Что такое звук и как мы его слышим

Звук возникает из колебаний и проходит через разные среды.

Щипните гитарную струну или хлопните в ладоши. Между движением и тем, что вы услышите, произойдёт целая цепочка событий. Разберём её без сложных приборов: что именно движется в воздухе, почему одна нота выше другой и как ухо превращает колебания в знакомый голос.

В статье вы узнаете:

• Как колебание превращается в звуковую волну
• Как мы слышим звук
• Почему нужна среда
• Чем различаются высота, громкость и тембр
• Как увидеть колебания в простом опыте
• Почему возникает эхо

От струны до воздуха: где рождается звук

Струна после щипка движется туда-сюда. Она заставляет колебаться корпус гитары и окружающий воздух. Если вместо гитары взять колонку, ту же работу выполняет её мембрана: выступает вперёд, отступает назад и повторяет движение много раз. Когда мембрана выступает, воздух перед ней слегка сжимается. Когда отступает, рядом возникает участок с более низким давлением. Эти участки чередуются и уходят от источника во все стороны.

Такое распространяющееся изменение давления и называют звуковой волной. В воздухе она продольная: частицы воздуха двигаются примерно вдоль направления, в котором идёт волна. На рисунках звук часто показывают красивой извилистой линией. Это график изменения давления, а не путь, по которому летит отдельная молекула. Сгущения и разрежения, частоту и движение частиц подробно разбирает университетский курс физики OpenStax.

Представьте очередь людей, где каждый делает маленький шаг вперёд и возвращается обратно. Уплотнение проходит вдоль очереди, хотя люди не перебегают от её начала к концу. У воздуха картина сложнее, но важное различие то же: воздух около колонки слегка колеблется, а возмущение добирается до слушателя. Поэтому скорость звука не означает скорость ветра из колонки.

Как ухо превращает волну в услышанное

Когда чередование давлений достигает головы, ушная раковина направляет часть звука в слуховой проход. Воздух у барабанной перепонки колеблется, и перепонка повторяет эти движения. За ней находятся три маленькие слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко. Они передают колебания во внутреннее ухо.

Во внутреннем ухе есть заполненная жидкостью улитка. Движение в ней возбуждает чувствительные волосковые клетки. Название обманчиво: это не волосы на голове, а особые клетки с крошечными выступами. Их работа запускает электрические сигналы, которые идут по слуховому нерву в мозг. Там мы узнаём знакомый голос, отличаем музыку от гудка и понимаем слова. Этот путь подробно описывает Национальный институт глухоты и других нарушений коммуникации США.

Цепочку полезно держать в голове целиком: источник колеблется → среда передаёт волну → перепонка и косточки передают движение → улитка преобразует его в нервные сигналы → мозг распознаёт звук. Это два связанных явления. Звуковая волна существует и без слушателя; услышанный звук появляется, когда живой слуховой аппарат её воспринимает.

Почему звук доходит через стену, воду и воздух

Для передачи механической волны нужны частицы среды, которые воздействуют друг на друга. Обычно мы слышим звук через воздух. Но можно услышать и стук через дверь, и шум воды, если ухо находится под водой. В каждом случае колеблется свой материал. Скорости и потери при этом различаются: деревянная дверь передаёт часть вибраций, но также отражает и ослабляет часть звука. Поэтому голос за дверью слышен глуше и разобрать слова бывает трудно.

Знакомое «приложить ухо к столу, когда по нему стучат» показывает передачу через твёрдое тело. Здесь важно не перепутать два пути: часть звука всё равно приходит через воздух, а часть вибрации добирается через стол до соприкасающегося с ним уха. Материал и контакт меняют то, что вы услышите; один такой опыт не измерит скорость звука в дереве.

В почти пустом космическом вакууме обычному звуку передаваться нечем. Поэтому два человека снаружи корабля не смогут разговаривать, просто крича друг другу. Радиосвязь работает иначе: микрофон преобразует голос в сигнал, дальше его несут электромагнитные волны, которым вакуум не мешает, а динамик снова создаёт звук в воздухе шлема. Сцены космических взрывов со слышимым снаружи грохотом нужны кино, но не описывают звук в вакууме.

Частота: почему один звук высокий, а другой низкий

Мембрана или струна повторяет движение. Сколько полных колебаний случилось за секунду, столько герц у периодического звука. Если движение повторяется 200 раз в секунду, частота равна 200 Гц. Когда повторений больше, тон обычно кажется выше; когда меньше, ниже. Это физическая основа высоты звука.

Спойте одну ноту, потом другую выше. Вы можете почти не менять громкость, но голосовые складки во втором случае совершают больше колебаний за секунду. Для чистого сравнения подойдут две устойчивые ноты музыкального инструмента: одну сыграйте ниже, другую выше, стараясь сохранить ту же громкость.

Удвоение частоты простой музыкальной ноты даёт октаву: 200 и 400 Гц служат удобным примером. Если принять скорость звука в воздухе за округлённые 340 м/с, расстояние между соседними сгущениями для 200 Гц будет 1,7 м, а для 400 Гц 0,85 м. Более частые колебания «укладывают» больше повторений на том же расстоянии. Хотите подставить свою частоту или другую среду? В калькуляторе длины звуковой волны введите частоту и скорость; он покажет расстояние между одинаковыми фазами волны. Это расстояние не является размером самой гитары или всего звука.

Обычный голос и гитарная нота состоят из нескольких частот сразу, а хлопок вообще не похож на ровно повторяющуюся ноту. Поэтому одной частотой удобно описывать отдельный тон, но не любое слышимое событие целиком.

Громкость: что меняется, если ударить сильнее

Теперь не меняйте ноту, а сыграйте её тихо и громко. При более сильном колебании струна обычно заставляет воздух испытывать более крупные изменения давления. Физик скажет, что выросла амплитуда волны; ухо обычно воспринимает такой сигнал как более громкий. При этом нота может оставаться той же высоты. Частота отвечает прежде всего за высоту, а амплитуда и интенсивность связаны с громкостью.

На практике громкость у уха зависит ещё и от расстояния, отражений, частотного состава и самого слуха. Та же колонка в дальнем конце зала звучит слабее, хотя её мембрана не стала колебаться реже. Стены могут отражать часть волн и создавать участки, где звучание меняется. А две записи с одинаковым пиковым уровнем могут восприниматься по-разному, если одна равномерная, а другая состоит из коротких ударов.

Уровень звука часто записывают в децибелах, или дБ. Это логарифмическая шкала: показания 60 и 70 дБ отличаются не на 10% по силе волны. Если сравниваете две комнаты по измерениям, сначала убедитесь, что замеры сделаны одним прибором и в одинаковом месте: смена расстояния до колонки тоже меняет показание. А ощущение громкости зависит ещё и от частоты и особенностей слуха. Для первого знакомства главное: «высоко» и «громко» отвечают на разные вопросы.

Тембр: почему одну ноту можно сыграть на разных инструментах

Представьте, что фортепиано и гитара взяли одну ноту с одинаковой основной частотой. По высоте звуки похожи, но узнать инструмент обычно легко. Разницу создают дополнительные частоты, их относительная сила и то, как звук начинается и затухает. Этот набор признаков мы называем тембром.

У гитары после щипка слышна атака, а затем струна постепенно затихает. У фортепиано ноту запускает удар молоточка по струне, и её звуковой состав меняется по-другому. У голоса звук проходит через горло, рот и носовые полости, что тоже придаёт ему узнаваемый характер. Поэтому вопрос «какая нота?» касается высоты, «насколько слышно?» касается громкости, а «на что похоже звучание?» ведёт к тембру.

Тот же принцип помогает понять, почему телефонный собеседник узнаваем, хотя маленький динамик не воспроизводит голос в точности как живой человек. Уху часто хватает части характерных деталей. Но если звук сильно искажается, например за толстой стеной, распознавать слова и голос становится труднее.

Что покажет простой опыт с линейкой

Положите школьную пластиковую линейку на стол так, чтобы примерно 5–6 см выступали за край. Прижмите лежащую на столе часть ладонью и слегка отклоните свободный конец вниз, затем отпустите. Конец будет быстро двигаться вверх-вниз; у многих линеек вы услышите короткий тон. Посмотрите сбоку: видимое движение принадлежит линейке, слышимая волна проходит через воздух.

Теперь увеличьте выступающую длину до 8–10 см и повторите с похожим отклонением. Свободный конец обычно колеблется медленнее: тон может стать ниже, а на некоторых линейках его почти не будет слышно. Сравните, как выглядит дрожание конца при двух длинах. Верните выступ к 5–6 см, и колебаний за секунду станет больше. Точные ощущения зависят от толщины линейки и того, насколько надёжно вы её прижали. Опыт связывает число колебаний за секунду с высотой, но не заменяет измерение частоты прибором.

Проверьте второе различие отдельно: оставьте длину той же и отклоните конец чуть сильнее. В пределах разумного звук обычно будет заметнее, но высота меняется гораздо меньше, чем при смене длины. Не выгибайте линейку до поломки. Если линейка молчит, не добавляйте лист для «усиления»: удар о бумагу даст новый звук и испортит сравнение. Возьмите более упругую линейку или наблюдайте движение без слуховой оценки.

Можно провести ещё один опыт без инструментов. Слегка приложите пальцы к горлу и протяните ровное «ммм». Пальцы ощутят вибрацию. Повышайте ноту, не стараясь петь громче: вибрация продолжится, а ощущение звука изменится по высоте. Так источник собственного голоса перестаёт быть невидимой абстракцией.

Эхо и задержка: волна тратит время на путь

В просторном месте хлопок может вернуться как эхо: часть звука отразилась от далёкой стены или скалы и дошла до вас позднее. Сначала волна прошла от вас до преграды, затем обратно. Для эха важны расстояние и скорость в данной среде. Если задержка мала, отражения сливаются с исходным звуком и мы слышим не отдельный повтор, а изменение звучания помещения.

Это показывает ещё одно свойство звука: он не появляется у слушателя мгновенно. Для комнатной температуры скорость в воздухе порядка 340 м/с. Если друг стоит в трёх метрах, путь занимает около девяти тысячных секунды, так что в разговоре задержка не бросается в глаза. А до далёкой стены и обратно путь уже достаточно велик, чтобы иногда услышать повтор. Измерить скорость по записи и увидеть, почему путь до стены при таком расчёте удваивают, можно в отдельном разборе эха.

Короткие ответы на частые вопросы

Может ли звук существовать без человека? Да, как механическая волна в среде. Но «услышать» её может только воспринимающая система: ухо и мозг человека или другой живой организм. Прибор вместо этого регистрирует изменение давления и превращает его в запись.

У каждого звука одна частота? Нет. Чистый тон служит удобной моделью. Речь, музыка и хлопок содержат множество составляющих. У ноты обычно можно выделить основную частоту, но полное звучание ею не исчерпывается.

Почему молнию видно раньше, чем слышно гром? Свет приходит к нам намного быстрее звука. Гром возникает при быстром расширении воздуха, нагретого разрядом, а затем звуковая волна идёт к наблюдателю через воздух. Если до грозы несколько километров, задержку уже легко заметить.

Можно ли услышать любое колебание? Нет. Часть колебаний слишком медленная, слишком быстрая или слишком слабая для человеческого уха. Но отсутствие ощущения не означает, что прибор не сможет их зарегистрировать. Важно и то, доходит ли волна до уха через подходящую среду.

Главное

Когда струна, голосовые складки или мембрана динамика колеблются, они создают в среде последовательность изменений давления. Волна доходит до уха; перепонка, косточки и улитка передают и преобразуют движение, а мозг распознаёт услышанное. Частота помогает понять высоту тона, размах колебаний связан с громкостью, а сочетание частот и развитие звука во времени создают тембр. Попробуйте опыт с линейкой: после него слова «колебание» и «высота звука» уже будут обозначать то, что вы видели и слышали сами.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.