Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЗВ)"

Звук

Звук, в широком смысле – колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах (см. также Упругие волны) в узком смысле – явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Человек слышит З. с частотой от 16 гц до 20 000 гц. Физическое понятие о З. охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. З. с частотой ниже 16 гц называется инфразвуком, выше 20 000 гц – ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹ до 10¹²—10¹³гц относят к гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена – в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли гц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами, характеризующими атомное и молекулярное строение среды: длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстоянии в жидкостях и в твёрдых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 10⁹гц и выше, а в твёрдых телах – с частотой более 1012—10¹³ гц.

  Основные характеристики звука. Важной характеристикой З. является его спектр, получаемый в результате разложения З. на простые гармонические колебания (т. н. частотный звука анализ). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. З. со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные З. (рис. 1); основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих – тембр звука. В спектре З. речи имеются форманты — устойчивые группы частотных составляющих, соответствующие определённым фонетическим элементам (рис. 2). Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука – энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность З. зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны. Субъективной характеристикой З., связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1—5 кгц. В этой области порог слышимости, т. е. интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна 10^-12вм/м², а соответствующее звуковое давление – 10^-5н/м². Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом З. характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вм/м². В ультразвуковой технике достигаются значительно большие интенсивности (до 10⁴ квм/м²).

  Источники звука – любые явления, вызывающие местное изменение давления или механическое напряжение. Широко распространены источники З. в виде колеблющихся твёрдых тел (например, диффузоры громкоговорителей и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов; в ультразвуковом диапазоне частот – пластинки и стержни из пьезоэлектрических материалов или магнитострикционных материалов). Источниками З. могут служить и колебания ограниченных объёмов самой среды (например, в органных трубах, духовых музыкальных инструментах, свистках и т.п.). Сложной колебательной системой является голосовой аппарат человека и животных. Возбуждение колебаний источников З. может производиться ударом или щипком (колокола, струны); в них может поддерживаться режим автоколебаний за счёт, например, потока воздуха (духовые инструменты). Обширный класс источников З. – электроакустические преобразователи, в которых механические колебания создаются путём преобразования колебаний электрического тока той же частоты. В природе З. возбуждается при обтекании твёрдых тел потоком воздуха за счёт образования и отрыва вихрей, например при обдувании ветром проводов, труб, гребней морских волн. З. низких и инфранизких частот возникает при взрывах, обвалах. Многообразны источники акустических шумов, к которым относятся применяемые в технике машины и механизмы, газовые и водяные струи. Исследованию источников промышленных, транспортных шумов и шумов аэродинамического происхождения уделяется большое внимание ввиду их вредного действия на человеческий организм и техническое оборудование.

  Приёмники звука служат для восприятия звуковой энергии и преобразования её в др. формы. К приёмникам З. относится, в частности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для приёма З. применяются главным образом электроакустические преобразователи: в воздухе – микрофоны, в воде – гидрофоны и в земной коре – геофоны. Наряду с такими преобразователями, воспроизводящими временную зависимость звукового сигнала, существуют приёмники, измеряющие усреднённые по времени характеристики звуковой волны, например диск Рэлея, радиометр.

  Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. В газообразных и жидких средах распространяются продольные волны (направление колебательного движения частиц совпадает с направлением распространения волны), скорость которых определяется сжимаемостью среды и её плотностью. Скорость З. в сухом воздухе при температуре 0°С составляет 330 м/сек, в пресной воде при 17°С – 1430 м/сек. В твёрдых телах, кроме продольных, могут распространяться поперечные волны, с направлением колебаний, перпендикулярным распространению волны, а также поверхностные волны (Рэлея волны). Для большинства металлов скорость продольных волн лежит в пределах от 4000 м/сек до 7000 м/сек, а поперечных – от 2000 м/сек до 3500 м/сек.

  При распространении волн большой амплитуды (см. Нелинейная акустика) фаза сжатия распространяется с большей скоростью, чем фаза разрежения, благодаря чему синусоидальная форма волны постепенно искажается и звуковая волна превращается в ударную волну. В ряде случаев наблюдается дисперсия звука, т. е. зависимость скорости распространения от частоты. Дисперсия З. приводит к изменению формы сложных акустических сигналов, включающих ряд гармонических составляющих, в частности – к искажению звуковых импульсов. При распространении звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции и дифракции. В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде велик по сравнению с длиной волны, распространение звука подчиняется обычным законам отражения и преломления волн и может рассматриваться с позиций геометрической акустики.

  При распространении звуковой волны в заданном направлении происходит постепенное её затухание, т. е. уменьшение интенсивности и амплитуды. Знание законов затухания практически важно для определения предельной дальности распространения звукового сигнала. Затухание обусловливается рядом факторов, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от характеристик самого звука (и в первую очередь, его частоты) и от свойств среды. Все эти факторы можно подразделить на две большие группы. В первую входят факторы, связанные с законами волнового распространения в среде. Так, при распространении в неограниченной среде З. от источника конечных размеров интенсивность его убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Неоднородность свойств среды вызывает рассеяние звуковой волны по различным направлениям, приводящее к ослаблению её в первоначальном направлении, например рассеяние З. на пузырьках в воде, на взволнованной поверхности моря, в турбулентной атмосфере (см. Турбулентность), рассеяние высокочастотного ультразвука в поликристаллических металлах, на дислокациях в кристаллах. На распространение З. в атмосфере и в море влияет распределение температуры и давления, силы и скорости ветра. Эти факторы вызывают искривление звуковых лучей, т. е. рефракцию З., которая объясняет, в частности, тот факт, что по ветру З. слышен дальше, чем против ветра. Распределение скорости З. с глубиной в океане объясняет наличие т. н. подводного звукового канала, в котором наблюдается сверхдальнее распространение З., например З. взрыва распространяется в таком канале на расстояние более 5000 км.

  Вторая группа факторов, определяющих затухание З., связана с физическими процессами в веществе – необратимым переходом звуковой энергии в др. формы (главным образом в тепло), т. е. с поглощением звука, обусловленным вязкостью и теплопроводностью среды («классическое поглощение»), а также переходом звуковой энергии в энергию внутримолекулярных процессов (молекулярное или релаксационное поглощение). Поглощение З. заметно возрастает с частотой. Поэтому высокочастотный ультразвук и гиперзвук распространяются, как правило, лишь на очень малые расстояния, часто всего на несколько см. В атмосфере, в водной среде и в земной коре дальше всего распространяются инфразвуковые волны, отличающиеся малым поглощением и слабо рассеиваемые. На высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах в твёрдом теле возникает дополнительное поглощение, обусловленное взаимодействием волны с тепловыми колебаниями кристаллической решётки, с электронами и со световыми волнами. Это взаимодействие при определённых условиях может вызвать и «отрицательное поглощение», т. е. усиление звуковой волны.

  Значение звуковых волн, а следовательно, и их изучение, которым занимается акустика, чрезвычайно велико. С давних пор З. служит средством связи и сигнализации. Изучение всех его характеристик позволяет разработать более совершенные системы передачи информации, повысить дальность систем сигнализации, создать более совершенные музыкальные инструменты. Звуковые волны являются практически единственным видом сигналов, распространяющихся в водной среде, где они служат для целей подводной связи, навигации, локации (см. Гидроакустика). Низкочастотный звук является инструментом исследования земной коры. Практическое применение ультразвука создало целую отрасль современной техники – ультразвуковую технику. Ультразвук используется как для контрольно-измерительных целей (в частности, в дефектоскопии), так и для активного воздействия на вещество (ультразвуковая очистка, механическая обработка, сварка и т.п.). Высокочастотные звуковые волны и особенно гиперзвук служат важнейшим средством исследований в физике твёрдого тела.

  Лит.: Стретт Д ж. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 1—2, М., 1955; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твёрдых телах, 3 изд., М., 1960; Розенберг Л. Д., Рассказ о неслышимом звуке, М., 1961.

  И. П. Голямина.

Рис. 1 (слева). Частотно-амплитудные спектры звуков музыкальных инструментов: а – скрипки (звук ля первой октавы, основная частота 426 гц); б – скрипки (звук ми второй октавы, основная частота 640 гц); в – деревянной флейты (звук ми второй октавы, основная частота 106 гц); г – тромбона (звук ми бемоль первой октавы, основная частота 306 гц).

Рис. 2 (справа). Частотно-амплитудные спектры гласных «о», «а», «и».

Звук музыкальный

Звук музыка'льный, может иметь высоту основного тона от до субконтроктавы до до – ре пятой октавы (от 16 до 4000—4500 гц). Громкость его не может превышать порога болевого ощущения. По длительности и по тембру З. м. очень разнообразны. З. м. организуются в музыкальную систему. Так, в каждой октаве обычно используются лишь 12 звуков, отстоящих на полутон друг от друга (см. Строй). Динамические оттенки подчинены шкале громкостей (пианиссимо, пиано, меццо-пиано, меццофорте, форте, фортиссимо и т.п.), не имеющей абсолютных значений (см. Динамика в музыке). В наиболее употребительной шкале длительностей соседние звуки находятся в отношении 1:2 (восьмые так относятся к четвертям, как четверти к половинам, и т.п., см. Ритмическое деление). Тембр звука, определяющийся главным образом присутствием в нём обертонов, зависит от его источника (голос, тот или иной инструмент и т.п.). В музыке применяются многообразные тембры и их сочетания (см. Инструментовка).

  Лит.: Музыкальная акустика, 2 изд., М., 1954; Мутли А. Ф., Звук и слух, в сборнике: Вопросы музыкознания, т. 3, М., 1960; Stumpf К., Tonpsychologie, Bd 1—2, Lpz., 1883—90; Handschin J., Der Toncharakter, Z.,[1948].

  Ю. Н. Рагс.

Звука анализ

Зву'ка ана'лиз, разложение сложного звукового процесса на ряд простых колебаний. Применяются 2 вида З. а.: частотный и временной.

  При частотном З. а. звуковой сигнал представляется суммой гармонических составляющих (см. Гармонические колебания), характеризующихся частотой, фазой и амплитудой. Частотный З. а. позволяет получить распределение амплитуд составляющих по частотам (рис.) – т. н. частотно-амплитудные спектры и реже – распределение фаз составляющих по частотам (фазо-частотные спектры). Зная спектр шума, например автомобиля, т. е. зная частоты и амплитуды его гармоник, можно рассчитать конструкцию глушителя. Знание спектров речевых и музыкальных сигналов позволяет правильно рассчитать частотную характеристику передающих трактов, чтобы обеспечить необходимое качество воспроизведения. Для расчёта усталостной прочности конструкции ракеты и предотвращения её разрушения под действием шумов двигателей необходимо знать спектр звука двигателя.

  При временном З. а. сигнал представляется суммой коротких импульсов, характеризующихся временем появления и амплитудой. Методы временного З. а. лежат в основе принципа действия гидролокаторов и эхолотов. Определение времени прихода импульсов позволяет судить об удалении цели или о глубине водоёма. По амплитуде отражённого сигнала можно судить о характере цели или дна. На практике часто возникает необходимость в характеристике, дающей общее представление об изменении сигнала во времени без его разложения на гармонические или импульсные составляющие. В качестве такой временной характеристики часто пользуются т. н. корреляционной функцией (см. Корреляция), которая определяется как среднее по времени результата перемножения анализируемого сигнала на его запаздывание (автокорреляция) либо на запаздывание второго анализируемого сигнала (взаимная корреляция). Методами корреляционного анализа решаются такие задачи, как предсказание характера изменения процесса во времени, выделение слабых акустических сигналов на фоне помех, измерение искажений вещательных сигналов при передаче через электроакустические системы и др. По корреляционным функциям могут быть найдены многие физические характеристики акустических процессов, систем и звуковых полей, представляющие практический интерес.

  Лит.: Блинова Л. П., Колесников А. Е., Ланганс Л. Б., Акустические измерения, М., 1971; Харкевич А. А., Спектры и анализ, 4 изд., М., 1962.

  Н. Н. Пucapeвскuй.

Форма колебаний и частотно-амплитудные спектры звуков рояля (частота 128 гц) и кларнета (275 гц).

Звуки речи

Зву'ки ре'чи, звуки, образуемые в целях языкового общения посредством произносительного аппарата человека (лёгкие, гортань с голосовыми связками, глотка, полость рта с языком, губы, нёбная занавеска, полость носа). При рассмотрении З. р. различают три аспекта: артикуляторный, акустический и лингвистический (социальный); иногда выделяют ещё и 4-й аспект – перцептивный (восприятие). Существует много классификаций З. р., основанных преимущественно на артикуляторных признаках.

  В З. р. представлены как тоны, так и шумы. Первые возникают в результате периодических колебаний источника звука (в речи – голосовых связок). Вторые образуются вследствие непериодических колебаний в выходящей из лёгких струе воздуха, встречающей в надгортанных полостях преграду в виде смычки или щели. К тонам относятся прежде всего гласные, к шумам – глухие согласные; звонкие согласные представляют собой сочетание тона и шума. Гласные обычно различаются по ряду и подъёму, согласные – по участию голоса, по характеру шумообразующей преграды и по действующему органу или месту образования.

  В акустическом отношении З. р., подобно др. звукам в природе, представляют собой колебания упругой среды, обладающие определённым спектром, интенсивностью и длительностью. Частотный диапазон З. р., учитывая не только основной тон, но и входящие в спектр З. р. высокочастотные составляющие, равен от 70 до 10 000—12 000 гц, что полностью укладывается в возможности слухового восприятия человека (16—20 000 гц). То же относится к интенсивности: нормальный уровень речи не превышает 80—90 дб, тогда как уровень болевого ощущения звука равен 120—130 дб.

  В современной фонетике (фонологии) общепризнана ведущая роль лингвистического аспекта, т.к. только с этой точки зрения можно говорить об отдельном З. р. Последний не дан в речи непосредственно, он определим только через фонему – как представитель или как реализация её.

  Лит.: Матусевич М. И., Введение в общую фонетику, М., 1959; 3индер Л. Р., Общая фонетика, Л., 1960; Сапожков М. А., Речевой сигнал в кибернетике и связи, М., 1963; Фант Г., Акустическая теория речеобразования, пер. с англ., М., 1964; Буланин Л, Л., Фонетика современного русского языка, М., 1970.

  Л. Р. Зиндер.

Звуковая колонка

Звукова'я коло'нка, групповой акустический излучатель в виде линейной (обычно вертикальной) цепочки из однотипных, синфазно включенных и установленных в общем кожухе громкоговорителей. Громкоговорители (обычно электродинамические) укрепляются на пластине с отверстиями (рис.) и подключаются через общий согласующий трансформатор и подводящие провода к усилителю мощности электрических колебаний звуковых частот или трансляционной сети. Пластина и кожух служат акустическим экраном; для устранения вредных вибраций стенки кожуха, как правило, демпфируют. З. к. выпускаются разной мощности —от 2 до 100 вт, число громкоговорителей —от 2 до 8. Т. к. размеры З. к. по высоте много больше поперечных размеров, диаграмма направленности излучения в вертикальной плоскости значительно острее, чем в горизонтальной у одиночного громкоговорителя. Такая характеристика направленности удобна при озвучении больших площадей и закрытых помещений (стадионы, конференц-залы). В последних она помогает снизить помехи из-за реверберации. В тех случаях, когда направленность излучения З. к. в вертикальной плоскости недостаточна, применяют составные З. к. Они составляются из синфазно включенных двух, трёх З. к., расположенных друг над другом.

  Лит.: Фурдуев В. В., Акустические основы вещания, М., 1960.

  Н. Т. Молодая, Л. З. Папернов.

Звуковая колонка типа 10 КЗ-1 со снятым кожухом (слева) и на треноге (справа).

Звуковая разведка

Звукова'я разве'дка, часть артиллерийской разведки. Ведётся в наземной артиллерии звукометрическими подразделениями, оснащенными специальными звукометрическими приборами, позволяющими определять координаты ненаблюдаемых стреляющих батарей противника (орудий, миномётов, пусковых установок реактивной артиллерии) по звуку их выстрелов, а при корректировании огня своей артиллерии определять места падения снарядов или мин по звуковым волнам, возникающим при разрывах снарядов. Приборы З. р. рассчитаны преимущественно на приём звуков выстрелов (разрывов); посторонние звуки, возникающие на поле боя, на работу приборов практически не влияют, если их источники находятся на расстоянии нескольких сот м от звуковых постов.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ЗВ)"