Ударная волна: что такое звук и каким он бывает

Что такое звук и звуковая волна

Представьте себе гитарную струну. Если немного оттянуть её от исходного положения и отпустить, она начнёт колебаться из стороны в сторону, словно маятник. Эти колебания — механическая энергия, которая передаётся и окружающим молекулам воздуха. Частицы, получив «толчок» от колеблющейся струны, приходят в движение, начинают вибрировать сами и передают энергию другим молекулам. Все вместе они то отдаляются от грифа гитары, то возвращаются. Так распространяется звук.

Молекулы воздуха не хаотично летают в пространстве, а концентрируются вокруг определённых точек. В случае с гитарной струной частицы отклонились от исходной позиции вместе с ней и устремились обратно — в состояние покоя. Этот процесс можно легко объяснить на примере стадионной «волны»: болельщики (молекулы воздуха) встают, передают цепную реакцию соседям (другим частицам), а затем садятся и ждут, пока до них снова не дойдёт очередь. 

Визуальное отображение звуковой волны помогает продемонстрировать движение молекул воздуха: график показывает смещение частиц в течение определённого периода времени.

Горизонтальная ось (X) отражает время, а вертикальная (Y) — смещение молекул воздуха относительно положения равновесия, где 0 — состояние покоя, а +1 и -1 — величина отклонения частицы. Такой график позволяет анализировать звук. Сейчас на картинке синусоида, но звуковая волна может быть и треугольной, когда молекулы двигаются резко. Или прямоугольной, когда они быстро перескакивают от максимально положительного (+1) к максимально отрицательному (-1) значению. В итоге именно форма волны определяет тембр звука, благодаря которому мы различаем звучание гитары и флейты, голос человека и пение птиц.

Почему одни звуки громкие, а другие — тихие

Объяснить, как ведёт себя тот или иной звук, помогают несколько понятий. Главные — амплитуда и частота. 

Амплитуда звуковой волны показывает, насколько молекулы отклоняются от исходного положения. Чем больше это отклонение, тем громче звук. Например, чем сильнее мы нажимаем на клавиши или оттягиваем гитарную струну, тем дальше разлетятся частицы. Следовательно, будут выше амплитуда и громкость. Можно провести аналогию с волнами: чем больше сила, с которой мы бросаем камень в море, тем выше всплески от удара о водную гладь. 

Ещё одна важная характеристика звука — частота. Эта величина показывает количество повторений звуковой волны за единицу времени: то есть демонстрирует, сколько раз за отведённое время молекулы воздуха успеют отклониться от исходного положения вперёд и назад и вернуться к начальной точке. Частота измеряется в герцах и обозначается как Гц. Если в заданном промежутке времени волна повторяется дважды, частота колебаний звука (или частота сигнала) составит 2 Гц. Если в этом промежутке времени волна повторится три раза, то её частота составит 3 Гц и так далее. Частота напрямую влияет на высоту звука — чем чаще будет повторяться волна, тем выше будет сигнал. 

Амплитуда и частота — разные характеристики звука, но взаимосвязанные. В музыке используются комбинации различных частот и амплитуд для создания гармонии и ритма. Это можно наблюдать в оркестре, где инструменты с разной частотой и громкостью работают в унисон, создавая богатое и многослойное звучание. То же самое происходит в быту: звук стиральной машины отличается от звука работающего миксера не только по громкости, но и по высоте. Так формируется разнообразная акустическая среда окружающего нас мира.

Как ведёт себя звук в пространстве

Молекулы воздуха перемещаются в пределах «поля действия». Его можно представить как некую зону, где частицы реагируют на происходящие вокруг них изменения. Поле действия определяет, как далеко распространяется звук. Некоторые сигналы вроде шёпота ощутимы только рядом с их источником, в то время как звук грома или взрыва может быть слышен во всем районе или даже городе.

Окружающее пространство делят на среды по силе упругости молекул в них. Так, звук по-разному распространяется в газах, жидкостях и твёрдых материалах.

В газах молекулы располагаются в хаотичном порядке, а скорость звука зависит от температуры. При повышении градуса молекулы движутся быстрее и передают колебания более эффективно. Например, при 0 °C скорость звука составляет около 331 м/с, а при 20 °C — уже 343 м/с. Зная, как ведёт себя звук в воздухе, можно делать ориентировочные выводы о расстоянии до далёких источников. В частности, задержка между молнией и звуком грома помогает определить, насколько далеко произошла вспышка.

В жидкостях скорость звука выше, чем в газах: так, в пресной воде она составляет примерно 1482 м/с при 25 °C. Это связано с тем, что молекулы в жидкостях находятся ближе друг к другу, что позволяет звуковым волнам передаваться быстрее. Например, рыбы могут слышать человеческие голоса, доносящиеся с берега.

В твёрдых материалах звуковые волны распространяются ещё стремительнее, так как молекулы расположены совсем вплотную друг к другу. Например, в стали скорость передачи может достигать 5000 м/с. 

В вакууме — например, в космосе — звук не распространяется. Ведь там нет молекул, способных передавать механические колебания.

Если на своём пути звуковая волна встречает плотное препятствие вроде стен или гор, то она отражается от преград, что замедляет её скорость. Поэтому в лесу звук слышен хуже, чем на открытой местности. 

К тому же в момент отражения волны от твёрдой поверхности возникает эхо. Это акустическое явление представляет собой звук, который возвращается к источнику. Однако мощность эха значительно ниже, что делает его менее слышимым. Например, звук грома — эхо от взрыва молнии, которое многократно отражается от облаков и земли.

Громкость звука и децибел

Амплитуда (интенсивность) звуковой волны измеряется в децибелах и обозначается как дБ. Чем она выше, тем громче звук. Тихий шелест листвы имеет уровень 15 дБ, а обычный разговор между людьми варьируется в диапазоне от 40 до 50 дБ. Когда прибавляется определённое количество децибел, громкость звука повышается в несколько раз:

+10 дБ = громкость х2 +20 дБ = громкость х4 +40 дБ = громкость х16 и так далее

Звуки могут быть опасны для человека, если их интенсивность превышает 85 дБ. Подобное воздействие в течение длительного периода времени может привести к временной или постоянной потере слуха. 

В России нет специального закона, который бы регулировал уровень шума. Но существуют отдельные нормы и правила. Максимально допустимый показатель составляет примерно 55 дБ. Опасные звуки и предельно разрешённые уровни громкости на рабочих местах регулируются санитарными нормами (СанПиН 2.1.2.2645-10), а также Государственным стандартом и документом СП.51.13330.2011 "Защита от шума".

Опасными звуками могут быть:

громкая музыка на концертах и дискотеках, часто превышающая порог в 100–110 дБ; шум от работы электроинструментов вроде перфораторов или пил, который может достигать 90–120 дБ; свисток поезда, гул сигнализации, рёв самолета и другие характерные звуки, которые даже могут вызывать временную потерю слуха.

Какой бывает звук: ультра-, гипер- и инфра-

Как правило, человеческий слух различает сигналы от 20 до 20 000 Гц. Однако в зависимости от индивидуальных особенностей здоровья спектр может варьироваться в пределах от 50 до 15 000 Гц. Волны, частота колебаний которых выходит за средний диапазон, получили специальные названия.

Так, волны с частотой выше 20 000 Гц считаются ультразвуковыми. В отличие от человека, например, их различают некоторые животные. Порог звука, который способна услышать собака, достигает 30–40 тыс. Гц. Так, она может распознать пульс человека и понять, спокоен хозяин или взволнован. Ультразвук также слышат дельфины. Они общаются между собой и ориентируются в пространстве, издавая щелчки разной высоты.

Волны частотой более 100 000 Гц называются гиперзвуковыми. Они могут распространяться только в кристаллах с низким уровнем звукового поглощения: например, в монокристаллах кварца, сапфира, ниобата лития, железо-иттриевого граната и других. Гиперзвуковые технологии применяются для изучения структуры твёрдых тел, а также в области разработки оружия с высокой дальностью. 

Звуковые волны частотой ниже 20 Гц называют инфразвуковыми. Уменьшение их частоты невелико, поэтому такие волны активно используют для исследования океана и структуры Земли.

Звук в науке и исследовании мира

Океан — индикатор изменений климата на Земле. Его глубины можно представить как гигантский термометр, который отражает состояние окружающей среды. Для получения данных о температуре океанических глубин используются акустические методы. В отличие от электромагнитных волн, которые не могут эффективно распространяться в водной среде, звуковые волны хорошо передаются через воду. А скорость их распространения увеличивается с ростом температуры, что позволяет учёным определять, на сколько градусов и на какую глубину прогрелась вода. Для этого используются специальные приборы — эхолоты. Они подают в воду электрический сигнал и преображают его в звуковую волну, которая отражается от дна и возвращается на специальный датчик прибора. По окончании процесса на экране появляется информация о глубине и рельефной поверхности дна. Метод дистанционного мониторинга теплопереноса в океане необходим для прогнозирования и выявления трендов климатических изменений.

Одним из видов звуковых волн выступают сейсмические колебания, спровоцированные, например, землетрясениями и горными обвалами. Учёные анализируют их с помощью специальных приборов — сейсмографов. Они помогают "добраться" до глубинных слоёв земли и выявлять потенциальные угрозы вроде цунами и извержения крупных вулканов.

Также учёные проводят глубокое сейсмическое зондирование — детальное изучение земной коры. В рамках данного процесса с помощью ударов, взрывов и вибраций определённой частоты вызываются искусственные сейсмические волны. Это позволяет изучать внутреннюю структуру земли и находить полезные ископаемые: например, доступные для добычи залежи нефти и газа на глубине более 10 км.

 Звук находит широкое применение и в медицине. В основе ультразвукового исследования (УЗИ) — свойства высокочастотных звуковых волн: они обладают высокой проникающей способностью и отражаются от внутренних органов.

Аппараты УЗИ позволяют получить на экране монитора двумерную картину конкретной части тела человека. Это помогает выявить заболевания на стадии диагностики. Звуковые волны служат медицинским инструментом: современные ультразвуковые лазеры обладают высокой интенсивностью и используются в качестве лазерного скальпеля, а сфокусированный пучок ультразвука может уничтожить новообразование без вскрытия.

Выводы и основные тезисы:

Звук — это движение молекул воздуха, вызванное механическими колебаниями, которые распространяются в упругой среде и воспринимаются органами слуха человека. Звуковая волна показывает, как движутся молекулы воздуха в какой-либо среде.  Амплитуда звуковой волны показывает, насколько молекулы воздуха отклонились от своего изначального положения. Частота звука определяет количество повторений звуковой волны за единицу времени. Человеческий слух различает звуки частотой в диапазоне от 20 Гц до 20 000 Гц, но в зависимости от индивидуальных особенностей этот спектр может составлять от 50 до 15 000 Гц. С помощью звука можно исследовать температуру океана, находить залежи полезных ископаемых и проводить хирургические операции.