Физические параметры звука. Звуковые волны. Источники звука. Характеристики звука (Ерюткин Е. С.)

С помощью данного видеурока вы сможете изучить тему «Источники звука. Звуковые колебания. Высота, тембр, громкость». На этом занятии вы узнаете, что такое звук. Также мы рассмотрим диапазоны звуковых колебаний, воспринимаемые человеческим слухом. Определим, что может быть источником звука и какие необходимы условия для его возникновения. Также изучим такие характеристики звука, как высота, тембр и громкость.

Тема урока посвящена источникам звука, звуковым колебаниям. Поговорим мы и о характеристиках звука - высоте, громкости и тембре. Прежде чем говорить о звуке, о звуковых волнах, давайте вспомним, что механические волны распространяются в упругих средах. Часть продольных механических волн, которая воспринимается человеческими органами слуха, называется звуком, звуковыми волнами. Звук - это воспринимаемые человеческими органами слуха механические волны, которые вызывают звуковые ощущения .

Опыты показывают, что человеческое ухо, органы слуха человека воспринимают колебания частотами от 16 Гц до 20000 Гц. Именно этот диапазон мы и называем звуковым. Конечно, существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Но этот диапазон, эти разделы человеческим ухом не воспринимаются.

Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха

Как мы говорили, области инфразвука и ультразвука человеческими органами слуха не воспринимаются. Хотя могут восприниматься, например, некоторыми животными, насекомыми.

Что такое ? Источниками звука могут быть любые тела, которые совершают колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)

Рис. 2. Зажатая в тиски колеблющаяся линейка может быть источником звука

Обратимся к опыту и посмотрим, как образуется звуковая волна. Для этого нам потребуется металлическая линейка, которую мы зажмем в тиски. Теперь, воздействуя на линейку, мы сможем наблюдать колебания, но никакого звука не слышим. И тем не менее вокруг линейки создается механическая волна. Обратите внимание, когда линейка смещается в одну сторону, здесь образуется уплотнение воздуха. В другую сторону - тоже уплотнение. Между этими уплотнениями образуется разряжение воздуха. Продольная волна - это и есть звуковая волна, состоящая из уплотнений и разряжений воздуха . Частота колебаний линейки в данном случае меньше звуковой частоты, поэтому мы не слышим этой волны, этого звука. На основе опыта, который мы только что пронаблюдали, в конце XVIII века был создан прибор, который называется камертон.

Рис. 3. Распространение продольных звуковых волн от камертона

Как мы убедились, звук появляется в результате колебаний тела со звуковой частотой. Распространяются звуковые волны во все стороны. Между слуховым аппаратом человека и источником звуковых волн обязательно должна быть среда. Эта среда может газообразной быть, жидкой, твердой, но это обязательно должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звуковых волн должен обязательно происходить там, где есть вещество. Если вещества нет, никакого звука мы не услышим.

Для существования звука необходимы:

1. Источник звука

2. Среда

3. Слуховой аппарат

4. Частота 16-20000 Гц

5. Интенсивность

Теперь перейдем к обсуждению характеристик звука. Первая - это высота звука. Высота звука - характеристика, которая определяется частотой колебаний . Чем больше частота у тела, которое производит колебания, тем звук будет выше. Давайте вновь обратимся к линейке, зажатой в тиски. Как мы уже говорили, мы видели колебания, но не слышали звука. Если теперь длину линейки сделать меньше, то мы будем слышать звук, но увидеть колебания будет гораздо сложнее. Посмотрите на линейку. Если мы подействуем на нее сейчас, звука никакого мы не услышим, но зато наблюдаем колебания. Если укоротим линейку, мы услышим звук определенной высоты. Мы можем сделать длину линейки еще короче, тогда мы услышим звук еще большей высоты (частоты). То же самое мы можем пронаблюдать и с камертонами. Если мы возьмем большой камертон (он еще называется демонстрационный) и ударим по ножкам такого камертона, то можем пронаблюдать колебание, но звука не услышим. Если возьмем другой камертон, то, ударив по нему, услышим определенный звук. И следующий камертон, настоящий настроечный камертон, который используется для настройки музыкальных инструментов. Он издает звук, соответствующий ноте ля, или, как говорят еще, 440 Гц.

Следующая характеристика - тембр звука. Тембром называется окраска звука . Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр - это то, чем отличаются два одинаковых звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Вы все знаете, что нот у нас всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, взятую на скрипке и на фортепиано, то мы отличим их. Мы сразу сможем сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность - окраску звука - и характеризует тембр. Нужно сказать, что тембр зависит от того, какие воспроизводятся звуковые колебания, кроме основного тона. Дело в том, что произвольные звуковые колебания довольно сложные. Они состоят из набора отдельных колебаний, говорят спектра колебаний . Именно воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и характеризует красоту звучания того или иного голоса или инструмента. Тембр является одним из основных и ярких проявлений звука.

Еще одна характеристика - громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний . Давайте посмотрим и убедимся, что громкость связана с амплитудой колебаний. Итак, возьмем камертон. Сделаем следующее: если ударить по камертону слабо, то амплитуда колебаний будет небольшая и звук будет тихий. Если теперь по камертону ударить сильнее, то и звук гораздо громче. Это связано с тем, что амплитуда колебаний будет гораздо больше. Восприятие звука - вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат, каково самочувствие человека.

Список дополнительной литературы:

А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — C. 40-41. Кикоин А.К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. — 1985. — № 9. — С. 26-28. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. 3. - М., 1974.

Как уже упоминалось, поскольку высота звука является репрезентацией частоты звуковых колебаний, как правило, используются единицы измерения частоты - Герцы (Hz), где количество Герц, это количество колебаний в секунду:

Однако, используются и альтернативные системы измерения высоты звука, основанные на физиологическом (Барки) и психофизиологическом (Мелы) механизме его восприятия.

«Критические полосы» и Барки

Критическая полоса (ее также называют полосой равной разборчивости) - это минимальная полоса частот, которая возбуждает одну и ту же часть базилярной мембраны. В частотном промежутке от 0 до 16 кГц опытным путем были определены 24 критические полосы:

0-100 Гц,
100-200 Гц,
200-300 Гц,
300- 400 Гц,
400-510 Гц,
510-630 Гц,
630-770 Гц,
770-920 Гц,
920-1080 Гц,
1080- 1270 Гц,
1270-1480 Гц,
1480-1720 Гц,
1720-2000 Гц,
2000-2320 Гц,
2320- 2700 Гц,
2700-3150 Гц,
3150-3700 Гц,
3700-4400 Гц,
4400-5300 Гц,
5300- 6400 Гц,
6400-7700 Гц,
7700-9500 Гц,
9500-12 000 Гц
12 000-15 500 Гц

Звуковой сигнал в пределах одной и той же критической полосы как бы обобщается мозгом, создавая близкие слуховые ощущения. Если же звуковой сигнал переходит из одной критической полосы в другую, то слуховые ощущения в момент перехода заметно изменяются, потому что мозг анализирует информацию, полученную из разных критических полос, раздельно. Это не значит, что два тона, попавшие в одну критическую полосу, не различимы на слух, однако, слуховые ощущения внутри одной полосы очень близки, а в разных полосах - отличаются существенно. Участки базилярной мембраны, соответствующие критическим полосам, имеют приблизительно равную длину, которая составляет 1,2 мм на полосу.

Для удобства работы с критическими полосами существует специальная единица измерения частоты - Барк. В таблице приведены критические полосы и соответствующие им параметры:

Измерение субъективного ощущения высоты и Мелы

На этой шкале равное изменение частоты в Мелах соответствует равному изменению ощущения высоты тона. Уже привычная нам шкала частот с единицей измерения “герц” такого свойства не имеет. Например, изменения частоты от 500 до 1000 Гц и от 1000 до 2000 Гц воспринимаются на слух слушателем, как неравные. В то же самое время звуковой сигнал с частотой 1000 мел кажется слушателю ровно в два раза “выше”, чем сигнал с частотой 500 мел, и в два раза “ниже”, чем сигнал с частотой 2000 мел. (Закон Вебера-Фехнера):

Итак, частотные параметры звука могут измеряться в Герцах, Мелах и Барках.

Герц - это единица измерения, которой удобно пользоваться при проведении спектрального анализа.

Мел и Барк - это психофизиологические акустические единицы измерения высоты тона, используемые в психоакустике при оценке субъективной высотой тона.

Как видно из графика, шкалы барков и мелов приблизительно совпадают, хотя некоторые расхождения наблюдаются в области средних частот:

В музыке используются другие шкалы для оценки высоты тона - музыкальные: полутоны, тоны, октавы и другие музыкальные интервалы. Следует отметить, что связь с психофизической шкалой высоты тона, построенной для чистых тонов, неоднозначна. До частоты примерно 5000 Гц увеличение высоты тона на октаву связано с удвоением частоты. Например, переход от ноты ля первой октавы к ноте ля второй октавы соответствует увеличению частоты от 440 до 880 Гц. Но выше частоты 5000 Гц это соответствие нарушается - чтобы получить ощущение увеличения высоты на октаву, надо увеличить соотношение частот почти в 10 раз, что следует иметь в виду при создании компьютерных композиций. Это дало основание некоторым ученым предложить две размерности высоты тона: психофизическую в мелах, пропорциональную в некоторых пределах логарифму частоты, установленную для чистых тонов (pitch height) и музыкальную, соответствующую названию нот (pitch chroma), которая может быть определена примерно до 5000 Гц. Следует отметить, что даже музыканты с абсолютным музыкальным слухом затрудняются в определении нот для звуков с частотой выше 5000 Гц. Это говорит о том, что механизмы восприятия высоты тона до 5000 Гц и выше - различны. (И. Алдошина)

Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, интенсивность звука и другими. Но. кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это - громкость звука, высота тона и тембр.

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое ощущение. На рисунке 15.10 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости. Наибольшее расстояние между кривыми приходится на частоты, к которым ухо наиболее чувствительно (1000-5000 Гц). 

Если интенсивность звука - величина, объективно характеризующая волновой процесс, то субъективной характеристикой звука является громкость Громкость зависит от интенсивности звука, т.е. определяется квадратом амплитуды колебаний в звуковой волне и чувствительностью уха (физиологическими особенностями). Так как интенсивность звука \(~I \sim A^2,\) то чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Высота тона - качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон звука.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, с определенной частотой, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, звуки низкой частоты - как звуки низкого тона. Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Так, например, тон "ля" первой октавы соответствует частоте 440 Гц, тон "ля" второй октавы - частоте 880 Гц.

Музыкальным звукам соответствуют звуки, издаваемые гармонически колеблющимся телом.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте \(~\nu_0\) основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой \(~\nu_0\) называется первой гармоникой, обертон со следующей частотой \(~2 \nu_0\) - второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов - их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

При одной высоте тона звуки, издаваемые, например, скрипкой и пианино, отличаются тембром.

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Шумы - это звуки, образующие сплошной спектр, состоящий из набора частот, т.е. в шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 431-432.