Fysiske mængder. Teori om lyd og akustik i klart sprog

Fra fødsel til død er vi i et hav af lyde. I byen hører vi konstant lyde af biler i bevægelse, forbipasserendes samtaler og baggrundsstøj. Elektriske apparater fungerer derhjemme; vi tænder for fjernsyn, radioer og computere. Du lægger måske ikke mærke til disse lyde, lægger ikke mærke til dem, men de påvirker vores verdensbillede og velbefindende. Når vi, som det ser ud, er i stilhed, uden for byen, i naturen, eksisterer der stadig lyde omkring os. blade, summen af ​​insekter, susen fra fodtrin på græsset. Absolut stilhed på jorden i naturlige forhold eksisterer ikke.

Fra et fysiksynspunkt er lyd elastiske bølger, der forplanter sig i et medie og skaber mekaniske vibrationer. Hvad bestemmer tonehøjden af ​​lyd og vores andre fornemmelser?

Fra et fysiologisk synspunkt er lyd relateret til hørelse. Og det er direkte relateret til vores sanser.

Mediet til udbredelse af lydbølger kan være luft, vand, metal og andre stoffer.

Da lyd er, hvad den er, beskrives den af ​​de samme parametre som enhver bølge. Disse er frekvens, bølgelængde, amplitude, bølgevektor (retning), hastighed.

En person hører lyde i området fra 15 Hz til 20.000 Hz. Området under hørbarhedsniveauet kaldes infralyd, over niveauet og op til 1 GHz kaldes ultralyd. Over 1 GHz er hyperlyd.

Tonehøjde

Lydens tonehøjde er subjektiv følelse person. Ved gehør rangordner vi alle lyde på en skala fra lav til høj. Hvad afhænger lydens tonehøjde af? Hovedsageligt på lydbølgens frekvens. Men højdeopfattelsen er også påvirket af dens intensitet. Ved høj intensitet forekommer lyde lavere.

Enheden til måling af pitch er kridt. Kridterne er fordelt langs skalaen med intervaller, der af øret opfattes som lige store.

Forskere har opdaget, at hvis korte pulser afspilles med intervaller på 5 millisekunder, så vil de blive opfattet ved øret kontinuerligt.

Som enhver information fra vores sanser behandles lydinformation af hjernen. Lad os overveje, hvad lydens frekvens afhænger af. Den såkaldte Shepard-effekt er kendt. En skala, der skaber illusionen om en konstant stigende eller faldende tonehøjde, selvom intet i virkeligheden ændrer sig. Dette opnås ved at overlejre lydbølger i oktaver (flere frekvenser). Denne effekt blev intuitivt brugt af Bach, Ravel og Chopin.

Lydtoner

En kompleks tone er lyden af ​​flere frekvenser på én gang. En simpel tone kan frembringes ved hjælp af en lydsignalgenerator eller en stemmegaffel. Kompleks tone er skabt af musikinstrumenter og den menneskelige stemme. Spektret af en kompleks tone består af en grundfrekvens og mange ekstra harmoniske, kaldet overtoner. Hvad bestemmer tonehøjden af ​​en lyd og selve lyden? Det afhænger af den grundlæggende frekvens af tonen. Men intensiteten påvirker også opfattelsen af ​​tonehøjde. Jo højere intensiteten er, desto lavere vises lyden.

Lydstyrke

Lydstyrken af ​​en lyd karakteriserer niveauet af lydsensation. Hvad bestemmer lydstyrken og tonehøjden for en lyd? Opfattelsen af ​​lydstyrke er en subjektiv sansning og afhænger både af lydens intensitet og af alder, køn, etnicitet og lytteforhold. Fornemmelsen af ​​lydstyrke er beskrevet af Weber-Fechners psykofysiske lov. Ifølge denne lov, hvis lydintensiteten stiger med geometrisk progression, så er fornemmelsen af ​​lydstyrke aritmetisk. (Logaritmisk afhængighed). Hvad afhænger volumen af ​​og mange årsager. Tonehøjden af ​​lyden vises lavere, når lydstyrken øges. For en person virker lave og høje frekvenser altid roligere end mellemfrekvenser.

Lyd klang

Timbre bestemmes af overtoner (harmoniske af grundfrekvensen), der giver farve til spektret. De tilføjer følelsesmæssig farve til enhver lyd. Hvad bestemmer tonehøjden og klangen af ​​lyd? De afhænger af design og materialer musikinstrumenter, fra den menneskelige stemmes karakteristika. De talrige overtoner, der opstår, giver lyden unikhed.

Hver af de berømte Stradivarius violiner havde en unik klangfarve. Dette blev bestemt af formen på resonatoren, typen af ​​træ og endda belægningens lak.

Nogle mener, at menneskets særlige opfattelse af lyd bidrog til dets overlevelse i oldtiden. For at analysere ekstern støj var det nødvendigt at forstå, hvad lydens tonehøjde afhænger af, at isolere fra massen af ​​støj, lydfrekvenser lydene fra et krybende rovdyr eller at høre i tide, hvordan en naturkatastrofe nærmer sig.

Nu er det muligt at syntetisere alle lyde og behandle eksisterende lydoptagelser for at opnå den ønskede effekt. Men selv i lydoptagelsens tidlige dage blev der lavet lydkombinationer. Et eksempel på en sådan effekt er det berømte Tarzan-skrig, skabt kunstigt i 1932.

Arkitektonisk akustik

Hvad afhænger lydens tonehøjde af? Det afhænger selvfølgelig af det rum, hvor det forekommer.

De vidste om dette i oldtiden og byggede templer under hensyntagen til akustiske elementer, teoretisk grundlag som den efterfølgende blev udviklet til. Dette inkluderer den akustiske form af kupler og akustiske skaller.

18. februar 2016

Verden af ​​hjemmeunderholdning er ret varieret og kan omfatte: at se film på et godt hjemmebiografsystem; fascinerende og spændende spilproces eller lytte til musik. Som regel finder alle noget af deres eget i dette område, eller kombinerer alt på én gang. Men uanset en persons mål for at organisere sin fritid og hvilken ekstremhed de går til, er alle disse links fast forbundet med et enkelt og forståeligt ord - "lyd". Ja, i alle disse tilfælde vil vi blive ført ved hånden lydakkompagnement. Men dette spørgsmål er ikke så enkelt og trivielt, især i tilfælde, hvor der er et ønske om at opnå lyd af høj kvalitet i et rum eller andre forhold. For at gøre dette er det ikke altid nødvendigt at købe dyre hi-fi eller hi-end komponenter (selvom det vil være meget nyttigt), men et godt kendskab til fysisk teori er tilstrækkeligt, hvilket kan eliminere de fleste af de problemer, der opstår for enhver som sætter sig for at opnå stemmeskuespil af høj kvalitet.

Dernæst vil teorien om lyd og akustik blive betragtet ud fra et fysiksynspunkt. I dette tilfælde vil jeg forsøge at gøre dette så tilgængeligt som muligt for forståelsen af ​​enhver person, der måske langt fra kender fysiske love eller formler, men alligevel passioneret drømmer om at realisere drømmen om at skabe et perfekt akustisk system. Jeg formoder ikke at sige, at for at opnå gode resultater på dette område derhjemme (eller i en bil, for eksempel), skal du kende disse teorier grundigt, men at forstå det grundlæggende vil give dig mulighed for at undgå mange dumme og absurde fejltagelser , og vil også give dig mulighed for at opnå maksimal effekt lyd fra et system uanset niveau.

Generel teori om lyd og musikalsk terminologi

Hvad er det lyd? Det er den fornemmelse, som høreorganet opfatter "øre"(selve fænomenet eksisterer uden "ørets" deltagelse i processen, men dette er lettere at forstå), hvilket opstår, når trommehinden exciteres af en lydbølge. Øret fungerer i dette tilfælde som en "modtager" af lydbølger af forskellige frekvenser.
Lydbølge er i det væsentlige en sekventiel serie af komprimeringer og forarbejdning af mediet (oftest luftmediet i normale forhold) af forskellige frekvenser. Naturen af ​​lydbølger er oscillerende, forårsaget og produceret af vibrationer af enhver krop. Fremkomsten og udbredelsen af ​​en klassisk lydbølge er mulig i tre elastiske medier: gasformig, flydende og fast. Når en lydbølge opstår i en af ​​disse typer rum, sker der uundgåeligt nogle ændringer i selve mediet, for eksempel en ændring i lufttæthed eller tryk, bevægelse af luftmassepartikler osv.

Da en lydbølge har en oscillerende natur, har den en sådan karakteristik som frekvens. Frekvens målt i hertz (til ære for den tyske fysiker Heinrich Rudolf Hertz), og angiver antallet af svingninger over en tidsperiode svarende til et sekund. De der. f.eks. indikerer en frekvens på 20 Hz en cyklus på 20 svingninger på et sekund. Det subjektive begreb om dens højde afhænger også af lydens frekvens. Jo flere lydvibrationer der forekommer i sekundet, jo "højere" vises lyden. En lydbølge har også en anden vigtig egenskab, som har et navn - bølgelængde. Bølgelængde Det er sædvanligt at overveje den afstand, som en lyd af en bestemt frekvens tilbagelægger i en periode svarende til et sekund. For eksempel er bølgelængden af ​​den laveste lyd i det menneskelige hørbare område ved 20 Hz 16,5 meter, og bølgelængden af ​​den højeste lyd ved 20.000 Hz er 1,7 centimeter.

Det menneskelige øre er designet på en sådan måde, at det kun er i stand til at opfatte bølger i et begrænset område, ca. 20 Hz - 20.000 Hz (afhængigt af egenskaberne bestemt person, nogle er i stand til at høre lidt mere, nogle mindre). Det betyder således ikke, at lyde under eller over disse frekvenser ikke eksisterer, de opfattes simpelthen ikke af det menneskelige øre, og går ud over det hørbare område. Lyd over det hørbare område kaldes ultralyd, kaldes lyd under det hørbare område infralyd. Nogle dyr er i stand til at opfatte ultra- og infralyde, nogle bruger endda dette område til orientering i rummet ( flagermusene, delfiner). Hvis lyd passerer gennem et medie, der ikke er i direkte kontakt med det menneskelige høreorgan, kan en sådan lyd muligvis ikke høres eller blive meget svækket efterfølgende.

I den musikalske terminologi af lyd er der så vigtige betegnelser som oktav, tone og overtone af lyd. Oktav betyder et interval, hvor frekvensforholdet mellem lyde er 1 til 2. En oktav er normalt meget kendelig på gehør, mens lyde inden for dette interval kan ligne hinanden meget. En oktav kan også kaldes en lyd, der vibrerer dobbelt så meget som en anden lyd i samme tidsrum. For eksempel er frekvensen på 800 Hz ikke andet end en højere oktav på 400 Hz, og frekvensen på 400 Hz er igen den næste oktav af lyd med en frekvens på 200 Hz. Oktaven består til gengæld af toner og overtoner. Variable vibrationer i en harmonisk lydbølge af samme frekvens opfattes af det menneskelige øre som musikalsk tone. Højfrekvente vibrationer kan fortolkes som højfrekvente lyde, mens lavfrekvente vibrationer kan fortolkes som lavfrekvente lyde. Det menneskelige øre er i stand til klart at skelne lyde med en forskel på én tone (i området op til 4000 Hz). På trods af dette bruger musik et ekstremt lille antal toner. Dette forklares ud fra overvejelser om princippet om harmonisk konsonans; alt er baseret på princippet om oktaver.

Lad os overveje teorien om musikalske toner ved at bruge eksemplet med en streng strakt på en bestemt måde. En sådan streng vil, afhængigt af spændingskraften, blive "tunet" til en bestemt frekvens. Når denne streng udsættes for noget med en bestemt kraft, som får den til at vibrere, vil en bestemt tone af lyd blive observeret konsekvent, og vi vil høre den ønskede tuning frekvens. Denne lyd kaldes grundtonen. Frekvensen af ​​tonen "A" i den første oktav er officielt accepteret som grundtonen i det musikalske felt, svarende til 440 Hz. Men de fleste musikinstrumenter gengiver aldrig rene grundtoner alene; de ​​er uundgåeligt ledsaget af overtoner kaldet overtoner. Det er passende at huske her vigtig definition musikalsk akustik, begrebet klangfarve. Timbre- dette er en egenskab ved musikalske lyde, der giver musikinstrumenter og stemmer deres unikke, genkendelige specificitet af lyd, selv når man sammenligner lyde med samme tonehøjde og lydstyrke. Hvert musikinstruments klangfarve afhænger af fordelingen af ​​lydenergi mellem overtoner i det øjeblik, hvor lyden vises.

Overtoner danner en specifik farvning af grundtonen, hvorved vi nemt kan identificere og genkende et specifikt instrument, samt tydeligt skelne dets lyd fra et andet instrument. Der er to typer overtoner: harmoniske og ikke-harmoniske. Harmoniske overtoner per definition er multipla af grundfrekvensen. Tværtimod, hvis overtonerne ikke er multipla og mærkbart afviger fra værdierne, så kaldes de ikke-harmonisk. I musik er drift med flere overtoner praktisk talt udelukket, så udtrykket er reduceret til begrebet "overtone", der betyder harmonisk. For nogle instrumenter, såsom klaveret, når grundtonen ikke engang at dannes, i løbet af kort tid øges lydenergien i overtonerne og falder derefter lige så hurtigt. Mange instrumenter skaber, hvad man kalder en "overgangstone"-effekt, hvor energien af ​​visse overtoner er højest på et bestemt tidspunkt, normalt helt i begyndelsen, men derefter ændrer sig brat og går videre til andre overtoner. Frekvensområdet for hvert instrument kan betragtes separat og er normalt begrænset til de grundlæggende frekvenser, som det pågældende instrument er i stand til at producere.

I lydteori er der også et begreb som NOISE. Støj- dette er enhver lyd, der er skabt af en kombination af kilder, der er inkonsistente med hinanden. Alle er bekendt med lyden af ​​træblade, der svajer af vinden osv.

Hvad bestemmer lydstyrken? Det er indlysende lignende fænomen afhænger direkte af mængden af ​​energi, der overføres af lydbølgen. For at bestemme kvantitative indikatorer for lydstyrke er der et koncept - lydintensitet. Lydintensitet er defineret som strømmen af ​​energi, der passerer gennem et eller andet område af rummet (for eksempel cm2) pr. tidsenhed (for eksempel pr. sekund). Under normal samtale er intensiteten cirka 9 eller 10 W/cm2. Det menneskelige øre er i stand til at opfatte lyde over et ret bredt område af følsomhed, mens følsomheden af ​​frekvenser er heterogen inden for lydspektret. Så den bedste måde Det opfattede frekvensområde er 1000 Hz - 4000 Hz, som mest dækker menneskelig tale.

Fordi lyde varierer så meget i intensitet, er det mere bekvemt at tænke på det som en logaritmisk størrelse og måle det i decibel (efter den skotske videnskabsmand Alexander Graham Bell). Den nedre tærskel for hørefølsomhed i det menneskelige øre er 0 dB, den øvre er 120 dB, også kaldet "smertegrænsen". Øverste grænse Følsomhed opfattes heller ikke af det menneskelige øre på samme måde, men afhænger af en bestemt frekvens. Lavfrekvente lyde skal have meget større intensitet end højfrekvente lyde for at udløse smertetærsklen. Eksempelvis opstår smertetærsklen ved en lav frekvens på 31,5 Hz ved et lydintensitetsniveau på 135 dB, når smertefornemmelsen ved en frekvens på 2000 Hz vil vise sig ved 112 dB. Der er også begrebet lydtryk, som faktisk udvider den sædvanlige forklaring på udbredelsen af ​​en lydbølge i luften. Lydtryk- dette er et variabelt overtryk, der opstår i et elastisk medium som følge af passagen af ​​en lydbølge gennem det.

Bølgeart af lyd

For bedre at forstå systemet med lydbølgegenerering, forestil dig en klassisk højttaler placeret i et rør fyldt med luft. Hvis højttaleren laver svirp fremad, så komprimeres luften i umiddelbar nærhed af diffusoren et øjeblik. Luften vil derefter udvide sig og derved skubbe trykluftområdet langs røret.
Denne bølgebevægelse vil efterfølgende blive lyd, når den når høreorgan og "spænde" trommehinden. Når en lydbølge opstår i en gas, skabes overtryk og overskydende massefylde, og partikler bevæger sig med en konstant hastighed. Om lydbølger Det er vigtigt at huske på, at stoffet ikke bevæger sig sammen med lydbølgen, men kun en midlertidig forstyrrelse af luftmasserne opstår.

Hvis vi forestiller os et stempel ophængt i frit rum på en fjeder og laver gentagne bevægelser "frem og tilbage", så vil sådanne svingninger blive kaldt harmoniske eller sinusformede (hvis vi forestiller os bølgen som en graf, vil vi i dette tilfælde få en ren sinusformet med gentagne fald og stigninger). Hvis vi forestiller os en højttaler i et rør (som i eksemplet beskrevet ovenfor), udfører harmoniske vibrationer, så i det øjeblik højttaleren bevæger sig "fremad", opnås den allerede kendte effekt af luftkompression, og når højttaleren bevæger sig "bagud" omvendt effekt udledning. I dette tilfælde vil en bølge af vekslende kompression og sjældenhed forplante sig gennem røret. Afstanden langs røret mellem tilstødende maxima eller minima (faser) vil blive kaldt bølgelængde. Hvis partiklerne svinger parallelt med bølgens udbredelsesretning, kaldes bølgen langsgående. Hvis de svinger vinkelret på udbredelsesretningen, kaldes bølgen tværgående. Typisk er lydbølger i gasser og væsker langsgående, men i faste stoffer kan der forekomme bølger af begge typer. Tværbølger i faste stoffer opstår på grund af modstand mod ændring i form. Den største forskel mellem disse to typer bølger er det tværgående bølge har egenskaben polarisering (svingninger forekommer i et bestemt plan), men det i længderetningen gør det ikke.

Lydhastighed

Lydens hastighed afhænger direkte af egenskaberne af det medie, hvori den forplanter sig. Det bestemmes (afhængigt) af to egenskaber af mediet: elasticitet og tæthed af materialet. Lydens hastighed i faste stoffer afhænger direkte af typen af ​​materiale og dets egenskaber. Hastighed i gasformige medier afhænger kun af én type deformation af mediet: kompression-sjældenhed. Ændringen i tryk i en lydbølge sker uden varmeudveksling med omgivende partikler og kaldes adiabatisk.
Lydens hastighed i en gas afhænger hovedsageligt af temperaturen - den stiger med stigende temperatur og falder med faldende temperatur. Lydens hastighed i et gasformigt medium afhænger også af størrelsen og massen af ​​selve gasmolekylerne - jo mindre massen og størrelsen af ​​partiklerne er, jo større er bølgens "ledningsevne" og følgelig jo større hastighed.

I flydende og faste medier ligner princippet om udbredelse og lydens hastighed, hvordan en bølge forplanter sig i luft: ved kompression-udladning. Men i disse miljøer er det, ud over den samme afhængighed af temperatur, tilstrækkeligt vigtig har mediets densitet og dets sammensætning/struktur. Jo lavere densiteten af ​​stoffet er, jo højere lydhastighed og omvendt. Afhængigheden af ​​miljøets sammensætning er mere kompleks og bestemmes i hver konkret tilfælde under hensyntagen til molekylers/atomers placering og interaktion.

Lydens hastighed i luft ved t, °C 20: 343 m/s
Lydens hastighed i destilleret vand ved t, °C 20: 1481 m/s
Lydhastighed i stål ved t, °C 20: 5000 m/s

Stående bølger og interferens

Når en højttaler skaber lydbølger i et begrænset rum, opstår effekten af ​​bølger, der reflekteres fra grænserne, uundgåeligt. Som et resultat sker dette oftest interferenseffekt- når to eller flere lydbølger overlapper hinanden. Særlige tilfælde interferensfænomener er dannelsen af: 1) Bankende bølger eller 2) Stående bølger. Bølgeslag- dette er tilfældet, når tilføjelsen af ​​bølger med lignende frekvenser og amplituder forekommer. Billedet af forekomsten af ​​slag: når to bølger med lignende frekvenser overlapper hinanden. På et tidspunkt, med en sådan overlapning, kan amplitudetoppene falde sammen "i fase", og faldene kan også falde sammen i "modfase". Sådan karakteriseres lydbeats. Det er vigtigt at huske, at i modsætning til stående bølger forekommer fasesammenfald af toppe ikke konstant, men med bestemte tidsintervaller. For øret skelnes dette mønster af beats ganske tydeligt og høres som henholdsvis en periodisk stigning og fald i volumen. Mekanismen, hvorved denne effekt opstår, er ekstremt enkel: når toppene falder sammen, øges volumen, og når dalene falder sammen, falder volumen.

Stående bølger opstår i tilfælde af overlejring af to bølger med samme amplitude, fase og frekvens, når når sådanne bølger "mødes" den ene bevæger sig i en ret linje, og den anden bevæger sig i en lige linje omvendt retning. I rummet (hvor den stående bølge blev dannet) vises et billede af superpositionen af ​​to frekvensamplituder med skiftende maksima (de såkaldte antinoder) og minima (de såkaldte noder). Når dette fænomen opstår, er frekvensen, fasen og dæmpningskoefficienten for bølgen på reflektionsstedet ekstremt vigtige. I modsætning til vandrende bølger er der ingen energioverførsel i en stående bølge på grund af det faktum, at de fremadgående og bagudgående bølger, der danner denne bølge, overfører energi i lige store mængder i både fremad og modsat retning. For klart at forstå forekomsten af ​​en stående bølge, lad os forestille os et eksempel fra hjemmeakustik. Lad os sige, at vi har gulvstående højttalersystemer i et begrænset rum (rum). At få dem til at spille en sang med stort beløb bas, lad os prøve at ændre placeringen af ​​lytteren i rummet. Således vil en lytter, der befinder sig i zonen med minimum (subtraktion) af en stående bølge, mærke effekten af, at der er meget lidt bas, og hvis lytteren befinder sig i en zone med maksimum (tilsætning) af frekvenser, så er det modsatte effekt af en signifikant stigning i basområdet opnås. I dette tilfælde observeres effekten i alle oktaver af basisfrekvensen. For eksempel, hvis basisfrekvensen er 440 Hz, så vil fænomenet "addition" eller "subtraktion" også blive observeret ved frekvenser på 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz osv.

Resonans fænomen

De fleste faste stoffer har en naturlig resonansfrekvens. Det er ret nemt at forstå denne effekt ved at bruge eksemplet med et almindeligt rør, der kun er åbent i den ene ende. Lad os forestille os en situation, hvor en højttaler er forbundet til den anden ende af røret, som kan afspille én konstant frekvens, som også kan ændres senere. Så røret har sin egen resonansfrekvens, i enkle vendinger - dette er den frekvens, hvorved røret "resonerer" eller laver sin egen lyd. Hvis højttalerens frekvens (som følge af justering) falder sammen med rørets resonansfrekvens, vil effekten af ​​at øge lydstyrken flere gange forekomme. Dette sker, fordi højttaleren exciterer vibrationer af luftsøjlen i røret med en betydelig amplitude, indtil den samme "resonansfrekvens" er fundet, og additionseffekten opstår. Det resulterende fænomen kan beskrives som følger: Piben i dette eksempel "hjælper" højttaleren ved at give genlyd ved en bestemt frekvens, deres indsats går sammen og "resulterer" i en hørbar høj effekt. Ved at bruge eksemplet med musikinstrumenter kan dette fænomen let ses, da designet af de fleste instrumenter indeholder elementer kaldet resonatorer. Det er ikke svært at gætte, hvad der tjener formålet med at forstærke en bestemt frekvens eller musikalsk tone. For eksempel: en guitarkrop med en resonator i form af et hul, der passer til volumen; Udformningen af ​​fløjterøret (og alle rør generelt); Den cylindriske form af tromlelegemet, som i sig selv er en resonator af en bestemt frekvens.

Frekvensspektrum for lyd og frekvensrespons

Da der i praksis praktisk talt ikke er nogen bølger med samme frekvens, bliver det nødvendigt at dekomponere hele lydspektret af det hørbare område i overtoner eller harmoniske. Til disse formål er der grafer, der viser afhængigheden af ​​den relative energi af lydvibrationer af frekvensen. Denne graf kaldes en lydfrekvensspektrumgraf. Lydens frekvensspektrum Der er to typer: diskret og kontinuerlig. Et diskret spektrumplot viser individuelle frekvenser adskilt af tomme mellemrum. I et kontinuerligt spektrum er alt til stede på én gang lydfrekvenser.
Ved musik eller akustik bruges oftest den sædvanlige graf Amplitude-frekvenskarakteristika(forkortet "AFC"). Denne graf viser afhængigheden af ​​amplituden af ​​lydvibrationer af frekvens gennem hele frekvensspektret (20 Hz - 20 kHz). Ser man på sådan en graf er det let at forstå, for eksempel stærk eller svage sider en specifik højttaler eller et akustisk system som helhed, de stærkeste områder med energiudgang, frekvensfald og stigninger, dæmpning og spore også stejlheden af ​​faldet.

Udbredelse af lydbølger, fase og modfase

Processen med udbredelse af lydbølger sker i alle retninger fra kilden. Det enkleste eksempel at forstå dette fænomen: en sten kastet i vandet.
Fra det sted, hvor stenen faldt, begynder bølger at sprede sig over vandoverfladen i alle retninger. Lad os dog forestille os en situation med en højttaler i en bestemt lydstyrke, f.eks. en lukket boks, som er forbundet til en forstærker og afspiller en form for musikalsk signal. Det er let at bemærke (især hvis du anvender et kraftigt lavfrekvent signal, f.eks. en stortromme), at højttaleren laver en hurtig bevægelse "fremad", og derefter den samme hurtige bevægelse "bagud". Det, der mangler at blive forstået, er, at når højttaleren bevæger sig fremad, udsender den en lydbølge, som vi hører senere. Men hvad sker der, når højttaleren bevæger sig baglæns? Og paradoksalt nok sker det samme, højttaleren laver den samme lyd, kun i vores eksempel forplanter den sig helt inden for boksens volumen, uden at gå ud over dens grænser (boksen er lukket). Generelt kan man i ovenstående eksempel observere en hel del interessante fysiske fænomener, hvoraf det vigtigste er begrebet fase.

Lydbølgen, som højttaleren, der er i lydstyrken, udsender i retning af lytteren, er "i fase". Den omvendte bølge, som går ind i boksens volumen, vil være tilsvarende modfase. Det er kun tilbage at forstå, hvad disse begreber betyder? Signalfase– dette er lydtrykniveauet på det aktuelle tidspunkt på et tidspunkt i rummet. Den nemmeste måde at forstå fasen på er ved eksemplet med gengivelse af musikmateriale med et traditionelt gulvstående stereopar hjemmehøjttalersystemer. Lad os forestille os, at to sådanne gulvhøjttalere er installeret i et bestemt rum og spiller. I dette tilfælde gengiver begge akustiske systemer et synkront signal med variabelt lydtryk, og lydtrykket fra den ene højttaler lægges til lydtrykket fra den anden højttaler. En lignende effekt opstår på grund af synkroniciteten af ​​signalgengivelsen fra henholdsvis venstre og højre højttaler, med andre ord falder toppene og dalene af bølgerne udsendt af venstre og højre højttalere sammen.

Lad os nu forestille os, at lydtrykkene stadig ændrer sig på samme måde (ikke har gennemgået ændringer), men først nu er de modsatte af hinanden. Dette kan ske, hvis du tilslutter et højttalersystem ud af to i omvendt polaritet ("+"-kabel fra forstærkeren til "-"-terminalen på højttalersystemet, og "-"-kabel fra forstærkeren til "+"-terminalen på højttalersystem). I dette tilfælde vil det modsatte signal forårsage en trykforskel, som kan repræsenteres i tal som følger: den venstre højttaler vil skabe et tryk på "1 Pa", og den højre højttaler vil skabe et tryk på "minus 1 Pa". Som følge heraf vil den samlede lydstyrke på lytterens placering være nul. Dette fænomen kaldes antifase. Hvis vi ser på eksemplet mere detaljeret for at forstå, viser det sig, at to højttalere, der spiller "i fase", skaber identiske områder med luftkomprimering og sjældenhed og derved faktisk hjælper hinanden. I tilfælde af en idealiseret modfase vil området med komprimeret luftrum skabt af en højttaler blive ledsaget af et område med sjældent luftrum skabt af den anden højttaler. Dette ligner omtrent fænomenet med gensidig synkron annullering af bølger. Sandt nok falder lydstyrken i praksis ikke til nul, og vi vil høre en stærkt forvrænget og svækket lyd.

Den mest tilgængelige måde at beskrive dette fænomen på er som følger: to signaler med samme oscillationer (frekvens), men forskudt i tid. I lyset af dette er det mere bekvemt at forestille sig disse forskydningsfænomener ved at bruge eksemplet med et almindeligt rundtur. Lad os forestille os, at der hænger flere ens runde ure på væggen. Når sekundviserne på dette ur kører synkront, på det ene ur 30 sekunder og på det andet 30 sekunder, så er dette et eksempel på et signal, der er i fase. Hvis sekundviserne bevæger sig med et skift, men hastigheden stadig er den samme, for eksempel på et ur er det 30 sekunder, og på et andet er det 24 sekunder, så er dette et klassisk eksempel på et faseskift. På samme måde måles fase i grader inden for en virtuel cirkel. I dette tilfælde, når signalerne forskydes i forhold til hinanden med 180 grader (en halv periode), opnås klassisk antifase. Ofte forekommer der i praksis mindre faseforskydninger, som også kan bestemmes i grader og med succes elimineres.

Bølger er plane og sfæriske. En plan bølgefront udbreder sig kun i én retning og er sjældent stødt på i praksis. En sfærisk bølgefront er en simpel type bølge, der stammer fra et enkelt punkt og bevæger sig i alle retninger. Lydbølger har egenskaben diffraktion, dvs. evne til at gå uden om forhindringer og genstande. Graden af ​​bøjning afhænger af forholdet mellem lydbølgelængden og størrelsen af ​​forhindringen eller hullet. Diffraktion opstår også, når der er en forhindring i lydens vej. I dette tilfælde er to scenarier mulige: 1) Hvis størrelsen af ​​forhindringen er meget større end bølgelængden, så reflekteres eller absorberes lyden (afhængigt af materialets absorptionsgrad, tykkelsen af ​​forhindringen osv.). ), og der dannes en "akustisk skygge"-zone bag forhindringen. . 2) Hvis størrelsen af ​​forhindringen er sammenlignelig med bølgelængden eller endda mindre end den, så diffrakterer lyden til en vis grad i alle retninger. Hvis en lydbølge, når den bevæger sig i et medie, rammer grænsefladen med et andet medie (f.eks luftmiljø med et fast medium), så kan tre scenarier opstå: 1) bølgen vil blive reflekteret fra grænsefladen 2) bølgen kan passere ind i et andet medie uden at ændre retning 3) bølgen kan passere ind i et andet medie med en retningsændring ved grænse, dette kaldes "bølgebrydning" ".

Forholdet mellem en lydbølges overtryk og den oscillerende volumetriske hastighed kaldes bølgemodstand. Taler med enkle ord, mediets bølgeimpedans kan kaldes evnen til at absorbere lydbølger eller "modstå" dem. Refleksions- og transmissionskoefficienterne afhænger direkte af forholdet mellem bølgeimpedanserne for de to medier. Bølgemodstand i et gasformigt medium er meget lavere end i vand eller faste stoffer. Derfor, hvis en lydbølge i luft rammer en fast genstand eller overfladen af ​​dybt vand, reflekteres lyden enten fra overfladen eller absorberes i høj grad. Dette afhænger af tykkelsen af ​​overfladen (vand eller fast), som den ønskede lydbølge falder på. Med lav tykkelse af fast eller flydende medium, lydbølger "passerer næsten fuldstændigt", og omvendt, med en stor tykkelse af mediet, reflekteres bølgerne oftere. I tilfælde af refleksion af lydbølger sker denne proces i henhold til en velkendt fysisk lov: "Indfaldsvinkel lig med vinkel reflektion". I dette tilfælde, når en bølge fra et medium med en lavere tæthed rammer grænsen til et medium med højere tæthed, opstår fænomenet brydning. Det består i bøjningen (brydningen) af en lydbølge efter at have "mødet" en forhindring og er nødvendigvis ledsaget af en hastighedsændring. Brydning afhænger også af temperaturen på mediet, hvori refleksionen opstår.

I processen med udbredelse af lydbølger i rummet falder deres intensitet uundgåeligt; vi kan sige, at bølgerne dæmpes og lyden svækkes. I praksis møde lignende effekt ganske enkelt: for eksempel hvis to personer står på en mark i en vis afstand (en meter eller nærmere) og begynder at sige noget til hinanden. Hvis du efterfølgende øger afstanden mellem personer (hvis de begynder at bevæge sig væk fra hinanden), vil det samme niveau af samtalelydstyrke blive mindre og mindre hørbart. Dette eksempel viser tydeligt fænomenet med et fald i intensiteten af ​​lydbølger. Hvorfor sker dette? Årsagen til dette forskellige processer varmeoverførsel, molekylær interaktion og intern friktion af lydbølger. Oftest bliver lydenergi i praksis omdannet til termisk energi. Sådanne processer opstår uundgåeligt i et hvilket som helst af de 3 lydudbredelsesmedier og kan karakteriseres som absorption af lydbølger.

Intensiteten og graden af ​​absorption af lydbølger afhænger af mange faktorer, såsom mediets tryk og temperatur. Absorption afhænger også af den specifikke lydfrekvens. Når en lydbølge forplanter sig gennem væsker eller gasser, opstår der en friktionseffekt mellem forskellige partikler, som kaldes viskositet. Som et resultat af denne friktion på molekylært niveau opstår processen med at konvertere en bølge fra lyd til varme. Med andre ord, jo højere termisk ledningsevne af mediet er, jo lavere er graden af ​​bølgeabsorption. Lydabsorption i gasformige medier afhænger også af tryk (atmosfærisk tryk ændres med stigende højde i forhold til havoverfladen). Hvad angår afhængigheden af ​​absorptionsgraden af ​​lydens frekvens, under hensyntagen til de ovennævnte afhængigheder af viskositet og termisk ledningsevne, jo højere lydfrekvensen er, desto højere er lydabsorptionen. For eksempel hvornår normal temperatur og tryk, i luft er absorptionen af ​​en bølge med en frekvens på 5000 Hz 3 dB/km, og absorptionen af ​​en bølge med en frekvens på 50.000 Hz vil være 300 dB/m.

I faste medier bevares alle ovennævnte afhængigheder (termisk ledningsevne og viskositet), men dertil kommer flere betingelser. De er forbundet med den molekylære struktur af faste materialer, som kan være anderledes, med sine egne inhomogeniteter. Afhængigt af denne interne faste molekylære struktur kan absorptionen af ​​lydbølger i dette tilfælde være forskellig og afhænger af typen af ​​specifikt materiale. Når lyd passerer gennem et fast legeme, gennemgår bølgen en række transformationer og forvrængninger, som oftest fører til spredning og absorption af lydenergi. På molekylært niveau kan der opstå en dislokationseffekt, når en lydbølge forårsager en forskydning af atomplaner, som så vender tilbage til deres oprindelige position. Eller bevægelsen af ​​dislokationer fører til en kollision med dislokationer vinkelret på dem eller defekter i krystalstrukturen, hvilket forårsager deres hæmning og som følge heraf en vis absorption af lydbølgen. Lydbølgen kan dog også give genlyd med disse defekter, hvilket vil føre til forvrængning af den oprindelige bølge. Lydbølgens energi i øjeblikket af interaktion med elementerne i materialets molekylære struktur spredes som et resultat af interne friktionsprocesser.

I denne artikel vil jeg forsøge at analysere kendetegnene ved menneskelig auditiv perception og nogle af de finesser og træk ved lydudbredelse.

Tonehøjde beskriver tonehøjden af ​​de lyde, du udtaler, og bestemmes af frekvensvibrationen i dit strubehoved. For en høj stemme er en høj vibrationsfrekvens typisk, for en lav stemme følgelig en lav vibrationsfrekvens.

En vigtig betingelse for en ikke-monoton stemme er evnen til at dække mindst en oktav, dvs. fire toner over midten og fire toner under. Hvis du har ambitioner om at blive berømt ved at spille roller i Shakespeare-skuespil (og hvilken skuespiller gør ikke?!), skal du lære at dække mindst to, og helst tre, oktaver i din rækkevidde.

Bind

Hvis der er mikrofoner, behøver du ikke at tale højt, da lydstyrkeindikatoren kan gå ud af skalaen. Hvis den person, du taler med, er lidt hørehæmmet, så glem ikke, at lydstyrken alene ikke er nok. For at sådan en person kan høre dig, har du også brug for resonans.

Hørbarhed

Hørbarheden af ​​din tale afhænger af det rum, du taler i, og til hvem du ønsker at formidle din tale. En fyldig, luksuriøs stemme er perfekt hørbar i alle hjørner af hvert værelse. Der er ingen grund til at anstrenge sig for at få din stemme til at bære hele rummet. Basen på din stemme skal være din mellemgulv. Tag mere luft ind i dine lunger for at styre din stemme.

Stemmehørbarhed afhænger ikke af lydstyrken. Det er absolut ikke nødvendigt at tale højt eller med hævet stemme. Stemmehørbarhed er evnen til at anvende alle principperne for korrekt stemmestyring, så din naturlige stemme spredes jævnt og tydeligt høres.

Timbre

Timbre giver dig mulighed for at identificere forskellige stemmer ved øret. For eksempel kan du altid skelne en stemme kendt sangerinde eller en skuespiller, skelne ubesværet et barns stemme fra voksnes stemmer.

Udtryk

For at gøre din tale udtryksfuld, prøv at visualisere, hvad du kommunikerer. Injicer en livlig tone i din udtale, i lyden af ​​din stemme; bringe følelse og farve til din tale.

I hverdagen er din tale mest farverig i uformel samtale. Tag dine talefærdigheder til offentlig optræden. Hvis du har problemer med at gøre dette, så prøv at optage nogle af dine en-til-en-samtaler med en god ven. Prøv at glemme, at båndoptageren er tændt. Efterfølgende, når du er alene, lyt til optagelsen og noter dig de dele af samtalen, hvor du især kunne lide udtrykskraften i din tale, og glem heller ikke, hvad du ikke kunne lide.

Øv dig i at recitere poesi og dramatiske skuespil, og lær at genkende det ønskede udtryk med gehør.

Husk, at ethvert udtryk først skal være spontant. Undgå teatralskhed og kunstighed i dine taler.

Stemmetonen er karakteriseret ved dens tonehøjde, vibration og modulering. En smuk stemme skiller sig ud på grund af dens små ændringer i tone. Intonation er stemmens "ups" og "falls". Monotoni er trættende for øret, da en konstant tone anvender samme tonehøjde. Individuelle mennesker genkender ikke forskellen i tonefald. Men ved at ændre tonen kan du fuldstændig ændre betydningen af ​​ord.

>>Fysik: Lydstyrke og tonehøjde. Ekko

De auditive fornemmelser, som forskellige lyde fremkalder hos os, afhænger i høj grad af lydbølgens amplitude og dens frekvens. Amplitude og frekvens er fysiske egenskaber ved en lydbølge. Det her fysiske egenskaber svarer til visse fysiologiske egenskaber forbundet med vores opfattelse af lyd. Sådan fysiologiske egenskaber er volumen og tonehøjde.

Bind lyd bestemmes af dens amplitude: jo større amplitude udsving i en lydbølge, jo højere lyd. Så når vibrationerne fra en klingende stemmegaffel dør ud, falder lydstyrken sammen med amplituden. Og omvendt, ved at slå hårdere på stemmegaflen og derved øge amplituden af ​​dens vibrationer, vil vi forårsage en højere lyd.

Lydstyrken afhænger også af, hvor følsomt vores øre er over for den lyd. Det menneskelige øre er mest følsomt over for lydbølger med en frekvens på 1-5 kHz.

Ved at måle den energi, der overføres af en lydbølge på 1 s gennem en overflade med et areal på 1 m2, vil vi finde en mængde, der kaldes lydintensitet.

Det viste sig, at intensiteten af ​​de mest høje lyde(hvor en følelse af smerte opstår) overstiger intensiteten af ​​de svageste lyde, der er tilgængelige for menneskelig opfattelse. 10 billioner gange! I denne forstand viser det menneskelige øre sig at være en meget mere avanceret enhed end nogen af ​​de sædvanlige måleinstrumenter. Det er umuligt for nogen af ​​dem at måle et så bredt spektrum af værdier (for enheder overstiger det sjældent 100).

Enheden for lydstyrke kaldes søvnig(fra det latinske "sonus" - lyd). En dæmpet samtale har en volumen på 1 søvn. Et urs tikkende er karakteriseret ved et volumen på omkring 0,1 dson. normal samtale - 2 sovepladser, lyden af ​​en skrivemaskine - 4 sovepladser, høj gadestøj - 8 sovepladser. I en smedebutik når volumen 64 soner, og i en afstand på 4 m fra en kørende jetmotor - 256 soner. Lyde af endnu større lydstyrke begynder at forårsage smerte.
Lydstyrken af ​​en menneskelig stemme kan øges vha megafon. Det er et konisk horn placeret nær munden talende mand(Fig. 54). I dette tilfælde opstår lydforstærkning på grund af koncentrationen af ​​udsendt lyd energi i retning af hornaksen. En endnu større stigning i lydstyrken kan opnås ved hjælp af en elektrisk megafon, hvis horn er forbundet med en mikrofon og en speciel transistorforstærker.

Et horn kan også bruges til at forstærke den modtagne lyd. For at gøre dette skal det placeres til dit øre. I gamle dage (hvor der ikke var noget særligt høreapparater) dette blev ofte brugt af folk, der er hørehæmmede.

Horn blev også brugt i de første enheder designet til at optage og gengive lyd.

Mekanisk Lydoptagelse blev opfundet i 1877 af T. Edison (USA). Apparatet han designede hed fonograf. Han sendte en af ​​sine fonografer (fig. 55) til L.N. Tolstoj.

Fonografens hoveddele er rulle 1, dækket med stanniol, og membran 2, forbundet med en safir stylus. Lydbølgen, der virkede gennem hornet på membranen, fik nålen til at vibrere og trykke hårdere og svagere ind i folien. Når håndtaget roterede, roterede rullen (hvis akse havde en gevind) ikke kun roterede, men bevægede sig også i vandret retning. I dette tilfælde optrådte en spiralformet rille med variabel dybde på folien. For at høre den optagne lyd blev nålen placeret i begyndelsen af ​​rillen, og rullen blev roteret igen.

Efterfølgende blev den roterende rulle i fonografen erstattet af en flad rund plade, og rillen på den begyndte at blive påført i form af en foldespiral. Sådan fremstod grammofonplader.

Udover volumen er lyden karakteriseret ved tonehøjde. Højde lyd bestemmes af dens frekvens: jo højere vibrationsfrekvens i en lydbølge, jo højere lyd. Lavfrekvente vibrationer svarer til lave lyde, højfrekvente vibrationer svarer til høje lyde.

Så f.eks. slår en humlebi med vingerne under flugten med en lavere frekvens end en myg: For en humlebi er det 220 slag i sekundet, og for en myg er det 500-600. Derfor er humlebiens flugt ledsaget lav lyd(summende), og myggens flugt er højfrekvent (knirkende).

En lydbølge af en bestemt frekvens kaldes også musikalsk tone. Derfor omtales pitch ofte som pitch.
Hovedtonen med en "blanding" af flere vibrationer af andre frekvenser former musikalsk lyd. For eksempel kan lydene fra en violin og klaver omfatte op til 15-20 forskellige vibrationer. Sammensætningen af ​​hver kompleks lyd bestemmer dens klang.

Frekvens frie vibrationer streng afhænger af dens størrelse og spænding. Spænd derfor guitarstrengene ved hjælp af pløkker og pres dem mod guitarens hals i forskellige steder, vil vi ændre deres naturlige frekvens, og derfor tonehøjden af ​​de lyde, de laver.

Tabel 5 viser vibrationsfrekvenserne i lydene fra forskellige musikinstrumenter.

Frekvensområder svarende til sangeres og kvindelige sangeres stemmer kan findes i tabel 6.


Under normal tale opstår vibrationer med en frekvens fra 100 til 7000 Hz i mandsstemmen og fra 200 til 9000 Hz i kvindestemmen. De højeste frekvens vibrationer er en del af lyden af ​​konsonanten "s".

Naturen af ​​lydopfattelse afhænger i høj grad af indretningen af ​​det rum, hvor tale eller musik høres. Dette forklares ved, at lytteren i lukkede rum udover direkte lyd opfatter en kontinuerlig række af hurtigt successive gentagelser af den, forårsaget af flere refleksioner af lyd fra genstande i rummet, væggene, loftet og gulvet.

En stigning i varigheden af ​​lyd forårsaget af dens refleksioner fra forskellige forhindringer kaldes efterklang. Efterklangen er høj i tomme rum, hvor det resulterer i en boomy lyd. Og omvendt, værelser med blødt vægbetræk, gardiner, gardiner, polstrede møbler, tæpper, og også dem fyldt med mennesker absorberer lyd godt, og derfor er efterklangen i dem ubetydelig.

Refleksionen af ​​lyd forklarer også ekkoet. Ekko- disse er lydbølger, der reflekteres fra en forhindring (bygninger, bakker, skove osv.) og returneres til deres kilde. Hvis lydbølger når os, sekventielt reflekteret fra flere forhindringer og adskilt af et tidsinterval t>50 - 60 ms, så opstår der et multiple ekko. Nogle af disse ekkoer er blevet verdensberømte. For eksempel gentager sten spredt ud i form af en cirkel nær Adersbach i Tjekkiet 7 stavelser tre gange et bestemt sted, og i Woodstock Castle i England gentager ekkoet tydeligt 17 stavelser!

Navnet "ekko" er forbundet med navnet på bjergnymfen Echo, som ifølge oldgræsk mytologi ulykkeligt var forelsket i Narcissus. Af længsel efter sin elskede tørrede Echo ud og forstenede, så det eneste, der var tilbage af hende, var en stemme, der var i stand til at gentage slutningerne af de ord, der blev talt i hendes nærvær.

??? 1. Hvad bestemmer bind lyd? 2. Hvad hedder volumenenheden? 3. Hvorfor bliver lyden gradvist mere stille og rolig efter at have slået en stemmegaffel med en hammer? 4. Hvad bestemmer tonehøjden af ​​lyden? 5. Hvad "består" musikalsk lyd af? 6. Hvad er et ekko? 7. Fortæl os om driftsprincippet for Edisons fonograf.

S.V. Gromov, N.A. Rodina, Fysik 8. klasse

Indsendt af læsere fra internetsider

Fysiktimer, fysikprogrammer, fysikabstrakt, fysikprøver, fysik kursus, fysik lærebøger, fysik i skolen, udvikling af fysikundervisning, kalender tematisk planlægning i fysik