Nasze postrzeganie wysokości dźwięku i jego innych właściwości jest określane przez charakterystykę fali akustycznej. Są to te same cechy, które są nieodłączne dla każdej fali mechanicznej, a mianowicie okres, częstotliwość, amplituda oscylacji. Subiektywne odczucia dźwięku nie zależą od długości i prędkości fali. W artykule przeanalizujemy fizykę dźwięku. Wysokość i barwa – jak są określane? Dlaczego odbieramy niektóre dźwięki jako głośne, a inne jako ciche? Odpowiedzi na te i inne pytania udzielimy w artykule.
Punkt
Co decyduje o wysokości? Aby to zrozumieć, zróbmy prosty eksperyment. Weźmy elastyczną długą linijkę, najlepiej aluminiową.
Przyciśnijmy go do stołu, mocno dociskając krawędź. Uderzmy palcem w wolny brzeg linijki - będzie drżał, ale jego ruch będzie cichy. Teraz przesuńmy linijkę bliżej nas, aby jej mniejsza część wystawała poza krawędź blatu. Uderzmy jeszcze razlinijka. Jego krawędź będzie wibrować znacznie szybciej iz mniejszą amplitudą, a usłyszymy charakterystyczny dźwięk. Dochodzimy do wniosku, że aby dźwięk wystąpił, częstotliwość drgań musi mieć przynajmniej określoną wartość. Dolna granica zakresu częstotliwości dźwięku to 20 Hz, a górna granica to 20 000 Hz.
Kontynuujmy eksperyment. Skróć jeszcze bardziej wolną krawędź linijki, ponownie wpraw ją w ruch. Widać, że dźwięk się zmienił, stał się wyższy. Co pokazuje eksperyment? Udowadnia zależność wysokości dźwięku od częstotliwości i amplitudy drgań jego źródła.
Głośność
Do badania głośności użyjemy kamertonu - specjalnego narzędzia do badania właściwości dźwięku. Istnieją kamertony o różnych długościach nóg. Wibrują po uderzeniu młotkiem. Duże kamertony oscylują wolniej i wydają niski dźwięk. Małe wibrują często i różnią się tonacją.
Uderzmy kamertonem i posłuchajmy. Dźwięk słabnie z czasem. Dlaczego to się dzieje? Głośność dźwięku jest tłumiona ze względu na zmniejszenie amplitudy drgań nóg urządzenia. Nie drgają one tak mocno, co oznacza, że zmniejsza się również amplituda drgań cząsteczek powietrza. Im jest niższy, tym cichszy będzie dźwięk. To stwierdzenie dotyczy dźwięków o tej samej częstotliwości. Okazuje się, że zarówno wysokość, jak i głośność dźwięku zależą od amplitudy fali.
Odbiór dźwięków o różnej głośności
Z powyższego wynika, że im głośniejszy dźwięk, tym wyraźniej mysłyszymy, tym bardziej subtelne zmiany możemy dostrzec. To nie jest prawda. Jeśli ciało jest wprawiane w drgania z bardzo dużą amplitudą, ale niską częstotliwością, to taki dźwięk będzie słabo rozpoznawalny. Faktem jest, że w całym zakresie słyszalności (20-20 tys. Hz) nasze ucho najlepiej odróżnia dźwięki w okolicach 1 kHz. Ludzki słuch jest najbardziej wrażliwy na te częstotliwości. Takie dźwięki wydają nam się najgłośniejsze. Sygnały ostrzegawcze, syreny są dostrojone dokładnie do 1 kHz.
Poziom głośności różnych dźwięków
Tabela pokazuje typowe dźwięki i ich głośność w decybelach.
| Rodzaj hałasu | Poziom głośności, dB |
| Spokojne oddychanie | 0 |
| Szept, szelest liści | 10 |
| Tykanie zegara w odległości 1 m | 30 |
| Regularna rozmowa | 45 |
| Hałas w sklepie, rozmowa w biurze | 55 |
| Dźwięk ulicy | 60 |
| Głośna rozmowa | 65 |
| Hałas drukarni | 74 |
| Samochód | 77 |
| Autobus | 80 |
| Obrabiarka inżynierska | 80 |
| Głośny krzyk | 85 |
| Motocykl z tłumikiem | 85 |
| Tokarka | 90 |
| Zakład metalurgiczny | 99 |
| Orkiestra, wagon metra | 100 |
| Stacja kompresorowa | 100 |
| Piła łańcuchowa | 105 |
| Helikopter | 110 |
| Grzmot | 120 |
| Silnik odrzutowy | 120 |
| Nitowanie, cięcie stali (ta objętość jest równa progowi bólu) | 130 |
| Samolot w momencie startu | 130 |
| Uruchomienie rakiety (powoduje wstrząs pocisku) | 145 |
| Dźwięk strzelby średniego kalibru w pobliżu lufy (powoduje obrażenia) | 150 |
| Samolot naddźwiękowy (ten tom prowadzi do kontuzji i bólu) | 160 |
Brzmienie
Wysokość i głośność dźwięku są określane, jak się dowiedzieliśmy, przez częstotliwość i amplitudę fali. Barwa jest niezależna od tych cech. Weźmy dwa źródła dźwięku o tej samej wysokości, aby zrozumieć, dlaczego mają inną barwę.
Pierwszym instrumentem będzie stroik grający z częstotliwością 440 Hz (jest to nuta pierwszej oktawy), drugim flet, trzecim gitara. Za pomocą instrumentów muzycznych odtwarzamy tę samą nutę, na której brzmi kamerton. Wszystkie trzy mają ten sam ton, ale brzmią inaczej, różnią się barwą. Jaki jest powód? Chodzi o wibracje fali dźwiękowej. Ruch, który wykonuje fala akustyczna złożonych dźwięków, nazywa się oscylacją nieharmoniczną. Fala w różnych obszarach oscyluje z różną siłą i częstotliwością. Te dodatkowe alikwoty, które różnią się głośnością i wysokością, nazywane są alikwotami.
Nie myl wysokości i barwy. Fizyka dźwięku jest taka, że jeśli„zmiksować” dodatkowe, wyższe do głównego dźwięku, dostajemy tak zwaną barwę. Decyduje o tym głośność i liczba alikwotów. Częstotliwość alikwotów jest wielokrotnością częstotliwości najniższego tonu, czyli jest to liczba całkowita razy większa - 2, 3, 4 itd. Najniższy ton nazywamy tonem głównym, to on określa wysokość, a alikwoty wpływają na barwę.
Istnieją dźwięki, które w ogóle nie zawierają alikwotów, takie jak kamerton. Jeśli zobrazujesz ruch fali dźwiękowej na wykresie, otrzymasz falę sinusoidalną. Takie wibracje nazywane są harmonicznymi. Kamerton emituje tylko ton podstawowy. Ten dźwięk jest często nazywany nudnym, bezbarwnym.
Kiedy dźwięk ma dużo podtekstów o wysokiej częstotliwości, staje się ostry. Niskie alikwoty nadają dźwiękowi miękkość, aksamitność. Każdy instrument muzyczny, głos ma swój własny zestaw alikwotów. To właśnie połączenie tonu podstawowego i alikwotów daje niepowtarzalny dźwięk, nadaje dźwiękowi pewną barwę.
