Скорость звука: как она меняется и как мы её воспринимаем

Природа звука

Вибрация струны гитары и возникновение звуковой волны

Звук по своей природе является физическим явлением, он представляет собой акустические волны, возникающие и распространяющиеся в воздухе или другой среде, в результате колебаний какого-либо предмета. Колеблющийся предмет, например струна гитары, заставляет двигаться вперёд и назад находящиеся рядом с ней молекулы воздуха. Эти молекулы передают движение дальше, соседним молекулам, и так продолжается по цепочке. В результате возникает звуковая волна. Органы слуха улавливают звуковые волны и их физические характеристики. Мозг обрабатывает эти сигналы и формирует субъективное восприятие звука. Поэтому, говоря о скорости звука, необходимо рассмотреть не только её физическую природу, но и то, как она воспринимается человеком. Узнайте подробнее о том, что такое звуковая волна и как звук воспринимается человеком.

Что такое скорость звука и как её измеряют

Итак, звук - это акустические волны, возникающие в результате колебательных движений, передающихся между частицами той среды, в которой они возникают и распространяются. Скорость звука - это то, с какой скоростью звуковые волны передаются в среде распространения. В вакууме нет вещества и молекул, поэтому вибрации не могут передаваться. Значит, в вакууме нет звука — и, соответственно, нет его скорости. Скорость звука обычно измеряется в метрах в секунду, однако можно измерять и в километрах в час.

В воздухе при температуре около 20°C звук распространяется со скоростью примерно 340 м/с, а в воде — около 1500 м/с.

Факторы, влияющие на скорость звука

Что же влияет на скорость звука? Поскольку скорость звука зависит от среды распространения, то главное, что влияет на неё, это плотность и упругость среды. Например, в воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе, а в металлах, быстрее, чем в воде.

Скорость звука в воздухе может немного меняться в зависимости от его состава — от того, какие газы в него входят и в каком соотношении.

Например, по материалам доктора физики Карла Нейва (HyperPhysics), скорость звука при 35°C в водяном паре выше, чем в воздухе на 50 м/с, а в гелии примерно в 3 раза выше (примерно 1000 м/с), чем в воздухе. Когда человек вдыхает гелий, его голос звучит выше и тоньше, даже комично. Это происходит потому, что гелий значительно увеличивает скорость звука в дыхательных путях.

Скорость звука 340 м/с, она зависит от температуры, давления и состава воздуха

Также на скорость звука влияет температура воздуха или другой среды распространения. Чем выше температура, тем быстрее распространяется звук. Например, при температуре воздуха 20 градусов Цельсия скорость звука составляет в среднем 343 м/с, а при 0 градусов - 331 м/с, при 35 градусах - 352 м/с.

Атмосферное давление также оказывает небольшое влияние на скорость звука в воздухе.

Скорость звука зависит от плотности, упругости, температуры, состава и давления среды распространения и поэтому заметно меняется в газах, жидкостях и твёрдых телах.

Скорость звука в разных средах распространения

Как уже было упомянуто ранее, скорость звука зависит от плотности среды его распространения. В жидкостях и твёрдых телах частицы (молекулы, атомы) расположены ближе друг к другу, чем в газах, поэтому колебания в них передаются быстрее. В газах частицы расположены дальше друг от друга, поэтому звук движется медленнее. В вакууме нет вещества, и, следовательно, звук там распространяться не может.

В таблице 1 показана скорость распространения звука в различных средах.

Таблица 1. Скорость звука в разных средах

Восприятие скорости звука человеком

Человек воспринимает звук так, будто он достигает его органов слуха мгновенно после возникновения, однако это не так. На самом деле звуку требуется время, чтобы дойти до слушателя. Например, если источник звука находится на расстоянии 100 метров, он дойдёт до слушателя примерно за 0,3 секунды.

ПРИМЕР: Во время грозы мы обычно сначала видим молнию, а через несколько секунд слышим гром. Это происходит потому, что скорость света намного выше скорости звука. Если вы услышали гром через 6 секунд после вспышки, значит, молния ударила примерно в двух километрах от вас.

В повседневных условиях небольшие изменения скорости звука практически не сказываются на восприятии - они лишь влияют на момент, когда звуковая волна достигает слушателя.

Задержки в передаче звука, а значит и его скорость, влияют на то, что мы в результате слышим и как понимаем звук. Наш мозг оценивает задержку звука между ушами, различает эхо и реверберацию, прямой звук и отражённый звук. Благодаря этому мы определяем, откуда исходит звук, различаем его направление и воспринимаем объёмное звучание.

Реверберация и ощущение пространства звука

Реверберация в концертном зале - объёмный и глубокий звук, ощущение величия

Звук распространяется от источника сферически, во всех направлениях. Когда на пути распространения звука встречаются преграды (пол или стены комнаты, здания, автомобили) они отражают звук. Звук также способен огибать препятствия. Эффект многократного отражения звука от разных поверхностей называется реверберацией.

Реверберация создаёт ощущение пространства, в котором мы находимся, а также позволяет понять откуда появляется звук, т.е. его локализацию. Однако эхо, возникающее при реверберации, может мешать восприятию прямого (неотражённого) звука.

Заключение

Хотя звук движется быстро, мы ощущаем его как процесс, а не как момент. Наше восприятие скорости звука или задержек в передаче звука - это результат сложной работы органов слуха и мозга. Именно поэтому акустика помещения или задержка в аудиосистемах так важны для качества звучания и комфорта восприятия.

Скорость звука в газах, жидкостях и твёрдых телах: от чего зависит и как воспринимается человеком