Звук — коливальний рух частинок середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газі, рідині чи твердому тілі (фізичний зміст) або сприйняття звуку (біофізичний сенс). У вузькому значенні терміном звук визначають коливання, які сприймаються сенсорною системою тварин і людини. В цьому випадку маються на увазі збурення, що поширюються в повітрі. Органи слуху людини сприймають звуки у відносно вузькому частотному діапазоні. Слуховий апарат багатьох тварин сприймає звуки в значно ширшому інтервалі частот. В загальному випадку цим терміном визначається процес поширення збурень в різних за фізичними властивостями середовищах, в яких відновлювальною силою, що намагається повернути збурену частинку в положення рівноваги, є сила пружності. Хвильові збурення, що визначаються як звук, є об'єктивною реальністю і існують незалежно від сприйняття їх будь-якими живими істотами. Вивчення закономірностей генерації, поширення та сприйняття звуків в різних середовищах є приналежним до такої наукової дисципліни як акустика.
Більшість явищ у природі супроводжуються характерними звуками, які сприймаються та розпізнаються вухом людини і тварин і служать для орієнтування та спілкування. Специфіка сприйняття коливальних рухів частинок повітря слуховим апаратом людини зумовлює поділ звуків на приємні, гармонійні (звуки мови, музичні звуки, спів пташок, наприклад) та звуки зі специфічним спектральним наповненням, часто небажані та дратівні, які визначаються як шум.
Зміщення в просторі частинок середовища у звукових збуреннях характеризується такою величиною як амплітуда коливань. Для опису змін стану частинок середовища в часі використовується така характеристика як частота. Збурення, що сприймаються органами слуху людини та різних тварин це лише невелика частка збурень, що можуть існувати в навколишньому світі. Людське вухо може сприймати лише звуки в певних обмежених інтервалах частот та амплітуд. Для багатьох випадків практичного використання звуків велике значення мають звуки, в яких основна частина енергії зосереджена в області частот, що не сприймаються людським вухом. В зв'язку з цим окремо виділяють такі особливі типи збурень, як ультразвук та інфразвук.
У філософії, психології й екології засобів комунікації звук досліджується у зв'язку з його впливом на сприйняття й мислення (мова йде, наприклад, про акустичний простір як простір, створюваний впливом електронних засобів комунікації).
Поняття про звук Термін звук використовується для характеристики процесів поширення збурень в матеріальних середовищах, що мають пружні властивості. Прикладом таких середовищ є гази, рідини, тверді пружні тіла. В таких середовищах на будь-яку частинку, зміщену з положення рівноваги, діє сила пружності, яка намагається повернути її в вихідне положення. Характер руху частинок середовища при цьому може бути різним. При коротких збуреннях (постріл, плеск в долоні та ін.) здійснюють короткочасні рухи, після яких частинки повертаються до початкового рівноважного стану. При дії довготривалих, змінних у часі, збурень частинки середовища здійснюють коливальні рухи поблизу положення рівноваги.
Звукові хвилі при певних умовах можуть бути прикладом коливального процесу. Усяке коливання пов'язане з порушенням рівноважного стану системи й виражається у відхиленні її характеристик від рівноважних значень. При поширенні звукових хвиль в середовищі зазнають змін такі характеристики як густина,тиск, швидкість руху частинок, механічні (нормальні та дотичні) напруження, температура. Зміна положення частинок характеризується вектором швидкості, який є функцією координат і часу. Силові фактори взаємодії між частинками акустичного середовища в випадку рідин та газів характеризуються зміною величини тиску. Для пружних тіл силова взаємодія між частинками описується тензором напружень.
Якщо зробити різкий стиск пружного середовища в одному місці, наприклад, за допомогою поршня, то в цьому місці збільшиться тиск. Завдяки пружним зв'язкам між атомами та молекулами тиск передається на сусідні частинки, які, у свою чергу, впливають на наступні, і область підвищеного тиску немов переміщується в пружному середовищі. За областю підвищеного тиску слідує область зниженого тиску, і, таким чином, утвориться чергування областей стиску й розрідження, що поширюються в середовищі у вигляді хвилі. Кожна частка пружного середовища в цьому випадку здійснює коливальні рухи.
У рідких і газоподібних середовищах акустичні хвилі мають поздовжній характер, тобто напрямок коливання частинок збігається (або протилежний) з напрямком поширення хвилі. У твердих тілах, крім поздовжніх деформацій, виникають також пружні деформації зсуву, що зумовлює можливість існування хвиль з рухом частинок в напрямках, перпендикулярних до напрямку поширення хвилі. Такі хвилі називають поперечними.
Класифікація звуків Більшість звуків, які зустрічаються в природі складні, тобто є суперпозицією (сумою) хвиль різної частоти. Суперпозиція хвиль різної частоти надає чутному звуку забарвлення, яке називають тембром.
За частотними характеристиками акустичної хвилі розрізняють: простий тон — синусоїдні коливання ( послухати). Звукові коливання простого тону в достатньо хорошому наближенні випромінюють звукові генератори і камертон. складний тон гармонічний — визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та обертонів. Звуки такого спектрального складу дають музичні інструменти. Тембр звуку, тобто співвідношення обертонів та основного тону надає кожному музичному інструменту своє характерне звучання. негармонічний — приблизно визначеної звуковисотності, що складається з основного тону та негармонічних обертонів ( послухати). шум білий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються рівномірно по всьому діапазону ( послухати). кольоровий шум — хаотичні коливання, спектральні складові розміщуються нерівномірно по всьому діапазону, як правило з поступовим зменшенням інтенсивності від низьких до високих частот ( послухати).
Характеристики звуку При описі звукових полів використовують такі фізичні характеристики, як частота, довжина хвилі, амплітуда, швидкість звуку, тиск та швидкість частинок середовища. У зв'язку з особливістю руху частинок середовища при поширенні звукових хвиль цю швидкість називають коливальною швидкістю. Коли мова йде про сприйняття звуків людиною використовують так звані фізіологічні характеристики звуку: тембр, гучність, висота тону. Звичайно середньостатистична людина чує коливання, передані по повітрю, у діапазоні частот від 16—20 Гц до 15—20 кГц. Звук нижче діапазону чутності людини називають інфразвуком; вище: до 1 ГГц, — ультразвуком, від 1 ГГц — гіперзвуком. Представники тваринного світу здатні сприймати звуки в значно ширшому діапазоні частот. Кажани для орієнтації та знаходження здобичі використовують звуки в діапазоні 20-120 кГц. Дельфіни, наприклад, використовують для орієнтації та полювання звуки з частотою понад 100 кГцС. В. Рязанцев В мире запахов и звуков. Занимательная оториноларингология. — Изд-во «Тера-Книжный клуб», 1997, 432 с. Значно вищі 20 кГц частоти здатні сприймати і собаки.
Серед вловимих звуків варто особливо виділити фонетичні, мовні звуки й фонеми (з яких складається усне мовлення) і музичні звуки (з яких складається музика).
Розрізняють поздовжні й поперечні звукові хвилі залежно від співвідношення напрямку поширення хвилі й напрямки механічних коливань часток середовища поширення.
Фізичні параметри звуку В багатьох практично важливих випадках для вивчення процесів генерації, поширення звукових хвиль та їх взаємодії з перешкодами використовується модель ідеальної стисливої рідини (газу) або ідеального пружного тіла. В цьому випадку процес поширення хвиль описується силовими характеристиками (тиск або тензор напружень) та кінематичними характеристиками (вектор коливальної швидкості частинок середовища. Коливальна швидкість виміряється в м/с або см/с. Зміна температури в процесі адіабатичної деформації частинок середовища може бути обчислена додатково. Для врахування втрат енергії при деформації середовища слід використовувати моделі, що враховують в'язкість. При поширенні гармонічних хвиль в'язкі втрати часто враховуються введенням комплексних хвильових чисел чи комплексних модулів пружності.
В енергетичному відношенні реальні коливальні системи характеризуються зміною енергії внаслідок часткової її витрати на роботу проти сил тертя й випромінювання в навколишній простір. У пружному середовищі коливання поступово загасають. Для характеристики згасних коливань використовуються коефіцієнт загасання (S), логарифмічний декремент (D) і добротність (Q).
Коефіцієнт загасання відбиває швидкість спадання амплітуди із часом. Якщо позначити час, протягом якого амплітуда зменшується в е разів, через , то: . Зменшення амплітуди за один цикл характеризується логарифмічним декрементом. Логарифмічний декремент дорівнює відношенню періоду коливань до часу загасання :
Якщо на коливальну систему із втратами діяти періодичною силою, то виникають вимушені коливання, характер яких тією чи іншою мірою повторює зміни зовнішньої сили. Частота вимушених коливань не залежить від параметрів коливальної системи. Навпаки, амплітуда залежить від маси, механічного опору й гнучкості системи, якими визначаються її власні частоти. Таке явище, коли амплітуда коливальної швидкості досягає максимального значення, називається механічним резонансом. При цьому частота вимушених коливань збігається із частотою власних незатухаючих коливань механічної системи. Характерно, що максимальне відхилення частинок середовища від положення рівноваги досягається при дещо іншому значенні частоти зовнішньої сили. Різниця між цими характерними частотами визначається величиною демпфування в системі.
При частотах впливу, значно менших резонансної, зовнішня гармонійна сила врівноважується практично тільки силою пружності. При частотах порушення, близьких до резонансного, головну роль грають сили тертя. За умови, коли частота зовнішнього впливу значно більше резонансної, поводження коливальної системи залежить від сили інерції або маси.
Властивість середовища проводити акустичну енергію, у тому числі й ультразвукову, характеризується акустичним опором. Як характеристика середовища величина акустичного опору може бути визначена при аналізі поширення плоскої хвилі. В цьому випадку вводять для характеристики середовища поняття питомого акустичного опору. Його величина визначається відношенням ' амплітуди звукового тиску в середовищі до амплітуди коливальної швидкості його часток. Чисельно, питомий акустичний опір середовища (Z) дорівнює добутку густини () на швидкість (с) поширення звукових хвиль в ньому.
Питомий акустичний опір виміряється в паскаль-секунда на метр (Па•с/м) (система SI) або дин•с/см³ (СГС); 1 Па•с/м = 10−1 дин • с/см³.
Значення питомого акустичного опору середовища часто виражається в г/с•см², причому 1 г/с•см² = 1 дин•с/см³.
Звуковий або акустичний тиск у середовищі являє собою різницю між миттєвим значенням тиску в даній точці середовища при наявності звукових коливань і статичного тиску в тій же точці при їхній відсутності. Іншими словами, звуковий тиск є змінний тиск у середовищі, обумовлений акустичними коливаннями. Максимальне значення змінного акустичного тиску (амплітуда тиску) може бути розраховане через амплітуду коливання часток:
де Р — максимальний акустичний тиск (амплітуда тиску); ν — частота; с — швидкість поширення ультразвуку; — густина середовища; А — амплітуда коливання часток середовища. На відстані в половину довжини хвилі амплітудне значення тиску з позитивного стає негативним, тобто різниця тисків у двох точках, що стоять одна від одної на відстані поширення хвилі, дорівнює 2Р.