ТЕОРІЯ ЗВУКУ
Звук — коливальний рух частинок пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газі, рідині чи твердому тілі. Більшість явищ у природі супроводжуються характерними звуками, які сприймаються та розпізнаються вухом людини і тварин і служать для орієнтування та спілкування. Розділ науки, що вивчає звуки, називається акустикою.
Характеристики звуку частота; довжина хвилі; амплітуда; швидкість; тембр.
Класифікація звуків Більшість звуків, які зустрічаються в природі складні, тобто є накладанням хвиль різної частоти. Накладання хвиль різної частоти надає звуку забарвлення, яке називають тембром. За частотними характеристиками акустичної хвилі розрізняють: простий тон — синусоїдні коливання. Звукові коливання простого тону в достатньо хорошому наближенні дають звукові генератори і камертон. складний тон гармонічний — визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та обертонів. Звуки такого спектрального складу дають музичні інструменти. Тембр звуку, тобто співвідношення обертонів та основного тону надає кожному музичному інструменту своє характерне звучання. негармонічний — приблизно визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та негармонічних обертонів. шум білий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються рівномірно по всьому діапазону. кольоровий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються нерівномірно по всьому діапазону, як правило з поступовим зменшенням інтенсивності від низьких до високих частот.
Найпростішим типом звуку є звук, в якому тиск у кожній точці простору змінюється за синусоїдним законом, тобто здійснює гармонічні коливання з певною частотою. Частота — це кількість коливань певної точки звукової хвилі в секунду. Одному циклу коливання в секунду відповідає величина 1 Гц (1/с). Людина чує звук з частотами від 16 Гц до 20 к. Гц. Границі чутності визначені не строго і змінюються від людини до людини. Деякі тварини можуть чути звуки з частотою, нижчою від 16 Гц, інші - з частотою понад 20 к. Гц. Діапазон від 16 Гц до 20 к. Гц називають чутним діапазоном. Звуки з частотами до 16 Гц називаються інфразвуком, понад 20000 Гц — ультразвуком. Звуки з частотою 109 -1013 Гц називають гіперзвуком. Людське вухо сприймає та розрізняє частоту звукових коливань як висоту звуку або тон.
Швидкість звуку залежить від середовища, через яке проходять звукові хвилі і визначається його параметрами - модулями пружності. Швидкість звуку в газах залежить від температури, від маси молекули газу. Загалом вона дорівнює кореню квадратному похідної від модуля пружності середовища відносно густини. При великих інтенсивностях звуку вона залежить також від амплітуди. Швидкість звуку в повітрі за нормальних умов становить 340 м/с. Вона дещо зростає з підвищенням температури і зменшується при її пониженні. Швидкість звуку в повітрі практично не залежить від частоти, тому звук розповсюджується на великі відстані без спотворень. В твердих тілах та рідинах звук загалом розповсюджується швидше, ніж у повітрі.
Довжина звукової хвилі визначається її частотою та швидкістю: , де λ - довжина хвилі, ν - частота, s - швидкість звуку. Довжини звукових хвиль чутного діапазону лежать у межах від приблизно 2 см до приблизно 20 м.
Розповсюдження звуку У газах та рідинах звук розповсюджується як повздовжня хвиля, тобто як послідовність стиснень та розширень. У твердих тілах крім повздовжніх звукових хвиль можуть поширюватись також поперечні звукові хвилі, в яких коливання відбуваються у напрямку перпендикулярному до напрямку розповсюдження. Повздовжні та поперечні хвилі розповсюджуються із різними швидкостями. В неізотропних середовищах, кристалах спостерігається анізотропія швидкості, коли швидкість звуку змінюється в залежності від напрямку розповсюдження. Розповсюдження звуку є адіабатичним процесом, тобто коливання тиску й густини відбувається швидше, ніж встигає вирівнятися температура. Це означає, що локальна температура змінюється разом із густиною - при стискуванні відбувається нагрівання, при розширенні охолодження. Звукова хвиля, зустрівши на своєму шляху перешкоду, дифрагує, тобто огинає перешкоду, якщо її розмір менший або порівняний із довжиною хвилі. Звукова хвиля також частково відбивається від перешкоди. Відбивання більше, якщо розмір перешкоди більший від довжини хвилі. Завдяки відбиттю звукової хвилі від перешкод виникає таке акустичне явище, як луна. Людське вухо не розрізняє дуже близькі за часом звуки, тому мінімальна відстань, з якої людина чує луну складає приблизно 16 м.
Звук реєструють за допомогою мікрофонів — приладів, що перетворюють звукові коливання у електричні. Зареєстровані звукові коливання можна передати на віддаль засобами телекомунікації телефоном або радіо або записати на носії інформації. Переданий або записаний звук відтворюється за допомогою гучномовців, які перетворюють електричні коливання у звукові хвилі.
Елементарна теорія звуку В результаті коливання якого-небудь пружного тіла, наприклад струни, металевого листа, дерев'яної пластини і т. п. , виникає хвилеподібне поширення подовжніх коливань повітряного середовища, які називаються звуковими хвилями. Звукові хвилі поширюються на всіх напрямках і з однаковою швидкістю. Ці звукові хвилі (коливання) уловлюються нашим слуховим апаратом і передаються по нервовій системі в головний мозок, збуджуючи відчуття звуку. Людина сприймає досить великий звуковий спектр. Цей спектр можна розділити на два види: звуки шумової природи і музичні звуки, хоча цей розподіл декілька умовно, так як у сучасній музиці рівноправно використовуються і ті і інші. Характер звуку визначається чотирма основними властивостями: висота, гучність, тривалість і тембр. Висота звуку залежить від частоти тіла (джерела звуку), що коливається : чим частіше коливання, тим вище звук, і навпаки. Гучність залежить від розмаху коливальних рухів джерела звуку : чим більше розмах коливань (амплітуда), тим голосніше звук, і навпаки. Тривалість звуку залежить від тривалості коливань джерела. Тембром називається якісна характеристика звуку, тобто його забарвлення. Саме завдяки цій характеристиці ми розрізняємо величезну кількість музичних інструментів, голоси і навіть шумові звуки. Тембр звуку залежить від наявності в нім "часткових" тонів або, інакше кажучи, обертонів (гармонік) а також від їх співвідношення по гучності і присутності або відсутності в спектрі звучання основного тону.
Підготували Ребрик Роман Ільченко Дмитро Поярков Андрій