Рассмотрим изменение звука колебания струн гитары (рис.
).
Звуки струны будут отличаться, если уменьшать длину её колеблющейся части.
Если зажать струну в точке
, звук будет ниже, так как длина части струны больше, а частота колебаний меньше.
При зажимании в точке
звук будет выше, часть колеблющейся струны меньше, частота колебаний струны больше. Длина колеблющейся струны отсчитывается от нижнего порожка (со стороны отверстия резонатора).
Из опыта следует, что высота звука зависит от частоты колебаний источника звука.
называют количество колебаний в единицу времени.
Высота звука прямо пропорциональна частоте колебаний источника звука.
Рассмотрим колебания ветвей камертона (рис.
). Колебание происходит с неизменной частотой. Поэтому его называют чистым тоном.
— гармонические колебания одной и той же частоты, создаваемые источником звука.
Многообразие источников звука (люди, машины, животные, музыкальные инструменты и т.д.) порождает большое количество чистых тонов, каждый из которых отличается частотой.
Самую низкую частоту такого звука называют , а сам звук — .
Любая собственная частота выше первой, самой низкой (основной тон) называется .
Частичные тоны (обертоны) образуются вследствие сложной формы звуковой волны.
Следует учесть, что высота сложного звука определяется высотой основного тона. Частоты обертонов относятся к частоте основного тона как целые числа. Обертоны называются гармониками, а основной тон считается первой гармоникой.
— качественная сторона звука, его окраска. Различие тембров зависит от состава частичных тонов (натуральных призвуков).
Любой человек способен отличить мелодию, исполняемую на скрипке, от той же мелодии, исполняемой на гитаре или фортепиано. В этом случае мы говорим о разности тембров. А они, в свою очередь, обуславливаются различными обертонами.
Высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук.
Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.
Что такое звук
Тема урока посвящена источникам звука, звуковым колебаниям. Поговорим мы и о характеристиках звука – высоте, громкости и тембре. Прежде чем говорить о звуке, о звуковых волнах, давайте вспомним, что механические волны распространяются в упругих средах. Часть продольных механических волн, которая воспринимается человеческими органами слуха, называется звуком, звуковыми волнами. Звук – это воспринимаемые человеческими органами слуха механические волны, которые вызывают звуковые ощущения.
Диапазон звуковых волн
Опыты показывают, что человеческое ухо, органы слуха человека воспринимают колебания частотами от 16 Гц до 20000 Гц. Именно этот диапазон мы и называем звуковым. Конечно, существуют волны, частота которых меньше 16 Гц (инфразвук) и больше 20000 Гц (ультразвук). Но этот диапазон, эти разделы человеческим ухом не воспринимаются.
Рис. 1. Диапазон слышимости человеческого уха
Как мы говорили, области инфразвука и ультразвука человеческими органами слуха не воспринимаются. Хотя могут восприниматься, например, некоторыми животными, насекомыми.
Что такое источник звука? Источниками звука могут быть любые тела, которые совершают колебания со звуковой частотой (от 16 до 20000 Гц)
Рис. 2. Зажатая в тиски колеблющаяся линейка может быть источником звука
Обратимся к опыту и посмотрим, как образуется звуковая волна. Для этого нам потребуется металлическая линейка, которую мы зажмем в тиски. Теперь, воздействуя на линейку, мы сможем наблюдать колебания, но никакого звука не слышим. И тем не менее вокруг линейки создается механическая волна. Обратите внимание, когда линейка смещается в одну сторону, здесь образуется уплотнение воздуха. В другую сторону – тоже уплотнение. Между этими уплотнениями образуется разряжение воздуха. Продольная волна – это и есть звуковая волна, состоящая из уплотнений и разряжений воздуха. Частота колебаний линейки в данном случае меньше звуковой частоты, поэтому мы не слышим этой волны, этого звука. На основе опыта, который мы только что пронаблюдали, в конце XVIII века был создан прибор, который называется камертон.
Рис. 3. Распространение продольных звуковых волн от камертона
Как мы убедились, звук появляется в результате колебаний тела со звуковой частотой. Распространяются звуковые волны во все стороны. Между слуховым аппаратом человека и источником звуковых волн обязательно должна быть среда. Эта среда может газообразной быть, жидкой, твердой, но это обязательно должны быть частицы, способные передавать колебания. Процесс передачи звуковых волн должен обязательно происходить там, где есть вещество. Если вещества нет, никакого звука мы не услышим.
Условия, необходимые для существования звука
Для существования звука необходимы:
1. Источник звука
3. Слуховой аппарат
4. Частота 16–20000 Гц
Высота
Теперь перейдем к обсуждению характеристик звука. Первая – это высота звука. Высота звука – характеристика, которая определяется частотой колебаний. Чем больше частота у тела, которое производит колебания, тем звук будет выше. Давайте вновь обратимся к линейке, зажатой в тиски. Как мы уже говорили, мы видели колебания, но не слышали звука. Если теперь длину линейки сделать меньше, то мы будем слышать звук, но увидеть колебания будет гораздо сложнее. Посмотрите на линейку. Если мы подействуем на нее сейчас, звука никакого мы не услышим, но зато наблюдаем колебания. Если укоротим линейку, мы услышим звук определенной высоты. Мы можем сделать длину линейки еще короче, тогда мы услышим звук еще большей высоты (частоты). То же самое мы можем пронаблюдать и с камертонами. Если мы возьмем большой камертон (он еще называется демонстрационный) и ударим по ножкам такого камертона, то можем пронаблюдать колебание, но звука не услышим. Если возьмем другой камертон, то, ударив по нему, услышим определенный звук. И следующий камертон, настоящий настроечный камертон, который используется для настройки музыкальных инструментов. Он издает звук, соответствующий ноте ля, или, как говорят еще, 440 Гц.
Тембр
Следующая характеристика – тембр звука. Тембром называется окраска звука. Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр – это то, чем отличаются два одинаковых звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Вы все знаете, что нот у нас всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, взятую на скрипке и на фортепиано, то мы отличим их. Мы сразу сможем сказать, какой инструмент этот звук создал. Именно эту особенность – окраску звука – и характеризует тембр. Нужно сказать, что тембр зависит от того, какие воспроизводятся звуковые колебания, кроме основного тона. Дело в том, что произвольные звуковые колебания довольно сложные. Они состоят из набора отдельных колебаний, говорят спектра колебаний. Именно воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и характеризует красоту звучания того или иного голоса или инструмента. Тембр является одним из основных и ярких проявлений звука.
Громкость
Еще одна характеристика – громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний. Давайте посмотрим и убедимся, что громкость связана с амплитудой колебаний. Итак, возьмем камертон. Сделаем следующее: если ударить по камертону слабо, то амплитуда колебаний будет небольшая и звук будет тихий. Если теперь по камертону ударить сильнее, то и звук гораздо громче. Это связано с тем, что амплитуда колебаний будет гораздо больше. Восприятие звука – вещь субъективная, зависит от того, каков слуховой аппарат, каково самочувствие человека.
Список дополнительной литературы:
Выясним, от чего зависит громкость звука.
Соберём установку из камертона и шарика, подвешенного на нити вблизи одной из ветвей камертона. Приведём другую ветвь в колебательное движение при помощи удара. Механические колебания камертона отбросят шарик, а мы услышим тихий звук (рис.
).
Рис.
. Камертон и реакция шарика
Остановим колебания камертона. Сильнее ударим молоточком. Звук будет громче, шарик отскочит на больший угол. Значит, чем сильнее колебание, тем громче звук. Данное наблюдение позволяет сделать вывод: амплитуда колебаний связана с громкостью звука. Чем меньше амплитуда колебаний источника звука, тем тише звук. И наоборот.
В данном опыте использовался один и тот же камертон. Это означает, что частота тихого звука и громкого звука одинакова.
Если использовать камертоны с различной частотой, то громкость их звучания будет зависеть от амплитуды колебаний. Чувствительность нашего уха избирательна к громкости звуков разной частоты.
Более громкими воспринимаются звуки более высокой частоты в диапазоне
–
кГц, даже если амплитуды звуковых волн одинаковы.
Основной тон детского голоса располагается в диапазоне (170)-(600) Гц. Поэтому детские голоса легко распознать.
Громкость звука зависит также от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя.
— субъективное восприятие интенсивности звука, которое зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний.
В описании звуковых характеристик чаще всего используется единица измерения уровня звукового давления — децибел (дБ), десятая часть бела (Б).
уровень звукового давления шёпота человека, находящегося на расстоянии менее 1 метра — (25) дБ; спокойной речи — (40) дБ, вертолёта — (110) дБ, старта ракеты — (145) дБ. Болевой порог человека — (130) дБ, действие звуковых волн выше этой величины приводит к нарушению слуха.
Если организм человека в течение длительного времени подвержен воздействию громких звуков или шумов, то оно откладывает отпечаток на состояние здоровья. Это воздействие может проявляться по-разному: головная боль, повышенное артериальное давление, быстрая утомляемость, повышенная нервная возбудимость и т.д. Эта проблема в большей степени характерна мегаполисам с огромным количеством людей и автотранспорта.
Рис. 1. Камертон и реакция шарика. https://www.shutterstock.com/ru/image-vector/tuning-fork-resonance-experiment-when-one-309388835. 2021-09-12.