Часть 1. Теоретические основы звука.

1. Что такое звук?

Звук интересен нам лишь потому, что мы его слышим, воспринимаем, используем в своей деятельности. Звук несет в себе информацию об окружающем мире, может создавать свои миры.

В узком смысле, звук – это восприятие органами чувств человека (или другого животного) движения частиц окружающей среды (воздуха, воды, др). Восприятие – это то, как мы слышим, воспринимаем эти движения частиц органами чувств (в данном случае слуха).

Чаще всего мы находимся в окружении воздуха, поэтому чаще будем говорить о движении частиц воздуха. Просто нужно помнить, что слышать звуки мы можем и под водой, но только не в космосе, где вакуум и окружающей среды нет.

Движение частиц воздуха (или другой окружающей среды) создается движением какого-либо объекта (предмета). Например, можно хлопнуть в ладоши, и мы услышим хлопок. Движение ладоней вызовет выталкивающее движение воздуха, научно говоря, создаст перепад давления (между ладонями будет создаваться область высокого давления), который распространяясь в воздухе создаст подобный перепад (или волну) перед нашими органами чувств – ухом (перепонкой уха), что вызовет движение перепонки уха, и будет «услышано» и интерпретировано нашим мозгом.

Движение области высокого давления в воздухе называют волной. Внимание, распространяется область «отличающегося от среднего» давления, а не сами частицы. Создавшееся из-за механического движения объекта (источника звука), высокая плотность частиц воздуха, рассеиваясь, перемещается в соседнюю область, где давление ниже (но является средним по среде, стандартное давление воздуха для данных условий), и создает уже там область высокого давления. Благодаря упругим связям частиц, давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения. А область высокого давления распространяется в среде.

Волна – это распространение каких-либо колебаний. Звуковая волна – это распространение колебаний определенных параметров, тех, что мы воспринимаем нашими органами слуха. Звуковая волна является продольной, так как частицы среды перемещаются (колеблются) вдоль линии распространения волны, и механической, так как происходят механическое движение (колебания) частиц.

2. Характеристики звуковой волны.

Для возникновения звуковой волны нужен источник механических колебаний (ладоши, колокол, струна, динамик), среда распространения волны (газ, жидкость, твердый предмет) и приемник – орган слуха, преобразующий механические колебания в нервные импульсы.

Скорость звуковой волны (скорость распространения колебаний в среде) зависит от среды распространения. В воздухе скорость звуковой волны равна 340 м/с (при температуре +20 градусов Цельсия). В более плотных средах скорость звука (имеется ввиду волны, но для краткости будем писать звука) гораздо выше: в воде – около 1500 м/с, в твердых веществах – 4-6 тыс м/с.

Частота – количество колебаний (частицы воздуха или другой среды) за единицу времени, за 1 секунду.Частота измеряется в Герцах, 1Гц = 1 колебание за 1 сек. Человек «слышит» колебания в определенном диапазоне частот: от 20 Гц до 20’000 Гц (20кГц).
Величина, обратная частоте называется периодом колебаний, и равна времени одного полного колебания.

Амплитуда - максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения. В случае со звуковой волной это максимальное отклонение давления воздуха от среднего значения. Амплитуда звуковой волны влияет на громкость звука, но это не одно и тоже. Чем выше амплитуда, тем громче кажется звук.

Амплитуда является энергетической характеристикой волны, определяющей её мощность, силу. Частота и Период – это временнЫе характеристики колебаний. Скорость волны (а также длина волны – время распространения волны за 1 период) характеризует распространение колебаний в пространстве.

3. Характеристики звука.

Высота звука — свойство звука, определяемое человеком на слух, высота зависит в основном от частоты звуковой волны, то есть от числа колебаний среды в секунду, которые воздействуют на барабанную перепонку человека. С увеличением частоты колебаний растёт высота звука.
Измерение высоты произвольного звука основано на способности человека устанавливать равенство высот двух звуков или их отношение (во сколько раз один звук выше или ниже другого).

В музыке с частотой звуковых колебаний связано понятие тональности.

Звук может состоять из колебаний одной частоты (гармонические колебания) – чистый тон. Звук, состоящий из колебаний разных частот, имеющий сложный спектр составляющих его колебаний характеризуется тембром – окраской звука, определяемой физическим источником звуковой волны.

Громкость звука — субъективное восприятие силы/интенсивности звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом функционально зависит от звукового давления (интенсивности звука), амплитуды и частоты звуковых колебаний.
Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Уровень громкости звука - величина относительная. Для её измерения сравниваются уровень громкости любого звука с порогом слышимости среднестатистического человека. Для сравнения используется логарифмическая шкала с единицами в дециБеллах.