В физике звук — это вибрация , которая распространяется как акустическая волна через среду передачи, такую как газ, жидкость или твердое тело. В физиологии и психологии человека звук — это прием таких волн и их восприятие мозгом . [1] Только акустические волны, которые имеют частоты, лежащие между 20 Гц и 20 кГц, диапазон звуковых частот , вызывают слуховое восприятие у людей. В воздухе при атмосферном давлении они представляют собой звуковые волны с длинами волн от 17 метров (56 футов) до 1,7 сантиметра (0,67 дюйма). Звуковые волны выше 20 кГц известны как ультразвук и не слышны человеку. Звуковые волны ниже 20 Гц известны как инфразвук . Различные виды животных имеют различные диапазоны слуха .
Звук определяется как "(a) Колебание давления, напряжения, смещения частиц, скорости частиц и т. д., распространяющееся в среде с внутренними силами (например, упругой или вязкой), или суперпозиция такого распространяющегося колебания. (b) Слуховое ощущение, вызванное колебанием, описанным в (a)". [2] Звук можно рассматривать как волновое движение в воздухе или других упругих средах. В этом случае звук является стимулом. Звук также можно рассматривать как возбуждение слухового механизма, которое приводит к восприятию звука. В этом случае звук является ощущением .
Акустика — междисциплинарная наука, которая занимается изучением механических волн в газах, жидкостях и твердых телах, включая вибрацию , звук, ультразвук и инфразвук. Ученый, работающий в области акустики , называется акустиком , в то время как тот, кто работает в области акустической инженерии, может быть назван акустическим инженером . [3] С другой стороны, аудиоинженер занимается записью, обработкой, микшированием и воспроизведением звука.
Приложения акустики встречаются почти во всех аспектах современного общества, субдисциплины включают аэроакустику , обработку аудиосигналов , архитектурную акустику , биоакустику , электроакустику, шум окружающей среды , музыкальную акустику , контроль шума , психоакустику , речь , ультразвук , подводную акустику и вибрацию . [4]
Звук может распространяться через среду, такую как воздух, вода и твердые тела, как продольные волны , а также как поперечные волны в твердых телах . Звуковые волны генерируются источником звука, таким как вибрирующая диафрагма стереодинамика. Источник звука создает вибрации в окружающей среде. По мере того, как источник продолжает вибрировать среду, вибрации распространяются от источника со скоростью звука , таким образом образуя звуковую волну. На фиксированном расстоянии от источника давление , скорость и смещение среды изменяются во времени. В один момент времени давление, скорость и смещение изменяются в пространстве. Частицы среды не перемещаются вместе со звуковой волной. Это интуитивно очевидно для твердого тела, и то же самое верно для жидкостей и газов (то есть колебания частиц в газе или жидкости переносят колебания, в то время как среднее положение частиц с течением времени не меняется). Во время распространения волны могут отражаться , преломляться или ослабляться средой. [5]
На характер распространения звука обычно влияют три фактора:
Когда звук распространяется через среду, не имеющую постоянных физических свойств, он может преломляться (рассеиваться или фокусироваться). [5]
Механические колебания, которые можно интерпретировать как звук, могут распространяться через все формы материи : газы, жидкости, твердые тела и плазму . Материя, которая поддерживает звук, называется средой . Звук не может распространяться через вакуум . [6] [7]
Исследования показали, что звуковые волны способны переносить крошечное количество массы и окружены слабым гравитационным полем. [8]
Звук передается через газы, плазму и жидкости как продольные волны , также называемые волнами сжатия . Для его распространения требуется среда. Однако через твердые тела он может передаваться как в виде продольных волн, так и в виде поперечных волн . Продольные звуковые волны — это волны переменного отклонения давления от равновесного давления, вызывающие локальные области сжатия и разрежения , тогда как поперечные волны (в твердых телах) — это волны переменного напряжения сдвига под прямым углом к направлению распространения.
Звуковые волны можно наблюдать с помощью параболических зеркал и объектов, которые производят звук. [9]
Энергия, переносимая колеблющейся звуковой волной, преобразуется между потенциальной энергией дополнительного сжатия (в случае продольных волн) или деформации бокового смещения (в случае поперечных волн) вещества и кинетической энергией скорости смещения частиц среды.
Хотя существует множество сложностей, связанных с передачей звуков, в точке приема (т. е. в ушах) звук легко делится на два простых элемента: давление и время. Эти фундаментальные элементы составляют основу всех звуковых волн. Их можно использовать для описания в абсолютных терминах каждого звука, который мы слышим.
Чтобы более полно понять звук, сложную волну, такую как показанная на синем фоне справа в этом тексте, обычно разделяют на составные части, которые представляют собой комбинацию различных частот звуковых волн (и шума). [10] [11] [12]
Звуковые волны часто упрощаются до описания в терминах синусоидальных плоских волн , которые характеризуются следующими общими свойствами:
Звук, воспринимаемый человеком, имеет частоты от 20 Гц до 20 000 Гц. В воздухе при стандартной температуре и давлении соответствующие длины звуковых волн находятся в диапазоне от 17 м (56 футов) до 17 мм (0,67 дюйма). Иногда скорость и направление объединяются как вектор скорости ; волновое число и направление объединяются как волновой вектор .
Поперечные волны , также известные как сдвиговые волны, обладают дополнительным свойством — поляризацией , которая не свойственна продольным звуковым волнам. [13]
_-_filtered.jpg/1280px-FA-18_Hornet_breaking_sound_barrier_(7_July_1999)_-_filtered.jpg)
Скорость звука зависит от среды, через которую проходят волны, и является фундаментальным свойством материала. Первая значительная попытка измерения скорости звука была предпринята Исааком Ньютоном . Он считал, что скорость звука в определенном веществе равна квадратному корню из давления, действующего на него, деленному на его плотность:
Позже было доказано, что это неверно, и французский математик Лаплас исправил формулу, выведя, что явление распространения звука является не изотермическим, как считал Ньютон, а адиабатическим . Он добавил к уравнению еще один фактор — гамма — и умножил на , таким образом придя к уравнению . Поскольку , окончательное уравнение получилось , которое также известно как уравнение Ньютона-Лапласа. В этом уравнении K — модуль объемной упругости, c — скорость звука, а — плотность. Таким образом, скорость звука пропорциональна квадратному корню из отношения модуля объемной упругости среды к ее плотности.
Эти физические свойства и скорость звука изменяются в зависимости от условий окружающей среды. Например, скорость звука в газах зависит от температуры. В воздухе при температуре 20 °C (68 °F) на уровне моря скорость звука составляет приблизительно 343 м/с (1230 км/ч; 767 миль/ч) с использованием формулы v [м/с] = 331 + 0,6 T [°C] . Скорость звука также немного чувствительна, поскольку она подвержена ангармоническому эффекту второго порядка, к амплитуде звука, что означает наличие нелинейных эффектов распространения, таких как создание гармоник и смешанных тонов, отсутствующих в исходном звуке (см. параметрический массив ). Если релятивистские эффекты важны, скорость звука рассчитывается из релятивистских уравнений Эйлера .
В пресной воде скорость звука составляет приблизительно 1482 м/с (5335 км/ч; 3315 миль/ч). В стали скорость звука составляет приблизительно 5960 м/с (21460 км/ч; 13330 миль/ч). Звук движется быстрее всего в твердом атомарном водороде со скоростью приблизительно 36000 м/с (129600 км/ч; 80530 миль/ч). [15] [16]
Звуковое давление — это разница в данной среде между средним локальным давлением и давлением в звуковой волне. Квадрат этой разницы (т. е. квадрат отклонения от равновесного давления) обычно усредняется по времени и/или пространству, а квадратный корень из этого среднего значения дает среднеквадратичное значение (RMS). Например, среднеквадратичное звуковое давление 1 Па (94 дБУЗД) в атмосферном воздухе подразумевает, что фактическое давление в звуковой волне колеблется между (1 атмПа) и (1 атмПа), то есть между 101323,6 и 101326,4 Па. Поскольку человеческое ухо может улавливать звуки с широким диапазоном амплитуд, звуковое давление часто измеряется как уровень на логарифмической шкале децибел . Уровень звукового давления (УЗД) или L p определяется как
Поскольку человеческое ухо не имеет плоской спектральной характеристики , звуковые давления часто взвешиваются по частоте , чтобы измеренный уровень более точно соответствовал воспринимаемым уровням. Международная электротехническая комиссия (МЭК) определила несколько схем взвешивания. Взвешивание по шкале А пытается сопоставить реакцию человеческого уха на шум, а уровни звукового давления по шкале А обозначаются как дБА. Взвешивание по шкале С используется для измерения пиковых уровней.
Термин « звук» используется в физиологии и психологии, где он относится к предмету восприятия мозгом. Таким исследованиям посвящена область психоакустики . Словарь Вебстера определяет звук как: «1. Ощущение слуха, то, что слышно; конкретн.: а. Психофизика. Ощущение, вызванное стимуляцией слуховых нервов и слуховых центров мозга, обычно колебаниями, передаваемыми в материальной среде, обычно в воздухе, воздействующими на орган слуха. б. Физика. Вибрационная энергия, которая вызывает такое ощущение. Звук распространяется прогрессирующими продольными вибрационными возмущениями (звуковыми волнами)». [17] Это означает, что правильным ответом на вопрос: « Если дерево падает в лесу, и рядом нет никого, кто мог бы это услышать, издает ли оно звук? » является «да» и «нет», в зависимости от того, используется ли физическое или психофизическое определение соответственно.
Физическое восприятие звука любым слышащим организмом ограничено диапазоном частот. Люди обычно слышат звуковые частоты приблизительно от 20 Гц до 20 000 Гц (20 кГц ), [18] : 382 Верхний предел уменьшается с возрастом. [18] : 249 Иногда звук относится только к тем колебаниям с частотами , которые находятся в пределах диапазона слышимости для людей [19] , а иногда он относится к определенному животному. Другие виды имеют другие диапазоны слуха. Например, собаки могут воспринимать колебания выше 20 кГц.
Как сигнал, воспринимаемый одним из основных чувств , звук используется многими видами для обнаружения опасности , навигации , обнаружения хищников и общения. Атмосфера Земли , вода и практически любое физическое явление , такое как огонь, дождь, ветер, прибой или землетрясение, производят (и характеризуются) свои уникальные звуки. Многие виды, такие как лягушки, птицы, морские и наземные млекопитающие , также развили специальные органы для производства звука. У некоторых видов они производят пение и речь . Кроме того, люди развили культуру и технологии (такие как музыка, телефон и радио), которые позволяют им генерировать, записывать, передавать и транслировать звук.
Шум — термин, часто используемый для обозначения нежелательного звука. В науке и технике шум — нежелательный компонент, который скрывает нужный сигнал. Однако в восприятии звука его часто можно использовать для определения источника звука, и он является важным компонентом восприятия тембра (см. ниже).
Звуковой ландшафт — это компонент акустической среды, который может восприниматься людьми. Акустическая среда — это совокупность всех звуков (слышимых или нет человеком) в пределах заданной области, измененных средой и понимаемых людьми в контексте окружающей среды.
Исторически существует шесть экспериментально разделяемых способов анализа звуковых волн. Это: высота тона , длительность , громкость , тембр , звуковая текстура и пространственное расположение . [20] Некоторые из этих терминов имеют стандартизированное определение (например, в акустической терминологии ANSI ANSI/ASA S1.1-2013 ). Более поздние подходы также рассматривали временную огибающую и временную тонкую структуру как перцептивно релевантные анализы. [21] [22] [23]
Высота тона воспринимается как то, насколько «низким» или «высоким» является звук, и представляет собой циклическую, повторяющуюся природу колебаний, составляющих звук. Для простых звуков высота тона относится к частоте самой медленной вибрации в звуке (называемой основной гармоникой). В случае сложных звуков восприятие высоты тона может варьироваться. Иногда люди идентифицируют разные высоты тона для одного и того же звука, основываясь на своем личном опыте определенных звуковых моделей. Выбор определенной высоты тона определяется предсознательным исследованием вибраций, включая их частоты и баланс между ними. Особое внимание уделяется распознаванию потенциальных гармоник. [24] [25] Каждый звук помещается в континуум высоты тона от низкого до высокого.
Например: белый шум (случайный шум, равномерно распределенный по всем частотам) звучит выше по тону, чем розовый шум (случайный шум, равномерно распределенный по октавам), поскольку белый шум имеет более высокочастотное содержимое.
Длительность воспринимается как то, насколько «длинным» или «коротким» является звук, и относится к начальным и смещенным сигналам, создаваемым нервными реакциями на звуки. Длительность звука обычно длится с момента, когда звук впервые замечен, до того момента, когда звук идентифицируется как изменившийся или прекратившийся. [26] Иногда это не связано напрямую с физической длительностью звука. Например, в шумной среде прерывистые звуки (звуки, которые останавливаются и начинаются) могут звучать так, как будто они непрерывны, потому что смещенные сообщения пропускаются из-за помех от шумов в той же общей полосе пропускания. [27] Это может быть очень полезно для понимания искаженных сообщений, таких как радиосигналы, которые страдают от помех, поскольку (из-за этого эффекта) сообщение слышно так, как будто оно непрерывно.
Громкость воспринимается как то, насколько «громким» или «тихим» является звук, и относится к общему числу стимуляций слухового нерва за короткие циклические периоды времени, скорее всего, за длительность циклов тета-волн. [28] [29] [30] Это означает, что при короткой продолжительности очень короткий звук может звучать тише, чем более длинный звук, даже если они представлены на том же уровне интенсивности. После примерно 200 мс это уже не так, и длительность звука больше не влияет на кажущуюся громкость звука.
Тембр воспринимается как качество различных звуков (например, стук упавшего камня, жужжание дрели, тон музыкального инструмента или качество голоса) и представляет собой предсознательное распределение звуковой идентичности звука (например, «это гобой!»). Эта идентичность основана на информации, полученной из частотных переходных процессов, шумности, неустойчивости, воспринимаемой высоты тона и распространения и интенсивности обертонов в звуке в течение длительного периода времени. [10] [11] [12] То, как звук изменяется с течением времени, дает большую часть информации для идентификации тембра. Даже несмотря на то, что небольшой участок формы волны от каждого инструмента выглядит очень похожим, различия в изменениях с течением времени между кларнетом и фортепиано очевидны как в громкости, так и в гармоническом содержании. Менее заметны различные слышимые шумы, такие как шипение воздуха для кларнета и удары молотков для фортепиано.
Звуковая текстура относится к количеству источников звука и взаимодействию между ними. [31] [32] Слово текстура в этом контексте относится к когнитивному разделению слуховых объектов. [33] В музыке текстура часто упоминается как разница между унисоном , полифонией и гомофонией , но она также может относиться (например) к оживленному кафе; звук, который можно было бы назвать какофонией .
Пространственное расположение представляет собой когнитивное размещение звука в контексте окружающей среды; включая размещение звука как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, расстояние от источника звука и характеристики звуковой среды. [33] [34] В плотной текстуре можно идентифицировать несколько источников звука, используя комбинацию пространственного расположения и идентификации тембра.
Ультразвук — это звуковые волны с частотой выше 20 000 Гц. Ультразвук по своим физическим свойствам не отличается от слышимого звука, но не может быть услышан человеком. Ультразвуковые устройства работают на частотах от 20 кГц до нескольких гигагерц.
Ультразвуковое исследование широко используется в диагностических и лечебных целях.
Инфразвук — это звуковые волны с частотами ниже 20 Гц. Хотя звуки такой низкой частоты слишком низки для человеческого слуха, они воспринимаются как дискретные импульсы (например, «хлопающий» звук работающего на холостом ходу мотоцикла). Киты, слоны и другие животные могут улавливать инфразвук и использовать его для общения. Его можно использовать для обнаружения извержений вулканов, а также в некоторых видах музыки. [35]
