Физическая природа звука. Преобразование звука в электромагнитные колебания

Звук – колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн; человек воспринимает звук с частотой от 16 гц до 20 000 гц. Звук с частотой ниже 16 гц называется инфразвуком, выше 20 000 гц – ультразвуком.

Звуковые колебания распространяются в пространстве, называемом звуковым полем. В каждую точку звукового поля поступает множество звуковых волн, как прямых (от непосредственных источников звука), так и отраженных от различных предметов. Наложение волновых колебаний называется интерференцией, а способность звуковых волн огибать препятствия – дифракцией. За препятствием образуется акустическая тень.

Человек воспринимает звуковые колебания посредством слуховой системы: ушная раковина, подобно антенне, фокусирует и усиливает звуковой сигнал; среднее ухо выполняет функцию микрофона; внутреннее ухо – функцию слухового анализатора, а высшие отделы головного мозга напоминают преобразователь аналоговой информации в цифровую. Слуховое восприятие определяется восприятием громкости, высоты тона и тембра звука. Высота тона наиболее близко связана с частотой звука: чем больше частота, тем выше тон. Предельная громкость (интенсивность) звука может вызвать болевые ощущения, называемые болевым порогом. Минимальный порог слышимости находится на частотах 3 000-3 500 гц. Наибольший диапазон слышимости находится на средних частотах. Громкость звука связана с частотой, звуковым давлением и временем воздействия на слуховую систему. Тембр позволяет отличать звучание различных источников звука.

Для осуществления радиовещания необходимо преобразовать звуковые колебания в электрические сигналы, для этого применяются микрофоны. Первую удачную попытку создания «механического уха» осуществил немецкий учитель физики Иоганн Филипп Рейс (1834–1874) в 1861 г. роль барабанной перепонки выполнял кусок кожи с укрепленной посередине пластинкой, имеющей углубление, наполненное ртутью. Под влиянием звуковых волн «перепонка» начинала колебаться, погружая или извлекая платиновый штифт из ртути. В цепи создавался прерывистый ток, под действием которого стальной стержень приемника намагничивался или размагничивался, создавая звучание. Поскольку устройство Рейса неудовлетворительно передавало тембр звука, оно не нашло практического применения. Усовершенствовать аппарат удалось американскому профессору Дэвиду Юзу (1831–1990) в 1878 г. Мембрана в микрофоне Юза давила на угольный порошок, изменяя сопротивление между электродами, таким образом, звуковые волны преобразовывались в электрические сигналы. Угольные микрофоны до сих пор используются в телефонии.