Okul Ansiklopedisi. Ses nedir ve ses dalgasının özellikleri nelerdir

Ses, ses dalgaları aracılığıyla yayılır. Bu dalgalar sadece gazlardan ve sıvılardan değil, katılardan da geçer. Herhangi bir dalganın hareketi esas olarak enerji transferindedir. Ses durumunda, taşıma moleküler düzeyde küçük hareketler şeklini alır.

Gazlarda ve sıvılarda, bir ses dalgası molekülleri hareket yönünde, yani dalga boyu yönünde kaydırır. Katılarda, moleküllerin ses titreşimleri dalgaya dik yönde de meydana gelebilir.

Ses dalgaları, diliyle periyodik olarak çarpışan metal bir zili gösteren sağdaki şekilde gösterildiği gibi, kaynaklarından her yöne yayılır. Bu mekanik çarpışmalar çanın titreşmesine neden olur. Titreşimlerin enerjisi çevredeki havanın moleküllerine aktarılır ve onlar çandan uzağa itilir. Sonuç olarak, çana bitişik hava tabakasında basınç artar, bu da kaynaktan her yöne dalgalar halinde yayılır.

Sesin hızı, ses seviyesinden veya tondan bağımsızdır. Odadaki radyodan gelen yüksek veya alçak, yüksek veya alçak tüm sesler aynı anda dinleyiciye ulaşır.

Sesin hızı, yayıldığı ortamın türüne ve sıcaklığına bağlıdır. Gazlarda, ses dalgaları yavaş hareket eder, çünkü seyrek moleküler yapıları sıkıştırmaya karşı çok az şey yapar. Aşağıdaki şemada gösterildiği gibi, sıvılarda sesin hızı artar ve katılarda daha da hızlanır, metre/saniye (m/s) cinsinden.

dalga yolu

Ses dalgaları, sağdaki diyagramlarda gösterilene benzer bir şekilde havada yayılır. Dalga cepheleri, çanın salınımlarının frekansı ile belirlenen, birbirinden belirli bir mesafede kaynaktan hareket eder. Bir ses dalgasının frekansı, birim zamanda belirli bir noktadan geçen dalga cephelerinin sayısı sayılarak belirlenir.

Ses dalgası önü, titreşen çandan uzaklaşır.

Düzgün ısıtılmış havada ses sabit bir hızla yayılır.

İkinci cephe, dalga boyuna eşit bir mesafede birinciyi takip eder.

Ses yoğunluğu kaynağın yakınında maksimumdur.

Görünmez bir dalganın grafik gösterimi

Derinlerden gelen ses

Ses dalgalarından oluşan bir sonar ışını ışını okyanus suyundan kolayca geçer. Sonarın çalışma prensibi, ses dalgalarının okyanus tabanından yansıdığı gerçeğine dayanmaktadır; bu cihaz genellikle su altı kabartmasının özelliklerini belirlemek için kullanılır.

Elastik katılar

Ses tahta bir levhada yayılır. Çoğu katının molekülleri, zayıf sıkıştırılmış ve aynı zamanda ses dalgalarının geçişini hızlandıran elastik bir uzaysal kafese bağlanır.

Ses (ses dalgası ) –insan ve hayvan işitme organı tarafından algılanan elastik bir dalgadır. Diğer bir deyişle, ses, ortamın parçacıklarının birbirleriyle etkileşiminden kaynaklanan, elastik bir ortamdaki yoğunluk (veya basınç) dalgalanmalarının yayılmasıdır.

Atmosfer (hava) elastik ortamlardan biridir. Sesin havada yayılması aşağıdakilere uyar: genel yasalar akustik dalgaların ideal gazlarda yayılması ve ayrıca havanın yoğunluk, basınç, sıcaklık ve nem değişkenliği nedeniyle özellikleri vardır. Sesin hızı, ortamın özelliklerine göre belirlenir ve elastik bir dalganın hızı için formüllerden hesaplanır.

Yapay ve doğal var kaynaklar ses. Yapay yayıcılar şunları içerir:

Katı cisimlerin titreşimleri (müzik aletlerinin telleri ve güverteleri, hoparlör difüzörleri, telefon zarları, piezoelektrik plakalar);

Sınırlı bir hacimde hava titreşimleri (organ boruları, düdükler);

Beat (piyano tuşları, zil);

Elektrik akımı (elektroakustik dönüştürücüler).

Doğal kaynaklar şunları içerir:

Patlama, çökme;

Engellerin etrafındaki hava akışı (bir binanın köşesinden esen rüzgar, bir deniz dalgasının tepesi).

Ayrıca yapay ve doğal alıcılar ses:

Elektroakustik dönüştürücüler (havada mikrofon, suda hidrofon, yerkabuğunda jeofon) ve diğer cihazlar;

İnsan ve hayvanların işitme cihazı.

Ses dalgalarının yayılması sırasında, herhangi bir doğadaki dalgaların karakteristiği olan fenomenler mümkündür:

Bir engelden yansıma

İki ortamın sınırında kırılma,

girişim (ilave),

Difraksiyon (engelden kaçınma),

Dağılım (bir maddenin içindeki ses hızının sesin frekansına bağımlılığı);

Absorpsiyon (ses enerjisinin geri dönüşümsüz olarak ısıya dönüşmesi nedeniyle ortamdaki sesin enerjisinde ve yoğunluğunda azalma).

Objektif ses özellikleri

ses frekansı

Bir kişinin duyabileceği sesin frekansı, aşağıdaki aralıktadır. 16 Hz önceki 16 - 20 kHz . Frekanslı elastik dalgalar aşağıda duyulabilir aralık aranan kızılötesi (sarsıntı dahil), s daha yüksek Sıklık – ultrason , ve en yüksek frekanslı elastik dalgalar hipersonik .

Sesin tüm frekans aralığı üç bölüme ayrılabilir (Tablo 1).

Gürültü düşük frekanslı ses bölgesinde sürekli bir frekans (veya dalga boyu) spektrumuna sahiptir (Tablo 1, 2). Sürekli bir spektrum, frekansların verilen aralıktan herhangi bir değere sahip olabileceği anlamına gelir.

müzikal , veya ton , sesler orta frekans ve kısmen yüksek frekanslı ses bölgesinde bir hat frekans spektrumuna sahiptir. Yüksek frekanslı sesin geri kalanı bir düdük tarafından işgal edilir. Çizgi spektrumu, müzik frekanslarının yalnızca belirtilen aralıktan kesin olarak tanımlanmış (ayrık) değerlere sahip olduğu anlamına gelir.

Ek olarak, müzik frekanslarının aralığı oktavlara bölünmüştür. Oktav üst sınırı alt sınırın iki katı olan iki sınır değeri arasındaki frekans aralığıdır.(Tablo 3)

Ortak oktav frekans bantları

İnsan ses aygıtı tarafından üretilen ve insan işitsel aygıtı tarafından algılanan ses için frekans aralığı örnekleri Tablo 4'te gösterilmektedir.

Bazı müzik aletlerinin frekans aralığı örnekleri Tablo 5'te gösterilmiştir. Bunlar sadece ses aralığını değil aynı zamanda ultrasonik aralığı da kapsar.

Hayvanlar, kuşlar ve böcekler, insanlardan farklı frekans aralıklarında ses yaratır ve algılar (Tablo 6).

Müzikte her sinüzoidal ses dalgasına denir. basit ton, veya ton. Perde frekansa bağlıdır: frekans ne kadar yüksekse, ton da o kadar yüksek olur. Ana ton karmaşık müzik sesine karşılık gelen ton denir. en düşük frekans onun spektrumunda. Diğer frekanslara karşılık gelen tonlara denir. imalar. Eğer tonlar katlar temelin frekansı, daha sonra tonlar denir harmonik. En düşük frekansa sahip ton, birinci harmonik olarak adlandırılır, sonraki - ikinci vb.

Aynı kök notaya sahip müzikal sesler farklı olabilir tını. Tını, tınıların bileşimine, frekanslarına ve genliklerine, sesin başlangıcındaki yükselişlerinin doğasına ve sonundaki bozulmaya bağlıdır.

ses hızı

Çeşitli ortamlardaki ses için genel formüller (22) - (25) geçerlidir. Bu durumda, kuru atmosferik hava durumunda formülün (22) uygulanabilir olduğu ve Poisson oranı, molar kütle ve evrensel gaz sabitinin sayısal değerleri dikkate alınarak şu şekilde yazılabileceği dikkate alınmalıdır. :

Ancak, gerçek atmosferik hava her zaman sesin hızını etkileyen neme sahiptir. Bunun nedeni Poisson oranının  su buharının kısmi basıncının oranına bağlıdır ( p buhar) atmosfer basıncına ( p). Nemli havada sesin hızı şu formülle belirlenir:

.

Son denklemden, nemli havadaki ses hızının kuru havadakinden biraz daha büyük olduğu görülebilir.

Atmosferik havanın sıcaklıklarının ve neminin etkisi dikkate alınarak, ses hızının sayısal tahminleri, yaklaşık formül kullanılarak gerçekleştirilebilir:

Bu tahminler, ses yatay yönde yayıldığında ( 0 x) sıcaklık artışı ile 1 0 C ses hızı artar 0,6 m/s. Kısmi basıncı en fazla olmayan su buharının etkisi altında 10 Pa ses hızı daha az artar 0,5 m/s. Ancak genel olarak, Dünya yüzeyine yakın su buharının mümkün olan maksimum kısmi basıncında, sesin hızı en fazla artar. 1 m/s.

Ses basıncı

Sesin yokluğunda atmosfer (hava) bozulmamış bir ortamdır ve statik bir atmosfer basıncına sahiptir (
).

Ses dalgaları yayıldığında, havanın yoğunlaşması ve seyrekleşmesi nedeniyle bu statik basınca ilave bir değişken basınç eklenir. Düzlem dalgalar için şunu yazabiliriz:

nerede p sv, maksimum ses basıncı genliğidir,  - döngüsel ses frekansı, k - dalga numarası. Bu nedenle, belirli bir zamanda sabit bir noktadaki atmosfer basıncı, bu basınçların toplamına eşit olur:

Ses basıncı - bu, bir ses dalgasının geçişi sırasında belirli bir noktada anlık gerçek atmosferik basınç ile sesin yokluğunda statik atmosfer basıncı arasındaki farka eşit değişken bir basınçtır.:

Salınım döneminde ses basıncı değerini ve işaretini değiştirir.

Ses basıncı neredeyse her zaman atmosfer basıncından çok daha azdır.

Güçlü patlamalar sırasında şok dalgaları meydana geldiğinde veya bir jet uçağı geçtiğinde atmosfer basıncıyla orantılı olarak büyür ve orantılı hale gelir.

Ses basınç birimleri aşağıdaki gibidir:

- paskalya SI'da
,

- çubuk GHS'de
,

- milimetre cıva,

- atmosfer.

Pratikte, cihazlar ses basıncının anlık değerini değil, sözde etkili (veya akım )ses baskı yapmak . eşittir uzayda belirli bir noktada belirli bir zamanda anlık ses basıncının karesinin ortalama değerinin karekökü

(44)

ve bu nedenle de denir RMS ses basıncı . (39) ifadesini formül (40) ile değiştirerek şunu elde ederiz:

. (45)

ses empedansı

Ses (akustik) empedansı genlik oranı denirortamın parçacıklarının ses basıncı ve titreşim hızı:

. (46)

Ses empedansının fiziksel anlamı: sayısal olarak ses basıncına eşittir ve ortamdaki parçacıkların birim hızda salınımlarına neden olur:

SI'da ses empedansının ölçü birimi metre başına pascal saniye:

.

Düzlem dalga durumunda parçacık salınım hızı eşittir

.

Daha sonra formül (46) şu şekli alır:

. (46*)

Ortamın yoğunluğunun ve bu ortamdaki ses hızının ürünü olarak ses direncinin başka bir tanımı daha vardır:

. (47)

o zaman fiziksel anlam elastik dalganın birim hızla yayıldığı ortamın yoğunluğuna sayısal olarak eşit olmasıdır:

.

Akustikte akustik dirence ek olarak, konsept kullanılır Mekanik direnç (R m). Mekanik direnç, periyodik kuvvetin genliklerinin ve ortamın parçacıklarının salınım hızının oranıdır:

, (48)

nerede S ses yayıcının yüzey alanıdır. Mekanik direnç ölçülür metre başına newton saniye:

.

Sesin enerjisi ve gücü

Bir ses dalgası, elastik bir dalga ile aynı enerji miktarlarıyla karakterize edilir.

Ses dalgalarının yayıldığı her hava hacmi, salınan parçacıkların kinetik enerjisinden ve ortamın elastik deformasyonunun potansiyel enerjisinden oluşan bir enerjiye sahiptir (bkz. formül (29)).

Ses şiddeti denirses gücü . o eşittir

. (49)

Bu yüzden ses gücünün fiziksel anlamı enerji akı yoğunluğunun anlamına benzer: bir birim alanın enine yüzeyinden birim zaman başına bir dalga tarafından aktarılan enerjinin ortalama değerine sayısal olarak eşittir.

Ses yoğunluğunun birimi metrekare başına watt'tır:

.

Ses gücü, efektif ses basıncının karesiyle orantılı ve ses (akustik) basıncıyla ters orantılıdır:

, (50)

veya (45) ifadeleri dikkate alınarak,

, (51)

nerede R ak – akustik empedans.

Ses ayrıca ses gücü ile de karakterize edilebilir. ses gücü Ses kaynağının etrafını saran kapalı bir yüzeyden belirli bir süre boyunca bir kaynak tarafından yayılan ses enerjisinin toplam miktarıdır.:

, (52)

veya formül (49) dikkate alınarak,

. (52*)

Ses gücü, diğerleri gibi, watt:

.

Ses, bir ortamdaki (genellikle havadaki) görünmeyen ancak insan kulağı tarafından algılanabilen elastik dalgalardır (dalga kulak zarına etki eder). Ses dalgası, boyuna bir sıkıştırma ve seyrekleşme dalgasıdır.

Bir boşluk yaratırsak sesleri ayırt edebilecek miyiz? Robert Boyle, 1660 yılında bir cam kaba bir saat yerleştirdi. Havayı dışarı pompaladığında ses duymadı. Tecrübe bunu kanıtlıyor sesi yaymak için bir ortama ihtiyaç vardır.

Ses, sıvı ve katı ortamlarda da yayılabilir. Suyun altında taşların etkisini net bir şekilde duyabilirsiniz. Saati tahtanın bir ucuna koyun. Kulağınızı diğer uca koyarak saatin tik taklarını net bir şekilde duyabilirsiniz.

Ses dalgası ahşapta yayılır

Sesin kaynağı mutlaka salınan bir cisimdir. Örneğin, bir gitar teli normal durumunda ses çıkarmaz, ancak onu salınım yapar yapmaz bir ses dalgası ortaya çıkar.

Ancak deneyimler, titreşen her cismin bir ses kaynağı olmadığını göstermektedir. Örneğin, ipte asılı duran bir ağırlık ses çıkarmaz. Gerçek şu ki, insan kulağı tüm dalgaları algılamaz, yalnızca 16 Hz ila 20.000 Hz arasında salınan cisimler oluşturanları algılar. Bu tür dalgalara denir ses. Frekansı 16 Hz'den küçük olan salınımlara denir. kızılötesi. 20.000 Hz'den büyük frekanslı salınımlara denir. ultrason.

ses hızı

Ses dalgaları anında değil, belirli bir sonlu hızla (düzgün hareketin hızına benzer) yayılır.

Bu nedenle bir fırtına sırasında önce şimşek yani ışık görürüz (ışık hızı ses hızından çok daha fazladır) ve sonra ses duyulur.

Sesin hızı ortama bağlıdır: katılarda ve sıvılarda sesin hızı havadakinden çok daha fazladır. Bunlar tablo şeklinde ölçülen sabitlerdir. Ortamın sıcaklığı arttıkça sesin hızı artar, azaldıkça azalır.

Sesler farklıdır. Sesi karakterize etmek için özel miktarlar tanıtılır: sesin yüksekliği, perdesi ve tınısı.

Sesin yüksekliği, salınımların genliğine bağlıdır: salınımların genliği ne kadar büyükse, ses o kadar yüksek olur. Ayrıca sesin şiddetinin kulağımız tarafından algılanması, ses dalgasındaki titreşimlerin frekansına bağlıdır. Daha yüksek frekanslı dalgalar daha gürültülü olarak algılanır.

Ses dalgasının frekansı perdeyi belirler. Ses kaynağının titreşim frekansı ne kadar yüksekse, ürettiği ses de o kadar yüksek olur. İnsan sesleri perdelerine göre çeşitli aralıklara ayrılır.

Farklı kaynaklardan gelen sesler bir koleksiyondur harmonik titreşimler farklı frekanslar. En büyük periyodun (en düşük frekans) bileşenine temel ton denir. Ses bileşenlerinin geri kalanı tonlardır. Bu bileşenlerin seti, sesin rengini, tınısını oluşturur. Farklı insanların seslerindeki tınıların toplamı en azından biraz farklıdır, ancak bu belirli bir sesin tınısını belirler.

Eko. Çeşitli engellerden (dağlar, ormanlar, duvarlar, büyük binalar vb.) gelen ses yansımasının bir sonucu olarak bir yankı oluşur. Yankı, yalnızca yansıyan ses, orijinal olarak konuşulan sesten ayrı olarak algılandığında meydana gelir. Çok sayıda yansıtıcı yüzey varsa ve bunlar bir kişiden farklı mesafelerdeyse, yansıyan ses dalgaları ona farklı zamanlarda ulaşacaktır. Bu durumda, yankı çoklu olacaktır. Yankıyı duyabilmek için engel kişiden 11 m uzaklıkta olmalıdır.

Ses yansıması. Ses pürüzsüz yüzeylerden yansır. Bu nedenle, bir korna kullanırken, ses dalgaları her yöne dağılmaz, ancak ses gücünün arttığı ve daha büyük bir mesafeye yayıldığı için dar bir ışın oluşturur.

Bazı hayvanlar (örn. yarasa, yunus) ultrasonik titreşimler yayar, ardından engellerden yansıyan dalgayı algılar. Böylece çevredeki nesnelere olan konumu ve mesafeyi belirlerler.

ekolokasyon. Bu, cisimlerin konumlarını onlardan yansıyan ultrasonik sinyallerle belirleme yöntemidir. Navigasyonda yaygın olarak kullanılır. gemilerde yüklü sonarlar- su altı nesnelerini tanımak ve dibin derinliğini ve topografyasını belirlemek için cihazlar. Kabın dibine bir verici ve bir ses alıcısı yerleştirilmiştir. Verici kısa sinyaller verir. Bilgisayar, geri dönen sinyallerin gecikme süresini ve yönünü analiz ederek, sesi yansıtan nesnenin konumunu ve boyutunu belirler.

Ultrason, makine parçalarındaki çeşitli hasarları (boşluk, çatlak vb.) tespit etmek ve belirlemek için kullanılır. Bu amaçla kullanılan cihaza denir. ultrasonik kusur dedektörü. Kısa ultrasonik sinyaller akışı, incelenen parçaya yönlendirilir ve bu, içindeki homojen olmayanlardan yansır ve geri dönerek alıcıya düşer. Kusurun olmadığı yerlerde, sinyaller parçadan önemli yansıma olmadan geçer ve alıcı tarafından kaydedilmez.

Ultrason, tıpta belirli hastalıkları teşhis etmek ve tedavi etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. X-ışınlarından farklı olarak, dalgaları zararlı etki kumaş üzerinde. Tanı ultrason muayeneleri(ultrason) izin vermeden cerrahi müdahale Organ ve dokulardaki patolojik değişiklikleri tanır. Özel bir cihaz, vücudun belirli bir bölgesine 0,5 ila 15 MHz frekansında ultrasonik dalgalar gönderir, bunlar incelenen organdan yansır ve bilgisayar görüntüsünü ekranda gösterir.

Infrasound, çeşitli ortamlarda düşük absorpsiyon ile karakterize edilir, bunun sonucunda hava, su ve yer kabuğundaki infrasonik dalgalar çok uzun mesafelerde yayılabilir. Bu fenomen bulunur pratik kullanım de yerleri belirlemek güçlü patlamalar veya ateş eden silahın konumu. Denizde uzun mesafeler boyunca kızılötesi yayılımı mümkün kılar doğal afet tahminleri- tsunami. Denizanası, kabuklular, vb. infrasoundları algılayabilir ve bir fırtınanın başlangıcından çok önce yaklaştığını hisseder.

İnsan işitme organlarına ulaştığında onlar tarafından ses olarak algılanan gaz, sıvı ve katı ortamlarda meydana gelir. Bu dalgaların frekansı saniyede 20 ila 20.000 salınım aralığındadır. Bir ses dalgası için formüller veriyoruz ve özelliklerini daha ayrıntılı olarak ele alıyoruz.

Ses dalgası neden ortaya çıkıyor?

Birçok insan ses dalgasının ne olduğunu merak eder. Sesin doğası, elastik bir ortamda bozulmaların meydana gelmesinde yatmaktadır. Örneğin, belirli bir hacimdeki havada sıkıştırma şeklinde bir basınç bozulması meydana geldiğinde, bu alan uzayda yayılma eğilimi gösterir. Bu işlem, aynı zamanda genişleme eğiliminde olan kaynağa bitişik alanlarda havanın sıkışmasına yol açar. Bu süreç, örneğin insan kulağı gibi bir alıcıya ulaşana kadar alanın giderek daha fazlasını kaplar.

Ses dalgalarının genel özellikleri

Ses dalgasının ne olduğu ve insan kulağı tarafından nasıl algılandığı sorularını ele alalım. Ses dalgası boyunadır; kulak kabuğuna girdiğinde kulak zarının belirli bir frekans ve genlikte titreşmesine neden olur. Bu dalgalanmaları, zara bitişik havanın mikro hacmindeki periyodik basınç değişiklikleri olarak da gösterebilirsiniz. İlk olarak, normal atmosferik basınca göre artar ve ardından aşağıdakilere uyarak azalır. matematiksel yasalar harmonik hareket. Hava sıkıştırmasındaki değişikliklerin genliği, yani bir ses dalgasının yarattığı maksimum veya minimum basınç ile atmosfer basıncı arasındaki fark, ses dalgasının kendisinin genliği ile orantılıdır.

Birçok fiziksel deney, insan kulağının zarar vermeden algılayabileceği maksimum basıncın 2800 µN/cm 2 olduğunu göstermiştir. Karşılaştırma için, dünya yüzeyine yakın atmosfer basıncının 10 milyon µN/cm 2 olduğunu varsayalım. Basınç ve salınım genliğinin orantılılığı göz önüne alındığında, ikinci değerin en güçlü dalgalar için bile önemsiz olduğunu söyleyebiliriz. Bir ses dalgasının uzunluğu hakkında konuşursak, saniyede 1000 titreşim frekansı için santimetrenin binde biri olacaktır.

En zayıf sesler, 0,001 μN / cm2 mertebesinde basınç dalgalanmaları yaratır, 1000 Hz frekansı için karşılık gelen dalga salınımları genliği 10 -9 cm, hava moleküllerinin ortalama çapı ise 10 -8 cm'dir, yani, insan kulağı son derece hassas bir organdır.

Ses dalgalarının yoğunluğu kavramı

Geometrik bir bakış açısından, bir ses dalgası belirli bir biçimde bir titreşimdir, ancak fiziksel bir bakış açısından, ses dalgalarının ana özelliği, enerji aktarma yetenekleridir. Dalga enerjisi transferinin en önemli örneği, yayılan elektromanyetik dalgaları tüm gezegenimize enerji sağlayan güneştir.

Fizikte bir ses dalgasının yoğunluğu, bir dalganın, dalganın yayılmasına dik olan birim yüzey boyunca ve birim zamanda taşıdığı enerji miktarı olarak tanımlanır. Kısacası, bir dalganın yoğunluğu, birim alandan aktarılan gücüdür.

Ses dalgalarının gücü genellikle logaritmik bir ölçeğe dayanan desibel cinsinden ölçülür. pratik analiz Sonuçlar.

Çeşitli seslerin yoğunluğu

Aşağıdaki desibel ölçeği, farklılığın anlamı ve neden olduğu duyumlar hakkında bir fikir verir:

• hoş olmayan ve rahatsız edici duyumların eşiği 120 desibelden (dB) başlar;
• perçin çekici 95 dB'lik bir ses çıkarır;
• yüksek hızlı tren - 90 dB;
• yoğun trafiğe sahip cadde - 70 dB;
• insanlar arasındaki normal konuşmanın hacmi - 65 dB;
• orta hızda hareket eden modern bir araba 50 dB'lik bir ses çıkarır;
• radyonun ortalama hacmi - 40 dB;
• sessiz konuşma - 20 dB;
• ağaç yaprakları gürültüsü - 10 dB;
• insan ses duyarlılığının minimum eşiği 0 dB'ye yakındır.

İnsan kulağının duyarlılığı sesin frekansına bağlıdır ve 2000-3000 Hz frekanslı ses dalgaları için maksimum değerdir. Bu frekans aralığındaki ses için, insan duyarlılığının alt eşiği 10 -5 dB'dir. Belirtilen aralıktan daha yüksek ve daha düşük frekanslar, bir kişinin 20 Hz ve 20.000 Hz'ye yakın frekansları yalnızca onlarca dB'lik yoğunluklarında duyacağı şekilde düşük hassasiyet eşiğinde bir artışa yol açar.

Yoğunluğun üst eşiğine gelince, bundan sonra ses bir kişi için rahatsızlığa neden olmaya başlar ve hatta ağrı, o zaman pratik olarak frekanstan bağımsız olduğu ve 110-130 dB aralığında olduğu söylenmelidir.

Bir ses dalgasının geometrik özellikleri

Gerçek bir ses dalgası, basit harmonik salınımlara ayrıştırılabilen, uzunlamasına dalgalardan oluşan karmaşık bir salınım paketidir. Bu tür salınımların her biri, aşağıdaki özelliklerle geometrik bir bakış açısından tanımlanır:

1. Genlik - dalganın her bölümünün dengeden maksimum sapması. Bu değer A ile gösterilir.
2. Dönem. Bu, basit bir dalganın tam salınımını tamamlaması için geçen zamandır. Bu süreden sonra dalganın her noktası salınım sürecini tekrarlamaya başlar. Periyot genellikle T harfi ile gösterilir ve SI sisteminde saniye cinsinden ölçülür.
3. Sıklık. BT fiziksel miktar, bu dalganın bir saniyede kaç salınım yaptığını gösterir. Yani kendi anlamında dönemin tersi bir değerdir. f olarak belirlenmiştir. Bir ses dalgasının frekansını periyot cinsinden belirleme formülü şu şekildedir: f = 1/T.
4. Dalga boyu, bir salınım periyodunda kat ettiği mesafedir. Geometrik olarak dalga boyu, sinüzoidal bir eğri üzerinde en yakın iki maksimum veya en yakın iki minimum arasındaki mesafedir. Bir ses dalgasının salınım uzunluğu, en yakın hava sıkıştırma alanları veya dalganın hareket ettiği boşluktaki seyrekleşmesinin en yakın yerleri arasındaki mesafedir. Genellikle belirlenir Yunan harfi λ.
5. Bir ses dalgasının yayılma hızı, dalganın sıkıştırma bölgesinin veya dalganın seyrekleşme bölgesinin birim zamanda yayıldığı mesafedir. Bu değer v harfi ile gösterilir. Bir ses dalgasının hızı için formül: v = λ*f.

Saf ses dalgasının geometrisi, yani sabit saflık dalgası, sinüsoidal bir yasaya uyar. Genel durumda, bir ses dalgasının formülü şöyledir: y = A*sin(ωt), burada y, dalganın belirli bir noktasının koordinatının değeridir, t zamandır, ω = 2*pi*f döngüsel salınım frekansı.

periyodik olmayan ses

Birçok ses kaynağı periyodik olarak kabul edilebilir, örneğin gitar, piyano, flüt gibi müzik aletlerinden gelen ses, ancak doğada periyodik olmayan çok sayıda ses de vardır, yani ses titreşimleri frekanslarını ve şekillerini değiştirir. boşlukta. Teknik olarak bu tür seslere gürültü denir. Periyodik olmayan sesin canlı örnekleri, kentsel gürültü, denizin sesi, vurmalı çalgılardan, örneğin bir davuldan gelen sesler ve diğerleridir.

Ses yayılım ortamı

Fotonlarının yayılması için herhangi bir maddi ortama ihtiyaç duymayan elektromanyetik radyasyonun aksine, sesin doğası öyledir ki, yayılması için belirli bir ortama ihtiyaç vardır, yani fizik yasalarına göre ses dalgaları boşlukta yayılamaz.

Ses gazlarda, sıvılarda ve katılarda yayılabilir. Bir ortamda yayılan bir ses dalgasının temel özellikleri şunlardır:

• dalga doğrusal olarak yayılır;
• homojen bir ortamda her yöne eşit olarak yayılır, yani ses kaynaktan uzaklaşarak ideal bir küresel yüzey oluşturur.
• sesin genliği ve frekansı ne olursa olsun, dalgaları belirli bir ortamda aynı hızda yayılır.

Çeşitli ortamlarda ses dalgalarının hızı

Sesin yayılma hızı iki ana faktöre bağlıdır: dalganın hareket ettiği ortam ve sıcaklık. Genel olarak, şu kural geçerlidir: ortam ne kadar yoğunsa ve sıcaklığı ne kadar yüksekse, ses içinde o kadar hızlı hareket eder.

Örneğin, 20 ℃ sıcaklıkta ve %50 nemde dünya yüzeyine yakın havada bir ses dalgasının yayılma hızı 1235 km/sa veya 343 m/s'dir. Suda, belirli bir sıcaklıkta ses 4,5 kat daha hızlı hareket eder, yani yaklaşık 5735 km/sa veya 1600 m/s. Ses hızının havadaki sıcaklığa bağımlılığına gelince, her santigrat derece için sıcaklıktaki artışla 0,6 m / s artar.

tını ve ton

Bir tel veya metal plakanın serbestçe titreşmesine izin verilirse, ses üretecektir. farklı frekans. Belirli bir frekansta ses çıkaran bir vücut bulmak çok nadirdir, genellikle bir nesnenin sesi belirli bir aralıkta bir dizi frekansa sahiptir.

Bir sesin tınısı, içinde bulunan harmoniklerin sayısı ve bunların yoğunlukları ile belirlenir. Tını, öznel bir değerdir, yani belirli bir kişi tarafından ses çıkaran bir nesnenin algılanmasıdır. Tını genellikle şu sıfatlarla karakterize edilir: yüksek, parlak, sesli, melodik vb.

Ton, yüksek veya alçak olarak sınıflandırılmasını sağlayan bir ses duyumudur. Bu değer de subjektiftir ve herhangi bir aletle ölçülemez. Ton, nesnel bir miktarla ilişkilidir - bir ses dalgasının frekansı, ancak aralarında kesin bir ilişki yoktur. Örneğin, sabit yoğunluklu tek frekanslı bir ses için, frekans arttıkça ton da yükselir. Sesin frekansı sabit kalır ve yoğunluğu artarsa, ton düşer.

Ses kaynaklarının şekli

Mekanik titreşimler gerçekleştiren ve dolayısıyla dalgalar oluşturan cismin şekline göre üç ana tip vardır:

1. nokta kaynağı. Küresel şekilli ses dalgaları üretir ve kaynaktan uzaklaştıkça hızla azalır (kaynağa olan uzaklık iki katına çıkarsa yaklaşık 6 dB).
2. hat kaynağı. Yoğunluğu bir nokta kaynaktan daha yavaş azalan silindirik dalgalar oluşturur (kaynağa olan mesafenin her iki katına çıkması için yoğunluk 3 dB azalır).
3. Düz veya iki boyutlu kaynak. Sadece belirli bir yönde dalgalar üretir. Böyle bir kaynağa bir örnek, bir silindir içinde hareket eden bir piston olabilir.

Elektronik ses kaynakları

Bir ses dalgası oluşturmak için elektronik kaynaklar, elektromanyetik indüksiyon olgusu nedeniyle mekanik titreşimler gerçekleştiren özel bir zar (hoparlör) kullanır. Bu tür kaynaklar şunları içerir:

• çeşitli disklerin oynatıcıları (CD, DVD ve diğerleri);
• kaset kaydediciler;
• radyo alıcıları;
• TV'ler ve diğerleri.

makalenin içeriği

SES VE AKUSTİK. Ses titreşimlerdir, yani. elastik ortamda periyodik mekanik bozulma - gaz, sıvı ve katı. Ortamda bir miktar fiziksel değişiklik olan (örneğin, yoğunluk veya basınçtaki bir değişiklik, parçacıkların yer değiştirmesi) olan böyle bir pertürbasyon, içinde bir ses dalgası şeklinde yayılır. Ses dalgalarının kaynağı, yayılımı, alımı ve işlenmesi ile ilgilenen fizik alanına akustik denir. Bir ses, frekansı insan kulağının duyarlılığının ötesindeyse veya katı gibi kulakla doğrudan teması olmayan bir ortamda yayılıyorsa veya enerjisi ortamda hızla dağılıyorsa duyulmayabilir. Bu nedenle, bizim için olağan ses algılama süreci, akustiğin sadece bir yüzüdür.

SES DALGALARI

Havayla dolu uzun bir boru düşünün. Sol uçtan, içine duvarlara sıkıca tutturulmuş bir piston sokulur (Şekil 1). Piston keskin bir şekilde sağa hareket ettirilir ve durdurulursa, yakın çevresindeki hava bir an için sıkıştırılacaktır (Şekil 1, a). Daha sonra basınçlı hava genişleyecek, yanındaki havayı sağa doğru itecek ve başlangıçta pistonun yakınında görünen sıkıştırma alanı boru boyunca sabit bir hızda hareket edecektir (Şekil 1, b). Bu sıkıştırma dalgası gazdaki ses dalgasıdır.

Bir gazdaki ses dalgası, aşırı basınç, aşırı yoğunluk, parçacıkların yer değiştirmesi ve hızları ile karakterize edilir. Ses dalgaları için denge değerlerinden bu sapmalar her zaman küçüktür. Böylece dalgayla ilişkili aşırı basınç, gazın statik basıncından çok daha azdır. Aksi takdirde, başka bir fenomenle uğraşıyoruz - bir şok dalgası. Sıradan konuşmaya karşılık gelen bir ses dalgasında, aşırı basınç, atmosfer basıncının yalnızca milyonda biri kadardır.

Maddenin ses dalgası tarafından taşınmaması önemlidir. Bir dalga, havadan geçen ve ardından havanın denge durumuna geri döndüğü geçici bir bozulmadır.

Dalga hareketi elbette sadece sese özgü değildir: ışık ve radyo sinyalleri dalgalar şeklinde hareket eder ve herkes su yüzeyindeki dalgalara aşinadır. Tüm dalga türleri matematiksel olarak dalga denklemi ile tanımlanır.

harmonik dalgalar.

Şekildeki borudaki dalga. 1'e ses darbesi denir. Piston bir yaydan asılı bir ağırlık gibi ileri geri titreştiğinde çok önemli bir dalga türü oluşur. Bu tür salınımlara basit harmonik veya sinüzoidal denir ve bu durumda uyarılan dalgaya harmonik denir.

Basit harmonik titreşimlerle hareket periyodik olarak tekrarlanır. İki özdeş hareket durumu arasındaki zaman aralığına salınım periyodu denir ve sayı tam dönemler saniyede, - salınımların sıklığı. periyodu ile gösterelim T ve frekans üzerinden f; o zaman biri yazabilir f= 1/T.Örneğin, frekans saniyede 50 periyot (50 Hz) ise, periyot saniyenin 1/50'sidir.

Matematiksel olarak basit harmonik salınımlar basit bir fonksiyonla tanımlanır. Her an için basit harmonik salınımlarla piston yer değiştirmesi tşeklinde yazılabilir

Burada d- pistonun denge konumundan yer değiştirmesi ve D miktarın maksimum değerine eşit olan sabit bir çarpandır. d ve yer değiştirme genliği olarak adlandırılır.

Pistonun harmonik salınım formülüne göre salındığını varsayalım. Daha sonra sağa hareket ettiğinde daha önce olduğu gibi sıkıştırma meydana gelir ve sola hareket ettiğinde basınç ve yoğunluk denge değerlerine göre azalacaktır. Sıkıştırma değil, gazın seyrekleşmesi var. Bu durumda, sağ, Şekil 2'de gösterildiği gibi yayılacaktır. 2, değişen bir sıkıştırma ve seyrekleşme dalgası. Zamanın her anında, borunun uzunluğu boyunca basınç dağılım eğrisi bir sinüzoid şeklinde olacak ve bu sinüzoid ses hızında sağa doğru hareket edecektir. v. Aynı dalga fazları arasındaki (örneğin, bitişik maksimumlar arasındaki) boru boyunca olan mesafeye dalga boyu denir. Genellikle Yunan harfi ile gösterilir. ben(lambda). dalga boyu ben dalganın zamanda kat ettiği mesafedir T. Bu yüzden ben = televizyon, veya v = lf.

Boyuna ve enine dalgalar.

Parçacıklar dalga yayılma yönüne paralel olarak salınım yapıyorsa, dalga boyuna olarak adlandırılır. Yayılma yönüne dik olarak salınırlarsa, dalgaya enine dalga denir. Gazlarda ve sıvılarda ses dalgaları boyunadır. Katılarda her iki türden de dalga vardır. Sertliği (şekil değişikliğine karşı direnç) nedeniyle bir katıda enine dalga mümkündür.

Bu iki dalga türü arasındaki en önemli fark, bir kesme dalgası özelliğine sahip olmasıdır. polarizasyon(salınımlar belirli bir düzlemde meydana gelir), ancak uzunlamasına olan olmaz. Sesin kristallerden yansıması ve iletilmesi gibi bazı olaylarda, tıpkı ışık dalgalarında olduğu gibi, parçacıkların yer değiştirme yönüne çok bağlıdır.

Ses dalgalarının hızı.

Sesin hızı, dalganın yayıldığı ortamın bir özelliğidir. İki faktör tarafından belirlenir: malzemenin esnekliği ve yoğunluğu. Katıların elastik özellikleri, deformasyon tipine bağlıdır. Bu nedenle, bir metal çubuğun elastik özellikleri, burulma, sıkıştırma ve eğilme sırasında aynı değildir. Ve karşılık gelen dalga salınımları farklı hızlarda yayılır.

Elastik bir ortam, burulma, sıkıştırma veya eğilme olsun, deformasyonun deformasyona neden olan kuvvetle orantılı olduğu bir ortamdır. Bu tür malzemeler Hooke yasasına tabidir:

Gerilim = Cґ Bağıl deformasyon,

nerede İTİBAREN malzemeye ve deformasyon tipine bağlı olarak elastisite modülüdür.

ses hızı v için bu türden elastik deformasyon ifadesi ile verilir

nerede r malzemenin yoğunluğudur (birim hacimdeki kütle).

Katı bir çubukta sesin hızı.

Uzun bir çubuk, ucuna uygulanan kuvvetle gerilebilir veya sıkıştırılabilir. Çubuğun uzunluğu olsun L uygulanan çekme kuvveti F, ve uzunluktaki artış D L. D değeri L/L bağıl deformasyon olarak adlandırılacak ve birim alan başına kuvvet enine kesitçubuk, - voltaj. Yani voltaj F/A, nerede ANCAK -çubuğun kesit alanı. Böyle bir çubuğa uygulandığında, Hooke yasası şu şekildedir:

nerede Y Young modülüdür, yani çubuğun malzemesini karakterize eden, çekme veya sıkıştırma için çubuğun elastisite modülü. Young modülü, kauçuk gibi kolay gerilebilir malzemeler için düşük ve çelik gibi sert malzemeler için yüksektir.

Şimdi çubuğun ucuna bir çekiçle vurarak içinde bir sıkıştırma dalgası uyandırırsak, o zaman bir hızla yayılacaktır. r, daha önce olduğu gibi, çubuğun yapıldığı malzemenin yoğunluğudur. Bazı tipik malzemeler için dalga hızlarının değerleri Tablo'da verilmiştir. bir.

Çubuktaki dikkate alınan dalga bir sıkıştırma dalgasıdır. Ancak, çubuğun yan yüzeyinin hareketi sıkıştırma ile ilişkili olduğundan, kesinlikle uzunlamasına olarak kabul edilemez (Şekil 3, a).

Çubukta başka iki tür dalga da mümkündür - bir bükülme dalgası (Şekil 3, b) ve bir burulma dalgası (Şekil 3, içinde). Eğilme deformasyonları, ne tamamen boyuna ne de tamamen enine olan bir dalgaya karşılık gelir. Burulma deformasyonları, yani çubuğun ekseni etrafında dönmesi, tamamen enine bir dalga verir.

Bir çubuktaki bükülen dalganın hızı dalga boyuna bağlıdır. Böyle bir dalgaya "dağıtıcı" denir.

Çubuktaki burulma dalgaları tamamen eninedir ve dağılmaz. Hızları formül tarafından verilir

nerede m malzemenin kaymaya göre elastik özelliklerini karakterize eden kayma modülüdür. Bazı tipik kayma dalgası hızları Tablo 1'de verilmiştir. bir.

Genişletilmiş katı ortamda hız.

Büyük hacimli katı ortamlarda, sınırların etkisinin ihmal edilebileceği iki tür elastik dalga mümkündür: boyuna ve enine.

Boyuna dalgadaki deformasyon düzlemsel bir deformasyondur, yani. dalga yayılımı yönünde tek boyutlu sıkıştırma (veya seyrekleşme). Enine bir dalgaya karşılık gelen deformasyon, dalga yayılma yönüne dik bir kayma yer değiştirmesidir.

Katı malzemelerde boyuna dalgaların hızı, ifade ile verilir.

nerede C-L- basit düzlem deformasyonu için elastisite modülü. Hacim modülü ile ilgilidir. AT(aşağıda tanımlanmıştır) ve malzemenin kesme modülü m CL = B + 4/3m . Masada. 1, çeşitli katı malzemeler için boyuna dalgaların hızlarının değerlerini gösterir.

Genişletilmiş katı ortamdaki kesme dalgalarının hızı, aynı malzemeden bir çubuktaki burulma dalgalarının hızıyla aynıdır. Bu nedenle ifadesi ile verilir. Geleneksel katı malzemeler için değerleri Tabloda verilmiştir. bir.

gazlarda hız.

Gazlarda sadece bir tür deformasyon mümkündür: sıkıştırma - seyrekleşme. Karşılık gelen elastisite modülü AT yığın modülü denir. İlişki tarafından belirlenir

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

Burada D P– basınç değişikliği, D V/V hacimdeki göreli değişimdir. Eksi işareti, basınç arttıkça hacmin azaldığını gösterir.

Değer AT sıkıştırma sırasında gazın sıcaklığının değişip değişmediğine bağlıdır. Ses dalgası durumunda, basıncın çok hızlı değiştiği ve sıkıştırma sırasında açığa çıkan ısının sistemden çıkmak için zamanı olmadığı gösterilebilir. Böylece ses dalgasındaki basınç değişikliği, çevredeki parçacıklarla ısı alışverişi olmadan gerçekleşir. Böyle bir değişikliğe adyabatik denir. Bir gazdaki sesin hızının sadece sıcaklığa bağlı olduğu tespit edilmiştir. Belirli bir sıcaklıkta, sesin hızı tüm gazlar için yaklaşık olarak aynıdır. 21.1 °C sıcaklıkta kuru havada sesin hızı 344,4 m/s'dir ve artan sıcaklıkla artar.

Sıvılarda hız.

Sıvılardaki ses dalgaları, gazlarda olduğu gibi sıkıştırma - seyrekleşme dalgalarıdır. Hız aynı formülle verilir. Bununla birlikte, bir sıvı bir gazdan çok daha az sıkıştırılabilir ve bu nedenle miktar AT, daha fazla ve yoğunluk r. Sesin sıvılardaki hızı, katılardaki hıza gazlardakinden daha yakındır. Gazlardan çok daha küçüktür ve sıcaklığa bağlıdır. Örneğin, tatlı suda hız 15.6°C'de 1460 m/s'dir. deniz suyu aynı sıcaklıkta normal tuzluluk 1504 m/s'dir. Artan su sıcaklığı ve tuz konsantrasyonu ile sesin hızı artar.

duran dalgalar

Harmonik bir dalga sınırlı bir alanda uyarıldığında sınırların dışına sektiğinde, duran dalgalar meydana gelir. Duran dalga, biri ileri, diğeri zıt yönde hareket eden iki dalganın üst üste binmesinin sonucudur. Değişen antinodlar ve düğümler ile uzayda hareket etmeyen bir salınım modeli vardır. Antinodlarda, salınan parçacıkların denge konumlarından sapmaları maksimumdur ve düğümlerde sıfıra eşittir.

Bir ipte duran dalgalar.

Gerilmiş bir ipte, enine dalgalar, ve dize orijinal, doğrusal konumuna göre yer değiştirir. Bir dizideki dalgaları fotoğraflarken, temel ton ve imaların düğümleri ve antinodları açıkça görülebilir.

Duran dalgaların resmi, belirli bir uzunluktaki bir dizinin salınım hareketlerinin analizini büyük ölçüde kolaylaştırır. Bir uzunluk dizisi olsun L uçlarına takılır. Böyle bir sicimin her türlü titreşimi, duran dalgaların bir kombinasyonu olarak gösterilebilir. İpin uçları sabit olduğundan, yalnızca sınır noktalarında düğümleri olan bu tür durağan dalgalar mümkündür. Bir dizinin en düşük titreşim frekansı, mümkün olan maksimum dalga boyuna karşılık gelir. Düğümler arası uzaklık olduğundan ben/2, dizi uzunluğu dalga boyunun yarısına eşit olduğunda frekans minimumdur, yani. de ben= 2L. Bu, sicim titreşiminin sözde temel modudur. Temel frekans veya temel ton olarak adlandırılan karşılık gelen frekansı şu şekilde verilir: f = v/2L, nerede v sicim boyunca dalga yayılma hızıdır.

Daha fazla düğüme sahip duran dalgalara karşılık gelen bir dizi daha yüksek frekanslı salınım dizisi vardır. İkinci harmonik veya birinci ton olarak adlandırılan bir sonraki yüksek frekans,

f = v/L.

Harmonik dizisi formülle ifade edilir. f = nv/2L, nerede n= 1, 2, 3, vb. Bu sözde. sicim titreşimlerinin öz frekansları. Doğal sayılarla orantılı olarak artarlar: 2, 3, 4...vb'de daha yüksek harmonikler. temel frekansın çarpımıdır. Böyle bir dizi sese doğal veya harmonik ölçek denir.

Bütün bunlar, aşağıda daha ayrıntılı olarak tartışılacak olan müzik akustiğinde büyük önem taşımaktadır. Şimdilik, bir dize tarafından üretilen sesin tüm doğal frekansları içerdiğini not ediyoruz. Her birinin göreceli katkısı, sicimin titreşimlerinin uyarıldığı noktaya bağlıdır. Örneğin, bir dize ortasından koparılırsa, bu nokta antinoda karşılık geldiğinden, temel frekans en çok uyarılacaktır. Düğümü merkezde olduğu için ikinci harmonik olmayacaktır. Aynısı diğer harmonikler için de söylenebilir ( aşağıya bakınız müzik akustiği).

İpteki dalgaların hızı,

nerede T - ip gerginliği ve rL - dizenin birim uzunluğu başına kütle. Bu nedenle, dizenin doğal frekans spektrumu şu şekilde verilir:

Böylece, tel gerilimindeki bir artış, titreşim frekanslarında bir artışa yol açar. Belirli bir salınım frekansını düşürmek için T daha ağır bir ip alarak (büyük r L) veya uzunluğunu artırmak.

Organ borularında duran dalgalar.

Bir iple ilgili olarak belirtilen teori, organ tipi bir borudaki hava titreşimlerine de uygulanabilir. Bir organ borusu, basitçe, içinde duran dalgaların uyarıldığı düz bir boru olarak görülebilir. Borunun hem kapalı hem de açık uçları olabilir. Açık uçta duran dalganın bir antinodu ve kapalı uçta bir düğüm oluşur. Bu nedenle, iki ucu açık olan bir borunun, dalga boyunun yarısının borunun uzunluğu boyunca uyduğu bir temel frekans vardır. Öte yandan, bir ucu açık ve diğer ucu kapalı olan bir boru, dalga boyunun dörtte birinin borunun uzunluğu boyunca uyduğu temel bir frekansa sahiptir. Böylece, her iki ucu açık olan bir borunun temel frekansı, f =v/2L ve bir ucu açık olan bir boru için, f = v/4L(nerede L borunun uzunluğudur). İlk durumda, sonuç dizeyle aynıdır: imalar ikili, üçlü vb. temel frekansın değeri. Bununla birlikte, bir ucu açık olan bir boru için, tonlar temel frekanstan 3, 5, 7, vb. daha büyük olacaktır. bir Zamanlar.

Şek. Şekil 4 ve 5, ele alınan iki tipteki borular için temel frekansın duran dalgalarını ve birinci tonunu şematik olarak göstermektedir. Kolaylık nedeniyle, ötelemeler burada enine olarak gösterilmiştir, ancak aslında uzunlamasınadırlar.

rezonans salınımları.

Duran dalgalar, rezonans fenomeni ile yakından ilişkilidir. Yukarıda tartışılan doğal frekanslar aynı zamanda bir sicim veya organ borusunun rezonans frekanslarıdır. Bir org borusunun açık ucunun yakınına bir hoparlörün yerleştirildiğini ve istendiğinde değiştirilebilen belirli bir frekansta bir sinyal yaydığını varsayalım. Daha sonra, hoparlör sinyalinin frekansı borunun ana frekansıyla veya onun üst tonlarından biriyle çakışıyorsa, boru çok yüksek ses çıkaracaktır. Bunun nedeni, hoparlörün hava sütununun titreşimlerini önemli bir genlikle uyarmasıdır. Trompetin bu koşullar altında rezonansa girdiği söylenir.

Fourier analizi ve sesin frekans spektrumu.

Uygulamada, tek bir frekansın ses dalgaları nadirdir. Ancak karmaşık ses dalgaları harmoniklere ayrıştırılabilir. Bu yönteme, (ısı teorisinde) ilk uygulayan Fransız matematikçi J. Fourier'den (1768-1830) dolayı Fourier analizi adı verilir.

Ses titreşimlerinin frekansa karşı bağıl enerjisinin grafiğine sesin frekans spektrumu denir. Bu tür spektrumların iki ana türü vardır: ayrık ve sürekli. Ayrık spektrum, boşluklarla ayrılmış frekanslar için ayrı hatlardan oluşur. Tüm frekanslar, bandındaki sürekli spektrumda bulunur.

Periyodik ses titreşimleri.

Titreşim süreci, ne kadar karmaşık olursa olsun, belirli bir zaman aralığından sonra tekrarlanıyorsa, ses titreşimleri periyodiktir. Spektrumu her zaman kesiklidir ve belirli bir frekansın harmoniklerinden oluşur. Dolayısıyla "harmonik analiz" terimi. Bir örnek, dikdörtgen salınımlardır (Şekil 6, a) genlikte bir değişiklik ile +Aönceki - ANCAK ve dönem T= 1/f. Başka bir basit örnek, Şekil 2'de gösterilen üçgen testere dişi salınımıdır. 6, b. Karşılık gelen harmonik bileşenlerle daha karmaşık bir formun periyodik salınımlarının bir örneği, Şek. 7.

Müzikal sesler periyodik titreşimlerdir ve bu nedenle harmonikler (tonlar) içerirler. Bir dizide, temel frekansın salınımları ile birlikte, diğer harmoniklerin bir dereceye kadar uyarıldığını gördük. Her bir tonun göreceli katkısı, telin uyarılma şekline bağlıdır. Tonlar kümesi büyük ölçüde tarafından belirlenir tını müzikal ses. Bu konular aşağıda müzik akustiği bölümünde daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.

Bir ses darbesinin spektrumu.

Sesin olağan çeşitliliği kısa süreli seslerdir: el çırpma, kapıya vurma, yere düşen bir nesnenin sesi, guguk kuşu. Bu tür sesler ne periyodik ne de müzikaldir. Ama aynı zamanda bir frekans spektrumuna da ayrılabilirler. Bu durumda, spektrum sürekli olacaktır: sesi tanımlamak için, oldukça geniş olabilen belirli bir bant içinde tüm frekanslara ihtiyaç vardır. İlgili elektronik sistemin tüm bu frekansları eşit derecede “geçmesi” gerektiğinden, bu tür sesleri bozulma olmadan yeniden üretmek için böyle bir frekans spektrumunu bilmek gereklidir.

Bir ses darbesinin temel özellikleri, basit bir biçim darbesi dikkate alınarak açıklanabilir. Sesin D süresinin bir salınımı olduğunu varsayalım. t, basınçtaki değişikliğin Şekil 2'de gösterildiği gibi olduğu. sekiz, a. Bu durum için yaklaşık bir frekans spektrumu Şekil 2'de gösterilmektedir. sekiz, b. Merkez frekansı, aynı sinyal süresiz olarak uzatılsaydı sahip olacağımız titreşimlere karşılık gelir.

Frekans spektrumunun uzunluğuna bant genişliği D denir. f(Şek. 8, b). Bant genişliği, orijinal darbeyi aşırı bozulma olmadan yeniden üretmek için gereken yaklaşık frekans aralığıdır. D arasında çok basit bir temel ilişki vardır. f ve D t, yani

D f D t" bir.

Bu ilişki tüm ses darbeleri için geçerlidir. Bunun anlamı, darbe ne kadar kısa olursa, içerdiği frekans o kadar fazla olur. Bir denizaltıyı tespit etmek için bir sonar kullanıldığını, 0,0005 s süreli ve 30 kHz sinyal frekansında bir darbe şeklinde ultrason yayan olduğunu varsayalım. Bant genişliği 1/0.0005 = 2 kHz'dir ve konum belirleme darbesinin spektrumunda fiilen bulunan frekanslar 29 ila 31 kHz aralığındadır.

Gürültü.

Gürültü, koordine olmayan birden çok kaynak tarafından üretilen herhangi bir sesi ifade eder. Bir örnek, rüzgar tarafından sallanan ağaç yapraklarının sesidir. Jet motoru gürültüsü, yüksek hızlı egzoz akımının türbülansından kaynaklanır. Gürültü, rahatsız edici bir ses olarak kabul edilir. ÇEVRE AKUSTİK KİRLİLİĞİ.

Ses yoğunluğu.

Ses seviyesi değişebilir. Bunun ses dalgasının taşıdığı enerjiden kaynaklandığını görmek kolaydır. Ses yüksekliğinin nicel karşılaştırmaları için ses şiddeti kavramını tanıtmak gerekir. Bir ses dalgasının yoğunluğu, dalga cephesinin birim alanından birim zamanda geçen ortalama enerji akışı olarak tanımlanır. Başka bir deyişle, sesi tamamen emecek tek bir alan (örneğin 1 cm2) alır ve onu dalga yayılma yönüne dik olarak yerleştirirsek, ses şiddeti bir saniyede emilen akustik enerjiye eşittir. . Yoğunluk genellikle W/cm2 (veya W/m2) olarak ifade edilir.

Bazı tanıdık sesler için bu değerin değerini veriyoruz. Normal bir konuşma sırasında meydana gelen aşırı basıncın genliği, yaklaşık olarak atmosfer basıncının milyonda biridir ve bu, 10-9 W/cm2 mertebesinde bir akustik ses yoğunluğuna karşılık gelir. Normal bir konuşma sırasında yayılan sesin toplam gücü yalnızca 0,00001 watt düzeyindedir. İnsan kulağının bu kadar küçük enerjileri algılama yeteneği, inanılmaz duyarlılığına tanıklık eder.

Kulağımız tarafından algılanan ses şiddeti aralığı çok geniştir. Kulağın taşıyabileceği en yüksek sesin yoğunluğu, duyabileceği minimum sesin yaklaşık 1014 katıdır. Ses kaynaklarının tam gücü eşit derecede geniş bir aralığı kapsar. Bu nedenle, çok sessiz bir fısıltı sırasında yayılan güç 10–9 W mertebesinde olabilirken, bir jet motorunun yaydığı güç 10–5 W'a ulaşır. Yine, yoğunluklar 10 14 faktörü ile farklılık gösterir.

Desibel.

Seslerin şiddeti çok farklı olduğu için logaritmik bir değer olarak düşünmek ve desibel cinsinden ölçmek daha uygundur. Yoğunluğun logaritmik değeri, miktarın dikkate alınan değerinin orijinal olarak alınan değerine oranının logaritmasıdır. yoğunluk seviyesi J koşullu olarak seçilen bazı yoğunluklara göre J 0

Ses şiddeti seviyesi = 10 lg ( J/J 0) dB.

Böylece, diğerinden 20 dB daha yoğun olan bir ses, 100 kat daha yoğundur.

Akustik ölçüm uygulamalarında, ses yoğunluğunu karşılık gelen aşırı basınç genliği cinsinden ifade etmek gelenekseldir. P e. Basınç, geleneksel olarak seçilen bazı basınca göre desibel cinsinden ölçüldüğünde R 0 , sözde ses basıncı seviyesini alın. Ses şiddeti büyüklükle orantılı olduğundan P e 2 ve lg( P e 2) = 2lg P e, ses basınç seviyesi şu şekilde belirlenir:

Ses basınç seviyesi = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Nominal basınç R 0 = 2×10–5 Pa, 1 kHz frekanslı ses için standart işitme eşiğine karşılık gelir. Masada. 2, bazı yaygın ses kaynakları için ses basıncı seviyelerini gösterir. Bunlar, tüm duyulabilir frekans aralığının ortalaması alınarak elde edilen integral değerlerdir.

Ses.

Ses basıncı seviyesi sadece psikolojik algı Ses. Bu faktörlerden birincisi nesnel, ikincisi ise özneldir. Deneyler, ses yüksekliğinin algılanmasının sadece sesin yoğunluğuna değil, aynı zamanda frekansına ve deneysel koşullara da bağlı olduğunu göstermektedir.

Karşılaştırma koşullarına bağlı olmayan seslerin hacimleri karşılaştırılamaz. Yine de saf tonların karşılaştırılması ilgi çekicidir. Bunu yapmak için, belirli bir tonun 1000 Hz frekanslı standart bir ton olarak eşit derecede yüksek olarak algılandığı ses basınç seviyesini belirleyin. Şek. Şekil 9, Fletcher ve Manson'ın deneylerinde elde edilen eşit ses yüksekliği eğrilerini göstermektedir. Her eğri için, 1000 Hz'lik standart bir tonun karşılık gelen ses basıncı seviyesi belirtilir. Örneğin, 200 Hz'lik bir ton frekansında, 50 dB'lik bir ses basınç seviyesi ile 1000 Hz'lik bir tona eşit olarak algılanabilmesi için 60 dB'lik bir ses seviyesinin algılanması gerekir.

Bu eğriler, aynı zamanda desibel cinsinden ölçülen bir ses yüksekliği birimi olan uğultuyu tanımlamak için kullanılır. Arka plan, eşit derecede yüksek standart saf tonun (1000 Hz) ses basınç seviyesinin 1 dB olduğu ses seviyesidir. Yani 60 dB seviyesinde 200 Hz frekanslı bir sesin ses seviyesi 50 fondur.

Şek. 9, iyi bir kulağın işitme eşiği eğrisidir. İşitilebilir frekans aralığı yaklaşık 20 ila 20.000 Hz arasındadır.

Ses dalgalarının yayılması.

Durgun suya atılan bir çakıl taşından gelen dalgalar gibi, ses dalgaları da her yöne yayılır. Böyle bir yayılma sürecini dalga cephesi olarak karakterize etmek uygundur. Dalga cephesi, tüm noktalarında salınımların aynı fazda meydana geldiği uzayda bir yüzeydir. Suya düşen bir çakıl taşının dalga cepheleri dairelerdir.

Düz dalgalar.

En basit formun dalga cephesi düzdür. Düzlem dalga yalnızca bir yönde yayılır ve pratikte yalnızca yaklaşık olarak gerçekleşen bir idealleştirmedir. Bir borudaki ses dalgası, kaynaktan çok uzaktaki küresel bir dalga gibi yaklaşık olarak düz olarak kabul edilebilir.

küresel dalgalar.

Basit dalga türleri, bir noktadan yayılan ve her yöne yayılan küresel bir cepheye sahip bir dalgayı içerir. Böyle bir dalga, küçük bir titreşimli küre kullanılarak uyarılabilir. Küresel bir dalgayı harekete geçiren kaynağa nokta kaynak denir. Böyle bir dalganın yoğunluğu yayılırken azalır, çünkü enerji her zamankinden daha büyük yarıçaplı bir küre üzerine dağılır.

Küresel bir dalga üreten bir nokta kaynak 4'lük bir güç yayarsa p Q, o zaman, yarıçaplı bir kürenin yüzey alanı r 4'e eşittir p r 2, küresel bir dalgadaki ses yoğunluğu şuna eşittir:

J = Q/r 2 ,

nerede r kaynaktan olan uzaklıktır. Böylece, küresel bir dalganın yoğunluğu, kaynaktan uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak azalır.

Yayılması sırasında herhangi bir ses dalgasının yoğunluğu, sesin emilmesi nedeniyle azalır. Bu fenomen aşağıda tartışılacaktır.

Huygens ilkesi.

Huygens ilkesi, dalga ön yayılımı için geçerlidir. Bunu açıklığa kavuşturmak için, zamanın bir noktasında bildiğimiz dalga cephesinin şeklini ele alalım. Bir süre sonra bile bulunabilir D t, eğer ilk dalga cephesinin her noktası, bu aralıkta belirli bir mesafeye yayılan bir temel küresel dalganın kaynağı olarak kabul edilirse v D t. Tüm bu temel küresel dalga cephelerinin zarfı yeni dalga cephesi olacaktır. Huygens ilkesi, yayılma süreci boyunca dalga cephesinin şeklini belirlemeyi mümkün kılar. Aynı zamanda, hem düzlem hem de küresel dalgaların, ortamın homojen olması koşuluyla, yayılma sırasında geometrilerini koruduklarını ima eder.

ses kırınımı.

Kırınım, bir engelin etrafında bükülen dalgadır. Kırınım, Huygens ilkesi kullanılarak analiz edilir. Bu bükülmenin derecesi, dalga boyu ile engel veya deliğin boyutu arasındaki ilişkiye bağlıdır. Bir ses dalgasının dalga boyu ışığın dalga boyundan çok daha uzun olduğu için, ses dalgalarının kırınımı bizi ışığın kırınımından daha az şaşırtıyor. Böylece, görünmese de binanın köşesinde duran biriyle konuşabilirsiniz. Ses dalgası köşede kolayca bükülürken, ışık dalga boyunun küçüklüğü nedeniyle keskin gölgeler oluşturur.

Bir deliği olan düz bir ekran üzerinde bir düzlem ses dalgası olayının kırınımını düşünün. Ekranın diğer tarafındaki dalga cephesinin şeklini belirlemek için dalga boyu arasındaki ilişkiyi bilmeniz gerekir. ben ve delik çapı D. Bu değerler yaklaşık olarak aynıysa veya bençok daha fazla D, sonra tam kırınım elde edilir: giden dalganın dalga önü küresel olacak ve dalga ekranın arkasındaki tüm noktalara ulaşacaktır. Eğer ben biraz daha az D, o zaman giden dalga ağırlıklı olarak ileri yönde yayılacaktır. Ve son olarak, eğer ben daha az D, o zaman tüm enerjisi düz bir çizgide yayılacaktır. Bu durumlar Şekil 2 de gösterilmiştir. on.

Kırınım, ses yolunda bir engel olduğunda da gözlenir. Engelin boyutları dalga boyundan çok daha büyükse ses yansıtılır ve engelin arkasında akustik bir gölge bölgesi oluşur. Engelin boyutu dalga boyuna yakın veya ondan daha küçük olduğunda, ses bir dereceye kadar tüm yönlerde kırılır. Bu, mimari akustikte dikkate alınır. Bu nedenle, örneğin, bazen bir binanın duvarları, sesin dalga boyu sırasına göre boyutlara sahip çıkıntılarla kaplanır. (100 Hz frekansında havadaki dalga boyu yaklaşık 3,5 m'dir.) Bu durumda duvarlara düşen ses her yöne saçılır. Mimari akustikte bu fenomene ses difüzyonu denir.

Sesin yansıması ve iletimi.

Bir ortamda hareket eden bir ses dalgası, başka bir ortamla olan arayüze çarptığında, aynı anda üç işlem meydana gelebilir. Dalga arayüzden yansıyabilir, yön değiştirmeden başka bir ortama geçebilir veya arayüzde yön değiştirebilir, yani. kırmak. Şek. Şekil 11, iki farklı maddeyi ayıran düz bir yüzeye bir düzlem dalganın dik açılarla geldiği en basit durumu göstermektedir. Yansıyan enerjinin oranını belirleyen yoğunluk yansıma katsayısı, R, o zaman iletim katsayısı şuna eşit olacaktır: T = 1 – R.

Bir ses dalgası için, aşırı basıncın titreşimsel hacimsel hıza oranına akustik empedans denir. Yansıma ve iletim katsayıları, iki ortamın dalga empedanslarının oranına bağlıdır, dalga empedansları ise akustik empedanslarla orantılıdır. Gazların dalga direnci, sıvıların ve katılarınkinden çok daha azdır. Yani havadaki bir dalga kalın, katı bir cisme veya derin su yüzeyine çarparsa, ses neredeyse tamamen yansıtılır. Örneğin hava ve su sınırı için dalga dirençlerinin oranı 0.0003'tür. Buna göre havadan suya geçen sesin enerjisi, gelen enerjinin sadece %0,12'sine eşittir. Yansıma ve iletim katsayıları tersine çevrilebilir: yansıma katsayısı, ters yönde iletim katsayısıdır. Bu nedenle, ses pratik olarak havadan su havzasına veya suyun altından dışarıya, su altında yüzen herkes tarafından iyi bilinen şekilde nüfuz etmez.

Yukarıda ele alınan yansıma durumunda, dalga yayılımı yönünde ikinci ortamın kalınlığının büyük olduğu varsayılmıştır. Ancak, ikinci ortam, odalar arasında katı bir bölme gibi iki özdeş ortamı ayıran bir duvar ise, iletim katsayısı çok daha büyük olacaktır. Gerçek şu ki, duvar kalınlığı genellikle sesin dalga boyundan daha az veya onunla karşılaştırılabilir. Duvar kalınlığı, duvardaki ses dalga boyunun yarısının katıysa, dikey gelişteki dalganın iletim katsayısı çok büyüktür. Bölme, burada ihmal ettiğimiz absorpsiyon için olmasaydı, bu frekansın sesine kesinlikle şeffaf olurdu. Duvar kalınlığı, içindeki sesin dalga boyundan çok daha azsa, ses emilimini artırmak için özel önlemler alınmadıkça, yansıma her zaman küçüktür ve iletim büyüktür.

sesin kırılması.

Bir ara yüzeyde bir açıyla bir düzlem ses dalgası geldiğinde, yansıma açısı açıya eşit sonbahar. Geliş açısı 90°'den farklıysa iletilen dalga gelen dalganın yönünden sapar. Dalganın yönündeki bu değişime kırılma denir. Düz bir sınırda kırılma geometrisi Şekil 'de gösterilmektedir. 12. Dalgaların yönü ile yüzeyin normali arasındaki açılar gösterilir. q 1 olay dalgası için ve q 2 - kırılmış geçmiş için. Bu iki açı arasındaki ilişki, yalnızca iki ortam için ses hızlarının oranını içerir. Işık dalgalarında olduğu gibi, bu açılar Snell (Snell) yasası ile birbirleriyle ilişkilidir:

Buna göre, sesin ikinci ortamdaki hızı birinci ortamdaki hızından küçükse kırılma açısı gelme açısından küçük, ikinci ortamdaki hız daha büyükse kırılma açısı daha büyük olacaktır. gelme açısından daha fazladır.

Sıcaklık gradyanı nedeniyle kırılma.

Homojen olmayan bir ortamda sesin hızı noktadan noktaya sürekli değişiyorsa, kırılma da değişir. Sesin hem havadaki hem de sudaki hızı sıcaklığa bağlı olduğundan, bir sıcaklık gradyanı varlığında ses dalgaları hareket yönünü değiştirebilir. Atmosferde ve okyanusta, yatay tabakalaşma nedeniyle, dikey sıcaklık gradyanları yaygın olarak gözlenir. Bu nedenle, düşey boyunca ses hızındaki değişiklikler nedeniyle, sıcaklık gradyanları nedeniyle ses dalgası yukarı veya aşağı sapabilir.

Dünya yüzeyine yakın bir yerde havanın daha yüksek katmanlardan daha sıcak olduğu durumu ele alalım. Daha sonra yükseklik arttıkça buradaki hava sıcaklığı düşer ve bununla birlikte ses hızı da düşer. Dünya yüzeyine yakın bir kaynaktan yayılan ses, kırılma nedeniyle yükselir. Bu, şekilde gösterilmiştir. Ses "ışınlarını" gösteren 13.

Şekil l'de gösterilen ses ışınlarının sapması. 13, içinde Genel form Snell kanunu ile tanımlanır. eğer aracılığıyla q, daha önce olduğu gibi, dikey ve radyasyon yönü arasındaki açıyı belirtir, daha sonra genelleştirilmiş Snell yasası eşitlik günahı biçimine sahiptir. q/v= kirişin herhangi bir noktasına atıfta bulunan const. Böylece kiriş hızın olduğu bölgeye geçerse v azalır, sonra açı q da azalmalıdır. Bu nedenle, ses ışınları daima azalan ses hızı yönünde sapar.

Şek. 13 Kaynaktan biraz uzakta, ses ışınlarının hiç girmediği bir bölge olduğu görülmektedir. Bu sözde sessizlik bölgesidir.

Şekilde gösterilenden daha yüksek bir yerde olması oldukça olasıdır. 13, sıcaklık gradyanı nedeniyle sesin hızı yükseklikle artar. Bu durumda, başlangıçta yukarı doğru sapan ses dalgası, burada Dünya yüzeyine sapacaktır. uzak. Bu, atmosferde bir sıcaklık inversiyon tabakası oluştuğunda meydana gelir. olası resepsiyon ultra uzun ses sinyalleri. Aynı zamanda, uzak noktalardaki alım kalitesi, yakın noktalardan bile daha iyidir. Tarihte çok uzun menzilli alımların birçok örneği olmuştur. Örneğin, Birinci Dünya Savaşı sırasında, atmosferik koşullar yeterli ses kırılmasını desteklediğinde, İngiltere'de Fransız cephesinde top sesleri duyulabilirdi.

Su altında sesin kırılması.

Okyanusta dikey sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan ses kırılması da gözlenir. Sıcaklık ve dolayısıyla sesin hızı derinlikle azalırsa, ses ışınları aşağı doğru sapar ve Şekil l'de gösterilene benzer bir sessizlik bölgesi ile sonuçlanır. Atmosfer için 13. Okyanus için, bu resim basitçe ters çevrilirse, ilgili resim ortaya çıkacaktır.

Sessiz bölgelerin varlığı, sonarlı denizaltıları tespit etmeyi zorlaştırır ve ses dalgalarını aşağı doğru saptıran kırılma, yüzeye yakın yayılma aralıklarını önemli ölçüde sınırlar. Bununla birlikte, yukarı doğru sapma da gözlenmektedir. Daha fazlasını yaratabilir uygun koşullar hidrolokasyon için.

Ses dalgalarının girişimi.

İki veya daha fazla dalganın üst üste gelmesine dalga girişimi denir.

Girişim sonucu duran dalgalar.

Yukarıdaki duran dalgalar özel durum parazit yapmak. Duran dalgalar, aynı genlik, faz ve frekansa sahip, zıt yönlerde yayılan iki dalganın üst üste binmesi sonucu oluşur.

Duran bir dalganın antinodlarındaki genlik, her bir dalganın genliğinin iki katına eşittir. Dalganın yoğunluğu, genliğinin karesiyle orantılı olduğundan, bu, antinodlardaki yoğunluğun, dalgaların her birinin yoğunluğundan 4 kat veya iki dalganın toplam yoğunluğundan 2 kat daha büyük olduğu anlamına gelir. Düğümlerde yoğunluk sıfır olduğu için burada enerjinin korunumu yasasının ihlali yoktur.

yener.

Farklı frekanslardaki harmonik dalgaların girişimi de mümkündür. İki frekans çok az farklılık gösterdiğinde, atımlar meydana gelir. Vuruşlar, orijinal frekanslar arasındaki farka eşit bir frekansta meydana gelen sesin genliğinde meydana gelen değişikliklerdir. Şek. 14 vuruş dalga biçimini gösterir.

Vuruş frekansının, sesin genlik modülasyonunun frekansı olduğu akılda tutulmalıdır. Ayrıca vuruşlar, harmonik bir sinyalin bozulmasından kaynaklanan frekans farkı ile karıştırılmamalıdır.

Vuruşlar genellikle iki tonu birlikte akort ederken kullanılır. Frekans, vuruşlar artık duyulmayıncaya kadar ayarlanır. Vuruş frekansı çok düşük olsa bile, insan kulağı sesin hacmindeki periyodik yükselme ve alçalışları algılayabilir. Bu nedenle vuruşlar, ses aralığında çok hassas bir ayarlama yöntemidir. Ayar doğru değilse, bir saniyedeki atım sayısı sayılarak frekans farkı kulak tarafından belirlenebilir. Müzikte, daha yüksek harmonik bileşenlerin vuruşları, piyano akort edilirken kullanılan kulak tarafından da algılanır.

Ses dalgalarının emilimi.

Ses dalgalarının yayılma sürecindeki yoğunluğu, akustik enerjinin belirli bir kısmının saçılması nedeniyle her zaman azalır. Isı transferi, moleküller arası etkileşim ve iç sürtünme süreçleri nedeniyle ses dalgaları herhangi bir ortamda emilir. Absorpsiyonun yoğunluğu, ses dalgasının frekansına ve ortamın basıncı ve sıcaklığı gibi diğer faktörlere bağlıdır.

Bir ortamdaki bir dalganın absorpsiyonu, absorpsiyon katsayısı ile nicel olarak karakterize edilir. a. Yayılan dalganın kat ettiği mesafeye bağlı olarak aşırı basıncın ne kadar hızlı azaldığını gösterir. Azalan aşırı basınç genliği –D P e D mesafesini geçerken X ilk aşırı basıncın genliği ile orantılı P e ve mesafe D X. Böylece,

-D P e = bir P e D x.

Örneğin, soğurma kaybının 1 dB/m olduğunu söylediğimizde bu, 50 m mesafede ses basınç seviyesinin 50 dB azaldığı anlamına gelir.

İç sürtünme ve ısı iletimi nedeniyle soğurma.

Bir ses dalgasının yayılmasıyla ilişkili parçacıkların hareketi sırasında, ortamın farklı parçacıkları arasındaki sürtünme kaçınılmazdır. Sıvılarda ve gazlarda bu sürtünmeye viskozite denir. Akustik dalga enerjisinin ısıya geri dönüşümsüz dönüşümünü belirleyen viskozite, gazlarda ve sıvılarda sesin absorplanmasının ana nedenidir.

Ayrıca gazlarda ve sıvılarda absorpsiyon, dalgadaki sıkıştırma sırasındaki ısı kaybından kaynaklanmaktadır. Dalga geçişi sırasında sıkıştırma aşamasındaki gazın ısındığını daha önce söylemiştik. Bu hızlı akan süreçte, ısının genellikle gazın diğer bölgelerine veya kabın duvarlarına iletilmesi için zamanı yoktur. Ama gerçekte bu süreç ideal değildir ve salınan termal enerjinin bir kısmı sistemden ayrılır. Bununla ilişkili olarak, ısı iletimi nedeniyle ses emilimi söz konusudur. Bu tür absorpsiyon gazlarda, sıvılarda ve katılarda sıkıştırma dalgalarında meydana gelir.

Hem viskozite hem de termal iletkenlik nedeniyle ses emilimi genellikle frekansın karesi ile artar. Böylece, yüksek frekanslı sesler, düşük frekanslı seslerden çok daha güçlü bir şekilde emilir. Örneğin, normal basınç ve sıcaklıkta, havada 5 kHz frekansında absorpsiyon katsayısı (her iki mekanizma nedeniyle) yaklaşık 3 dB/km'dir. Absorpsiyon frekansın karesi ile orantılı olduğundan, 50 kHz'de absorpsiyon katsayısı 300 dB/km'dir.

Katılarda absorpsiyon.

Gazlarda ve sıvılarda meydana gelen ısıl iletkenlik ve viskozite nedeniyle ses yutma mekanizması katılarda da korunur. Ancak burada buna yeni absorpsiyon mekanizmaları eklenir. Katıların yapısındaki kusurlarla ilişkilidirler. Buradaki nokta, polikristal katı malzemelerin küçük kristalitlerden oluşmasıdır; ses içlerinden geçtiğinde, ses enerjisinin emilmesine yol açan deformasyonlar meydana gelir. Ses ayrıca kristalitlerin sınırlarında da saçılır. Ek olarak, tek kristaller bile ses absorpsiyonuna katkıda bulunan dislokasyon tipi kusurlar içerir. Dislokasyonlar, atom düzlemlerinin koordinasyonunun ihlalidir. Ses dalgası atomların titreşmesine neden olduğunda, dislokasyonlar hareket eder ve daha sonra iç sürtünme nedeniyle enerjiyi dağıtarak orijinal konumlarına dönerler.

Dislokasyonlardan kaynaklanan absorpsiyon, özellikle kurşun zilin neden çalmadığını açıklar. Kurşun, çok fazla çıkığı olan yumuşak bir metaldir ve bu nedenle içindeki ses titreşimleri son derece hızlı bir şekilde bozulur. Ancak sıvı hava ile soğutulursa iyi çalacaktır. saat Düşük sıcaklıkçıkıklar sabit bir konumda "dondurulur" ve bu nedenle hareket etmezler ve ses enerjisini ısıya dönüştürmezler.

MÜZİK AKUSTİĞİ

Müzikal sesler.

Müzik akustiği, müzikal seslerin özelliklerini, onları nasıl algıladığımızla ilgili özelliklerini ve müzik aletlerinin ses mekanizmalarını inceler.

Müzikal ses veya ton periyodik bir sestir, yani. belirli bir süre sonra tekrar tekrar tekrarlayan dalgalanmalar. Yukarıda, periyodik sesin, temel frekansın katları olan frekanslarla salınımların toplamı olarak temsil edilebileceği söylendi. f: 2f, 3f, 4f vb. Ayrıca titreşen tellerin ve hava sütunlarının yaydığı not edildi. müzikal sesler.

Müzikal sesler üç özellik ile ayırt edilir: gürlük, perde ve tını. Tüm bu göstergeler özneldir, ancak ölçülen değerlerle ilişkilendirilebilirler. Yükseklik esas olarak sesin yoğunluğu ile ilgilidir; müzik sistemindeki konumunu karakterize eden sesin perdesi, tonun frekansı ile belirlenir; Bir enstrümanın veya sesin diğerinden farklı olduğu tını, enerjinin harmonikler üzerindeki dağılımı ve bu dağılımın zaman içindeki değişimi ile karakterize edilir.

Ses perdesi.

Bir müzikal sesin perdesi, frekansla yakından ilişkilidir, ancak perdenin değerlendirilmesi öznel olduğundan, onunla aynı değildir.

Bu nedenle, örneğin, tek frekanslı bir sesin perdesinin tahmininin bir şekilde ses yüksekliğine bağlı olduğu bulundu. Hacimdeki önemli bir artışla, örneğin 40 dB ile, görünen frekans %10 oranında azalabilir. Pratikte, yüksekliğe olan bu bağımlılık önemli değildir, çünkü müzikal sesler tek frekanslı sesten çok daha karmaşıktır.

Perde ve frekans arasındaki ilişki sorusunda, daha önemli bir şey daha var: Müzikal sesler harmoniklerden oluşuyorsa, algılanan perde hangi frekansla ilişkilendirilir? Bunun, spektrumdaki en düşük frekans değil, maksimum enerjiye karşılık gelen frekans olmayabileceği ortaya çıktı. Örneğin, 200, 300, 400 ve 500 Hz'lik bir dizi frekanstan oluşan bir müzik sesi, 100 Hz yüksekliğinde bir ses olarak algılanır. Yani perde, ses spektrumunda olmasa bile harmonik serinin temel frekansı ile ilişkilidir. Doğru, çoğu zaman temel frekans, spektrumda bir dereceye kadar mevcuttur.

Bir sesin perdesi ile frekansı arasındaki ilişkiden bahsetmişken, özellikleri de unutmamak gerekir. insan organı işitme. Bu, kendi bozulmalarını ortaya çıkaran özel bir akustik alıcıdır (duymanın psikolojik ve öznel yönleri olduğu gerçeğinden bahsetmiyorum bile). Kulak bazı frekansları seçebilir, ayrıca ses dalgası içinde doğrusal olmayan bozulmalara uğrar. Frekans seçiciliği, sesin yüksekliği ile yoğunluğu arasındaki farktan kaynaklanmaktadır (Şekil 9). Orijinal sinyalde bulunmayan frekansların görünümünde ifade edilen doğrusal olmayan bozulmaları açıklamak daha zordur. Kulak reaksiyonunun doğrusal olmaması, çeşitli elemanlarının hareketinin asimetrisinden kaynaklanmaktadır.

Doğrusal olmayan bir alıcı sistemin karakteristik özelliklerinden biri, bir frekansa sahip ses tarafından uyarılmasıdır. f 1 harmonik tonlar içinde heyecanlı 2 f 1 , 3f 1 ,... ve bazı durumlarda 1/2 tipi alt harmonikler f bir . Ek olarak, doğrusal olmayan bir sistem iki frekans tarafından uyarıldığında f 1 ve f 2, toplam ve fark frekansları içinde uyarılır f 1 + f 2 ve f 1 - f 2. İlk salınımların genliği ne kadar büyük olursa, "ekstra" frekansların katkısı da o kadar büyük olur.

Böylece doğrusal olmama durumu nedeniyle akustik özellikler kulak, seste olmayan frekansları alabilir. Bu tür frekanslara subjektif tonlar denir. Sesin 200 ve 250 Hz frekanslı saf tonlardan oluştuğunu varsayalım. Yanıtın doğrusal olmaması nedeniyle, 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz, vb. ek frekanslar görünecektir. Dinleyiciye, seste bir dizi kombinasyon frekansı varmış gibi görünecektir, ancak görünüşleri aslında kulağın doğrusal olmayan tepkisinden kaynaklanmaktadır. Bir müzik sesi temel bir frekans ve onun harmoniklerinden oluştuğunda, temel frekansın fark frekansları tarafından etkin bir şekilde yükseltildiği açıktır.

Doğru, çalışmalar, öznel frekansların yalnızca orijinal sinyalin yeterince büyük bir genliğinde ortaya çıktığını göstermiştir. Bu nedenle, geçmişte müzikte sübjektif frekansların rolünün büyük ölçüde abartılmış olması mümkündür.

Müzik standartları ve müzik sesinin perdesini ölçmek.

Müzik tarihinde, tüm müzik yapısını belirleyen ana ton olarak farklı frekanslardaki sesler alınmıştır. Şimdi birinci oktavın "la" notası için genel olarak kabul edilen frekans 440 Hz'dir. Ama geçmişte 400 Hz'den 462 Hz'e değişti.

Bir sesin perdesini belirlemenin geleneksel yolu, onu standart bir diyapazonun tonuyla karşılaştırmaktır. Belirli bir sesin frekansının standarttan sapması, vuruşların varlığı ile değerlendirilir. Ayar çatalları hala kullanılmaktadır, ancak artık ses aralığının tamamında sorunsuz bir şekilde ayarlanabilen sabit bir frekans referans osilatörü (bir kuvars rezonatörlü) gibi perdeyi belirlemek için daha uygun cihazlar bulunmaktadır. Doğru, böyle bir cihazın kesin kalibrasyonu oldukça zordur.

Bir müzik aletinin sesinin bir flaş lambasının yanıp sönme sıklığını belirlediği, perdeyi ölçmek için stroboskopik yöntem yaygın olarak kullanılmaktadır. Lamba, bilinen bir frekansta dönen bir disk üzerindeki deseni aydınlatır ve disk üzerindeki desenin stroboskopik aydınlatma altında görünen hareket frekansı, tonun temel frekansını belirler.

Kulak perde değişikliğine çok duyarlıdır, ancak duyarlılığı frekansa bağlıdır. Alt işitilebilirlik eşiği yakınında maksimumdur. Eğitimsiz bir kulak bile 500 ile 5000 Hz arasındaki frekanslardaki sadece %0,3 farkı algılayabilir. Duyarlılık eğitimle arttırılabilir. Müzisyenler çok gelişmiş duyu perde, ancak referans osilatör tarafından üretilen saf tonun frekansını belirlemede her zaman yardımcı olmaz. Bu, bir sesin frekansını kulaktan belirlerken, tınısının önemli bir rol oynadığını göstermektedir.

tını.

Tını, aynı perde ve yüksekliğe sahip sesleri karşılaştırsak bile, müzik aletlerine ve seslere benzersiz özgünlüklerini veren müzikal seslerin özelliklerini ifade eder. Bu, tabiri caizse, ses kalitesidir.

Tını, sesin frekans spektrumuna ve zaman içindeki değişimine bağlıdır. Birkaç faktör tarafından belirlenir: enerjinin tonlar üzerindeki dağılımı, sesin göründüğü veya durduğu anda meydana gelen frekanslar (geçiş tonları olarak adlandırılır) ve bunların bozulması, ayrıca sesin yavaş genliği ve frekans modülasyonu (“titreşim”).

aşırı ton yoğunluğu.

Orta kısmında bir tutam tarafından uyarılan gerilmiş bir ip düşünün (Şek. 15, a). Hatta tüm harmoniklerin ortasında düğümler olduğundan, bunlar olmayacak ve salınımlar, temel frekansın eşit tek harmoniklerinden oluşacaktır. f 1 = v/2ben, nerede v- ipteki dalganın hızı ve ben onun uzunluğudur. Böylece, sadece frekanslar mevcut olacak f 1 , 3f 1 , 5f 1 vb. Bu harmoniklerin nispi genlikleri Şekil 2'de gösterilmektedir. on beş, b.

Bu örnek, aşağıdaki önemli genel sonucu çıkarmamızı sağlar. Bir rezonans sisteminin harmonik seti, konfigürasyonu ile belirlenir ve enerjinin harmonikler üzerindeki dağılımı, uyarma yöntemine bağlıdır. İp ortasında uyarıldığında, temel frekans hakim olur ve hatta harmonikler tamamen bastırılır. İp orta kısmında sabitlenir ve başka bir yerde koparılırsa, temel frekans ve tek harmonikler bastırılacaktır.

Detaylar çok farklı olabilse de, tüm bunlar diğer iyi bilinen müzik aletleri için geçerlidir. Enstrümanlar genellikle ses çıkarmak için bir hava boşluğuna, ses tablasına veya kornaya sahiptir. Bütün bunlar, tonların yapısını ve formantların görünümünü belirler.

Formantlar.

Yukarıda bahsedildiği gibi, müzik aletlerinin ses kalitesi, enerjinin harmonikler arasındaki dağılımına bağlıdır. Birçok enstrümanın ve özellikle insan sesinin perdesini değiştirirken, harmoniklerin dağılımı değişir, böylece ana tonlar her zaman yaklaşık olarak aynı frekans aralığında bulunur, buna formant aralığı denir. Formantların varlığının nedenlerinden biri, ses tahtaları ve hava rezonatörleri gibi sesi yükseltmek için rezonans elemanlarının kullanılmasıdır. Doğal rezonansların genişliği, karşılık gelen frekanslardaki radyasyon verimliliğinin daha yüksek olması nedeniyle genellikle büyüktür. Pirinç enstrümanlar için formantlar, sesin yayıldığı zil tarafından belirlenir. Formant aralığına giren tonlar, maksimum enerjiyle yayıldıkları için her zaman güçlü bir şekilde vurgulanır. Formantlar, bir müzik aletinin veya sesin seslerinin karakteristik nitel özelliklerini büyük ölçüde belirler.

Zamanla değişen tonlar.

Herhangi bir enstrümanın sesinin tonu zaman içinde nadiren sabit kalır ve tını esasen bununla ilgilidir. Enstrüman uzun bir notayı sürdürdüğünde bile, sesi zenginleştiren hafif bir periyodik frekans ve genlik modülasyonu vardır - "vibrato". Bu özellikle keman gibi telli çalgılar ve insan sesi için geçerlidir.

Piyano gibi birçok enstrüman için, sesin süresi, sabit bir tonun oluşması için zamanı olmayacak şekildedir - uyarılmış ses hızla artar ve ardından hızlı düşüşü izler. Tonların azalması genellikle frekansa bağlı etkilerden (akustik radyasyon gibi) kaynaklandığından, ton dağılımının bir ton boyunca değiştiği açıktır.

Bazı enstrümanlar için zaman içinde tondaki değişimin doğası (sesin yükselme ve düşme oranı), Şekil 2'de şematik olarak gösterilmiştir. 18. Gördüğünüz gibi, yaylı çalgılar (pluck ve klavyeler) neredeyse sabit bir tona sahip değil. Bu gibi durumlarda, ses zaman içinde hızla değiştiğinden, üst tonların spektrumundan sadece şartlı olarak bahsetmek mümkündür. Yükselme ve düşme özellikleri de bu enstrümanların tınısının önemli bir parçasıdır.

geçiş tonları

Bir tonun harmonik kompozisyonu genellikle hızlı bir şekilde değişir. Kısa bir zaman ses stimülasyonundan sonra. Tellere vurularak veya kopartılarak sesin uyarıldığı enstrümanlarda, daha yüksek harmoniklere (ayrıca çok sayıda harmonik olmayan bileşene) atfedilebilen enerji, ses başladıktan hemen sonra maksimumdur ve bir saniyenin bir bölümünden sonra bu frekanslar solmak. Geçiş adı verilen bu tür sesler, çalgının sesine belirli bir renk verir. Piyanoda, çekicin ipe çarpması sonucu oluşurlar. Bazen aynı tını yapısına sahip müzik aletleri ancak geçiş tonlarıyla ayırt edilebilir.

MÜZİK ENSTRÜMANLARININ SESİ

Müzikal sesler heyecanlandırılabilir ve değiştirilebilir Farklı yollar, hangi müzik aletlerinin çeşitli formlarla ayırt edildiği ile bağlantılı olarak. Enstrümanlar, çoğunlukla müzisyenlerin kendileri tarafından ve diğerlerine başvurmayan yetenekli zanaatkarlar tarafından yaratıldı ve geliştirildi. bilimsel teori. Bu nedenle akustik bilimi, örneğin bir kemanın neden böyle bir şekle sahip olduğunu açıklayamaz. Bununla birlikte, bir kemanın ses özelliklerini, çalımının genel prensipleri ve yapılışı açısından tanımlamak oldukça mümkündür.

Bir enstrümanın frekans aralığı genellikle temel tonlarının frekans aralığı olarak anlaşılır. İnsan sesi yaklaşık iki oktav ve bir müzik aleti - en az üç (büyük bir organ - on) kapsar. Çoğu durumda, tonlar duyulabilir ses aralığının en ucuna kadar uzanır.

Müzik aletlerinin üç ana parçası vardır: bir salınım elemanı, uyarılması için bir mekanizma ve bir yardımcı rezonatör (korna veya ses tahtası). akustik iletişim Titreşim elemanı ve çevreleyen hava arasında.

Müzikal ses zaman içinde periyodiktir ve periyodik sesler bir dizi harmonikten oluşur. Tellerin ve sabit uzunluktaki hava kolonlarının titreşimlerinin doğal frekansları harmonik olarak ilişkili olduğundan, birçok enstrümanda ana titreşen elemanlar teller ve hava kolonlarıdır. Birkaç istisna dışında (flüt bunlardan biridir), enstrümanlarda tek frekanslı ses alınamaz. Ana vibratör uyarıldığında, imalar içeren bir ses ortaya çıkar. Bazı vibratörlerin rezonans frekansları harmonik bileşenler değildir. Bu tür enstrümanlar (örneğin davullar ve ziller) orkestra müziğinde özel ifade ve ritim vurgusu için kullanılır, ancak melodik gelişim için kullanılmaz.

Telli çalgılar.

Titreşimli bir sicim kendi başına zayıf bir ses yayıcıdır ve bu nedenle telli bir enstrümanın hissedilir yoğunlukta sesi uyarmak için ek bir rezonatöre sahip olması gerekir. Kapalı bir hava hacmi, bir güverte veya her ikisinin bir kombinasyonu olabilir. Enstrümanın sesinin doğası da tellerin uyarılma şekliyle belirlenir.

Sabit uzunluktaki bir dizinin temel salınım frekansının daha önce olduğunu görmüştük. L tarafından verilir

nerede T ipin çekme kuvvetidir ve r L dizenin birim uzunluğu başına kütledir. Bu nedenle frekansı üç şekilde değiştirebiliriz: uzunluk, gerilim veya kütleyi değiştirerek. Birçok enstrüman, temel frekansları uygun gerilim ve kütle seçimi ile belirlenen, aynı uzunlukta az sayıda tel kullanır. Diğer frekanslar, telin uzunluğunu parmaklarınızla kısaltarak elde edilir.

Piyano gibi diğer enstrümanlar, her nota için önceden ayarlanmış birçok telden birine sahiptir. Frekans aralığının geniş olduğu bir piyanoyu akort etmek, özellikle bölgede kolay bir iş değildir. düşük frekanslar. Tüm piyano tellerinin gerilim kuvveti hemen hemen aynıdır (yaklaşık 2 kN) ve tellerin uzunluğu ve kalınlığı değiştirilerek frekans çeşitliliği elde edilir.

Yaylı bir çalgı, bir koparma (örneğin, bir arp veya banjo), bir darbe (piyanoda) veya bir yay ile (keman ailesinin müzik aletleri durumunda) uyarılabilir. Her durumda, yukarıda gösterildiği gibi, harmoniklerin sayısı ve genlikleri, sicimin uyarılma şekline bağlıdır.

piyano.

Bir telin uyarılmasının bir darbe ile üretildiği bir enstrümanın tipik bir örneği, piyanodur. Enstrümanın geniş ses tablası çok çeşitli biçimler sağlar, bu nedenle tınısı herhangi bir heyecanlı nota için çok tekdüzedir. Ana formantların maksimumu, 400-500 Hz mertebesindeki frekanslarda meydana gelir ve daha düşük frekanslarda, tonlar özellikle harmonikler açısından zengindir ve temel frekansın genliği, bazı tonlardan daha azdır. Piyanoda, en kısa teller dışındaki tüm çekiç vuruşu, telin bir ucundan 1/7'si uzunluğunda bir noktaya düşer. Bu genellikle, bu durumda temel frekansa göre uyumsuz olan yedinci harmoniğin önemli ölçüde bastırılmasıyla açıklanır. Ancak, malleus'un sonlu genişliği nedeniyle, yedinciye yakın bulunan diğer harmonikler de bastırılır.

Keman ailesi.

Keman enstrüman ailesinde, uzun notalar, telin titreşmesini sağlamak için tellere değişken bir itici güç uygulayan bir yay tarafından üretilir. Hareketli bir yayın etkisi altında, gerilme kuvvetinin artması nedeniyle ip kopuncaya kadar sürtünme nedeniyle yana doğru çekilir. Orijinal konumuna geri dönerek tekrar yay tarafından taşınır. Bu işlem, ipe periyodik bir dış kuvvet etki edecek şekilde tekrarlanır.

Artan boyut ve azalan frekans aralığına göre, ana yaylı çalgılar şu şekilde düzenlenmiştir: keman, viyola, çello, kontrbas. Frekans spektrumları bu enstrümanlar özellikle tonlar bakımından zengindir, bu da şüphesiz onların sesine özel bir sıcaklık ve ifade verir. Keman ailesinde, titreşimli tel, esas olarak çok geniş bir frekans aralığını işgal eden formantların yapısını belirleyen hava boşluğuna ve enstrümanın gövdesine akustik olarak bağlıdır. Keman ailesinin büyük temsilcileri, düşük frekanslara kaydırılmış bir dizi formant'a sahiptir. Bu nedenle, keman ailesinin iki çalgısında alınan aynı nota, tınıların yapısındaki farklılık nedeniyle farklı bir tını rengi kazanır.

Keman, gövdesinin şeklinden dolayı 500 Hz civarında belirgin bir rezonansa sahiptir. Frekansı bu değere yakın bir nota çalındığında "kurt tonu" adı verilen istenmeyen titreşimli bir ses üretilebilir. Keman gövdesinin içindeki hava boşluğu da, ana kısmı 400 Hz'e yakın olan kendi rezonans frekanslarına sahiptir. Özel şekli nedeniyle, kemanın çok sayıda yakın aralıklı rezonansı vardır. Kurt tonu hariç hepsi, çıkarılan sesin genel spektrumunda gerçekten göze çarpmıyor.

Rüzgar aletleri.

Nefesli çalgılar.

Sonlu uzunluktaki silindirik bir borudaki havanın doğal titreşimleri daha önce tartışılmıştı. Doğal frekanslar, temel frekansı borunun uzunluğuyla ters orantılı olan bir dizi harmonik oluşturur. Nefesli çalgılardaki müzikal sesler, hava sütununun rezonans uyarımı nedeniyle ortaya çıkar.

Hava titreşimleri, ya rezonatör duvarının keskin kenarına düşen hava jetindeki titreşimlerle ya da hava akışındaki dilin esnek yüzeyinin titreşimleriyle uyarılır. Her iki durumda da, alet namlusunun lokalize bir bölgesinde periyodik basınç değişiklikleri meydana gelir.

Bu uyarma yöntemlerinden ilki, "kenar tonlarının" oluşmasına dayanmaktadır. Keskin kenarlı kama şeklindeki bir engel tarafından kırılan yuvadan bir hava akımı çıktığında, periyodik olarak girdaplar ortaya çıkar - önce bir tarafta, sonra kamanın diğer tarafında. Oluşumlarının sıklığı arttıkça, hava akışının hızı da artar. Böyle bir cihaz akustik olarak rezonans eden bir hava kolonuna bağlanırsa, o zaman kenar ton frekansı hava kolonunun rezonans frekansı tarafından "yakalanır", yani. girdap oluşum sıklığı hava sütunu tarafından belirlenir. Bu koşullar altında, hava sütununun ana frekansı, yalnızca hava akış hızı belirli bir minimum değeri aştığında uyarılır. Bu değeri aşan belirli bir hız aralığında, kenar tonunun frekansı bu temel frekansa eşittir. Daha da yüksek bir hava akış hızında (rezonatör ile iletişim olmadığında kenar frekansının rezonatörün ikinci harmoniğine eşit olacağı hıza yakın), kenar frekansı aniden iki katına çıkar ve tüm sistem tarafından yayılan perde döner. bir oktav daha yüksek olacak. Buna taşma denir.

Kenar tonları, org, flüt ve pikolo gibi enstrümanlarda hava sütunlarını heyecanlandırır. Flüt çalarken icracı, uçlardan birinin yakınındaki bir yan deliğe yandan üfleyerek kenar tonlarını heyecanlandırır. "D" ve üzeri bir oktavın notaları, namlunun efektif uzunluğunun değiştirilmesi, yan deliklerin normal bir kenar tonuyla açılmasıyla elde edilir. Daha yüksek oktavlar abartılı.

Bir nefesli çalgı sesini uyarmanın başka bir yolu, sazlardan yapıldığı için saz adı verilen salınımlı bir dil tarafından hava akışının periyodik olarak kesilmesine dayanır. Bu yöntem çeşitli nefesli ve üflemeli çalgılarda kullanılır. Tek kamışlı (örneğin klarnet, saksafon ve akordeon tipi enstrümanlarda olduğu gibi) ve simetrik çift kamışlı (örneğin obua ve fagotta olduğu gibi) seçenekler vardır. Her iki durumda da salınım süreci aynıdır: Bernoulli yasasına göre basıncın düştüğü dar bir boşluktan hava üflenir. Aynı zamanda, baston boşluğa çekilir ve onu kaplar. Akış olmadığında elastik baston düzelir ve işlem tekrarlanır.

Üflemeli çalgılarda, flütte olduğu gibi gamın notalarının seçimi yan delikler açılarak ve aşırı üflenerek yapılır.

Her iki ucu da açık olan bir borunun aksine tam set bir ucu açık olan bir borunun sadece tek harmonikleri vardır ( santimetre. üstünde). Bu, klarnetin konfigürasyonudur ve bu nedenle harmonikler bile içinde zayıf bir şekilde ifade edilir. Klarnetteki aşırı üfleme, ana olandan 3 kat daha yüksek bir frekansta gerçekleşir.

Obuada ikinci harmonik oldukça yoğundur. Klarnetten farkı, deliğinin konik bir şekle sahip olması, klarnette ise deliğin enine kesitinin uzunluğunun çoğunda sabit olmasıdır. Konik bir fıçıdaki frekansları hesaplamak, silindirik bir borudakinden daha zordur, ancak yine de tam bir üst ton aralığı vardır. Bu durumda, dar ucu kapalı olan konik bir borunun salınım frekansları, her iki ucu açık olan silindirik bir borunun salınım frekansları ile aynıdır.

Pirinç üflemeli çalgılar.

Horn, trompet, kornet-a-piston, trombon, horn ve tuba dahil olmak üzere pirinç, hareketi özel olarak şekillendirilmiş bir ağızlık ile birlikte çift kamışınkine benzer olan dudaklar tarafından heyecanlanır. Ses uyarımı sırasındaki hava basıncı, burada nefesli rüzgarlardan çok daha yüksektir. Pirinç üflemeli çalgılar, kural olarak, bir zil ile biten silindirik ve konik bölümlere sahip metal bir fıçıdır. Bölümler, tüm harmonik aralığı sağlanacak şekilde seçilir. Namlunun toplam uzunluğu boru için 1,8 m'den tuba için 5,5 m'ye kadar değişmektedir. Tuba, akustik nedenlerle değil, kullanım kolaylığı için salyangoz şeklindedir.

Sabit bir namlu uzunluğu ile, sanatçı emrinde yalnızca namlunun doğal frekansları tarafından belirlenen notalara sahiptir (ayrıca, temel frekans genellikle “alınmaz”) ve ağızlıktaki artan hava basıncı ile daha yüksek harmonikler uyarılır. . Böylece, sabit uzunlukta bir borazan üzerinde sadece birkaç nota (ikinci, üçüncü, dördüncü, beşinci ve altıncı harmonikler) çalınabilir. Diğer üflemeli çalgılarda, harmonikler arasındaki frekanslar, namlu uzunluğundaki bir değişiklikle alınır. Trombon, bu anlamda benzersizdir, namlunun uzunluğu, geri çekilebilir U şeklindeki kanatların yumuşak hareketi ile düzenlenir. Tüm skalanın notaları, gövdenin uyarılmış tonlamasındaki bir değişiklikle kanatların yedi farklı pozisyonuyla sağlanır. Diğer pirinç aletlerde bu, namlunun toplam uzunluğunu, değişen uzunluklarda ve kombinasyonlarda üç yan delik ile etkili bir şekilde artırarak elde edilir. Bu, yedi farklı namlu uzunluğu verir. Trombonda olduğu gibi, tüm gamın notaları, bu yedi gövde uzunluğuna karşılık gelen farklı ton serilerinin uyarılmasıyla çalınır.

Tüm pirinç enstrümanların tonları harmonikler açısından zengindir. Bu, esas olarak, ses emisyonunun verimliliğini artıran bir zilin varlığından kaynaklanmaktadır. yüksek frekanslar. Trompet ve korna, borazandan çok daha geniş bir armonik yelpazesi çalmak üzere tasarlanmıştır. I. Bach'ın eserlerindeki solo trompet kısmı, serinin dördüncü oktavında bu enstrümanın 21. harmoniğine ulaşan birçok pasaj içerir.

Vurmalı çalgılar.

Vurmalı çalgılar, çalgının gövdesine vurarak ve böylece serbest titreşimlerini uyararak ses çıkarır. Titreşimlerin de bir darbeyle uyarıldığı piyanodan, bu tür enstrümanlar iki açıdan farklıdır: titreşen bir gövde harmonik tonlar vermez ve kendisi ek bir rezonatör olmadan ses yayabilir. Vurmalı çalgılar arasında davullar, ziller, ksilofon ve üçgen bulunur.

Katılarda daha fazla salınım türü olduğundan, katıların salınımları aynı şekle sahip bir hava rezonatörünün salınımlarından çok daha karmaşıktır. Böylece sıkıştırma, eğilme ve burulma dalgaları metal bir çubuk boyunca yayılabilir. Bu nedenle, silindirik bir çubuk, silindirik bir hava sütunundan çok daha fazla titreşim moduna ve dolayısıyla rezonans frekanslarına sahiptir. Ayrıca bu rezonans frekansları harmonik bir seri oluşturmaz. Ksilofon, katı çubukların bükülme titreşimlerini kullanır. Titreşen ksilofon çubuğunun temel frekansa üst ton oranları: 2.76, 5.4, 8.9 ve 13.3.

Titreşim çatalı, salınan kavisli bir çubuktur ve ana salınım türü, her iki kol aynı anda birbirine yaklaştığında veya birbirinden uzaklaştığında meydana gelir. Titreşim çatalında harmonik tonlar dizisi yoktur ve yalnızca temel frekansı kullanılır. İlk tonunun frekansı, temel frekansın 6 katından fazladır.

Müzikal sesler üreten salınan katı bir cismin başka bir örneği bir zildir. Çanların boyutları farklı olabilir - küçük bir zilden çok tonlu kilise çanlarına. Zil ne kadar büyük olursa, çıkardığı sesler o kadar düşük olur. Çanların şekli ve diğer özellikleri, asırlık evrimleri sırasında birçok değişikliğe uğramıştır. Çok az sayıda işletme, büyük beceri gerektiren üretimleriyle uğraşmaktadır.

Zilin ilk tını serisi harmonik değildir ve tınlama oranları farklı ziller için aynı değildir. Bu nedenle, örneğin, büyük bir zil için, yüksek ton frekanslarının temel frekansa ölçülen oranları 1.65, 2.10, 3.00, 3.54, 4.97 ve 5.33 idi. Ancak, enerjinin tınılar üzerindeki dağılımı, zil vurulduktan hemen sonra hızla değişir ve çanın şekli, baskın frekanslar birbiriyle yaklaşık olarak harmonik olarak ilişkili olacak şekilde seçilmiş gibi görünmektedir. Zilin perdesi, temel frekans tarafından değil, vuruştan hemen sonra baskın olan nota tarafından belirlenir. Yaklaşık olarak çanın beşinci tonuna karşılık gelir. Bir süre sonra, zil sesinde alt tonlar baskın olmaya başlar.

Tamburda, titreşimli eleman, gerilmiş bir ipin iki boyutlu bir analogu olarak kabul edilebilecek, genellikle yuvarlak olan bir deri zardır. Müzikte davul tel kadar önemli değildir, çünkü doğal frekansları armonik değildir. Bunun istisnası, zarı bir hava rezonatörü üzerine gerilmiş olan timpanidir. Davul tonlama dizisi, kafanın kalınlığı radyal yönde değiştirilerek harmonik hale getirilebilir. Böyle bir tamburun bir örneği tabla klasik hint müziğinde kullanılır.