II. 15. Що називається гучністю, висотою, тембром звуку?

Якщо інтенсивність звуку є величиною, що об'єктивно характеризує хвильовий процес, то суб'єктивною характеристикою звуку, пов'язаною з його інтенсивністю, є гучність звуку, що залежить від частоти. Відповідно до фізіологічного закону Вебера - Фехнера, з ростом інтенсивності звуку гучність зростає за логарифмічним законом. На цій підставі вводять об'єктивну оцінку гучності звуку за обмірюваним значенням його інтенсивності:

L = lg (I/I₀),

де I₀ – інтенсивність звуку на порозі чутності, прийнята для всіх звуків рівною 10^-12 Вт/м². Величина L називається рівнем інтенсивності звуку й виражається в белах (на честь винахідника телефону Белла). Звичайно користуються одиницями в 10 разів меншими - децибелами (дб).

Фізіологічною характеристикою звуку є рівень гучності, що виражається у фонах (фон). Гучність для звуку в 1000 Гц (частота стандартного чистого тону) дорівнює 1 фон, якщо його рівень інтенсивності дорівнює 1 дб. Наприклад, шум у вагоні метро при великій швидкості відповідає 90 фон, а шепіт на відстані 1 м - 20 фон.

Реальний звук є накладанням гармонійних коливань із великим набором частот, тобто звук має акустичний спектр, що може бути суцільним (у деякому інтервалі присутні коливання всіх частот) і лінійчатим (присутні коливання окремих одна від одної певних частот).

Звук характеризується, крім гучності, ще висотою й тембром. Висота звуку - якість звуку, обумовлена людиною суб'єктивно на слух і залежна від частоти звуку. З ростом частоти висота звуку збільшується, тобто звук стає «вище». Характер акустичного спектра й розподілу енергії між певними частотами визначає своєрідність звукового відчуття, називана тембром звуку. Так, різні співаки, що беруть ту саму ноту, мають різний акустичний спектр, тобто їхні голоси мають різний тембр.

II. 16. Як поширюється звукова хвиля? Швидкість поширення звуку в газі та її залежність від температури й густини газу.

Джерелом звуку може бути будь-яке тіло, що коливається в пружному середовищі зі звуковою частотою (наприклад, у струнних інструментах джерелом звуку є струна, з'єднана з корпусом інструмента).

Здійснюючи коливання, тіло викликає коливання прилягаючих до нього часток середовища з такою ж частотою. Стан коливального руху послідовно передається до усе більше віддаленим від тіла часткам середовища, тобто в середовищі поширюється хвиля із частотою коливань, рівній частоті її джерела, і з певною швидкістю, що залежить від густини й пружних властивостей середовища. Швидкість поширення звукових хвиль у газах обчислюється за формулою

(1.10)

де R – молярна газова стала, – молярна маса газу, γ = С_р/С_v – відношення молярних теплоємкостей газу при постійних тиску й об’ємі, Т – термодинамічна температура. З формули (1.10) випливає, що швидкість звуку в газі не залежить від тиску p газу, але зростає з підвищенням температури. Чим більше молярна маса газу, тим менше в ньому швидкість звуку. Наприклад, при Т = 273 К швидкість звуку в повітрі ( кг/моль) U= 331 м/с, у водні ( кг/моль) U= 1260 м/с.

Молярна маса дорівнює:

Де - кількість речовини, V – об’єм газу, - його густина.

тоді