха» в процесі, але так простіше для розуміння), що виникає при порушенні барабанної перетинки звуковою хвилею. Вухо в даному випадку виступає в ролі "приймача" звукових хвиль різної частоти. Звукова хвиля ж являє собою по суті послідовний ряд ущільнень і розрядження середовища (найчастіше повітряного середовища в звичайних умовах) різної частоти. Природа звукових хвиль коливальна, що викликається і вироблена вібрацією будь-яких тел. Виникнення і поширення класичної звукової хвилі можливо в трьох пружних середовищах: газоподібних, рідких і твердих. При виникненні звукової хвилі в одному з цих типів простору неминуче виникають деякі зміни в самому середовищі, наприклад, зміна щільності або тиску повітря, переміщення частинок повітряних мас і т.д.

Оскільки звукова хвиля має коливальну природу, то у неї є така характеристика, як частота. Частота вимірюється в герцах (в честь німецького фізика Генріха Рудольфа Герца), і позначає кількість коливань за період часу, що дорівнює одній секунді. Тобто наприклад, частота 20 Гц означає цикл в 20 коливань за одну секунду. Від частоти звуку залежить і суб'єктивне поняття його висоти. Чим більше звукових коливань відбувається за секунду, тим «вище» здається звучання. У звукової хвилі так само є ще одна найважливіша характеристика, що має назву - довжина хвилі. Довжиною хвилі прийнято вважати відстань, яке проходить звук певної частоти за період, що дорівнює одній секунді. Для прикладу, довжина хвилі найнижчого звуку в чутному діапазоні для людини частотою 20 Гц становить 16,5 метрів, а довжина хвилі найвищого звуку 20000 Гц складає 1,7 сантиметра.

Людське вухо влаштовано таким чином, що здатне сприймати хвилі тільки в обмеженому діапазоні, приблизно 20 Гц - 20000 Гц (залежить від особливостей конкретної людини, хтось здатний чути трохи більше, хтось менше). Таким чином, це не означає, що звуків нижче або вище цих частот не існує, просто людським вухом вони не сприймаються, виходячи за кордон чутного діапазону. Звук вище чутного діапазону називається ультразвуком, звук нижче чутного діапазону називається інфразвуком. Деякі тварини здатні сприймати ультра і інфра звуки, деякі навіть використовують цей діапазон для орієнтування в просторі (кажани, дельфіни). У разі, якщо звук проходить через середовище, яке безпосередньо не стикається з органом слуху людини, то такий звук може бути не чуємо або сильно ослабленим після.

У музичній термінології звуку існують такі важливі позначення, як октава, тон і обертон звуку. Октава означає інтервал, в якому співвідношення частот між звуками становить 1 до 2. Октава зазвичай дуже добре помітна на слух, в той час як звуки в межах цього інтервалу можуть бути дуже схожими один на одного. Октавою також можна назвати звук, який робить удвічі більше коливань, ніж інший звук, в однаковий часовий період. Наприклад, частота 800 Гц, є ні що інше, як більш висока октава 400 Гц, а частота 400 Гц в свою чергу є наступною октавою звуку частотою 200 Гц. Октава в свою чергу складається з тонів і обертонів. Змінні коливання в гармонійної звукової хвилі однієї частоти сприймаються людським вухом як музичний тон. Коливання високої частоти можна інтерпретувати як звуки високого тону, коливання низької частоти - як звуки низького тону. Людське вухо здатне чітко відрізняти звуки з різницею в один тон (в діапазоні до 4000 Гц). Незважаючи на це, в музиці використовується вкрай мале число тонів. Пояснюється це з міркувань принципу гармонійної співзвучності, все засновано на принципі октав.

Розглянемо теорію музичних тонів на прикладі струни, натягнутої певним чином. Така струна, в залежності від сили натягу, матиме "настройку" на якусь одну конкретну частоту. При впливі на цю струну чим-небудь з однієї певної силою, що викличе її коливання, стабільно буде спостерігатися якийсь один певний тон звуку, ми почуємо шукану частоту настройки. Цей звук називається основним тоном. За основний тон в музичній сфері офіційно прийнята частота ноти "ля" першої октави, рівна 440 Гц. Однак, більшість музичних інструментів ніколи не відтворюють одні чисті основні тони, їх неминуче супроводжують призвуки, іменовані обертонами. Тут доречно згадати важливе визначення музичної акустики, поняття тембру звуку. Тембр - це особливість музичних звуків, які надають музичним інструментам і голосам їх неповторну впізнавану специфіку звучання, навіть якщо порівнювати звуки однакової висоти і гучності. Тембр кожного музичного інструменту залежить від розподілу звукової енергії по обертонам в момент появи звуку.

Обертони формують специфічне забарвлення основного тону, по якій ми легко можемо визначити і дізнатися конкретний інструмент, а так же чітко відрізнити його звучання від іншого інструменту. Обертони бувають двох типів: гармонійні і негармонійні. Гармонійні обертони за визначенням кратні частоті основного тону. Навпаки, якщо обертони не кратні і помітно відхиляються від величин, то вони називаються негармоническими. У музиці практично виключається оперування некратними обертонами, тому термін зводиться до поняття "обертон", маючи на увазі під собою гармонійний. У деяких інструментів, наприклад фортепіано, основний тон навіть не встигає сформуватися, за короткий проміжок відбувається наростання звуковий енергії обертонів, а потім так само стрімко відбувається спад. Багато інструменти створюють так званий ефект "перехідного тону", коли енергія певних обертонів максимальна в певний момент часу, зазвичай на самому початку, але потім різко змінюється і переходить до інших обертонам. Частотний діапазон кожного інструменту можна розглянути окремо і він зазвичай обмежується частотами основних тонів, який здатний відтворювати даний конкретний інструмент.

В теорії звуку також присутнє таке поняття як ШУМ. Шум - це будь-який звук, якій створюється сукупністю неузгоджених між собою джерел. Всім добре знайомий шум листя дерев, колишімой вітром і т.д.

Від чого залежить гучність звуку? Очевидно, що подібне явище безпосередньо залежить від кількості енергії, яку переносять звуковою хвилею. Для визначення кількісних показників гучності, існує поняття - інтенсивність звуку. Інтенсивність звуку визначається як потік енергії, який пройшов через якусь площу простору (наприклад, см2) за одиницю часу (наприклад, за секунду). При звичайній розмові інтенсивність становить приблизно 9 або 10 Вт / см2. Людське вухо здатне сприймати звуки досить широкого діапазону чутливості, при цьому сприйнятливість частот неоднорідна в межах звукового спектра. Так найкращим чином сприймається діапазон частот 1000 Гц - 4000 Гц, який найбільш широко охоплює людську мову.

Оскільки звуки настільки сильно розрізняються по інтенсивності, зручніше розглядати її як логарифмічну величину і вимірювати в децибелах (в честь шотландського вченого Олександра Грема Белла). Нижній поріг слухової чутливості людського вуха становить 0 Дб, верхній 120 Дб, він же ще називається "больовий поріг". Верхня межа чутливості так само сприймається людським вухом не однаково, а залежить від конкретної частоти. Звуки низьких частот повинні володіти набагато більшою інтенсивністю, ніж високі, щоб викликати больовий поріг. Наприклад, больовий поріг на низькій частоті 31,5 Гц настає при рівні сили звуку 135 дБ, коли на частоті 2000 Гц відчуття болю з'явиться при вже при 112 дБ. Є також поняття звукового тиску, яке фактично розширює звичне пояснення поширення звукової хвилі в повітрі. Звуковий тиск - це змінна надлишковий тиск, що виникає в пружною середовищі в результаті проходження через неї звукової хвилі.

Хвильова природа звуку

Щоб краще зрозуміти систему виникнення звукової хвилі, уявімо класичний динамік, що знаходиться в трубі, наповненою повітрям. Якщо динамік зробить різкий рух вперед, то повітря, що знаходиться в безпосередній близькості дифузора на мить стискається. Після цього повітря розшириться, штовхаючи тим самим стислу повітряну область вздовж по трубі. Ось це хвильовий рух і буде згодом звуком, коли досягне слухового органу і "порушить" барабанну перетинку. При виникненні звукової хвилі в газі створюється надлишковий тиск, надлишкова щільність і відбувається переміщення частинок з постійною швидкістю. Про звукові хвилі важливо пам'ятати та обставина, що речовина не переміщується разом зі звуковою хвилею, а виникає лише тимчасове обурення повітряних мас.

Якщо уявити поршень, підвішений у вільному просторі на пружині і здійснює рухи, що повторюються "вперед-назад", то такі коливання будуть називатися гармонійними або синусоїдальними (якщо уявити хвилю у вигляді графіка, то отримаємо в цьому випадку найчистішу сінусойду з повторюваними спадами і підйомами). Якщо уявити динамік в трубі (як і в прикладі, описаному вище), здійснює гармонічні коливання, то в момент руху динаміка "вперед" виходить відомий вже ефект стиснення повітря, а при русі динаміка "назад" зворотний ефект розрядження. В цьому випадку по трубі буде поширюватися хвиля чергуються стиснень і розрідження. Відстань уздовж труби між сусідніми максимумами або мінімумами (фазами) буде називатися довжиною хвилі. Якщо частинки коливаються паралельно напрямку поширення хвилі, то хвиля називається поздовжньою. Якщо ж вони коливаються перпендикулярно напрямку поширення, то хвиля називається поперечною. Зазвичай звукові хвилі в газах і рідинах - поздовжні, в твердих же тілах можливе виникнення хвиль обох типів. Поперечні хвилі в твердих тілах виникають завдяки опору до зміни форми. Основна різниця між цими двома типами хвиль полягає в тому, що поперечна хвиля має властивість поляризації (коливання відбуваються в певній площині), а поздовжня - немає.

Швидкість звуку

Швидкість звуку безпосередньо залежить від характеристик середовища, в якій він поширюється. Вона визначається (залежна) двома властивостями середовища: пружністю і щільністю матеріалу. Швидкість звуку в твердих тілах відповідно безпосередньо залежить від типу матеріалу і його властивостей. Швидкість в газових середовищах залежить тільки від одного типу деформації середовища: стиснення-розрідження. Зміна тиску в звуковій хвилі відбувається без теплообміну з оточуючими частинками і носить назву адіабатичне. Швидкість звуку в газі залежить в основному від температури - зростає при підвищенні температури і падає при зниженні. Так само швидкість звуку в газоподібному середовищі залежить від розмірів і маси самих молекул газу, - ніж маса і розмір часток менше, тим "провідність" хвилі більше і більше відповідно швидкість.

У рідкої і твердої середовищах принцип поширення і швидкість звуку аналогічні тому, як хвиля поширюється в повітрі: шляхом стиснення-розрядження. Але в даних середовищах, крім тієї ж залежності від температури, досить важливе значення має щільність середовища і її склад / структура. Чим менше щільність речовини, тим швидкість звуку вище і навпаки. Залежність же від складу середовища складніше і визначається в кожному конкретному випадку з урахуванням розташування і взаємодії молекул / атомів.

Швидкість звуку в повітрі при t, ° C 20: 343 м / с
Швидкість звуку в дистильованої воді при t, ° C 20: +1481 м / с
Швидкість звуку в стали при t, ° C 20: 5000 м / с

Стоячі хвилі і інтерференція

Коли динамік створює звукові хвилі в обмеженому просторі неминуче виникає ефект відбиття хвиль від кордонів. В результаті цього найчастіше виникає ефект інтерференції - коли дві або більше звукових хвиль накладаються один на одного. Особливими випадками явища інтерференції є освіту: 1) биття хвиль або 2) стоячі хвилі. Биття хвиль - це випадок, коли відбувається складання хвиль з близькими частотами і амплітудою. Картина виникнення биття: коли дві схожі за частотою хвилі накладаються один на одного. У якийсь момент часу при такому накладенні, амплітудні піки можуть збігатися "по фазі", а також можуть збігатися і спади по "протифазі". Саме так і характеризуються биття звуку. Важливо пам'ятати, що на відміну від стоячих хвиль, фазові збігу піків відбуваються не постійно, а через якісь часові проміжки. На слух така картина биття різниться досить чітко, і чується як періодичне наростання і спадання гучності відповідно. Механізм виникнення цього ефекту гранично простий: в момент збігу піків гучність наростає, в момент збігу спадів гучність зменшується.

Стоячі хвилі виникають в разі накладення двох хвиль однакової амлітуди, фази і частоти, коли при "зустрічі" таких хвиль одна рухається в прямому, а інша - в зворотному напрямку. В ділянці простору (де утворилася стояча хвиля) виникає картина накладення двох частотних амплітуд, з чергуванням максимумів (т.зв. пучностей) і мінімумів (т.зв. вузлів). При виникненні цього явища вкрай важливе значення має частота, фаза і коефіцієнт загасання хвилі в місці відображення. На відміну від біжучих хвиль, в стоячій хвилі відсутня перенесення енергії внаслідок того, що утворюють цю хвилю пряма і зворотна хвилі переносять енергію в рівних кількостях і в прямому і в протилежному напрямках. Для наочного розуміння виникнення стоячій хвилі, уявімо приклад з домашньої акустики. Припустимо, у нас є підлогові акустичні системи в деякому обмеженому просторі (кімнаті). Змусивши їх грати якусь композицію з великою кількістю баса, спробуємо змінити місце розташування слухача в приміщенні. Таким чином слухач, потрапивши в зону мінімуму (віднімання) стоячої хвилі відчує ефект того, що баса стало дуже мало, а якщо слухач потрапляє в зону максимуму (складання) частот, то виходить зворотний ефект істотного збільшення бас області. При цьому ефект спостерігається у всіх октавах базової частоти. Наприклад, якщо базова частота становить 440 Гц, то явище "складання" або "віднімання" буде спостерігатися також на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц і т.д.

явіще резонансу

У більшості твердих тіл є власна частота резонансу. Зрозуміті цею ефект Досить просто на прікладі звічайної труби, Відкритої только з одного кінця. Уявімо сітуацію, что з Іншого кінця труби прієднується динамік, Який может играть якусь одну постійну частоту, ее такоже Згідно можна міняті. Так ось, у труби є власна частота резонансу, говорячі простою мовою - це частота, на Якій труба "резонує" або відає свой власний звук. Если частота динаміка (в результате регулювання) співпаде з частотою резонансу труби, то вінікне ефект Збільшення гучності в кілька разів. Це відбувається тому, що гучномовець збуджує коливання повітряного стовпа в трубі зі значною амплітудою до тих пір, поки не знайдеться той самий «резонансна частота» та відбудеться ефект складання. Виник явище можна описати таким чином: труба в цьому прикладі "допомагає" динаміку, резонуючи на конкретній частоті, їх зусилля складаються і "виливаються" в чутний голосний ефект. На прикладі музичних інструментів легко простежується це явище, оскільки в конструкції більшості присутні елементи, звані резонаторами. Неважко здогадатися, що резонатор має на меті посилити певну частоту або музичний тон. Для прикладу: корпус гітари з резонатором у вигляді отвору, сопрягаемого з об'ємом; Конструкція трубки у флейти (і всі труби взагалі); Циліндричних форма корпусу барабана, який сам по собі є резонатором певної частоти.

Частотний спектр звуку і АЧХ

Оскільки на практиці практично не зустрічаються хвилі однієї частоти, то виникає необхідність розкладання всього звукового спектра чутного діапазону на обертони або гармоніки. Для цих цілей існують графіки, які відображають залежність відносної енергії звукових коливань від частоти. Такий графік називається графіком частотного спектра звуку. Частотний спектр звуку буває двох типів: дискретний і безперервний. Дискретний графік спектра відображає частоти окремо, розділені порожніми проміжками. У безперервному спектрі присутні відразу всі звукові частоти. У випадку з музикою або акустикою найчастіше використовується звичайний графік Амплитудно-Частотою Характеристики (скорочено "АЧХ"). На такому графіку представлена ​​залежність амплітуди звукових коливань від частоти протягом усього спектру частот (20 Гц - 20 кГц). Дивлячись на такий графік легко зрозуміти, наприклад, сильні або слабкі сторони конкретного динаміка або акустичної системи в цілому, найбільш сильні ділянки енергетичної віддачі, частотні спади і підйоми, загасання, а як і простежити крутизну спаду.

Поширення звукових хвиль, фаза і противофаза

Процес поширення звукових хвиль відбувається в усіх напрямках від джерела. Найпростіший приклад для розуміння цього явища: камінчик, кинутий в воду. Від місця, куди впав камінь, починають розходитися хвилі по поверхні води у всіх напрямках. Однак, уявімо ситуацію з використанням динаміка в якомусь обсязі, припустимо закритому ящику, який підключений до підсилювача і відтворює якийсь музичний сигнал. Нескладно помітити (особливо за умови, якщо подати потужний НЧ сигнал, наприклад бас-бочку), що динамік здійснює стрімкий рух "вперед", а потім таке ж стрімке рух "назад". Залишається зрозуміти, що коли динамік робить рух вперед, він випромінює звукову хвилю, яку ми чуємо згодом. А ось що відбувається, коли динамік робить рух назад? А відбувається парадоксально те ж саме, динамік робить той же звук, тільки поширюється він в нашому прикладі цілком в межах обсягу ящика, не виходячи за його межі (ящик закритий). В цілому, на наведеному вище прикладі можна спостерігати досить багато цікавих фізичних явищ, найбільш значущим з яких є поняття фази.

Звукова хвиля, яку динамік, перебуваючи в обсязі, випромінює в напрямку слухача - знаходиться "у фазі". Зворотній ж хвиля, яка йде в обсяг ящика, буде відповідно протифазної. Залишається тільки зрозуміти, що мають на увазі ці поняття? Фаза сигналу - це рівень звукового тиску в поточний момент часу в якійсь точці простору. Фазу найпростіше зрозуміти на прикладі відтворення музичного матеріалу звичайної підлоги стерео-парою домашніх акустичних систем. Уявімо, що дві такі підлогові колонки встановлені в якомусь приміщенні і грають. Обидві акустичні системи в цьому випадку відтворюють синхронний сигнал змінного звукового тиску, при тому звуковий тиск однієї колонки складається зі звуковим тиском іншої колонки. Відбувається подібний ефект за рахунок синхронності відтворення сигналу лівої і правої АС відповідно, іншими словами, піки і спади хвиль, випромінюваних лівими і правими динаміками збігаються.

А тепер уявімо, що тиску звуку як і раніше змінюються однаковим чином (не зазнали змін), але тільки тепер протилежно один одному. Подібне може статися, якщо підключити одну акустичну систему з двох в зворотній полярності ( "+" кабель від підсилювача до "-" клеми акустичної системі, і "-" кабель від підсилювача до "+" клеми акустичної системи). В цьому випадку протилежний по напрямку сигнал викличе різницю тисків, яку можна представити у вигляді чисел наступним чином: лівого динаміка буде створювати тиск "1 Па", а правого динаміка буде створювати тиск "мінус 1 Па". В результаті, сумарна гучність звуку в точці розміщення слухача буде дорівнює нулю. Це явище називається протифазою. Якщо розглядати приклад більш детально для розуміння, то виходить, що два динаміка, що грають "в фазі" - створюють однакові області ущільнення і розрядження повітря, чим фактично допомагають один одному. У випадку ж з ідеалізованої протифазою, область ущільнення повітряного простору, створена одним динаміком, буде супроводжуватися областю розрядження повітряного простору, створеної другим динаміком. Виглядає це приблизно, як явище взаємного синхронного гасіння хвиль. Правда, на практиці падіння гучності до нуля не відбувається, і ми почуємо сильно спотворений і ослаблений звук.

Найдоступнішим чином можна описати це явище так: два сигнали з однаковими коливаннями (частотою), але зрушені за часом. Зважаючи на це, зручніше представити ці явища зсуву на прикладі звичайних круглих стрілочних годин. Уявімо, що на стіні висить кілька однакових круглих годин. Коли секундні стрілки цього годинника біжать синхронно, на одних годинах 30 секунд і на інших 30, то це приклад сигналу, який знаходиться в фазі. Якщо ж секундні стрілки біжать зі зміщенням, але швидкість і раніше однакова, наприклад, на одних годинах 30 секунд, а на інших 24 секунди, то це і є класичний приклад зміщення (зсуву) по фазі. Таким же чином фаза вимірюється в градусах, в межах віртуального кола. В цьому випадку, при зміщенні сигналів відносно один одного на 180 градусів (половина періоду), і виходить класична противофаза. Нерідко на практиці виникають незначні зміщення по фазі, які так само можна визначити в градусах і успішно усунути.

Хвилі бувають плоскі і сферичні. Плоский хвильовий фронт поширюється тільки в одному напрямку і рідко зустрічається на практиці. Сферичний хвильовий фронт являє собою хвилі простого типу, які виходять з однієї точки і поширюється в усіх напрямках. Звукові хвилі мають властивість дифракції, тобто здатністю огинати перешкоди і об'єкти. Ступінь огибания залежить від відношення довжини звукової хвилі до розмірів перешкоди або отвори. Дифракція виникає і в разі, коли на шляху звуку виявляється яка-небудь перешкода. У цьому випадку можливі два варіанти розвитку подій: 1) Якщо розміри перешкоди набагато більше довжини хвилі, то звук відбивається або поглинається (в залежності від ступеня поглинання матеріалу, товщини перешкоди і т.д.), а позаду перешкоди формується зона "акустичної тіні" . 2) Якщо ж розміри перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі або навіть менше її, тоді звук дифрагує в якійсь мірі у всіх напрямках. Якщо звукова хвиля при русі в одному середовищі потрапляє на кордон розділу з іншим середовищем (наприклад повітряне середовище з твердої середовищем), то може виникнути три варіанти розвитку подій: 1) хвиля відіб'ється від поверхні розділу 2) хвиля може пройти в інше середовище без зміни напрямку 3) хвиля може пройти в інше середовище зі зміною напрямку на кордоні, це називається "переломлення хвилі".

Ставленням надлишкового тиску звукової хвилі до коливальної об'ємної швидкості називається хвильовий опір. Говорячи простими словами, хвильовим опором середовища можна назвати здатність поглинати звукові хвилі або "чинити опір" ім. Коефіцієнти відбиття і проходження безпосередньо залежать від співвідношення хвильових опорів двох середовищ. Хвильовий опір в газовому середовищі набагато нижче, ніж у воді або твердих тілах. Тому якщо звукова хвиля в повітрі падає на твердий об'єкт або на поверхню глибокої води, то звук або відбивається від поверхні, або поглинається в значній мірі. Залежить це від товщини поверхні (води або твердого тіла), на яку падає шукана звукова хвиля. При низькій товщині твердої або рідкої середовища, звукові хвилі практично повністю "проходять", і навпаки, при великій товщині середовища хвилі частіше відбивається. У разі відображення звукових хвиль, відбувається цей процес по добре відомому фізичному закону: "Кут падіння дорівнює куту відбиття". У цьому випадку, коли хвиля з середовища з меншою щільністю потрапляє на кордон із середовищем більшої щільності - відбувається явище рефракції. Воно полягає в вигині (переломленні) звукової хвилі після "зустрічі" з перешкодою, і обов'язково супроводжується зміною швидкості. Рефракція залежить також від температури середовища, в якій відбувається відображення.

У процесі поширення звукових хвиль в просторі неминуче відбувається зниження їх інтенсивності, можна сказати загасання хвиль і ослаблення звуку. На практиці зіткнутися з подібним ефектом досить просто: наприклад, якщо дві людини встануть в поле на деякому близькій відстані (метр і ближче) і почнуть щось говорити один одному. Якщо згодом збільшувати відстань між людьми (якщо вони почнуть віддалятися один від одного), той же самий рівень розмовної гучності буде ставати все менш і менш чутним. Подібний приклад наочно демонструє явище зниження інтенсивності звукових хвиль. Чому це відбувається? Причиною тому різні процеси теплообміну, молекулярного взаємодії і внутрішнього тертя звукових хвиль. Найбільш часто на практиці відбувається перетворення звукової енергії в теплову. Подібні процеси неминуче виникають в будь-який з 3-ох середовищ поширення звуку і їх можна охарактеризувати як поглинання звукових хвиль.

Інтенсивність і ступінь поглинання звукових хвиль залежить від багатьох факторів, таких як: тиск і температура середовища. Також поглинання залежить від конкретної частоти звуку. При поширенні звукової хвилі в рідинах або газах виникає ефект тертя між різними частинками, яке називається в'язкістю. В результаті цього тертя на молекулярному рівні і відбувається процес перетворення хвилі з звуковий в теплову. Іншими словами, чим вище теплопровідність середовища, тим менше ступінь поглинання хвиль. Поглинання звуку в газових середовищах залежить ще і від тиску (атмосферний тиск змінюється з підвищенням висоти щодо рівня моря). Що відносно залежності ступеня поглинання від частоти звуку, то беручи до уваги вищезгадані залежності в'язкості і теплопровідності, поглинання звуку тим вище, чим вище його частота. Для прикладу, при нормальній температурі і тиску, в повітрі поглинання хвилі частотою 5000 Гц становить 3 Дб / км, а поглинання хвилі частотою 50000 Гц складе вже 300 Дб / м.

У твердих середовищах зберігаються всі вищеназвані залежності (теплопровідність і в'язкість), однак до цього додається ще кілька умов. Вони пов'язані з молекулярною структурою твердих матеріалів, яка може бути різною, зі своїми неоднородностями. Залежно від цього внутрішнього твердого молекулярного будови, поглинання звукових хвиль в даному випадку може бути різним, і залежить від типу конкретного матеріалу. При проходженні звуку через тверде тіло, хвиля зазнає ряд перетворень і спотворень, що найчастіше призводить до розсіювання і поглинання звукової енергії. На молекулярному рівні може виникнути ефект дислокацій, коли звукова хвиля викликає зміщення атомних площин, які потім повертаються в початкове положення. Або ж, рух дислокацій призводить до зіткнення з перпендикулярними їм дислокациями або дефектами кристалічної будови, що викликає їх гальмування і як наслідок деякий поглинання звукової хвилі. Однак, звукова хвиля може і резонувати з даними дефектами, що призведе до спотворення вихідної хвилі. Енергія звукової хвилі в момент взаємодії з елементами молекулярної структури матеріалу розсіюється в результаті процесів внутрішнього тертя.

В наступній статті я постараюся розібрати особливості слухового сприйняття людини і деякі тонкощі і особливості поширення звуку.

Поділитися в СОЦІАЛЬНИХ МЕРЕЖ: