В науке звук определяют как колебательный процесс. В нём передаётся энергия от вибрирующего объекта (источника звука) и вызываются вынужденные колебания среды, которые доходят до уха человека.
Звук можно рассматривать как механическую волну. Его характеристиками также будут служить:
- амплитуда;
- частота;
- длина;
- скорость.
Всё многообразие звуков различается этими параметрами. Ухо человека способно воспринимать звуковые волны с частотой от 16 Гц до 20 кГц или с длиной волны от 17 мм до 17 м. Звуковые волны с частотами меньше 16 Гц называются инфразвуком, а с частотами выше 20 кГц — ультразвуком.
Образование звуковых волн
Звуковые волны возникают от колебаний источника звука, например, гитарной струны.
Музыкант передаёт некоторую энергию струне, и она начинает вибрировать. Движущаяся струна воздействует на молекулы воздуха, находящиеся в непосредственной близости к ней. Когда струна движется, например, вправо, то она толкает молекулы воздуха и заставляет их прижиматься плотнее друг к другу.
Происходит сжатие воздуха. Струна колеблется влево и создаёт разрыв между молекулами воздуха, получается разрежение. Сжатия и разрежения в воздухе для продольной волны являются аналогами пиков и впадин колебательного движения.
Таким образом, области наибольшего и наименьшего скопления воздуха распространяются во всех направлениях от гитарной струны, как продольные волны. Молекулы колеблются назад и вперёд, параллельно направлению движения волны, и передают энергию колебаний от струны.
Условия распространения звука. Скорость звука
Звуковые волны могут распространяться в различных средах: в газах, жидкостях и твёрдых телах. Но не могут распространяться в вакууме.
Тот факт, что звук не может проходить через вакуум, был продемонстрирован в 1600 годах Робертом Бойлем. Он поместил тикающие часы в закрытую стеклянную банку. Тиканье часов можно было услышать, так как воздух и стекло передают звук. Затем из банки выкачали воздух. Часы продолжали идти, но звук уже было не услышать.
На скорость распространения звука влияет много факторов:
- Повышение температуры. При повышении температуры в газах скорость звука увеличивается, а в большинстве жидкостей уменьшается. Например, в воздухе при температуре 0ºC скорость будет 331 м/с, а при температуре 1ºC — 331,7 м/с.
- Среда. В водороде скорость звука составляет 1260 м/с, в воде — 1435 м/с, в меди — 3600 м/с, а в стали — 5000 м/с.
- Атмосферное давление. При нормальном атмосферном давлении (105 Па) и при температуре 15ºC скорость звука в воздухе будет 340,29 м/с.
Высота тона звуковой волны
Все звуки можно разделить на две группы. Если частота колебаний некоторого звука легко различима, то такой звук называют музыкальным тоном. Каждому музыкальному тону (до, ре, ми, фа, соль, ля, си) соответствует определённая длина и частота звуковой волны.
Если у звука нельзя различить частоту колебаний, а слышится только хаотическая смесь тонов, то это шум.
Музыкальные звуки на слух можно отличать по высоте тона и громкости.
Высота звука определяется частотой звуковых колебаний. Чем больше частота, тем выше тон.
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний в звуковой волне. Чем выше амплитуда, тем громче звук.
Флейта может играть так же громко, как труба и контрабас, так как у них одинаковые амплитуды звуковой волны. Но с помощью контрабаса можно извлечь очень низкие ноты, частота звуковых волн у него меньше, чем у других инструментов. А флейта создаёт очень высокие ноты, так как частота её звука больше.