Нашето възприятие за височината на звука и другите му свойства се определя от характеристиките на акустичната вълна. Това са същите характеристики, които са присъщи на всяка механична вълна, а именно период, честота, амплитуда на трептения. Субективните усещания за звук не зависят от дължината и скоростта на вълната. В статията ще анализираме физиката на звука. Височина и тембър - как се определят? Защо възприемаме някои звуци като силни, а други като тихи? Отговорите на тези и други въпроси ще бъдат дадени в статията.
Pitch
Какво определя височината? За да разберем това, нека направим прост експеримент. Да вземем гъвкава дълга линийка, за предпочитане алуминиева.
Нека го притиснем към масата, натискайки силно ръба. Нека ударим с пръст свободния ръб на линийката - той ще трепери, но движението му ще бъде безшумно. Сега нека преместим линийката по-близо до нас, така че по-малката му част да стърчи отвъд ръба на плота. Да ударим отнововладетел. Ръбът му ще вибрира много по-бързо и с по-малка амплитуда и ще чуем характерен звук. Заключаваме, че за да се появи звук, честотата на трептене трябва да бъде поне определена стойност. Долната граница на аудиочестотния диапазон е 20 Hz, а горната граница е 20 000 Hz.
Нека продължим експеримента. Скъсете още повече свободния ръб на линийката, пуснете го отново в движение. Забелязва се, че звукът се промени, стана по-висок. Какво показва експериментът? Той доказва зависимостта на височината на звука от честотата и амплитудата на трептенията на неговия източник.
Обем на звука
За изследване на силата на звука ще използваме камертон - специален инструмент за изследване на свойствата на звука. Има камертони с различна дължина на краката. Те вибрират при удар с чук. Големите камертони осцилират по-бавно и произвеждат слаб звук. Малките вибрират често и се различават по височина.
Нека ударим камертона и да слушаме. С течение на времето звукът отслабва. Защо се случва това? Силата на звука се намалява поради намаляване на амплитудата на трептене на краката на устройството. Те не вибрират толкова силно, което означава, че амплитудата на вибрациите на въздушните молекули също намалява. Колкото по-ниско е, толкова по-тих ще бъде звукът. Това твърдение е вярно за звуци със същата честота. Оказва се, че както височината, така и силата на звука зависят от амплитудата на вълната.
Възприемане на звуци с различна сила на звука
От горното изглежда, че колкото по-силен е звукът, толкова по-ясничуваме, толкова по-фини промени можем да доловим. Това не е вярно. Ако тялото е накарано да осцилира с много голяма амплитуда, но с ниска честота, тогава такъв звук ще бъде лошо различим. Факт е, че в целия диапазон на чуваемост (20-20 хиляди Hz) нашето ухо най-добре различава звуци около 1 kHz. Човешкият слух е най-чувствителен към тези честоти. Такива звуци ни се струват най-силни. Предупредителни сигнали, сирени са настроени точно на 1 kHz.
Ниво на силата на звука на различни звуци
Таблицата показва често срещани звуци и тяхната сила на звука в децибели.
| Вид шум | Ниво на силата на звука, dB |
| Спокойно дишане | 0 |
| Шепот, шумолене на листа | 10 |
| Цитакане на часовник на 1 м разстояние | 30 |
| Редовен разговор | 45 |
| Шум в магазина, разговор в офиса | 55 |
| Звук на улицата | 60 |
| Гръмогласни | 65 |
| Print Shop Noise | 74 |
| Автомобил | 77 |
| автобус | 80 |
| Инженерна машина | 80 |
| Симен писък | 85 |
| Мотоциклет със заглушител | 85 |
| струг | 90 |
| Металургичен завод | 99 |
| Оркестър, вагон на метрото | 100 |
| Компресорна станция | 100 |
| верижен трион | 105 |
| Хеликоптер | 110 |
| Гръм | 120 |
| Реактивен двигател | 120 |
| Занитване, рязане на стомана (този обем е равен на прага на болка) | 130 |
| Самолет при стартиране | 130 |
| Изстрелване на ракета (причинява шок от снаряд) | 145 |
| Звук на пушка със среден калибър близо до дулото (причинява нараняване) | 150 |
| Свръхзвуков самолет (този обем води до нараняване и болков шок) | 160 |
Тембър
Височината и силата на звука се определят, както разбрахме, от честотата и амплитудата на вълната. Тембърът е независим от тези характеристики. Нека вземем два източника на звук с една и съща височина, за да разберем защо имат различен тембър.
Първият инструмент ще бъде камертон, звучащ на честота 440 Hz (това е нотата за първата октава), вторият - флейта, третият - китара. С музикалните инструменти възпроизвеждаме същата нота, на която звучи камертона. И трите имат една и съща височина, но все пак звучат различно, различават се по тембър. Каква е причината? Всичко е свързано с вибрациите на звуковата вълна. Движението, което акустична вълна от сложни звуци прави, се нарича нехармонично трептене. Вълната в различни области осцилира с различна сила и честота. Тези допълнителни обертонове, които се различават по силата на звука и височината, се наричат обертонове.
Не бъркайте височината и тембъра. Физиката на звука е такава, че ако„смесете“допълнителни, по-високи към основния звук, получаваме това, което се нарича тембър. Определя се от силата на звука и броя на обертоновете. Честотата на обертоновете е кратна на честотата на най-ниския тон, тоест е цял брой пъти по-голям - 2, 3, 4 и т.н. Най-ниският тон се нарича основен тон, той определя височината, а обертоновете влияят на тембъра.
Има звуци, които изобщо не съдържат обертонове, като камертон. Ако изобразите движението на неговата звукова вълна на графика, ще получите синусоида. Такива вибрации се наричат хармонични. Камертонът излъчва само основния тон. Този звук често се нарича скучен, безцветен.
Когато звукът има много високочестотни обертонове, той става груб. Ниските обертонове придават на звука мекота, кадифена. Всеки музикален инструмент, глас има свой собствен набор от обертонове. Това е комбинацията от основния тон и обертонов, която дава уникален звук, придава на звука определен тембър.
