Читать книгу Фізика - Группа авторов - Страница 14

Звук та його походження

Звуки оточували людину завжди. У далекі доісторичні часи вони допомагали їй так само, як і живі істоти. Завдяки їм людина спілкувалася, орієнтувалася в просторі, полювала і просто виражала свої емоції. Шелест листя в лісі, спів птахів, шум морського прибою – ці природні звуки людина спочатку просто імітувала, а згодом з’явилася музика.

Люди, намагаючись поставити звуки собі на службу, почали їх вивчати, створивши науку про звуки – акустику.

Джерела звуку

Звук – це механічні хвилі, які сприймає вухо і які поширюються в пружних середовищах (газах, рідинах і твердих тілах).

Людське вухо сприймає як звук механічні коливання, частота яких лежить у межах від 20 Гц до 20 000 Гц (20 кГц). Пружні хвилі з частотою меншою 20 Гц називаються інфразвуком, а з частотою більшою 20кГц – ультразвуком.

Нагадаємо, що коли частота коливання якогось тіла (наприклад, підвішеної на нитці кульки) становить 1Гц (герц), це означає, що за одну секунду тіло здійснило одне повне коливання. Якщо частота коливань дорівнює 1000 Гц (або 1 кГц), то за секунду тіло здійснює 1000 коливань.

Джерелами звуку є різні коливні тіла, наприклад, натягнута струна або тонка сталева пластина, затиснута з одного боку. Джерелом чистого музичного звуку є камертон.

Коливання струни або металевої пластинки передаються навколишньому середовищу (якщо це здійснюється в повітрі – то, передусім, – повітрю). Коли пластинка відхилиться, наприклад у правий бік, вона ущільнює (стискає) шари повітря, що прилягають до неї праворуч; при цьому шар повітря, який прилягає до пластини з лівого боку, розрядиться.

При відхиленні пластини в лівий бік вона стискає шари повітря ліворуч і розряджає шари повітря, що прилягають до неї з правого боку тощо. Стискання і розрядження шарів повітря, що прилягають до пластини, передаватиметься сусіднім шарам. Цей процес буде періодично повторюватися, поступово слабшаючи, до повного припинення коливань.

У такий спосіб коливання струни або пластинки збуджують коливання навколишнього повітря і, поширюючись, досягають вуха людини, змушуючи коливатися його барабанну перетинку, викликаючи подразнення слухового нерва, сприйняте людиною як звук. Якщо порівняти частоти коливань різних джерел звуку – від людських голосів до звуків музичних інструментів, то отримаємо таку картину:

Поширення звукових хвиль

Швидкість поширення у просторі звукових коливань (хвиль), залежить від густини середовища, в якому вони поширюються, а також від температури. У повітрі швидкість поширення звукових коливань у середньому дорівнює 330 м/с, однак вона може змінюватися залежно від його вологості, тиску та температури.

Розгляньте наведену далі таблицю, в якій подана середня швидкість звуку в повітрі при різних температурах:

Якщо подивитися на значення швидкості звуку в повітрі на різних висотах від поверхні Землі, то можна помітити, що з висотою швидкість звуку зменшується. Це пов’язано не тільки зі зміною температури, але, передусім, зі зміною атмосферного тиску.

Для так званої стандартної атмосфери температура на висоті 11—20 км є сталою і дорівнює -56,5°С; швидкість звуку на цих висотах 295,07 м/с.

Швидкість звуку в рідинах та твердих тілах суттєво більша, ніж у повітрі, проте тут теж існує певна залежність від температури:

Колись відомий популяризатор науки Я. Перельман запропонував обміркувати таку ситуацію: що сталося б, якби звук поширювався в повітрі не зі швидкістю 340 м/с, а набагато повільніше – наприклад, зі швидкістю 340 мм/с?

Він пропонує розглянути таку ситуацію. Сидячи в кріслі, ви слухаєте розповідь вашого знайомого, котрий має звичку говорити, ходячи сюди-туди по кімнаті. При звичайних, існуючих швидкостях звуку це анітрошки не завадило б вам слухати його. Але при зменшеній швидкості звуку ви нічого не зрозумієте з мови вашого гостя: звуки, створені раніше, будуть доганяти нові і «перемішуватися» з ними, – вийде плутанина звуків, позбавлена всякого змісту!

Утворення звуків

Голосовий апарат людини та тварин

Голосом називають сукупність різноманітних за висотою, силою і тембром звуків, створюваних за допомогою голосового апарата людиною. (Можна також говорити й про голос тварин, якщо вони дихають легенями.)

Голосом супроводжуються також рефлекторні рухи м’язів гортані (чхання, кашель тощо). Людина виражає голосом відчуття, почуття, думки (лемент, сміх, плач, розмовна і вокальна мови). У створенні звуку беруть участь повітряні шляхи і порожнини (легені, бронхи, трахея); система резонаторів підсилює звук.

Хто багато говорить, той говорить багато дурниць.

П.Корнель

Різна частота звукових коливань залежить від довжини і напруги голосових зв’язок, що, у свою чергу, обумовлюється станом м’язів гортані. Вважають, що кількість коливань голосових зв’язок за секунду збігається з кількістю імпульсів, які надходять з центральної нервової системи.

Висота голосу залежить від частоти коливань голосових зв’язок, що, у свою чергу, обумовлено їх довжиною, товщиною і напругою.

Сила голосу залежить від розмаху коливань голосових зв’язок, що визначається силою напору видихуваного повітря.

Механіка створення звуку у всіх хребетних, які мають голос, практично однакова. Під час дихання повітря з дихальних шляхів під дією видихальної мускулатури, що створює в них підвищений тиск, плавно і безупинно проходить через широко відкриту голосову щілину. При створенні звуку голосова щілина замкнута і голосові зв’язки напружені. Щілина відкривається під тиском повітря лише на короткий час. Через неї з дихальних шляхів виходить лише частина повітря. Після цього голосові зв’язки знову стуляються і починають коливатися. Ротова та носова порожнини відіграють роль резонаторів – вони підсилюють звук.

На малюнках показано загальний вигляд голосового апарату людини (1), загальний вигляд зв’язок (2), а також зв’язки у спокійному (3) і напруженому (4) станах.

У безхвостих земноводних, які квакають, по внутрішніх краях черпаловидних хрящів розташовані товсті складки, що оточують голосову щілину слизової оболонки, у нижній половині якої розташовані голосові зв’язки.

Серед плазунів, здебільшого нездатних видавати голосні звуки, справжні голосові зв’язки мають лише гекони та хамелеони; у крокодилів вони представлені могутніми складками слизової оболонки.

Чим відрізняється «ля» у виконанні Наталі Могилевської від «ля» у виконанні Руслани

Характерна властивість майже кожного джерела звуку – те, що воно не тільки створює прості періодичні коливання (їх називають чистий тон), але створює й складні коливальні рухи, що дають кілька тонів одночасно (їх називають обертони). Наприклад, об’єкт, що коливається з основною частотою 500 Гц, може також утворювати обертони з частотою 1000, 1500, 2000 Гц тощо.