Ensiklopedia Sekolah. Apakah bunyi dan apakah ciri-ciri gelombang bunyi

Bunyi bergerak melalui gelombang bunyi. Gelombang ini bukan sahaja melalui gas dan cecair, tetapi juga melalui pepejal. Tindakan mana-mana gelombang adalah terutamanya dalam pemindahan tenaga. Dalam kes bunyi, pengangkutan mengambil bentuk pergerakan minit pada tahap molekul.

Dalam gas dan cecair, gelombang bunyi mengalihkan molekul ke arah pergerakannya, iaitu ke arah panjang gelombang. Dalam pepejal, getaran bunyi molekul juga boleh berlaku dalam arah yang berserenjang dengan gelombang.

Gelombang bunyi merambat dari sumbernya ke semua arah, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di sebelah kanan, yang menunjukkan loceng logam secara berkala berlanggar dengan lidahnya. Perlanggaran mekanikal ini menyebabkan loceng bergetar. Tenaga getaran diberikan kepada molekul udara sekeliling, dan ia ditolak dari loceng. Akibatnya, tekanan meningkat dalam lapisan udara bersebelahan dengan loceng, yang kemudiannya merebak dalam gelombang ke semua arah dari sumber.

Kelajuan bunyi tidak bergantung kepada kelantangan atau nada. Semua bunyi dari radio di dalam bilik, sama ada kuat atau lembut, tinggi atau rendah, sampai kepada pendengar pada masa yang sama.

Kelajuan bunyi bergantung pada jenis medium di mana ia merambat dan pada suhunya. Dalam gas, gelombang bunyi bergerak perlahan kerana struktur molekulnya yang jarang berfungsi sedikit untuk menentang pemampatan. Dalam cecair, kelajuan bunyi meningkat, dan dalam pepejal ia menjadi lebih cepat, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah dalam meter sesaat (m/s).

laluan ombak

Gelombang bunyi merambat di udara dengan cara yang sama seperti yang ditunjukkan dalam rajah di sebelah kanan. Hadapan gelombang bergerak dari sumber pada jarak tertentu antara satu sama lain, ditentukan oleh kekerapan ayunan loceng. Kekerapan gelombang bunyi ditentukan dengan mengira bilangan muka gelombang yang melalui titik tertentu per unit masa.

Bahagian hadapan gelombang bunyi bergerak menjauhi loceng yang bergetar.

Dalam udara yang dipanaskan secara seragam, bunyi bergerak pada kelajuan yang tetap.

Depan kedua mengikuti yang pertama pada jarak yang sama dengan panjang gelombang.

Keamatan bunyi adalah maksimum berhampiran sumber.

Perwakilan grafik bagi gelombang yang tidak kelihatan

Bunyi bunyi dari kedalaman

Pancaran pancaran sonar, yang terdiri daripada gelombang bunyi, mudah melalui air laut. Prinsip operasi sonar adalah berdasarkan fakta bahawa gelombang bunyi melantun dari dasar laut; peranti ini biasanya digunakan untuk menentukan ciri pelepasan bawah air.

Pepejal elastik

Bunyi merambat dalam pinggan kayu. Molekul kebanyakan pepejal diikat ke dalam kekisi spatial elastik, yang kurang dimampatkan dan pada masa yang sama mempercepatkan laluan gelombang bunyi.

Bunyi (gelombang bunyi ) –ialah gelombang elastik yang dirasakan oleh organ pendengaran manusia dan haiwan. Dalam kata lain, bunyi ialah perambatan turun naik ketumpatan (atau tekanan) dalam medium elastik, yang timbul daripada interaksi zarah medium antara satu sama lain.

Atmosfera (udara) merupakan salah satu media elastik. Penyebaran bunyi di udara mematuhi undang-undang am perambatan gelombang akustik dalam gas ideal, dan juga mempunyai ciri kerana kebolehubahan ketumpatan, tekanan, suhu dan kelembapan udara. Kelajuan bunyi ditentukan oleh sifat medium dan dikira daripada formula untuk kelajuan gelombang elastik.

Ada tiruan dan semulajadi sumber bunyi. Pemancar buatan termasuk:

Getaran badan pepejal (tali dan dek alat muzik, peresap pembesar suara, membran telefon, plat piezoelektrik);

Getaran udara dalam jumlah terhad (paip organ, wisel);

Pukul (kunci piano, loceng);

Arus elektrik (transduser elektroakustik).

Sumber semula jadi termasuk:

Letupan, runtuh;

Aliran udara di sekeliling halangan (angin meniup sudut bangunan, puncak gelombang laut).

Ada juga tiruan dan semula jadi penerima bunyi:

Transduser elektroakustik (mikrofon dalam udara, hidrofon dalam air, geofon dalam kerak bumi) dan peranti lain;

Alat pendengaran manusia dan haiwan.

Semasa perambatan gelombang bunyi, fenomena ciri gelombang apa-apa alam adalah mungkin:

Refleksi daripada halangan

Pembiasan pada sempadan dua media,

gangguan (tambahan),

pembelauan (pengelak halangan),

Penyerakan (pergantungan kelajuan bunyi dalam bahan pada frekuensi bunyi);

Penyerapan (penurunan tenaga dan keamatan bunyi dalam medium disebabkan oleh penukaran tenaga bunyi yang tidak dapat dipulihkan kepada haba).

Ciri bunyi objektif

frekuensi bunyi

Kekerapan bunyi yang boleh didengari oleh seseorang terletak pada julat dari 16 Hz sebelum ini 16 - 20 kHz . Gelombang elastik dengan frekuensi di bawah julat yang boleh didengari dipanggil infrasound (termasuk gegaran otak), s lebih tinggi kekerapan – ultrasound , dan gelombang elastik frekuensi tertinggi ialah hipersonik .

Keseluruhan julat frekuensi bunyi boleh dibahagikan kepada tiga bahagian (Jadual 1.).

bising mempunyai spektrum frekuensi berterusan (atau panjang gelombang) di kawasan bunyi frekuensi rendah (Jadual 1, 2). Spektrum berterusan bermakna bahawa frekuensi boleh mempunyai sebarang nilai dari selang yang diberikan.

Muzikal , atau tonal , bunyi mempunyai spektrum frekuensi talian di kawasan bunyi frekuensi pertengahan dan separa frekuensi tinggi. Selebihnya bunyi frekuensi tinggi diduduki oleh wisel. Spektrum garis bermaksud bahawa frekuensi muzik hanya mempunyai nilai (diskrit) yang ditakrifkan dengan ketat dari selang yang ditentukan.

Di samping itu, selang frekuensi muzik dibahagikan kepada oktaf. oktaf ialah selang kekerapan yang dilampirkan di antara dua nilai sempadan, yang bahagian atasnya adalah dua kali lebih rendah(Jadual 3)

Jalur frekuensi oktaf biasa

Contoh selang frekuensi untuk bunyi yang dihasilkan oleh alat vokal manusia dan dirasakan oleh alat pendengaran manusia ditunjukkan dalam Jadual 4.

Contoh julat frekuensi beberapa alat muzik ditunjukkan dalam Jadual 5. Ia meliputi bukan sahaja julat audio, tetapi juga julat ultrasonik.

Haiwan, burung dan serangga mencipta dan melihat bunyi dalam julat frekuensi lain daripada manusia (Jadual 6).

Dalam muzik, setiap gelombang bunyi sinusoidal dipanggil nada ringkas, atau nada. Pic bergantung pada kekerapan: lebih tinggi frekuensi, lebih tinggi nada. Nada utama bunyi muzik kompleks dipanggil nada yang sepadan dengan frekuensi terendah dalam spektrumnya. Nada yang sepadan dengan frekuensi lain dipanggil nada. Jika overtones gandaan kekerapan asas, maka nada nada dipanggil harmonik. Nada dengan frekuensi terendah dipanggil harmonik pertama, dengan yang seterusnya - yang kedua, dsb.

Bunyi muzik dengan nota akar yang sama mungkin berbeza timbre. Timbre bergantung pada komposisi nada, frekuensi dan amplitudnya, sifat kenaikannya pada permulaan bunyi dan pereputan pada penghujungnya.

Kelajuan bunyi

Untuk bunyi dalam pelbagai media, formula am (22) - (25) adalah sah. Dalam kes ini, perlu diambil kira bahawa formula (22) boleh digunakan dalam kes udara atmosfera kering dan, dengan mengambil kira nilai berangka nisbah Poisson, jisim molar dan pemalar gas sejagat, boleh ditulis sebagai :

Walau bagaimanapun, udara atmosfera sebenar sentiasa mempunyai kelembapan, yang mempengaruhi kelajuan bunyi. Ini kerana nisbah Poisson  bergantung kepada nisbah tekanan separa wap air ( hlm wap) kepada tekanan atmosfera ( hlm). Dalam udara lembap, kelajuan bunyi ditentukan oleh formula:

.

Daripada persamaan terakhir dapat dilihat bahawa kelajuan bunyi di udara lembap adalah lebih besar sedikit daripada di udara kering.

Anggaran berangka kelajuan bunyi, dengan mengambil kira pengaruh suhu dan kelembapan udara atmosfera, boleh dilakukan menggunakan formula anggaran:

Anggaran ini menunjukkan bahawa apabila bunyi merambat sepanjang arah mendatar ( 0 x) dengan peningkatan suhu sebanyak 1 0 C kelajuan bunyi bertambah sebanyak 0.6 m/s. Di bawah pengaruh wap air dengan tekanan separa tidak lebih daripada 10 Pa kelajuan bunyi bertambah kurang daripada 0.5 m/s. Tetapi secara umum, pada tekanan separa maksimum wap air berhampiran permukaan bumi, kelajuan bunyi meningkat tidak lebih daripada 1 m/s.

Tekanan bunyi

Dengan ketiadaan bunyi, atmosfera (udara) adalah medium yang tidak terganggu dan mempunyai tekanan atmosfera statik (
).

Apabila gelombang bunyi merambat, tekanan berubah-ubah tambahan ditambah kepada tekanan statik ini, disebabkan oleh pemeluwapan dan jarang berlaku udara. Dalam kes gelombang satah, kita boleh menulis:

di mana hlm sv, maks ialah amplitud tekanan bunyi,  - frekuensi kitaran bunyi, k - nombor gelombang. Oleh itu, tekanan atmosfera pada titik tetap pada masa tertentu menjadi sama dengan jumlah tekanan ini:

Tekanan bunyi - ini ialah tekanan berubah sama dengan perbezaan antara tekanan atmosfera sebenar serta-merta pada titik tertentu semasa laluan gelombang bunyi dan tekanan atmosfera statik tanpa ketiadaan bunyi:

Tekanan bunyi semasa tempoh ayunan berubah nilai dan tandanya.

Tekanan bunyi hampir selalu lebih rendah daripada tekanan atmosfera.

Ia menjadi besar dan sepadan dengan tekanan atmosfera apabila gelombang kejutan berlaku semasa letupan kuat atau apabila pesawat jet melintas.

Unit tekanan bunyi adalah seperti berikut:

- pascal dalam SI
,

- bar dalam GHS
,

- milimeter merkuri,

- suasana.

Dalam amalan, peranti mengukur bukan nilai serta-merta tekanan bunyi, tetapi apa yang dipanggil berkesan (atau semasa )bunyi tekanan . Ia sama punca kuasa dua nilai purata kuasa dua tekanan bunyi serta-merta pada titik tertentu dalam ruang pada masa tertentu

(44)

dan oleh itu juga dipanggil Tekanan bunyi RMS . Menggantikan ungkapan (39) ke dalam formula (40), kita memperoleh:

. (45)

Impedans bunyi

Impedans bunyi (akustik). dipanggil nisbah amplitudtekanan bunyi dan halaju getaran zarah medium:

. (46)

Maksud fizikal impedans bunyi: ia secara berangka sama dengan tekanan bunyi, menyebabkan ayunan zarah medium dengan kelajuan unit:

Unit ukuran galangan bunyi dalam SI ialah pascal saat setiap meter:

.

Dalam kes gelombang satah kelajuan ayunan zarah adalah sama dengan

.

Kemudian formula (46) mengambil bentuk:

. (46*)

Terdapat juga definisi lain bagi rintangan bunyi, sebagai hasil darab ketumpatan medium dan kelajuan bunyi dalam medium ini:

. (47)

Kemudian ia makna fizikal ialah ia secara berangka sama dengan ketumpatan medium di mana gelombang elastik merambat dengan halaju unit:

.

Sebagai tambahan kepada rintangan akustik dalam akustik, konsep ini digunakan rintangan mekanikal (R m). Rintangan mekanikal ialah nisbah amplitud daya berkala dan halaju ayunan zarah medium:

, (48)

di mana S ialah luas permukaan pemancar bunyi. Rintangan mekanikal diukur dalam newton saat per meter:

.

Tenaga dan kuasa bunyi

Gelombang bunyi dicirikan oleh kuantiti tenaga yang sama dengan gelombang elastik.

Setiap isipadu udara di mana gelombang bunyi merambat mempunyai tenaga yang terdiri daripada tenaga kinetik zarah berayun dan tenaga keupayaan ubah bentuk keanjalan medium (lihat formula (29)).

Keamatan bunyi dipanggilkuasa bunyi . Dia sama rata

. (49)

sebab tu maksud fizikal kuasa bunyi adalah serupa dengan maksud ketumpatan fluks tenaga: secara berangka sama dengan nilai purata tenaga yang dipindahkan oleh gelombang per unit masa melalui permukaan melintang unit luas.

Unit keamatan bunyi ialah watt per meter persegi:

.

Kuasa bunyi adalah berkadar dengan kuasa dua tekanan bunyi berkesan dan berkadar songsang dengan tekanan bunyi (akustik):

, (50)

atau, dengan mengambil kira ungkapan (45),

, (51)

di mana R ak – impedans akustik.

Bunyi juga boleh dicirikan oleh kuasa bunyi. Kuasa bunyi ialah jumlah tenaga bunyi yang dipancarkan oleh sumber untuk masa tertentu melalui permukaan tertutup yang mengelilingi sumber bunyi:

, (52)

atau, dengan mengambil kira formula (49),

. (52*)

Kuasa bunyi, seperti yang lain, diukur dalam watt:

.

Bunyi ialah gelombang elastik dalam medium (selalunya udara) yang tidak kelihatan tetapi boleh dilihat oleh telinga manusia (gelombang bertindak pada gegendang telinga). Gelombang bunyi ialah gelombang mampatan membujur dan gelombang jarang.

Jika kita mencipta vakum, adakah kita dapat membezakan bunyi? Robert Boyle meletakkan jam di dalam bekas kaca pada tahun 1660. Apabila dia mengepam udara, dia tidak mendengar bunyi. Pengalaman membuktikannya medium diperlukan untuk merambat bunyi.

Bunyi juga boleh merambat dalam media cecair dan pepejal. Di bawah air anda boleh mendengar dengan jelas kesan batu. Letakkan jam pada satu hujung papan kayu. Dengan meletakkan telinga anda ke hujung yang lain, anda boleh mendengar dengan jelas bunyi jam.

Gelombang bunyi merambat melalui kayu

Sumber bunyi semestinya badan berayun. Sebagai contoh, tali gitar dalam keadaan biasa tidak berbunyi, tetapi sebaik sahaja kita membuatnya berayun, gelombang bunyi timbul.

Walau bagaimanapun, pengalaman menunjukkan bahawa tidak semua badan yang bergetar adalah sumber bunyi. Sebagai contoh, pemberat yang digantung pada benang tidak mengeluarkan bunyi. Hakikatnya ialah telinga manusia tidak melihat semua gelombang, tetapi hanya mereka yang mencipta badan berayun dengan frekuensi 16 Hz hingga 20,000 Hz. Gelombang sedemikian dipanggil bunyi. Ayunan dengan frekuensi kurang daripada 16 Hz dipanggil infrasound. Ayunan dengan frekuensi lebih daripada 20,000 Hz dipanggil ultrasound.

Kelajuan bunyi

Gelombang bunyi tidak merambat serta-merta, tetapi dengan kelajuan terhingga tertentu (serupa dengan kelajuan gerakan seragam).

Itulah sebabnya semasa ribut petir kita mula-mula melihat kilat, iaitu cahaya (kelajuan cahaya jauh lebih besar daripada kelajuan bunyi), dan kemudian bunyi kedengaran.

Kelajuan bunyi bergantung pada medium: dalam pepejal dan cecair, kelajuan bunyi jauh lebih besar daripada di udara. Ini adalah pemalar diukur mengikut jadual. Dengan peningkatan suhu medium, kelajuan bunyi meningkat, dengan penurunan, ia berkurangan.

Bunyi berbeza. Untuk mencirikan bunyi, kuantiti khas diperkenalkan: kenyaringan, nada dan timbre bunyi.

Kenyaringan bunyi bergantung pada amplitud ayunan: semakin besar amplitud ayunan, semakin kuat bunyi. Selain itu, persepsi kenyaringan bunyi oleh telinga kita bergantung kepada kekerapan getaran dalam gelombang bunyi. Gelombang frekuensi yang lebih tinggi dianggap lebih kuat.

Kekerapan gelombang bunyi menentukan pic. Semakin tinggi frekuensi getaran sumber bunyi, semakin tinggi bunyi yang dihasilkan olehnya. Suara manusia dibahagikan kepada beberapa julat mengikut nadanya.

Bunyi dari sumber yang berbeza adalah koleksi getaran harmonik frekuensi yang berbeza. Komponen tempoh terbesar (frekuensi terendah) dipanggil nada asas. Selebihnya komponen bunyi adalah nada. Set komponen ini mencipta pewarna, timbre bunyi. Keseluruhan nada dalam suara orang yang berbeza berbeza sekurang-kurangnya sedikit, tetapi ini menentukan timbre suara tertentu.

Gema. Gema terbentuk sebagai hasil pantulan bunyi dari pelbagai halangan - gunung, hutan, dinding, bangunan besar, dll. Gema berlaku hanya apabila bunyi yang dipantulkan dilihat secara berasingan daripada bunyi asal yang dituturkan. Jika terdapat banyak permukaan reflektif dan ia berada pada jarak yang berbeza dari seseorang, maka gelombang bunyi yang dipantulkan akan sampai kepadanya pada masa yang berbeza. Dalam kes ini, gema akan berbilang. Halangan mesti berada pada jarak 11m dari orang itu untuk mendengar gema.

Pantulan bunyi. Bunyi melantun dari permukaan licin. Oleh itu, apabila menggunakan hon, gelombang bunyi tidak berselerak ke semua arah, tetapi membentuk pancaran sempit, yang mana kuasa bunyi meningkat dan ia merebak pada jarak yang lebih jauh.

Beberapa haiwan (cth. kelawar, ikan lumba-lumba) mengeluarkan getaran ultrasonik, kemudian merasakan gelombang yang dipantulkan daripada halangan. Jadi mereka menentukan lokasi dan jarak ke objek sekeliling.

Ekolokasi. Ini adalah kaedah untuk menentukan lokasi jasad dengan isyarat ultrasonik yang dipantulkan daripadanya. Digunakan secara meluas dalam navigasi. Dipasang pada kapal sonar- peranti untuk mengenali objek bawah air dan menentukan kedalaman dan topografi bahagian bawah. Pemancar dan penerima bunyi diletakkan di bahagian bawah kapal. Pemancar memberikan isyarat pendek. Dengan menganalisis masa tunda dan arah isyarat yang kembali, komputer menentukan kedudukan dan saiz objek yang memantulkan bunyi.

Ultrasound digunakan untuk mengesan dan menentukan pelbagai kerosakan pada bahagian mesin (lompang, retak, dll.). Peranti yang digunakan untuk tujuan ini dipanggil pengesan kecacatan ultrasonik. Aliran isyarat ultrasonik pendek diarahkan ke bahagian yang sedang dikaji, yang dicerminkan daripada ketidakhomogenan di dalamnya dan, kembali, jatuh ke dalam penerima. Di tempat-tempat di mana tiada kecacatan, isyarat melalui bahagian tersebut tanpa pantulan yang ketara dan tidak direkodkan oleh penerima.

Ultrasound digunakan secara meluas dalam perubatan untuk mendiagnosis dan merawat penyakit tertentu. Tidak seperti sinar-X, gelombangnya tidak pengaruh yang memudaratkan pada kain. Diagnostik pemeriksaan ultrasound(ultrasound) benarkan tanpa campur tangan pembedahan mengenali perubahan patologi dalam organ dan tisu. Peranti khas menghantar gelombang ultrasonik dengan frekuensi 0.5 hingga 15 MHz ke bahagian tertentu badan, ia dipantulkan dari organ yang dikaji dan komputer memaparkan imejnya pada skrin.

Infrasonik dicirikan oleh penyerapan rendah dalam pelbagai media, akibatnya gelombang infrasonik di udara, air dan kerak bumi boleh merambat pada jarak yang sangat jauh. Fenomena ini ditemui kegunaan praktikal di menentukan tempat letupan kuat atau kedudukan senjata penembakan. Penyebaran infrasound pada jarak jauh di laut memungkinkannya ramalan bencana alam- tsunami. Obor-obor, krustasea, dsb. dapat melihat infrasound dan jauh sebelum permulaan ribut merasakan pendekatannya.

Berlaku dalam media gas, cecair dan pepejal, yang, apabila mencapai organ pendengaran manusia, dianggap oleh mereka sebagai bunyi. Kekerapan gelombang ini terletak dalam julat dari 20 hingga 20,000 ayunan sesaat. Kami memberikan formula untuk gelombang bunyi dan mempertimbangkan sifatnya dengan lebih terperinci.

Mengapakah gelombang bunyi muncul?

Ramai orang tertanya-tanya apa itu gelombang bunyi. Sifat bunyi terletak pada berlakunya gangguan dalam medium elastik. Sebagai contoh, apabila gangguan tekanan dalam bentuk mampatan berlaku dalam isipadu udara tertentu, kawasan ini cenderung merebak di angkasa. Proses ini membawa kepada pemampatan udara di kawasan bersebelahan dengan sumber, yang juga cenderung mengembang. Proses ini meliputi lebih banyak ruang sehingga ia mencapai beberapa penerima, contohnya, telinga manusia.

Ciri-ciri umum gelombang bunyi

Pertimbangkan soalan tentang apa itu gelombang bunyi dan bagaimana ia ditanggapi oleh telinga manusia. Gelombang bunyi adalah membujur; apabila ia memasuki cangkerang telinga, ia menyebabkan gegendang telinga bergetar dengan frekuensi dan amplitud tertentu. Anda juga boleh mewakili turun naik ini sebagai perubahan berkala dalam tekanan dalam isipadu mikro udara bersebelahan dengan membran. Pertama, ia meningkat berbanding tekanan atmosfera biasa, dan kemudian menurun, mematuhi undang-undang matematik pergerakan harmonik. Amplitud perubahan dalam mampatan udara, iaitu perbezaan antara tekanan maksimum atau minimum yang dicipta oleh gelombang bunyi, dengan tekanan atmosfera adalah berkadar dengan amplitud gelombang bunyi itu sendiri.

Banyak eksperimen fizikal telah menunjukkan bahawa tekanan maksimum yang boleh dirasakan oleh telinga manusia tanpa merosakkannya ialah 2800 µN/cm 2 . Sebagai perbandingan, katakan tekanan atmosfera berhampiran permukaan bumi ialah 10 juta µN/cm 2 . Memandangkan perkadaran tekanan dan amplitud ayunan, kita boleh mengatakan bahawa nilai yang terakhir adalah tidak penting walaupun untuk gelombang terkuat. Jika kita bercakap tentang panjang gelombang bunyi, maka untuk frekuensi 1000 getaran sesaat ia akan menjadi seperseribu sentimeter.

Bunyi yang paling lemah mencipta turun naik tekanan mengikut urutan 0.001 μN / cm 2, amplitud ayunan gelombang yang sepadan untuk frekuensi 1000 Hz ialah 10 -9 cm, manakala diameter purata molekul udara ialah 10 -8 cm, iaitu, telinga manusia adalah organ yang sangat sensitif.

Konsep keamatan gelombang bunyi

Dari sudut pandangan geometri, gelombang bunyi adalah getaran dalam bentuk tertentu, tetapi dari sudut pandangan fizikal, sifat utama gelombang bunyi ialah keupayaannya untuk memindahkan tenaga. Contoh pemindahan tenaga gelombang yang paling penting ialah matahari, yang gelombang elektromagnetnya yang dipancarkan memberikan tenaga kepada seluruh planet kita.

Keamatan gelombang bunyi dalam fizik ditakrifkan sebagai jumlah tenaga yang dibawa oleh gelombang melalui permukaan unit, yang berserenjang dengan perambatan gelombang, dan per unit masa. Secara ringkasnya, keamatan gelombang ialah kuasanya yang dipindahkan melalui satu unit luas.

Kekuatan gelombang bunyi biasanya diukur dalam desibel, yang berdasarkan skala logaritma, sesuai untuk analisis praktikal keputusan.

Keamatan pelbagai bunyi

Skala desibel berikut memberikan gambaran tentang makna yang berbeza dan sensasi yang ditimbulkannya:

• ambang sensasi yang tidak menyenangkan dan tidak selesa bermula pada 120 desibel (dB);
• tukul rivet menghasilkan bunyi 95 dB;
• kereta api berkelajuan tinggi - 90 dB;
• jalan dengan lalu lintas padat - 70 dB;
• jumlah perbualan biasa antara orang - 65 dB;
• kereta moden yang bergerak pada kelajuan sederhana menghasilkan bunyi 50 dB;
• jumlah purata radio - 40 dB;
• perbualan senyap - 20 dB;
• bunyi dedaunan pokok - 10 dB;
• ambang minimum sensitiviti bunyi manusia adalah hampir 0 dB.

Kepekaan telinga manusia bergantung kepada frekuensi bunyi dan merupakan nilai maksimum untuk gelombang bunyi dengan frekuensi 2000-3000 Hz. Untuk bunyi dalam julat frekuensi ini, ambang bawah sensitiviti manusia ialah 10 -5 dB. Frekuensi yang lebih tinggi dan lebih rendah daripada selang yang ditentukan membawa kepada peningkatan dalam ambang kepekaan yang lebih rendah dengan cara seseorang mendengar frekuensi hampir 20 Hz dan 20,000 Hz hanya pada keamatan beberapa puluh dB.

Bagi ambang atas keamatan, selepas itu bunyi mula menyebabkan kesulitan bagi seseorang dan juga sakit, maka ia harus dikatakan bahawa ia boleh dikatakan bebas daripada frekuensi dan terletak dalam julat 110-130 dB.

Ciri-ciri geometri gelombang bunyi

Gelombang bunyi sebenar ialah paket ayunan kompleks gelombang membujur, yang boleh diuraikan menjadi ayunan harmonik ringkas. Setiap ayunan tersebut diterangkan dari sudut geometri dengan ciri-ciri berikut:

1. Amplitud - sisihan maksimum setiap bahagian gelombang daripada keseimbangan. Nilai ini ditetapkan A.
2. Tempoh. Inilah masa yang diperlukan untuk gelombang mudah untuk melengkapkan ayunan lengkapnya. Selepas masa ini, setiap titik gelombang mula mengulangi proses berayunnya. Tempoh biasanya dilambangkan dengan huruf T dan diukur dalam saat dalam sistem SI.
3. Kekerapan. ia kuantiti fizikal, yang menunjukkan bilangan ayunan gelombang ini dalam sesaat. Iaitu, dalam maknanya, ia adalah nilai songsang kepada tempoh. Ia ditetapkan f. Untuk frekuensi gelombang bunyi, formula untuk menentukannya dari segi tempoh adalah seperti berikut: f = 1/T.
4. Panjang gelombang ialah jarak yang dilalui dalam satu tempoh ayunan. Secara geometri, panjang gelombang ialah jarak antara dua maksima terdekat atau dua minima terdekat pada lengkung sinusoidal. Panjang ayunan gelombang bunyi ialah jarak antara kawasan mampatan udara yang terdekat atau tempat yang terdekat bagi jarangnya dalam ruang di mana gelombang bergerak. Ia biasanya ditetapkan huruf Yunani λ.
5. Kelajuan perambatan gelombang bunyi ialah jarak di mana kawasan mampatan atau kawasan jarang gelombang merambat setiap unit masa. Nilai ini dilambangkan dengan huruf v. Untuk kelajuan gelombang bunyi, formulanya ialah: v = λ*f.

Geometri gelombang bunyi tulen, iaitu gelombang ketulenan berterusan, mematuhi hukum sinusoidal. Dalam kes umum, formula gelombang bunyi ialah: y = A*sin(ωt), dengan y ialah nilai koordinat titik tertentu bagi gelombang, t ialah masa, ω = 2*pi*f ialah kitaran kekerapan ayunan.

bunyi aperiodik

Banyak sumber bunyi boleh dianggap berkala, contohnya, bunyi daripada alat muzik seperti gitar, piano, seruling, tetapi terdapat juga sejumlah besar bunyi di alam yang bersifat aperiodik, iaitu getaran bunyi mengubah frekuensi dan bentuknya. di angkasa. Secara teknikal, bunyi seperti ini dipanggil bunyi bising. Contoh jelas bunyi aperiodik ialah bunyi bandar, bunyi laut, bunyi daripada alat perkusi, contohnya, dari gendang, dan lain-lain.

Medium perambatan bunyi

Tidak seperti sinaran elektromagnet, yang fotonnya tidak memerlukan sebarang medium bahan untuk penyebarannya, sifat bunyi adalah sedemikian rupa sehingga medium tertentu diperlukan untuk penyebarannya, iaitu, mengikut undang-undang fizik, gelombang bunyi tidak boleh merambat dalam vakum.

Bunyi boleh merambat dalam gas, cecair dan pepejal. Ciri-ciri utama gelombang bunyi yang merambat dalam medium adalah seperti berikut:

• gelombang merambat secara linear;
• ia merambat sama rata ke semua arah dalam medium homogen, iaitu bunyi menyimpang dari sumber, membentuk permukaan sfera yang ideal.
• tanpa mengira amplitud dan kekerapan bunyi, gelombangnya merambat pada kelajuan yang sama dalam medium tertentu.

Kelajuan gelombang bunyi dalam pelbagai media

Kelajuan perambatan bunyi bergantung kepada dua faktor utama: medium di mana gelombang bergerak dan suhu. Secara umum, peraturan berikut terpakai: lebih padat medium, dan lebih tinggi suhunya, bunyi lebih cepat bergerak di dalamnya.

Contohnya, kelajuan perambatan gelombang bunyi di udara berhampiran permukaan bumi pada suhu 20 ℃ dan kelembapan 50% ialah 1235 km/j atau 343 m/s. Dalam air, pada suhu tertentu, bunyi bergerak 4.5 kali lebih cepat, iaitu kira-kira 5735 km/j atau 1600 m/s. Bagi pergantungan kelajuan bunyi pada suhu di udara, ia meningkat sebanyak 0.6 m / s dengan peningkatan suhu untuk setiap darjah Celsius.

Timbre dan nada

Jika tali atau plat logam dibiarkan bergetar dengan bebas, ia akan menghasilkan bunyi. frekuensi yang berbeza. Sangat jarang untuk mencari jasad yang akan mengeluarkan bunyi satu frekuensi tertentu, biasanya bunyi objek mempunyai set frekuensi dalam selang tertentu.

Timbre bunyi ditentukan oleh bilangan harmonik yang terdapat di dalamnya dan keamatan masing-masing. Timbre adalah nilai subjektif, iaitu persepsi objek yang berbunyi oleh orang tertentu. Timbre biasanya dicirikan oleh kata sifat berikut: tinggi, cemerlang, nyaring, melodi, dan sebagainya.

Nada ialah sensasi bunyi yang membolehkannya diklasifikasikan sebagai tinggi atau rendah. Nilai ini juga subjektif dan tidak boleh diukur dengan mana-mana instrumen. Nada dikaitkan dengan kuantiti objektif - kekerapan gelombang bunyi, tetapi tidak ada hubungan yang jelas antara mereka. Sebagai contoh, untuk bunyi frekuensi tunggal dengan intensiti malar, nada meningkat apabila kekerapan meningkat. Jika kekerapan bunyi kekal malar, dan keamatannya meningkat, maka nada menjadi lebih rendah.

Bentuk sumber bunyi

Selaras dengan bentuk badan yang melakukan getaran mekanikal dan dengan itu menghasilkan gelombang, terdapat tiga jenis utama:

1. sumber mata. Ia menghasilkan gelombang bunyi yang berbentuk sfera dan mereput dengan cepat dengan jarak dari sumber (kira-kira 6 dB jika jarak dari sumber digandakan).
2. sumber talian. Ia mencipta gelombang silinder, keamatan yang berkurangan lebih perlahan daripada dari sumber titik (untuk setiap penggandaan jarak dari sumber, keamatan berkurangan sebanyak 3 dB).
3. Sumber rata atau dua dimensi. Ia menghasilkan gelombang hanya dalam arah tertentu. Contoh sumber sedemikian ialah omboh yang bergerak dalam silinder.

Sumber bunyi elektronik

Untuk mencipta gelombang bunyi, sumber elektronik menggunakan membran khas (pembesar suara), yang melakukan getaran mekanikal akibat fenomena induksi elektromagnet. Sumber tersebut termasuk yang berikut:

• pemain pelbagai cakera (CD, DVD dan lain-lain);
• perakam kaset;
• penerima radio;
• TV dan beberapa yang lain.

Kandungan artikel

BUNYI DAN AKUSTIK. Bunyi ialah getaran, i.e. gangguan mekanikal berkala dalam media elastik - gas, cecair dan pepejal. Gangguan sedemikian, yang merupakan beberapa perubahan fizikal dalam medium (contohnya, perubahan ketumpatan atau tekanan, anjakan zarah), merambat di dalamnya dalam bentuk gelombang bunyi. Bidang fizik yang berkaitan dengan asal, perambatan, penerimaan dan pemprosesan gelombang bunyi dipanggil akustik. Bunyi mungkin tidak dapat didengari jika frekuensinya melebihi sensitiviti telinga manusia, atau jika ia merambat dalam medium seperti pepejal yang tidak boleh bersentuhan langsung dengan telinga, atau jika tenaganya terlesap dengan cepat dalam medium. Oleh itu, proses biasa persepsi bunyi bagi kita hanyalah satu sisi akustik.

BUNYI OMBAK

Pertimbangkan paip panjang yang dipenuhi dengan udara. Dari hujung kiri, omboh yang dipasang dengan ketat pada dinding dimasukkan ke dalamnya (Rajah 1). Jika omboh digerakkan secara mendadak ke kanan dan dihentikan, maka udara di persekitaran terdekatnya akan dimampatkan seketika (Rajah 1, a). Kemudian udara termampat akan mengembang, menolak udara bersebelahan dengannya di sebelah kanan, dan kawasan mampatan, yang pada mulanya muncul berhampiran omboh, akan bergerak melalui paip pada kelajuan tetap (Rajah 1, b). Gelombang mampatan ini ialah gelombang bunyi dalam gas.

Gelombang bunyi dalam gas dicirikan oleh tekanan berlebihan, ketumpatan berlebihan, anjakan zarah dan kelajuannya. Untuk gelombang bunyi, sisihan daripada nilai keseimbangan ini sentiasa kecil. Oleh itu, lebihan tekanan yang berkaitan dengan gelombang adalah lebih rendah daripada tekanan statik gas. Jika tidak, kita sedang berhadapan dengan fenomena lain - gelombang kejutan. Dalam gelombang bunyi yang sepadan dengan pertuturan biasa, tekanan berlebihan hanya kira-kira satu juta daripada tekanan atmosfera.

Adalah penting bahawa bahan itu tidak terbawa-bawa oleh gelombang bunyi. Gelombang hanyalah gangguan sementara yang melalui udara, selepas itu udara kembali ke keadaan keseimbangan.

Pergerakan gelombang, tentu saja, tidak unik untuk bunyi: cahaya dan isyarat radio bergerak dalam bentuk gelombang, dan semua orang biasa dengan gelombang di permukaan air. Semua jenis gelombang diterangkan secara matematik oleh apa yang dipanggil persamaan gelombang.

gelombang harmonik.

Gelombang dalam paip dalam Rajah. 1 dipanggil nadi bunyi. Jenis gelombang yang sangat penting terhasil apabila omboh bergetar ke depan dan ke belakang seperti berat yang digantung dari spring. Ayunan sedemikian dipanggil harmonik mudah atau sinusoidal, dan gelombang teruja dalam kes ini dipanggil harmonik.

Dengan ayunan harmonik mudah, pergerakan diulang secara berkala. Selang masa antara dua keadaan pergerakan yang sama dipanggil tempoh ayunan, dan nombor tempoh penuh sesaat, - kekerapan ayunan. Mari kita nyatakan tempoh dengan T, dan kekerapan melalui f; maka seseorang boleh menulis itu f= 1/T. Jika, sebagai contoh, kekerapan ialah 50 tempoh sesaat (50 Hz), maka tempohnya ialah 1/50 saat.

Ayunan harmonik ringkas secara matematik diterangkan oleh fungsi mudah. Anjakan omboh dengan ayunan harmonik mudah untuk sebarang saat t boleh ditulis dalam bentuk

Di sini d- anjakan omboh dari kedudukan keseimbangan, dan D ialah pengganda malar, yang sama dengan nilai maksimum kuantiti d dan dipanggil amplitud sesaran.

Andaikan bahawa omboh berayun mengikut formula ayunan harmonik. Kemudian, apabila ia bergerak ke kanan, mampatan berlaku, seperti sebelumnya, dan apabila bergerak ke kiri, tekanan dan ketumpatan akan berkurangan berbanding dengan nilai keseimbangannya. Tidak ada mampatan, tetapi jarang berlaku gas. Dalam kes ini, kanan akan merambat, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 2, gelombang mampatan berselang-seli dan rarefactions. Pada setiap saat, lengkung pengagihan tekanan sepanjang paip akan mempunyai bentuk sinusoid, dan sinusoid ini akan bergerak ke kanan pada kelajuan bunyi. v. Jarak sepanjang paip antara fasa gelombang yang sama (contohnya, antara maksimum bersebelahan) dipanggil panjang gelombang. Ia biasanya dilambangkan dengan huruf Yunani l(lambda). Panjang gelombang l ialah jarak yang dilalui oleh gelombang dalam masa T. sebab tu l = TV, atau v = lf.

Gelombang membujur dan melintang.

Jika zarah-zarah berayun selari dengan arah perambatan gelombang, maka gelombang itu dipanggil longitudinal. Jika ia berayun berserenjang dengan arah perambatan, maka gelombang itu dipanggil melintang. Gelombang bunyi dalam gas dan cecair adalah membujur. Dalam pepejal, terdapat gelombang kedua-dua jenis. Gelombang melintang dalam pepejal mungkin disebabkan oleh ketegarannya (rintangan terhadap perubahan bentuk).

Perbezaan paling ketara antara kedua-dua jenis gelombang ini ialah gelombang ricih mempunyai sifat polarisasi(ayunan berlaku dalam satah tertentu), tetapi yang membujur tidak. Dalam beberapa fenomena, seperti pantulan dan penghantaran bunyi melalui kristal, banyak bergantung pada arah anjakan zarah, sama seperti dalam kes gelombang cahaya.

Kelajuan gelombang bunyi.

Kelajuan bunyi adalah ciri medium di mana gelombang merambat. Ia ditentukan oleh dua faktor: keanjalan dan ketumpatan bahan. Sifat keanjalan pepejal bergantung kepada jenis ubah bentuk. Jadi, sifat keanjalan rod logam tidak sama semasa kilasan, mampatan dan lenturan. Dan ayunan gelombang yang sepadan merambat pada kelajuan yang berbeza.

Medium elastik ialah medium di mana ubah bentuk, sama ada kilasan, mampatan, atau lenturan, adalah berkadar dengan daya yang menyebabkan ubah bentuk. Bahan tersebut tertakluk kepada undang-undang Hooke:

Voltan = Cґ Ubah bentuk relatif,

di mana DARI ialah modulus keanjalan, bergantung kepada bahan dan jenis ubah bentuk.

Kelajuan bunyi v untuk jenis ini ubah bentuk elastik diberikan oleh ungkapan

di mana r ialah ketumpatan bahan (jisim per unit isipadu).

Kelajuan bunyi dalam batang pepejal.

Batang panjang boleh diregangkan atau dimampatkan dengan daya yang dikenakan pada hujungnya. Biarkan panjang joran itu L daya tegangan yang dikenakan F, dan pertambahan panjang ialah D L. Bernilai L/L akan dipanggil ubah bentuk relatif, dan daya per unit luas keratan rentas rod, - voltan. Jadi voltan adalah F/A, di mana TAPI - kawasan keratan batang. Seperti yang digunakan pada rod sedemikian, hukum Hooke mempunyai bentuk

di mana Y ialah modulus Young, i.e. modulus keanjalan rod untuk ketegangan atau mampatan, yang mencirikan bahan rod. Modulus Young adalah rendah untuk bahan mudah tegangan seperti getah dan tinggi untuk bahan tegar seperti keluli.

Jika kita sekarang merangsang gelombang mampatan di dalamnya dengan memukul hujung rod dengan tukul, maka ia akan merambat dengan kelajuan , di mana r, seperti sebelum ini, ialah ketumpatan bahan dari mana rod dibuat. Nilai halaju gelombang untuk beberapa bahan biasa diberikan dalam Jadual. satu.

Gelombang yang dipertimbangkan dalam rod ialah gelombang mampatan. Tetapi ia tidak boleh dianggap membujur dengan ketat, kerana pergerakan permukaan sisi rod dikaitkan dengan mampatan (Rajah 3, a).

Dua jenis gelombang lain juga mungkin dalam rod - gelombang lentur (Rajah 3, b) dan gelombang kilasan (Rajah 3, dalam). Ubah bentuk lenturan sepadan dengan gelombang yang bukan membujur atau melintang semata-mata. Ubah bentuk kilasan, i.e. putaran di sekeliling paksi rod, berikan gelombang melintang semata-mata.

Kelajuan gelombang lentur dalam rod bergantung pada panjang gelombang. Gelombang sedemikian dipanggil "dispersif".

Gelombang kilasan dalam rod adalah melintang dan tidak tersebar. Kelajuan mereka diberikan oleh formula

di mana m ialah modulus ricih yang mencirikan sifat keanjalan bahan berkenaan dengan ricih. Beberapa halaju gelombang ricih biasa diberikan dalam Jadual 1. satu.

Halaju dalam media pepejal lanjutan.

Dalam media pepejal volum besar, di mana pengaruh sempadan boleh diabaikan, dua jenis gelombang elastik adalah mungkin: membujur dan melintang.

Ubah bentuk dalam gelombang longitudinal ialah ubah bentuk satah, i.e. mampatan satu dimensi (atau rarefaction) ke arah perambatan gelombang. Ubah bentuk yang sepadan dengan gelombang melintang ialah anjakan ricih berserenjang dengan arah perambatan gelombang.

Halaju gelombang longitudinal dalam bahan pepejal diberikan oleh ungkapan

di mana C-L- modulus keanjalan untuk ubah bentuk satah mudah. Ia berkaitan dengan modulus pukal AT(yang ditakrifkan di bawah) dan modulus ricih m bahan sebagai C L = B + 4/3m . Dalam jadual. 1 menunjukkan nilai halaju gelombang membujur untuk pelbagai bahan pepejal.

Kelajuan gelombang ricih dalam media pepejal lanjutan adalah sama dengan kelajuan gelombang kilasan dalam rod daripada bahan yang sama. Oleh itu, ia diberikan oleh ungkapan . Nilainya untuk bahan pepejal konvensional diberikan dalam Jadual. satu.

kelajuan dalam gas.

Dalam gas, hanya satu jenis ubah bentuk yang mungkin: mampatan - rarefaction. Modulus keanjalan yang sepadan AT dipanggil modulus pukal. Ia ditentukan oleh nisbah

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

Di sini D P– perubahan tekanan, D V/V ialah perubahan relatif dalam isipadu. Tanda tolak menunjukkan bahawa apabila tekanan meningkat, isipadu berkurangan.

Nilai AT bergantung kepada sama ada suhu gas berubah atau tidak semasa pemampatan. Dalam kes gelombang bunyi, boleh ditunjukkan bahawa tekanan berubah dengan sangat cepat dan haba yang dikeluarkan semasa pemampatan tidak mempunyai masa untuk meninggalkan sistem. Oleh itu, perubahan tekanan dalam gelombang bunyi berlaku tanpa pertukaran haba dengan zarah sekeliling. Perubahan sedemikian dipanggil adiabatik. Telah ditetapkan bahawa kelajuan bunyi dalam gas hanya bergantung pada suhu. Pada suhu tertentu, kelajuan bunyi adalah lebih kurang sama untuk semua gas. Pada suhu 21.1 ° C, kelajuan bunyi dalam udara kering ialah 344.4 m / s dan meningkat dengan peningkatan suhu.

Halaju dalam cecair.

Gelombang bunyi dalam cecair adalah gelombang mampatan - rarefaction, seperti dalam gas. Kelajuan diberikan oleh formula yang sama. Walau bagaimanapun, cecair adalah kurang boleh mampat daripada gas, dan oleh itu kuantitinya AT, lebih dan kepadatan r. Kelajuan bunyi dalam cecair adalah lebih dekat dengan kelajuan dalam pepejal daripada dalam gas. Ia jauh lebih kecil daripada gas dan bergantung pada suhu. Sebagai contoh, kelajuan dalam air tawar ialah 1460 m/s pada 15.6°C. air laut kemasinan normal pada suhu yang sama ialah 1504 m/s. Kelajuan bunyi meningkat dengan peningkatan suhu air dan kepekatan garam.

ombak berdiri.

Apabila gelombang harmonik teruja dalam ruang terkurung supaya ia melantun keluar dari sempadan, apa yang dipanggil gelombang berdiri berlaku. Gelombang berdiri ialah hasil daripada superposisi dua gelombang yang bergerak satu ke arah hadapan dan satu lagi ke arah yang bertentangan. Terdapat corak ayunan yang tidak bergerak di angkasa, dengan antinod dan nod berselang-seli. Pada antinod, sisihan zarah berayun dari kedudukan keseimbangannya adalah maksimum, dan pada nod ia adalah sama dengan sifar.

Gelombang berdiri dalam tali.

Dalam tali yang diregangkan, gelombang melintang, dan rentetan itu disesarkan berbanding kedudukan asalnya, kedudukan lurus. Apabila mengambil gambar gelombang dalam rentetan, nod dan antinod nada asas dan nada jelas kelihatan.

Gambar gelombang berdiri sangat memudahkan analisis gerakan ayunan rentetan panjang tertentu. Biar ada rentetan panjang L dilekatkan pada hujungnya. Sebarang jenis getaran rentetan sedemikian boleh diwakili sebagai gabungan gelombang berdiri. Oleh kerana hujung rentetan ditetapkan, hanya gelombang berdiri sedemikian yang mungkin mempunyai nod pada titik sempadan. Frekuensi getaran terendah rentetan sepadan dengan panjang gelombang maksimum yang mungkin. Oleh kerana jarak antara nod ialah l/2, kekerapan adalah minimum apabila panjang tali adalah sama dengan separuh panjang gelombang, i.e. di l= 2L. Ini adalah apa yang dipanggil mod asas getaran tali. Kekerapan yang sepadan, dipanggil frekuensi asas atau nada asas, diberikan oleh f = v/2L, di mana v ialah kelajuan perambatan gelombang di sepanjang tali.

Terdapat keseluruhan urutan ayunan frekuensi yang lebih tinggi yang sepadan dengan gelombang berdiri dengan lebih banyak nod. Frekuensi yang lebih tinggi seterusnya, yang dipanggil harmonik kedua atau nada pertama, diberikan oleh

f = v/L.

Urutan harmonik dinyatakan dengan formula f = nv/2L, di mana n= 1, 2, 3, dan lain-lain. Inilah yang dipanggil. frekuensi eigen bagi getaran tali. Mereka meningkat dalam perkadaran dengan nombor asli: harmonik yang lebih tinggi dalam 2, 3, 4...dsb. kali frekuensi asas. Rangkaian bunyi sedemikian dipanggil skala semula jadi atau harmonik.

Semua ini sangat penting dalam akustik muzik, yang akan dibincangkan dengan lebih terperinci di bawah. Buat masa ini, kami perhatikan bahawa bunyi yang dihasilkan oleh rentetan mengandungi semua frekuensi semula jadi. Sumbangan relatif setiap daripadanya bergantung pada titik di mana getaran rentetan teruja. Jika, sebagai contoh, rentetan dipetik di tengah, maka frekuensi asas akan paling teruja, kerana titik ini sepadan dengan antinod. Harmonik kedua tidak akan hadir, kerana nodnya terletak di tengah. Perkara yang sama boleh dikatakan mengenai harmonik lain ( lihat di bawah akustik muzik).

Kelajuan gelombang dalam tali ialah

di mana T - ketegangan tali, dan rL - jisim per unit panjang tali. Oleh itu, spektrum frekuensi semula jadi rentetan diberikan oleh

Oleh itu, peningkatan dalam ketegangan tali membawa kepada peningkatan dalam frekuensi getaran. Untuk merendahkan kekerapan ayunan pada sesuatu tertentu T anda boleh, mengambil tali yang lebih berat (besar rL) atau menambah panjangnya.

Gelombang berdiri dalam paip organ.

Teori yang dinyatakan berhubung dengan rentetan juga boleh digunakan untuk getaran udara dalam paip jenis organ. Paip organ secara ringkas boleh dilihat sebagai paip lurus di mana gelombang berdiri teruja. Paip boleh mempunyai kedua-dua hujung tertutup dan terbuka. Antinod gelombang berdiri berlaku pada hujung terbuka, dan simpulan berlaku pada hujung tertutup. Oleh itu, paip dengan dua hujung terbuka mempunyai frekuensi asas di mana separuh panjang gelombang sesuai sepanjang paip. Paip, sebaliknya, di mana satu hujung terbuka dan satu lagi ditutup, mempunyai frekuensi asas di mana satu perempat daripada panjang gelombang sesuai sepanjang paip. Oleh itu, kekerapan asas untuk paip terbuka pada kedua-dua hujungnya ialah f =v/2L, dan untuk paip terbuka pada satu hujung, f = v/4L(di mana L ialah panjang paip). Dalam kes pertama, hasilnya adalah sama seperti untuk rentetan: overtone adalah dua kali ganda, tiga kali ganda dan seterusnya. nilai frekuensi asas. Walau bagaimanapun, untuk paip terbuka pada satu hujung, nada akan lebih besar daripada frekuensi asas sebanyak 3, 5, 7, dsb. sekali.

Pada rajah. Rajah 4 dan 5 secara skematik menunjukkan gelombang berdiri bagi frekuensi asas dan nada pertama untuk paip kedua-dua jenis yang dipertimbangkan. Atas sebab kemudahan, offset ditunjukkan di sini sebagai melintang, tetapi sebenarnya ia adalah membujur.

ayunan resonans.

Gelombang berdiri berkait rapat dengan fenomena resonans. Frekuensi semula jadi yang dibincangkan di atas juga merupakan frekuensi resonan bagi tali atau paip organ. Katakan pembesar suara diletakkan berhampiran hujung terbuka paip organ, memancarkan isyarat satu frekuensi tertentu, yang boleh ditukar sesuka hati. Kemudian, jika frekuensi isyarat pembesar suara bertepatan dengan frekuensi utama paip atau dengan salah satu nadanya, paip akan berbunyi sangat kuat. Ini kerana pembesar suara merangsang getaran ruangan udara dengan amplitud yang ketara. Sangkakala dikatakan bergema di bawah keadaan ini.

Analisis Fourier dan spektrum frekuensi bunyi.

Dalam amalan, gelombang bunyi frekuensi tunggal jarang berlaku. Tetapi gelombang bunyi yang kompleks boleh diuraikan menjadi harmonik. Kaedah ini dipanggil analisis Fourier selepas ahli matematik Perancis J. Fourier (1768–1830), yang pertama mengaplikasikannya (dalam teori haba).

Graf tenaga relatif getaran bunyi berbanding frekuensi dipanggil spektrum frekuensi bunyi. Terdapat dua jenis utama spektrum tersebut: diskret dan berterusan. Spektrum diskret terdiri daripada garisan berasingan untuk frekuensi yang dipisahkan oleh ruang kosong. Semua frekuensi hadir dalam spektrum berterusan dalam jalurnya.

Getaran bunyi berkala.

Getaran bunyi adalah berkala jika proses berayun, tidak kira betapa kompleksnya, diulang selepas selang masa tertentu. Spektrumnya sentiasa diskret dan terdiri daripada harmonik dengan frekuensi tertentu. Oleh itu istilah "analisis harmonik". Contohnya ialah ayunan segi empat tepat (Rajah 6, a) dengan perubahan amplitud daripada +A sebelum - TAPI dan tempoh T= 1/f. Satu lagi contoh mudah ialah ayunan gigi gergaji segi tiga yang ditunjukkan dalam Rajah. 6, b. Contoh ayunan berkala bentuk yang lebih kompleks dengan komponen harmonik yang sepadan ditunjukkan dalam rajah. 7.

Bunyi muzik ialah getaran berkala dan oleh itu mengandungi harmonik (overtone). Kita telah melihat bahawa dalam rentetan, bersama-sama dengan ayunan frekuensi asas, harmonik lain teruja ke satu darjah atau yang lain. Sumbangan relatif setiap nada bergantung pada cara rentetan teruja. Set nada nada sebahagian besarnya ditentukan oleh timbre bunyi muzik. Isu-isu ini dibincangkan dengan lebih terperinci di bawah dalam bahagian tentang akustik muzik.

Spektrum nadi bunyi.

Kepelbagaian bunyi yang biasa adalah bunyi jangka pendek: bertepuk tangan, mengetuk pintu, bunyi objek jatuh ke lantai, cuckoo cuckooing. Bunyi sedemikian bukan berkala mahupun muzikal. Tetapi mereka juga boleh diuraikan menjadi spektrum frekuensi. Dalam kes ini, spektrum akan berterusan: untuk menerangkan bunyi, semua frekuensi diperlukan dalam jalur tertentu, yang boleh menjadi agak lebar. Mengetahui spektrum frekuensi sedemikian adalah perlu untuk menghasilkan semula bunyi sedemikian tanpa herotan, kerana sistem elektronik yang sepadan mesti "melepasi" semua frekuensi ini dengan sama rata.

Ciri-ciri utama nadi bunyi boleh dijelaskan dengan mempertimbangkan nadi dalam bentuk mudah. Mari kita anggap bahawa bunyi itu ialah ayunan tempoh D t, di mana perubahan tekanan adalah seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. lapan, a. Spektrum kekerapan anggaran untuk kes ini ditunjukkan dalam Rajah. lapan, b. Frekuensi tengah sepadan dengan getaran yang akan kita miliki jika isyarat yang sama dilanjutkan selama-lamanya.

Panjang spektrum frekuensi dipanggil lebar jalur D f(Gamb. 8, b). Lebar jalur ialah anggaran julat frekuensi yang diperlukan untuk menghasilkan semula nadi asal tanpa herotan yang berlebihan. Terdapat hubungan asas yang sangat mudah antara D f dan D t, iaitu

D f D t"satu.

Hubungan ini sah untuk semua denyutan bunyi. Maksudnya ialah semakin pendek nadi, semakin banyak frekuensi yang terkandung di dalamnya. Mari kita anggap bahawa sonar digunakan untuk mengesan kapal selam, memancarkan ultrasound dalam bentuk nadi dengan tempoh 0.0005 s dan frekuensi isyarat 30 kHz. Lebar jalur ialah 1/0.0005 = 2 kHz, dan frekuensi sebenarnya terkandung dalam spektrum nadi pencari terletak dalam julat dari 29 hingga 31 kHz.

bising.

Kebisingan merujuk kepada sebarang bunyi yang dihasilkan oleh pelbagai sumber yang tidak diselaraskan. Contohnya ialah bunyi dedaun pokok dibuai angin. Bunyi enjin jet adalah disebabkan oleh pergolakan aliran ekzos berkelajuan tinggi. Kebisingan sebagai bunyi yang menjengkelkan dianggap dalam Seni. PENCEMARAN AKUSTIK ALAM SEKITAR.

Keamatan bunyi.

Kelantangan bunyi mungkin berbeza-beza. Adalah mudah untuk melihat bahawa ini adalah disebabkan oleh tenaga yang dibawa oleh gelombang bunyi. Untuk perbandingan kuantitatif kelantangan, adalah perlu untuk memperkenalkan konsep keamatan bunyi. Keamatan gelombang bunyi ditakrifkan sebagai fluks tenaga purata melalui satu unit luas muka gelombang per unit masa. Dalam erti kata lain, jika kita mengambil satu kawasan (contohnya, 1 cm 2), yang akan menyerap sepenuhnya bunyi, dan meletakkannya berserenjang dengan arah perambatan gelombang, maka keamatan bunyi adalah sama dengan tenaga akustik yang diserap dalam satu saat. . Keamatan biasanya dinyatakan dalam W/cm2 (atau W/m2).

Kami memberikan nilai nilai ini untuk beberapa bunyi biasa. Amplitud tekanan lampau yang berlaku semasa perbualan biasa ialah kira-kira satu juta tekanan atmosfera, yang sepadan dengan keamatan bunyi akustik urutan 10–9 W/cm 2 . Jumlah kuasa bunyi yang dikeluarkan semasa perbualan biasa adalah pada susunan hanya 0.00001 watt. Keupayaan telinga manusia untuk melihat tenaga sekecil itu membuktikan kepekaannya yang menakjubkan.

Julat keamatan bunyi yang dirasakan oleh telinga kita sangat luas. Keamatan bunyi paling kuat yang boleh ditanggung oleh telinga adalah kira-kira 1014 kali ganda minimum yang boleh didengari. Kuasa penuh sumber bunyi meliputi julat yang sama luas. Oleh itu, kuasa yang dipancarkan semasa bisikan yang sangat senyap boleh berada dalam urutan 10–9 W, manakala kuasa yang dipancarkan oleh enjin jet mencapai 10–5 W. Sekali lagi, keamatan berbeza dengan faktor 10 14.

desibel.

Memandangkan bunyi berbeza-beza dalam intensiti, adalah lebih mudah untuk menganggapnya sebagai nilai logaritma dan mengukurnya dalam desibel. Nilai logaritma keamatan ialah logaritma nisbah nilai kuantiti yang dipertimbangkan kepada nilainya, diambil sebagai asal. Tahap keamatan J berkenaan dengan beberapa keamatan yang dipilih secara bersyarat J 0 ialah

Tahap keamatan bunyi = 10 lg ( J/J 0) dB.

Oleh itu, satu bunyi yang 20 dB lebih kuat daripada yang lain adalah 100 kali lebih kuat.

Dalam amalan pengukuran akustik, adalah lazim untuk menyatakan keamatan bunyi dari segi amplitud tekanan lampau yang sepadan. P e. Apabila tekanan diukur dalam desibel berbanding beberapa tekanan yang dipilih secara konvensional R 0 , dapatkan tahap tekanan bunyi yang dipanggil. Oleh kerana keamatan bunyi adalah berkadar dengan magnitud P e 2, dan lg( P e 2) = 2lg P e, tahap tekanan bunyi ditentukan seperti berikut:

Tahap tekanan bunyi = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Tekanan nominal R 0 = 2×10–5 Pa sepadan dengan ambang pendengaran standard untuk bunyi dengan frekuensi 1 kHz. Dalam jadual. 2 menunjukkan tahap tekanan bunyi untuk beberapa sumber bunyi biasa. Ini adalah nilai integral yang diperoleh dengan purata ke atas keseluruhan julat frekuensi boleh didengar.

Kelantangan.

Tahap tekanan bunyi tidak hanya berkaitan dengan persepsi psikologi isipadu. Faktor yang pertama adalah objektif, dan yang kedua adalah subjektif. Eksperimen menunjukkan bahawa persepsi kenyaringan bukan sahaja bergantung pada keamatan bunyi, tetapi juga pada kekerapan dan keadaan eksperimennya.

Isipadu bunyi yang tidak terikat dengan syarat perbandingan tidak boleh dibandingkan. Namun, perbandingan nada tulen adalah menarik. Untuk melakukan ini, tentukan tahap tekanan bunyi di mana nada tertentu dianggap sama kuat dengan nada standard dengan frekuensi 1000 Hz. Pada rajah. 9 menunjukkan lengkung kenyaringan yang sama yang diperoleh dalam eksperimen Fletcher dan Manson. Untuk setiap lengkung, tahap tekanan bunyi yang sepadan dengan nada standard 1000 Hz ditunjukkan. Sebagai contoh, pada frekuensi nada 200 Hz, tahap bunyi 60 dB diperlukan untuk dianggap sama dengan nada 1000 Hz dengan tahap tekanan bunyi 50 dB.

Lengkung ini digunakan untuk menentukan dengungan, unit kenyaringan yang juga diukur dalam desibel. Latar belakang ialah tahap kelantangan bunyi yang mana tahap tekanan bunyi bagi nada tulen standard yang sama kuat (1000 Hz) ialah 1 dB. Jadi, bunyi dengan frekuensi 200 Hz pada tahap 60 dB mempunyai tahap volum 50 fon.

Lengkung bawah dalam rajah. 9 ialah lengkung ambang pendengaran bagi telinga yang baik. Julat frekuensi boleh didengar menjangkau dari kira-kira 20 hingga 20,000 Hz.

Penyebaran gelombang bunyi.

Seperti ombak dari kerikil yang dilemparkan ke dalam air yang tenang, gelombang bunyi merambat ke semua arah. Adalah mudah untuk mencirikan proses perambatan sedemikian sebagai hadapan gelombang. Hadapan gelombang ialah permukaan di angkasa, di semua titik ayunan berlaku dalam fasa yang sama. Muka gelombang dari kerikil yang telah jatuh ke dalam air adalah bulatan.

Ombak rata.

Hadapan gelombang dalam bentuk termudah adalah rata. Gelombang satah merambat dalam satu arah sahaja dan merupakan idealisasi yang hanya hampir direalisasikan dalam amalan. Gelombang bunyi dalam paip boleh dianggap lebih kurang rata, sama seperti gelombang sfera pada jarak yang jauh dari sumber.

gelombang sfera.

Jenis gelombang mudah termasuk gelombang dengan hadapan sfera, terpancar dari satu titik dan merambat ke semua arah. Gelombang sedemikian boleh teruja menggunakan sfera berdenyut kecil. Sumber yang merangsang gelombang sfera dipanggil sumber titik. Keamatan gelombang sedemikian berkurangan apabila ia merambat, kerana tenaga diagihkan ke atas sfera yang mempunyai jejari yang lebih besar.

Jika sumber titik yang menghasilkan gelombang sfera memancarkan kuasa 4 p Q, maka, kerana luas permukaan sfera dengan jejari r sama dengan 4 p r 2, keamatan bunyi dalam gelombang sfera adalah sama dengan

J = Q/r 2 ,

di mana r ialah jarak dari sumber. Oleh itu, keamatan gelombang sfera berkurangan secara songsang dengan kuasa dua jarak dari sumber.

Keamatan sebarang gelombang bunyi semasa perambatannya berkurangan disebabkan oleh penyerapan bunyi. Fenomena ini akan dibincangkan di bawah.

Prinsip Huygens.

Prinsip Huygens adalah sah untuk perambatan hadapan gelombang. Untuk menjelaskannya, mari kita pertimbangkan bentuk hadapan gelombang yang kita ketahui pada satu ketika dahulu. Ia boleh didapati walaupun selepas beberapa ketika D t, jika setiap titik hadapan gelombang awal dianggap sebagai sumber gelombang sfera asas yang merambat sepanjang selang ini ke jarak v D t. Sampul semua bahagian hadapan gelombang sfera asas ini akan menjadi hadapan gelombang baharu. Prinsip Huygens membolehkan untuk menentukan bentuk muka gelombang sepanjang proses perambatan. Ia juga membayangkan bahawa gelombang, kedua-dua satah dan sfera, mengekalkan geometrinya semasa perambatan, dengan syarat mediumnya adalah homogen.

pembelauan bunyi.

Difraksi ialah gelombang yang membengkok di sekeliling halangan. Difraksi dianalisis menggunakan prinsip Huygens. Tahap lenturan ini bergantung kepada hubungan antara panjang gelombang dan saiz halangan atau lubang. Oleh kerana panjang gelombang gelombang bunyi berkali-kali lebih panjang daripada cahaya, pembelauan gelombang bunyi mengejutkan kita kurang daripada pembelauan cahaya. Jadi, anda boleh bercakap dengan seseorang yang berdiri di sekitar sudut bangunan, walaupun dia tidak kelihatan. Gelombang bunyi mudah membengkok di sudut, manakala cahaya, disebabkan oleh kekecilan panjang gelombangnya, mencipta bayang-bayang yang tajam.

Pertimbangkan pembelauan kejadian gelombang bunyi satah pada skrin rata pepejal dengan lubang. Untuk menentukan bentuk muka gelombang di sisi lain skrin, anda perlu mengetahui hubungan antara panjang gelombang l dan diameter lubang D. Jika nilai ini lebih kurang sama atau l lebih banyak lagi D, maka pembelauan lengkap diperoleh: muka gelombang gelombang keluar akan menjadi sfera, dan gelombang akan mencapai semua titik di belakang skrin. Jika l agak kurang D, maka gelombang keluar akan merambat terutamanya ke arah hadapan. Dan akhirnya, jika l lebih kurang D, maka semua tenaganya akan merambat dalam garis lurus. Kes-kes ini ditunjukkan dalam Rajah. sepuluh.

Difraksi juga diperhatikan apabila terdapat halangan pada laluan bunyi. Jika dimensi halangan jauh lebih besar daripada panjang gelombang, maka bunyi dipantulkan, dan zon bayangan akustik terbentuk di belakang halangan. Apabila saiz halangan adalah setanding atau kurang daripada panjang gelombang, bunyi difraksi sedikit sebanyak dalam semua arah. Ini diambil kira dalam akustik seni bina. Jadi, sebagai contoh, kadang-kadang dinding bangunan ditutup dengan tonjolan dengan dimensi susunan panjang gelombang bunyi. (Pada frekuensi 100 Hz, panjang gelombang di udara adalah kira-kira 3.5 m.) Dalam kes ini, bunyi, jatuh di dinding, bertaburan ke semua arah. Dalam akustik seni bina, fenomena ini dipanggil resapan bunyi.

Pantulan dan penghantaran bunyi.

Apabila gelombang bunyi bergerak dalam satu medium adalah kejadian pada antara muka dengan medium lain, tiga proses boleh berlaku serentak. Gelombang boleh dipantulkan dari antara muka, ia boleh melalui medium lain tanpa mengubah arah, atau ia boleh menukar arah pada antara muka, i.e. biasan. Pada rajah. 11 menunjukkan kes yang paling mudah, apabila gelombang satah bersudut tepat pada permukaan rata yang memisahkan dua bahan yang berbeza. Jika pekali pantulan keamatan, yang menentukan perkadaran tenaga pantulan, adalah sama dengan R, maka pekali penghantaran akan sama dengan T = 1 – R.

Untuk gelombang bunyi, nisbah tekanan berlebihan kepada halaju isipadu getaran dipanggil impedans akustik. Pekali pantulan dan penghantaran bergantung pada nisbah galangan gelombang kedua-dua media, galangan gelombang, seterusnya, adalah berkadar dengan galangan akustik. Rintangan gelombang gas jauh lebih rendah daripada rintangan cecair dan pepejal. Jadi jika gelombang di udara mengenai objek pepejal yang tebal atau permukaan air dalam, bunyi itu hampir sepenuhnya dipantulkan. Sebagai contoh, untuk sempadan udara dan air, nisbah rintangan gelombang ialah 0.0003. Oleh itu, tenaga bunyi yang melalui udara ke dalam air adalah sama dengan hanya 0.12% daripada tenaga kejadian. Pekali pantulan dan penghantaran boleh diterbalikkan: pekali pantulan ialah pekali penghantaran dalam arah yang bertentangan. Oleh itu, bunyi secara praktikal tidak menembusi sama ada dari udara ke dalam lembangan air, atau dari bawah air ke luar, yang diketahui oleh semua orang yang berenang di bawah air.

Dalam kes pantulan yang dipertimbangkan di atas, diandaikan bahawa ketebalan medium kedua ke arah perambatan gelombang adalah besar. Tetapi pekali penghantaran akan menjadi lebih besar jika medium kedua ialah dinding yang memisahkan dua media yang sama, seperti partition pepejal antara bilik. Hakikatnya ialah ketebalan dinding biasanya kurang daripada panjang gelombang bunyi atau setanding dengannya. Jika ketebalan dinding adalah gandaan separuh panjang gelombang bunyi di dinding, maka pekali penghantaran gelombang pada kejadian serenjang adalah sangat besar. Penyekat akan benar-benar telus kepada bunyi frekuensi ini jika bukan kerana penyerapan, yang kita abaikan di sini. Jika ketebalan dinding jauh lebih kecil daripada panjang gelombang bunyi di dalamnya, maka pantulan sentiasa kecil, dan penghantaran adalah besar, melainkan langkah khas diambil untuk meningkatkan penyerapan bunyi.

pembiasan bunyi.

Apabila gelombang bunyi satah adalah kejadian pada sudut pada antara muka, sudut pantulannya sama dengan sudut jatuh. Gelombang yang dipancarkan menyimpang dari arah gelombang kejadian jika sudut tuju berbeza daripada 90°. Perubahan arah gelombang ini dipanggil pembiasan. Geometri pembiasan pada sempadan rata ditunjukkan dalam Rajah. 12. Sudut antara arah gelombang dan normal ke permukaan ditunjukkan q 1 untuk gelombang kejadian dan q 2 - untuk masa lalu yang dibiaskan. Hubungan antara kedua-dua sudut ini termasuk hanya nisbah kelajuan bunyi untuk kedua-dua media. Seperti dalam kes gelombang cahaya, sudut-sudut ini berkaitan antara satu sama lain oleh undang-undang Snell (Snell):

Oleh itu, jika kelajuan bunyi dalam medium kedua kurang daripada yang pertama, maka sudut biasan akan lebih kecil daripada sudut tuju; jika kelajuan dalam medium kedua lebih besar, maka sudut biasan akan lebih besar. daripada sudut tuju.

Pembiasan disebabkan oleh kecerunan suhu.

Jika kelajuan bunyi dalam medium tidak homogen berubah secara berterusan dari satu titik ke satu titik, maka pembiasan juga berubah. Oleh kerana kelajuan bunyi dalam kedua-dua udara dan air bergantung pada suhu, dengan adanya kecerunan suhu, gelombang bunyi boleh mengubah arah pergerakannya. Di atmosfera dan lautan, disebabkan stratifikasi mendatar, kecerunan suhu menegak biasanya diperhatikan. Oleh itu, disebabkan oleh perubahan dalam kelajuan bunyi sepanjang menegak, disebabkan oleh kecerunan suhu, gelombang bunyi boleh dipesongkan sama ada ke atas atau ke bawah.

Mari kita pertimbangkan kes apabila udara lebih panas di beberapa tempat berhampiran permukaan Bumi berbanding di lapisan yang lebih tinggi. Kemudian, apabila ketinggian meningkat, suhu udara di sini berkurangan, dan dengan itu, kelajuan bunyi juga berkurangan. Bunyi yang dikeluarkan oleh sumber berhampiran permukaan Bumi akan naik kerana pembiasan. Ini ditunjukkan dalam rajah. 13, yang menunjukkan bunyi "rasuk".

Pesongan sinar bunyi yang ditunjukkan dalam rajah. 13, dalam bentuk umum diterangkan oleh undang-undang Snell. Jika melalui q, seperti sebelum ini, menunjukkan sudut antara menegak dan arah sinaran, maka hukum Snell umum mempunyai bentuk dosa kesamaan q/v= const merujuk kepada mana-mana titik rasuk. Oleh itu, jika rasuk melepasi kawasan di mana kelajuan v berkurang, kemudian sudut q juga harus berkurangan. Oleh itu, pancaran bunyi sentiasa dipesongkan ke arah penurunan kelajuan bunyi.

Daripada rajah. 13 dapat dilihat bahawa terdapat kawasan yang terletak agak jauh dari sumbernya, di mana sinaran bunyi tidak menembusi sama sekali. Inilah yang dipanggil zon senyap.

Ada kemungkinan bahawa di suatu tempat pada ketinggian yang lebih besar daripada yang ditunjukkan dalam Rajah. 13, disebabkan oleh kecerunan suhu, kelajuan bunyi meningkat dengan ketinggian. Dalam kes ini, gelombang bunyi pada mulanya menyimpang ke atas akan menyimpang di sini ke permukaan Bumi dengan jauh. Ini berlaku apabila lapisan penyongsangan suhu terbentuk di atmosfera, mengakibatkan penerimaan yang mungkin isyarat bunyi ultra panjang. Pada masa yang sama, kualiti penerimaan di tempat terpencil adalah lebih baik daripada berhampiran. Terdapat banyak contoh penerimaan ultra-jarak jauh dalam sejarah. Sebagai contoh, semasa Perang Dunia Pertama, apabila keadaan atmosfera memihak kepada pembiasan bunyi yang sesuai, meriam di hadapan Perancis boleh didengari di England.

Pembiasan bunyi di bawah air.

Pembiasan bunyi akibat perubahan suhu menegak juga diperhatikan di lautan. Jika suhu, dan oleh itu kelajuan bunyi, berkurangan dengan kedalaman, sinaran bunyi terpesong ke bawah, menghasilkan zon senyap yang serupa dengan yang ditunjukkan dalam Rajah. 13 untuk suasana. Untuk lautan, gambar yang sepadan akan muncul jika gambar ini dibalikkan sahaja.

Kehadiran zon senyap menyukarkan untuk mengesan kapal selam dengan sonar, dan pembiasan, yang memesongkan gelombang bunyi ke bawah, mengehadkan julat perambatannya dengan ketara berhampiran permukaan. Walau bagaimanapun, pesongan ke atas juga diperhatikan. Dia boleh mencipta lebih banyak lagi keadaan yang menguntungkan untuk hidrolokasi.

Gangguan gelombang bunyi.

Superposisi dua atau lebih gelombang dipanggil gangguan gelombang.

Gelombang berdiri akibat gangguan.

Gelombang berdiri di atas ialah kes istimewa gangguan. Gelombang berdiri terbentuk hasil daripada superposisi dua gelombang amplitud, fasa dan frekuensi yang sama, merambat dalam arah yang bertentangan.

Amplitud pada antinod gelombang berdiri adalah sama dengan dua kali ganda amplitud setiap gelombang. Oleh kerana keamatan gelombang adalah berkadar dengan kuasa dua amplitudnya, ini bermakna bahawa keamatan pada antinod adalah 4 kali lebih besar daripada keamatan setiap gelombang, atau 2 kali lebih besar daripada jumlah keamatan dua gelombang. Tiada pelanggaran undang-undang pemuliharaan tenaga di sini, kerana pada nod keamatan adalah sifar.

berdegup.

Gangguan gelombang harmonik dengan frekuensi yang berbeza juga mungkin. Apabila dua frekuensi berbeza sedikit, apa yang dipanggil denyutan berlaku. Degupan ialah perubahan dalam amplitud bunyi yang berlaku pada frekuensi yang sama dengan perbezaan antara frekuensi asal. Pada rajah. 14 menunjukkan bentuk gelombang rentak.

Perlu diingat bahawa frekuensi rentak ialah kekerapan modulasi amplitud bunyi. Juga, rentak tidak boleh dikelirukan dengan kekerapan perbezaan yang terhasil daripada herotan isyarat harmonik.

Pukulan sering digunakan apabila menala dua nada secara serentak. Kekerapan dilaraskan sehingga rentak tidak lagi kedengaran. Walaupun frekuensi degupan sangat rendah, telinga manusia mampu mengambil naik turun secara berkala dalam volum bunyi. Oleh itu, rentak adalah kaedah penalaan yang sangat sensitif dalam julat audio. Jika tetapan tidak tepat, maka perbezaan frekuensi boleh ditentukan oleh telinga dengan mengira bilangan degupan dalam satu saat. Dalam muzik, rentak komponen harmonik yang lebih tinggi juga dirasakan oleh telinga, yang digunakan semasa menala piano.

Penyerapan gelombang bunyi.

Keamatan gelombang bunyi dalam proses penyebarannya sentiasa berkurangan disebabkan oleh fakta bahawa bahagian tertentu tenaga akustik bertaburan. Disebabkan oleh proses pemindahan haba, interaksi antara molekul dan geseran dalaman, gelombang bunyi diserap dalam mana-mana medium. Keamatan penyerapan bergantung kepada kekerapan gelombang bunyi dan faktor lain seperti tekanan dan suhu medium.

Penyerapan gelombang dalam medium secara kuantitatif dicirikan oleh pekali penyerapan a. Ia menunjukkan betapa cepatnya tekanan berlebihan berkurangan bergantung pada jarak yang dilalui oleh gelombang perambatan. Menurunkan amplitud tekanan lampau –D P e apabila melepasi jarak D X berkadar dengan amplitud tekanan lampau awal P e dan jarak D X. Dengan cara ini,

-D P e = a P e D x.

Sebagai contoh, apabila kita mengatakan bahawa kehilangan penyerapan ialah 1 dB/m, ini bermakna pada jarak 50 m tahap tekanan bunyi dikurangkan sebanyak 50 dB.

Penyerapan akibat geseran dalaman dan pengaliran haba.

Semasa pergerakan zarah yang berkaitan dengan perambatan gelombang bunyi, geseran antara zarah medium yang berbeza tidak dapat dielakkan. Dalam cecair dan gas, geseran ini dipanggil kelikatan. Kelikatan, yang menentukan penukaran tak boleh balik tenaga gelombang akustik kepada haba, adalah sebab utama untuk penyerapan bunyi dalam gas dan cecair.

Selain itu, penyerapan dalam gas dan cecair adalah disebabkan oleh kehilangan haba semasa pemampatan dalam gelombang. Kami telah mengatakan bahawa semasa laluan gelombang, gas dalam fasa mampatan menjadi panas. Dalam proses yang mengalir cepat ini, haba biasanya tidak mempunyai masa untuk dipindahkan ke kawasan lain gas atau ke dinding kapal. Tetapi pada hakikatnya proses ini tidak sesuai, dan sebahagian daripada tenaga haba yang dikeluarkan meninggalkan sistem. Berkaitan dengan ini adalah penyerapan bunyi akibat pengaliran haba. Penyerapan sedemikian berlaku dalam gelombang mampatan dalam gas, cecair dan pepejal.

Penyerapan bunyi, disebabkan oleh kedua-dua kelikatan dan kekonduksian terma, secara amnya meningkat dengan kuasa dua frekuensi. Oleh itu, bunyi frekuensi tinggi diserap jauh lebih kuat daripada bunyi frekuensi rendah. Sebagai contoh, pada tekanan dan suhu normal, pekali penyerapan (disebabkan oleh kedua-dua mekanisme) pada frekuensi 5 kHz di udara adalah kira-kira 3 dB/km. Oleh kerana penyerapan adalah berkadar dengan kuasa dua frekuensi, pekali penyerapan pada 50 kHz ialah 300 dB/km.

Penyerapan dalam pepejal.

Mekanisme penyerapan bunyi akibat kekonduksian terma dan kelikatan, yang berlaku dalam gas dan cecair, juga dipelihara dalam pepejal. Walau bagaimanapun, di sini mekanisme penyerapan baru ditambah kepadanya. Mereka dikaitkan dengan kecacatan dalam struktur pepejal. Intinya ialah bahan pepejal polihabluran terdiri daripada kristal kecil; apabila bunyi melaluinya, ubah bentuk berlaku, yang membawa kepada penyerapan tenaga bunyi. Bunyi juga tersebar di sempadan kristal. Di samping itu, walaupun kristal tunggal mengandungi kecacatan jenis kehelan yang menyumbang kepada penyerapan bunyi. Dislokasi adalah pelanggaran koordinasi satah atom. Apabila gelombang bunyi menyebabkan atom bergetar, kehelan bergerak dan kemudian kembali ke kedudukan asalnya, melesapkan tenaga akibat geseran dalaman.

Penyerapan akibat terkehel menerangkan, khususnya, mengapa loceng utama tidak berbunyi. Plumbum adalah logam lembut dengan banyak kehelan, dan oleh itu getaran bunyi di dalamnya mereput dengan sangat cepat. Tetapi ia akan berbunyi dengan baik jika ia disejukkan dengan udara cecair. Pada suhu rendah terkehel "beku" dalam kedudukan tetap, dan oleh itu tidak bergerak dan tidak menukar tenaga bunyi kepada haba.

AKUSTIK MUZIKAL

Bunyi muzik.

Akustik muzik mengkaji ciri-ciri bunyi muzik, ciri-cirinya yang berkaitan dengan cara kita melihatnya, dan mekanisme bunyi alat muzik.

Bunyi atau nada muzik ialah bunyi berkala, i.e. turun naik yang berulang berulang kali selepas tempoh tertentu. Telah dikatakan di atas bahawa bunyi berkala boleh diwakili sebagai jumlah ayunan dengan frekuensi yang merupakan gandaan frekuensi asas. f: 2f, 3f, 4f dan lain-lain. Ia juga diperhatikan bahawa tali bergetar dan tiang udara mengeluarkan bunyi muzik.

Bunyi muzik dibezakan oleh tiga ciri: kenyaringan, nada dan timbre. Semua penunjuk ini adalah subjektif, tetapi ia boleh dikaitkan dengan nilai yang diukur. Kenyaringan berkaitan terutamanya dengan keamatan bunyi; nada bunyi, yang mencirikan kedudukannya dalam sistem muzik, ditentukan oleh kekerapan nada; timbre, yang mana satu instrumen atau suara berbeza daripada yang lain, dicirikan oleh pengagihan tenaga ke atas harmonik dan perubahan dalam pengagihan ini dari semasa ke semasa.

Nada bunyi.

Pic bunyi muzik berkait rapat dengan kekerapan, tetapi tidak sama dengannya, kerana penilaian pic adalah subjektif.

Jadi, sebagai contoh, didapati anggaran pic bagi bunyi frekuensi tunggal agak bergantung pada tahap kenyaringannya. Dengan peningkatan yang ketara dalam volum, katakan 40 dB, frekuensi ketara boleh berkurangan sebanyak 10%. Dalam amalan, pergantungan pada kenyaringan ini tidak penting, kerana bunyi muzik jauh lebih kompleks daripada bunyi frekuensi tunggal.

Mengenai persoalan hubungan antara pic dan kekerapan, sesuatu yang lain adalah lebih penting: jika bunyi muzik terdiri daripada harmonik, maka dengan frekuensi manakah pic yang dirasakan dikaitkan? Ternyata ini mungkin bukan frekuensi yang sepadan dengan tenaga maksimum, dan bukan frekuensi terendah dalam spektrum. Jadi, sebagai contoh, bunyi muzik yang terdiri daripada satu set frekuensi 200, 300, 400 dan 500 Hz dianggap sebagai bunyi dengan ketinggian 100 Hz. Iaitu, pic dikaitkan dengan frekuensi asas siri harmonik, walaupun ia tidak berada dalam spektrum bunyi. Benar, selalunya frekuensi asas hadir sedikit sebanyak dalam spektrum.

Bercakap tentang hubungan antara nada bunyi dan kekerapannya, seseorang tidak sepatutnya melupakan ciri-cirinya organ manusia pendengaran. Ini adalah penerima akustik khas yang memperkenalkan herotannya sendiri (belum lagi fakta bahawa terdapat aspek psikologi dan subjektif pendengaran). Telinga dapat memilih beberapa frekuensi, di samping itu, gelombang bunyi mengalami herotan bukan linear di dalamnya. Pemilihan frekuensi adalah disebabkan oleh perbezaan antara kenyaringan bunyi dan keamatannya (Rajah 9). Adalah lebih sukar untuk menerangkan herotan bukan linear, yang dinyatakan dalam penampilan frekuensi yang tiada dalam isyarat asal. Ketidak-linearan tindak balas telinga adalah disebabkan oleh asimetri pergerakan pelbagai unsurnya.

Salah satu ciri ciri sistem penerima tak linear ialah apabila ia teruja oleh bunyi dengan frekuensi f 1 nada harmonik teruja di dalamnya 2 f 1 , 3f 1 ,..., dan dalam beberapa kes juga subharmonik jenis 1/2 f satu. Di samping itu, apabila sistem tak linear teruja oleh dua frekuensi f 1 dan f 2, jumlah dan perbezaan frekuensi teruja di dalamnya f 1 + f 2 dan f 1 - f 2. Lebih besar amplitud ayunan awal, lebih besar sumbangan frekuensi "tambahan".

Oleh itu, disebabkan oleh ketaklinieran ciri akustik telinga mungkin menerima frekuensi yang tidak terdapat dalam bunyi. Frekuensi sedemikian dipanggil nada subjektif. Mari kita anggap bahawa bunyi itu terdiri daripada nada tulen dengan frekuensi 200 dan 250 Hz. Oleh kerana tindak balas tidak linear, frekuensi tambahan akan muncul 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz, dsb. Pendengar akan kelihatan bahawa terdapat satu set keseluruhan frekuensi gabungan dalam bunyi, tetapi penampilan mereka sebenarnya disebabkan oleh tindak balas bukan linear telinga. Apabila bunyi muzik terdiri daripada frekuensi asas dan harmoniknya, adalah jelas bahawa frekuensi asas dikuatkan dengan berkesan oleh frekuensi perbezaan.

Benar, kajian telah menunjukkan bahawa frekuensi subjektif timbul hanya pada amplitud yang cukup besar bagi isyarat asal. Oleh itu, ada kemungkinan bahawa pada masa lalu peranan frekuensi subjektif dalam muzik sangat dibesar-besarkan.

Piawaian muzik dan mengukur pic bunyi muzik.

Dalam sejarah muzik, bunyi frekuensi yang berbeza telah diambil sebagai nada utama, yang menentukan keseluruhan struktur muzik. Sekarang frekuensi yang diterima umum untuk nota "la" bagi oktaf pertama ialah 440 Hz. Tetapi pada masa lalu ia telah berubah daripada 400 kepada 462 Hz.

Cara tradisional untuk menentukan pic bunyi ialah membandingkannya dengan nada garpu tala standard. Sisihan frekuensi bunyi tertentu dari piawai dinilai oleh kehadiran rentak. Garpu tala masih digunakan hari ini, walaupun kini terdapat peranti yang lebih mudah untuk menentukan pic, seperti pengayun rujukan frekuensi yang stabil (dengan resonator kuarza), yang boleh ditala dengan lancar dalam keseluruhan julat bunyi. Benar, penentukuran tepat peranti sedemikian agak sukar.

Kaedah stroboskopik untuk mengukur pic digunakan secara meluas, di mana bunyi alat muzik menetapkan kekerapan pancaran lampu strob. Lampu menerangi corak pada cakera berputar pada frekuensi yang diketahui, dan frekuensi asas nada ditentukan daripada frekuensi jelas pergerakan corak pada cakera di bawah pencahayaan stroboskopik.

Telinga sangat sensitif terhadap perubahan nada, tetapi sensitivitinya bergantung pada kekerapan. Ia adalah maksimum berhampiran ambang kebolehdengaran yang lebih rendah. Malah telinga yang tidak terlatih boleh mengesan hanya 0.3% perbezaan dalam frekuensi antara 500 dan 5000 Hz. Sensitiviti boleh ditingkatkan dengan latihan. Pemuzik mempunyai sangat dikembangkan rasa pic, tetapi ia tidak selalu membantu dalam menentukan kekerapan nada tulen yang dihasilkan oleh pengayun rujukan. Ini menunjukkan bahawa apabila menentukan kekerapan bunyi dengan telinga, timbrenya memainkan peranan penting.

Timbre.

Timbre merujuk kepada ciri bunyi muzik yang memberikan alat muzik dan menyuarakan kekhususan uniknya, walaupun jika kita membandingkan bunyi dengan pic dan kelantangan yang sama. Ini, boleh dikatakan, kualiti bunyi.

Timbre bergantung pada spektrum frekuensi bunyi dan perubahannya dari semasa ke semasa. Ia ditentukan oleh beberapa faktor: pengagihan tenaga ke atas nada, frekuensi yang timbul pada saat bunyi muncul atau berhenti (yang dipanggil nada peralihan) dan pereputannya, serta amplitud perlahan dan modulasi frekuensi bunyi (“vibrato”).

keamatan nada.

Pertimbangkan rentetan yang diregangkan, yang teruja dengan secubit di bahagian tengahnya (Rajah 15, a). Oleh kerana semua harmonik genap mempunyai nod di tengah, ia akan tiada, dan ayunan akan terdiri daripada harmonik ganjil frekuensi asas yang sama dengan f 1 = v/2l, di mana v- kelajuan gelombang dalam tali, dan l adalah panjangnya. Oleh itu, hanya frekuensi yang akan hadir f 1 , 3f 1 , 5f 1 dsb. Amplitud relatif harmonik ini ditunjukkan dalam Rajah. lima belas, b.

Contoh ini membolehkan kita membuat kesimpulan umum penting berikut. Set harmonik sistem resonans ditentukan oleh konfigurasinya, dan pengagihan tenaga ke atas harmonik bergantung pada kaedah pengujaan. Apabila rentetan teruja di tengahnya, frekuensi asas mendominasi dan harmonik sekata ditindas sepenuhnya. Jika rentetan dipasang di bahagian tengahnya dan dipetik di tempat lain, maka frekuensi asas dan harmonik ganjil akan ditindas.

Semua ini terpakai kepada alat muzik terkenal lain, walaupun butirannya mungkin sangat berbeza. Instrumen biasanya mempunyai rongga udara, papan bunyi, atau hon untuk mengeluarkan bunyi. Semua ini menentukan struktur nada dan penampilan forman.

Pembentuk.

Seperti yang dinyatakan di atas, kualiti bunyi alat muzik bergantung kepada pengagihan tenaga antara harmonik. Apabila menukar pic bagi banyak instrumen, dan terutamanya suara manusia, taburan harmonik berubah supaya nada utama sentiasa terletak dalam julat frekuensi yang lebih kurang sama, yang dipanggil julat forman. Salah satu sebab wujudnya forman ialah penggunaan elemen resonans untuk menguatkan bunyi, seperti papan bunyi dan resonator udara. Lebar resonans semula jadi biasanya besar, kerana kecekapan sinaran pada frekuensi yang sepadan lebih tinggi. Untuk instrumen tembaga, forman ditentukan oleh loceng dari mana bunyi itu dikeluarkan. Nada nada yang berada dalam julat forman sentiasa dititikberatkan, kerana ia dipancarkan dengan tenaga maksimum. Pembentuk sebahagian besarnya menentukan ciri kualitatif ciri bunyi alat muzik atau suara.

Bertukar ton dari semasa ke semasa.

Nada bunyi mana-mana instrumen jarang kekal malar dari semasa ke semasa, dan timbre pada asasnya berkaitan dengan ini. Walaupun instrumen mengekalkan nota yang panjang, terdapat sedikit modulasi berkala frekuensi dan amplitud, memperkayakan bunyi - "vibrato". Ini terutama berlaku untuk alat muzik bertali seperti biola dan untuk suara manusia.

Bagi kebanyakan instrumen, seperti piano, tempoh bunyi adalah sedemikian rupa sehingga nada malar tidak mempunyai masa untuk terbentuk - bunyi teruja dengan cepat meningkat, dan kemudian pereputan pesatnya mengikuti. Memandangkan pereputan nada biasanya disebabkan oleh kesan yang bergantung kepada frekuensi (seperti sinaran akustik), jelas bahawa taburan nada berubah sepanjang perjalanan nada.

Sifat perubahan nada dari semasa ke semasa (kadar naik dan turun bunyi) untuk sesetengah instrumen ditunjukkan secara skematik dalam Rajah. 18. Seperti yang anda lihat, alat muzik bertali (dipetik dan papan kekunci) hampir tiada nada tetap. Dalam kes sedemikian, adalah mungkin untuk bercakap tentang spektrum nada hanya bersyarat, kerana bunyi berubah dengan cepat mengikut masa. Ciri naik dan turun juga merupakan bahagian penting dalam timbre instrumen ini.

nada peralihan.

Komposisi harmonik nada biasanya berubah dengan cepat masa yang singkat selepas rangsangan bunyi. Dalam instrumen yang bunyinya teruja dengan memukul rentetan atau mencabut, tenaga yang dikaitkan dengan harmonik yang lebih tinggi (serta kepada banyak komponen bukan harmonik) adalah maksimum sejurus selepas bunyi bermula, dan selepas pecahan sesaat frekuensi ini. pudar. Bunyi sedemikian, dipanggil peralihan, memberikan pewarnaan khusus kepada bunyi instrumen. Dalam piano, ia disebabkan oleh tindakan tukul memukul tali. Kadangkala alat muzik dengan struktur nada yang sama hanya boleh dibezakan dengan nada peralihan.

BUNYI ALAT MUZIK

Bunyi muzik boleh teruja dan diubah cara yang berbeza, berkaitan dengan mana alat muzik dibezakan oleh pelbagai bentuk. Instrumen kebanyakannya dicipta dan diperbaiki oleh pemuzik itu sendiri dan oleh tukang mahir yang tidak menggunakannya teori saintifik. Oleh itu, sains akustik tidak dapat menjelaskan, sebagai contoh, mengapa biola mempunyai bentuk sedemikian. Walau bagaimanapun, adalah agak mungkin untuk menggambarkan sifat bunyi biola dari segi prinsip umum permainannya dan pembinaannya.

Julat frekuensi sesuatu instrumen biasanya difahami sebagai julat frekuensi nada asasnya. Suara manusia meliputi kira-kira dua oktaf, dan alat muzik - sekurang-kurangnya tiga (organ besar - sepuluh). Dalam kebanyakan kes, nada menjangkau ke hujung julat bunyi yang boleh didengar.

Alat muzik mempunyai tiga bahagian utama: elemen berayun, mekanisme pengujaannya, dan resonator tambahan (tanduk atau papan bunyi) untuk komunikasi akustik antara unsur bergetar dan udara sekeliling.

Bunyi muzik adalah berkala dalam masa, dan bunyi berkala terdiri daripada satu siri harmonik. Oleh kerana frekuensi semula jadi bagi getaran rentetan dan lajur udara dengan panjang tetap adalah berkaitan secara harmoni, dalam banyak instrumen elemen getaran utama ialah rentetan dan lajur udara. Dengan beberapa pengecualian (seruling adalah salah satu daripadanya), bunyi satu frekuensi tidak boleh diambil pada instrumen. Apabila penggetar utama teruja, bunyi yang mengandungi nada timbul. Beberapa frekuensi resonan penggetar bukan komponen harmonik. Instrumen jenis ini (contohnya, gendang dan simbal) digunakan dalam muzik orkestra untuk ekspresi dan penekanan khusus pada irama, tetapi bukan untuk perkembangan melodi.

Alat muzik bertali.

Dengan sendirinya, rentetan bergetar adalah pemancar bunyi yang lemah, dan oleh itu alat bertali mesti mempunyai resonator tambahan untuk mengujakan bunyi dengan intensiti yang ketara. Ia boleh menjadi isipadu udara tertutup, dek, atau gabungan kedua-duanya. Sifat bunyi alat juga ditentukan oleh cara tali itu teruja.

Kami telah melihat lebih awal bahawa kekerapan asas ayunan rentetan panjang tetap L diberikan oleh

di mana T ialah daya tegangan tali, dan rL ialah jisim per unit panjang tali. Oleh itu, kita boleh menukar kekerapan dalam tiga cara: dengan menukar panjang, ketegangan, atau jisim. Banyak instrumen menggunakan sebilangan kecil rentetan dengan panjang yang sama, frekuensi asasnya ditentukan oleh pilihan ketegangan dan jisim yang betul. Frekuensi lain diperoleh dengan memendekkan panjang tali dengan jari anda.

Instrumen lain, seperti piano, mempunyai salah satu daripada banyak rentetan pra-tala untuk setiap nota. Menala piano di mana julat frekuensinya besar bukanlah tugas yang mudah, terutamanya di kawasan itu frekuensi rendah. Daya ketegangan semua rentetan piano adalah hampir sama (kira-kira 2 kN), dan kepelbagaian frekuensi dicapai dengan menukar panjang dan ketebalan rentetan.

Alat muzik bertali boleh teruja dengan memetik (contohnya, pada kecapi atau banjo), pukulan (pada piano), atau dengan busur (dalam hal alat muzik keluarga biola). Dalam semua kes, seperti yang ditunjukkan di atas, bilangan harmonik dan amplitudnya bergantung pada cara rentetan teruja.

piano.

Contoh tipikal alat di mana pengujaan rentetan dihasilkan melalui pukulan ialah pianoforte. Papan bunyi instrumen yang besar menyediakan pelbagai jenis pembentuk, jadi timbrenya sangat seragam untuk sebarang nota teruja. Maksimum forman utama berlaku pada frekuensi urutan 400-500 Hz, dan pada frekuensi yang lebih rendah nadanya sangat kaya dengan harmonik, dan amplitud frekuensi asas adalah kurang daripada beberapa nada. Dalam piano, pukulan tukul pada semua kecuali tali terpendek jatuh pada titik yang terletak 1/7 daripada panjang tali dari salah satu hujungnya. Ini biasanya dijelaskan oleh fakta bahawa dalam kes ini harmonik ketujuh, yang sumbang berkenaan dengan frekuensi asas, ditindas dengan ketara. Tetapi disebabkan oleh lebar terhingga malleus, harmonik lain yang terletak berhampiran ketujuh juga ditindas.

Keluarga biola.

Dalam keluarga instrumen biola, bunyi panjang dihasilkan oleh busur, yang menggunakan daya penggerak berubah-ubah pada rentetan, yang memastikan rentetan bergetar. Di bawah tindakan busur yang bergerak, tali ditarik ke tepi akibat geseran sehingga putus akibat peningkatan daya tegangan. Kembali ke kedudukan asalnya, ia sekali lagi dibawa oleh busur. Proses ini diulang supaya daya luar berkala bertindak pada rentetan.

Dalam urutan meningkatkan saiz dan mengurangkan julat frekuensi, instrumen tali tunduk utama disusun seperti berikut: biola, viola, cello, bes berganda. Spektrum frekuensi instrumen ini sangat kaya dengan nada, yang sudah pasti memberikan kehangatan dan ekspresi yang istimewa pada bunyinya. Dalam keluarga biola, tali bergetar disambungkan secara akustik ke rongga udara dan badan instrumen, yang terutamanya menentukan struktur forman, yang menduduki julat frekuensi yang sangat luas. Wakil besar keluarga biola mempunyai satu set forman yang beralih ke frekuensi rendah. Oleh itu, nota yang sama yang diambil pada dua alat keluarga biola memperoleh warna timbre yang berbeza kerana perbezaan dalam struktur nada.

Biola mempunyai resonans yang ketara berhampiran 500 Hz, disebabkan oleh bentuk badannya. Apabila nota yang frekuensinya hampir dengan nilai ini dimainkan, bunyi bergetar yang tidak diingini dipanggil "nada serigala" boleh dihasilkan. Rongga udara di dalam badan biola juga mempunyai frekuensi resonansnya sendiri, yang utamanya terletak berhampiran 400 Hz. Oleh kerana bentuknya yang istimewa, biola mempunyai banyak resonans jarak yang rapat. Kesemuanya, kecuali untuk nada serigala, tidak begitu menonjol dalam spektrum umum bunyi yang diekstrak.

Alat tiup.

Alat tiup kayu.

Getaran semula jadi udara dalam paip silinder dengan panjang terhingga telah dibincangkan sebelum ini. Frekuensi semula jadi membentuk satu siri harmonik, frekuensi asasnya adalah berkadar songsang dengan panjang paip. Bunyi muzik dalam alat tiup timbul kerana pengujaan resonans lajur udara.

Getaran udara teruja sama ada oleh getaran dalam jet udara yang jatuh pada tepi tajam dinding resonator, atau oleh getaran permukaan fleksibel lidah dalam aliran udara. Dalam kedua-dua kes, perubahan tekanan berkala berlaku di kawasan setempat tong alat.

Kaedah pertama pengujaan ini adalah berdasarkan kejadian "nada tepi". Apabila aliran udara keluar dari slot, dipecahkan oleh halangan berbentuk baji dengan tepi tajam, vorteks muncul secara berkala - pertama di satu sisi, kemudian di sisi lain baji. Kekerapan pembentukan mereka lebih besar, lebih besar kelajuan aliran udara. Jika peranti sedemikian digabungkan secara akustik ke lajur udara bergema, maka frekuensi nada tepi "ditawan" oleh frekuensi resonan lajur udara, i.e. kekerapan pembentukan pusaran ditentukan oleh ruang udara. Di bawah keadaan sedemikian, frekuensi utama lajur udara teruja hanya apabila halaju aliran udara melebihi nilai minimum tertentu. Dalam julat kelajuan tertentu yang melebihi nilai ini, kekerapan nada tepi adalah sama dengan frekuensi asas ini. Pada halaju aliran udara yang lebih tinggi (berhampiran dengan frekuensi tepi jika tiada komunikasi dengan resonator akan sama dengan harmonik kedua resonator), kekerapan tepi berganda secara tiba-tiba dan pic yang dipancarkan oleh keseluruhan sistem bertukar. menjadi satu oktaf lebih tinggi. Ini dipanggil limpahan.

Nada tepi menggembirakan lajur udara dalam instrumen seperti organ, seruling dan piccolo. Apabila bermain seruling, pemain mengujakan nada tepi dengan meniup dari sisi ke dalam lubang sisi berhampiran salah satu hujungnya. Nota satu oktaf, bermula dari "D" dan ke atas, diperoleh dengan menukar panjang berkesan tong, membuka lubang sisi, dengan nada tepi biasa. Oktaf yang lebih tinggi adalah berlebihan.

Satu lagi cara untuk merangsang bunyi alat tiup adalah berdasarkan gangguan berkala aliran udara oleh lidah berayun, yang dipanggil buluh, kerana ia diperbuat daripada buluh. Kaedah ini digunakan dalam pelbagai alat tiup kayu dan loyang. Terdapat pilihan dengan buluh tunggal (seperti, sebagai contoh, dalam instrumen jenis klarinet, saksofon dan akordion) dan dengan buluh berganda simetri (seperti, sebagai contoh, dalam oboe dan bassoon). Dalam kedua-dua kes, proses berayun adalah sama: udara ditiup melalui celah sempit, di mana tekanan berkurangan mengikut hukum Bernoulli. Pada masa yang sama, tongkat ditarik ke dalam celah dan menutupinya. Sekiranya tiada aliran, rotan kenyal diluruskan dan proses diulang.

Dalam instrumen tiupan, pemilihan nota skala, seperti pada seruling, dilakukan dengan membuka lubang sisi dan overflow.

Tidak seperti paip yang terbuka di kedua-dua hujungnya dan mempunyai set penuh overtones, paip yang terbuka pada satu hujung hanya mempunyai harmonik ganjil ( cm. di atas). Ini adalah konfigurasi klarinet, dan oleh itu juga harmonik dinyatakan dengan lemah di dalamnya. Overblowing dalam klarinet berlaku pada frekuensi 3 kali lebih tinggi daripada yang utama.

Dalam oboe, harmonik kedua agak sengit. Ia berbeza daripada klarinet kerana lubangnya mempunyai bentuk kon, manakala dalam klarinet keratan rentas lubang adalah malar sepanjang kebanyakan panjangnya. Frekuensi dalam tong kon adalah lebih sukar untuk dikira daripada dalam paip silinder, tetapi masih terdapat julat penuh nada. Dalam kes ini, frekuensi ayunan tiub kon dengan hujung sempit tertutup adalah sama dengan frekuensi ayunan tiub silinder terbuka pada kedua-dua hujungnya.

Alat tiup tembaga.

Loyang, termasuk tanduk, sangkakala, kornet-omboh, trombon, tanduk dan tuba, teruja oleh bibir, tindakannya, digabungkan dengan corong berbentuk khas, adalah serupa dengan buluh berganda. Tekanan udara semasa pengujaan bunyi adalah lebih tinggi di sini berbanding tiupan kayu. Instrumen tiupan tembaga, sebagai peraturan, adalah tong logam dengan bahagian silinder dan kon, berakhir dengan loceng. Bahagian dipilih supaya rangkaian penuh harmonik disediakan. Jumlah panjang tong adalah antara 1.8 m untuk paip hingga 5.5 m untuk tuba. Tuba berbentuk siput untuk memudahkan pengendalian, bukan atas sebab akustik.

Dengan panjang tong yang tetap, pemain hanya mempunyai nota yang ditentukan oleh frekuensi semula jadi tong (selain itu, frekuensi asas biasanya "tidak diambil"), dan harmonik yang lebih tinggi teruja dengan meningkatkan tekanan udara dalam corong. . Oleh itu, hanya beberapa not (harmonik kedua, ketiga, keempat, kelima dan keenam) boleh dimainkan pada bugle panjang tetap. Pada instrumen loyang lain, frekuensi yang terletak di antara harmonik diambil dengan perubahan panjang tong. Trombon adalah unik dalam pengertian ini, panjang larasnya dikawal oleh pergerakan lancar sayap berbentuk U yang boleh ditarik balik. Penghitungan nota keseluruhan skala disediakan oleh tujuh kedudukan sayap yang berbeza dengan perubahan dalam nada teruja batang. Dalam instrumen loyang lain, ini dicapai dengan meningkatkan panjang keseluruhan tong dengan berkesan dengan tiga saluran sisi panjang yang berbeza dan dalam kombinasi yang berbeza. Ini memberikan tujuh panjang tong yang berbeza. Seperti trombone, not bagi keseluruhan skala dimainkan oleh pengujaan siri nada berbeza yang sepadan dengan tujuh panjang batang ini.

Nada semua instrumen tembaga kaya dengan harmonik. Ini disebabkan terutamanya oleh kehadiran loceng, yang meningkatkan kecekapan pelepasan bunyi pada frekuensi tinggi. Trompet dan tanduk direka untuk memainkan rangkaian harmonik yang lebih luas daripada terompet. Bahagian sangkakala solo dalam karya I. Bach mengandungi banyak petikan dalam oktaf keempat siri ini, mencapai harmonik ke-21 instrumen ini.

Alat perkusi.

Alat perkusi mengeluarkan bunyi dengan memukul badan instrumen dan dengan itu mengujakan getaran bebasnya. Dari piano, di mana getaran juga teruja dengan pukulan, instrumen sedemikian berbeza dalam dua aspek: badan bergetar tidak memberikan nada harmonik, dan ia sendiri boleh memancarkan bunyi tanpa resonator tambahan. Alat perkusi termasuk gendang, simbal, gambang dan segi tiga.

Ayunan pepejal adalah lebih kompleks daripada resonator udara dengan bentuk yang sama, kerana terdapat lebih banyak jenis ayunan dalam pepejal. Jadi, gelombang mampatan, lenturan dan kilasan boleh merambat sepanjang rod logam. Oleh itu, rod silinder mempunyai lebih banyak mod getaran dan, oleh itu, frekuensi resonans daripada lajur udara silinder. Selain itu, frekuensi resonans ini tidak membentuk siri harmonik. Gambang menggunakan getaran lenturan bar pepejal. Nisbah nada bagi bar gambang bergetar kepada frekuensi asas ialah: 2.76, 5.4, 8.9 dan 13.3.

Garpu tala ialah rod melengkung berayun, dan jenis ayunan utamanya berlaku apabila kedua-dua lengan secara serentak menghampiri satu sama lain atau bergerak menjauhi satu sama lain. Garpu tala tidak mempunyai siri nada harmonik, dan hanya frekuensi asasnya digunakan. Kekerapan nada pertamanya adalah lebih daripada 6 kali frekuensi asas.

Satu lagi contoh badan pepejal berayun yang menghasilkan bunyi muzik ialah loceng. Saiz loceng boleh berbeza - daripada loceng kecil hingga loceng gereja berbilang tan. Semakin besar loceng, semakin rendah bunyi yang dihasilkan. Bentuk dan ciri-ciri lain loceng telah mengalami banyak perubahan dalam perjalanan evolusi berabad-abad lamanya. Sangat sedikit perusahaan yang terlibat dalam pembuatan mereka, yang memerlukan kemahiran yang hebat.

Siri nada awal loceng tidak harmonik, dan nisbah nada nada tidak sama untuk loceng yang berbeza. Jadi, sebagai contoh, untuk satu loceng besar, nisbah yang diukur bagi frekuensi nada kepada frekuensi asas ialah 1.65, 2.10, 3.00, 3.54, 4.97 dan 5.33. Tetapi pengagihan tenaga ke atas nada berubah dengan cepat sejurus selepas loceng dibunyikan, dan bentuk loceng nampaknya dipilih sedemikian rupa sehingga frekuensi dominan berkaitan antara satu sama lain secara hampir harmoni. Nada loceng ditentukan bukan oleh kekerapan asas, tetapi oleh not yang dominan sejurus selepas mogok. Ia sepadan lebih kurang dengan nada kelima loceng. Selepas beberapa lama, nada yang lebih rendah mula mendominasi dalam bunyi loceng.

Dalam dram, unsur bergetar adalah membran kulit, biasanya bulat, yang boleh dianggap sebagai analog dua dimensi dari rentetan yang diregangkan. Dalam muzik, dram tidak sepenting rentetan, kerana set semula jadi frekuensi semula jadi tidak harmonik. Pengecualian adalah timpani, membran yang diregangkan di atas resonator udara. Urutan overtone drum boleh dibuat harmonik dengan menukar ketebalan kepala dalam arah jejari. Contoh gendang tersebut ialah tabla digunakan dalam muzik India klasik.