Звук наибольшей высоты тона. Звуковые волны

Высота тона зависит от того, как часто колеблются источники звука. Чем больше частота колебаний тем громче звук. Самым простой вид колебаний - гармонические колебания. Чистым тоном является звук камертона.

Чистый тон - это звук, совершающий гармонические колебания одинаковой частоты. В музыкальном тоне можно на звук различит два качества - громкость и высоту.

Звуки разных источников (например разные музыкальные инструменты, человеческий голос, звуки посторонних предметов и т.д) вместе состовляют совокупность гармонических колебаний разных частот.

Основной частотой называется самая маленькая частота этого многосоставного звука, а звук который ей соответствует и он определенной высоты называется основным тоном.

Обертонами называются все остальные составляющие этого многосоставного звука (его частота может быть в несколько раз больше частоты основного тона).

Обертоны определяют тембр звука - это то, что нам позволяет различать звуки, например, мы очень легко сможем различить звук телевизора и стиральной машинки, звуки гитары и барабана и т.п.

Высоту звука еще измеряют в мелах - это шкала высот, которая позволяет устанавливать равенство высот двух звуков.

Тоном Шепарда (акустические иллюзии) называется звук, с кажущейся, то повышающейся, то понижающейся высотой.

Высота звука определяется частотой его основного тона, если частота основного тона больше, то звук громче, если частота основного тона меньше, то и звук будет тише.

Громкость звука

Громкость звука - качество слухового ощущения, которое позволяет располагать все звуки по шкале от тихих до громких.

Сон - единица громкости звука.

1 сон - эта примерная громкость приглушенного разговора, а громкость самолета - 264 сон. Звуки, обладающие еще большей громкостью, будут вызывать болевые ощущения.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний, чем она больше, тем звук будет громче.

Уровень звукового давления измеряется в белах(Б) или в децибелах(Д) - 1/10 часть бела(Б) ,и равен уровню громкости звука, который выражается в фонах.

Громкость выше 180 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки.

Шум, громкий звук, неприятный звук плохо влияют на здоровье человека это происходит из-за того, что нарушен порядк звуков разной громкости, высоты тона и тембра.

Шум - это звуки, в которых присутствуют колебания всевозможных частот.

Чтобы было звуковое ощущение, звуковая волна должна быть минимальной интенсивности, но если интенсивность будет превышать норму, то звук будет не слышен и будет вызывать только болевые ощущения.

Акустика - раздел физики, который изучает звуковые явления.

Звуки бывают двух видов: естественные и искусственные .

Как уже упоминалось, поскольку высота звука является репрезентацией частоты звуковых колебаний, как правило, используются единицы измерения частоты - Герцы (Hz), где количество Герц, это количество колебаний в секунду:

Однако, используются и альтернативные системы измерения высоты звука, основанные на физиологическом (Барки) и психофизиологическом (Мелы) механизме его восприятия.

«Критические полосы» и Барки

Критическая полоса (ее также называют полосой равной разборчивости) - это минимальная полоса частот, которая возбуждает одну и ту же часть базилярной мембраны. В частотном промежутке от 0 до 16 кГц опытным путем были определены 24 критические полосы:

0-100 Гц,
100-200 Гц,
200-300 Гц,
300- 400 Гц,
400-510 Гц,
510-630 Гц,
630-770 Гц,
770-920 Гц,
920-1080 Гц,
1080- 1270 Гц,
1270-1480 Гц,
1480-1720 Гц,
1720-2000 Гц,
2000-2320 Гц,
2320- 2700 Гц,
2700-3150 Гц,
3150-3700 Гц,
3700-4400 Гц,
4400-5300 Гц,
5300- 6400 Гц,
6400-7700 Гц,
7700-9500 Гц,
9500-12 000 Гц
12 000-15 500 Гц

Звуковой сигнал в пределах одной и той же критической полосы как бы обобщается мозгом, создавая близкие слуховые ощущения. Если же звуковой сигнал переходит из одной критической полосы в другую, то слуховые ощущения в момент перехода заметно изменяются, потому что мозг анализирует информацию, полученную из разных критических полос, раздельно. Это не значит, что два тона, попавшие в одну критическую полосу, не различимы на слух, однако, слуховые ощущения внутри одной полосы очень близки, а в разных полосах - отличаются существенно. Участки базилярной мембраны, соответствующие критическим полосам, имеют приблизительно равную длину, которая составляет 1,2 мм на полосу.

Для удобства работы с критическими полосами существует специальная единица измерения частоты - Барк. В таблице приведены критические полосы и соответствующие им параметры:

Измерение субъективного ощущения высоты и Мелы

На этой шкале равное изменение частоты в Мелах соответствует равному изменению ощущения высоты тона. Уже привычная нам шкала частот с единицей измерения “герц” такого свойства не имеет. Например, изменения частоты от 500 до 1000 Гц и от 1000 до 2000 Гц воспринимаются на слух слушателем, как неравные. В то же самое время звуковой сигнал с частотой 1000 мел кажется слушателю ровно в два раза “выше”, чем сигнал с частотой 500 мел, и в два раза “ниже”, чем сигнал с частотой 2000 мел. (Закон Вебера-Фехнера):

Итак, частотные параметры звука могут измеряться в Герцах, Мелах и Барках.

Герц - это единица измерения, которой удобно пользоваться при проведении спектрального анализа.

Мел и Барк - это психофизиологические акустические единицы измерения высоты тона, используемые в психоакустике при оценке субъективной высотой тона.

Как видно из графика, шкалы барков и мелов приблизительно совпадают, хотя некоторые расхождения наблюдаются в области средних частот:

В музыке используются другие шкалы для оценки высоты тона - музыкальные: полутоны, тоны, октавы и другие музыкальные интервалы. Следует отметить, что связь с психофизической шкалой высоты тона, построенной для чистых тонов, неоднозначна. До частоты примерно 5000 Гц увеличение высоты тона на октаву связано с удвоением частоты. Например, переход от ноты ля первой октавы к ноте ля второй октавы соответствует увеличению частоты от 440 до 880 Гц. Но выше частоты 5000 Гц это соответствие нарушается - чтобы получить ощущение увеличения высоты на октаву, надо увеличить соотношение частот почти в 10 раз, что следует иметь в виду при создании компьютерных композиций. Это дало основание некоторым ученым предложить две размерности высоты тона: психофизическую в мелах, пропорциональную в некоторых пределах логарифму частоты, установленную для чистых тонов (pitch height) и музыкальную, соответствующую названию нот (pitch chroma), которая может быть определена примерно до 5000 Гц. Следует отметить, что даже музыканты с абсолютным музыкальным слухом затрудняются в определении нот для звуков с частотой выше 5000 Гц. Это говорит о том, что механизмы восприятия высоты тона до 5000 Гц и выше - различны. (И. Алдошина)

Вопросы.

1. По рисунку 70 расскажите, как исследовалась зависимость высоты звука от частоты колебаний его источника. Какой вывод был сделан?

В опыте на рис. 70 мы имеем линейку, зажатую в тиски, и издающую звук при колебании. Перемещая линейку в тисках, таким образом, чтобы её колеблющийся кусок уменьшился, мы замечаем что при колебании более короткой части линейки издаваемый ею звук становится выше, а частота колебаний увеличивается. Из этого опыта можно сделать вывод, что при увеличении частоты колебаний увеличивается высота звука.

2. С какой целью ставился опыт, изображенный на рисунке 75? Опишите, как этот опыт проводился и какой был сделан вывод.

В опыте на рис. 75 при соприкосновении картонной пластины с вращающимся зубчатым диском слышится звук, раздающийся в результате колебаний пластины. При увеличении скорости вращения зубчатого диска увеличивается частота колебаний и соответственно увеличивается высота звука.

3. Как на опыте удостовериться в том, что из двух камертонов более высокий звук издает тот, у которого больше собственная частота? (Частоты на камертонах не указаны).

Камертон с более высоким звуком на закопченой пластинке будет оставлять более частый след, т.е. колеблется с большей частотой (см. рис. 76)

4. От чего зависит высота звука?

Высота звука зависит от частоты колебаний.

5. Что называется чистым тоном?

Чистым тоном называется звук источника, совершающего грмонические колебания одной частоты.

6. Что такое основной тон и обертоны звука?

Основной тон - частотная составляющая сложного звука с самой низкой (малой) частотой колебания.
Обертоны - совокупность частотных составляющих звука без его основного тона. Частоты обертонов кратны частоте основного тона.

7. Чем определяется высота звука?

Высота звука определяется высотой основного тона.

8. Что такое тембр звука и чем он определяется?

Тембр звука - обертонная окраска звука; специфическая характеристика музыкального звука. Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.

Упражнения.

1. Какое насекомое чаще машет крыльями в полете - шмель, комар или муха? Почему вы так думаете?

Чем выше частота, тем выше звук. Следовательно комар, машет крыльями чаще.

2. Зубья вращающейся циркулярной пилы создают в воздухе звуковую волну. Как изменится высота звука, издаваемого пилой, при ее холостом ходе, если на ней начать распиливать толстую доску из плотной древесины? почему?

Высота звука уменьшится, т.к. уменьшится частота вращения циркулярной пилы.

3. Известно, что чем туже натянута струна на гитаре, тем более высокий звук она издает. Как изменится высота звучания гитарных струн при значительном повышении температуры окружающего воздуха? Ответ поясните.

При повышении температуры гитарная струна растягивается, следовательно увеличивается период колебаний, а значит уменьшается частота и высота звука.

Мы от рождения до смерти пребываем в океане звуков. В городе мы постоянно слышим звуки движущихся машин, разговоры прохожих, фоновые шумы. Дома работают электроприборы, мы включаем телевизоры, радиоприемники, компьютеры. Можно не замечать эти звуки, не обращать на них внимания, но они влияют на наше мировосприятие и на самочувствие. Когда мы находимся, как кажется в тишине, за городом, на природе звуки все равно существуют вокруг нас. листвы, жужжание насекомых, шелест шагов по траве. Абсолютной тишины на Земле в естественных условиях не существует.

С точки зрения физики звук - это упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. От чего зависит высота звука и другие наши ощущения?

С точки зрения физиологии звук связан со слухом. И напрямую связан с нашими органами чувств.

Средой для распространения звуковых волн может быть воздух, вода, металл и другие вещества.

Поскольку звук - это он описывается теми же параметрами, что и любая волна. Это частота, длина волны, амплитуда, вектор волны (направление), скорость.

Человек слышит звуки в диапазоне от 15 Гц до 20 000 Гц. Диапазон ниже уровня слышимости называется инфразвуком, выше уровня и до 1 Ггц называется ультразвуком. Выше 1 Ггц - это гиперзвук.

Высота звука

Единица измерения высоты звука это мел. Мелы распределяются по шкале через интервалы, которые на слух воспринимаются как равные.

Ученые обнаружили, что, если воспроизводить короткие импульсы с интервалом 5 миллисекунд, то на слух они будут восприниматься непрерывно.

Как любая информация наших органов чувств, звуковая информация обрабатывается мозгом. Рассмотрим, от чего зависит частота звука. Известен так называемый эффект Шепарда. Звукоряд, который создает иллюзию постоянно повышающегося или понижающегося тона, хотя на самом деле ничего не меняется. Это достигается наложением звуковых волн по октавам (кратным по частоте). Этот эффект интуитивно использовали Бах, Равель, Шопен.

Тоны звука

Сложный тон - это звучание нескольких частот сразу. Простой тон можно воспроизвести с помощью генератора звуковых сигналов, или камертоном. Сложный тон создается музыкальными инструментами и человеческим голосом. Спектр сложного тона состоит из основной частоты и множества дополнительных гармоник, так называемых обертонов. От чего зависит высота тона звука и самого звука? Она зависит от основной частоты тона. Но и интенсивность влияет на восприятие высоты звучания. Чем интенсивность больше, тем звук кажется ниже.

Громкость звука

Громкость звука характеризует уровень звукового ощущения. От чего зависит громкость и высота звука? Восприятие громкости звука - ощущение субъективное и зависит как от интенсивности звука, так и от возраста, пола, этнической принадлежности, условий прослушивания. Ощущение громкости описывается психофизическим законом Вебера-Фехнера. В соответствии с этим законом, если интенсивность звука растет в геометрической прогрессии, то ощущение громкости - в арифметической. (Логарифмическая зависимость). От чего зависит громкость и высота звучания? От множества причин. Высота звучания кажется ниже, когда громкость увеличивается. Человеку всегда низкие и высокие частоты кажутся тише, чем средние.

Тембр звука

Тембр определяется Окраску спектру придают обертоны (гармоники основной частоты). Они придают эмоциональную окраску любому звучанию. От чего зависят высота и тембр звука? Они зависят от конструкции и материалов музыкальных инструментов, от особенностей человеческого голоса. Возникающие многочисленные обертоны придают звучанию неповторимость.

Каждая из знаменитых скрипок Страдивари обладала уникальным тембром. Это определялось и формой резонатора, и типом дерева, и даже лаком покрытия.

Некоторые считают, что особенное восприятие звука человеком способствовало в древности его выживанию. Для анализа внешних шумов необходимо было понять, от чего зависит высота звука, вычленить из массы шумов, звуковых частот звуки подкрадывающегося хищника или вовремя услышать приближение какой-либо природной катастрофы.

Сейчас появилась возможность синтезировать любые звуки, обрабатывать существующие аудиозаписи для достижения нужного эффекта. Но еще на заре звукозаписи делались звуковые комбинации. Примером такого эффекта может служить знаменитый крик Тарзана, созданный искусственно в 1932 г.

Архитектурная акустика

От чего зависит Конечно, от помещения, в котором он возникает.

Об этом знали еще в древности и строили храмы с учетом акустических элементов, теоретическое обоснование для которых было разработано впоследствии. Это и акустическая форма куполов, и акустические раковины.

Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, интенсивность звука и другими. Но. кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это - громкость звука, высота тона и тембр.

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое ощущение. На рисунке 15.10 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости. Наибольшее расстояние между кривыми приходится на частоты, к которым ухо наиболее чувствительно (1000-5000 Гц). 

Если интенсивность звука - величина, объективно характеризующая волновой процесс, то субъективной характеристикой звука является громкость Громкость зависит от интенсивности звука, т.е. определяется квадратом амплитуды колебаний в звуковой волне и чувствительностью уха (физиологическими особенностями). Так как интенсивность звука \(~I \sim A^2,\) то чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Высота тона - качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон звука.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, с определенной частотой, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, звуки низкой частоты - как звуки низкого тона. Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Так, например, тон "ля" первой октавы соответствует частоте 440 Гц, тон "ля" второй октавы - частоте 880 Гц.

Музыкальным звукам соответствуют звуки, издаваемые гармонически колеблющимся телом.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте \(~\nu_0\) основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой \(~\nu_0\) называется первой гармоникой, обертон со следующей частотой \(~2 \nu_0\) - второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов - их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

При одной высоте тона звуки, издаваемые, например, скрипкой и пианино, отличаются тембром.

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Шумы - это звуки, образующие сплошной спектр, состоящий из набора частот, т.е. в шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 431-432.