Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом. Диапазон звуковых частот лежит в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, а с частотой более 20 кГц - ультразвуком. Волны звукового диапазона могут распространяться не только в газе, но и в жидкости (продольные волны) и в твёрдом теле (продольные и поперечные волны). Однако волны в газообразной среде - среде нашего обитания - представляют особый интерес. Изучением звуковых явлений занимается раздел физики, который называют акустикой.
При распространении звука в газе атомы и молекулы колеблются вдоль направления распространения волны. Это приводит к изменениям локальной плотности и давления p. Звуковые волны в газе часто называют волнами плотности или волнами давления.
При восприятии различных звуков человеческое ухо оценивает их прежде всего по уровню громкости, зависящей от потока энергии или интенсивности звуковой волны. Воздействие звуковой волны на барабанную перепонку зависит от звукового давления, т.е. амплитуды p0 колебаний давления в волне. Человеческое ухо является совершенным созданием Природы, способным воспринимать звуки в огромном диапазоне интенсивностей: от слабого писка комара до грохота вулкана. Порог слышимости соответствует значению p0 порядка 10-10 атм., т.е. 10-5 Па. При таком слабом звуке молекулы воздуха колеблются в звуковой волне с амплитудой всего лишь 10-7 см! Болевой порог соответствует значению p0 порядка 10-4 атм. или 10 Па. Таким образом, человеческое ухо способно воспринимать волны, в которых звуковое давление изменяется в миллион раз. Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то диапазон интенсивностей оказывается порядка 10-12! Такой огромный диапазон человеческого уха эквивалентен использованию одного и того же прибора для измерения диаметра атома и размеров футбольного поля.
Ещё одной характеристикой звуковых волн, определяющей их слуховое восприятие, является высота звука. Колебания в гармонической звуковой волне воспринимаются человеческим ухом как музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, колебания низкой частоты - как звук низкого тона. Звуки, издаваемые музыкальными инструментами, а также звуки человеческого голоса могут сильно различаться по высоте тона и по диапазону частот. Так, например, диапазон наиболее низкого мужского голоса - баса - простирается приблизительно от 80 до 400 Гц, а диапазон высокого женского голоса - сопрано - от 250 до 1050 Гц.
Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Голос скрипки, например, перекрывает приблизительно три с половиной октавы (196-2340 Гц), а звуки пианино - семь с лишним октав (27.5 - 4186 Гц).
Резонаторы - усилители колебаний. Явление акустического резонанса заключается в том, что акустическая система приводится в колебание, когда невдалеке от неё звучит другая акустическая система с частотой колебаний, совпадающей с собственной частотой первой. В резонаторе возбуждаются колебания даже от сравнительно слабых звуковых волн, падающих на него.
Почему же резонатор увеличивает интенсивность доходящих до него колебаний? Ответов может быть два:
или резонатор собирает рассеянную в пространстве энергию,
или усиление происходит за счет уменьшения продолжительности колебаний.
Для анализа звука существенно то, что всякий раз, когда в анализируемом звуке содержится тон с частотой резонатора, резонатор начинает громко звучать в этом тоне.
Звуковые удары.
Ударные волны возникают при выстреле, взрыве, электрическом разряде и т.п. Основной особенностью ударной волны является резкий скачок давления на фронте волны. В момент прохождения ударной волны максимум давления в данной точке возникает практически мгновенно за время порядка 10-10 с. При этом одновременно скачком изменяются плотность и температура среды. Затем давление медленно падает. Мощность ударной волны зависит от силы взрыва. Скорость распространения ударных волн может быть больше скорости звука в данной среде. Если, например, ударная волна увеличивает давление в полтора раза, то при этом температура повышается на 35 0С и скорость распространения фронта такой волны примерно равна 400 м/с. Стены средней толщины, которые встречаются на пути такой ударной волны, будут разрушены.
Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Звуковые волны окружают человека, однако часто он просто не задумывается об их присутствии. Звуки можно слышать, но они не осязаемы. Громкие звуки отрицательно воздействуют на человека, создают шум. Неслышные звуки могут создавать ощущения, однако не воспринимаются сознанием человека.
Звук высокой плотности может стать осязаемым как некоторый предмет. Однако, законы распространения звуковых волн не дают представление о звуке как движущей силе. Что ощущается предметно: сам звук или вибрации окружающих объектов?
Звук - это вибрации, которые происходят в газе, жидкости, твердой среде. Звуковые волны распространяются от источника, который движется или меняет форму очень быстро с малой амплитудой. Например, удар колокола заставляет вибрировать колокол в воздухе. Колокол движется в одну сторону и толкает молекулы воздуха, заставляя их вытеснять и толкать другие молекулы, создавая область высокого давления. В области высокого давления образуется сжатый воздух. Когда колокол движется обратно, он тянет молекулы воздуха, создавая область низкого давления. В области низкого давления образуется разреженный воздух. Колокол повторяет вибрирующие движения, создавая повторяющиеся серии сжатия и разрежения. Амплитуда колебаний колокола определяет длину волны производимого звука.
Звуковая волна, как и все звуки, является продольной волной давления. В продольной волне движение каждой точки параллельно направлению распространения волны.
Волна может отражаться от поверхностей. Отсюда следует закон отражения, в котором говорится, что угол падения - угол между осью падающей волны и нормалью к поверхности - равен углу отражения - углу между осью отраженной волны и нормалью к поверхности. То есть звуковая волна отражается от поверхности под тем же углом, под которым падает на поверхность. Звуковые волны, падающие под углом 90 градусов будут отражаться обратно под тем же углом.
Когда звуковая волна отражается от поверхности, взаимодействие между её сгущениями и разрежениями создает помехи. Сжатия звуковой волны встречают сжатия отражённой волны.
Эффект как "акустический резонанс", то есть удар по всем частотам ОДНОВРЕМЕННО! Он бьёт не только по ногам и в задницу, "он толкает вас в живот, грудь, голову".
О явлении сложного спектрального состава. Да, центр удара лежит в промежутке между 80 и 120 Гц. Именно это придает звуку плотность или "твёрдость". Кроме того, присутствуют и другие частоты. Я говорю об атаке звука и согласованности частотных полос.
Другое дело, что диаметр напрямую влияет на масштаб события. 30 см шляпа создаст большее давление на тело и барабанные перепонки, чем 15 см. И это будет действительно удар в тело, а не только по ушам.
Предлагаю взглянуть на проблему в ином свете. Если воспринимать данное явление как резонанс частот, всего лишь нескольких частот, то модель всего этого может выглядеть так:
1) Возьмём 3 частоты - 20 Гц, 33 Гц, 50 Гц (с периодами соответственно 50 мс, 30 мс, 20 мс), которые звучат одновременно. Для резонанса необходимо, чтобы все 3 полуволны совпали по фазе. Для данных частот период резонанса будет 300 мс (около 3 Гц).
2) Аналогично для частот 20 Гц (50 мс) и 250 Гц (4 мс), период резонанса будет 100 мс (10 Гц).
3) Такие примеры можно приводить до бесконечности и получать разные частоты резонанса.
Вывод: мы получили довольно низкие частоты, которые не слышимы, но ощущаемы физически (особенно, если частота резонанса совпадёт с частотой сердца).
Здесь надо сделать важное замечание. Частоты 3 и 10 Гц будут ощущаться физически только при условии, что акустические давления частот 20, 33, 50 Гц (или 20 и 250 Гц) сопоставимы. Если акустические давления не сопоставимы - то резонанс физически не будет ощущаться, но будут просто слышимы звуковые частоты.
Безусловно, здесь играет роль и длина волны, переотражения, смены фаз, стоячие волны.
Аналогично и про историю - не обязательно высокое акустическое давление НЧ, главное резонанс получающихся волн с телом человека. Кто-то получит данный эффект при 120 дБ, кто-то при 40-ка - восприятие людей разные. Или в одной комнате это эффект есть, а в другой (с этим-же оборудованием) - получить нельзя.
Напоследок приведу интересный пример. При стрельбе из орудий желательно приоткрыть рот.
