популярно о природе звука

Мощность звука

До сих пор наше рассмотрение носило чисто качественный характер, хотя мы и ввели некоторые характеристики волнового движения. Основной из них является скорость звука. Как уже говорилось ранее, распространение звука в среде зависит от ее массы, точнее, плотности (массы единицы объема) и упругости. Таким образом, скорость звуковых волн является функцией этих двух параметров. В любой среде - твердом теле, жидкости или газе - скорость звука выражается формулой

скорость = √упругость/плотность

Хотя определение упругости для твердых тел и текучих сред (жидкостей и газов) различно, тем не менее приведенная зависимость остается справедливой во всех случаях.

Таким образом, скорость звука возрастает с увеличением упругости и уменьшением плотности. Поскольку плотности твердых тел и жидкостей больше плотностей газов, можно было бы ожидать, что скорость звука в них меньше. Но упругость твердых тел и жидкостей во много раз превышает упругость газов, и это обусловливает большие скорости звука в этих средах по сравнению с газами. Так, например, скорость звука в стали равна 5050 м/с, в морской воде - около 1500 м/с, а в воздухе - около 340 м/с. Но, с другой стороны, скорость распространения звука в свинце вследствие очень малой упругости последнего составляет лишь 1200 м/с, что почти равно скорости звука в водороде (1270 м/с), который, как известно, является газом с чрезвычайно низкой плотностью.

Частота, длина волны и скорость распространения звука связаны между собой следующим соотношением:

частота = скорость/длина волны

Частота измеряется числом колебаний (то есть числом волн, прошедших через какую-либо точку) в секунду. В качестве единицы измерения частоты используется герц - Гц (1 Гц соответствует одному колебанию в секунду). На основании приведенной выше формулы мы получим, что длина волны звука, распространяющегося с частотой 1000 Гц, в стали составляет 5,05 м, а в воздухе - 0,34 м. При частоте 10 000 Гц она равна соответственно 50 см и 3,4 см.

Из той же формулы ясно, что «поведение» резонатора (его собственная частота) зависит именно от скорости, так как длина волны звука, распространяющегося в резонирующей структуре, строго определена размерами последней. Если бы мы могли сыграть на скрипке в атмосфере водорода, то получили бы звук очень высокой частоты, подобный писку. Хорошей иллюстрацией сказанного могут служить голоса водолазов, которые дышат в атмосфере, содержащей большое количество гелия. Они становятся пискливыми, как у персонажа мультфильмов Диснея утенка Дональда Дака, и неразборчивыми, поскольку резонансные частоты голосового тракта человека в атмосфере, богатой гелием, намного выше, чем в обычном воздухе.

Скорость, длина волны и частота звука - достаточно очевидные параметры, которые характеризуются определенными численными значениями. Более трудно дать количественную оценку мощности звука. Это объясняется двумя основными причинами. Во-первых, мощность звука чрезвычайно мала по сравнению с другими видами энергии. Например, в книге А. Вуда «Физика музыки» показано, что звуковая энергия крика 50 000 болельщиков в течение полуторачасового футбольного матча достаточна лишь для того, чтобы согреть одну чашку кофе! Гораздо проще оценить (это может сделать каждый радиолюбитель) мощность усилителей. Мощность звуковых усилителей очень низка. Например, применительно к световой или тепловой энергии 10 вт - это чрезвычайно малая величина (представьте себе 10-ваттную электрическую лампочку), но 10-ваттный звуковой усилитель обеспечивает вполне достаточную для большинства людей громкость.

Вторая причина по существу является следствием первой. Хотя верхний предел величины звуковой мощности весьма невелик, диапазон изменений мощности от нуля до этого предела столь огромен, что это кажется невероятным. Наиболее мощные звуки, с которыми большинству людей приходится сталкиваться в своей повседневной жизни, вызывают либо раздражение, либо даже боль в ушах. Но если мощность звука, обусловливающего болезненное ощущение в ушах, понизить в десять миллионов миллионов раз, то и такой звук оказывается достаточно интенсивным, чтобы распространяться в воздухе.

Шкала, которую мы применяем для объективной градуировки интенсивности звука, является отражением нашего субъективного восприятия звука. Обычно пользуются логарифмической шкалой. Например, если мощность одного звука в 10 раз больше мощности другого, то говорят, что интенсивность первого звука составляет 10 дБ (децибел) по отношению ко второму; в 100 раз - 20 дБ; в 1000 раз - 30 дБ и т. д. Иными словами, всякий раз, когда отношение мощностей звука увеличивается в десять раз, интенсивность звука, выраженная в децибелах, возрастает на 10.

Интенсивность звука

Но при таком подходе мы получаем не абсолютную, а лишь относительную шкалу. Необходимо как-то выделить уровень нулевой интенсивности, чтобы от него производить отсчет. Такой уровень выбран на основе субъективных показателей - это минимальный порог восприятия звука человеческим ухом; объективно его величина равна 10-12 вт/м2. Интенсивность такого звука принята за 0 дБ. Звук, в десять раз более мощный, имеет уровень интенсивности 10 дБ, в миллион раз - 60 дБ; в десять миллионов миллионов раз (такой звук причиняет нам боль) - 130 дБ (это соответствует 10 вт/м2).