Звук, в широкому сенсі — коливальний рух часток пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль в газоподібному, рідкому або твердому середовищах (див. також Пружні хвилі ) у вузькому сенсі, — явище, що суб'єктивно сприймається спеціальним органом чуття людини і тварин. Людина чує З. з частотою від 16 гц до 20 000 гц. Фізичне поняття о З. охоплює як чутні, так і нечутні звуки. З. з частотою нижче за 16 гц називається інфразвуком, вище за 20 000 гц — ультразвуком ; самі високочастотні пружні хвилі в діапазоні від 10 9 до 10 12 —10 13 гц відносять до гіперзвуку . Область інфразвукових частот знизу практично не обмежена — в природі зустрічаються інфразвукові коливання з частотою в десяті і соті долі гц. Частотний діапазон гіперзвукових хвиль зверху обмежується фізичними чинниками, що характеризують атомну і молекулярну будову середовища: довжина пружної хвилі має бути значно більше довжини вільного пробігу молекул в газах і більше міжатомних відстані в рідинах і в твердих тілах. Тому в повітрі не може поширюватися гіперзвук з частотою 10 9 гц і вище, а в твердих тілах — з частотою більш 1012—10 13 гц.
Основні характеристики звуку. Важливою характеристикою З. є його спектр, що отримується в результаті розкладання З. на прості гармонійні коливання (т.з. частотний звуку аналіз ). Спектр буває суцільним коли енергія звукових коливань безперервно розподілена в більш менш широкої області частот, і лінійчатий, коли є сукупність дискретних (переривчастих) частотних складових. З. з суцільним спектром сприймається як шум, наприклад шелест дерев під вітром, звуки працюючих механізмів. Лінійчатим спектром з кратними частотами володіють музичні З. ( мал. 1 ); основна частота визначає при цьому сприйману на слух висоту звуку, а набір гармонійних складових — тембр звуку. У спектрі З. мови є форманти — стійкі групи частотних складових, відповідні певним фонетичним елементам ( мал. 2 ). Енергетичною характеристикою звукових коливань є інтенсивність звуку — енергія, переносима звуковою хвилею через одиницю поверхні, перпендикулярну напряму поширення хвилі, в одиницю часу. Інтенсивність З. залежить від амплітуди звукового тиску, а також від властивостей самого середовища і від форми хвилі. Суб'єктивною характеристикою З., пов'язаною з його інтенсивністю, є гучність звуку, залежна від частоти. Найбільшою чутливістю людське вухо володіє в області частот 1—5 кгц. В цій області поріг чутності, тобто інтенсивність найслабкіших чутних звуків, по порядку величини рівна 10 -12 вм/м 2 , а відповідний звуковий тиск — 10 -5 н/м 2 . Верхній по інтенсивності кордон області сприйманих людським вухом З. характеризується порогом больового відчуття, слабо залежним від частоти в чутному діапазоні і рівним приблизно 1 вм/м 2 . В ультразвуковій техніці досягаються значно великі інтенсивності (до 10 4 квм/м 2 ).
Джерела звуку — будь-які явища, що викликають місцеву зміну тиску або механічну напругу. Широко поширені джерела З. у вигляді твердих тіл, що коливаються (наприклад, дифузори гучномовців і мембрани телефонів, струни і деки музичних інструментів; у ультразвуковому діапазоні частот — пластинки і стрижні з п'єзоелектричних матеріалів або магнітострикційних матеріалів ) . Джерелами З. можуть служити і коливання обмежених об'ємів самого середовища (наприклад, в органних трубах, духових музичних інструментах, свистках і т.п.). Складною коливальною системою є голосовий апарат людини і тварин. Збудження коливань джерел З. може вироблятися ударом або щипком (дзвони, струни); у них може підтримуватися режим автоколивань за рахунок, наприклад, потоку повітря (духові інструменти). Обширний клас джерел З. — електроакустичні перетворювачі, в яких механічні коливання створюються шляхом перетворення коливань електричного струму тієї ж частоти. У природі З. збуджується при обтіканні твердих тіл потоком повітря за рахунок освіти і відриву вихорів, наприклад при обдуванні вітром дротів, труб, гребенів морських хвиль. З. низьких і інфранізких частот виникає при вибухах, обвалах. Багатообразні джерела акустичних шумів, до яких відносяться вживані в техніці машини і механізми, газові і водяні струмені. Дослідженню джерел промислових, транспортних шумів і шумів аеродинамічного походження приділяється велика увага зважаючи на їх шкідливу дію на людський організм і технічне устаткування.
Приймачі звуку служать для сприйняття звукової енергії і перетворення її в ін. форми. До приймачів З. відноситься, зокрема, слуховий апарат людини і тварин. У техніці для прийому З. застосовуються головним чином електроакустичні перетворювачі: в повітрі — мікрофони, у воді — гідрофони і в земній корі — геофони . Поряд з такими перетворювачами, відтворюючими тимчасову залежність звукового сигналу, існують приймачі, вимірюючі усереднені за часом характеристики звукової хвилі, наприклад диск Релея, радіометр .
Поширення звукових хвиль характеризується в першу чергу швидкістю звуку . В газоподібних і рідких середовищах поширюються подовжні хвилі (напрям коливального руху часток збігається з напрямом поширення хвилі), швидкість яких визначається стисливістю середовища і її щільністю. Швидкість З. у сухому повітрі при температурі 0°С складає 330 м/сек, в прісній воді при 17°С — 1430 м/сек. В твердих тілах, окрім подовжніх, можуть поширюватися поперечні хвилі, з напрямом коливань, перпендикулярним поширенню хвилі, а також поверхневі хвилі (Релея хвилі ) . Для більшості металів швидкість подовжніх хвиль лежить в межах від 4000 м/сек до 7000 м/сек, а поперечних — від 2000 м/сек до 3500 м/сек.
При поширенні хвиль великої амплітуди (див. Нелінійна акустика ) фаза стискування поширюється з більшою швидкістю, чим фаза розрідження, завдяки чому синусоїдальна форма хвилі поступово спотворюється і звукова хвиля перетворюється на ударну хвилю . У ряді випадків спостерігається дисперсія звуку, тобто залежність швидкості поширення від частоти. Дисперсія З. приводить до зміни форми складних акустичних сигналів, що включають ряд гармонійних складових, зокрема — до спотворення звукових імпульсів . При поширенні звукових хвиль мають місце звичайні для всіх типів хвиль явища інтерференції і дифракції. У разі, коли розмір перешкод і неоднородностей в середовищі великий в порівнянні з довжиною хвилі, поширення звуку підкоряється звичайним законам віддзеркалення і заломлення хвиль і може розглядатися з позицій геометричної акустики .
При поширенні звукової хвилі в заданому напрямі відбувається поступове її загасання, тобто зменшення інтенсивності і амплітуди. Знання законів загасання практично важливе для визначення граничної дальності поширення звукового сигналу. Загасання обумовлюється рядом чинників, які виявляються в тій або іншій мірі залежно від характеристик самого звуку (і в першу чергу, його частоти) і від властивостей середовища. Всі ці чинники можна підрозділити на дві великі групи. У першу входять чинники, пов'язані із законами хвилевого поширення в середовищі. Так, при поширенні в необмеженому середовищі З. від джерела кінцевих розмірів інтенсивність його убуває обернено пропорційно до квадрата відстані. Неоднорідність властивостей середовища викликає розсіяння звукової хвилі по різних напрямах, що приводить до ослабіння її в первинному напрямі, наприклад розсіяння З. на бульбашках у воді, на схвильованій поверхні морить, в турбулентній атмосфері (див. Турбулентність ), розсіяння високочастотного ультразвука в полікристалічних металах, на дислокаціях в кристалах. На поширення З. у атмосфері і в морі впливає розподіл температури і тиску, сили і швидкості вітру. Ці чинники викликають викривлення звукових променів, тобто рефракцію З., яка пояснює, зокрема, той факт, що за вітром З. чутний далі, ніж проти вітру. Розподіл швидкості З. з глибиною в океані пояснює наявність т.з. підводного звукового каналу, в якому спостерігається наддалеке поширення З., наприклад З. вибуху поширюється в такому каналі на відстань більше 5000 км.
Друга група чинників, що визначають загасання З., пов'язана з фізичними процесами в речовині — необоротним переходом звукової енергії в ін. форми (головним чином в тепло), тобто з поглинанням звуку, обумовленим в'язкістю і теплопровідністю середовища («класичне поглинання»), а також переходом звукової енергії в енергію внутрішньомолекулярних процесів (молекулярне або релаксаційне поглинання). Поглинання З. помітно зростає з частотою. Тому високочастотний ультразвук і гіперзвук поширюються, як правило, лише на дуже малі відстані, часто всього на декілька див. В атмосфері, у водному середовищі і в земній корі найдалі поширюються інфразвукові хвилі, що відрізняються малим поглинанням і слабо розсіювані. На високих ультразвукових і гіперзвукових частотах в твердому телі виникає додаткове поглинання, обумовлене взаємодією хвилі з тепловими коливаннями кристалічної решітки, з електронами і зі світловими хвилями. Це взаємодія за певних умов може викликати і «негативне поглинання», тобто посилення звукової хвилі.
Значення звукових хвиль, а отже, і їх вивчення, яким займається акустика, надзвичайно велике. З давніх пір З. служить засобом зв'язку і сигналізації. Вивчення всіх його характеристик дозволяє розробити досконаліші системи передачі інформації, підвищити дальність систем сигналізації, створити досконаліші музичні інструменти. Звукові хвилі є практично єдиним виглядом сигналів, що поширюються у водному середовищі, де вони служать для цілей підводного зв'язку, навігації, локації (див. Гідроакустика ). Низькочастотний звук є інструментом дослідження земної кори. Практичне вживання ультразвука створило цілу галузь сучасної техніки — ультразвукову техніку. Ультразвук використовується як для контрольно-вимірювальних цілей (зокрема, в дефектоскопії ), так і для активної дії на речовину (ультразвукове очищення, механічна обробка, зварка і т.п.). Високочастотні звукові хвилі і особливо гіперзвук служать найважливішим засобом досліджень у фізиці твердого тіла.
Літ.: Стрет Д же. (лорд Релей), Теорія звуку, пер.(переведення) з англ.(англійський), 2 видавництва, т. 1—2, М., 1955; Красильников Ст А., Звукові і ультразвукові хвилі в повітрі, воді і твердих тілах, 3 видавництва, М., 1960; Розенберг Л. Д., Розповідь про нечутний звук, М., 1961.
