О неслышимых звуках

Перед Куликовской битвой князь Димитрий Донской выехал на разведку и, приложив ухо к земле, услышал конский топот: приближалась вражеская конница. В этом случае звуковые волны распространялись в земле.

В различных веществах скорость распространения звуковых волн неодинакова.

В воздухе скорость звука сравнительно невелика и составляет при обычных условиях всего 332 метра в секунду. Если бы мы могли крикнуть так громко, чтобы звук долетел от Москвы до Ленинграда, то нас услышали бы там через полчаса.

В воде звук распространяется быстрее: за одну секунду он проходит приблизительно 1,5 километра. От Москвы до Ленинграда «водным путем» звук шел бы около 7 минут.

С еще большей скоростью распространяется звук в твердых телах. Например, в стальном стержне звук пробегает за 1 секунду около 5 километров, и расстояние между Москвой и Ленинградом по стальному рельсу он прошел бы приблизительно за 2 минуты.

В обыденной жизни мы различаем звуки в зависимости от их силы и тона.

Тон звука зависит от частоты, с которой колеблется звучащее тело. Чем больше частота, тем большее количество сжатий и разрежений возникает в звуковой волне за одну секунду и тем выше тон звука.

Частота колебаний измеряется единицей, называемой герцем. Один герц — это такая частота, когда в одну секунду совершается одно колебание. Тысяча герц называется килогерцем.

Скорость распространения для звуков различного тона одна и та же. Поэтому у звуков большей частоты соседние области сжатий или разрежений будут расположены ближе друг к другу, чем у звуков меньшей частоты.

Расстояние между двумя соседними областями сжатия воздуха или между двумя соседними областями разрежения называют длиной звуковой волны. Чем больше частота звука, тем короче длина волны (рис. 2).

Рис. 2. Распределение молекул воздуха в двух волнах разной частоты

Человеческое ухо очень чувствительно к тону звука. Одаренный музыкальным слухом человек может различить два звука, один с частотой 1 000, а другой — 1 003 колебания в секунду!

Однако два звука одного и того же тона все же могут восприниматься нами по-разному: про один из них мы скажем, что он сильнее, громче другого. Сила звука зависит при одной и той же частоте от размаха колебаний звучащего тела.

Звучащее тело, совершающее колебания с бóльшим размахом, будет вызывать бóльшие изменения давления воздуха, и звук будет сильнее. Чем больше изменения давления, тем больше сила звука (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость силы звука от размаха колеблющегося тела

В последние годы учеными созданы источники звука огромной силы, или, как чаще говорят, мощности.

Если мы попробуем превратить звуковую энергию в теплоту, то увидим, насколько мала энергия, излучаемая обычными источниками звука, по сравнению с энергией современных мощных генераторов звука. Действительно, для того чтобы нагреть до кипения стакан воды, превратив в теплоту энергию, затрачиваемую нами при разговоре, понадобилось бы, в зависимости от громкости голоса, говорить непрерывно от 75 до 2 тысяч лет. Если же использовать звуковую энергию, излучаемую современными мощными источниками звука, то потребуется всего около 7 минут.

Обычно силу звука мы оцениваем на слух, однако измерить ее таким образом нельзя, так как чувствительность уха имеет свои особенности. Именно эти особенности и объясняют, почему мы так долго не знали о существовании ультразвуков и в такой старой области знания, как акустика, могли сохраниться неизученными, подобно «белым пятнам» на географической карте, целые большие разделы.

Законы слышимости

Человеческое ухо по-разному воспринимает звуки различной частоты. Особенно велика чувствительность его к звукам, частоты которых лежат в интервале от 1 тысячи до 3 тысяч колебаний в секунду. В этой области мы воспринимаем даже такие звуковые волны, в которых изменение давления в тысячи раз меньше, чем изменение давления, испытываемое человеческой рукой, на которую сел комар. Еще немного, и мы воспринимали бы как звук те случайные увеличения плотности воздуха, которые возникают в результате беспорядочного движения его молекул. А так как такие уплотнения происходят непрерывно, то окружающий нас мир был бы в этом случае наполнен не прекращающимся ни на мгновение шумом.

Чувствительность уха характеризуют той наименьшей силой звука, которая необходима для того, чтобы звук был услышан, — это будет порог слышимости. Естественно, что чем выше чувствительность, тем ниже порог слышимости.

С уменьшением частоты звука уменьшается наша способность к его восприятию и соответственно возрастает порог слышимости.

Для того чтобы быть услышанным, звук очень низкого тона, частота которого 100 колебаний в секунду, должен быть сильнее, чем, например, звук с частотою 3 тысячи колебаний в секунду.

Звуковые же волны, колебания в которых происходят очень медленно, скажем меньше 16–20 раз в секунду, вовсе не будут восприниматься человеческим ухом. Это — неслышимые инфразвуковые волны.