Всё, что Вам нужно знать о звуке

Материал подготовлен по статье waitbutwhy.com - специально для читателей моего блога Muz4in.Net

По нашему мнению, звук – это то, что мы слышим, то есть какой-либо шум. Однако, с точки зрения физики, звук – всего лишь вибрация, проходящая через материю, при этом она распространяется в форме звуковой волны. Когда Вы слышите словосочетание «звуковая волна», то наверняка представляете себе нечто подобное:



Однако на самом деле звуковые волны работают иначе. Волна, изображённая выше, называется поперечной. В данном случае каждая отдельная частица движется вверх/вниз, и получается «змейка».

Звуковая волна больше похожа на дождевого червя:



Как и дождевой червь, звук перемещается путём сжатия и вытягивания. Это называется продольной волной.



Звук начинается с определённой вибрации, создающей продольную волну, которая распространяется через материю.



Вот так выглядит звук. В данном случае звуковая волна порождается вибрирующей серой линией слева. Этой линией могут быть Ваши голосовые связки, гитарная струна или водопад. Посмотрите на красные точки, и Вы увидите, что хотя волна и распространяется в одном направлении, каждая отдельная частица движется только назад и вперёд, имитируя вибрацию серой линии.

По сути, звук – это P-волна, заставляющая частицы воздуха двигаться. Когда Вы смотрите на анимацию поперечной звуковой волны, то видите воздействие давления, а не буквальную траекторию движения частиц:



Звуковые волны могут распространяться в воздухе, а также жидкой и твёрдой среде. Толчки и колебания при землетрясении являются результатом влияния огромной звуковой волны, проносящейся через землю.

Как насчёт скорости звука? Она зависит от того, насколько быстро волна давления перемещается в той или иной среде. К примеру, воздух обладает высокой степенью свободы, поэтому в нём волна движется медленнее. В свою очередь, вода является менее плотной, в ней меньше «препятствий», замедляющих движение волны. Представьте, что два человека с разных концов держат натянутую пружину. Когда один из них воздействует на неё тем или иным образом, другой ощущает это через небольшой промежуток времени. А теперь вместо пружины рассмотрим метлу. Если один человек окажёт на неё воздействие, другой сразу же ощутит его, поскольку метла обладает меньшей степенью свободы, нежели пружина.

Получается, скорость звука в воздухе (1234 километра в час при нормальных условиях) примерно в четыре раза меньше, нежели скорость звука в воде. А скорость звука в воде приблизительно в четыре раза меньше, нежели скорость звука, проходящего через железо.

А теперь вернёмся к нам и нашему слуху. Уши – эволюционное новшество, позволяющее нам воспринимать звуковые волны в воздушном пространстве вокруг нас и перерабатывать их в информацию. Они дарят нам волшебную способность ощущать даже незначительное воздействие звуковых волн и определять, откуда именно идёт звук и что он означает. Кроме того, благодаря слуху мы можем говорить. Наиболее важный вид человеческого общения происходит, когда наш мозг посылает информацию другому мозгу посредством сложных структур из P-волн. Вы когда-нибудь задумывались над тем, насколько это невероятно?

Следующий раз, когда Вы будете разговаривать с человеком, я хочу, чтобы Вы остановились на секунду и задумались о происходящем. Ваш мозг рождает мысль, после чего трансформирует её в структуру из P-волн. Вы заставляете вибрировать свои голосовые связки, шевелите губами и языком, чтобы к тому времени как воздух покинет Ваши лёгкие и тело, он превратился в структуру с областями низкого и высокого давления. Далее код, скрытый в ней, распространяется в ближайшем пространстве и улавливается слухом Вашего собеседника. Когда это происходит, барабанная перепонка начинает вибрировать, чтобы передать не только код, но и точный источник звука и особенности тона голоса человека, который его произвёл. Вибрации барабанной перепонки передаются при помощи трёх крошечных костей в небольшой мешочек жидкости, который затем превращает информацию в электрические импульсы и отправляет их по слуховому нерву в мозг, где они декодируются. И всё это происходит за одну восьмую секунды, без каких-либо усилий с Вашей стороны. Возможность говорить – это чудо.

Слух человека способен различить многие качества воспринимаемого звука. Из них основными считаются тональность и громкость.

Тональность

Тональность напрямую связана с длиной волны – от того, насколько далеко P-волны находятся друг от друга:



Чем короче длина волны, тем выше тональность. Люди способны воспринимать звук частотой от 20 до 20 000 Гц. С возрастом мы теряем способность слышать звуки с высокой тональностью, однако нам становится легче воспринимать звуки низкой частоты. Причина заключается в том, что звуковая волна является настолько длинной, что ей нужно 1/20 секунды, чтобы достичь Вашего уха.

Громкость

Громкость звука, который мы слышим, определяется амплитудой P-волн. На анимации, представленной выше, низко- и высокочастотные звуки имеют одинаковую громкость, поскольку кривые давления, располагаемые в нижней части, одинаковы по размеру (по вертикали). Для более громких звуков характерны большие колебания между секциями волны с низким и высоким давлением.

Громкость мы измеряем в децибелах (единица, названная в честь Александра Грэхема Белла). Вдаваться в подробности о том, что это такое, не будем. Если Вас интересует данная информация, Вы можете заглянуть в Википедию. Давайте лучше поговорим о том, как мы используем децибелы для измерения звука.

Шкала громкости имеет очень маленький минимум. Самые тихие звуки намного мягче, чем слышит их человек. Максимальный порог зависит от того, где Вы находитесь. Причина кроется в том, что звук – это не вещь сама по себе, а P-волна, движущаяся через среду. Громкость звука ограничена тем фактом, что нижний показатель давления равен нулю (вакуум). Поскольку минимальное давление никак не может опуститься ниже, то это и есть максимальная амплитуда звуковой волны и самый громкий звук на земной поверхности.

Самый слабый звук, который способен воспринять человек, по определению, равен 0 децибел – мы называем это «порогом слышимости». Сейчас учёные занимаются изучением звуков с отрицательной величиной громкости. Они создают помещения, в которых фиксируют звуки громкостью ниже -9,4 децибел. Здесь так тихо, что Вы могли бы услышать, как пульсирует кровь по Вашим сосудам. Однако наш слух способен воспринимать звуки только с положительной величиной громкости. Самый громкий непрерывный звук, который может быть произведён на поверхности Земли, равен 194 децибелам. Он возникает, когда амплитуда звуковой волны настолько сильная, что показатель низкого давления достигает идеального вакуума.

Давайте рассмотрим полную шкалу звука.


Шкала звуков в децибелах
Комфортные
0 – Порог слышимости
0-10 – Звук, который производит комар, летающий в 3-х метрах от Вас
10 – Самые слабые звуки, которые мы способны воспринимать
10-20 – Звук нагретой электрической лампочки
Шпилька, упавшая с высоты 1 сантиметр в метре от Вас
20 – Шелест листвы
30 – Шёпот человека, который находится в пару метрах от Вас
40-50 – Тихий офис
60 – Обычный разговор
70 – Пылесос
80 – Мусородробилка
80-90 – Предел, при котором подверженность влиянию звука такой громкости в течение длительного периода времени может привести к проблемам со слухом
90 – Газонокосилка, блендер
100- Мотоцикл, отбойный молоток, включённая на всю громкость стереосистема
110 – Сигнал автомобиля
110-120 – Человеческое тело начинает воспринимать вибрацию низкой частоты
120 – Тихий рок-концерт, крики синего кита в воде
120-130 – Ощущение боли, звон в ушах, громкий крик человека (в 3-х метрах от Вас)
130 – Реактивный двигатель (30 метров)
Заметное ощущение влияния на барабанную перепонку
Самое громкой выступление музыкальной группы (136 децибел - "KISS", 2009 год)
Сильные вибрации в теле
140 – Выстрел
На этом уровне даже непродолжительное воздействие начинает вызвать проблемы со слухом
В носу человека возникает зуд, зрение становится расплывчатым
Гоночный автомобиль (700 лошадиных сил)
150-160 – Трудно глотать, ощущение, будто Вы находитесь под водой, вибрации начинают оказывать влияние на внутренние органы
Рядом с динамиком на рок-концерте
170 – Запуск ракеты «Сатурн-5» (100 метров)
180 – Взрыв 500 грамм тротила (в 5 метрах)
Возможная смерть
180-194 – Эпицентр взрыва гранаты
194- Звуковой порог

Шкала заканчивается на отметке 194, потому что громче звука на поверхности Земли нет. Однако мы можем выйти за пределы двумя способами:

1) Ударные волны

Когда высвобождается количество энергии, достаточное для того, чтобы превысить отметку 194 децибела, создаётся устойчивая P-волна, поскольку мы достигаем низкого давления – условия, при которых продолжают происходить очень сильные вещи.

При громкости 194 децибела волна колеблется между двойным давление атмосферы и полным вакуумом. Однако когда громкость звука достигает 195 децибел, энергия перестаёт двигаться в воздухе и начинает выталкивать его расширяющимся вакуумом. Чем выше громкость звука, тем ужаснее последствия вакуумного пузыря.



На краю пузыря образуется барьер суперсжатого газа, и когда он проносится над землёй, то обычно уничтожает всё на своём пути:



Когда вакуумный пузырь расширяется, он теряет энергию и, в конечном счёте, рассеивается. Но если Вы окажетесь на пути ударной волны, прежде чем это пройдёт, то Вам не посчастливится. Во-первых, попасть в суперсжатый барьер – всё равно, что удариться о кирпичную стену. Во-вторых, сжатый воздух сильно горячий. В-третьих, ударная волна пройдёт через всё Ваше тело, и если оно очень хрупкое, то Вы можете умереть.

Вот некоторые известные примеры событий, при которых громкость звука превысила 194 децибел:

Запуск ракеты «Сатурн-5». Ракета «Сатурн-5» была невиданным зверем. Звуковые волны, которые исходили от неё, были настолько сильными, что они могли спалить траву за версту от места запуска. Человек, который находился в пяти километрах от ракетодрома, ощущал оглушительное влияние звука громкостью 135 децибел. При запуске ракет производится такой мощный звук, что космические агентства заполняют стартовую площадку водой, которая поглощает звук и не позволяет силе давления повредить ракету.

Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки. Согласно некоторым источникам, во время двух этих печальных событий громкость звука достигала более 200 децибел. Ударная волна была настолько сильной, что она преодолела 11 километров за 30 секунд.

Извержение вулкана Кракатау (1883 год).

• Кракатау – это остров в Индонезии. Извержение вулкана началось 27 августа 1883 года.
• Извержение полностью уничтожило остров. Оно также стало причиной одного из самых смертоносных цунами в истории. Всего в результате извержения вулкана Кракатау погибло 36 тысяч человек.
• Но, пожалуй, самым удивительным в этом извержении был его звук. Он был настолько мощным, что ударная волна достигла моряков, которые находились в 65 километрах от эпицентра извержения. Под её влиянием у них разорвались барабанные перепонки.
• В 160 километрах от острова Кракатау громкость звука достигала 172 децибел – достаточно для того, чтобы лишить человека слуха или даже убить его.
• Под воздействием звука, возникшего во время извержения Кракатау, треснула бетонная стена толщиной в 30 сантиметров, которая находилась в 483 километрах от острова.
• Звук был слышен по всей Австралии и даже на острове Родригес в 5000 километрах от места извержения.
• После того как звук стих, барометры по всему миру сходили с ума в течение следующих нескольких дней, поскольку звуковые волны облетели Землю 3,5 раза.
• И, наконец, Вам знакома известная картина «Крик»? Знаете, почему на ней небо красного цвета? Эдвард Мунк нарисовал свою картину, будучи вдохновлённым красным небом, которое наблюдалось над Западным полушарием в течение года после извержения Кракатау.

2) Другие средства

Звуки громкостью более 194 децибел существуют – и не только на поверхности Земли. Речь идёт об океане, почве и других планетах. К примеру, газовые гиганты в нашей Солнечной системе имеют более плотную атмосферу, нежели Земля, поэтому вполне возможно, что там могут возникать очень громкие звуки.

Вы слышали когда-нибудь о том, что звук не может распространяться в вакууме? Звук – это P-волна, проходящая через материю. Если нет материи, то нет и звука. Там может быть огромное количество тепла, радиация и сила, однако для наблюдающего человека это всё безмолвная тишина.

Если бы во Вселенной был воздух, тогда вещи вокруг были бы очень громкими. Вспомните теорию о том, что Солнце издаёт звук громкостью 290 децибел. Если бы звук мог распространяться в вакууме, то на Земле мы бы постоянно слышали гул громкостью около 100 децибел, который можно сравнить с рёвом мотоцикла.

Copyright Muz4in.Net © - Данная новость принадлежит Muz4in.Net, и являются интеллектуальной собственностью блога, охраняется законом об авторском праве и не может быть использована где-либо без активной ссылки на источник. Подробнее читать - "об Авторстве"

Почитать ещё:

• 10 самых невероятных вещей, которые создала наука, используя только звук
• 10 самых раздражающих звуков в мире
• Поющие машины
• Почему петухи не глохнут от собственных криков