Звуковые волны. Источники звука. Характеристики звука

Звук окружает нас повсюду: мы слышим речь, музыку, шум ветра, шелест листьев. Однако с точки зрения физики звук — это не просто то, что воспринимает наш слух. Это волновое явление, возникающее при колебаниях тел и распространяющееся в различных средах. Чтобы лучше понимать природу звука, его характеристики и условия, при которых он существует, необходимо разобраться в механизме возникновения звуковых волн, их видах, а также в особенностях восприятия звука человеком.

В данном материале мы рассмотрим, что такое звуковая волна, какие тела могут быть источниками звука, какие параметры определяют высоту, тембр и громкость, и какие условия необходимы для существования звука. Эти знания помогут понять, почему одни звуки кажутся нам высокими и звонкими, другие — низкими и глухими, а также почему в вакууме звука быть не может.

Что такое звук

Звук — это механическая волна, возникающая при колебаниях тел и распространяющаяся в упругих средах: газах, жидкостях или твердых телах.
Звук относится к продольным волнам, то есть колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны.

Человек способен слышать только определённый диапазон колебаний — от 16 до 20 000 Гц. Звуки ниже этого диапазона называются инфразвуком, а выше — ультразвуком.

Диапазон звуковых волн

Частота звуковых колебаний определяет их "высоту". Чем больше частота, тем выше звук.
Например:

100 Гц — низкий звук
1000 Гц — средний
10 000 Гц — высокий

Животные слышат диапазоны шире человеческого. Например, собаки — до 45 кГц, дельфины — до 150 кГц.

Источники звука

Источник звука — любое тело, совершающее колебания.
Часто легко наблюдать, как вибрирует источник звука.

Примеры:

Зажатая в тиски колеблющаяся линейка может служить простым источником звука: при освобождении её конец начинает быстро колебаться, издавая звук.
Камертон — классический источник звука. Его зубья совершают быстрые колебания, создавая чередование сгущений и разрежений воздуха.
Натянутая струна, мембрана барабана, громкоговоритель, голосовые связки — все они работают по одному принципу: колебания → звуковая волна → слух.

Распространение продольных звуковых волн от камертона

Если поставить работающий камертон возле воды или лёгкого песка, можно увидеть образование волн на поверхности. Это означает, что камертон передает энергию колебаний среде.

В воздухе происходит чередование:

сгущений — участков повышенного давления,
разрежений — участков пониженного давления.

Эти зоны идут друг за другом, формируя звуковую волну.

Условия, необходимые для существования звука

Для того чтобы звук мог возникнуть, распространиться и быть воспринятым, необходимы пять условий:

Источник звука — тело, совершающее колебания.
Среда — воздух, вода или твёрдое тело. В вакууме звук не распространяется.
Слуховой аппарат (приёмник звука) — у человека это слуховые органы.
Частота в диапазоне 16–20 000 Гц, чтобы звук был слышимым.
Достаточная интенсивность — энергия звуковой волны должна быть выше порога слышимости.

Если хотя бы один из этих пунктов отсутствует — звука мы не услышим.

Характеристики звука

Чтобы различать звуки, человек использует три основных параметра: высоту, тембр и громкость. Эти характеристики связаны с физическими параметрами колебаний источника и звуковой волны, распространяющейся в среде.

1. Высота звука

Высота звука определяется частотой колебаний источника.
Частота — это число колебаний в секунду, измеряется в герцах (Гц).

Чем больше частота — тем звук выше.
Чем меньше частота — тем звук ниже.

Примеры:

100 Гц — низкий гул (например, звук большого барабана).
440 Гц — нота «ля», стандарт музыкальной настройки.
5000 Гц — высокий писк.

Почему частота влияет на высоту?

При высокой частоте частицы воздуха колеблются быстрее, что приводит к восприятию звука как более «тонкого» или «писклявого». При низкой частоте колебания медленнее — звук становится более «глубоким».

Границы слышимости:

Человек слышит от 16 Гц до 20 000 Гц.
Ниже — инфразвук, выше — ультразвук.

2. Тембр звука

Тембр — это качество звука, его «окраска», которая позволяет различать разные источники при одинаковой высоте и громкости.

Тембр возникает из-за того, что реальный источник звука редко колеблется строго синусоидально.
На практике каждый звук состоит из основного тона (главная частота) и гармоник — колебаний с частотами, кратными основной.

Почему так происходит?

Струна вибрирует не только целиком, но и отдельными участками.
Колеблющаяся пластина, труба, гусли, голосовые связки — у всех возникают дополнительные колебания.

Эти дополнительные колебания (гармоники) и формируют уникальный набор звуковых составляющих.

Примеры:

Нота «до», сыгранная на фортепиано, содержит целый набор гармоник, создающих «мягкий» звук.
Та же нота на скрипке — другой набор гармоник → звук более «яркий» и «резкий».

Тембр важен, потому что:

он позволяет нам определять голоса людей,
различать инструменты,
узнавать звуки природы.

3. Громкость звука

Громкость определяется амплитудой колебаний, то есть насколько сильно отклоняется источник звука и частицы среды.

Чем больше амплитуда — тем громче звук.
Чем меньше амплитуда — тем тише.

Почему амплитуда влияет на громкость?

Потому что амплитуда связана с энергией колебаний:

большая амплитуда → больше энергии → сильнее воздействие на слуховой аппарат → громче звук.

Как измеряется громкость?

Физическая величина — интенсивность звука (Вт/м²).
Для удобства введена шкала уровня громкости — децибелы (дБ).

Примеры уровней громкости:

0 дБ — порог слышимости
30 дБ — тихий шёпот
60 дБ — обычный разговор
90 дБ — громкая музыка
120 дБ — болевой порог

Вопросы для самопроверки

Что такое звук с точки зрения физики?
Почему звук не может распространяться в вакууме?
Что является источником звука? Приведите три примера.
Объясните, чем отличается высота звука от громкости.
Какие волны называются продольными?
Почему звуковые волны в воздухе относятся к продольным?
От чего зависит тембр звука?
Как влияeт амплитуда колебаний на громкость звука?
Перечислите условия, необходимые для существования звука.
Какой диапазон частот слышит человек?

Последнее изменение: Среда, 26 Ноябрь 2025, 01:12