Что такое звук? Как человек воспринимает звук?

Что такое звук: определение понятия

Пение птицы: звуковые волны, создаваемые вибрацией голосовых связок

Мы живём в мире, в котором звук окружает нас повсюду: мы слышим красивую музыку, речь близких нам людей, а также множество самых разных шумов. А ещё мы не слышим множество окружающих нас звуков, поскольку наши органы слуха воспринимают не весь диапазон звуков. Так что же такое звук? Почему некоторые звуки мы слышим, а другие нет? Как возникает звук и как мы воспринимаем его?

Нет воздуха - нет звука

Молекулы воздуха заполняют всё пространство вокруг нас; без них не существовал бы звук

Звук напрямую зависит от воздуха. Хотя мы "уверены", что вокруг нас находится пустое пространство, всё же, оно полностью заполнено веществом, воздухом. Воздух состоит из молекул газа, мы не видим их невооружённым взглядом, но без них, мы бы не смогли прожить и нескольких минут. Согласно данным Колледжа наук о Земле и минералах, в одном кубическом сантиметре воздуха содержится несколько квинтиллионов молекул газа (10¹⁹).

Кроме того, если бы не было воздуха, не было бы и звука. В безвоздушном пространстве, в вакууме, звука нет.

Звук может передаваться не только через воздух, но и через жидкости, и даже, через твердые вещества. При этом скорость звука в воде примерно в 3 раза выше, чем в воздухе. В этой статье мы ограничимся тем, что рассмотрим возникновение и распространение звука в воздухе.

Как возникает звук?

Для того чтобы появился звук, какой-либо предмет должен начать вибрировать. Например, мембрана звуковой колонки, выхлопная труба автомобиля, голосовые связки человека или струны гитары. Вибрирующий предмет надавливает на находящиеся рядом с ним молекулы воздуха, смещая их.

Звуковые волны распространяются во всех направлениях от источника звука

Вибрация струны гитары и возникновение звуковой волны

Молекулы воздуха начинают колебательные движения вперед-назад, затем они передают данные движения находящимся рядом с ними молекулам воздуха, а те в свою очередь своим молекулам-соседям и т.д. Так в воздухе образуется волна колебаний молекул воздуха, которая расходится от вибрирующего предмета во всех направлениях. Такую волну мы называем звуковой волной.

Звук - это невидимые волны, возникающие в воздухе, в результате вибрации или колебания какого-либо предмета.

ПРИМЕР. Представьте себе озеро в безветренную погоду. Мальчишка, находящийся на берегу озера, кидает в воду камень. Камень вызывает волны, которые расходятся по поверхности воды в разные стороны и вскоре достигают берега. Окружающее нас пространство подобно озеру, которое тоже заполнено, но не водой, а воздухом. Когда в этом пространстве что-то начинает вибрировать, например, струны гитары, в воздухе тоже возникают волны, которые мы не видим, однако эти волны мы можем слышать.

Звуковые волны от игры на музыкальном инструменте подобны волнам на поверхности воды

Волны на поверхности озера от падения камня, брошенного в воду

Как человек воспринимает звук

Колебания молекул воздуха вперёд-назад достигает человека, который находится на пути распространения звуковой волны. Органы слуха человека улавливают колебания молекул воздуха, определяют их характеристики и передают полученную информацию в мозг. Мозг человека обрабатывает эту информацию и формирует свое субъективное восприятие или понимание данного физического явления. В результате, некоторые звуковые колебания оцениваются и определяются нами как шум, другие - как музыка или человеческая речь.

Дэниел Левитин, когнитивный психолог и нейробиолог, в своей книге "На музыке. Наука о человеческой одержимости звуком", написал, что громкость и высота звука - феномены полностью психологические, т.е. во внешнем мире они не существует, а есть только в нашем восприятии.

Звук - это не только физическое явление (акустические волны), но и психофизиологический процесс.

Итак, звук, это не только физическое явление (акустические волны), но и психофизиологический процесс, в ходе которого, органы слуха регистрируют и передают мозгу информацию об акустических волнах, а мозг преобразует её в осмысленное восприятие и вызывает соответствующие чувства. Психофизиологический процесс - это процесс, в ходе которого происходит взаимодействие физиологических реакций человека (работа органов слуха и мозга) и его психики (сознание, мысли, чувства).

С позиции человека, звук - это событие, которое его органы слуха регистрируют и передают мозгу.

Давая определение звуку, важно учесть наше восприятие этого физического явления. То, что в результате обработки мозга, мы воспринимаем сознанием как звук, отличается от того, что является физическим явлением, которое называется звуком. Если мы ничего не слышим, мы говорим "наступила тишина", звука нет. Однако звук может существовать, просто наши уши не улавливают его. Мы улавливаем звук только определенных физических характеристик. Подробнее о работе органов слуха, о том, как мы слышим, описано в отдельной статье на нашем сайте.

Основные характеристики, параметры звука

Звук, как физическое явление обладает различными физическими характеристиками, которые регистрируются нашими органами слуха и передаются мозгу. Кроме самих по себе характеристик звука, мозг анализирует и сравнивает полученные данные за период времени, отношение и изменение разных свойств звука, а также сравнивает полученные данные с уже имеющейся информацией в памяти. Рассмотрим далее, какие параметры есть у звуковой волны и как их интерпретирует наш мозг.

В следующей далее Таблице 1 указаны основные характеристики звука, единицы их измерения, доступный человеку диапазон и как данные характеристики звука воспринимаются нашим мозгом.

Таблица 1. Основные характеристики звука и их восприятие человеком

Далее в статье рассмотрена каждая характеристика звука.

Частота колебаний, длина звуковой волны и высота звука

Синие киты издают инфразвуки для общения, распространяющиеся на расстояние тысяч километров, эти звуки человек не может слышать

Частота колебаний - это количество колебаний, которое молекулы воздуха совершают за одну секунду. Частота 20 Герц означает, что за одну секунду молекулы воздуха совершают 20 колебаний вперед-назад. Органы слуха человека могут улавливать звуки только определенного диапазона частот. В зависимости от индивидуальных особенностей, возраста, болезней и других причин, этот диапазон может быть разным. В среднем, воспринимаемый нами звук, находится в диапазоне от 20 Гц до 20'000 Герц (20'000 Герц = 20 Килогерц).

Если частота звуковой волны менее 20 Гц или более 20'000 Гц, то такой звук мы не слышим. Звук с частотой ниже 20 Гц называется "Инфразвук", а звук выше 20'000 Гц называется "Ультразвук".

Инфразвук - звук с частотой менее 20 Гц. Ультразвук - звук с частотой более 20'000 Гц. Человек не может слышать ультразвук и инфразвук.

ПРИМЕРЫ. Инфразвуки и ультразвуки издают разные животные. Например, синий кит в океане издаёт инфразвуки в диапазоне от 1 до 20 Гц. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Акустического общества Америки, звуки, издаваемые китами могут пройти расстояние более 1'500 километров.
Летучие мыши издают ультразвуки для ориентировки в темноте, охоты и общения, их ультразвуковые волны имеют частоту более 100'000 Герц.

Частоту колебаний звука мы воспринимаем как высоту звука и это полностью заслуга нашего мозга. Сами по себе колебания воздуха не имеют высоты или тона. Чем больше частота, тем более высокий звук рождается в нашем сознании, чем меньше частота колебаний, тем более низкий звук мы слышим.

ПРИМЕРЫ. Мужской голос более низкий, чем женский голос. Звук грома - это низкий звук, а звук скрипки - высокий.

В связи с частотой колебаний рассматривается понятие длины звуковой волны - это расстояние, которое звуковая волна проходит за один цикл колебаний. Длина звуковой волны обратно пропорциональна частоте колебаний. Таким образом, чем выше частота звука, тем короче длина звуковой волны.

Амплитуда колебаний, звуковое давление и громкость звука

Амплитуда колебаний молекул воздуха

Амплитуда - это величина отклонения молекул воздуха от своего первоначального положения или положения равновесия. Чем сильнее музыкант ударяет по струне гитары, тем больше энергии он ей передаёт, тем сильнее струна вибрирует и тем дальше отклоняется от своего постоянного состояния.

Амплитуда колебания маятника вперед-назад зависит от силы, которая привела его в движение

Таким образом, при сильном ударе, амплитуда колебания струны больше, чем если бы её просто легонько задели. Колеблясь, струна воздействует на молекулы воздуха, которые начинают повторять её колебания и соответственно или пропорционально повторять амплитуду отклонения от своего состояния равновесия. Амплитуда колебания струны и молекул воздуха, теоретически может быть измерена в миллиметрах, микрометрах или нанометрах.

Колебание воздуха создаёт ряд акустических явлений или эффектов.

Звуковое давление

Когда молекулы воздуха смещаются вперед-назад, они создают области, где их плотность становится больше и области, где их плотность становится меньше. Области большей плотности - это области сжатия или повышенного давления. Области меньшей плотности - это области разрежения или пониженного давления. Таким образом, колебания плотности создаёт звуковое давление. Чем больше амплитуда колебания молекул воздуха, тем выше создаваемое им звуковое давление и наоборот. Звуковое давление пропорционально амплитуде колебаний молекул воздуха. Звуковое давление измеряется в Паскалях. Диапазон значений звукового давления является огромным, от 0.00002 (2 Микропаскаля) и до 100 Паскалей.

Интенсивность звука

В связи со звуковым давлением также говорят об интенсивности звука, характеризующую мощность или энергию, переносимую звуковой волной. Интенсивность звука пропорциональна звуковому давлению. Интенсивность звука измеряется в Ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Громкость звука, воспринимаемая человеком

Громкость звука на рок-концерте достигает 120 дБ

Наши органы слуха фиксируют величину амплитуды колебаний воздуха, т.е. величину отклонения молекул воздуха от состояния равновесия. А наш мозг интерпретирует данную величину как громкость звука. Чем больше амплитуда, чем дальше молекулы воздуха отклоняются вперед или назад, тем более громким мы воспринимаем звук. Таким образом, громкость звука – это наше ощущение амплитуды колебания молекул воздуха, звукового давления или интенсивности звука. Однако есть и другие факторы, которые влияют на наше восприятие громкости звука. Из сказанного ранее можно сделать вывод: в природе не существует громкости звука, как таковой, она есть только в нашем восприятии.

Измерение громкости звука

Каким же образом можно измерить громкость звука? Если сказать просто, такого способа нет. Громкость звука - это индивидуальное восприятие и интерпретация мозгом человека амплитуды колебаний воздуха. Мы можем измерить звуковое давление, как результат колебаний воздуха и соотнести полученное измерение с тем, какой громкости соответствует данное измерение в восприятии людей. Как уже говорилось выше, диапазон звукового давления является огромными. Если соотносить воспринимаемую нами громкость с микропаскалями, полученными в результате измерения звукового давления, то полученные данные мало кто сможет понять. Например, 0.00002 Паскаля - самый тихий звук, который мы можем слышать, а 2 Паскаля - это громкая речь. А какова громкость звука при измеренном звуковом давлении 0.00525 Паскалей и насколько она отличается от громкости при давлении 1.00111 Паскалей? Такие величины сложно понять и оценить обычному человеку.

Децибелы

Для того чтобы было проще сопоставить измерение звукового давления и громкость звука были введены Децибелы, сокращённо дБ. Измеренное звуковое давление в Паскалях переводится в Децибелы по математической формуле. Уровень звукового давления в Децибелах - это логарифмическое соотношение звукового давления к порогу слышимости. Не углубляясь в математику и физику, можно сказать, что Децибелы призваны выразить воспринимаемую человеком громкость звука на основании измеренного звукового давления в Паскалях, но представить данные измерения в простых числах. При этом изменение уровня звука в Децибелах не является линейным, т.е. увеличение на несколько Децибелов означает многократное увеличение. Например, если уровень звука увеличивается с 60 до 70 дБ, то это не значит, что уровень звука повысился на 10-15%, на самом деле произошло увеличение в 10 раз.

Предельные величины громкости звука

Самый тихий звук, который слышит человек равен 0 дБ (ноль Децибел), при этом 0 дБ равно 0.00002 Паскалей. Таким образом, может существовать звук, со звуковым давлением менее 0.00002 Паскалей, но, органы слуха человека уже не могут его зафиксировать и человек его уже не может услышать. Максимальная громкость звука, который человек может воспринимать без вреда для себя, составляет 120 дБ, это соответствует звуковому давлению в 20 Паскалей. Однако, при длительном воздействии, 120 дБ также может быть опасным для слуха.

Децибел А - скорректированный уровень звука

Честно говоря, с помощью Децибелов, так же как и с помощью Паскалей, не просто оценить громкость звука. Децибелы также не учитывают другие факторы, влияющие на наше ощущение громкости. В настоящее время используется измерение уровня звука в dBA (децибел А) — скорректированный уровень звука с учетом того, как наши органы слуха воспринимают разные частоты.

Чтобы понять, насколько громким является звук, можно запомнить для себя несколько значений громкости звука, выраженной в Децибелах и затем соотносить данные сведения с услышанными звуками. В следующей далее таблице 2 указаны знакомые нам звуки разной громкости и примерное значение измеренного звукового давления, выраженное в Децибелах. Чтобы самостоятельно измерить звуковое давление или уровень звука, можно воспользоваться специальным прибором или установить на свой мобильный телефон приложение, которое позволяет измерять уровень звука.

Равномерное колебание маятника вперёд-назад у настенных часов

Камертон производит чистый звук одной частоты

Таблица 2. Знакомые нам звуки и измеренное звуковое давление в Децибелах

Скорость звука

Скорость звука 340 м/с, скорость зависит от температуры, давления и состав воздуха

Звуковая волна распространяется в воздухе со скоростью примерно 340 метров секунду, а в воде примерно 1500 м/с. На скорость распространения звука влияет температура, давление и состав воздуха. Чем выше температура воздуха, тем выше скорость звука.

Изменение скорости звука почти не влияет на восприятие человеком. Скорость звука влияет на то, когда звуковая волна достигнет человека.

Реверберация и локализация звука

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

Звук распространяется от какого-либо источника сферически, во всех направлениях. Когда на пути распространения звука встречаются предметы, они отражают звук. Например, пол или стены комнаты, здания, автомобили. Звук также может огибать встречающиеся предметы. 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, появляющееся в результате реверберации эхо может мешать воспринимать неотражённый, прямой звук.

Спектр частот и тембр

Звуки, которые распространяются от какого-либо источника обычно представляют собой сложные звуковые волны с разными частотами и амплитудами. Например, если мы ударим по струне гитары, то струна будет колебаться на нескольких разных частотах одновременно, в результате этого, колебания воздуха будет происходить также на разных частотах. Самый низкий звук (с наименьшим числом колебаний в секунду) называют основной частотой звука, а все параллельные звуки других частот – называют обертонами. Обертоны основного звука музыкального инструмента обычно находятся в математической зависимости друг от друга, кратны друг другу и порождают таким образом гармонический звук.

Спектр частот можно представить себе в виде линий разных размеров и цветов

У каждого инструмента свой уникальный тембр или набор обертонов, он зависит от формы, материала и способа извлечения звука

Форма, размер и материал, из которого создан музыкальный инструмент, влияет на то, какие частоты будут присутствовать в звуке, извлекаемом данным инструментом. Голосовые связки, полость рта и носа также влияют на то, какие частоты будут присутствовать в издаваемом человеком звуке. Итак, спектр частот — это набор всех частот, которые составляют звук, включая основную и дополнительные частоты, обертоны. Спектр частот делает звук уникальным и влияет на то, как человек его воспринимает. Наше восприятие спектра частот называется тембр или окраска звука. Благодаря этому, мы можем различать речь разных людей, понимать кто сейчас говорит или понимать какой музыкальный инструмент издаёт тот или иной звук.

Что такое звук? Физическое явление и его удивительное восприятие человеческим мозгом