Возникновение и распространение звука


Движение и звук — неразлучные спутники. Именно движение рождает колебательный процесс, который в определенном диапазоне частот колебаний воспринимается органами слуха — специализированными приемниками механических смещений, возникшими в процессе биологической эволюции. Звук, существующий в пределах земной атмосферы, — физическое явление столь же древнее, как и сама планета Земля. Звуки природных движений — вой ветра, грохот обвалов, раскаты грома, шум прибоя и т. д. существовали задолго до появления жизни на Земле.Необходимость восприятия колебательных движений частиц среды как обязательного условия выживания обусловила возникновение даже у самых примитивных представителей животного мира появление специальных органов, способных реагировать на механические колебания. Развитие и совершенствование этих органов привело к воз-никновению специализированного приемника звуковых волн — органа слуха. Именно благодаря расширению возможностей восприятия колебательных процессов, сигнализирующих об опасности, существенно увеличились шансы на выживание. Постепенно звуки стали оцениваться не только как сигналы об опасности, несущие прежде всего сведения об отношениях хищник—жертва, но и как сигналы общения между особями одного биологического вида.
Но только человек смог в полной мере воспользоваться свойствами звукового окружения как источником информации о внешнем мире и создать уникальную в природе систему звукового общения — мощнейшее средство коммуникации. Устная речь не только стала средством обмена текущим опытом, но и обусловила сохранение и передачу его многим поколениям еще до возникновения письменности. Тем самым речь обеспечила возможность социального наследования культурных и научных ценностей. Человек создал также и другой звуковой «язык», а именно музыку — язык эмоций, чувств, настроений, переживаний.
Звуки, происходящие от разных источников, отличаются друг от друга так же, как и движения, их порождающие. По своей физической природе звуки представляют собой колебательные движения упругих тел, распространяющихся в различных средах в виде волн.
Наиболее простым примером, демонстрирующим волновое движение, служит возникновение волн на поверхности воды, вызванное брошенным камнем или серией капель. Раз возникшее колебательное волновое движение распространяется вперед, никогда не возвращаясь назад. Частицы среды в волне движутся взад и вперед по радиусу движения волны, никогда не удаляясь далеко от своего первоначального положения. Такие волны называются продольными. Примером распространения волн при сохранении равновесного положения частиц среды в пределах волны может служить опыт с веревкой. Один конец веревки жестко закреплен, другой находится в руке. Движение руки передается веревке в виде бегущей волны, при этом очевидно, что каждая отдельная часть веревки, изменяя положение равновесия, не разделяет поступательного движения волны.
Для распространения звука необходима среда — твердая, жидкая или газообразная. Колеблющийся предмет непрерывно образует упругие волны, состоящие из последовательных сгущений и разрежений среды. Окружающая атмосфера, образующая воздушный бассейн, трехмерна, и поэтому звуковые волны в воздухе распространяются не в двух, как на поверхности воды, а в трех направлениях — в виде расходящихся, сфер (сферические волны). Два основных свойства среды — инерция и упругость — приводят к возникновению в ней и распространению упругих волн. При появлении сгущения или разряжения в какой-либо точке, т. е. при изменении плотности среды, состояния сжатия или разряжения постепенно передаются от одного слоя среды к другому: любая среда не может расшириться  или   сжаться   мгновенно.
Вопрос о необходимости среды для распространения звуковых волн был предметом исследований и дискуссий еще в середине XV в.
В 1650 г. немецкие ученые А. Кирхер и О. Гюкке помещали звонок под колпак, из-под которого был выкачан воздух. Звук становился ослабленным, однако достаточно хорошо слышимым экспериментаторами. На основании этого опыта был сделан вывод о том, что для распространения звука воздух не является необходимым. Через 10 лет Р. Бойль показал, что распространение звуковых волн в вакууме невозможно. Вывод А. Кирхера и О. Гюкке был обусловлен тем, что изоляция звонка была недостаточной и его звучание передавалось через различные твердые части экспериментальной установки.
Колебательные процессы во внешней среде достигают биологического приемника — уха различными путями. Большинство наземных позвоночных животных и человек воспринимают колебания, передающиеся по воздуху. Часто, однако, особенно в ситуациях, сопровождающих избегание опасности, предпочтительным путем восприятия звука является твердая земля. Известно, что бушмены, живущие в пустыне Калахари, спят, прижавшись ухом к земле, с целью быстрейшего обнаружения приближающегося хищника — ведь скорость распространения звуковых волн в твердых телах в 10 раз больше, чем в воздухе. Рыбаки из полудиких племен Западной Африки при ловле рыбы прослушивают подводные звуки, прикладывая ухо к рукоятке деревянного весла, опущенного в воду, по-скольку дерево является великолепным проводником звука. Точные физические познания полезны и даже необходимы в акустике, например при изготовлении .музыкальных инструментов, при производстве расчетов акустических свойств концертных помещений. Однако опыт человечества, накопленный за много веков, показывает, что многие факты, которые до сих пор еще недостаточно изучены, были известны и использовались уже в древние времена.
Попадая в наружный слуховой проход, звуки вызы-вают колебания барабанной перепонки. Колебания барабанной перепонки через цепь слуховых косточек передаются к воспринимающим структурам внутреннего уха. Однако воздушная передача, включающая наружные слуховые пути, является не единственным способом проведения колебательных процессов. Звук прекрасно распространяется также и по костям черепа. При пении с закрытым ртом и слуховыми проходами почти никакого воздействия по воздуху на наружную часть барабанной перепонки не производится — звук передается по костям черепа прямо к внутреннему уху. Те колебания, которые идут из гортани через евстахиеву трубу в полость среднего уха, попадают на внутреннюю поверхность барабанной перепонки, отражаются и таким образом усиливают звук, проводимый костями черепа.
Известно, что скрипачи, у которых с возрастом снизился слух, при настройке инструментов дотрагиваются зубами до вибрирующей скрипки, тем самым компенсируя свой недостаток. Если потеря слуха связана с поражением звукопроводящей части слуховой системы, может помочь слуховой аппарат, подающий усиленные колебания на костный выступ позади уха. Если поражен слуховой нерв, костная передача звука становится неэффективной.
Особенности распространения звуковых колебаний в различных средах определяются акустическим сопротивлением среды (Z), которое представляет собой соотношение звукового давления и скорости распространения колебаний в рассматриваемой среде: Z=?C, где ? — плотность среды, С — скорость распространения колебаний в данной среде.
Эффект влияния этой постоянной величины плотности для каждой среды настолько велик, что условия распространения звука в различных средах требуют отдельного рассмотрения. Поскольку зарождение жизни непосредственно связано с водной средой, рассмотрим условия распространения в ней звуковых волн. Звук, возникающий в водной среде, характеризуется двумя переменными: скоростью частиц среды, или смещением — интегралом от скорости частиц, и давлением на единицу площади. Эти две характеристики присущи как звукам, распространяющимся от простейшего монопольного точечного источника, так и звукам, идущим от более сложного дипольного источника звука, который по своим характеристикам ближе к источникам естественного биологического излучения водных животных.
Скорость частиц, или амплитуда смещения частиц, является векторной величиной, которая уменьшается с увеличением расстояния (r) от точечного источника звука как квадрат расстояния (I/r2). Область вблизи источника называется ближним полем источника. Оно характеризуется преимущественно эффектами смещения частиц среды. Колеблющийся источник генерирует также распространяющуюся волну давления. В зоне, далекой от источника, которая обозначается как дальнее поле, скорость частиц пропорциональна звуковому давлению и смещение частиц проявляется в той же фазе, что и звуковое давление. Амплитуда волны давления уменьшается с расстоянием как I/r. В дальнем поле преобладают эффекты, определяемые волнами давления. Граница перехода ближнего поля в дальнее точно не определена и рассматривается некоторыми авторами как зона, в которой скорость частиц и давление различаются по фазе не менее чем на 40°. По мнению многих исследователей, граница перехода ближнего поля в дальнее соответствует расстоянию, при котором амплитуда смещения частиц и величина звукового давления находятся в равном соотношении, составляющем для дипольного источника звука величину ?/2?.
Дипольный источник вызывает движение воды вдоль поверхности сферы. Результирующее комплексное движение может быть описано вектором суммы радиального и углового векторов смещения. Величины обоих векторов обратно пропорциональны кубу расстояния I/r3. Вдоль оси движения угловой компонент вектора равен нулю, перпендикулярно направлению движения радиальный компонент вектора также равен нулю. Волна давления максимальна по оси смещения, но равна нулю в зоне, перпендикулярной к смещению сферы. Амплитуда смещения в ближнем поле не зависит от частоты вибраций. Амплитуда волн давления пропорциональна радиальной скорости источника и возрастает в дальнем поле пропорционально   частоте.
Ближнее и дальнее поля и связанные с ними аффекты существуют при передаче акустических волн в любой среде. При исследовании передачи звука в воздушной среде основным действующим физическим параметром является звуковое давление. В условиях водной среды необходимо учитывать эффекты смещения частиц и звукового давления и их соотношение в зависимости от расстояния между звучащим объектом и приемником.
Ясно, что в условиях лабораторных исследований слуха у водных животных легко оказаться в пределах влияния эффектов ближнего поля из-за малых размеров аквариумов и большей длины волны низкочастотных звуков, к которым эти животные наиболее чувствительны.

© 2008 - 2017 Звук и Слух  Копирование материалов сайта запрещено. Все права на публикуемые материалы принадлежат их правообладателям.