В физике звук — это вибрация , которая распространяется как акустическая волна через передающую среду, 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, частота которых лежит между 20 Гц и 20 кГц ( диапазон звуковых частот) , вызывают слуховое восприятие у людей. В воздухе при атмосферном давлении они представляют собой звуковые волны длиной 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 частотой ниже 20 Гц известны как инфразвук . Разные виды животных имеют разный диапазон слуха .
Акустика — междисциплинарная наука, занимающаяся изучением механических волн в газах, жидкостях и твердых телах, включая вибрацию , звук, ультразвук и инфразвук. Ученый, работающий в области акустики , является акустиком , а человека, работающего в области акустической техники , можно назвать инженером-акустиком . [2] Аудиоинженер , с другой стороны, занимается записью, манипулированием, микшированием и воспроизведением звука.
Применение акустики встречается почти во всех аспектах жизни современного общества. Поддисциплины включают аэроакустику , обработку звуковых сигналов , архитектурную акустику , биоакустику , электроакустику, шум окружающей среды , музыкальную акустику , контроль шума , психоакустику , речь , ультразвук , подводную акустику и вибрацию . . [3]
Звук определяется как «(a) Колебания давления, напряжения, смещения частиц, скорости частиц и т. д., распространяющиеся в среде с внутренними силами (например, упругими или вязкими), или суперпозиция таких распространяющихся колебаний. (b) Слуховые колебания. ощущение, вызванное колебанием, описанным в (а)». [4] Звук можно рассматривать как волновое движение в воздухе или другой упругой среде. В данном случае звук является стимулом. Звук также можно рассматривать как возбуждение слухового аппарата, приводящее к восприятию звука. В данном случае звук — это ощущение .
Звук может распространяться в такой среде, как воздух, вода и твердые тела, в виде продольных волн , а также в виде поперечных волн в твердых телах . Звуковые волны генерируются источником звука, например вибрирующей диафрагмой стереодинамика. Источник звука создает вибрации в окружающей среде. Поскольку источник продолжает вибрировать среду, вибрации распространяются от источника со скоростью звука , образуя таким образом звуковую волну. На фиксированном расстоянии от источника давление , скорость и смещение среды изменяются во времени. В любой момент времени давление, скорость и смещение изменяются в пространстве. Частицы среды не движутся вместе со звуковой волной. Это интуитивно очевидно для твердого тела, то же справедливо для жидкостей и газов (т. е. колебания частиц в газе или жидкости переносят вибрации, при этом среднее положение частиц с течением времени не меняется). Во время распространения волны могут отражаться , преломляться или ослабляться средой. [5]
На поведение распространения звука обычно влияют три вещи:
Когда звук движется через среду, не имеющую постоянных физических свойств, он может преломляться (рассеиваться или фокусироваться). [5]
Механические вибрации, которые можно интерпретировать как звук, могут распространяться через все формы материи : газы, жидкости, твердые тела и плазму . Материя, поддерживающая звук, называется средой . Звук не может распространяться в вакууме . [6] [7]
Звук передается через газы, плазму и жидкости в виде продольных волн , также называемых волнами сжатия . Для распространения требуется среда. Однако через твердые тела он может передаваться как в виде продольных, так и поперечных волн . Продольные звуковые волны представляют собой волны знакопеременных отклонений давления от равновесного давления, вызывающие локальные области сжатия и разрежения , а поперечные волны (в твердых телах) представляют собой волны знакопеременного напряжения сдвига под прямым углом к направлению распространения.
Звуковые волны можно наблюдать с помощью параболических зеркал и объектов, издающих звук. [8]
Энергия, переносимая колеблющейся звуковой волной, преобразуется туда и обратно между потенциальной энергией дополнительного сжатия (в случае продольных волн) или деформации бокового смещения (в случае поперечных волн) вещества и кинетической энергией скорости перемещения. частиц среды.
Хотя существует множество сложностей, связанных с передачей звуков, в точке приема (т. е. в ушах) звук легко разделить на два простых элемента: давление и время. Эти фундаментальные элементы составляют основу всех звуковых волн. Их можно использовать для описания в абсолютном выражении каждого звука, который мы слышим.
Чтобы понять звук более полно, сложную волну, такую как показанная на синем фоне справа от текста, обычно разделяют на составные части, которые представляют собой комбинацию различных частот звуковых волн (и шума). [9] [10] [11]
Звуковые волны часто упрощают до описания в терминах синусоидальных плоских волн , которые характеризуются следующими общими свойствами:
Звук, воспринимаемый человеком, имеет частоты от 20 до 20 000 Гц. В воздухе при стандартной температуре и давлении соответствующие длины звуковых волн варьируются от 17 м (56 футов) до 17 мм (0,67 дюйма). Иногда скорость и направление объединяются в вектор скорости ; Волновое число и направление объединяются в волновой вектор .
Поперечные волны , также известные как поперечные волны, обладают дополнительным свойством поляризации и не являются характеристикой звуковых волн.
_-_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. Первую значительную попытку измерить скорость звука сделал Исаак Ньютон . Он считал, что скорость звука в конкретном веществе равна квадратному корню из действующего на него давления, деленному на его плотность:
Позже было доказано, что это неверно, и французский математик Лаплас исправил формулу, сделав вывод, что явление распространения звука не изотермическое, как считал Ньютон, а адиабатическое . Он добавил в уравнение еще один коэффициент — гамму — и умножил на , получив уравнение . Поскольку окончательное уравнение получило название , которое также известно как уравнение Ньютона-Лапласа. В этом уравнении K — модуль упругости, c — скорость звука, а — плотность. Таким образом, скорость звука пропорциональна корню квадратному из отношения модуля объемного сжатия среды к ее плотности.
Эти физические свойства и скорость звука меняются в зависимости от условий окружающей среды. Например, скорость звука в газах зависит от температуры. В воздухе с температурой 20 ° C (68 ° F) на уровне моря скорость звука составляет примерно 343 м/с (1230 км/ч; 767 миль в час) по формуле v [м/с] = 331 + 0,6 T [°C ] . Скорость звука также немного чувствительна к амплитуде звука, поскольку подвержена ангармоническому эффекту второго порядка, что означает наличие эффектов нелинейного распространения, таких как образование гармоник и смешанных тонов, отсутствующих в исходном звуке ( см. параметрический массив ). Если важны релятивистские эффекты, скорость звука рассчитывается по релятивистским уравнениям Эйлера .
В пресной воде скорость звука составляет примерно 1482 м/с (5335 км/ч; 3315 миль в час). В стали скорость звука составляет около 5960 м/с (21 460 км/ч; 13 330 миль в час). Звук движется быстрее всего в твердом атомарном водороде со скоростью около 36 000 м/с (129 600 км/ч; 80 530 миль в час). [13] [14]
Звуковое давление — это разница в данной среде между средним местным давлением и давлением звуковой волны. 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 среднеквадратическое 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. могут улавливать звуки с широким диапазоном амплитуд, звуковое давление часто измеряется как уровень по логарифмической шкале децибел . Уровень звукового давления (SPL) или L p определяется как
Поскольку человеческое ухо не имеет плоского спектрального отклика , звуковое давление часто взвешивается по частоте , чтобы измеренный уровень более точно соответствовал воспринимаемым уровням. Международная электротехническая комиссия (МЭК) определила несколько схем взвешивания. Попытки A-взвешивания сопоставить реакцию человеческого уха на шум и A-взвешенные уровни звукового давления обозначаются как дБА. C-взвешивание используется для измерения пиковых уровней.
Термин « звук» используется в отличие от его использования в физике в физиологии и психологии, где этот термин относится к субъекту восприятия мозгом. Таким исследованиям посвящена область психоакустики . Словарь Вебстера определял звук как: «1. Ощущение слуха, того, что слышно; спец.: а. Психофизика. Ощущение обусловлено раздражением слуховых нервов и слуховых центров мозга, обычно вибрациями, передаваемыми в материальной среде, обычно воздух, воздействующий на орган слуха. б. Физика. Вибрационная энергия, вызывающая такое ощущение. Звук распространяется посредством прогрессивных продольных вибрационных возмущений (звуковых волн)". [15] Это означает, что правильный ответ на вопрос: « Если дерево падает в лесу и никто не слышит, как оно падает, издаст ли оно звук? » — это «да» и «нет», в зависимости от того, ответил, используя физическое или психофизическое определение соответственно.
Физическое восприятие звука любым слуховым организмом ограничено диапазоном частот. Обычно люди слышат звуковые частоты примерно от 20 Гц до 20 000 Гц (20 кГц ), [16] : 382. Верхний предел снижается с возрастом. [16] : 249 Иногда под звуком понимаются только те вибрации с частотами , которые находятся в пределах слышимости человека [17] , а иногда он относится к конкретному животному. Другие виды имеют другой диапазон слуха. Например, собаки могут воспринимать вибрации частотой выше 20 кГц.
Звук, воспринимаемый одним из основных чувств , используется многими видами для обнаружения опасности , навигации , нападения хищников и общения. Атмосфера Земли , вода и практически любое физическое явление , такое как огонь, дождь, ветер, прибой или землетрясение, издают (и характеризуются) свои уникальные звуки. Многие виды, такие как лягушки, птицы, морские и наземные млекопитающие , также развили специальные органы для воспроизведения звука. У некоторых видов они производят песню и речь . Более того, люди развили культуру и технологии (такие как музыка, телефон и радио), которые позволяют им генерировать, записывать, передавать и транслировать звук.
Шум – это термин, часто используемый для обозначения нежелательного звука. В науке и технике шум является нежелательным компонентом, заслоняющим полезный сигнал. Однако при 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 человеком. Акустическая среда — это комбинация всех звуков (слышимых людьми или нет) в пределах данной области, измененных окружающей средой и понятных людям в контексте окружающей среды.
Исторически существует шесть экспериментально разделяемых способов анализа звуковых волн. Это: высота звука , продолжительность , громкость , тембр , звуковая текстура и пространственное расположение . [18] Некоторые из этих терминов имеют стандартизированное определение (например, в акустической терминологии ANSI ANSI/ASA S1.1-2013 ). Более поздние подходы также рассматривают временную оболочку и временную тонкую структуру как анализ, релевантный для восприятия. [19] [20] [21]
Высота звука воспринимается как «низкий» или «высокий» звук и представляет собой циклическую, повторяющуюся природу вибраций, составляющих звук. Для простых звуков высота соответствует частоте самой медленной вибрации звука (называемой основной гармоникой). В случае сложных звуков восприятие высоты звука может варьироваться. Иногда люди определяют разные высоты одного и того же звука, основываясь на своем личном опыте восприятия определенных звуковых моделей. Выбор той или иной высоты определяется предсознательным изучением вибраций, включая их частоты и баланс между ними. Особое внимание уделяется распознаванию потенциальных гармоник. [22] [23] Каждый звук располагается в континууме высоты звука от низкого до высокого. Например: белый шум (случайный шум, равномерно распределенный по всем частотам) звучит выше по высоте, чем розовый шум (случайный шум, равномерно распределенный по октавам), поскольку белый шум имеет более высокочастотный состав. На рисунке 1 показан пример распознавания высоты звука. В процессе прослушивания каждый звук анализируется на предмет повторяющегося шаблона (см. Рисунок 1: оранжевые стрелки), и результаты передаются в слуховую кору в виде одной высоты определенной высоты (октавы) и цветности (названия ноты).
Продолжительность воспринимается как «длинный» или «короткий» звук и связана с сигналами начала и окончания, создаваемыми реакциями нервов на звуки. Продолжительность звука обычно длится с момента, когда звук впервые был услышан, до тех пор, пока звук не будет идентифицирован как изменившийся или прекратившийся. [24] Иногда это не связано напрямую с физической продолжительностью звука. Например; в шумной среде звуки с перерывами (звуки, которые прекращаются и начинаются) могут звучать так, как если бы они были непрерывными, поскольку сообщения о смещении пропускаются из-за помех, вызванных шумами в той же общей полосе пропускания. [25] Это может оказаться очень полезным для понимания искаженных сообщений, таких как радиосигналы, которые страдают от помех, поскольку (из-за этого эффекта) сообщение воспринимается так, как если бы оно было непрерывным. На рисунке 2 приведен пример идентификации длительности. Когда замечается новый звук (см. рисунок 2, зеленые стрелки), в слуховую кору отправляется сообщение о начале звука. Если повторяющийся шаблон пропущен, отправляется звуковое сообщение о смещении.
Громкость воспринимается как «громкий» или «тихий» звук и связана с общим количеством стимуляций слухового нерва за короткие циклические периоды времени, скорее всего, за продолжительность циклов тета-волн. [26] [27] [28] Это означает, что при небольшой продолжительности очень короткий звук может звучать мягче, чем более длинный звук, даже если они воспроизводятся с одинаковым уровнем интенсивности. Примерно через 200 мс это уже не так, и продолжительность звука больше не влияет на видимую громкость звука. Рисунок 3 дает представление о том, как информация о громкости суммируется в течение периода около 200 мс перед отправкой в слуховую кору. Более громкие сигналы создают больший «толчок» на базилярную мембрану и, таким образом, стимулируют больше нервов, создавая более сильный сигнал громкости. Более сложный сигнал также вызывает больше нервных импульсов и поэтому звучит громче (при той же амплитуде волны), чем более простой звук, например синусоидальный.
Тембр воспринимается как качество различных звуков (например, стук упавшего камня, жужжание дрели, тон музыкального инструмента или качество голоса) и представляет собой предсознательное присвоение звуковой идентичности тому или иному звуку. звук (например, «это гобой!»). Эта идентичность основана на информации, полученной на основе переходных процессов частоты, шума, неустойчивости, воспринимаемой высоты звука, а также распространения и интенсивности обертонов в звуке в течение длительного периода времени. [9] [10] [11] То, как звук меняется с течением времени (см. рисунок 4), дает большую часть информации для идентификации тембра. Несмотря на то, что небольшой участок формы волны каждого инструмента выглядит очень похожим (см. расширенные участки, обозначенные оранжевыми стрелками на рисунке 4), различия в изменениях во времени между кларнетом и фортепиано очевидны как в громкости, так и в гармоническом содержании. Менее заметны различные шумы, такие как шипение воздуха у кларнета и удары молоточка у фортепиано.
Звуковая текстура связана с количеством источников звука и взаимодействием между ними. [29] [30] Слово « текстура» в этом контексте относится к когнитивному разделению слуховых объектов. [31] В музыке текстуру часто называют разницей между унисоном , полифонией и гомофонией , но она также может относиться (например) к оживленному кафе; звук, который можно назвать какофонией .
Пространственное местоположение 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. [31] [32] В толстой текстуре можно идентифицировать несколько источников звука, используя комбинацию пространственного местоположения и идентификации тембра.
Ультразвук – это звуковые волны частотой выше 20 000 Гц. Ультразвук по своим физическим свойствам не отличается от слышимого звука, но человек его не слышит. Ультразвуковые устройства работают с частотами от 20 кГц до нескольких гигагерц.
Медицинское ультразвуковое исследование обычно используется для диагностики и лечения.
Инфразвук – это звуковые волны с частотой ниже 20 Гц. Хотя звуки такой низкой частоты слишком низкие, чтобы люди могли их услышать как высоту, эти звуки 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 и в некоторых типах музыки. [33]
