Если упругая волна достигает нашего уха, то колебание величины атмосферного давления прилегающего к уху воздуха может быть им воспринято. Но это возможно только в том случае, когда частота колебаний этих изменений не меньше 16 герц и не больше 16 тысяч герц. Упругие волны, частота которых находится в этих пределах, называют звуками. Их еще можно подразделить на два вида: музыкальные звуки и шумы.
Звук называют музыкальным, если изменение величины атмосферного давления, которое воспринимает ухо, повторяется регулярно, через равные промежутки времени. Но он перестает быть музыкальным и становится шумом в тех случаях, когда изменение давления происходит беспорядочно.
О том, что воздух может быть плотнее и реже, было известно задолго до Аристотеля. Но Аристотель, видимо, первый правильно объяснил сущность распространения звуков, полагая, что при этом в воздухе происходит периодическое сжатие и разрежение. Таким образом, природа звука была правильно понята очень давно. Но как протекает процесс сжатия и разрежения, вследствие чего увеличивается и уменьшается атмосферное давление в данном месте, было выяснено сравнительно недавно.
Первые опыты измерения скорости распространения звука в воздухе произвел в 1630 году французский физик Марен Мерсенн по совету одного из крупнейших философов того времени — Френсиса Бекона.
Измерив расстояние между двумя пунктами, Мерсенн определял время от момента, когда появлялась вспышка при выстреле из мушкета, до того момента, когда слышался звук.
Разделив измеренное расстояние на число секунд от момента появления вспышки до прихода звука, Мерсенн нашел скорость распространения звука в воздухе.
Но эти измерения были не очень точными. Тогда в 1738 году Парижская Академия наук решила предпринять точнейшие измерения скорости распространения звука в воздухе.
Грандиозные приготовления к опытам ученых Парижской Академии наук завершились в марте того же года. Вечером в Париже на Монмартре началась стрельба. Она продолжалась в течение часа. Стреляли попеременно из двух пушек. На возвышенности находились наблюдатели, вооруженные самыми лучшими хронометрами, по которым можно было определять промежутки, составляющие доли секунды.
Наблюдение за вспышкой в момент выстрела производили в подзорную трубу. Руководили измерениями доктора наук Лакайль и Кассини.
Опыты были проведены. Скорость звука подсчитана. Оказалось, что она составляет 337 метров в секунду.
Теперь посмотрим, как же ведут себя молекулы воздуха, в котором распространяется звук.
Вот в воздушном слое наступает сжатие. Расстояние между молекулами уменьшается. Это происходит до тех пор, пока силы отталкивания не окажутся равными силам, сближающим молекулы. В этот момент сжатие прекращается. И если бы равенство внешних сил и сил отталкивания сохранилось, то сохранилось бы среднее значение расстояния между молекулами. Но ведь они все время находятся в тепловом движении. После сжатия снова начинается разрежение, и, следовательно, среднее расстояние между молекулами начинает увеличиваться, так как действуют силы, которые отталкивают молекулы друг от друга. Увеличение расстояния происходит до тех пор, пока не прекратится разрежение. За ним вновь следует сжатие.
Молекулы, таким образом, кроме своего теплового движения, приобретают колебательное движение. Следовательно, к скорости теплового движения молекул прибавляется скорость движения колебательного. Колебательную скорость молекул называют акустической скоростью. Она, естественно, зависит от частоты колебаний и от величины взаимного смещения молекул, которое происходит при сжатии и разрежении.
Колебательное движение молекул воздуха происходит в направлении распространения упругой волны, вдоль волны; поэтому упругую волну в воздухе называют продольной.
Упругие волны несут с собой энергию, которую отдает источник в окружающую среду.
Впервые это выяснил русский ученый Николай Алексеевич Умов. Как известно из великого закона природы, сформулированного Ломоносовым, энергия не исчезает и не появляется, а переходит из одного вида в другой.
При механических движениях она переходит из кинетической в потенциальную и наоборот. Полная энергия колеблющегося тела, которая складывается из кинетической и потенциальной, остается в процессе колебаний постоянной по величине. Это, конечно, только теоретически. На практике все движения сопровождаются трением, и часть энергии расходуется на его преодоление.
При движении ножки камертона в одну сторону происходит сжатие воздуха, вследствие чего давление его увеличивается. Частички воздуха при этом приобретают дополнительную скорость, их кинетическая энергия возрастает.
Кроме этого, при движении частичек одного слоя они уходят от частичек другого слоя, лежащего за ними, и между слоями сжатия образуется разреженное пространство. Потенциальная энергия частичек определяется при этом их взаимным положением относительно друг друга. По мере удаления одного слоя от другого она возрастает.
Таким образом, мы обнаруживаем новое качество при распространении процесса колебаний многих частичек, между которыми имеются силы взаимного действия. Это новое качество состоит в том, что их кинетическая и потенциальная энергия возрастает одновременно.
До каких же пор происходит этот процесс возрастания кинетической и потенциальной энергии частичек?
Энергия растет до тех пор, пока в слое, где происходит сжатие, частички не сблизятся на расстояние, при котором силы отталкивания между ними не окажутся равными силам притяжения к частичкам соседнего слоя.
Кинетическая и потенциальная энергия частичек при этом имеет наибольшее значение. После этого процесс начинается в обратном направлении.
Особенно важно то, что если в данном месте кинетическая и потенциальная энергия частичек одновременно убывает, то в этот же самый момент рядом, в близлежащем слое, по направлению распространения волны, кинетическая и потенциальная энергия частичек возрастает.
Энергия частичек, таким образом, передается по направлению распространения волны от слоя к слою.
Этот процесс перетекания энергии от источника в окружающую его среду периодически повторяется и длится в течение всего времени колебания тела.
Поток энергии и служит мерой интенсивности звука, или, как говорят, мерой «силы» звука.
При этом оказалось, что «сила» звука пропорциональна квадрату звукового давления, то есть квадрату величины избыточного над атмосферным давления, которое образуется вследствие сжатия слоя.
Виды рупоров
Величина потока энергии от голоса человека очень мала. Представим себе, что одновременно говорят очень много людей, ну, скажем, сто тысяч человек. Все равно потока энергии звуковых волн их голосов, если ее превратить в электрическую, еле-еле хватило бы на то, чтобы зажечь лампочку карманного электрического фонаря.
От источника звук распространяется во все стороны, и величина потока энергии убывает с расстоянием, так как отдаваемая излучателем энергия в каждую секунду проходит через поверхность шара все увеличивающегося радиуса.
Но если поток энергии становится меньше, то уменьшается и «сила» звука. Поэтому звуки на больших расстояниях едва слышны.
Это обстоятельство заставило задуматься над тем, чтобы создать устройства, которые направляли бы поток звуковой энергии не во все стороны, а по возможности узким пучком.
Для этой цели можно использовать ладони наших рук.
Если, например, мы хотим кого-либо окликнуть, то подносим ладони ко рту и кричим. В дальнейшем ладони заменили трубой, которую называют рупором.
Рупор создает направленную звуковую волну, и поток-энергии становится более мощным.
Рупор, как описывают историки походов греческого полководца Александра Македонского, помогал ему командовать войсками во время сражений.
В наше время в радиовещании форма рупоров для громкоговорителей выбирается с таким расчетом, чтобы создавать звук необходимой силы по выбранному заранее направлению.
Точным расчетом при выборе формы занимается техническая акустика, и математическое описание рупора является не такой уж простой задачей.
Теперь попробуем уяснить, какие величины, характеризующие звук, определяют его восприятие, что мы, собственно говоря, слышим.
Понятие тона как характеристики звука ввел Галилео Галилей. Частота звуковых колебаний определяет тон звука. Если она мала — тон звука низкий. По мере увеличения частоты тон повышается.
