Что такое звук? Как устроены звуковые волны, частота и децибелы

Музыка, голос, хлопнувшая дверь: мы весь день слышим звуки и не задумываемся о них. Но что такое звук на самом деле? Если коротко — колебание, которое распространяется волной по воздуху. Ухо улавливает это колебание, а мозг превращает его в звук.

В этой статье — как возникает звук, что означают частота и децибелы, с какой скоростью идёт звук и чем инфразвук отличается от ультразвука.

Что такое звук?

В бытовом смысле звук — это колебание воздуха, которое мы воспринимаем ушами. Физики смотрят шире: для них звук — любая волна давления, которая распространяется через среду. Это может быть воздух, но также вода или твёрдое тело, например стена. И звук не обязательно должен быть слышимым. Звуки слишком низкие или слишком высокие для нашего уха тоже считаются.

То, что слышит один, не обязательно слышит другой. Собака или летучая мышь слышат тона, которые для нас неслышимы. Для этих животных это обычный звук.

Как возникает звук?

Звук всегда начинается с чего-то, что колеблется: гитарной струны, голосовых связок или диффузора динамика. При каждом движении вперёд источник сжимает частицы воздуха перед собой. Давление там ненадолго повышается — это называется сжатием. Когда источник движется назад, возникает область пониженного давления — разрежение.

Сжатые частицы передают толчок соседним, а те — следующим. Так колебание распространяется волной, а сам воздух в основном остаётся на месте. Это похоже на камешек, брошенный в воду: круги расходятся от места падения, но вода вместе с ними не уходит.

Чем дальше распространяется волна, тем больше частиц воздуха делят между собой энергию. Поэтому звук становится тише по мере удаления от источника, пока в какой-то момент вы его совсем не перестаёте слышать.

А поскольку звуку нужна среда, чтобы распространяться, в космосе звука нет. Если в безвоздушном пространстве столкнутся два спутника, это произойдёт в полной тишине.

Как выглядит звуковая волна?

Звук нельзя увидеть, но его можно нарисовать. Если отложить давление воздуха в одной точке по времени, получится волна. Гребни — это сжатия, впадины — разрежения.

То, что вы слышите, определяют два свойства волны: как часто она колеблется и насколько велики перепады давления.

Частота: высокий или низкий звук (Гц)

Число колебаний в секунду называется частотой, её измеряют в герцах (Гц). Волна, которая колеблется тысячу раз в секунду, имеет частоту 1000 Гц. Чем выше частота, тем выше тон.

Частота и длина волны связаны: чем выше тон, тем короче волна. У низкого тона 20 Гц длина волны в воздухе около 17 метров, у высокого тона 20 000 Гц — меньше 2 сантиметров.

Здоровое человеческое ухо слышит примерно от 20 до 20 000 Гц. У разных людей по-разному. С возрастом прежде всего ухудшается восприятие высоких тонов, и то же происходит при повреждении слуха шумом. Ухо чувствительнее всего к средним частотам, примерно от 1000 до 5000 Гц. Именно там находятся звуки, которые делают речь разборчивой.

Громкость: громко или тихо (дБ)

Величина перепадов давления в волне называется амплитудой. Чем больше амплитуда, тем громче звук. Громкость звука выражают в децибелах (дБ).

Шкала децибел логарифмическая. Каждые 10 дБ сверху — это в десять раз больше звуковой энергии, а на слух примерно вдвое громче. Уже 3 дБ сверху — это удвоение энергии. Несколько примеров:

Примерно с 80 дБ звук при долгом воздействии может повредить слух, а выше 100 дБ это происходит за минуты. Важно знать: болевой порог гораздо выше. Значит, звук может повредить слух задолго до того, как станет больно. Сколько времени безопасно находиться в том или ином шуме, читайте в статье сколько децибел опасно для слуха.

С какой скоростью распространяется звук?

В воздухе при 20 °C звук проходит около 343 метров в секунду, больше 1200 километров в час. Это заметно во время грозы: молнию вы видите сразу, а гром доходит позже. Если сосчитать секунды и разделить на три, вы примерно узнаете, в скольких километрах гроза.

Эта скорость не постоянна. В тёплом воздухе звук идёт быстрее, чем в холодном: при −40 °C около 306 метров в секунду, при +40 °C — около 355. В жидкостях и твёрдых телах звук распространяется ещё быстрее, потому что частицы расположены плотнее. В воде — около 1480 метров в секунду, в стали — около 5900.

В остальном звуковые волны ведут себя как волны на воде. Они отражаются от стены, и вы слышите эхо или гул. Они огибают углы, поэтому можно услышать, как кто-то разговаривает за углом. А две волны могут усиливать или гасить друг друга. Последнее используют наушники с шумоподавлением: они создают встречный звук, который гасит окружающий шум.

Инфразвук и ультразвук

Не все звуки мы слышим. Ниже 20 Гц говорят об инфразвуке. Его не слышно, но при высоком уровне колебания иногда можно почувствовать, например от тяжёлого транспорта или мощного баса. Слоны общаются инфразвуком на больших расстояниях, потому что низкие тона распространяются далеко.

Выше 20 000 Гц начинается ультразвук. Летучие мыши и дельфины используют его, чтобы ориентироваться и находить добычу: они издают звук и слушают эхо. Люди тоже пользуются ультразвуком, например при УЗИ в больнице и у стоматолога для удаления зубного камня. А с помощью сонара суда измеряют расстояние до морского дна: посылают звуковой импульс и засекают время до эха.

От звуковой волны к слуху

Между 20 и 20 000 Гц находится всё, что мы слышим: от автомобильного гудка до симфонии. Как ухо улавливает эти колебания и как мозг превращает их в звуки, речь и музыку, читайте в статье о том, как работает слух.

Слишком много звука может повредить слух навсегда. Хотите знать, как этого избежать? Почитайте наши советы о том, как сохранить слух, или посмотрите, как индивидуальные беруши снижают громкость, но при этом вы всё слышите.