Koulujen tietosanakirja. Mikä on ääni ja mitkä ovat ääniaallon ominaisuudet

Ääni kulkee ääniaaltojen läpi. Nämä aallot eivät kulje vain kaasujen ja nesteiden, vaan myös kiinteiden aineiden läpi. Kaikkien aaltojen toiminta on pääasiassa energian siirtoa. Äänen tapauksessa kuljetus tapahtuu pieninä liikkeinä molekyylitasolla.

Kaasuissa ja nesteissä ääniaalto siirtää molekyylejä liikkeensä suuntaan eli aallonpituuden suuntaan. Kiinteissä aineissa molekyylien äänivärähtelyjä voi esiintyä myös aaltoa vastaan ​​kohtisuorassa suunnassa.

Ääniaallot etenevät lähteistään kaikkiin suuntiin, kuten näkyy oikealla olevassa kuvassa, jossa metallikello törmää ajoittain kieleensä. Nämä mekaaniset törmäykset saavat kellon värisemään. Värähtelyenergia välittyy ympäröivän ilman molekyyleihin, ja ne työnnetään pois kellosta. Tämän seurauksena paine nousee kellon vieressä olevassa ilmakerroksessa, joka sitten leviää aaltoina kaikkiin suuntiin lähteestä.

Äänen nopeus on riippumaton äänenvoimakkuudesta tai sävystä. Kaikki huoneen radion äänet, olivatpa ne kovat tai hiljaiset, korkeat tai matalat, saavuttavat kuuntelijan samanaikaisesti.

Äänen nopeus riippuu väliaineen tyypistä, jossa se etenee, ja sen lämpötilasta. Kaasuissa ääniaallot kulkevat hitaasti, koska niiden harvinainen molekyylirakenne ei juurikaan vastusta puristusta. Nesteissä äänen nopeus kasvaa ja kiinteissä aineissa vielä nopeammaksi, kuten alla olevasta kaaviosta näkyy metreinä sekunnissa (m/s).

aallon polku

Ääniaallot etenevät ilmassa samalla tavalla kuin oikealla olevissa kaavioissa. Aaltorinteet liikkuvat lähteestä tietyllä etäisyydellä toisistaan, mikä määräytyy kellon värähtelytaajuuden mukaan. Ääniaallon taajuus määritetään laskemalla tietyn pisteen läpi kulkevien aaltorintojen määrä aikayksikköä kohti.

Ääniaaltorintama siirtyy pois värähtelevästä kellosta.

Tasaisesti lämmitetyssä ilmassa ääni kulkee tasaisella nopeudella.

Toinen rintama seuraa ensimmäistä etäisyydellä, joka on yhtä suuri kuin aallonpituus.

Äänen voimakkuus on suurin lähellä lähdettä.

Näkymättömän aallon graafinen esitys

Syvyyden ääni

Ääniaaloista koostuva kaikuluotaimen säde kulkee helposti valtameren veden läpi. Luotain toimintaperiaate perustuu siihen, että ääniaallot pomppaavat pois merenpohjasta; tätä laitetta käytetään yleensä vedenalaisen kohokuvion ominaisuuksien määrittämiseen.

Elastiset kiinteät aineet

Ääni etenee puulevyssä. Useimpien kiinteiden aineiden molekyylit ovat sitoutuneet elastiseen avaruudelliseen hilaan, joka puristuu huonosti ja samalla nopeuttaa ääniaaltojen kulkua.

Ääni (ääniaalto ) –on elastinen aalto, jonka ihmisen ja eläimen kuuloelimet havaitsevat. Toisin sanoen, ääni on tiheyden (tai paineen) vaihteluiden etenemistä elastisessa väliaineessa, joka syntyy väliaineen hiukkasten vuorovaikutuksesta toistensa kanssa.

Ilmakehä (ilma) on yksi elastisista väliaineista. Äänen eteneminen ilmassa noudattaa yleisiä akustisten aaltojen leviämislakeja ihanteellisissa kaasuissa, ja sillä on myös ominaisuuksia, jotka johtuvat ilman tiheyden, paineen, lämpötilan ja kosteuden vaihtelusta. Äänen nopeus määräytyy väliaineen ominaisuuksien mukaan ja se lasketaan elastisen aallon nopeuden kaavoista.

On keinotekoisia ja luonnollisia lähteet ääni. Keinotekoisia säteilijöitä ovat:

Kiinteiden kappaleiden tärinä (soittimien kielet ja dekit, kaiutinhajottimet, puhelinkalvot, pietsosähköiset levyt);

Ilmavärinä rajoitetussa tilavuudessa (urkuputket, pillit);

Beat (pianokoskettimet, kello);

Sähkövirta (sähköakustiset muuntimet).

Luonnollisia lähteitä ovat mm.

Räjähdys, romahtaminen;

Ilmavirta esteiden ympärillä (tuuli puhaltaa rakennuksen kulmaan, meren aallon harjalle).

On myös keinotekoisia ja luonnollisia vastaanottimet ääni:

Sähköakustiset muuntimet (mikrofoni ilmassa, hydrofoni vedessä, geofoni maankuoressa) ja muut laitteet;

Ihmisten ja eläinten kuulolaitteet.

Ääniaaltojen etenemisen aikana minkä tahansa luonteisille aalloille ominaiset ilmiöt ovat mahdollisia:

Heijastus esteestä

Taittuminen kahden väliaineen rajalla,

häiriö (lisäys),

Diffraktio (esteiden välttäminen),

Dispersio (äänen nopeuden riippuvuus aineessa äänen taajuudesta);

Absorptio (äänen energian ja intensiteetin lasku väliaineessa, koska äänienergia muuttuu peruuttamattomasti lämmöksi).

Objektiiviset ääniominaisuudet

äänen taajuus

Henkilölle kuuluvan äänen taajuus on alueella alkaen 16 Hz ennen 16-20 kHz . Elastiset aallot taajuudella alla kuuluvuusalue nimeltään infraääni (mukaan lukien aivotärähdys), s korkeampi taajuus – ultraääni , ja suurimman taajuuden elastiset aallot ovat hypersonic .

Äänen koko taajuusalue voidaan jakaa kolmeen osaan (taulukko 1.).

Melu sillä on jatkuva taajuuksien (tai aallonpituuksien) spektri matalataajuisen äänen alueella (taulukot 1, 2). Jatkuva spektri tarkoittaa, että taajuuksilla voi olla mikä tahansa arvo annetusta intervallista.

Musikaali , tai tonaalinen , ääniä niillä on viivataajuusspektri keskitaajuuden ja osittain korkeataajuisen äänen alueella. Loput korkeataajuisesta äänestä on pillin varassa. Viivaspektri tarkoittaa, että musiikin taajuuksilla on vain tiukasti määritellyt (erilliset) arvot määritetystä intervallista.

Lisäksi musiikin taajuuksien intervalli on jaettu oktaaveihin. Oktaavi on taajuusväli kahden raja-arvon välissä, joista ylempi on kaksi kertaa pienempi(Taulukko 3)

Yhteiset oktaavin taajuuskaistat

Taulukossa 4 on esimerkkejä ihmisen äänilaitteen tuottaman ja ihmisen kuulolaitteen havaitseman äänen taajuusväleistä.

Taulukossa 5 on esimerkkejä joidenkin soittimien taajuusalueista. Ne kattavat äänialueen lisäksi myös ultraäänialueen.

Eläimet, linnut ja hyönteiset luovat ja havaitsevat ääntä muilla taajuusalueilla kuin ihmiset (taulukko 6).

Musiikissa jokaista sinimuotoista ääniaaltoa kutsutaan yksinkertainen sävy, tai sävy. Korkeus riippuu taajuudesta: mitä korkeampi taajuus, sitä korkeampi ääni. Pääsävy monimutkaista musiikkiääntä kutsutaan vastaavaksi sävyksi alin taajuus sen spektrissä. Muita taajuuksia vastaavia ääniä kutsutaan ylisävyjä. Jos ylisävyjä kerrannaisina perusäänen taajuudella, niin ylisävyjä kutsutaan harmoninen. Alhaisimman taajuuden omaavaa yläsäveltä kutsutaan ensimmäiseksi harmoniseksi, seuraavaksi - toiseksi jne.

Musiikkiäänet, joilla on sama juurisävel, voivat vaihdella sointi. Sävy riippuu ylisävelten koostumuksesta, niiden taajuuksista ja amplitudeista, niiden nousun luonteesta äänen alussa ja vaimenemisesta äänen lopussa.

Äänen nopeus

Äänelle eri medioissa yleiset kaavat (22) - (25) ovat voimassa. Tässä tapauksessa on otettava huomioon, että kaavaa (22) voidaan soveltaa kuivaan ilmakehän ilmaan ja Poisson-suhteen, moolimassan ja yleiskaasuvakion numeeriset arvot huomioon ottaen voidaan kirjoittaa seuraavasti: :

Oikeassa ilmakehän ilmassa on kuitenkin aina kosteutta, joka vaikuttaa äänen nopeuteen. Tämä johtuu Poissonin suhdeluvusta  riippuu vesihöyryn osapaineen suhteesta ( p höyryä) ilmanpaineeseen ( p). Kosteassa ilmassa äänen nopeus määräytyy kaavalla:

.

Viimeisestä yhtälöstä voidaan nähdä, että äänen nopeus kosteassa ilmassa on hieman suurempi kuin kuivassa ilmassa.

Äänennopeuden numeeriset arviot, joissa otetaan huomioon lämpötilojen ja ilmakehän ilman kosteuden vaikutus, voidaan tehdä käyttämällä likimääräistä kaavaa:

Nämä arviot osoittavat, että kun ääni etenee vaakasuunnassa ( 0 x) lämpötilan noustessa 1 0 Cäänen nopeus kasvaa 0,6 m/s. Vesihöyryn vaikutuksen alaisena, jonka osapaine on enintään 10 Paäänen nopeus kasvaa vähemmän kuin 0,5 m/s. Mutta yleensä vesihöyryn suurimmalla mahdollisella osapaineella lähellä maan pintaa äänen nopeus kasvaa enintään 1 m/s.

Äänenpaine

Äänen puuttuessa ilmakehä (ilma) on häiriötön väliaine ja sillä on staattinen ilmanpaine (
).

Kun ääniaallot etenevät, tähän staattiseen paineeseen lisätään ylimääräinen muuttuva paine, joka johtuu ilman kondensoitumisesta ja harvenemisesta. Tasoaaltojen tapauksessa voimme kirjoittaa:

missä p sv, max on äänenpaineen amplitudi,  - äänen syklinen taajuus, k - aaltoluku. Siksi ilmakehän paine tietyssä pisteessä tietyllä hetkellä tulee yhtä suureksi kuin näiden paineiden summa:

Äänenpaine - tämä on muuttuva paine, joka on yhtä suuri kuin ero hetkellisen todellisen ilmanpaineen välillä tietyssä pisteessä ääniaallon kulun aikana ja staattisen ilmanpaineen välillä ilman ääntä:

Äänenpaine muuttaa arvoaan ja etumerkkiään värähtelyn aikana.

Äänenpaine on lähes aina paljon pienempi kuin ilmanpaine.

Se kasvaa suureksi ja suhteelliseksi ilmanpaineen kanssa, kun voimakkaiden räjähdysten aikana esiintyy iskuaaltoja tai kun suihkukone ohittaa.

Äänenpaineyksiköt ovat seuraavat:

- pascal SI:ssä
,

- baari GHS:ssä
,

- elohopeamillimetriä,

- tunnelmaa.

Käytännössä laitteet eivät mittaa äänenpaineen hetkellistä arvoa, vaan ns tehokas (tai nykyinen )ääni paine . Se vastaa hetkellisen äänenpaineen neliön keskiarvon neliöjuuri tietyssä avaruuden pisteessä tiettynä aikana

(44)

ja siksi myös kutsutaan RMS äänenpaine . Korvaamalla lausekkeen (39) kaavaan (40) saadaan:

. (45)

Äänen impedanssi

Äänen (akustinen) impedanssi kutsutaan amplitudisuhteeksiväliaineen hiukkasten äänenpaine ja värähtelynopeus:

. (46)

Ääniimpedanssin fyysinen merkitys: se on numeerisesti yhtä suuri kuin äänenpaine, joka aiheuttaa väliaineen hiukkasten värähtelyä yksikkönopeudella:

Ääniimpedanssin mittayksikkö SI:nä on pascal sekuntia metriä kohti:

.

Tasoaallon tapauksessa hiukkasten värähtelynopeus on yhtä suuri kuin

.

Sitten kaava (46) saa muodon:

. (46*)

Äänenvastukselle on myös toinen määritelmä väliaineen tiheyden ja äänen nopeuden tulona tässä väliaineessa:

. (47)

Sitten se fyysinen merkitys on, että se on numeerisesti yhtä suuri kuin sen väliaineen tiheys, jossa elastinen aalto etenee yksikkönopeudella:

.

Akustiikan akustisen vastuksen lisäksi konseptia käytetään mekaaninen kestävyys (R m). Mekaaninen vastus on jaksollisen voiman amplitudien ja väliaineen hiukkasten värähtelynopeuden suhde:

, (48)

missä S on äänilähettimen pinta-ala. Mekaaninen vastus mitataan newton sekuntia metriä kohti:

.

Energiaa ja äänen voimaa

Ääniaalolle on tunnusomaista samat energiamäärät kuin elastiselle aallolle.

Jokaisella ilmatilavuudella, jossa ääniaallot etenevät, on energia, joka muodostuu värähtelevien hiukkasten kineettisestä energiasta ja väliaineen elastisen muodonmuutoksen potentiaalienergiasta (katso kaava (29)).

Äänen intensiteettiä kutsutaanääniteho . Hän on tasa-arvoinen

. (49)

Niin äänivoiman fyysinen merkitys on samanlainen kuin energiavuon tiheys: numeerisesti yhtä suuri kuin sen energian keskiarvo, jonka aalto siirtää aikayksikköä kohden pinta-alayksikön poikittaispinnan läpi.

Äänenvoimakkuuden yksikkö on wattia neliömetriä kohti:

.

Ääniteho on verrannollinen tehollisen äänenpaineen neliöön ja kääntäen verrannollinen äänen (akustiseen) paineeseen:

, (50)

tai, kun otetaan huomioon lausekkeet (45),

, (51)

missä R ak – akustinen impedanssi.

Ääntä voidaan luonnehtia myös ääniteholla. Äänen voima on äänilähteen lähettämän äänienergian kokonaismäärä tietyn ajan äänilähdettä ympäröivän suljetun pinnan kautta:

, (52)

tai, kun otetaan huomioon kaava (49),

. (52*)

Ääniteho, kuten kaikki muutkin, mitataan wattia:

.

Ääni on elastisia aaltoja väliaineessa (usein ilmassa), jotka ovat näkymättömiä mutta havaittavissa ihmiskorvalle (aalto vaikuttaa tärykalvoon). Ääniaalto on pitkittäinen puristus- ja harventumisaalto.

Jos luomme tyhjiön, voimmeko erottaa äänet? Robert Boyle asetti kellon lasiastiaan vuonna 1660. Kun hän pumppaa ilmaa, hän ei kuullut ääntä. Kokemus sen todistaa äänen levittämiseen tarvitaan väline.

Ääni voi levitä myös nestemäisessä ja kiinteässä väliaineessa. Veden alla kuulet selkeästi kivien iskun. Aseta kello puulevyn toiseen päähän. Laittamalla korvasi toiseen päähän, kuulet selkeästi kellon tikityksen.

Ääniaalto leviää puun läpi

Äänen lähde on välttämättä värähtelevä kappale. Esimerkiksi kitaran kieli normaalitilassaan ei soi, mutta heti kun saamme sen värähtelemään, syntyy ääniaalto.

Kokemus kuitenkin osoittaa, että jokainen värähtelevä keho ei ole äänen lähde. Esimerkiksi lankaan ripustettu paino ei pidä ääntä. Tosiasia on, että ihmiskorva ei havaitse kaikkia aaltoja, vaan vain niitä, jotka luovat kappaleita, jotka värähtelevät taajuudella 16 Hz - 20 000 Hz. Tällaisia ​​aaltoja kutsutaan ääni. Värähtelyjä, joiden taajuus on alle 16 Hz, kutsutaan infraääni. Värähtelyjä, joiden taajuus on suurempi kuin 20 000 Hz, kutsutaan ultraääni.

Äänen nopeus

Ääniaallot eivät etene välittömästi, vaan tietyllä äärellisellä nopeudella (samanlaisen liikkeen nopeuden kanssa).

Siksi ukkosmyrskyn aikana näemme ensin salaman, eli valon (valon nopeus on paljon suurempi kuin äänen nopeus), ja sitten ääni kuuluu.

Äänen nopeus riippuu väliaineesta: kiinteissä aineissa ja nesteissä äänen nopeus on paljon suurempi kuin ilmassa. Nämä ovat taulukkona mitattuja vakioita. Väliaineen lämpötilan noustessa äänen nopeus kasvaa, laskussa se laskee.

Äänet ovat erilaisia. Äänen karakterisoimiseksi otetaan käyttöön erityisiä suureita: äänen voimakkuus, sävelkorkeus ja sointi.

Äänen voimakkuus riippuu värähtelyjen amplitudista: mitä suurempi värähtelyjen amplitudi, sitä kovempi ääni. Lisäksi se, miten korvamme havaitsee äänen voimakkuuden, riippuu ääniaallon värähtelytaajuudesta. Korkeamman taajuuden aallot koetaan kovemmiksi.

Ääniaallon taajuus määrää äänenkorkeuden. Mitä korkeampi äänilähteen värähtelytaajuus on, sitä korkeampi on sen tuottama ääni. Ihmisäänet on jaettu useisiin alueisiin äänenkorkeuden mukaan.

Eri lähteistä tulevat äänet ovat yhdistelmä eri taajuisia harmonisia värähtelyjä. Suurimman jakson (matalimman taajuuden) komponenttia kutsutaan perusääneksi. Loput äänikomponentit ovat ylisävyjä. Näiden komponenttien sarja luo värityksen, äänen sointin. Ylisävelten kokonaisuus eri ihmisten äänissä eroaa ainakin hieman, mutta tämä määrittää tietyn äänen sointin.

Kaiku. Kaiku muodostuu äänen heijastuksen seurauksena erilaisista esteistä - vuorista, metsistä, muureista, suurista rakennuksista jne. Kaiku syntyy vain, kun heijastunut ääni havaitaan erillään alun perin puhutusta äänestä. Jos heijastavia pintoja on monia ja ne ovat eri etäisyyksillä ihmisestä, niin heijastuneet ääniaallot saavuttavat hänet eri aikoina. Tässä tapauksessa kaiku on moninkertainen. Esteen on oltava 11 metrin etäisyydellä henkilöstä, jotta kaiku voidaan kuulla.

Äänen heijastus.Ääni pomppii sileiltä pinnoilta. Siksi torvea käytettäessä ääniaallot eivät hajoa kaikkiin suuntiin, vaan muodostavat kapean säteen, jonka ansiosta ääniteho kasvaa ja se leviää pidemmälle.

Jotkut eläimet (esimerkiksi lepakko, delfiini) lähettävät ultraäänivärähtelyjä ja havaitsevat sitten esteistä heijastuneen aallon. Joten ne määrittävät sijainnin ja etäisyyden ympäröiviin esineisiin.

Kaikulokaatio. Tämä on menetelmä kappaleiden sijainnin määrittämiseksi niistä heijastuvilla ultraäänisignaaleilla. Käytetään laajasti navigoinnissa. Asennettu laivoihin kaikuluotaimet- laitteet vedenalaisten kohteiden tunnistamiseen ja pohjan syvyyden ja topografian määrittämiseen. Aluksen pohjalle on sijoitettu lähetin ja äänivastaanotin. Lähetin antaa lyhyitä signaaleja. Analysoimalla palautuvien signaalien viiveaikaa ja suuntaa tietokone määrittää äänen heijastaneen kohteen sijainnin ja koon.

Ultraäänellä havaitaan ja määritetään erilaisia ​​koneenosien vaurioita (tyhjiöt, halkeamat jne.). Tähän tarkoitukseen käytetty laite on ns ultraääni vianilmaisin. Tutkittavaan osaan ohjataan virta lyhyitä ultraäänisignaaleja, jotka heijastuvat sen sisällä olevista epähomogeenisuuksista ja putoavat takaisin vastaanottimeen. Niissä paikoissa, joissa ei ole vikoja, signaalit kulkevat osan läpi ilman merkittävää heijastusta, eikä vastaanotin tallenna niitä.

Ultraääntä käytetään laajalti lääketieteessä tiettyjen sairauksien diagnosointiin ja hoitoon. Toisin kuin röntgensäteilyllä, sen aalloilla ei ole haitallista vaikutusta kudoksiin. Diagnostinen ultraääni (USA) mahdollistaa patologisten muutosten tunnistamisen elimissä ja kudoksissa ilman kirurgisia toimenpiteitä. Erityinen laite lähettää ultraääniaaltoja taajuudella 0,5–15 MHz tiettyyn kehon osaan, ne heijastuvat tutkittavasta elimestä ja tietokone näyttää sen kuvan näytöllä.

Infraäänelle on ominaista alhainen absorptio eri väliaineissa, minkä seurauksena infraääniaallot ilmassa, vedessä ja maankuoressa voivat levitä hyvin pitkiä matkoja. Tämä ilmiö löytää käytännön sovelluksen mm määrittäviä paikkoja voimakkaita räjähdyksiä tai ampuvan aseen asentoa. Infraäänen leviäminen pitkiä matkoja meressä mahdollistaa sen luonnonkatastrofien ennusteet-tsunami. Meduusat, äyriäiset jne. pystyvät havaitsemaan infraäänet ja tuntemaan sen lähestyvän kauan ennen myrskyn alkua.

Esiintyy kaasumaisissa, nestemäisissä ja kiinteissä väliaineissa, jotka ihmisen kuuloelimiin saavuttaessaan ne havaitsevat äänenä. Näiden aaltojen taajuus on välillä 20 - 20 000 värähtelyä sekunnissa. Annamme ääniaallon kaavat ja tarkastelemme sen ominaisuuksia yksityiskohtaisemmin.

Miksi ääniaalto ilmestyy?

Monet ihmiset ihmettelevät, mitä ääniaalto on. Äänen luonne piilee häiriöiden esiintymisessä elastisessa väliaineessa. Esimerkiksi kun tietyssä ilmamäärässä tapahtuu puristuksen muodossa oleva painehäiriö, tällä alueella on taipumus levitä avaruudessa. Tämä prosessi johtaa ilman puristumiseen lähteen viereisillä alueilla, joilla on myös taipumus laajentua. Tämä prosessi kattaa yhä enemmän tilaa, kunnes se saavuttaa jonkin vastaanottimen, esimerkiksi ihmisen korvan.

Ääniaaltojen yleiset ominaisuudet

Mieti kysymyksiä siitä, mikä ääniaalto on ja miten ihmiskorva sen havaitsee. Ääniaalto on pitkittäinen, ja kun se tulee korvakuoreen, se saa tärykalvon värähtelemään tietyllä taajuudella ja amplitudilla. Voit myös esittää nämä vaihtelut jaksollisina paineen muutoksina kalvon vieressä olevan ilman mikrotilavuudessa. Ensin se kasvaa suhteessa normaaliin ilmanpaineeseen ja laskee sitten harmonisen liikkeen matemaattisia lakeja noudattaen. Ilmanpaineen muutosten amplitudi, eli ääniaallon aiheuttaman maksimi- tai minimipaineen ero ilmanpaineen kanssa on verrannollinen itse ääniaallon amplitudiin.

Monet fysikaaliset kokeet ovat osoittaneet, että suurin paine, jonka ihmiskorva voi havaita vahingoittamatta sitä, on 2800 µN/cm 2 . Vertailun vuoksi sanotaan, että ilmanpaine lähellä maan pintaa on 10 miljoonaa µN/cm 2 . Paineen ja värähtelyjen amplitudin suhteellisuus huomioon ottaen voidaan sanoa, että jälkimmäinen arvo on merkityksetön jopa voimakkaimmilla aalloilla. Jos puhumme ääniaallon pituudesta, niin taajuudella 1000 värähtelyä sekunnissa se on senttimetrin tuhannesosa.

Heikot äänet aiheuttavat paineen vaihteluita luokkaa 0,001 μN / cm 2, vastaava aaltovärähtelyjen amplitudi taajuudella 1000 Hz on 10 -9 cm, kun taas ilmamolekyylien keskimääräinen halkaisija on 10 -8 cm, eli ihmisen korva on erittäin herkkä elin.

Ääniaaltojen intensiteetin käsite

Geometrialta katsottuna ääniaalto on tietyn muotoinen värähtely, mutta fysikaalisesta näkökulmasta ääniaaltojen pääominaisuus on niiden kyky siirtää energiaa. Tärkein esimerkki aaltoenergian siirrosta on aurinko, jonka säteilemät sähkömagneettiset aallot tarjoavat energiaa koko planeetallemme.

Fysiikassa ääniaallon intensiteetti määritellään energiamääränä, jonka aalto kuljettaa yksikköpinnan läpi, joka on kohtisuorassa aallon etenemiseen nähden, aikayksikköä kohti. Lyhyesti sanottuna aallon intensiteetti on sen teho, joka siirtyy yksikköpinta-alan läpi.

Ääniaaltojen voimakkuutta mitataan yleensä desibeleinä, jotka perustuvat logaritmiseen asteikkoon, joka on kätevä tulosten käytännön analysoinnissa.

Erilaisten äänien voimakkuus

Seuraava desibeliasteikko antaa käsityksen eri merkityksestä ja sen aiheuttamista tuntemuksista:

• epämiellyttävien ja epämiellyttävien tunteiden kynnys alkaa 120 desibelistä (dB);
• niittausvasara tuottaa 95 dB:n melun;
• suurnopeusjuna - 90 dB;
• katu, jolla on paljon liikennettä - 70 dB;
• normaalin ihmisten välisen keskustelun äänenvoimakkuus - 65 dB;
• nykyaikainen auto, joka liikkuu kohtuullisilla nopeuksilla, tuottaa 50 dB:n melua;
• radion keskimääräinen äänenvoimakkuus - 40 dB;
• hiljainen keskustelu - 20 dB;
• puiden lehtien melu - 10 dB;
• ihmisen ääniherkkyyden vähimmäiskynnys on lähellä 0 dB.

Ihmiskorvan herkkyys riippuu äänen taajuudesta ja on maksimiarvo ääniaalloille, joiden taajuus on 2000-3000 Hz. Tämän taajuusalueen äänen ihmisen herkkyyden alaraja on 10 -5 dB. Määritettyä aikaväliä korkeammat ja alhaisemmat taajuudet johtavat alemman herkkyyskynnyksen nousuun siten, että ihminen kuulee taajuuksia, jotka ovat lähellä 20 Hz ja 20 000 Hz vain niiden useiden kymmenien dB intensiteetillä.

Mitä tulee ylempään intensiteetin kynnykseen, jonka jälkeen ääni alkaa aiheuttaa haittaa henkilölle ja jopa kipua, on sanottava, että se ei käytännössä riipu taajuudesta ja on alueella 110-130 dB.

Ääniaallon geometriset ominaisuudet

Todellinen ääniaalto on monimutkainen pitkittäisten aaltojen värähtelevä paketti, joka voidaan hajottaa yksinkertaisiksi harmonisiksi värähtelyiksi. Jokainen tällainen värähtely kuvataan geometrisesta näkökulmasta seuraavilla ominaisuuksilla:

1. Amplitudi - aallon kunkin osan suurin poikkeama tasapainosta. Tämä arvo on merkitty A.
2. Kausi. Tämä on aika, joka kuluu yksinkertaisen aallon täydelliseen värähtelyyn. Tämän ajan jälkeen jokainen aallon piste alkaa toistaa värähtelyprosessiaan. Jakso merkitään yleensä kirjaimella T ja mitataan sekunneissa SI-järjestelmässä.
3. Taajuus. Tämä on fysikaalinen suure, joka osoittaa kuinka monta värähtelyä tietty aalto tekee sekunnissa. Eli merkitykseltään se on ajanjaksolle käänteinen arvo. Se on merkitty f. Ääniaallon taajuudelle kaava sen määrittämiseksi jaksolla on seuraava: f = 1/T.
4. Aallonpituus on matka, jonka se kulkee yhden värähtelyjakson aikana. Geometrisesti aallonpituus on kahden lähimmän maksimin tai kahden lähimmän minimin välinen etäisyys sinimuotoisella käyrällä. Ääniaallon värähtelypituus on etäisyys lähimpien ilmanpuristusalueiden tai lähimpien sen harvinaistumispaikkojen välillä tilassa, jossa aalto liikkuu. Sitä merkitään yleensä kreikkalaisella kirjaimella λ.
5. Ääniaallon etenemisnopeus on etäisyys, jonka yli aallon puristus- tai harventumisalue etenee aikayksikköä kohti. Tämä arvo on merkitty kirjaimella v. Ääniaallon nopeudelle kaava on: v = λ*f.

Puhtaan ääniaallon, toisin sanoen jatkuvan puhtauden aallon, geometria noudattaa sinimuotoista lakia. Yleisessä tapauksessa ääniaallon kaava on: y = A*sin(ωt), missä y on aallon tietyn pisteen koordinaatin arvo, t on aika, ω = 2*pi*f on syklinen värähtelytaajuus.

jaksollinen ääni

Monia äänilähteitä voidaan pitää jaksollisina, esimerkiksi musiikki-instrumenttien, kuten kitaran, pianon, huilun, ääntä, mutta luonnossa on myös suuri määrä ääniä, jotka ovat jaksottaisia, eli äänivärähtelyt muuttavat taajuutta ja muotoaan. avaruudessa. Teknisesti tällaista ääntä kutsutaan meluksi. Eläviä esimerkkejä jaksollisesta äänestä ovat kaupunkimelu, meren ääni, lyömäsoittimien äänet, esimerkiksi rummusta, ja muut.

Äänen leviämisväline

Toisin kuin sähkömagneettinen säteily, jonka fotonit eivät tarvitse aineellista väliainetta leviämiseensä, äänen luonne on sellainen, että sen etenemiseen tarvitaan tietty väliaine, eli fysiikan lakien mukaan ääniaallot eivät voi levitä tyhjiössä.

Ääni voi levitä kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa. Väliaineessa etenevän ääniaallon pääominaisuudet ovat seuraavat:

• aalto etenee lineaarisesti;
• se etenee tasaisesti kaikkiin suuntiin homogeenisessa väliaineessa, eli ääni poikkeaa lähteestä muodostaen ihanteellisen pallomaisen pinnan.
• äänen amplitudista ja taajuudesta riippumatta sen aallot etenevät samalla nopeudella tietyssä väliaineessa.

Ääniaaltojen nopeus eri medioissa

Äänen etenemisnopeus riippuu kahdesta päätekijästä: väliaineesta, jossa aalto kulkee, ja lämpötilasta. Yleensä pätee seuraava sääntö: mitä tiheämpi väliaine ja mitä korkeampi sen lämpötila, sitä nopeammin ääni kulkee siinä.

Esimerkiksi ääniaallon etenemisnopeus ilmassa lähellä maan pintaa lämpötilassa 20 ℃ ja kosteudessa 50 % on 1235 km/h tai 343 m/s. Vedessä ääni kulkee tietyssä lämpötilassa 4,5 kertaa nopeammin, eli noin 5735 km/h tai 1600 m/s. Mitä tulee äänen nopeuden riippuvuuteen ilman lämpötilasta, se kasvaa 0,6 m / s lämpötilan noustessa jokaista Celsius-astetta kohden.

Sävy ja sävy

Jos kieleen tai metallilevyn annetaan värähtää vapaasti, se tuottaa eri taajuisia ääniä. On hyvin harvinaista löytää kappaletta, joka lähettäisi tietyn taajuuden äänen, yleensä esineen äänellä on joukko taajuuksia tietyllä aikavälillä.

Äänen sointi määräytyy siinä olevien harmonisten lukumäärän ja niiden intensiteetin mukaan. Sävy on subjektiivinen arvo, eli se on tietyn henkilön näkemys kuulostavasta esineestä. Sävylle on yleensä ominaista seuraavat adjektiivit: korkea, loistava, soinnillinen, melodinen ja niin edelleen.

Ääni on äänituntuma, jonka avulla se voidaan luokitella korkeaksi tai matalaksi. Tämä arvo on myös subjektiivinen, eikä sitä voida mitata millään laitteella. Ääni liittyy objektiiviseen suureen - ääniaallon taajuuteen, mutta niiden välillä ei ole yksiselitteistä yhteyttä. Esimerkiksi vakiointensiteetin yksitaajuisen äänen sävy nousee taajuuden kasvaessa. Jos äänen taajuus pysyy vakiona ja sen intensiteetti kasvaa, äänenvoimakkuus laskee.

Äänilähteiden muoto

Mekaanisia värähtelyjä ja siten aaltoja synnyttävän rungon muodon mukaan on kolme päätyyppiä:

1. pistelähde. Se tuottaa ääniaaltoja, jotka ovat muodoltaan pallomaisia ​​ja vaimenevat nopeasti lähteen etäisyyden mukaan (noin 6 dB, jos etäisyys lähteestä kaksinkertaistuu).
2. linjan lähde. Se muodostaa lieriömäisiä aaltoja, joiden intensiteetti laskee hitaammin kuin pistelähteestä (jokaisella lähteestä olevan etäisyyden kaksinkertaisella intensiteetti pienenee 3 dB).
3. Litteä tai kaksiulotteinen lähde. Se tuottaa aaltoja vain tiettyyn suuntaan. Esimerkki tällaisesta lähteestä olisi mäntä, joka liikkuu sylinterissä.

Elektroniset äänilähteet

Ääniaallon luomiseksi elektroniset lähteet käyttävät erityistä kalvoa (kaiutinta), joka suorittaa mekaanisia värähtelyjä sähkömagneettisen induktion ilmiön vuoksi. Tällaisia ​​lähteitä ovat mm.

• eri levyjen soittimet (CD, DVD ja muut);
• kasettinauhurit;
• radiovastaanottimet;
• televisiot ja jotkut muut.

Artikkelin sisältö

ÄÄNI JA AKUSTIIKKA.Ääni on värähtelyä, ts. jaksollinen mekaaninen häiriö elastisissa väliaineissa - kaasumaisessa, nestemäisessä ja kiinteässä. Tällainen häiriö, joka on jokin fyysinen muutos väliaineessa (esimerkiksi tiheyden tai paineen muutos, hiukkasten siirtymä), etenee siinä ääniaallon muodossa. Fysiikan alaa, joka käsittelee ääniaaltojen syntyä, etenemistä, vastaanottoa ja käsittelyä kutsutaan akustiikaksi. Ääni voi olla kuulumaton, jos sen taajuus ylittää ihmiskorvan herkkyyden tai jos se etenee väliaineessa, kuten kiinteässä aineessa, joka ei voi olla suorassa kosketuksessa korvaan, tai jos sen energia hajoaa nopeasti väliaineessa. Näin ollen meille tavallinen äänen havaintoprosessi on vain yksi puoli akustiikasta.

ÄÄNIAALLOT

Harkitse pitkää putkea, joka on täynnä ilmaa. Vasemmasta päästä siihen työnnetään seiniin tiukasti kiinnitetty mäntä (kuva 1). Jos mäntää siirretään jyrkästi oikealle ja se pysähtyy, sen välittömässä läheisyydessä oleva ilma puristuu hetkeksi (kuva 1, a). Sitten paineilma laajenee työntäen sen vieressä olevan ilman oikealla puolella ja puristusalue, joka alun perin ilmestyi männän lähelle, liikkuu putken läpi vakionopeudella (kuva 1, b). Tämä puristusaalto on kaasussa oleva ääniaalto.

Kaasun ääniaallon ominaispiirteitä ovat ylipaine, ylitiheys, hiukkasten siirtyminen ja niiden nopeus. Ääniaaltojen osalta nämä poikkeamat tasapainoarvoista ovat aina pieniä. Siten aaltoon liittyvä ylipaine on paljon pienempi kuin kaasun staattinen paine. Muuten kyseessä on toinen ilmiö - shokkiaalto. Tavallista puhetta vastaavassa ääniaaltossa ylipaine on vain noin miljoonasosa ilmakehän paineesta.

On tärkeää, että ääniaalto ei kulje ainetta pois. Aalto on vain tilapäinen ilman läpi kulkeva häiriö, jonka jälkeen ilma palaa tasapainotilaan.

Aaltoliike ei tietenkään ole vain äänille ominaista: valo- ja radiosignaalit kulkevat aaltojen muodossa, ja kaikille on tuttu aallot veden pinnalla. Kaiken tyyppiset aallot kuvataan matemaattisesti niin sanotulla aaltoyhtälöllä.

harmoniset aallot.

Aalto putkessa kuvassa. 1 kutsutaan äänipulssiksi. Erittäin tärkeä aaltotyyppi syntyy, kun mäntä värähtelee edestakaisin kuten jouseen ripustettu paino. Tällaisia ​​värähtelyjä kutsutaan yksinkertaisiksi harmonisiksi tai sinimuotoisiksi, ja tässä tapauksessa viritettyä aaltoa kutsutaan harmoniseksi.

Yksinkertaisilla harmonisilla värähtelyillä liike toistetaan ajoittain. Kahden identtisen liiketilan välistä aikaväliä kutsutaan värähtelyjaksoksi ja täydellisten jaksojen lukumäärää sekunnissa kutsutaan värähtelytaajuudeksi. Merkitään jaksoa T, ja taajuuden läpi f; sen voi sitten kirjoittaa f= 1/T. Jos taajuus on esimerkiksi 50 jaksoa sekunnissa (50 Hz), niin jakso on 1/50 sekunnista.

Matemaattisesti yksinkertaiset harmoniset värähtelyt kuvataan yksinkertaisella funktiolla. Männän siirtymä yksinkertaisilla harmonisilla värähtelyillä milloin tahansa t voidaan kirjoittaa lomakkeeseen

Tässä d- männän siirtyminen tasapainoasennosta ja D on vakiokerroin, joka on yhtä suuri kuin suuren maksimiarvo d ja sitä kutsutaan siirtymäamplitudiksi.

Oletetaan, että mäntä värähtelee harmonisen värähtelykaavan mukaan. Sitten kun se liikkuu oikealle, tapahtuu puristus, kuten ennenkin, ja vasemmalle siirrettäessä paine ja tiheys pienenevät suhteessa tasapainoarvoihinsa. Kaasun puristusta ei tapahdu, vaan se harvenee. Tässä tapauksessa oikea etenee, kuten kuvassa näkyy. 2, vuorottelevien puristusten ja harvinaisuuksien aalto. Jokaisella ajanhetkellä paineen jakautumiskäyrä putken pituudella on sinimuotoinen, ja tämä sinimuoto liikkuu oikealle äänen nopeudella v. Etäisyyttä putkea pitkin samojen aaltovaiheiden välillä (esimerkiksi vierekkäisten maksimien välillä) kutsutaan aallonpituudeksi. Se on yleensä merkitty kreikkalaisella kirjaimella l(lambda). Aallonpituus l on aallon ajassa kulkema matka T. Niin l = TV, tai v = lf.

Pituus- ja poikittaiset aallot.

Jos hiukkaset värähtelevät samansuuntaisesti aallon etenemissuunnan kanssa, aaltoa kutsutaan pitkittäissuuntaiseksi. Jos ne värähtelevät kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden, aaltoa kutsutaan poikittaiseksi. Kaasujen ja nesteiden ääniaallot ovat pitkittäisiä. Kiinteissä aineissa on molempia aaltoja. Poikittaisaalto kiinteässä aineessa on mahdollista sen jäykkyyden (muodonmuutoksen vastustuskyvyn) vuoksi.

Merkittävin ero näiden kahden aaltotyypin välillä on se, että leikkausaalolla on ominaisuus polarisaatio(värähtelyjä tapahtuu tietyssä tasossa), mutta pituussuuntainen ei. Joissakin ilmiöissä, kuten äänen heijastumisessa ja siirtymisessä kiteiden läpi, paljon riippuu hiukkasten siirtymisen suunnasta, aivan kuten valoaaltojen tapauksessa.

Ääniaaltojen nopeus.

Äänen nopeus on ominaisuus väliaineelle, jossa aalto etenee. Sen määrää kaksi tekijää: materiaalin elastisuus ja tiheys. Kiinteiden aineiden elastiset ominaisuudet riippuvat muodonmuutoksen tyypistä. Joten metallitangon elastiset ominaisuudet eivät ole samat vääntöä, puristamista ja taivutusta käytettäessä. Ja vastaavat aaltovärähtelyt etenevät eri nopeuksilla.

Elastinen väliaine on sellainen, jossa muodonmuutos, oli se sitten vääntö, puristus tai taivutus, on verrannollinen muodonmuutosta aiheuttavaan voimaan. Tällaiset materiaalit ovat Hooken lain alaisia:

Jännite = Cґ Suhteellinen muodonmuutos,

missä Kanssa on kimmomoduuli materiaalista ja muodonmuutostyypistä riippuen.

Äänen nopeus v tietyntyyppiselle elastiselle muodonmuutokselle saadaan lausekkeella

missä r on materiaalin tiheys (massa tilavuusyksikköä kohti).

Äänen nopeus kiinteässä sauvassa.

Pitkä sauva voidaan venyttää tai puristaa päähän kohdistetulla voimalla. Olkoon tangon pituus L käytetty vetovoima F, ja pituuden lisäys on D L. Arvo D L/L kutsumme suhteellista muodonmuutosta, ja voimaa tangon poikkileikkauksen pinta-alayksikköä kohti kutsutaan jännitykseksi. Jännite on siis F/A, missä MUTTA - tangon poikkipinta-ala. Tällaiseen sauvaan sovelletuna Hooken lailla on muoto

missä Y on Youngin moduuli, ts. tangon kimmokerroin jännitystä tai puristusta varten, joka luonnehtii tangon materiaalia. Youngin moduuli on pieni helposti venyville materiaaleille, kuten kumille, ja korkea jäykille materiaaleille, kuten teräkselle.

Jos nyt viritetään siihen puristusaalto lyömällä sauvan päähän vasaralla, niin se etenee nopeudella, jossa r, kuten aiemmin, on sen materiaalin tiheys, josta sauva on valmistettu. Joidenkin tyypillisten materiaalien aallonopeuksien arvot on annettu taulukossa. yksi.

Tarkasteltu aalto sauvassa on puristusaalto. Mutta sitä ei voida pitää tiukasti pitkittäisenä, koska tangon sivupinnan liike liittyy puristumiseen (kuva 3, a).

Myös kaksi muuta aaltotyyppiä ovat mahdollisia tangossa - taivutusaalto (kuva 3, b) ja vääntöaalto (kuva 3, sisään). Taivutusmuodonmuutokset vastaavat aaltoa, joka ei ole puhtaasti pitkittäinen eikä puhtaasti poikkisuuntainen. Vääntömuodonmuutokset, ts. kierto sauvan akselin ympäri, antaa puhtaasti poikittaisen aallon.

Taivutusaallon nopeus sauvassa riippuu aallonpituudesta. Tällaista aaltoa kutsutaan "hajottavaksi".

Tangossa olevat vääntöaallot ovat puhtaasti poikittaissuuntaisia ​​ja hajoamattomia. Niiden nopeus saadaan kaavasta

missä m- leikkausmoduuli, joka luonnehtii materiaalin elastisia ominaisuuksia suhteessa leikkausvoimaan. Joitakin tyypillisiä leikkausaallonopeuksia on esitetty taulukossa 1. yksi.

Nopeus laajennetussa kiinteässä materiaalissa.

Suuren tilavuuden kiinteissä väliaineissa, joissa rajojen vaikutus voidaan jättää huomiotta, kahden tyyppiset elastiset aallot ovat mahdollisia: pitkittäiset ja poikittaissuuntaiset.

Pitkittäisaallon muodonmuutos on tasomuodonmuutos, ts. yksiulotteinen kompressio (tai harvinaisuus) aallon etenemisen suunnassa. Poikittaisaaltoa vastaava muodonmuutos on aallon etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa oleva leikkaussiirtymä.

Pituusaaltojen nopeus kiinteissä materiaaleissa saadaan lausekkeella

missä C-L- kimmokerroin yksinkertaista tasomuodonmuutosta varten. Se liittyy bulkkimoduuliin AT(joka on määritelty alla) ja materiaalin leikkausmoduuli m as C L = B + 4/3m . Taulukossa. Kuva 1 näyttää pitkittäisaaltojen nopeuksien arvot eri kiinteille materiaaleille.

Leikkausaaltojen nopeus pidennetyssä kiinteässä väliaineessa on sama kuin vääntöaaltojen nopeus samaa materiaalia olevassa tangossa. Siksi se saadaan lausekkeella . Sen arvot tavanomaisille kiinteille materiaaleille on annettu taulukossa. yksi.

nopeus kaasuissa.

Kaasuissa vain yhden tyyppinen muodonmuutos on mahdollinen: puristus - harveneminen. Vastaava kimmomoduuli AT kutsutaan bulkkimoduuliksi. Sen määrää suhteet

-D P = B(D V/V).

Täällä D P- paineen muutos, D V/V on tilavuuden suhteellinen muutos. Miinusmerkki osoittaa, että paineen kasvaessa tilavuus pienenee.

Arvo AT riippuu siitä, muuttuuko kaasun lämpötila puristuksen aikana vai ei. Ääniaallon tapauksessa voidaan osoittaa, että paine muuttuu erittäin nopeasti ja puristuksen aikana vapautuva lämpö ei ehdi poistua järjestelmästä. Siten ääniaallon paineen muutos tapahtuu ilman lämmönvaihtoa ympäröivien hiukkasten kanssa. Tällaista muutosta kutsutaan adiabaattiseksi. On todettu, että äänen nopeus kaasussa riippuu vain lämpötilasta. Tietyssä lämpötilassa äänen nopeus on suunnilleen sama kaikille kaasuille. 21,1 °C:n lämpötilassa äänen nopeus kuivassa ilmassa on 344,4 m / s ja kasvaa lämpötilan noustessa.

Nopeus nesteissä.

Nesteiden ääniaallot ovat puristusaaltoja - harvinaistumista, kuten kaasuissa. Nopeus annetaan samalla kaavalla. Neste on kuitenkin paljon vähemmän kokoonpuristuva kuin kaasu ja siten määrä AT, enemmän ja tiheys r. Äänen nopeus nesteissä on lähempänä kiinteiden aineiden nopeutta kuin kaasuissa. Se on paljon pienempi kuin kaasuissa ja riippuu lämpötilasta. Esimerkiksi makeassa vedessä nopeus on 1460 m/s lämpötilassa 15,6 °C. Normaalin suolapitoisuuden omaavassa merivedessä se on 1504 m/s samassa lämpötilassa. Äänen nopeus kasvaa veden lämpötilan ja suolapitoisuuden noustessa.

seisovat aallot.

Kun harmoninen aalto viritetään suljetussa tilassa niin, että se pomppii rajoista, syntyy niin sanottuja seisovia aaltoja. Seisova aalto on seurausta kahden aallon superpositiosta, jotka kulkevat toinen eteenpäin ja toinen vastakkaiseen suuntaan. On olemassa värähtelykuvio, joka ei liiku avaruudessa, vuorotellen antisolmuja ja solmuja. Antisolmuissa värähtelevien hiukkasten poikkeamat tasapainoasennoista ovat maksimi ja solmuissa nolla.

Pysyvät aallot merkkijonossa.

Venytetyssä nauhassa syntyy poikittaisia ​​aaltoja, ja merkkijono siirtyy suhteessa alkuperäiseen, suoraviivaiseen asemaansa. Kun kuvataan aaltoja merkkijonossa, perusäänen ja ylisävyjen solmut ja antisolmut näkyvät selvästi.

Seisovien aaltojen kuva helpottaa suuresti tietynpituisen merkkijonon värähtelyliikkeiden analysointia. Olkoon pituinen merkkijono L kiinnitetty päihin. Kaikenlainen tällaisen merkkijonon värähtely voidaan esittää seisovien aaltojen yhdistelmänä. Koska merkkijonon päät ovat kiinteät, vain sellaiset seisovat aallot ovat mahdollisia, joilla on solmuja rajapisteissä. Merkkijonon alin värähtelytaajuus vastaa suurinta mahdollista aallonpituutta. Koska solmujen välinen etäisyys on l/2, taajuus on minimaalinen, kun merkkijonon pituus on puolet aallonpituudesta, ts. klo l= 2L. Tämä on niin sanottu merkkijonovärähtelyn perusmuoto. Sen vastaava taajuus, jota kutsutaan perustaajuudeksi tai perusääneksi, on annettu f = v/2L, missä v on aallon etenemisnopeus merkkijonoa pitkin.

On olemassa koko sarja korkeamman taajuuden värähtelyjä, jotka vastaavat seisovia aaltoja, joissa on enemmän solmuja. Seuraava korkeampi taajuus, jota kutsutaan toiseksi harmoniseksi tai ensimmäiseksi ylisäveleksi, on annettu

f = v/L.

Yliaaltojen järjestys ilmaistaan ​​kaavalla f = nv/2L, missä n= 1, 2, 3, jne. Tämä on ns. merkkijonojen värähtelyjen ominaistaajuudet. Ne kasvavat suhteessa luonnollisiin lukuihin: korkeammat harmoniset luvuissa 2, 3, 4... jne. kertaa perustaajuus. Tällaista äänisarjaa kutsutaan luonnolliseksi tai harmoniseksi asteikoksi.

Kaikella tällä on suuri merkitys musiikin akustiikassa, jota käsitellään tarkemmin alla. Toistaiseksi huomaamme, että merkkijonon tuottama ääni sisältää kaikki luonnolliset taajuudet. Jokaisen niiden suhteellinen osuus riippuu pisteestä, jossa merkkijonon värähtelyt virittyvät. Jos esimerkiksi napataan merkkijono keskeltä, niin perustaajuus on eniten jännittynyt, koska tämä piste vastaa antisolmua. Toinen harmoninen puuttuu, koska sen solmu sijaitsee keskellä. Samaa voidaan sanoa muista harmonisista ( Katso alempaa musiikillinen akustiikka).

Aaltojen nopeus merkkijonossa on

missä T - merkkijonojen jännitys ja rL - massa nauhan pituusyksikköä kohti. Siksi merkkijonon luonnollinen taajuusspektri on annettu kaavalla

Siten kielen jännityksen lisääntyminen johtaa värähtelytaajuuksien kasvuun. Alentaa värähtelytaajuutta tietyllä tavalla T voit ottaa raskaamman nauhan (iso r L) tai lisäämällä sen pituutta.

Seisovat aallot urkupillissä.

Kielen suhteen esitettyä teoriaa voidaan soveltaa myös ilmavärähtelyihin urkutyyppisessä putkessa. Urkupilli voidaan yksinkertaistetusti nähdä suorana piippuna, jossa seisovat aallot kiihtyvät. Putkella voi olla sekä suljettu että avoin pää. Seisovan aallon antisolmu esiintyy avoimessa päässä ja solmu suljetussa päässä. Siksi putkella, jossa on kaksi avointa päätä, on perustaajuus, jolla puolet aallonpituudesta sopii putken pituudelle. Toisaalta putkella, jonka toinen pää on auki ja toinen kiinni, on perustaajuus, jolla neljännes aallonpituudesta sopii putken pituudelle. Siten molemmista päistä avoimen putken perustaajuus on f =v/2L, ja toisesta päästä avoimelle putkelle, f = v/4L(missä L on putken pituus). Ensimmäisessä tapauksessa tulos on sama kuin merkkijonolla: ylisävyt ovat kaksinkertaisia, kolminkertaisia ​​ja niin edelleen. perustaajuuden arvo. Toisesta päästä avoimessa putkessa yliäänet ovat kuitenkin perustaajuutta suuremmat 3, 5, 7 jne. kerran.

Kuvassa Kuvat 4 ja 5 esittävät kaavamaisesti perustaajuuden seisovia aaltoja ja ensimmäisen ylisävyn kahden tarkastellun tyypin putkille. Mukavuussyistä siirtymät on esitetty tässä poikittaissuuntaisina, mutta itse asiassa ne ovat pitkittäisiä.

resonanssivärähtelyjä.

Seisovat aallot liittyvät läheisesti resonanssiilmiöön. Yllä käsitellyt luonnolliset taajuudet ovat myös kielen tai urkupillin resonanssitaajuuksia. Oletetaan, että kaiutin on sijoitettu lähelle urkuputken avointa päätä, joka lähettää tietyn taajuuden signaalin, jota voidaan muuttaa haluttaessa. Sitten, jos kaiuttimen signaalin taajuus on sama kuin putken päätaajuus tai jokin sen ylisävelistä, putki kuulostaa erittäin kovalta. Tämä johtuu siitä, että kaiutin herättää ilmapatsaan värähtelyjä merkittävällä amplitudilla. Trumpetin sanotaan resonoivan näissä olosuhteissa.

Fourier-analyysi ja äänen taajuusspektri.

Käytännössä yhden taajuuden ääniaallot ovat harvinaisia. Mutta monimutkaiset ääniaallot voidaan hajottaa harmonisiksi. Tätä menetelmää kutsutaan Fourier-analyysiksi ranskalaisen matemaatikon J. Fourierin (1768–1830) mukaan, joka käytti sitä ensimmäisenä (lämpöteoriassa).

Äänen värähtelyjen suhteellista energiaa taajuuteen nähden kuvaajaa kutsutaan äänen taajuusspektriksi. Tällaisia ​​spektrejä on kahta päätyyppiä: diskreetti ja jatkuva. Diskreetti spektri koostuu erillisistä juovista taajuuksille, jotka on erotettu tyhjillä välilyönneillä. Kaikki taajuudet ovat läsnä jatkuvassa spektrissä sen kaistalla.

Jaksottaiset äänivärähtelyt.

Äänivärähtelyt ovat jaksoittaisia, jos värähtelyprosessi, olipa se kuinka monimutkainen tahansa, toistetaan tietyn ajan kuluttua. Sen spektri on aina diskreetti ja koostuu tietyn taajuuden harmonisista. Tästä johtuu termi "harmoninen analyysi". Esimerkkinä ovat suorakulmaiset värähtelyt (kuva 6, a) amplitudin muutoksella alkaen +A ennen - MUTTA ja kausi T= 1/f. Toinen yksinkertainen esimerkki on kuvassa 1 esitetty kolmiomainen sahanhammasvärähtely. 6, b. Esimerkki monimutkaisemman muodon jaksollisista värähtelyistä vastaavien harmonisten komponenttien kanssa on esitetty kuvassa. 7.

Musiikin äänet ovat jaksoittaisia ​​värähtelyjä ja sisältävät siksi harmonisia (yläsävyjä). Olemme jo nähneet, että merkkijonossa perustaajuuden värähtelyjen ohella muita harmonisia viritetään tavalla tai toisella. Kunkin ylisävyn suhteellinen osuus riippuu tavasta, jolla merkkijono on viritetty. Ylisävyt määräytyvät suurelta osin sointi musiikillinen ääni. Näitä asioita käsitellään tarkemmin alla musiikillista akustiikkaa käsittelevässä osiossa.

Äänipulssin spektri.

Tavallinen äänivalikoima on lyhytkestoinen ääni: käsien taputtaminen, oven koputtaminen, lattialle putoavan esineen ääni, käkikäki. Tällaiset äänet eivät ole jaksollisia eivätkä musikaalisia. Mutta ne voidaan myös hajottaa taajuusspektriin. Tässä tapauksessa spektri on jatkuva: äänen kuvaamiseen tarvitaan kaikki taajuudet tietyllä kaistalla, joka voi olla melko laaja. Tällaisen taajuusspektrin tunteminen on välttämätöntä tällaisten äänien toistamiseksi ilman vääristymiä, koska vastaavan elektronisen järjestelmän on "läpäistävä" kaikki nämä taajuudet yhtä hyvin.

Äänipulssin pääpiirteet voidaan selvittää tarkastelemalla yksinkertaisen muotoista pulssia. Oletetaan, että ääni on D-kestoinen värähtely t, jossa paineen muutos on kuvan mukainen. kahdeksan, a. Tämän tapauksen likimääräinen taajuusspektri on esitetty kuvassa. kahdeksan, b. Keskitaajuus vastaa värähtelyjä, jotka meillä olisi, jos samaa signaalia jatkettaisiin loputtomasti.

Taajuusspektrin pituutta kutsutaan kaistanleveydeksi D f(Kuva 8, b). Kaistanleveys on likimääräinen taajuusalue, joka tarvitaan alkuperäisen pulssin toistamiseen ilman liiallista säröä. D:n välillä on hyvin yksinkertainen perustavanlaatuinen suhde f ja D t, nimittäin

D f D t" yksi.

Tämä suhde pätee kaikkiin äänipulsseihin. Sen merkitys on, että mitä lyhyempi pulssi, sitä enemmän taajuuksia se sisältää. Oletetaan, että kaikuluotaimen avulla havaitaan sukellusvene, joka lähettää ultraääntä pulssin muodossa, jonka kesto on 0,0005 s ja signaalitaajuus 30 kHz. Kaistanleveys on 1/0,0005 = 2 kHz, ja paikannuspulssin spektriin todellisuudessa sisältyvät taajuudet ovat alueella 29-31 kHz.

Melu.

Melu tarkoittaa mitä tahansa ääntä, jonka useat, koordinoimattomat lähteet tuottavat. Esimerkki on tuulen heiluttamien puiden lehtien ääni. Suihkumoottorin melu johtuu suuren nopeuden pakokaasuvirran turbulenssista. Melua pidetään ärsyttävänä äänenä Art. YMPÄRISTÖN AKUSTINEN SAASTUS.

Äänen intensiteetti.

Äänenvoimakkuus voi vaihdella. On helppo nähdä, että tämä johtuu ääniaallon kuljettamasta energiasta. Äänenvoimakkuuden kvantitatiivista vertailua varten on tarpeen ottaa käyttöön äänenvoimakkuuden käsite. Ääniaallon intensiteetti määritellään keskimääräiseksi energiavuoksi aaltorintaman yksikköpinta-alan läpi aikayksikköä kohti. Toisin sanoen, jos otamme yhden alueen (esim. 1 cm 2), joka absorboi äänen kokonaan, ja asetamme sen kohtisuoraan aallon etenemissuuntaa vastaan, niin äänen intensiteetti on yhtä suuri kuin sekunnissa absorboitunut akustinen energia. . Voimakkuus ilmaistaan ​​yleensä yksikössä W/cm2 (tai W/m2).

Annamme tämän arvon joillekin tutuille äänille. Normaalissa keskustelussa esiintyvän ylipaineen amplitudi on noin miljoonasosa ilmakehän paineesta, mikä vastaa luokkaa 10-9 W/cm 2 olevaa akustista äänenvoimakkuutta. Normaalin keskustelun aikana lähtevän äänen kokonaisteho on vain 0,00001 wattia. Ihmiskorvan kyky havaita niin pieniä energioita todistaa sen hämmästyttävästä herkkyydestä.

Korvamme havaitsemien äänenvoimakkuuksien vaihteluväli on hyvin laaja. Voimakkaimman äänen voimakkuus, jonka korva voi kantaa, on noin 1014 kertaa sen kuulema minimi. Äänilähteiden täysi teho kattaa yhtä laajan alueen. Näin ollen erittäin hiljaisen kuiskauksen aikana säteilevä teho voi olla luokkaa 10–9 W, kun taas suihkumoottorin säteilevä teho on 10–5 W. Jälleen intensiteetit eroavat kertoimella 10 14.

Desibeli.

Koska äänien voimakkuus vaihtelee niin paljon, on helpompi ajatella sitä logaritmisena arvona ja mitata se desibeleinä. Intensiteetin logaritminen arvo on logaritmi suuren tarkastelun arvon ja sen arvon välisestä suhteesta, joka on otettu alkuperäiseksi. Intensiteettitaso J jonkin ehdollisesti valitun intensiteetin suhteen J 0 on

Äänen intensiteettitaso = 10 lg ( J/J 0) dB.

Näin ollen yksi ääni, joka on 20 dB voimakkaampi kuin toinen, on 100 kertaa voimakkaampi.

Akustisissa mittauksissa on tapana ilmaista äänen intensiteetti vastaavalla ylipaineamplitudilla P e. Kun paine mitataan desibeleinä suhteessa johonkin tavanomaisesti valittuun paineeseen R 0, saat ns. äänenpainetason. Koska äänen intensiteetti on verrannollinen voimakkuuteen P e 2 ja lg( P e 2) = 2 lg P e, äänenpainetaso määritetään seuraavasti:

Äänenpainetaso = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Nimellinen paine R 0 = 2×10–5 Pa vastaa 1 kHz:n taajuuden normaalia kuulokynnystä. Taulukossa. 2 näyttää joidenkin yleisten äänilähteiden äänenpainetasot. Nämä ovat kokonaisarvoja, jotka saadaan laskemalla keskiarvo koko kuultavissa taajuusalueella.

Äänenvoimakkuus.

Äänenpainetaso ei liity yksinkertaiseen suhteeseen äänenvoimakkuuden psykologiseen havaintoon. Ensimmäinen näistä tekijöistä on objektiivinen ja toinen on subjektiivinen. Kokeet osoittavat, että äänenvoimakkuuden havaitseminen ei riipu pelkästään äänen voimakkuudesta, vaan myös sen taajuudesta ja koeolosuhteista.

Niiden äänien voimakkuuksia, jotka eivät ole sidottu vertailun ehtoihin, ei voida verrata. Silti puhtaiden sävyjen vertailu kiinnostaa. Määritä tätä varten äänenpainetaso, jolla tietty ääni koetaan yhtä kovaksi kuin tavallinen ääni, jonka taajuus on 1000 Hz. Kuvassa Kuvio 9 esittää Fletcherin ja Mansonin kokeissa saadut yhtäläiset äänenvoimakkuuskäyrät. Jokaiselle käyrälle ilmoitetaan 1000 Hz:n vakioäänen vastaava äänenpainetaso. Esimerkiksi 200 Hz:n äänitaajuudella tarvitaan 60 dB:n äänitaso, joka on yhtä suuri kuin 1000 Hz:n ääni, jonka äänenpainetaso on 50 dB.

Näitä käyriä käytetään määrittämään huminaa, äänenvoimakkuuden yksikköä, joka mitataan myös desibeleinä. Taustalla tarkoitetaan äänenvoimakkuuden tasoa, jolla yhtä voimakkaan vakiopuhdasäänen (1000 Hz) äänenpainetaso on 1 dB. Joten äänen, jonka taajuus on 200 Hz 60 dB:n tasolla, äänenvoimakkuus on 50 phons.

Alempi käyrä kuvassa 9 on hyvän korvan kuulokynnyskäyrä. Kuultavien taajuuksien alue ulottuu noin 20 - 20 000 Hz.

Ääniaaltojen leviäminen.

Kuten pysähdykseen heitetyn kiven aallot, ääniaallot leviävät kaikkiin suuntiin. Tällaista etenemisprosessia on kätevää luonnehtia aaltorintamaksi. Aaltorintama on pinta avaruudessa, jonka kaikissa pisteissä esiintyy värähtelyjä samassa vaiheessa. Veteen pudonneen kiven aaltorintamat ovat ympyröitä.

Litteät aallot.

Yksinkertaisimman muodon aaltorinta on tasainen. Tasoaalto etenee vain yhteen suuntaan ja on idealisaatio, joka toteutuu käytännössä vain suunnilleen. Ääniaaltoa putkessa voidaan pitää suunnilleen litteänä, aivan kuten pallomaista aaltoa, joka on suurella etäisyydellä lähteestä.

pallomaiset aallot.

Yksinkertaisia ​​aaltotyyppejä ovat aalto, jolla on pallomainen eturintama, joka lähtee pisteestä ja etenee kaikkiin suuntiin. Tällainen aalto voidaan herättää käyttämällä pientä sykkivää palloa. Lähdettä, joka herättää pallomaisen aallon, kutsutaan pistelähteeksi. Tällaisen aallon intensiteetti pienenee sen edetessä, kun energia jakautuu yhä suuremman säteen pallolle.

Jos pallomaisen aallon tuottava pistelähde säteilee tehoa 4 pQ, sitten, koska säteen omaavan pallon pinta-ala r on yhtä kuin 4 p r 2, äänen intensiteetti pallomaisessa aallossa on yhtä suuri kuin

J = K/r 2 ,

missä r on etäisyys lähteestä. Siten pallomaisen aallon intensiteetti pienenee käänteisesti lähteen etäisyyden neliön kanssa.

Minkä tahansa ääniaallon intensiteetti sen etenemisen aikana pienenee äänen absorption vuoksi. Tätä ilmiötä käsitellään alla.

Huygensin periaate.

Huygensin periaate pätee aaltorintaman etenemiseen. Tarkastellaanpa sen selventämiseksi meille jossain vaiheessa tuntemaa aaltorintaman muotoa. Se löytyy jopa hetken kuluttua D t, jos kutakin alkuperäisen aaltorintaman pistettä pidetään alkeellisen pallomaisen aallon lähteenä, joka etenee tämän aikavälin yli etäisyyteen v D t. Kaikkien näiden alkeellisten pallomaisten aaltorinteiden verho on uusi aaltorintama. Huygensin periaate mahdollistaa aaltorintaman muodon määrittämisen koko etenemisprosessin ajan. Se tarkoittaa myös, että aallot, sekä taso- että pallomaiset, säilyttävät geometriansa etenemisen aikana, edellyttäen, että väliaine on homogeeninen.

äänen diffraktio.

Diffraktio on esteen ympärillä taipuva aalto. Diffraktio analysoidaan käyttämällä Huygensin periaatetta. Tämän taivutuksen aste riippuu aallonpituuden ja esteen tai reiän koon välisestä suhteesta. Koska ääniaallon aallonpituus on monta kertaa pidempi kuin valon, ääniaaltojen diffraktio yllättää meidät vähemmän kuin valon diffraktio. Joten voit puhua jollekulle, joka seisoo rakennuksen kulman takana, vaikka hän ei ole näkyvissä. Ääniaalto taipuu helposti kulman taakse, kun taas valo luo aallonpituutensa pienenä teräviä varjoja.

Harkitse tasaiselle tasaiselle näytölle, jossa on reikä, tulevan tasoääniaallon diffraktiota. Jotta voit määrittää aaltorintaman muodon näytön toisella puolella, sinun on tiedettävä aallonpituuden välinen suhde l ja reiän halkaisija D. Jos nämä arvot ovat suunnilleen samat tai l paljon enemmän D, niin saadaan täydellinen diffraktio: lähtevän aallon aaltorintama on pallomainen ja aalto saavuttaa kaikki näytön takana olevat pisteet. Jos l hieman vähemmän D, silloin lähtevä aalto etenee pääasiassa eteenpäin. Ja lopuksi, jos l paljon vähemmän D, silloin kaikki sen energia etenee suoraviivaisesti. Nämä tapaukset on esitetty kuvassa. kymmenen.

Diffraktiota havaitaan myös silloin, kun äänen tiellä on este. Jos esteen mitat ovat paljon suuremmat kuin aallonpituus, ääni heijastuu ja esteen taakse muodostuu akustinen varjovyöhyke. Kun esteen koko on verrattavissa aallonpituuteen tai pienempi kuin aallonpituus, ääni taittuu jossain määrin kaikkiin suuntiin. Tämä on otettu huomioon arkkitehtonisessa akustiikassa. Joten esimerkiksi joskus rakennuksen seinät peitetään ulkonemilla, joiden mitat ovat äänen aallonpituuden suuruusluokkaa. (100 Hz:n taajuudella aallonpituus ilmassa on noin 3,5 m.) Tässä tapauksessa seinille putoava ääni hajoaa kaikkiin suuntiin. Arkkitehtonisessa akustiikassa tätä ilmiötä kutsutaan äänen diffuusioksi.

Heijastus ja äänen siirto.

Kun yhdessä väliaineessa kulkeva ääniaalto osuu rajapinnalle toisen väliaineen kanssa, kolme prosessia voi tapahtua samanaikaisesti. Aalto voi heijastua rajapinnasta, se voi siirtyä toiseen väliaineeseen suuntaa muuttamatta tai se voi muuttaa suuntaa rajapinnassa, ts. taittaa. Kuvassa Kuvassa 11 on esitetty yksinkertaisin tapaus, jossa tasoaalto osuu suorassa kulmassa tasaiseen pintaan, joka erottaa kaksi eri ainetta. Jos intensiteetin heijastuskerroin, joka määrittää heijastuneen energian osuuden, on yhtä suuri R, niin lähetyskerroin on yhtä suuri kuin T = 1 – R.

Ääniaallon osalta ylipaineen suhdetta värähtelyn tilavuusnopeuteen kutsutaan akustiseksi impedanssiksi. Heijastus- ja lähetyskertoimet riippuvat näiden kahden väliaineen aaltoimpedanssien suhteesta, aaltoimpedanssit puolestaan ​​ovat verrannollisia akustisiin impedansseihin. Kaasujen aallonvastus on paljon pienempi kuin nesteiden ja kiinteiden aineiden. Joten jos aalto ilmassa osuu paksuun kiinteään esineeseen tai syvän veden pintaan, ääni heijastuu melkein kokonaan. Esimerkiksi ilman ja veden rajalla aallonvastusten suhde on 0,0003. Vastaavasti ilmasta veteen siirtyvän äänen energia on vain 0,12 % tulevasta energiasta. Heijastus- ja läpäisykertoimet ovat käännettäviä: heijastuskerroin on läpäisykerroin vastakkaiseen suuntaan. Siten ääni ei käytännössä tunkeudu ilmasta vesialtaaseen eikä veden alta ulkopuolelle, mikä on hyvin tuttua kaikille veden alla uiville.

Edellä tarkastellun heijastuksen tapauksessa oletettiin, että toisen väliaineen paksuus aallon etenemisen suunnassa on suuri. Mutta lähetyskerroin on paljon suurempi, jos toinen väliaine on seinä, joka erottaa kaksi identtistä mediaa, kuten kiinteä väliseinä huoneiden välillä. Tosiasia on, että seinämän paksuus on yleensä pienempi kuin äänen aallonpituus tai verrattavissa siihen. Jos seinämän paksuus on kerrannainen seinässä olevan äänen aallonpituuden puolella, niin aallon läpäisykerroin kohtisuorassa tulossa on erittäin suuri. Ohjainlevy olisi täysin läpinäkyvä tämän taajuuden äänelle, ellei se olisi absorptiota, jonka jätämme tässä huomiotta. Jos seinämän paksuus on paljon pienempi kuin siinä olevan äänen aallonpituus, heijastus on aina pieni ja läpäisy suuri, ellei erityistoimenpiteitä ryhdytä lisäämään äänen absorptiota.

äänen taittuminen.

Kun tasoääniaalto osuu rajapinnalle kulmassa, sen heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma. Lähetetty aalto poikkeaa tulevan aallon suunnasta, jos tulokulma on eri kuin 90°. Tätä aallon suunnan muutosta kutsutaan taittumaksi. Taittumisen geometria tasaisella rajalla on esitetty kuvassa. 12. Aaltojen suunnan ja pinnan normaalin väliset kulmat on esitetty q 1 tulevalle aallolle ja q 2 - taittuneelle menneisyydelle. Näiden kahden kulman välinen suhde sisältää vain kahden median äänennopeuksien suhteen. Kuten valoaaltojen tapauksessa, nämä kulmat liittyvät toisiinsa Snellin (Snell) lain mukaan:

Siten, jos äänen nopeus toisessa väliaineessa on pienempi kuin ensimmäisessä, taitekulma on pienempi kuin tulokulma; jos nopeus toisessa väliaineessa on suurempi, taitekulma on suurempi kuin tulokulma.

Lämpötilagradientin aiheuttama taittuminen.

Jos äänen nopeus epähomogeenisessa väliaineessa muuttuu jatkuvasti pisteestä toiseen, muuttuu myös taittuminen. Koska äänen nopeus sekä ilmassa että vedessä riippuu lämpötilasta, lämpötilagradientin läsnäollessa ääniaallot voivat muuttaa liikesuuntaansa. Ilmakehässä ja valtameressä havaitaan yleisesti pystysuuntaisia ​​lämpötilagradientteja vaakasuuntaisen kerrostumisen vuoksi. Siksi pystysuorassa suunnassa tapahtuvien äänen nopeuden muutosten vuoksi, lämpötilagradienttien vuoksi, ääniaalto voi poiketa joko ylös tai alas.

Tarkastellaanpa tapausta, jossa ilma on lämpimämpää jossain paikassa lähellä maan pintaa kuin korkeammissa kerroksissa. Sitten korkeuden kasvaessa ilman lämpötila laskee täällä, ja sen myötä myös äänen nopeus laskee. Maan pinnan lähellä olevan lähteen lähettämä ääni nousee taittumisen vuoksi. Tämä on esitetty kuvassa. 13, joka näyttää ääni "säteet".

Kuvassa näkyvä äänisäteiden taipuma. 13 kuvataan yleisesti Snellin lailla. Jos läpi q, kuten aiemmin, merkitsee pystysuoran ja säteilysuunnan välistä kulmaa, niin yleistetyllä Snellin lailla on yhtäläisyyssyn muoto q/v= const viittaa mihin tahansa säteen pisteeseen. Näin ollen, jos säde kulkee alueelle, jossa nopeus v pienenee, sitten kulma q pitäisi myös laskea. Siksi äänikeilat poikkeavat aina laskevan äänennopeuden suuntaan.

Kuvasta 13 voidaan nähdä, että jossain etäisyydellä lähteestä on alue, jonne äänisäteet eivät tunkeudu ollenkaan. Tämä on niin kutsuttu hiljaisuuden vyöhyke.

On täysin mahdollista, että jossain korkeudessa, joka on suurempi kuin kuvassa 1 esitetty. 13, lämpötilagradientin vuoksi äänen nopeus kasvaa korkeuden mukana. Tässä tapauksessa alun perin poikkeama ylöspäin suuntautunut ääniaalto poikkeaa täältä maan pinnalle suuren matkan päässä. Tämä tapahtuu, kun ilmakehään muodostuu lämpötilan inversiokerros, jonka seurauksena on mahdollista vastaanottaa erittäin pitkän kantaman äänisignaaleja. Samalla etäpisteissä vastaanoton laatu on jopa parempi kuin lähellä. Historiassa on ollut monia esimerkkejä erittäin pitkän kantaman vastaanotosta. Esimerkiksi ensimmäisen maailmansodan aikana, kun ilmakehän olosuhteet suosivat riittävää äänen taittumista, Ranskan rintamalla kuului kanuonaateja Englannissa.

Äänen taittuminen veden alla.

Meressä havaitaan myös pystysuuntaisten lämpötilamuutosten aiheuttamaa äänen taittumista. Jos lämpötila ja siten myös äänen nopeus laskee syvyyden myötä, äänisäteet poikkeavat alaspäin, jolloin syntyy samanlainen hiljaisuusvyöhyke kuin kuvassa 1. 13 tunnelmaa varten. Merelle vastaava kuva tulee näkyviin, jos tämä kuva yksinkertaisesti käännetään.

Hiljaisuusvyöhykkeiden olemassaolo vaikeuttaa sukellusveneiden havaitsemista kaikuluotaimella, ja ääniaaltoja alaspäin ohjaava taittuminen rajoittaa merkittävästi niiden leviämisaluetta lähellä pintaa. Kuitenkin havaitaan myös taipuma ylöspäin. Se voi luoda suotuisammat olosuhteet kaikuluotaimelle.

Ääniaaltojen häiriöt.

Kahden tai useamman aallon superpositiota kutsutaan aaltohäiriöksi.

Seisovat aallot häiriöiden seurauksena.

Yllä olevat seisovat aallot ovat erityinen häiriötapaus. Seisovia aaltoja muodostuu kahden saman amplitudin, vaiheen ja taajuuden omaavan aallon superpositiosta, jotka etenevät vastakkaisiin suuntiin.

Seisovan aallon antisolmujen amplitudi on yhtä suuri kuin kaksi kertaa kunkin aallon amplitudi. Koska aallon intensiteetti on verrannollinen sen amplitudin neliöön, tämä tarkoittaa, että intensiteetti antisolmuissa on 4 kertaa suurempi kuin kunkin aallon intensiteetti tai 2 kertaa suurempi kuin kahden aallon kokonaisintensiteetti. Tässä ei rikota energian säilymislakia, koska intensiteetti solmuissa on nolla.

lyö.

Myös eri taajuuksien harmonisten aaltojen häiriöt ovat mahdollisia. Kun kaksi taajuutta eroavat vähän, syntyy niin sanottuja lyöntejä. Beats ovat muutoksia äänen amplitudissa, jotka tapahtuvat taajuudella, joka on yhtä suuri kuin alkuperäisten taajuuksien välinen ero. Kuvassa 14 esittää lyönnin aaltomuodon.

On pidettävä mielessä, että lyöntitaajuus on äänen amplitudimodulaation taajuus. Myöskään lyöntejä ei pidä sekoittaa harmonisen signaalin vääristymisestä johtuvaan erotaajuuteen.

Lyöntejä käytetään usein viritettäessä kahta säveltä samaan aikaan. Taajuutta säädetään, kunnes lyöntejä ei enää kuulu. Vaikka lyöntitaajuus on hyvin alhainen, ihmiskorva pystyy havaitsemaan äänenvoimakkuuden jaksoittaisen nousun ja laskun. Siksi lyönnit ovat erittäin herkkä viritysmenetelmä äänialueella. Jos asetus ei ole tarkka, taajuusero voidaan määrittää korvalla laskemalla lyöntien määrä yhdessä sekunnissa. Musiikissa korkeampien harmonisten komponenttien lyöntejä havaitaan myös korvalla, jota käytetään pianon virittämisessä.

Ääniaaltojen imeytyminen.

Ääniaaltojen intensiteetti niiden etenemisprosessissa laskee aina johtuen siitä, että tietty osa akustisesta energiasta on hajallaan. Lämmönsiirtoprosessien, molekyylien välisen vuorovaikutuksen ja sisäisen kitkan ansiosta ääniaallot absorboituvat missä tahansa väliaineessa. Absorption intensiteetti riippuu ääniaallon taajuudesta ja muista tekijöistä, kuten väliaineen paineesta ja lämpötilasta.

Aallon absorptio väliaineessa on kvantitatiivisesti karakterisoitu absorptiokertoimella a. Se osoittaa, kuinka nopeasti ylipaine laskee etenevän aallon kulkeman matkan mukaan. Ylipaineen amplitudi laskee –D P e ohittaessaan matkaa D X verrannollinen alkuperäisen ylipaineen amplitudiin P e ja etäisyys D X. Täten,

-D P e = a P e D x.

Esimerkiksi kun sanomme, että absorptiohäviö on 1 dB/m, tämä tarkoittaa, että 50 m etäisyydellä äänenpainetaso laskee 50 dB.

Absorptio sisäisen kitkan ja lämmönjohtavuuden vuoksi.

Ääniaallon etenemiseen liittyvien hiukkasten liikkeen aikana kitka väliaineen eri hiukkasten välillä on väistämätöntä. Nesteissä ja kaasuissa tätä kitkaa kutsutaan viskositeetiksi. Viskositeetti, joka määrää akustisen aaltoenergian peruuttamattoman muuntumisen lämmöksi, on tärkein syy äänen absorptioon kaasuissa ja nesteissä.

Lisäksi kaasujen ja nesteiden absorptio johtuu lämpöhäviöstä puristuksen aikana aallossa. Olemme jo sanoneet, että aallon kulun aikana puristusvaiheessa oleva kaasu lämpenee. Tässä nopeasti virtaavassa prosessissa lämpö ei yleensä ehdi siirtyä kaasun muille alueille tai astian seinille. Mutta todellisuudessa tämä prosessi ei ole ihanteellinen, ja osa vapautuneesta lämpöenergiasta poistuu järjestelmästä. Tähän liittyy lämmön johtumisesta johtuva äänen absorptio. Tällainen absorptio tapahtuu puristusaalloissa kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa.

Äänen absorptio, joka johtuu sekä viskositeetista että lämmönjohtavuudesta, yleensä kasvaa taajuuden neliön myötä. Siten korkeataajuiset äänet absorboituvat paljon voimakkaammin kuin matalataajuiset äänet. Esimerkiksi normaalipaineessa ja lämpötilassa absorptiokerroin (johtuen molemmista mekanismeista) 5 kHz:n taajuudella ilmassa on noin 3 dB/km. Koska absorptio on verrannollinen taajuuden neliöön, absorptiokerroin 50 kHz:llä on 300 dB/km.

Imeytyminen kiinteisiin aineisiin.

Lämmönjohtavuudesta ja viskositeetista johtuva äänen absorptiomekanismi, joka tapahtuu kaasuissa ja nesteissä, säilyy myös kiinteissä aineissa. Tähän lisätään kuitenkin uusia absorptiomekanismeja. Ne liittyvät kiinteiden aineiden rakenteen virheisiin. Asia on siinä, että monikiteiset kiinteät materiaalit koostuvat pienistä kristalliiteista; kun ääni kulkee niiden läpi, tapahtuu muodonmuutoksia, mikä johtaa äänienergian imeytymiseen. Ääni on myös hajallaan kristalliittien rajoilla. Lisäksi jopa yksittäiskiteissä on dislokaatiotyyppisiä vikoja, jotka vaikuttavat äänen absorptioon. Dislokaatiot ovat atomitasojen koordinaation rikkomuksia. Kun ääniaalto saa atomit värähtelemään, dislokaatiot liikkuvat ja palaavat sitten alkuperäiseen asentoonsa, jolloin sisäisen kitkan aiheuttama energia haihtuu.

Dislokaatioista johtuva imeytyminen selittää erityisesti sen, miksi lyijykello ei soi. Lyijy on pehmeä metalli, jossa on paljon dislokaatioita, ja siksi siinä oleva äänivärähtely vaimenee erittäin nopeasti. Mutta se soi hyvin, jos se jäähdytetään nestemäisellä ilmalla. Alhaisissa lämpötiloissa dislokaatiot "jäätyvät" kiinteään asentoon, eivätkä siksi liiku eivätkä muuta äänienergiaa lämmöksi.

MUSIIKKIAKUSTIIKKA

Musiikin äänet.

Musiikin akustiikka tutkii musiikin äänten ominaisuuksia, niiden havaitsemiseen liittyviä ominaisuuksia sekä soittimien äänen mekanismeja.

Musiikin ääni tai sävy on jaksollinen ääni, ts. vaihtelut, jotka toistuvat yhä uudelleen ja uudelleen tietyn ajan kuluttua. Yllä sanottiin, että jaksollinen ääni voidaan esittää värähtelyjen summana, jonka taajuudet ovat perustaajuuden kerrannaisia f: 2f, 3f, 4f jne. Todettiin myös, että värähtelevät kielet ja ilmapylväät lähettävät musiikkiääniä.

Musiikin äänet erottuvat kolmesta ominaisuudesta: äänenvoimakkuus, sävelkorkeus ja sointi. Kaikki nämä indikaattorit ovat subjektiivisia, mutta ne voidaan liittää mitattuihin arvoihin. Äänenvoimakkuus liittyy pääasiassa äänen voimakkuuteen; äänen korkeus, joka kuvaa sen sijaintia musiikkijärjestelmässä, määräytyy äänen taajuuden mukaan; sointiin, jolla yksi instrumentti tai ääni eroaa toisesta, on ominaista energian jakautuminen harmonisten yli ja tämän jakautumisen muutos ajan myötä.

Äänenkorkeus.

Musiikin äänen korkeus liittyy läheisesti taajuuteen, mutta ei identtinen sen kanssa, koska äänenkorkeuden arviointi on subjektiivinen.

Joten esimerkiksi havaittiin, että yksitaajuisen äänen korkeuden arvio riippuu jonkin verran sen voimakkuuden tasosta. Kun äänenvoimakkuus kasvaa merkittävästi, esimerkiksi 40 dB, näennäinen taajuus voi laskea 10 %. Käytännössä tällä äänenvoimakkuudesta riippuvuudella ei ole väliä, koska musiikin äänet ovat paljon monimutkaisempia kuin yksitaajuinen ääni.

Mitä tulee kysymykseen sävelkorkeuden ja taajuuden välisestä suhteesta, jokin muu on tärkeämpää: jos musiikin äänet koostuvat harmonisista, niin mihin taajuuteen havaittu sävelkorkeus liittyy? Osoittautuu, että tämä ei ehkä ole taajuus, joka vastaa maksimienergiaa, eikä spektrin alinta taajuutta. Joten esimerkiksi musiikillinen ääni, joka koostuu 200, 300, 400 ja 500 Hz:n taajuuksista, koetaan äänenä, jonka korkeus on 100 Hz. Eli sävelkorkeus liittyy harmonisen sarjan perustaajuuteen, vaikka se ei olisikaan äänen spektrissä. Totta, useimmiten perustaajuus on jossain määrin spektrissä läsnä.

Puhuttaessa äänenkorkeuden ja sen taajuuden välisestä suhteesta, ei pidä unohtaa ihmisen kuuloelimen ominaisuuksia. Tämä on erityinen akustinen vastaanotin, joka tuo omat vääristymisensä (puhumattakaan siitä, että kuuloon liittyy psykologisia ja subjektiivisia puolia). Korva pystyy valitsemaan joitain taajuuksia, lisäksi ääniaalto läpikäy siinä epälineaarisia vääristymiä. Taajuusselektiivisyys johtuu äänen voimakkuuden ja voimakkuuden välisestä erosta (kuva 9). On vaikeampaa selittää epälineaarisia vääristymiä, jotka ilmenevät alkuperäisestä signaalista puuttuvien taajuuksien esiintymisenä. Korvan reaktion epälineaarisuus johtuu sen eri elementtien liikkeen epäsymmetriasta.

Yksi epälineaarisen vastaanottojärjestelmän ominaispiirteistä on se, että se viritetään äänellä, jolla on taajuus f 1 harmoniset ylisävyt ovat innostuneet siinä 2 f 1 , 3f 1 ,... ja joissain tapauksissa myös tyypin 1/2 aliharmoniset f yksi . Lisäksi kun epälineaarista järjestelmää viritetään kahdella taajuudella f 1 ja f 2, summa- ja erotaajuudet kiihtyvät siinä f 1 + f 2 ja f 1 - f 2. Mitä suurempi alkuvärähtelyjen amplitudi on, sitä suurempi on "ylimääräisten" taajuuksien osuus.

Siten korvan akustisten ominaisuuksien epälineaarisuuden vuoksi voi ilmaantua taajuuksia, jotka puuttuvat äänestä. Tällaisia ​​taajuuksia kutsutaan subjektiivisiksi ääniksi. Oletetaan, että ääni koostuu puhtaista äänistä, joiden taajuudet ovat 200 ja 250 Hz. Vasteen epälineaarisuuden vuoksi ilmaantuu lisätaajuuksia 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz jne. Kuulijasta tuntuu, että äänessä on koko joukko yhdistelmätaajuuksia, mutta niiden esiintyminen johtuu itse asiassa korvan epälineaarisesta vasteesta. Kun musiikillinen ääni koostuu perustaajuudesta ja sen harmonisista harmonisista, on selvää, että erotaajuudet vahvistavat tehokkaasti perustaajuutta.

On totta, että tutkimukset ovat osoittaneet, että subjektiiviset taajuudet syntyvät vain riittävän suurella alkuperäisen signaalin amplitudilla. Siksi on mahdollista, että aiemmin subjektiivisten taajuuksien rooli musiikissa oli suuresti liioiteltu.

Musiikkistandardit ja musiikin äänenkorkeuden mittaaminen.

Musiikin historiassa eri taajuuksilla olevat äänet otettiin pääsäveleksi, joka määrää koko musiikillisen rakenteen. Nyt ensimmäisen oktaavin "la" nuotin yleisesti hyväksytty taajuus on 440 Hz. Mutta aiemmin se on muuttunut 400:sta 462 Hz:iin.

Perinteinen tapa määrittää äänen korkeus on verrata sitä tavallisen äänihaarukan sävyyn. Tietyn äänen taajuuden poikkeama standardista arvioidaan lyöntien läsnäolon perusteella. Äänityshaarukat ovat edelleen käytössä, vaikka nyt on olemassa kätevämpiä laitteita äänenkorkeuden määrittämiseen, kuten vakaa taajuusreferenssioskillaattori (kvartsiresonaattorilla), jota voidaan virittää tasaisesti koko äänialueella. Totta, tällaisen laitteen tarkka kalibrointi on melko vaikeaa.

Laajassa käytössä on stroboskooppinen sävelkorkeuden mittausmenetelmä, jossa soittimen ääni asettaa strobolampun välähdystaajuuden. Lamppu valaisee levyllä olevan kuvion, joka pyörii tunnetulla taajuudella, ja äänen perustaajuus määräytyy levyllä olevan kuvion näennäisen liiketaajuuden perusteella stroboskooppisessa valaistuksessa.

Korva on erittäin herkkä äänenkorkeuden muutoksille, mutta sen herkkyys riippuu taajuudesta. Se on suurin lähellä kuuluvuuden alarajaa. Jopa kouluttamaton korva pystyy havaitsemaan vain 0,3 % eron 500 ja 5000 Hz:n välillä. Herkkyyttä voi lisätä harjoittelemalla. Muusikoilla on erittäin kehittynyt äänenkorkeuden taju, mutta tämä ei aina auta määritettäessä referenssioskillaattorin tuottaman puhtaan äänen taajuutta. Tämä viittaa siihen, että määritettäessä äänen taajuutta korvalla, sen sointi on tärkeä rooli.

Sävy.

Ääniväri viittaa niihin musiikin äänten ominaisuuksiin, jotka antavat soittimille ja äänille niiden ainutlaatuisen ominaisuuden, vaikka vertaillaankin samankorkeisia ja -voimakkuuksia. Tämä on niin sanotusti äänenlaatu.

Sävy riippuu äänen taajuusspektristä ja sen muutoksista ajan myötä. Sen määräävät useat tekijät: energian jakautuminen ylisävelten yli, taajuudet, jotka esiintyvät sillä hetkellä, kun ääni ilmestyy tai pysähtyy (ns. siirtymääänet) ja niiden vaimeneminen, sekä äänen hidas amplitudi- ja taajuusmodulaatio. ("vibrato").

ylisävelen intensiteetti.

Tarkastellaan venytettyä lankaa, joka kiihtyy puristuksella sen keskiosassa (kuva 15, a). Koska kaikilla parillisilla harmonisilla on solmuja keskellä, ne puuttuvat ja värähtelyt koostuvat parittomista harmonisista perustaajuudesta f 1 = v/2l, missä v- aallon nopeus merkkijonossa ja l on sen pituus. Siten vain taajuudet ovat läsnä f 1 , 3f 1 , 5f 1 jne. Näiden harmonisten suhteelliset amplitudit on esitetty kuvissa 1 ja 2. viisitoista, b.

Tämän esimerkin avulla voimme tehdä seuraavan tärkeän yleisen johtopäätöksen. Resonanssijärjestelmän harmonisten joukon määrää sen konfiguraatio, ja energian jakautuminen harmonisten yli riippuu herätemenetelmästä. Kun merkkijono kiihtyy keskeltä, perustaajuus hallitsee ja tasaiset harmoniset tukahdutetaan kokonaan. Jos merkkijono kiinnitetään keskiosaan ja nypitään johonkin muuhun paikkaan, niin perustaajuus ja parittomat harmoniset vaimentuvat.

Kaikki tämä koskee muitakin tunnettuja soittimia, vaikka yksityiskohdat voivat olla hyvin erilaisia. Soittimissa on tavallisesti ilmakammio, äänilevy tai äänitorvi äänen lähettämiseksi. Kaikki tämä määrittää ylisävyjen rakenteen ja formanttien ulkonäön.

Formantit.

Kuten edellä mainittiin, musiikki-instrumenttien äänenlaatu riippuu energian jakautumisesta harmonisten välillä. Kun monien instrumenttien ja erityisesti ihmisäänen korkeutta muutetaan, harmonisten jakauma muuttuu niin, että pääsävelet sijaitsevat aina suunnilleen samalla taajuusalueella, jota kutsutaan formanttialueeksi. Yksi syy formanttien olemassaoloon on resonanssielementtien, kuten äänilevyjen ja ilmaresonaattoreiden, käyttö äänen vahvistamiseen. Luonnollisten resonanssien leveys on yleensä suuri, minkä vuoksi säteilytehokkuus vastaavilla taajuuksilla on korkeampi. Vaskipuhaltimissa formantit määräytyvät sen kellon mukaan, josta ääni kuuluu. Formanttialueen sisällä olevat ylisävyt korostuvat aina voimakkaasti, sillä ne säteilevät suurimmalla energialla. Formantit määrittävät suurelta osin soittimen tai äänen äänten tyypilliset laadulliset ominaisuudet.

Muuttuvat sävyt ajan myötä.

Minkä tahansa instrumentin äänen sävy pysyy harvoin vakiona ajan myötä, ja sointi on olennaisesti tähän liittyvää. Vaikka soittimessa on pitkä sävel, taajuudessa ja amplitudissa esiintyy pientä jaksoittaista modulaatiota, mikä rikastaa ääntä - "vibrato". Tämä koskee erityisesti kielisoittimia, kuten viulua, ja ihmisääntä.

Monilla soittimilla, kuten pianolla, äänen kesto on sellainen, että jatkuva ääni ei ehdi muodostua - kiihtynyt ääni kasvaa nopeasti, ja sitten sen nopea vaimeneminen seuraa. Koska ylisävelten vaimeneminen johtuu yleensä taajuudesta riippuvista vaikutuksista (kuten akustisesta säteilystä), on selvää, että ylisävelten jakautuminen muuttuu sävyn aikana.

Joidenkin instrumenttien sävyn muutoksen luonne ajan myötä (äänen nousu- ja laskunopeus) on esitetty kaavamaisesti kuvassa. 18. Kuten näette, kielisoittimissa (kynityt ja koskettimet) ei ole juuri mitään vakiosointia. Tällaisissa tapauksissa ylisävelten spektristä voidaan puhua vain ehdollisesti, koska ääni muuttuu nopeasti ajan myötä. Nousu- ja laskuominaisuudet ovat myös tärkeä osa näiden soittimien sointia.

siirtymäääniä.

Äänen harmoninen koostumus muuttuu yleensä nopeasti lyhyessä ajassa äänen herättämisen jälkeen. Niissä soittimissa, joissa ääntä kiihdytetään lyömällä tai nyppimällä, korkeammista harmonisista (sekä useista ei-harmonisista komponenteista) johtuva energia on maksimissaan heti äänen alkamisen jälkeen ja sekunnin murto-osan jälkeen nämä taajuudet. haalistua. Tällaiset siirtymääänet antavat soittimen äänelle tietyn värin. Pianossa ne aiheutuvat kieleen osuvan vasaran toiminnasta. Joskus soittimet, joilla on sama ylisävyrakenne, voidaan erottaa vain siirtymääänistä.

SOITTIMEN ÄÄNI

Musiikin äänet voivat virittyä ja muuttua monin tavoin, ja siksi soittimet erottuvat eri muodoista. Soittimia loivat ja paransivat enimmäkseen muusikot itse ja taitavat käsityöläiset, jotka eivät turvautuneet tieteelliseen teoriaan. Siksi akustinen tiede ei voi selittää esimerkiksi sitä, miksi viululla on tällainen muoto. Viulun ääniominaisuuksia on kuitenkin täysin mahdollista kuvata sen soiton ja rakenteen yleisillä periaatteilla.

Soittimen taajuusalue ymmärretään yleensä sen perusäänien taajuusalueeksi. Ihmisääni kattaa noin kaksi oktaavia ja soitin - vähintään kolme (isot urut - kymmenen). Useimmissa tapauksissa ylisävyt ulottuvat kuultavan äänialueen reunalle.

Soittimilla on kolme pääosaa: värähtelevä elementti, mekanismi sen herättämiseksi ja apuresonaattori (torvi tai soundboard) akustista kommunikointia varten värähtelevän elementin ja ympäröivän ilman välillä.

Musiikin ääni on ajallisesti jaksollinen, ja jaksolliset äänet koostuvat sarjasta harmonisia. Koska kiinteäpituisten kielten ja ilmapylväiden värähtelyjen luonnolliset taajuudet liittyvät harmonisesti toisiinsa, monissa soittimissa päävärähtelyelementtejä ovat kielet ja ilmapylväät. Muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta (huilu on yksi niistä), yksitaajuista ääntä ei voida ottaa soittimiin. Kun päävärähtelijä on jännittynyt, syntyy ylisävyjä sisältävä ääni. Jotkut vibraattorien resonanssitaajuudet eivät ole harmonisia komponentteja. Tällaisia ​​soittimia (esim. rummut ja symbaalit) käytetään orkesterimusiikissa erityiseen ilmaisukykyyn ja rytmin korostamiseen, mutta ei melodiseen kehittämiseen.

Kielisoittimet.

Värähtävä jousi itsessään on huono äänen säteilijä, ja siksi kielisoittimessa on oltava lisäresonaattori, joka herättää huomattavan voimakkaan äänen. Se voi olla suljettu ilmatilavuus, kansi tai molempien yhdistelmä. Soittimen äänen luonne määräytyy myös kielten kiihtymisen mukaan.

Näimme aiemmin, että kiinteän pituisen merkkijonon värähtelyn perustaajuus L on antanut

missä T on langan vetovoima ja r L on merkkijonon massa pituusyksikköä kohti. Siksi voimme muuttaa taajuutta kolmella tavalla: muuttamalla pituutta, jännitystä tai massaa. Monet soittimet käyttävät pientä määrää samanpituisia kieliä, joiden perustaajuudet määräytyvät oikean kireyden ja massan valinnan mukaan. Muut taajuudet saadaan lyhentämällä merkkijonon pituutta sormilla.

Muissa soittimissa, kuten pianossa, on yksi monista esiviritetyistä kieleistä jokaista nuottia varten. Pianon viritys, jossa taajuusalue on suuri, ei ole helppo tehtävä etenkään matalien taajuuksien alueella. Kaikkien pianon kielten jännitysvoima on lähes sama (noin 2 kN), ja taajuuksien vaihtelu saadaan aikaan muuttamalla kielten pituutta ja paksuutta.

Kielisoittimen voi virittää kynnyksellä (esimerkiksi harpulla tai banjolla), iskulla (pianolla) tai jousella (viuluperheen soittimien tapauksessa). Kaikissa tapauksissa, kuten yllä on esitetty, harmonisten määrä ja niiden amplitudi riippuvat tavasta, jolla merkkijono viritetään.

piano.

Tyypillinen esimerkki soittimesta, jossa kielen viritys saadaan aikaan iskulla, on pianoforte. Soittimen suuri soundboard tarjoaa laajan valikoiman formantteja, joten sen sointi on hyvin yhtenäinen kaikille kiihtyneille sävelille. Pääformanttien maksimit esiintyvät 400–500 Hz:n luokkaa olevilla taajuuksilla, ja alemmilla taajuuksilla sävyissä on erityisen paljon harmonisia ja perustaajuuden amplitudi on pienempi kuin joidenkin yliäänien. Pianossa vasaran isku kaikkiin paitsi lyhimpiin kieleihin osuu kohtaan, joka sijaitsee 1/7 kielen pituudesta sen yhdestä päästä. Tämä selittyy yleensä sillä, että tässä tapauksessa seitsemäs harmoninen, joka on dissonantti perustaajuuden suhteen, vaimenee merkittävästi. Mutta malleuksen rajallisesta leveydestä johtuen myös muut seitsemännen lähellä sijaitsevat harmoniset vaimentuvat.

Viulun perhe.

Viulu-instrumenttien perheessä pitkät äänet tuotetaan jousella, joka kohdistaa kieleen vaihtelevan käyttövoiman, joka pitää kielen värähtelemässä. Liikkuvan jousen vaikutuksesta naru vedetään sivulle kitkan vuoksi, kunnes se katkeaa jännitysvoiman lisääntymisen seurauksena. Palattuaan alkuperäiseen asentoonsa, keula kantaa sen jälleen pois. Tämä prosessi toistetaan niin, että jaksollinen ulkoinen voima vaikuttaa merkkijonoon.

Suuren koon ja pienenevän taajuusalueen mukaan pääjousisoittimet on järjestetty seuraavasti: viulu, alttoviulu, sello, kontrabasso. Näiden soittimien taajuusspektrit ovat erityisen runsaita ylisävyjä, mikä epäilemättä antaa niiden soundiin erityistä lämpöä ja ilmeisyyttä. Viuluperheessä värähtelevä kieli on akustisesti yhdistetty ilmaonteloon ja soittimen runkoon, jotka pääosin määräävät hyvin laajalla taajuusalueella olevien formanttien rakenteen. Viuluperheen suurilla edustajilla on joukko formantteja, jotka ovat siirtyneet kohti matalia taajuuksia. Siksi sama sävel kahdelle viuluperheen soittimelle saa erilaisen sointivärin ylisävelten rakenteen eron vuoksi.

Viululla on rungon muodosta johtuen voimakas resonanssi lähellä 500 Hz. Kun nuotti, jonka taajuus on lähellä tätä arvoa, soitetaan, ei-toivottu värisevä ääni, jota kutsutaan "susiääneksi", voidaan tuottaa. Viulun rungon sisällä olevalla ilmaontelolla on myös omat resonanssitaajuutensa, joista pääosa sijaitsee lähellä 400 Hz. Erikoisen muotonsa ansiosta viululla on lukuisia lähekkäin olevia resonansseja. Ne kaikki, lukuun ottamatta susisäveltä, eivät todellakaan erotu poimitun äänen yleisestä spektristä.

Puhallinsoittimet.

Puupuhallinsoittimet.

Ilman luonnollisia värähtelyjä rajallisen pituisessa lieriömäisessä putkessa käsiteltiin aiemmin. Luonnolliset taajuudet muodostavat sarjan harmonisia, joiden perustaajuus on kääntäen verrannollinen putken pituuteen. Musiikkiäänet puhallinsoittimissa syntyvät ilmapatsaan resonoivan virityksen vuoksi.

Ilmavärähtelyjä herättävät joko resonaattorin seinän terävälle reunalle putoavan ilmasuihkun värähtely tai ilmavirrassa olevan kielen joustavan pinnan värähtely. Molemmissa tapauksissa säännöllisiä paineen muutoksia tapahtuu työkalun piipun paikallisella alueella.

Ensimmäinen näistä herätemenetelmistä perustuu "reunaäänien" esiintymiseen. Kun ilmavirta tulee ulos raosta terävän reunan kiilan muotoisen esteen rikkomana, ilmaantuu ajoittain pyörteitä - ensin kiilan toiselle puolelle, sitten toiselle puolelle. Niiden muodostumistaajuus on sitä suurempi, mitä suurempi ilmavirran nopeus. Jos tällainen laite on akustisesti kytketty resonoivaan ilmapatsaan, niin reunaäänitaajuus "vangitaan" ilmapatsaan resonanssitaajuudella, ts. pyörteiden muodostumistaajuus määräytyy ilmapatsaan mukaan. Tällaisissa olosuhteissa ilmapylvään päätaajuus virittyy vain, kun ilman virtausnopeus ylittää tietyn vähimmäisarvon. Tietyllä tämän arvon ylittävällä nopeusalueella reunaäänen taajuus on yhtä suuri kuin tämä perustaajuus. Vielä suuremmalla ilmavirtausnopeudella (lähellä sitä, jolla reunataajuus ilman yhteyttä resonaattoriin olisi yhtä suuri kuin resonaattorin toinen harmoninen) reunataajuus kaksinkertaistuu äkillisesti ja koko järjestelmän säteilemä sävelkorkeus kääntyy. oktaavin korkeammaksi. Tätä kutsutaan ylivuotoksi.

Reunaäänet herättävät ilmapylväitä instrumenteissa, kuten urkuissa, huilussa ja pikkolossa. Huilua soittaessaan esiintyjä virittää reunasävyt puhaltamalla sivulta toisen pään lähellä olevaan sivureikään. Yhden oktaavin sävelet alkaen "D":stä ja korkeammalla saadaan muuttamalla piipun tehollista pituutta, avaamalla sivureiät, normaalilla reunasävyllä. Korkeammat oktaavit ovat ylipuhallettuja.

Toinen tapa virittää puhallinsoittimen ääni perustuu ilmavirran jaksoittaiseen katkaisuun värähtelevän kielen toimesta, jota kutsutaan ruokoksi, koska se on valmistettu ruokosta. Tätä menetelmää käytetään erilaisissa puu- ja vaskipuhallinsoittimissa. Vaihtoehtoja on yhdellä ruokolla (kuten esimerkiksi klarinetti-, saksofoni- ja haitarityyppisissä soittimissa) ja symmetrisellä kaksoiskuokolla (kuten esimerkiksi oboessa ja fagottissa). Molemmissa tapauksissa värähtelyprosessi on sama: ilmaa puhalletaan kapeasta raosta, jossa paine laskee Bernoullin lain mukaisesti. Samalla keppi vedetään rakoon ja peittää sen. Virtauksen puuttuessa elastinen keppi suoristuu ja prosessi toistetaan.

Puhallinsoittimissa asteikon sävelten valinta suoritetaan huilun tapaan avaamalla sivureiät ja ylipuhalluksella.

Toisin kuin molemmista päistä avoimessa putkessa, jossa on täysi joukko ylisävyjä, putkessa, joka on auki vain toisesta päästä, on vain parittomat harmoniset ( cm. korkeampi). Tämä on klarinetin kokoonpano, ja siksi jopa harmoniset ilmenevät siinä heikosti. Klarinetin ylipuhallus tapahtuu 3 kertaa korkeammalla taajuudella kuin pääpuhallus.

Oboessa toinen harmoninen on melko voimakas. Se eroaa klarinetista siinä, että sen reikä on kartiomainen, kun taas klarinetissa reiän poikkileikkaus on vakio suurimmalla osalla sen pituutta. Kartiomaisen piipun taajuuksia on vaikeampi laskea kuin sylinterimäisessä putkessa, mutta silti on täysi valikoima ylisävyjä. Tässä tapauksessa kartiomaisen putken, jossa on suljettu kapea pää, värähtelytaajuudet ovat samat kuin molemmista päistä avoimen sylinterimäisen putken värähtelytaajuudet.

Vaskipuhallinsoittimet.

Messinki, mukaan lukien torvi, trumpetti, kornetti-mäntä, pasuuna, torvi ja tuuba, innostuvat huuleista, joiden toiminta yhdistettynä erikoismuotoillun suukappaleen kanssa muistuttaa kaksoiskiekon toimintaa. Ilmanpaine äänen virityksen aikana on täällä paljon korkeampi kuin puupuhaltimissa. Messinkipuhallinsoittimet ovat pääsääntöisesti metallitynnyri, jossa on sylinterimäiset ja kartiomaiset osat, jotka päättyvät kelloon. Osat valitaan niin, että koko harmonisten valikoima on saatavilla. Piipun kokonaispituus vaihtelee putken 1,8 metristä tuubin 5,5 metriin. Tuba on etanan muotoinen käsittelyn helpottamiseksi, ei akustisista syistä.

Kiinteällä piipun pituudella esiintyjällä on käytettävissään vain piipun luonnollisten taajuuksien määrittämät sävelet (ja perustaajuutta "ei yleensä oteta"), ja korkeammat harmoniset kiihdytetään lisäämällä ilmanpainetta suukappaleessa. Näin ollen vain muutama nuotti (toinen, kolmas, neljäs, kvintti ja kuudes harmoninen) voidaan soittaa kiinteän pituisella soittoäänellä. Muissa vaskipuhaltimissa harmonisten välissä olevat taajuudet otetaan piipun pituuden muutoksella. Pasuuna on tässä mielessä ainutlaatuinen, jonka piipun pituutta säätelee sisäänvedettävien U-muotoisten siipien tasainen liike. Koko asteikon sävelten numeroinnin tarjoaa seitsemän erilaista siipien asentoa ja vartalon kiihottuneen yläsävelen muutos. Muissa messinkiinstrumenteissa tämä saavutetaan lisäämällä tehokkaasti piipun kokonaispituutta kolmella eripituisella ja yhdistelmällä olevalla sivureiällä. Tämä antaa seitsemän erilaista piipun pituutta. Kuten pasuunassa, koko asteikon sävelet soitetaan näitä seitsemää varren pituutta vastaavien erilaisten ylisävelsarjojen virityksellä.

Kaikkien vaskipuhallinsoittimien äänet ovat harmonisia. Tämä johtuu pääasiassa kellon läsnäolosta, joka lisää äänen lähetyksen tehokkuutta korkeilla taajuuksilla. Trumpetti ja käyrätorvi on suunniteltu soittamaan paljon laajempia harmonisia kuin bugle. Soolotrumpetin osa I. Bachin teoksissa sisältää useita kohtia sarjan neljännessä oktaavissa saavuttaen tämän soittimen 21. harmonisen.

Lyömäsoittimet.

Lyömäsoittimet tuottavat ääntä iskemällä soittimen runkoon ja siten herättämällä sen vapaata värähtelyä. Pianosta, jossa värähtelyjä herättää myös isku, tällaiset soittimet eroavat kahdella tavalla: värähtelevä runko ei anna harmonisia ylisävyjä, ja se voi itse lähettää ääntä ilman lisäresonaattoria. Lyömäsoittimiin kuuluvat rummut, symbaalit, ksylofoni ja kolmio.

Kiinteiden aineiden värähtelyt ovat paljon monimutkaisempia kuin samanmuotoisen ilmaresonaattorin, koska kiinteissä aineissa on enemmän värähtelytyyppejä. Joten puristus-, taivutus- ja vääntöaallot voivat levitä metallitankoa pitkin. Siksi sylinterimäisessä sauvassa on paljon enemmän värähtelytiloja ja siten resonanssitaajuuksia kuin sylinterimäisessä ilmapylväässä. Lisäksi nämä resonanssitaajuudet eivät muodosta harmonista sarjaa. Ksylofoni käyttää kiinteiden tankojen taivutusvärähtelyjä. Värähtelevän ksylofonitangon ylisävysuhteet perustaajuuteen ovat: 2,76, 5,4, 8,9 ja 13,3.

Äänityshaarukka on värähtelevä kaareva sauva, ja sen värähtelyn päätyyppi tapahtuu, kun molemmat varret lähestyvät samanaikaisesti toisiaan tai siirtyvät poispäin toisistaan. Äänityshaarukassa ei ole harmonista yliäänisarjaa, ja vain sen perustaajuutta käytetään. Sen ensimmäisen ylisävelen taajuus on yli 6 kertaa perustaajuus.

Toinen esimerkki värähtelevästä kiinteästä kappaleesta, joka tuottaa musiikillisia ääniä, on kello. Kellojen koot voivat olla erilaisia ​​- pienestä kellosta usean tonnin kirkonkelloihin. Mitä suurempi kello on, sitä matalampia ääniä se tuottaa. Kellojen muoto ja muut ominaisuudet ovat kokeneet monia muutoksia vuosisatoja kestäneen kehityksensä aikana. Hyvin harvat yritykset harjoittavat niiden valmistusta, mikä vaatii suurta taitoa.

Kellon alkusävysarja ei ole harmoninen, eivätkä ylisävysuhteet ole samat eri kelloilla. Joten esimerkiksi yhdelle suurelle kellolle yliäänitaajuuksien mitatut suhteet perustaajuuteen olivat 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 ja 5,33. Mutta energian jakautuminen ylisävelten yli muuttuu nopeasti heti kellon lyönnin jälkeen ja kellon muoto näyttää olevan valittu siten, että hallitsevat taajuudet liittyvät toisiinsa suunnilleen harmonisesti. Kellon korkeutta ei määrää perustaajuus, vaan sävel, joka on hallitseva välittömästi iskun jälkeen. Se vastaa suunnilleen kellon viidettä ylisävyä. Jonkin ajan kuluttua kellon äänessä alkavat vallita alemmat ylisävyt.

Rummussa värähtelevä elementti on nahkakalvo, yleensä pyöreä, jota voidaan pitää venytetyn kielen kaksiulotteisena analogina. Musiikissa rumpu ei ole yhtä tärkeä kuin jousi, koska sen luonnollinen luonnollinen taajuus ei ole harmoninen. Poikkeuksena on timpani, jonka kalvo on venytetty ilmaresonaattorin päälle. Rummun ylisävyjärjestystä voidaan tehdä harmoniseksi muuttamalla pään paksuutta säteen suunnassa. Esimerkki tällaisesta rummusta on tabla käytetään klassisessa intialaisessa musiikissa.