Училишна енциклопедија. Што е звук и кои се карактеристиките на звучниот бран

Звукот патува низ звучните бранови. Овие бранови минуваат не само низ гасови и течности, туку и низ цврсти материи. Дејството на сите бранови е главно во преносот на енергија. Во случај на звук, транспортот има форма на минутни движења на молекуларно ниво.

Во гасовите и течностите, звучниот бран ги поместува молекулите во насока на неговото движење, односно во насока на брановата должина. Кај цврстите тела, звучните вибрации на молекулите може да се појават и во насока нормална на бранот.

Звучните бранови се шират од нивните извори во сите правци, како што е прикажано на сликата десно, која покажува метално ѕвоно кое периодично се судира со неговиот јазик. Овие механички судири предизвикуваат ѕвончето да вибрира. Енергијата на вибрациите се пренесува на молекулите на околниот воздух и тие се туркаат подалеку од ѕвоното. Како резултат на тоа, притисокот се зголемува во воздушниот слој во непосредна близина на ѕвоното, кој потоа се шири во бранови во сите правци од изворот.

Брзината на звукот е независна од јачината или тонот. Сите звуци од радиото во собата, без разлика дали се гласни или меки, високи или слаби, истовремено допираат до слушателот.

Брзината на звукот зависи од видот на медиумот во кој се шири и од неговата температура. Во гасовите, звучните бранови патуваат бавно, бидејќи нивната ретка молекуларна структура многу малку се спротивставува на компресија. Кај течностите, брзината на звукот се зголемува, а кај цврстите материи станува уште поголема, како што е прикажано на дијаграмот подолу во метри во секунда (m/s).

патека на бранови

Звучните бранови се шират во воздухот на начин сличен на оној прикажан на дијаграмите десно. Брановите фронтови се движат од изворот на одредено растојание еден од друг, одредено од фреквенцијата на осцилациите на ѕвоното. Фреквенцијата на звучниот бран се одредува со броење на бројот на бранови фронтови кои минуваат низ дадена точка по единица време.

Предниот дел на звучниот бран се оддалечува од вибрирачкото ѕвоно.

Во рамномерно загреан воздух, звукот се движи со константна брзина.

Вториот фронт го следи првиот на растојание еднакво на брановата должина.

Интензитетот на звукот е максимален во близина на изворот.

Графички приказ на невидлив бран

Звучен звук на длабочините

Низ океанската вода лесно минува зрак од сонарни зраци, кој се состои од звучни бранови. Принципот на работа на сонарот се заснова на фактот дека звучните бранови отскокнуваат од дното на океанот; овој уред обично се користи за одредување на карактеристиките на подводниот релјеф.

Еластични цврсти материи

Звукот се шири во дрвена чинија. Молекулите на повеќето цврсти материи се врзани во еластична просторна решетка, која е слабо компресирана и во исто време го забрзува преминувањето на звучните бранови.

Звук (звучен бран ) –е еластичен бран што го перцепираат човечкиот и животинскиот орган за слух. Со други зборови, звукот е ширење на флуктуациите на густината (или притисокот) во еластична средина, кои произлегуваат од интеракцијата на честичките на медиумот едни со други.

Атмосферата (воздухот) е еден од еластичните медиуми. Ширењето на звукот во воздухот се покорува општи закониширење на акустични бранови во идеални гасови, а има и карактеристики поради варијабилноста на густината, притисокот, температурата и влажноста на воздухот. Брзината на звукот се одредува според својствата на медиумот и се пресметува од формулите за брзината на еластичниот бран.

Постојат вештачки и природни извори звук. Вештачките емитери вклучуваат:

Вибрации на цврсти тела (жици и палуби на музички инструменти, дифузери на звучници, телефонски мембрани, пиезоелектрични плочи);

Воздушни вибрации во ограничен волумен (цевки на органи, свирки);

Бит (клучеви на пијано, ѕвонче);

Електрична струја (електроакустични трансдуктори).

Природните извори вклучуваат:

Експлозија, колапс;

Проток на воздух околу пречките (ветер што го дува аголот на зградата, сртот на морскиот бран).

Има и вештачки и природни приемници звук:

Електроакустични трансдуктори (микрофон во воздух, хидрофон во вода, геофон во земјината кора) и други уреди;

Апарат за слух на луѓе и животни.

За време на ширењето на звучните бранови, можни се феномени карактеристични за брановите од која било природа:

Рефлексија од пречка

Прекршување на границата на два медиума,

мешање (дополнување),

Дифракција (избегнување препреки),

Дисперзија (зависност на брзината на звукот во супстанција од фреквенцијата на звукот);

Апсорпција (намалување на енергијата и интензитетот на звукот во медиумот поради неповратната конверзија на звучната енергија во топлина).

Објективни карактеристики на звукот

звучна фреквенција

Фреквенцијата на звукот што се слуша за една личност лежи во опсегот од 16 Hz пред 16 - 20 kHz . Еластични бранови со фреквенција подолу звучен опсег повикани инфразвук (вклучувајќи потрес на мозокот), с повисоко фреквенција – ултразвук , а најфреквентните еластични бранови се хиперсоничен .

Целиот фреквентен опсег на звук може да се подели на три дела (Табела 1.).

Бучава има континуиран спектар на фреквенции (или бранови должини) во регионот на нискофреквентен звук (Табели 1, 2). Континуиран спектар значи дека фреквенциите можат да имаат која било вредност од дадениот интервал.

Музички , или тонски , звуци имаат линиски фреквентен спектар во регионот на среднофреквентен и делумно високофреквентен звук. Остатокот од звукот со висока фреквенција е окупиран од свиреж. Спектарот на линијата значи дека музичките фреквенции имаат само строго дефинирани (дискретни) вредности од наведениот интервал.

Покрај тоа, интервалот на музички фреквенции е поделен на октави. Октава е фреквентниот интервал затворен помеѓу две гранични вредности, од кои горната е двојно помала(Табела 3)

Заеднички фреквенциски опсези на октави

Примери за фреквентни интервали за звук произведен од човечкиот вокален апарат и перципиран од човечкиот аудитивен апарат се прикажани во Табела 4.

Примери за опсегот на фреквенции на некои музички инструменти се прикажани во Табела 5. Тие го покриваат не само опсегот на звук, туку и опсегот на ултразвук.

Животните, птиците и инсектите создаваат и перцепираат звук во други фреквентни опсези освен луѓето (Табела 6).

Во музиката, секој синусоидален звучен бран се нарекува едноставен тон,или тон.Висината зависи од фреквенцијата: колку е поголема фреквенцијата, толку е поголем тонот. Главен тон сложен музички звук се нарекува тон што одговара на најниска фреквенција во својот спектар. Се нарекуваат тонови кои одговараат на други фреквенции призвук. Ако призвук множителифреквенција на фундаменталното, тогаш се нарекуваат призвуките хармоничен. Овертонот со најниска фреквенција се нарекува прв хармоник, со следниот - вториот, итн.

Музичките звуци со иста основна нота може да се разликуваат тембр.Темброт зависи од составот на призвуките, нивните фреквенции и амплитуди, природата на нивното издигнување на почетокот на звукот и распаѓањето на крајот.

Брзина на звукот

За звук во различни медиуми, важат општите формули (22) - (25). Во овој случај, треба да се земе предвид дека формулата (22) е применлива во случај на сув атмосферски воздух и, земајќи ги предвид нумеричките вредности на односот на Поасон, моларната маса и универзалната гасна константа, може да се запише како :

Сепак, вистинскиот атмосферски воздух секогаш има влажност, што влијае на брзината на звукот. Тоа е затоа што соодносот на Поасон  зависи од односот на парцијалниот притисок на водената пареа ( стр пареа) до атмосферски притисок ( стр). Во влажен воздух, брзината на звукот се одредува со формулата:

.

Од последната равенка може да се види дека брзината на звукот во влажниот воздух е малку поголема отколку кај сувиот воздух.

Нумерички проценки на брзината на звукот, земајќи го предвид влијанието на температурите и влажноста на атмосферскиот воздух, може да се извршат со помош на приближната формула:

Овие проценки покажуваат дека кога звукот се шири долж хоризонталната насока ( 0 x) со зголемување на температурата за 1 0 Вбрзината на звукот се зголемува за 0,6 m/s. Под влијание на водена пареа со парцијален притисок не повеќе од 10 Пабрзината на звукот се зголемува за помалку од 0,5 m/s. Но, генерално, при максимален можен парцијален притисок на водена пареа во близина на површината на Земјата, брзината на звукот се зголемува за не повеќе од 1 m/s.

Звучен притисок

Во отсуство на звук, атмосферата (воздухот) е ненарушен медиум и има статички атмосферски притисок (
).

Кога звучните бранови се шират, на овој статички притисок се додава дополнителен променлив притисок, поради кондензација и реткост на воздухот. Во случај на рамни бранови, можеме да напишеме:

каде стр sv, максе амплитудата на звучниот притисок,  - циклична фреквенција на звук, k - бран број. Затоа, атмосферскиот притисок во фиксна точка во дадено време станува еднаков на збирот на овие притисоци:

Звучен притисок - ова е променлив притисок еднаков на разликата помеѓу моменталниот вистински атмосферски притисок во дадена точка за време на минување на звучниот бран и статичкиот атмосферски притисок во отсуство на звук:

Звучниот притисок за време на периодот на осцилација ја менува својата вредност и знак.

Звучниот притисок е скоро секогаш многу помал од атмосферскиот притисок.

Тој станува голем и сразмерен на атмосферскиот притисок кога ќе се појават ударни бранови при силни експлозии или кога поминува млазен авион.

Единиците за звучен притисок се како што следува:

- паскалво СИ
,

- барво GHS
,

- милиметар жива,

- атмосфера.

Во пракса, уредите ја мерат не моменталната вредност на звучниот притисок, туку т.н ефикасен (или струја )звук притисок . Тоа е еднакво квадратниот корен на просечната вредност на квадратот на моменталниот звучен притисок во дадена точка во просторот во дадено време

(44)

и затоа се нарекува и Звучен притисок RMS . Заменувајќи го изразот (39) во формулата (40), добиваме:

. (45)

Звучна импеданса

Звучна (акустична) импеданса наречен однос на амплитудатазвучен притисок и брзина на вибрации на честичките од медиумот:

. (46)

Физичкото значење на звучната импеданса: нумерички е еднаков на звучниот притисок, предизвикувајќи осцилации на честичките на медиумот со единица брзина:

Единицата за мерење на звучната импеданса во SI е паскал секунда на метар:

.

Во случај на авионски бран брзина на осцилација на честичкие еднакво на

.

Тогаш формулата (46) ја добива формата:

. (46*)

Исто така, постои уште една дефиниција за отпорност на звук, како производ на густината на медиумот и брзината на звукот во овој медиум:

. (47)

Тогаш тоа физичко значењее тоа што е нумерички еднаква на густината на медиумот во кој еластичниот бран се шири со единица брзина:

.

Во прилог на акустична отпорност во акустика, концептот се користи механички отпор (Р м). Механичкиот отпор е односот на амплитудите на периодичната сила и осцилаторната брзина на честичките на медиумот:

, (48)

каде Се површината на емитер на звук. Механичкиот отпор се мери во њутн секунди на метар:

.

Енергија и моќ на звукот

Звучниот бран се карактеризира со исти енергетски количини како и еластичниот бран.

Секој волумен на воздух во кој се шират звучните бранови има енергија која се состои од кинетичката енергија на осцилирачките честички и потенцијалната енергија на еластичната деформација на медиумот (види формула (29)).

Интензитетот на звукот се нарекувазвучна моќ . Таа е еднаква

. (49)

Затоа физичкото значење на звучната моќе слично на значењето на густината на енергетскиот тек: нумерички еднаква на просечната вредност на енергијата што се пренесува со бран по единица време низ попречната површина на единица површина.

Единицата за јачина на звукот е вати по квадратен метар:

.

Звучната моќност е пропорционална на квадратот на ефективниот звучен притисок и обратно пропорционална на звучниот (акустичен) притисок:

, (50)

или, земајќи ги предвид изразите (45),

, (51)

каде Р ак – акустична импеданса.

Звукот може да се карактеризира и со звучна моќност. Звучна моќност е вкупната количина на звучна енергија што ја емитува изворот за одредено време преку затворена површина што го опкружува изворот на звук:

, (52)

или, земајќи ја предвид формулата (49),

. (52*)

Јачината на звукот, како и секоја друга, се мери во вати:

.

Звукот се еластични бранови во медиум (често воздух) кои се невидливи, но забележливи за човечкото уво (бранот делува на тапанчето). Звучниот бран е надолжен бран на компресија и реткост.

Ако создадеме вакуум, дали ќе можеме да разликуваме звуци? Роберт Бојл ставил часовник во стаклен сад во 1660 година. Кога го испумпувал воздухот, не слушнал никаков звук. Искуството го докажува тоа потребен е медиум за ширење на звукот.

Звукот може да се шири и во течни и цврсти медиуми. Под водата јасно се слушаат ударите на камењата. Ставете го часовникот на едниот крај од дрвената табла. Со ставање на увото на другиот крај, јасно се слуша отчукувањето на часовникот.

Звучниот бран се шири низ дрвото

Изворот на звукот е нужно осцилирачко тело. На пример, жицата на гитарата во нормална состојба не звучи, но штом ќе ја направиме да осцилира, се појавува звучен бран.

Сепак, искуството покажува дека не секое вибрирачко тело е извор на звук. На пример, тегот што е суспендиран на конец не дава звук. Факт е дека човечкото уво не ги перцепира сите бранови, туку само оние што создаваат тела кои осцилираат со фреквенција од 16 Hz до 20.000 Hz. Таквите бранови се нарекуваат звук. Се нарекуваат осцилации со фреквенција помала од 16 Hz инфразвук. Се нарекуваат осцилации со фреквенција поголема од 20.000 Hz ултразвук.

Брзина на звукот

Звучните бранови не се шират веднаш, туку со одредена конечна брзина (слична на брзината на еднообразно движење).

Затоа при бура со грмотевици прво гледаме молња, односно светлина (брзината на светлината е многу поголема од брзината на звукот), а потоа се слуша звук.

Брзината на звукот зависи од медиумот: кај цврсти и течности, брзината на звукот е многу поголема отколку во воздухот. Ова се табеларни измерени константи. Со зголемување на температурата на медиумот, брзината на звукот се зголемува, а со намалување се намалува.

Звуците се различни. За да се карактеризира звукот, се воведуваат посебни количини: гласност, висина и тембр на звукот.

Јачината на звукот зависи од амплитудата на осцилациите: колку е поголема амплитудата на осцилациите, толку е погласен звукот. Покрај тоа, перцепцијата на гласноста на звукот од нашето уво зависи од фреквенцијата на вибрациите во звучниот бран. Брановите со поголема фреквенција се перципираат како погласни.

Фреквенцијата на звучниот бран ја одредува висината. Колку е поголема фреквенцијата на вибрации на изворот на звук, толку е поголем звукот произведен од него. Човечките гласови се поделени во неколку опсези според нивната висина.

Звуци од различни извори е збирка хармонични вибрацииразлични фреквенции. Компонентата на најголемиот период (најниска фреквенција) се нарекува основен тон. Останатите звучни компоненти се призвук. Множеството од овие компоненти го создава боењето, темброт на звукот. Севкупноста на призвук во гласовите на различни луѓе се разликува барем малку, но тоа го одредува темброт на одреден глас.

Ехо. Ехо се формира како резултат на рефлексија на звукот од различни препреки - планини, шуми, ѕидови, големи згради итн. Ехо се јавува само кога рефлектираниот звук се перцепира одделно од првично изговорениот звук. Ако има многу рефлектирачки површини и тие се на различни растојанија од некоја личност, тогаш рефлектираните звучни бранови ќе стигнат до него во различно време. Во овој случај, ехото ќе биде повеќекратно. Пречката мора да биде на оддалеченост од 11 метри од лицето за да се слушне ехото.

Рефлексија на звукот.Звукот се одбива од мазни површини. Затоа, при користење на сирена, звучните бранови не се расејуваат во сите правци, туку формираат тесен зрак, поради што се зголемува звучната моќ и се шири на поголемо растојание.

Некои животни (на пр. лилјак, делфин) емитуваат ултразвучни вибрации, а потоа го согледуваат рефлектираниот бран од пречките. Така тие ја одредуваат локацијата и растојанието до околните објекти.

Ехолокација. Ова е метод за одредување на локацијата на телата со ултразвучни сигнали што се рефлектираат од нив. Широко се користи во навигацијата. Инсталиран на бродови сонари- уреди за препознавање на подводни објекти и одредување на длабочина и топографија на дното. Емитер и звучен приемник се поставени на дното на садот. Емитер дава кратки сигнали. Со анализа на времето на одложување и насоката на повратните сигнали, компјутерот ја одредува положбата и големината на објектот што го рефлектирал звукот.

Ултразвукот се користи за откривање и утврдување на разни оштетувања на машинските делови (празнини, пукнатини и сл.). Уредот што се користи за оваа намена се нарекува ултразвучен детектор за дефекти. Проток од кратки ултразвучни сигнали се насочуваат кон делот што се проучува, кои се рефлектираат од нехомогеностите во него и, враќајќи се, паѓаат во ресиверот. Во оние места каде што нема дефекти, сигналите поминуваат низ делот без значителен одраз и не се снимаат од приемникот.

Ултразвукот е широко користен во медицината за дијагностицирање и лекување на одредени болести. За разлика од Х-зраците, неговите бранови не штетно влијаниена ткаенина. Дијагностички ултразвучни прегледи(ултразвук)дозволи без хируршка интервенцијаги препознава патолошките промени во органите и ткивата. Посебен уред испраќа ултразвучни бранови со фреквенција од 0,5 до 15 MHz до одреден дел од телото, тие се рефлектираат од органот што се проучува и компјутерот ја прикажува својата слика на екранот.

Инфразвукот се карактеризира со ниска апсорпција во различни медиуми, како резултат на што инфразвучните бранови во воздухот, водата и земјината кора можат да се шират на многу долги растојанија. Овој феномен е пронајден практична употребана одредување местасилни експлозии или положбата на пукачкото оружје. Тоа го овозможува ширењето на инфразвукот на долги растојанија во морето предвидувања за природни катастрофи- цунами. Медузите, раковите итн. се способни да ги согледаат инфразвуците и долго пред почетокот на бурата го чувствуваат нејзиното приближување.

Се јавуваат во гасовити, течни и цврсти медиуми, кои, кога ќе стигнат до органите на човечкиот слух, од нив се доживуваат како звук. Фреквенцијата на овие бранови се наоѓа во опсег од 20 до 20.000 осцилации во секунда. Даваме формули за звучен бран и подетално ги разгледуваме неговите својства.

Зошто се појавува звучен бран?

Многу луѓе се прашуваат што е звучен бран. Природата на звукот лежи во појавата на нарушувања во еластична средина. На пример, кога ќе се појави нарушување на притисокот во форма на компресија во одреден волумен на воздух, оваа област има тенденција да се шири во вселената. Овој процес доведува до компресија на воздухот во областите во непосредна близина на изворот, кои исто така имаат тенденција да се прошируваат. Овој процес покрива се повеќе од просторот додека не стигне до некој приемник, на пример, човечкото уво.

Општи карактеристики на звучните бранови

Размислете за прашањата за тоа што е звучен бран и како се перцепира од човечкото уво. Звучниот бран е надолжен; кога влегува во ушната обвивка, предизвикува вибрирање на тапанчето со одредена фреквенција и амплитуда. Овие флуктуации можете да ги претставите и како периодични промени на притисокот во микроволуменот на воздухот во непосредна близина на мембраната. Прво, се зголемува во однос на нормалниот атмосферски притисок, а потоа се намалува, почитувајќи се математички законихармонично движење. Амплитудата на промените во компресијата на воздухот, односно разликата помеѓу максималниот или минималниот притисок создаден од звучниот бран, со атмосферскиот притисок е пропорционална на амплитудата на самиот звучен бран.

Многу физички експерименти покажаа дека максималниот притисок што човечкото уво може да го забележи без да му наштети е 2800 µN/cm 2 . За споредба, да речеме дека атмосферскиот притисок во близина на површината на земјата е 10 милиони µN/cm 2 . Со оглед на пропорционалноста на притисокот и амплитудата на осцилациите, можеме да кажеме дека последната вредност е незначителна дури и за најсилните бранови. Ако зборуваме за должината на звучниот бран, тогаш за фреквенција од 1000 вибрации во секунда тоа ќе биде илјадити дел од сантиметарот.

Најслабите звуци создаваат флуктуации на притисокот од редот од 0,001 μN / cm 2, соодветната амплитуда на бранови осцилации за фреквенција од 1000 Hz е 10 -9 cm, додека просечниот дијаметар на молекулите на воздухот е 10 -8 cm, т.е. човечкото уво е исклучително чувствителен орган.

Концептот на интензитетот на звучните бранови

Од геометриска гледна точка, звучниот бран е вибрација од одредена форма, но од физичка гледна точка, главното својство на звучните бранови е нивната способност да пренесуваат енергија. Најважниот пример за пренос на енергија од бранови е сонцето, чии зрачени електромагнетни бранови обезбедуваат енергија на целата наша планета.

Интензитетот на звучниот бран во физиката се дефинира како количина на енергија што ја носи бранот низ единица површина, која е нормална на ширењето на бранот и по единица време. Накратко, интензитетот на бранот е неговата моќност пренесена низ единица површина.

Јачината на звучните бранови обично се мери во децибели, кои се базираат на логаритамска скала, погодна за практична анализарезултати.

Интензитетот на различни звуци

Следната скала на децибели дава идеја за значењето на различното и сензациите што ги предизвикува:

• прагот на непријатни и непријатни сензации започнува на 120 децибели (dB);
• чеканот за заниткување создава шум од 95 dB;
• брз воз - 90 dB;
• улица со густ сообраќај - 70 dB;
• јачината на нормалниот разговор помеѓу луѓето - 65 dB;
• модерен автомобил кој се движи со умерени брзини произведува шум од 50 dB;
• просечниот волумен на радиото - 40 dB;
• тивок разговор - 20 dB;
• бучава од зеленило од дрво - 10 dB;
• минималниот праг на човековата чувствителност на звук е близу 0 dB.

Чувствителноста на човечкото уво зависи од фреквенцијата на звукот и е максимална вредност за звучните бранови со фреквенција од 2000-3000 Hz. За звук во овој опсег на фреквенции, долниот праг на човечка чувствителност е 10 -5 dB. Повисоки и пониски фреквенции од наведениот интервал доведуваат до зголемување на долниот праг на чувствителност на таков начин што едно лице слуша фреквенции блиску до 20 Hz и 20.000 Hz само со нивниот интензитет од неколку десетици dB.

Што се однесува до горниот праг на интензитет, по што звукот почнува да предизвикува непријатности за некоја личност, па дури и болка, тогаш треба да се каже дека е практично независен од фреквенцијата и лежи во опсег од 110-130 dB.

Геометриски карактеристики на звучен бран

Вистинскиот звучен бран е сложен осцилаторен пакет на надолжни бранови, кои можат да се разложат на едноставни хармонични осцилации. Секоја таква осцилација е опишана од геометриска гледна точка со следните карактеристики:

1. Амплитуда - максималното отстапување на секој дел од бранот од рамнотежата. Оваа вредност е означена како А.
2. Период. Ова е времето потребно за едноставен бран да ја заврши својата целосна осцилација. По ова време, секоја точка на бранот почнува да го повторува својот осцилаторен процес. Периодот обично се означува со буквата Т и се мери во секунди во системот SI.
3. Фреквенција. тоа физичката количина, што покажува колку осцилации прави овој бран во секунда. Односно, во неговото значење, тоа е вредност инверзна на периодот. Се означува f. За фреквенцијата на звучниот бран, формулата за нејзино одредување во однос на период е следна: f = 1/T.
4. Бранова должина е растојанието што го минува во еден период на осцилација. Геометриски, брановата должина е растојанието помеѓу две најблиски максими или два најблиски минимуми на синусоидна крива. Должината на осцилација на звучниот бран е растојанието помеѓу најблиските области на компресија на воздухот или најблиските места на негово реткост во просторот каде што се движи бранот. Обично се назначува Грчко писмо λ.
5. Брзината на ширење на звучниот бран е растојанието преку кое се шири областа на компресија или областа на реткост на бранот по единица време. Оваа вредност е означена со буквата v. За брзината на звучниот бран формулата е: v = λ*f.

Геометријата на чист звучен бран, односно бран со постојана чистота, се покорува на синусоидален закон. Во општиот случај, формулата на звучниот бран е: y = A*sin(ωt), каде y е вредноста на координатата на дадена точка на бранот, t е време, ω = 2*pi*f е фреквенцијата на цикличните осцилации.

апериодичен звук

Многу извори на звук може да се сметаат за периодични, на пример, звукот од музички инструменти како што се гитара, пијано, флејта, но во природата има и голем број звуци кои се апериодични, односно звучните вибрации ја менуваат нивната фреквенција и облик во вселената. Технички, овој вид на звук се нарекува бучава. Живописни примери на апериодичен звук се урбан шум, звук на морето, звуци од ударни инструменти, на пример, од тапан и други.

Медиум за ширење на звукот

За разлика од електромагнетното зрачење, на чии фотони не им треба никаков материјален медиум за нивно ширење, природата на звукот е таква што е потребен одреден медиум за негово ширење, односно, според законите на физиката, звучните бранови не можат да се шират во вакуум.

Звукот може да се шири во гасови, течности и цврсти материи. Главните карактеристики на звучниот бран што се шири во медиум се како што следува:

• бранот се шири линеарно;
• се шири подеднакво во сите правци во хомогена средина, односно звукот се разминува од изворот, формирајќи идеална сферична површина.
• без оглед на амплитудата и фреквенцијата на звукот, неговите бранови се шират со иста брзина во даден медиум.

Брзината на звучните бранови во различни медиуми

Брзината на ширење на звукот зависи од два главни фактори: медиумот во кој се движи бранот и температурата. Општо земено, важи следново правило: колку е медиумот погуст и колку е повисока неговата температура, толку побрзо звукот патува во него.

На пример, брзината на ширење на звучниот бран во воздухот во близина на површината на земјата на температура од 20 ℃ и влажност од 50% е 1235 km/h или 343 m/s. Во вода, на дадена температура, звукот патува 4,5 пати побрзо, односно околу 5735 km/h или 1600 m/s. Што се однесува до зависноста на брзината на звукот од температурата во воздухот, таа се зголемува за 0,6 m / s со зголемување на температурата за секој степен Целзиусов.

Тембр и тон

Ако жицата или металната плоча се дозволи слободно да вибрира, таа ќе произведува звуци. различна фреквенција. Многу е ретко да се најде тело што би емитувало звук со една одредена фреквенција, обично звукот на некој објект има збир на фреквенции во одреден интервал.

Темброт на звукот се одредува според бројот на хармоници присутни во него и нивните соодветни интензитети. Темброт е субјективна вредност, односно тоа е перцепција на звучен предмет од одредена личност. Тимбр обично се карактеризира со следните придавки: висок, брилијантен, звучен, мелодичен итн.

Тонот е звучна сензација што овозможува да се класифицира како висок или низок. Оваа вредност е исто така субјективна и не може да се мери со ниту еден инструмент. Тонот е поврзан со објективна количина - фреквенцијата на звучниот бран, но меѓу нив не постои недвосмислена врска. На пример, за еднофреквентен звук со постојан интензитет, тонот се зголемува како што се зголемува фреквенцијата. Ако фреквенцијата на звукот остане константна, а нејзиниот интензитет се зголемува, тогаш тонот станува помал.

Облик на извори на звук

Во согласност со обликот на телото, кое врши механички вибрации и со тоа генерира бранови, постојат три главни типа:

1. точка извор. Произведува звучни бранови кои се сферични по форма и брзо се распаѓаат со растојание од изворот (приближно 6 dB ако растојанието од изворот се удвои).
2. извор на линија. Создава цилиндрични бранови, чиј интензитет се намалува побавно отколку од точкаст извор (за секое удвојување на растојанието од изворот, интензитетот се намалува за 3 dB).
3. Рамен или дводимензионален извор. Тоа генерира бранови само во одредена насока. Пример за таков извор би бил клипот што се движи во цилиндар.

Електронски извори на звук

За да се создаде звучен бран, електронските извори користат специјална мембрана (звучник), која врши механички вибрации поради феноменот на електромагнетна индукција. Таквите извори го вклучуваат следново:

• плеери на различни дискови (ЦД, ДВД и други);
• касетофони;
• радио приемници;
• Телевизори и некои други.

Содржината на статијата

ЗВУК И АКУСТИКА.Звукот е вибрации, т.е. периодични механички пертурбации во еластични медиуми - гасовити, течни и цврсти. Таквата пертурбација, која е некоја физичка промена во медиумот (на пример, промена на густината или притисокот, поместување на честичките), се шири во неа во форма на звучен бран. Областа на физиката која се занимава со потеклото, ширењето, примањето и обработката на звучните бранови се нарекува акустика. Звукот може да биде нечуен ако неговата фреквенција е надвор од чувствителноста на човечкото уво, или ако се шири во медиум како што е цврсто тело што не може да има директен контакт со увото, или ако неговата енергија брзо се троши во медиумот. Така, вообичаениот процес на перцепција на звукот за нас е само едната страна на акустиката.

ЗВУЧНИ БРАНОВИ

Размислете за долга цевка исполнета со воздух. Од левиот крај, во него се вметнува клипот цврсто прицврстен на ѕидовите (слика 1). Ако клипот остро се помести надесно и запре, тогаш воздухот во неговата непосредна близина ќе биде компримиран за момент (сл. 1, а). Тогаш компримираниот воздух ќе се прошири, туркајќи го воздухот во непосредна близина на него десно, а областа на компресија, која првично се појави во близина на клипот, ќе се движи низ цевката со постојана брзина (сл. 1, б). Овој бран на компресија е звучниот бран во гасот.

Звучниот бран во гасот се карактеризира со вишок притисок, прекумерна густина, поместување на честичките и нивната брзина. За звучните бранови, овие отстапувања од вредностите на рамнотежата се секогаш мали. Така, вишокот притисок поврзан со бранот е многу помал од статичкиот притисок на гасот. Инаку, имаме работа со уште една појава - ударен бран. Во звучен бран што одговара на обичниот говор, вишокот притисок е само околу еден милионити дел од атмосферскиот притисок.

Важно е супстанцијата да не биде понесена од звучниот бран. Бран е само привремена пертурбација што минува низ воздухот, по што воздухот се враќа во рамнотежна состојба.

Движењето на брановите, се разбира, не е единствено само за звукот: светлосните и радиосигналите патуваат во форма на бранови, а сите се запознаени со брановите на површината на водата. Сите видови бранови математички се опишани со таканаречената бранова равенка.

хармонични бранови.

Бранот во цевката на Сл. 1 се нарекува звучен пулс. Многу важен тип на бран се генерира кога клипот вибрира напред-назад како тежина суспендирана од пружина. Ваквите осцилации се нарекуваат едноставни хармонични или синусоидни, а возбудениот бран во овој случај се нарекува хармоничен.

Со едноставни хармонски осцилации, движењето периодично се повторува. Временскиот интервал помеѓу две идентични состојби на движење се нарекува период на осцилација и број целосни периодиво секунда, - фреквенцијата на осцилациите. Да го означиме периодот со Т, и фреквенцијата преку ѓ; тогаш може да се напише тоа ѓ= 1/Т.Ако, на пример, фреквенцијата е 50 периоди во секунда (50 Hz), тогаш периодот е 1/50 од секундата.

Математички едноставните хармонски осцилации се опишани со едноставна функција. Поместување на клипот со едноставни хармонски осцилации за секој момент од времето тможе да се напише во форма

Еве d-поместување на клипот од положбата на рамнотежа и Де константен множител, кој е еднаков на максималната вредност на количината ги се нарекува амплитуда на поместување.

Да претпоставиме дека клипот осцилира според формулата за хармониско осцилирање. Потоа, кога се движи надесно, доаѓа до компресија, како и досега, а при движење налево, притисокот и густината ќе се намалат во однос на нивните рамнотежни вредности. Нема компресија, туку рефлексија на гасот. Во овој случај, десната ќе се пропагира, како што е прикажано на сл. 2, бран на наизменични компресии и рефлексии. Во секој момент во времето, кривата на распределба на притисокот по должината на цевката ќе има форма на синусоид, а овој синусоид ќе се движи надесно со брзината на звукот v. Растојанието долж цевката помеѓу истите бранови фази (на пример, помеѓу соседните максими) се нарекува бранова должина. Обично се означува со грчката буква л(ламбда). Бранова должина ле растојанието што го минува бранот во времето Т. Затоа л = телевизија, или v = lf.

Надолжни и попречни бранови.

Ако честичките осцилираат паралелно со насоката на ширење на бранот, тогаш бранот се нарекува надолжен. Ако тие осцилираат нормално на правецот на ширење, тогаш бранот се нарекува попречен. Звучните бранови во гасовите и течностите се надолжни. Во цврсти материи, постојат бранови од двата типа. Можен е попречен бран во цврсто тело поради неговата ригидност (отпорност на промена на обликот).

Најзначајната разлика помеѓу овие два типа бранови е тоа што бранот на смолкнување има својство поларизација(осцилации се случуваат во одредена рамнина), но надолжната не. Во некои појави, како што е рефлексијата и преносот на звукот низ кристалите, многу зависи од насоката на поместување на честичките, исто како и во случајот со светлосните бранови.

Брзината на звучните бранови.

Брзината на звукот е карактеристика на медиумот во кој бранот се шири. Се одредува со два фактора: еластичност и густина на материјалот. Еластичните својства на цврстите материи зависат од видот на деформацијата. Значи, еластичните својства на металната прачка не се исти при торзија, компресија и свиткување. И соодветните бранови осцилации се шират со различни брзини.

Еластичен медиум е оној во кој деформацијата, било да е тоа торзија, компресија или свиткување, е пропорционална на силата што ја предизвикува деформацијата. Таквите материјали се предмет на законот на Хук:

Напон = Вґ Релативна деформација,

каде ОДе модулот на еластичност, во зависност од материјалот и видот на деформацијата.

Брзина на звукот vза од овој типеластична деформација е дадена со изразот

каде ре густината на материјалот (маса по единица волумен).

Брзината на звукот во цврста прачка.

Долга прачка може да се истегне или компресира со сила применета до крајот. Нека биде должината на шипката Лприменета сила на истегнување Ф, а зголемувањето на должината е Д Л. Ценето Л/Лќе се вика релативна деформација, а силата по единица површина пресекпрачка, - напон. Значи напонот е Ф/А, каде НО -пресечна површина на шипката. Како што се применува на таква прачка, законот на Хук ја има формата

каде Yе Јанг-овиот модул, т.е. модул на еластичност на шипката за затегнување или компресија, што го карактеризира материјалот на шипката. Модулот на Јанг е низок за лесно затегнувачки материјали како гума и висок за крути материјали како челик.

Ако сега возбудиме бран на компресија во него со удирање на крајот на шипката со чекан, тогаш тој ќе се шири со брзина, каде што р, како и досега, е густината на материјалот од кој е направена прачката. Вредностите на брзините на брановите за некои типични материјали се дадени во Табела. еден.

Разгледуваниот бран во шипката е бран на компресија. Но, тоа не може да се смета за строго надолжно, бидејќи движењето на страничната површина на шипката е поврзано со компресија (сл. 3, а).

Во шипката се можни и два други типа бранови - бран на свиткување (сл. 3, б) и торзиониот бран (сл. 3, во). Деформациите на свиткување одговараат на бран кој не е ниту чисто надолжен ниту чисто попречен. Торзиони деформации, т.е. ротација околу оската на шипката, даваат чисто попречен бран.

Брзината на свиткување бран во прачка зависи од брановата должина. Таквиот бран се нарекува „дисперзивен“.

Торзионите бранови во шипката се чисто попречни и недисперзивни. Нивната брзина е дадена со формулата

каде ме модулот на смолкнување што ги карактеризира еластичните својства на материјалот во однос на смолкнување. Некои типични брзини на бранови на смолкнување се дадени во Табела 1. еден.

Брзина во продолжени цврсти медиуми.

Во цврсти медиуми со голем волумен, каде што може да се занемари влијанието на границите, можни се два типа на еластични бранови: надолжни и попречни.

Деформацијата во надолжен бран е рамна деформација, т.е. еднодимензионална компресија (или реткост) во насока на ширење на бранот. Деформацијата што одговара на попречен бран е поместување на смолкнување нормално на насоката на ширење на бранот.

Брзината на надолжните бранови кај цврстите материјали е дадена со изразот

каде C-L-модул на еластичност за едноставна деформација на рамнина. Тоа е поврзано со масовниот модул AT(што е дефинирано подолу) и модулот на смолкнување m на материјалот како Ц Л = Б + 4/3м .Во табелата. 1 ги прикажува вредностите на брзините на надолжните бранови за различни цврсти материјали.

Брзината на брановите на смолкнување во продолжени цврсти подлоги е иста како брзината на торзионите бранови во прачка од истиот материјал. Затоа, тоа е дадено со изразот . Неговите вредности за конвенционалните цврсти материјали се дадени во Табела. еден.

брзина во гасови.

Кај гасовите можен е само еден вид на деформација: компресија - реткост. Соодветен модул на еластичност ATсе нарекува масовен модул. Тоа е определено од односот

-Д П = Б(Д В/В).

Еве Д П– промена на притисокот, Д В/Ве релативната промена на волуменот. Знакот минус покажува дека како што се зголемува притисокот, волуменот се намалува.

Вредност ATзависи од тоа дали температурата на гасот се менува или не при компресија. Во случај на звучен бран, може да се покаже дека притисокот се менува многу брзо и топлината што се ослободува за време на компресија нема време да го напушти системот. Така, промената на притисокот во звучниот бран се случува без размена на топлина со околните честички. Таквата промена се нарекува адијабатска. Утврдено е дека брзината на звукот во гас зависи само од температурата. На дадена температура, брзината на звукот е приближно иста за сите гасови. На температура од 21,1 ° C, брзината на звукот во сув воздух е 344,4 m / s и се зголемува со зголемување на температурата.

Брзина во течности.

Звучните бранови во течностите се бранови на компресија - реткост, како кај гасовите. Брзината е дадена со истата формула. Сепак, течноста е многу помалку компресибилна од гасот, а со тоа и количината AT, повеќе и густина р. Брзината на звукот во течностите е поблиска до брзината кај цврстите материи отколку кај гасовите. Тој е многу помал отколку кај гасовите и зависи од температурата. На пример, брзината во свежа вода е 1460 m/s на 15,6°C. морска воданормалната соленост на иста температура е 1504 m/s. Брзината на звукот се зголемува со зголемување на температурата на водата и концентрацијата на сол.

стоечки бранови.

Кога хармоничен бран е возбуден во ограничен простор, така што отскокнува од границите, се јавуваат таканаречени стоечки бранови. Стоечкиот бран е резултат на суперпозиција на два бранови кои патуваат еден во напред, а другиот во спротивна насока. Постои шема на осцилации што не се движи во просторот, со наизменични антиноди и јазли. Кај антинодите, отстапувањата на осцилирачките честички од нивните рамнотежни позиции се максимални, а кај јазлите се еднакви на нула.

Стоечки бранови во низа.

Во испружена низа, попречни бранови, а низата е поместена во однос на нејзината оригинална, праволиниска положба. Кога фотографирате бранови во низа, јазлите и антинодите на основниот тон и призвук се јасно видливи.

Сликата на стоечките бранови во голема мера ја олеснува анализата на осцилаторните движења на низа со одредена должина. Нека има низа со должина Лприкачени на краевите. Секаков вид на вибрации на таква низа може да се претстави како комбинација на стоечки бранови. Бидејќи краевите на низата се фиксирани, можни се само такви стоечки бранови кои имаат јазли на граничните точки. Најниската фреквенција на вибрации на низата одговара на максималната можна бранова должина. Бидејќи растојанието помеѓу јазлите е л/2, фреквенцијата е минимална кога должината на низата е еднаква на половина од брановата должина, т.е. на л= 2Л. Ова е таканаречениот фундаментален начин на вибрации на низата. Нејзината соодветна фреквенција, наречена основна фреквенција или основен тон, е дадена со ѓ = v/2Л, каде vе брзината на ширење на бранот долж низата.

Постои цела низа од осцилации со поголема фреквенција кои одговараат на стоечки бранови со повеќе јазли. Следната повисока фреквенција, која се нарекува втор хармоничен или прв призвук, е дадена со

ѓ = v/Л.

Низата хармоници се изразува со формулата f = nv/2Л, каде n= 1, 2, 3, итн. Ова е т.н. сопствени фреквенции на вибрациите на низата. Тие се зголемуваат пропорционално со природните броеви: повисоки хармоници во 2, 3, 4... итн. пати поголема од основната фреквенција. Таквата серија на звуци се нарекува природна или хармонична скала.

Сето ова е од големо значење во музичката акустика, за што подетално ќе стане збор подолу. Засега, забележуваме дека звукот произведен од жици ги содржи сите природни фреквенции. Релативниот придонес на секој од нив зависи од точката во која се возбудуваат вибрациите на жицата. Ако, на пример, стрингот се откине во средината, тогаш основната фреквенција ќе биде најмногу возбудена, бидејќи оваа точка одговара на антинодата. Вториот хармоник ќе биде отсутен, бидејќи неговиот јазол се наоѓа во центарот. Истото може да се каже и за другите хармоници ( Види подолумузичка акустика).

Брзината на брановите во низата е

каде Т -напнатост на жицата и rL -маса по единица должина на стрингот. Затоа, природниот фреквентен спектар на стрингот е даден со

Така, зголемувањето на затегнатоста на жицата доведува до зголемување на фреквенциите на вибрации. Да се ​​намали фреквенцијата на осцилации во дадена Тможете, земајќи потешка низа (голема rL) или зголемување на нејзината должина.

Стоечки бранови во цевките на органите.

Теоријата наведена во врска со жицата може да се примени и на воздушните вибрации во цевка од тип на орган. На цевката за орган може поедноставено да се гледа како на права цевка во која стоечките бранови се возбудуваат. Цевката може да има и затворени и отворени краеви. На отворениот крај се јавува антинод на стоечкиот бран, а на затворениот крај се јавува јазол. Затоа, цевката со два отворени краја има основна фреквенција при која половина од брановата должина се вклопува по должината на цевката. Цевката, од друга страна, во која едниот крај е отворен, а другиот затворен, има основна фреквенција на која четвртина од брановата должина се вклопува по должината на цевката. Така, основната фреквенција за отворена цевка на двата краја е ѓ =v/2Ли за цевка отворена на едниот крај, f = v/4Л(каде Ле должината на цевката). Во првиот случај, резултатот е ист како и за низата: призвуките се двојни, тројни итн. вредност на основната фреквенција. Меѓутоа, за цевка отворена на едниот крај, призвукот ќе биде поголем од основната фреквенција за 3, 5, 7 итн. еднаш.

На сл. На сликите 4 и 5 шематски се прикажани постојаните бранови на основната фреквенција и првиот призвук за цевките од двата разгледувани типа. Заради погодност, поместувањата овде се прикажани како попречни, но всушност тие се надолжни.

резонантни осцилации.

Стоечките бранови се тесно поврзани со феноменот на резонанца. Природните фреквенции дискутирани погоре се исто така резонантни фреквенции на жици или органски цевки. Да претпоставиме дека звучник е поставен во близина на отворениот крај на цевката за орган, кој емитува сигнал со една специфична фреквенција, која може да се менува по желба. Потоа, ако фреквенцијата на сигналот од звучникот се совпадне со главната фреквенција на цевката или со еден од нејзините призвук, цевката ќе звучи многу гласно. Тоа е затоа што звучникот ги возбудува вибрациите на воздушниот столб со значителна амплитуда. Се вели дека трубата одекнува под овие услови.

Фуриеова анализа и фреквентен спектар на звук.

Во пракса, звучните бранови со една фреквенција се ретки. Но, сложените звучни бранови може да се разложат на хармоници. Овој метод е наречен Фуриеова анализа по францускиот математичар J. Fourier (1768–1830), кој прв го применил (во теоријата на топлина).

Графикот на релативната енергија на звучните вибрации наспроти фреквенцијата се нарекува фреквентен спектар на звук. Постојат два главни типа на такви спектри: дискретни и континуирани. Дискретниот спектар се состои од посебни линии за фреквенции разделени со празни места. Сите фреквенции се присутни во континуираниот спектар во неговиот опсег.

Периодични звучни вибрации.

Звучните вибрации се периодични ако осцилаторниот процес, колку и да е сложен, се повторува по одреден временски интервал. Неговиот спектар е секогаш дискретен и се состои од хармоници со одредена фреквенција. Оттука и терминот „хармонична анализа“. Пример се правоаголните осцилации (сл. 6, а) со промена на амплитудата од +Апред - НОи период Т= 1/ѓ. Друг едноставен пример е триаголното осцилирање на пилата прикажано на сл. 6, б. Пример за периодични осцилации од посложена форма со соодветните хармонски компоненти е прикажан на сл. 7.

Музичките звуци се периодични вибрации и затоа содржат хармоници (овертонови). Веќе видовме дека во стрингот, заедно со осцилациите на основната фреквенција, другите хармоници се возбудуваат до еден или друг степен. Релативниот придонес на секој призвук зависи од начинот на кој стрингот е возбуден. Множеството на призвук во голема мера се определува со тембрмузички звук. Овие прашања се дискутирани подетално подолу во делот за музичка акустика.

Спектарот на звучниот пулс.

Вообичаената разновидност на звукот е звукот со кратко траење: плескање со раце, тропање на вратата, звук на предмет што паѓа на подот, кукавица кукавица. Таквите звуци не се ниту периодични, ниту музички. Но, тие исто така можат да се разложат во фреквентен спектар. Во овој случај, спектарот ќе биде континуиран: за да се опише звукот, потребни се сите фреквенции во одреден опсег, кој може да биде доста широк. Познавањето на таков фреквентен спектар е неопходно за да се репродуцираат такви звуци без изобличување, бидејќи соодветниот електронски систем мора да ги „помине“ сите овие фреквенции подеднакво добро.

Главните карактеристики на звучниот пулс може да се разјаснат со разгледување на пулсот од едноставна форма. Да претпоставиме дека звукот е осцилација со времетраење D т, при што промената на притисокот е како што е прикажано на сл. осум, а. Приближен фреквентен спектар за овој случај е прикажан на сл. осум, б. Централната фреквенција одговара на вибрациите што би ги имале доколку истиот сигнал се продолжува на неодредено време.

Должината на фреквенцискиот спектар се нарекува пропусност D ѓ(Сл. 8, б). Пропусниот опсег е приближниот опсег на фреквенции потребни за репродукција на оригиналниот пулс без прекумерно изобличување. Постои многу едноставна фундаментална врска помеѓу Д ѓи Д т, имено

Д ѓД т„еден.

Овој однос важи за сите звучни импулси. Неговото значење е дека колку е пократок пулсот, толку повеќе фреквенции содржи. Да претпоставиме дека сонар се користи за откривање на подморница, кој емитува ултразвук во форма на пулс со времетраење од 0,0005 секунди и фреквенција на сигнал од 30 kHz. Пропусниот опсег е 1/0,0005 = 2 kHz, а фреквенциите всушност содржани во спектарот на пулсот на локаторот лежат во опсег од 29 до 31 kHz.

Бучава.

Бучавата се однесува на кој било звук произведен од повеќе, некоординирани извори. Пример е звукот на листовите од дрвјата кои се нишаат од ветрот. Бучавата на млазниот мотор се должи на турбуленцијата на протокот на издувни гасови со голема брзина. Бучавата како досаден звук се смета во чл. АКУСТИЧКО ЗАГАДУВАЊЕ НА ЖИВОТНАТА СРЕДИНА.

Интензитетот на звукот.

Јачината на звукот може да варира. Лесно е да се види дека тоа се должи на енергијата што ја носи звучниот бран. За квантитативни споредби на гласноста, неопходно е да се воведе концептот на интензитетот на звукот. Интензитетот на звучниот бран е дефиниран како просечен енергетски флукс низ единица површина на брановиот фронт по единица време. Со други зборови, ако земеме една област (на пример, 1 cm 2), која целосно би го апсорбирала звукот, и ја поставиме нормално на насоката на ширење на бранот, тогаш интензитетот на звукот е еднаков на акустичната енергија апсорбирана во една секунда. . Интензитетот обично се изразува во W/cm2 (или W/m2).

Ја даваме вредноста на оваа вредност за некои познати звуци. Амплитудата на прекумерен притисок што се јавува за време на нормален разговор е приближно еден милионити дел од атмосферскиот притисок, што одговара на интензитетот на акустичен звук од редот од 10–9 W/cm 2 . Вкупната моќност на звукот што се емитува за време на нормален разговор е од само 0,00001 вати. Способноста на човечкото уво да воочи толку мали енергии сведочи за неговата неверојатна чувствителност.

Опсегот на интензитетот на звукот што го перцепира нашето уво е многу широк. Интензитетот на најгласниот звук што увото може да го поднесе е околу 1014 пати од минимумот што може да го слушне. Целосната моќ на изворите на звук опфаќа подеднакво широк опсег. Така, моќта што се емитува за време на многу тивок шепот може да биде од редот на 10-9 W, додека моќта што ја емитува млазен мотор достигнува 10-5 W. Повторно, интензитетите се разликуваат за фактор 10 14.

Децибели.

Бидејќи звуците толку многу се разликуваат по интензитет, попогодно е да се смета за логаритамска вредност и да се измери во децибели. Логаритамската вредност на интензитетот е логаритам на односот на разгледуваната вредност на количината со неговата вредност, земен како оригинал. Ниво на интензитет Јво однос на некој условно избран интензитет Ј 0 е

Ниво на јачина на звук = 10 lg ( Ј/Ј 0) dB.

Така, еден звук кој е 20 dB поинтензивен од друг е 100 пати поинтензивен.

Во практиката на акустични мерења, вообичаено е да се изразува интензитетот на звукот во однос на соодветната амплитуда на прекумерен притисок П е. Кога притисокот се мери во децибели во однос на некој конвенционално избран притисок Р 0 , добијте го таканареченото ниво на звучен притисок. Бидејќи интензитетот на звукот е пропорционален на големината П е 2 и lg( П е 2) = 2 lg П е, нивото на звучен притисок се одредува на следниов начин:

Ниво на звучен притисок = 20 lg ( П е/П 0) dB.

Номинален притисок Р 0 = 2×10–5 Pa одговара на стандардниот праг на слух за звук со фреквенција од 1 kHz. Во табелата. 2 ги прикажува нивоата на звучен притисок за некои вообичаени извори на звук. Ова се интегрални вредности добиени со просек во целиот опсег на звучна фреквенција.

Волумен.

Нивото на звучен притисок не е едноставно поврзано со психолошка перцепцијаволумен. Првиот од овие фактори е објективен, а вториот е субјективен. Експериментите покажуваат дека перцепцијата на гласноста не зависи само од интензитетот на звукот, туку и од неговата фреквенција и експерименталните услови.

Јачините на звуците кои не се врзани за условите за споредба не можат да се споредат. Сепак, споредбата на чисти тонови е од интерес. За да го направите ова, определете го нивото на звучен притисок на кое даден тон се перцепира подеднакво гласен како стандарден тон со фреквенција од 1000 Hz. На сл. 9 покажува еднакви криви на гласност добиени во експериментите на Флечер и Менсон. За секоја крива е означено соодветното ниво на звучен притисок на стандарден тон од 1000 Hz. На пример, при тонска фреквенција од 200 Hz, потребно е ниво на звук од 60 dB за да се сфати како еднакво на тон од 1000 Hz со ниво на звучен притисок од 50 dB.

Овие криви се користат за дефинирање на потпевнувањето, единица на гласност која исто така се мери во децибели. Заднината е нивото на јачината на звукот за кое нивото на звучен притисок на подеднакво гласен стандарден чист тон (1000 Hz) е 1 dB. Значи, звукот со фреквенција од 200 Hz на ниво од 60 dB има ниво на јачина од 50 телефони.

Долната крива на сл. 9 е кривата на прагот на слухот на доброто уво. Опсегот на звучни фреквенции се протега од околу 20 до 20.000 Hz.

Пропагирање на звучни бранови.

Како брановите од камче фрлено во мирна вода, звучните бранови се шират во сите правци. Удобно е да се карактеризира таков процес на ширење како брановиден фронт. Брановиот фронт е површина во вселената, на сите точки од кои се јавуваат осцилации во иста фаза. Бранови фронтови од камче паднато во водата се кругови.

Рамни бранови.

Брановиот фронт на наједноставната форма е рамен. Рамниот бран се шири само во една насока и е идеализација што само приближно се реализира во пракса. Звучниот бран во цевката може да се смета приближно рамен, исто како сферичниот бран на голема оддалеченост од изворот.

сферични бранови.

Едноставните типови на бранови вклучуваат бран со сферичен фронт, кој произлегува од точка и се шири во сите правци. Таков бран може да се возбуди со помош на мала пулсирачка сфера. Изворот што возбудува сферичен бран се нарекува точкаст извор. Интензитетот на таков бран се намалува додека се шири, бидејќи енергијата се дистрибуира во сфера со уште поголем радиус.

Ако точкаст извор кој произведува сферичен бран зрачи со моќност од 4 pQ, тогаш, бидејќи површината на сфера со радиус ре еднакво на 4 стр 2, интензитетот на звукот во сферичен бран е еднаков на

Ј = П/р 2 ,

каде ре растојанието од изворот. Така, интензитетот на сферичниот бран се намалува обратно со квадратот на растојанието од изворот.

Интензитетот на кој било звучен бран за време на неговото ширење се намалува поради апсорпцијата на звукот. Овој феномен ќе се дискутира подолу.

Принципот на Хајгенс.

Принципот на Хајген е валиден за ширење на предниот бран. За да го разјасниме, да го разгледаме обликот на брановиот фронт кој ни е познат во одреден момент во времето. Може да се најде и по некое време Д т, ако секоја точка на иницијалниот брановиден фронт се смета за извор на елементарен сферичен бран кој се шири низ овој интервал до растојание vД т. Обвивката на сите овие елементарни сферични бранови фронтови ќе биде фронтот на новиот бран. Принципот на Хајгенс овозможува да се одреди обликот на брановиот фронт во текот на процесот на ширење. Исто така, имплицира дека брановите, и рамни и сферични, ја задржуваат својата геометрија за време на ширењето, под услов медиумот да е хомоген.

дифракција на звукот.

Дифракција е бран кој се наведнува околу пречка. Дифракцијата се анализира со користење на Хајгенсовиот принцип. Степенот на ова свиткување зависи од односот помеѓу брановата должина и големината на пречката или дупката. Бидејќи брановата должина на звучниот бран е многу пати поголема од онаа на светлината, дифракцијата на звучните бранови не изненадува помалку од дифракцијата на светлината. Значи, можете да разговарате со некој што стои зад аголот на зградата, иако тој не е видлив. Звучниот бран лесно се наведнува околу аголот, додека светлината, поради малата бранова должина, создава остри сенки.

Размислете за дифракција на рамномерен звучен бран што се слетува на цврст рамен екран со дупка. За да го одредите обликот на брановиот фронт од другата страна на екранот, треба да ја знаете врската помеѓу брановата должина ли дијаметар на дупката Д. Ако овие вредности се приближно исти или лМногу повеќе Д, тогаш се добива целосна дифракција: брановиот фрон на излезниот бран ќе биде сферичен, а бранот ќе ги достигне сите точки зад екранот. Ако лнешто помалку Д, тогаш појдовниот бран ќе се шири претежно во напредната насока. И конечно, ако лмногу помалку Д, тогаш целата негова енергија ќе се шири во права линија. Овие случаи се прикажани на сл. десет.

Дифракција се забележува и кога има пречка на патот на звукот. Ако димензиите на пречката се многу поголеми од брановата должина, тогаш звукот се рефлектира, а зад пречката се формира зона на акустична сенка. Кога големината на пречката е споредлива со или помала од брановата должина, звукот до одреден степен дифракција во сите правци. Ова се зема предвид во архитектонската акустика. Така, на пример, понекогаш ѕидовите на зградата се покриени со испакнатини со димензии од редот на брановата должина на звукот. (На фреквенција од 100 Hz, брановата должина во воздухот е околу 3,5 m.) Во овој случај, звукот, паѓајќи на ѕидовите, се расфрла во сите правци. Во архитектонската акустика, овој феномен се нарекува дифузија на звук.

Рефлексија и пренос на звук.

Кога звучниот бран што патува во еден медиум е случен на интерфејс со друг медиум, може да се случат три процеси истовремено. Бранот може да се рефлектира од интерфејсот, може да премине во друг медиум без да го промени правецот или може да го промени правецот на интерфејсот, т.е. прекршуваат. На сл. 11 го покажува наједноставниот случај, кога рамниот бран се спушта под прав агол на рамна површина што одвојува две различни супстанции. Ако коефициентот на рефлексија на интензитет, кој ја одредува пропорцијата на рефлектираната енергија, е еднаков на Р, тогаш коефициентот на пренос ќе биде еднаков на Т = 1 – Р.

За звучен бран, односот на вишокот притисок до вибрационата волуметриска брзина се нарекува акустична импеданса. Коефициентите на рефлексија и пренос зависат од односот на брановите импеданси на двата медиума, брановите импеданси, пак, се пропорционални со акустичните импеданси. Брановиот отпор на гасовите е многу помал од оној на течностите и цврстите материи. Значи, ако бран во воздухот удри во дебел цврст предмет или на површината на длабока вода, звукот речиси целосно се рефлектира. На пример, за границата на воздухот и водата, односот на отпори на бранови е 0,0003. Според тоа, енергијата на звукот што минува од воздухот во вода е еднаква на само 0,12% од енергијата на инцидентот. Коефициентите на рефлексија и пренос се реверзибилни: коефициентот на рефлексија е коефициент на пренос во спротивна насока. Така, звукот практично не продира ниту од воздухот во водениот слив, ниту од под водата кон надвор, што им е добро познато на сите што пливале под вода.

Во случај на рефлексија разгледан погоре, се претпоставуваше дека дебелината на вториот медиум во насока на ширење на бранот е голема. Но, коефициентот на пренос ќе биде многу поголем ако вториот медиум е ѕид што одвојува два идентични медиуми, како што е цврста преграда помеѓу просториите. Факт е дека дебелината на ѕидот е обично помала од брановата должина на звукот или споредлива со неа. Ако дебелината на ѕидот е повеќекратна од половина од брановата должина на звукот во ѕидот, тогаш коефициентот на пренос на бранот при нормална инциденца е многу голем. Преградата би била апсолутно проѕирна за звукот на оваа фреквенција доколку не била апсорпцијата, која овде ја занемаруваме. Ако дебелината на ѕидот е многу помала од брановата должина на звукот во него, тогаш рефлексијата е секогаш мала, а преносот е голем, освен ако не се преземат посебни мерки за зголемување на апсорпцијата на звукот.

прекршување на звукот.

Кога рамниот звучен бран се спушта под агол на интерфејсот, аголот на неговото одразување еднаков на аголотпадне. Пренесениот бран отстапува од насоката на ударниот бран ако аголот на инциденца е различен од 90°. Оваа промена во насоката на бранот се нарекува рефракција. Геометријата на прекршување на рамна граница е прикажана на сл. 12. Наведени се аглите помеѓу насоката на брановите и нормалата на површината q 1 за инцидентниот бран и q 2 - за прекршеното минато. Врската помеѓу овие два агли го вклучува само односот на брзините на звукот за двата медиума. Како и во случајот со светлосните бранови, овие агли се поврзани еден со друг со законот Снел (Снел):

Така, ако брзината на звукот во вториот медиум е помала од првата, тогаш аголот на прекршување ќе биде помал од аголот на инциденца; ако брзината во вториот медиум е поголема, тогаш аголот на прекршување ќе биде поголем отколку аголот на инциденца.

Рефракција поради температурен градиент.

Ако брзината на звукот во нехомогена средина постојано се менува од точка до точка, тогаш се менува и прекршувањето. Бидејќи брзината на звукот и во воздухот и во водата зависи од температурата, во присуство на температурен градиент, звучните бранови можат да ја променат својата насока на движење. Во атмосферата и океанот, поради хоризонталната стратификација, најчесто се забележуваат вертикални температурни градиенти. Затоа, поради промените во брзината на звукот долж вертикалата, поради температурните градиенти, звучниот бран може да се оттргне или нагоре или надолу.

Да го разгледаме случајот кога воздухот е потопол на некое место во близина на површината на Земјата отколку во повисоките слоеви. Потоа, како што се зголемува надморската височина, температурата на воздухот овде се намалува, а со тоа се намалува и брзината на звукот. Звукот што го емитува извор во близина на површината на Земјата ќе се зголеми поради прекршување. Ова е прикажано на сл. 13, кој покажува звучни „зраци“.

Отклонувањето на звучните зраци прикажано на сл. 13, во општа формаопишан со законот на Снел. Ако преку q, како и досега, означете го аголот помеѓу вертикалата и насоката на зрачењето, тогаш генерализираниот Снелов закон има форма на грев за еднаквост q/v= const што се однесува на која било точка на зракот. Така, ако зракот помине во регионот каде што брзината vсе намалува, потоа аголот qисто така треба да се намали. Затоа, звучните зраци секогаш се отклонуваат во насока на намалување на брзината на звукот.

Од сл. 13 може да се види дека постои регион лоциран на одредено растојание од изворот, каде што звучните зраци воопшто не продираат. Ова е таканаречената зона на тишина.

Сосема е можно дека некаде на висина поголема од онаа прикажана на сл. 13, поради температурниот градиент, брзината на звукот се зголемува со надморска височина. Во овој случај, звучниот бран првично отстапен нагоре ќе отстапи овде до површината на Земјата со далеку. Ова се случува кога во атмосферата се формира слој на температурна инверзија, што резултира со можен приемултра долги звучни сигнали. Во исто време, квалитетот на приемот на оддалечените точки е уште подобар од блиску. Во историјата имало многу примери на прием со ултра долг дострел. На пример, за време на Првата светска војна, кога атмосферските услови фаворизираа соодветно прекршување на звукот, во Англија можеа да се слушнат канонади на францускиот фронт.

Прекршување на звукот под вода.

Прекршувањето на звукот поради вертикални температурни промени е забележано и во океанот. Ако температурата, а со тоа и брзината на звукот, се намалуваат со длабочината, звучните зраци се отклонуваат надолу, што резултира со зона на тишина слична на онаа прикажана на сл. 13 за атмосфера. За океанот, соодветната слика ќе излезе ако оваа слика едноставно се преврти.

Присуството на зони на тишина го отежнува откривањето на подморниците со сонар, а рефракцијата, која ги отклонува звучните бранови надолу, значително го ограничува опсегот на нивното ширење во близина на површината. Сепак, се забележува и отклонување нагоре. Таа може да создаде повеќе поволни условиза хидролокација.

Интерференција на звучни бранови.

Суперпозицијата на два или повеќе бранови се нарекува бранова интерференција.

Стоечки бранови како резултат на пречки.

Горенаведените стоечки бранови се посебен случајмешање. Постојаните бранови се формираат како резултат на суперпозиција на два бранови со иста амплитуда, фаза и фреквенција, кои се шират во спротивни насоки.

Амплитудата на антинодите на стоечкиот бран е еднаква на двапати поголема од амплитудата на секој од брановите. Бидејќи интензитетот на бранот е пропорционален на квадратот на неговата амплитуда, тоа значи дека интензитетот кај антинодите е 4 пати поголем од интензитетот на секој од брановите или 2 пати поголем од вкупниот интензитет на двата брана. Тука нема прекршување на законот за зачувување на енергијата, бидејќи на јазлите интензитетот е нула.

бие.

Можна е и интерференција на хармониски бранови со различни фреквенции. Кога две фреквенции се разликуваат малку, се јавуваат таканаречени отчукувања. Отчукувањата се промени во амплитудата на звукот што се случуваат на фреквенција еднаква на разликата помеѓу оригиналните фреквенции. На сл. 14 ја покажува формата на брановиот удар.

Треба да се има на ум дека фреквенцијата на отчукување е фреквенцијата на амплитудната модулација на звукот. Исто така, отчукувањата не треба да се мешаат со фреквенцијата на разликата што произлегува од изобличувањето на хармонискиот сигнал.

Отчукувањата често се користат при подесување на два тона во дует. Фреквенцијата се прилагодува додека отчукувањата повеќе не се слушаат. Дури и ако фреквенцијата на отчукување е многу ниска, човечкото уво може да го подигне периодичното зголемување и опаѓање на јачината на звукот. Затоа, битовите се многу чувствителен метод за подесување во опсегот на аудио. Ако поставката не е точна, тогаш разликата во фреквенцијата може да се одреди со уво со броење на бројот на отчукувања во една секунда. Во музиката, отчукувањата на повисоките хармонични компоненти се перципираат и со уво, што се користи при дотерување на пијаното.

Апсорпција на звучни бранови.

Интензитетот на звучните бранови во процесот на нивното ширење секогаш се намалува поради фактот што одреден дел од акустичната енергија е расеан. Поради процесите на пренос на топлина, меѓумолекуларната интеракција и внатрешното триење, звучните бранови се апсорбираат во кој било медиум. Интензитетот на апсорпција зависи од фреквенцијата на звучниот бран и од други фактори како што се притисокот и температурата на медиумот.

Апсорпцијата на бран во медиум квантитативно се карактеризира со коефициент на апсорпција а. Покажува колку брзо се намалува вишокот притисок во зависност од растојанието поминато од бранот што се шири. Намалување на амплитудата на прекумерен притисок –D П епри минување на растојание Д Xпропорционална на амплитудата на почетниот натпритисок П еи растојание Д X. На овој начин,

-Д П е = a P eД x.

На пример, кога велиме дека загубата на апсорпција е 1 dB/m, тоа значи дека на растојание од 50 m нивото на звучниот притисок се намалува за 50 dB.

Апсорпција поради внатрешно триење и спроводливост на топлина.

За време на движењето на честичките поврзани со ширењето на звучниот бран, триењето помеѓу различни честички на медиумот е неизбежно. Во течности и гасови, ова триење се нарекува вискозитет. Вискозноста, која ја одредува неповратната конверзија на енергијата на акустичните бранови во топлина, е главната причина за апсорпцијата на звукот во гасовите и течностите.

Покрај тоа, апсорпцијата во гасови и течности се должи на загубата на топлина за време на компресија во бранот. Веќе рековме дека при минување на бранот, гасот во фазата на компресија се загрева. Во овој процес кој брзо тече, топлината обично нема време да се пренесе во други региони на гасот или до ѕидовите на садот. Но во реалноста овој процесне е идеален, а дел од ослободената топлинска енергија го напушта системот. Поврзано со ова е апсорпцијата на звук поради спроводливост на топлина. Таквата апсорпција се јавува во брановите на компресија во гасови, течности и цврсти материи.

Апсорпцијата на звукот, поради вискозноста и топлинската спроводливост, генерално се зголемува со квадратот на фреквенцијата. Така, звуците со висока фреквенција се апсорбираат многу посилно од звуците со ниска фреквенција. На пример, при нормален притисок и температура, коефициентот на апсорпција (поради двата механизми) на фреквенција од 5 kHz во воздухот е околу 3 dB/km. Бидејќи апсорпцијата е пропорционална на квадратот на фреквенцијата, коефициентот на апсорпција на 50 kHz е 300 dB/km.

Апсорпција во цврсти материи.

Механизмот на апсорпција на звук поради топлинска спроводливост и вискозност, кој се одвива во гасови и течности, е зачуван и во цврсти материи. Меѓутоа, тука се додаваат нови механизми за апсорпција. Тие се поврзани со дефекти во структурата на цврстите материи. Поентата е дека поликристалните цврсти материјали се состојат од мали кристалити; кога звукот поминува низ нив се случуваат деформации, што доведува до апсорпција на звучната енергија. Звукот е исто така расеан на границите на кристалитите. Покрај тоа, дури и единечните кристали содржат дефекти од типот на дислокација кои придонесуваат за апсорпција на звукот. Дислокациите се прекршување на координацијата на атомските рамнини. Кога звучниот бран предизвикува атомите да вибрираат, дислокациите се движат и потоа се враќаат во првобитната положба, трошејќи ја енергијата поради внатрешно триење.

Апсорпцијата поради дислокации објаснува, особено, зошто оловното ѕвоно не ѕвони. Оловото е мек метал со многу дислокации и затоа звучните вибрации во него се распаѓаат исклучително брзо. Но, добро ќе ѕвони ако се лади со течен воздух. На ниски температуридислокациите се „замрзнати“ во фиксна положба, и затоа не се движат и не ја претвораат звучната енергија во топлина.

МУЗИЧКА АКУСТИКА

Музички звуци.

Музичката акустика ги проучува карактеристиките на музичките звуци, нивните карактеристики поврзани со тоа како ги перципираме и механизмите на звукот на музичките инструменти.

Музичкиот звук или тон е периодичен звук, т.е. флуктуации кои се повторуваат одново и одново по одреден период. Погоре беше кажано дека периодичниот звук може да се претстави како збир на осцилации со фреквенции кои се множители на основната фреквенција ѓ: 2ѓ, 3ѓ, 4ѓитн. Беше забележано и дека емитираат вибрирачки жици и воздушни столбови музички звуци.

Музичките звуци се одликуваат со три карактеристики: гласност, тон и тембр. Сите овие показатели се субјективни, но може да се поврзат со измерените вредности. Гласноста е поврзана главно со интензитетот на звукот; висината на звукот, што ја карактеризира неговата позиција во музичкиот систем, се определува со фреквенцијата на тонот; темброт, по кој еден инструмент или глас се разликува од друг, се карактеризира со распределба на енергијата преку хармониците и промена на оваа дистрибуција со текот на времето.

Висина на звукот.

Висината на музичкиот звук е тесно поврзана со фреквенцијата, но не е идентична со неа, бидејќи проценката на висината е субјективна.

Така, на пример, беше откриено дека проценката на висината на звукот со една фреквенција донекаде зависи од нивото на неговата гласност. Со значително зголемување на волуменот, да речеме 40 dB, привидната фреквенција може да се намали за 10%. Во пракса, оваа зависност од гласноста не е важна, бидејќи музичките звуци се многу посложени од звукот со една фреквенција.

На прашањето за односот помеѓу висината и фреквенцијата, нешто друго е позначајно: ако музичките звуци се составени од хармоници, тогаш со која фреквенција се поврзува согледаниот тон? Излегува дека ова можеби не е фреквенцијата што одговара на максималната енергија, а не најниската фреквенција во спектарот. Така, на пример, музички звук кој се состои од збир на фреквенции од 200, 300, 400 и 500 Hz се перцепира како звук со висина од 100 Hz. Односно, висината е поврзана со основната фреквенција на хармониската серија, дури и ако не е во спектарот на звукот. Точно, најчесто основната фреквенција е присутна до одреден степен во спектарот.

Зборувајќи за односот помеѓу висината и неговата фреквенција, не треба да се заборави за карактеристиките човечки органслух. Ова е посебен акустичен приемник кој воведува свои дисторзии (да не зборуваме за фактот дека постојат психолошки и субјективни аспекти на слухот). Увото може да избере некои фреквенции, покрај тоа, звучниот бран претрпува нелинеарни нарушувања во него. Селективноста на фреквенцијата се должи на разликата помеѓу гласноста на звукот и неговиот интензитет (сл. 9). Потешко е да се објаснат нелинеарни изобличувања, кои се изразуваат во појавата на фреквенции кои се отсутни во оригиналниот сигнал. Нелинеарноста на реакцијата на увото се должи на асиметријата на движењето на нејзините различни елементи.

Една од карактеристичните карактеристики на нелинеарниот систем за примање е дека кога е возбуден од звук со фреквенција ѓВо него се возбудуваат 1 хармониски призвук 2 ѓ 1 , 3ѓ 1 ,..., а во некои случаи и субхармонии од типот 1/2 ѓеден . Покрај тоа, кога нелинеарен систем е возбуден од две фреквенции ѓ 1 и ѓ 2, фреквенциите на збирот и разликата се возбудени во него ѓ 1 + ѓ 2 и ѓ 1 - ѓ 2. Колку е поголема амплитудата на почетните осцилации, толку е поголем придонесот на „екстра“ фреквенции.

Така, поради нелинеарноста акустични карактеристикиувото може да прима фреквенции кои не се присутни во звукот. Таквите фреквенции се нарекуваат субјективни тонови. Да претпоставиме дека звукот се состои од чисти тонови со фреквенции од 200 и 250 Hz. Поради нелинеарноста на одговорот, ќе се појават дополнителни фреквенции 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz итн. На слушателот ќе му се чини дека има цел сет на комбинирани фреквенции во звукот, но нивниот изглед всушност се должи на нелинеарниот одговор на увото. Кога музичкиот звук се состои од основна фреквенција и нејзините хармоници, очигледно е дека основната фреквенција ефективно се засилува со фреквенциите на разликата.

Точно, студиите покажаа дека субјективните фреквенции се појавуваат само при доволно голема амплитуда на оригиналниот сигнал. Затоа, можно е во минатото улогата на субјективните фреквенции во музиката да била многу преувеличена.

Музички стандарди и мерење на висината на музичкиот звук.

Во историјата на музиката, звуците на различни фреквенции биле земени како главен тон, кој ја одредува целата музичка структура. Сега општо прифатената фреквенција за нотата „ла“ од првата октава е 440 Hz. Но, во минатото се смени од 400 на 462 Hz.

Традиционалниот начин да се одреди висината на звукот е да се спореди со тонот на стандардна камертон. Отстапувањето на фреквенцијата на даден звук од стандардот се оценува според присуството на отчукувања. Камертонот сè уште се користи, иако сега има попогодни уреди за одредување на висината, како што е референтниот осцилатор за стабилна фреквенција (со кварцен резонатор), кој може непречено да се подесува во целиот опсег на звук. Точно, точната калибрација на таков уред е доста тешко.

Широко се користи стробоскопскиот метод за мерење на висината, во кој звукот на музички инструмент ја поставува фреквенцијата на трепкањата на строб светилка. Светилката ја осветлува шемата на диск што ротира со позната фреквенција, а очигледната фреквенција на движење на шаблонот на дискот под стробоскопско осветлување ја одредува основната фреквенција на тонот.

Увото е многу чувствително на промена на тонот, но неговата чувствителност зависи од фреквенцијата. Максимално е во близина на долниот праг на чујност. Дури и необучено уво може да открие само 0,3% разлика во фреквенциите помеѓу 500 и 5000 Hz. Чувствителноста може да се зголеми со тренинг. Музичарите имаат многу развиена смислависина, но не секогаш помага во одредувањето на фреквенцијата на чистиот тон произведен од референтниот осцилатор. Ова сугерира дека при одредувањето на фреквенцијата на звукот со уво, неговата тембр игра важна улога.

Тембр.

Тембр се однесува на оние карактеристики на музичките звуци кои на музичките инструменти и гласови им даваат единствена специфичност, дури и ако ги споредиме звуците со иста висина и гласност. Ова е, така да се каже, квалитетот на звукот.

Темброт зависи од фреквентниот спектар на звукот и неговата промена со текот на времето. Тоа е одредено од неколку фактори: распределбата на енергијата преку призвук, фреквенциите што се јавуваат во моментот кога звукот се појавува или запира (т.н. преодни тонови) и нивното распаѓање, како и бавната амплитуда и фреквентна модулација на звукот. („вибрато“).

јачина на тон.

Размислете за истегната врвка, која е возбудена со штипка во нејзиниот среден дел (сл. 15, а). Бидејќи сите парни хармоници имаат јазли во средината, тие ќе бидат отсутни, а осцилациите ќе се состојат од непарни хармоници со основната фреквенција еднаква на ѓ 1 = v/2л, каде v-брзината на бранот во низата и ле неговата должина. Така, ќе бидат присутни само фреквенции ѓ 1 , 3ѓ 1 , 5ѓ 1 итн. Релативните амплитуди на овие хармоници се прикажани на сл. петнаесет, б.

Овој пример ни овозможува да го извлечеме следниов важен општ заклучок. Множеството хармоници на резонантниот систем се одредува според неговата конфигурација, а распределбата на енергијата над хармониците зависи од методот на возбудување. Кога стрингот е возбуден во средината, основната фреквенција доминира и парните хармоници се целосно потиснати. Ако стрингот е фиксиран во нејзиниот среден дел и откинат на некое друго место, тогаш основната фреквенција и непарните хармоници ќе бидат потиснати.

Сето ова се однесува на други добро познати музички инструменти, иако деталите можат да бидат многу различни. Инструментите обично имаат воздушна шуплина, звучна табла или сирена за емитување звук. Сето ова ја одредува структурата на призвуките и изгледот на форматите.

Форманти.

Како што споменавме погоре, квалитетот на звукот на музичките инструменти зависи од распределбата на енергијата меѓу хармониците. При промена на тонот на многу инструменти, а особено на човечкиот глас, дистрибуцијата на хармониците се менува така што главните призвук секогаш се наоѓаат во приближно ист фреквентен опсег, кој се нарекува опсег на формант. Една од причините за постоењето на формати е употребата на резонантни елементи за засилување на звукот, како што се звучните табли и воздушните резонатори. Ширината на природните резонанци е обично голема, поради што ефикасноста на зрачењето на соодветните фреквенции е поголема. За дувачки инструменти, формантите се одредуваат според ѕвоното од кое се емитува звукот. Призвуките кои спаѓаат во опсегот на формант секогаш се силно нагласени, бидејќи се емитуваат со максимална енергија. Формантите во голема мера ги одредуваат карактеристичните квалитативни карактеристики на звуците на музички инструмент или глас.

Менување на тоновите со текот на времето.

Тонот на звукот на кој било инструмент ретко останува константен со текот на времето, а темброт е суштински поврзан со ова. Дури и кога инструментот одржува долга нота, постои мала периодична модулација на фреквенцијата и амплитудата, збогатувајќи го звукот - „вибрато“. Ова особено важи за гудачките инструменти како што е виолината и за човечкиот глас.

За многу инструменти, како што е пијаното, времетраењето на звукот е такво што постојан тон нема време да се формира - возбудениот звук брзо се зголемува, а потоа следи неговото брзо распаѓање. Бидејќи распаѓањето на призвукот обично се должи на ефектите зависни од фреквенцијата (како што е акустична радијација), јасно е дека распределбата на призвукот се менува во текот на тонот.

Природата на промената на тонот со текот на времето (стапката на пораст и пад на звукот) за некои инструменти е шематски прикажана на сл. 18. Како што можете да видите, жичените инструменти (кубени и клавијатури) речиси немаат постојан тон. Во такви случаи, можно е да се зборува за спектарот на призвук само условно, бидејќи звукот брзо се менува со текот на времето. Карактеристиките на подемот и падот се исто така важен дел од темброт на овие инструменти.

преодни тонови.

Хармонискиот состав на тонот обично брзо се менува кратко времепо звучна стимулација. Кај оние инструменти во кои звукот се возбудува со удирање на жиците или кубење, енергијата што се припишува на повисоките хармоници (како и на бројни нехармонични компоненти) е максимална веднаш по започнувањето на звукот, а по дел од секундата овие фреквенции избледуваат. Таквите звуци, наречени преодни, му даваат специфична боја на звукот на инструментот. Кај клавирот тие се предизвикани од дејството на чеканот кој удира по жицата. Понекогаш музичките инструменти со иста структура на призвук може да се разликуваат само со преодни тонови.

ЗВУКОТ НА МУЗИЧКИТЕ ИНСТРУМЕНТИ

Музичките звуци можат да бидат возбудени и променети различни начини, во врска со што музичките инструменти се одликуваат со различни форми. Инструментите најчесто ги создавале и усовршувале самите музичари и вешти мајстори кои не прибегнале кон научна теорија. Затоа, акустичната наука не може да објасни, на пример, зошто виолината има таква форма. Сепак, сосема е можно да се опишат звучните својства на виолината во однос на општите принципи на свирење и конструкција на виолина.

Фреквентниот опсег на инструментот обично се подразбира како фреквентен опсег на неговите основни тонови. Човечкиот глас опфаќа околу две октави, а музички инструмент - најмалку три (голем орган - десет). Во повеќето случаи, призвуките се протегаат до самиот раб на опсегот на звучниот звук.

Музичките инструменти имаат три главни дела: осцилирачки елемент, механизам за негово возбудување и помошен резонатор (рог или звучна плоча) за акустична комуникацијапомеѓу вибрирачкиот елемент и околниот воздух.

Музичкиот звук е периодичен во времето, а периодичните звуци се составени од низа хармоници. Бидејќи природните фреквенции на вибрациите на жиците и воздушните столбови со фиксна должина се хармонично поврзани, во многу инструменти главните вибрирачки елементи се жици и воздушни столбови. Со неколку исклучоци (флејтата е еден од нив), звукот со една фреквенција не може да се зема на инструменти. Кога главниот вибратор е возбуден, се појавува звук што содржи призвук. Некои резонантни фреквенции на вибратори не се хармонични компоненти. Инструменти од овој вид (на пример, тапани и кимвали) се користат во оркестарската музика за посебна експресивност и акцент на ритамот, но не и за мелодиски развој.

Жичани инструменти.

Самата по себе, вибрирачката жичка е слаб емитер на звук, и затоа жичаниот инструмент мора да има дополнителен резонатор за да возбудува звук со забележлив интензитет. Тоа може да биде затворен волумен на воздух, палуба или комбинација од двете. Природата на звукот на инструментот се определува и од начинот на кој се возбудуваат жиците.

Видовме порано дека основната фреквенција на осцилација на фиксна низа со должина Лсе дава од

каде Те силата на истегнување на врвката и rLе масата по единица должина на низата. Затоа, можеме да ја промениме фреквенцијата на три начини: со промена на должината, напнатоста или масата. Многу инструменти користат мал број жици со иста должина, чии основни фреквенции се одредуваат со правилен избор на напнатост и маса. Други фреквенции се добиваат со скратување на должината на низата со прстите.

Другите инструменти, како што е пијаното, имаат една од многуте претходно наместени жици за секоја нота. Подесувањето на пијано каде што опсегот на фреквенции е голем не е лесна задача, особено во областа ниски фреквенции. Силата на затегнување на сите жици на пијано е речиси иста (околу 2 kN), а разновидноста на фреквенциите се постигнува со промена на должината и дебелината на жиците.

Жичаниот инструмент може да биде возбуден со кубење (на пример, на харфа или бенџо), удар (на пијано) или со лак (во случај на музички инструменти од семејството на виолина). Во сите случаи, како што е прикажано погоре, бројот на хармоници и нивната амплитуда зависат од начинот на кој жицата е возбудена.

пијано.

Типичен пример за инструмент каде што возбудувањето на жицата се создава со удар е пијанофорте. Големата звучна табла на инструментот обезбедува широк спектар на формати, така што неговата тембр е многу униформа за секоја возбудена нота. Максимумите на главните формати се јавуваат на фреквенции од редот на 400-500 Hz, а на пониски фреквенции, тоновите се особено богати со хармоници, а амплитудата на основната фреквенција е помала од онаа на некои призвук. Во клавирот ударот со чекан на сите жици освен на најкратките паѓа на точка која се наоѓа на 1/7 од должината на жицата од еден од нејзините краеви. Ова обично се објаснува со фактот дека во овој случај седмиот хармоник, кој е дисонантен во однос на основната фреквенција, е значително потиснат. Но, поради конечната ширина на малеусот, другите хармоници лоцирани во близина на седмиот се исто така потиснати.

Семејство на виолина.

Во семејството на инструменти на виолини, долгите звуци се произведуваат со лак, кој применува променлива движечка сила на жицата, што ја одржува жицата да вибрира. Под дејство на подвижен лак, врвката се повлекува на страна поради триење додека не се скине поради зголемување на силата на затегнување. Враќајќи се во првобитната положба, повторно е занесен од лакот. Овој процес се повторува така што периодична надворешна сила делува на жицата.

По редослед на зголемување на големината и намалување на опсегот на фреквенција, главните гудачки инструменти се распоредени на следниов начин: виолина, виола, виолончело, контрабас. Фреквенциски спектриОвие инструменти се особено богати со призвук, што несомнено му дава посебна топлина и експресивност на нивниот звук. Во семејството на виолини, вибрирачката низа е акустички поврзана со воздушната шуплина и телото на инструментот, кои главно ја одредуваат структурата на форматите, кои заземаат многу широк фреквентен опсег. Големите претставници на семејството на виолина имаат збир на формати поместени кон ниски фреквенции. Затоа, истата нота земена на два инструменти од семејството на виолина добива различна тембрна боја поради разликата во структурата на призвукот.

Виолината има изразена резонанца близу 500 Hz, поради обликот на телото. Кога се репродуцира нота чија фреквенција е блиску до оваа вредност, може да се произведе несакан вибрирачки звук наречен „волк тон“. Воздушната празнина во телото на виолината, исто така, има свои резонантни фреквенции, од кои главната се наоѓа во близина на 400 Hz. Поради својата посебна форма, виолината има бројни тесно распоредени резонанции. Сите тие, освен тонот на волкот, навистина не се истакнуваат во општиот спектар на извлечениот звук.

Дувачки инструменти.

Дрвени дувачки инструменти.

Природните вибрации на воздухот во цилиндрична цевка со конечна должина беа дискутирани претходно. Природните фреквенции формираат низа хармоници, чија основна фреквенција е обратно пропорционална со должината на цевката. Музичките звуци во дувачки инструменти се појавуваат поради резонантното возбудување на воздушната колона.

Воздушните вибрации се возбудуваат или со вибрации во воздушниот млаз што паѓа на остриот раб на ѕидот на резонаторот, или од вибрациите на флексибилната површина на јазикот во протокот на воздух. Во двата случаи, периодични промени на притисокот се случуваат во локализирана област на цевката за алат.

Првиот од овие методи на возбудување се заснова на појава на „рабни тонови“. Кога ќе излезе млаз воздух од отворот, скршен од препрека во облик на клин со остар раб, периодично се појавуваат вртлози - прво од едната страна, а потоа од другата страна на клинот. Фреквенцијата на нивното формирање е поголема, толку е поголема брзината на протокот на воздух. Ако таков уред е акустички поврзан со воздушен столб што резонира, тогаш фреквенцијата на тонот на рабовите е „фатена“ од резонантната фреквенција на воздушната колона, т.е. фреквенцијата на формирање на вител се одредува со воздушната колона. Во такви услови, главната фреквенција на воздушниот столб се возбудува само кога брзината на протокот на воздухот надминува одредена минимална вредност. Во одреден опсег на брзини што ја надминуваат оваа вредност, фреквенцијата на тонот на рабовите е еднаква на оваа основна фреквенција. При уште поголема брзина на проток на воздух (близу онаа на која фреквенцијата на рабовите во отсуство на комуникација со резонаторот би била еднаква на втората хармоника на резонаторот), фреквенцијата на рабовите нагло се удвојува и висината што ја емитува целиот систем се врти. да биде октава повисоко. Ова се нарекува прелевање.

Тоновите на рабовите ги возбудуваат воздушните столбови во инструментите како што се оргулите, флејтата и пиколото. Кога свири на флејта, изведувачот ги возбудува рабовите тонови со дување од страна во странична дупка близу еден од краевите. Нотите од една октава, почнувајќи од „D“ и погоре, се добиваат со промена на ефективната должина на цевката, отворање на страничните дупки, со нормален тон на рабовите. Повисоките октави се предуени.

Друг начин да се возбуди звукот на дувачки инструмент се заснова на периодичното прекинување на протокот на воздух со осцилирачки јазик, кој се нарекува трска, бидејќи е направен од трска. Овој метод се користи во различни дрвени и дувачки инструменти. Постојат опции со една трска (како, на пример, во кларинет, саксофон и инструменти од типот на хармоника) и со симетрична двојна трска (како, на пример, во обоа и фагот). Во двата случаи, осцилаторниот процес е ист: воздухот се дува низ тесен јаз, во кој притисокот се намалува во согласност со законот на Бернули. Во исто време, трската се вовлекува во празнината и ја покрива. Во отсуство на проток, еластичната трска се исправа и процесот се повторува.

Кај дувачките инструменти, изборот на нотите на вагата, како на флејта, се врши со отворање на страничните дупки и предувување.

За разлика од цевка која е отворена на двата краја и има целосен сетпризвук, цевка која е отворена на едниот крај има само непарни хармоници ( цм. погоре). Ова е конфигурацијата на кларинетот и затоа дури и хармониците се слабо изразени во него. Предувувањето во кларинет се јавува на фреквенција 3 пати поголема од главната.

Во обоа, вториот хармоник е доста интензивен. Од кларинетот се разликува по тоа што неговата дупка има конусна форма, додека кај кларинетот пресекот на дупката е константен во поголемиот дел од неговата должина. Фреквенциите во конусна буре е потешко да се пресметаат отколку во цилиндрична цевка, но сè уште има целосен опсег на призвук. Во овој случај, фреквенциите на осцилација на конусна цевка со затворен тесен крај се исти како оние на цилиндричната цевка отворена на двата краја.

Дувачки дувачки инструменти.

Месинг, вклучувајќи рог, труба, корнет-клип, тромбон, рог и туба, се возбудени од усните, чие дејство, во комбинација со специјално обликувана уста, е слично на дејството на двојната трска. Воздушниот притисок за време на звучното возбудување овде е многу поголем отколку кај дрвените ветрови. Месинг дувачки инструменти, по правило, се метално буре со цилиндрични и конусни делови, кои завршуваат со ѕвонче. Пресеците се избрани така што се обезбедува целокупниот опсег на хармоници. Вкупната должина на бурето се движи од 1,8 m за цевката до 5,5 m за туба. Цевката е во форма на полжав за лесно ракување, а не поради акустични причини.

Со фиксна должина на цевката, изведувачот има на располагање само ноти одредени од природните фреквенции на цевката (покрај тоа, основната фреквенција обично „не се зема“), а повисоките хармоници се возбудуваат со зголемување на воздушниот притисок во писката . Така, само неколку ноти (втора, трета, четврта, петта и шеста хармоника) може да се свират на багл со фиксна должина. На другите дувачки инструменти, фреквенциите што лежат помеѓу хармониците се земаат со промена на должината на цевката. Тромбонот е уникатен во оваа смисла, чија должина на цевката е регулирана со непречено движење на крилата во форма на буквата U што се вовлекуваат. Набројувањето на нотите од целата скала е обезбедено со седум различни позиции на крилата со промена на возбудениот призвук на багажникот. Кај другите дувачки инструменти, ова се постигнува со ефективно зголемување на вкупната должина на цевката со три странични отвори со различни должини и комбинации. Ова дава седум различни должини на буриња. Како и кај тромбонот, нотите на целата скала се играат со возбудување на различни серии на призвук што одговараат на овие седум должини на стеблата.

Тоновите на сите дувачки инструменти се богати со хармоници. Ова главно се должи на присуството на ѕвонче, што ја зголемува ефикасноста на емисијата на звук високи фреквенции. Трубата и сирената се дизајнирани да свират многу поширок опсег на хармоници од баглот. Делот од соло трубата во делата на И.

Ударни инструменти.

Ударните инструменти создаваат звук со тоа што го удираат телото на инструментот и со тоа ги возбудуваат неговите слободни вибрации. Од клавирот, во кој вибрациите се возбудуваат и со удар, таквите инструменти се разликуваат во два аспекта: вибрирачкото тело не дава хармонични призвук и самото може да емитува звук без дополнителен резонатор. Ударните инструменти вклучуваат тапани, кимвали, ксилофон и триаголник.

Осцилациите на цврстите тела се многу посложени од оние на воздушен резонатор со иста форма, бидејќи има повеќе видови на осцилации во цврстите тела. Значи, брановите на компресија, свиткување и торзија можат да се шират по метална прачка. Затоа, цилиндричната прачка има многу повеќе начини на вибрации и, според тоа, резонантни фреквенции отколку цилиндрична воздушна колона. Покрај тоа, овие резонантни фреквенции не формираат хармонична серија. Ксилофонот ги користи вибрациите на свиткување на цврсти шипки. Односите на призвук на вибрирачката лента на ксилофонот кон основната фреквенција се: 2,76, 5,4, 8,9 и 13,3.

Камертон е осцилирачка заоблена прачка, а нејзиниот главен тип на осцилација се јавува кога двете раце истовремено се приближуваат еден до друг или се оддалечуваат еден од друг. Камертонот нема хармонична серија на призвук и се користи само нејзината основна фреквенција. Фреквенцијата на нејзиниот прв призвук е повеќе од 6 пати поголема од основната фреквенција.

Друг пример на осцилирачко цврсто тело кое произведува музички звуци е ѕвончето. Големините на ѕвоната можат да бидат различни - од мало ѕвоно до црковни ѕвона од повеќе тони. Колку е поголемо ѕвончето, толку звуците се помали. Обликот и другите карактеристики на ѕвоната претрпеа многу промени во текот на нивната вековна еволуција. Многу малку претпријатија се занимаваат со нивно производство, што бара голема вештина.

Почетната тонска серија на ѕвончето не е хармонична, а соодносите на призвук не се исти за различни ѕвона. Така, на пример, за едно големо ѕвонче, измерените соодноси на фреквенциите на призвук до основната фреквенција беа 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 и 5,33. Но, распределбата на енергијата над призвукот брзо се менува веднаш по ударот на ѕвончето, а обликот на ѕвоното се чини дека е избран на таков начин што доминантните фреквенции се поврзани една со друга приближно хармонично. Висината на ѕвончето не се определува според основната фреквенција, туку со нотата што е доминантна веднаш по ударот. Тоа одговара приближно на петтиот призвук на ѕвоното. По некое време, долните призвук почнуваат да преовладуваат во звукот на ѕвончето.

Во барабанот, вибрирачкиот елемент е кожна мембрана, обично тркалезна, која може да се смета како дводимензионален аналог на истегната врвка. Во музиката, тапанот не е толку важен како жицата, бидејќи неговиот природен сет на природни фреквенции не е хармоничен. Исклучок се тимпаните, чија мембрана се протега над воздушен резонатор. Редоследот на призвук на барабанот може да се направи хармоничен со менување на дебелината на главата во радијална насока. Пример за таков тапан е табласе користи во класичната индиска музика.