чем определяется высота звука и громкость звука

Громкость, высота, тембр звука

Звук, создаваемый одним источником, отличается от звука, создаваемого другим. Например, каждая из струн гитары издает звук, отличающийся от звука, который выдается другими струнами.

Две, казалось бы, совершенно одинаковые скрипки могут звучать по-разному. При этом звук скрипки нельзя спутать со звуком гобоя, звук барабана — со звуком тромбона. Те же звуки, созданные разными людьми, отличаются друг от друга.

Все это свидетельствует о необходимости ввести характеристики, с помощью которых можно было бы оценивать излучения и восприятия звука.

Ударим молоточком по ножке камертона с прикрепленным к ней острием и проведем ним по закопченному стеклу. Мы увидим знакомый волнообразный следует, изображенный на рисунке.

Ударив по ветке камертона сильнее, мы услышим более громкий звук, а самое на пластинке оставит след, отличающийся от первого большим «размахом», то есть большей амплитудой колебаний. Итак,

· громкость звука определяется амплитудой колебаний тела, звучит .

Конечно, чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем звук кажется более громким, но громкость для звуков различных частот будет разной. Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких частот (около 20 Гц) и высоких (около 20 кГц) частот и значительно лучше — звуки средних частот (от 300 Гц до 3000 Гц). Это объясняется строением органов слуха человека.

Мы хорошо знаем, что звук бывает высокий и низкий. Как известно, бас поет низким голосом, а тенор — высоким. От какой же характеристики звуковой волны зависит высота звука? Опыты показывают, что

· высота звука определяется частотой звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше.

Частота звуковых колебаний, создаваемых музыкальными инструментами, может изменяться от 20 до 4000 Гц.

Писк комара соответствует 500-600 взмахам его крыльев в секунду, жужжание шмеля — 220 взмахам. Колебания голосовых связок певцов могут создавать звуки в диапазоне от 80 до 1400 Гц, хотя в эксперименте фиксировались рекордно низкая (44 Гц) и высокая (2350 Гц) частоты.

В телефоне для воспроизведения человеческой речи используется область частот от 300 до 2000 Гц.

Звуки одинаковой высоты и громкости, создаваемые различными музыкальными инструментами, звучат по-разному, даже та же нота, взятая различными певцами, звучит по-разному.

От чего же зависит тембр звука? Оказывается, что любой источник звука (при незначительных исключений, например, камертона) осуществляет сложные Несинусоидальные колебания. Их можно наблюдать с помощью осциллографа. Если подключить микрофон и спеть какую-нибудь мелодию, то на экране осциллографа появится не синусоида, а сложнее кривая.

На рисунке показаны графики колебаний воздуха у рта человека, поет звуки «А» и «В». Обратите внимание, что колебания воздуха (и голосовых связок человека) являются достаточно сложными, поскольку состоят как бы из нескольких колебаний, накладываются друг на друга.

· Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов — частот, кратных основной.

Именно благодаря тембра звуки различных музыкальных инструментов имеют разное звучание. Чем больше обертонов, тем «насыщеннее», красивее звук. Волшебный серебристый оттенок голосов хороших певцов обусловлен именно высокими обертонами.

Звук, распространяясь в какой-либо среде, доходит до препятствия и почти полностью отражается. В этом можно убедиться на многих опытах.

В лесу, горах, иногда в помещениях нам приходилось слышать эхо.

Луна — результат отражение звука: звуковые волны отражаются от различных препятствий, даже от облаков. Иногда можно услышать даже многократную эхо — результат нескольких отражений.

Эти и другие опыты с механическими волнами позволяют сформулировать обобщения: механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.

Инфразвук вызывают, например, землетрясения и вибрация тяжелых механизмов, автомобилей, тракторов и бытовых приборов. Например, сельскохозяйственные тракторы и грузовики имеют максимальные вибрации в диапазоне 1,5-3,5 Гц, гусеничные тракторы — около 5 Гц. Музыкальный орган так же может излучать инфразвук. Всевозможные взрывы и обвалы также могут излучать звуки инфракрасных частот.

Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Такие звуки не слышны, однако они оказывают негативное воздействие на организм человека: появляется повышенная нервозность, чувство страха, приступы тошноты. Иногда из носа и ушей идет кровь.

Чувствительны приемники ультразвука показали, что он входит в состав шума ветра и водопадов, в состав звуков, излучаемых некоторыми животными.

Ультразвуковые волны можно получить с помощью специальных высокочастотных излучателей. Узкий параллельный пучок ультразвуковых волн в процессе распространения очень мало расширяется. Благодаря этому ультразвуковую волну можно излучать в заданном направлении.

С помощью ультразвука «просвечивают» металлические изделия для выявления в них скрытых дефектов — посторонних включений, трещин или пустот.

Ультразвук широко используют и в медицине — как для обследования больного, так и для его лечения. Лечение ультразвуком основано на том, что он вызывает внутренний разогрев тканей организма.

Источник

Звук (звуковые волны). Высота звука.

Помимо громкости звук характеризуется высотой. Высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук. Колебаниям небольшой часто­ты соответствуют низкие звуки, колебаниям большой частоты — высокие звуки.

Так, например, шмель машет своими крылышками с меньшей частотой, чем комар: у шмеля она составляет 220 взмахов в секунду, а у комара — 500-600. Поэтому полет шмеля сопровожда­ется низким звуком (жужжанием), а полет комара — высоким (писком).

Звуковую волну определенной частоты иначе называют музыкальным тоном, поэтому о высоте звука часто говорят как о высоте тона.

Основной тон с примесью нескольких колебаний других частот образует музыкальный звук. Например, звуки скрипки и пианино могут включать до 15-20 различных колебаний. От состава каждого сложного звука зависит его тембр.

Частота свободных колебаний струны зависит от ее размеров и натяжения. Поэтому, натяги­вая струны гитары с помощью колышков и прижимая их к грифу гитары в разных местах, мы меняем их собственную частоту, а следовательно, и высоту издаваемых ими звуков.

При обычной речи в мужском голосе встречаются колебания с частотой от 100 до 7000 Гц, а в женском — от 200 до 9000 Гц. Наиболее высокочастотные колебания входят в состав соглас­ного звука «с».

Характер восприятия звука во многом зависит от планировки помещения, в котором слушает­ся речь или музыка. Объясняется это тем, что в закрытых помещениях слушатель воспринимает, кроме прямого звука, еще и слитный ряд быстро следующих друг за другом повторений, вызван­ных многократными отражениями звука от находящихся в помещении предметов, стен, потолка и поля.

Источник

Характеристики звука

Описание разработки

Важнейшими характеристиками звука являются громкость, высота тона и тембр. Эти субъективные характеристики связаны с объективными физическими величинами – с амплитудой (интенсивностью звука), частотой колебаний и спектром соответственно.

1. Субъективные характеристики звука

Субъективные характеристики – это параметры звукового ощущения, которое возникает у человека при воздействии звуковых волн (высота тона, громкость звука, тембр).

Громкостью называют субъективное качество, определяющее силу слухового ощущения, вызываемого звуком у слушателя. Чем больше амплитуда колебаний, тем звук громче (чем меньше амплитуда колебаний, тем звук тише). Однако громкость не определяется только амплитудой силы звука, так как она зависит от частотного состава звукового сигнала, от условий его восприятия и длительности воздействия.

Звук будет тем громче, чем больше упругость среды распространения. Например, на высоких горах, где воздух более разрежен, громкость звука от одного и того же источника будет меньше, чем у подножья горы.

В акустике для количественной оценки громкости применяют метод субъективного сравнения измеряемого звука с эталонным, в качестве которого применяется синусоидальный тон частотой 1кГц. В процессе сравнения уровень эталонного тона изменяют до тех пор, пока эталонный и измеряемый звуки станут восприниматься человеком равногромкими.

Субъективную меру частоты колебаний звука называют высотой звука. Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, звуки низкой частоты – как звуки низкого тона.

Звуковые колебания, не подчиняющиеся гармоническому закону, воспринимаются человеком как сложный звук, обладающий тембром. Тембр помогает нам отличить звук одного музыкального инструмента от другого.

Натуральные звуки, с которыми мы сталкиваемся в жизни, практически никогда не бывают «чистыми» синусоидальными тонами: источник вместе с основным колебанием излучает волны с частотами в 2, 3, 4, 5 и т.д. раз большими основной частоты. По принятой в музыкально акустике терминологии эти колебания называются, соответственно, основным тоном и обертонами: 1–м, 2–м, 3–м, 4–м и т.д. В физике используется иная терминология: основной тон называют 1–й гармоникой, а обертоны называют высшими гармониками 2–й, 3–й, 4–й и т.д. по порядку.

Тембр – это звук, в котором присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд.

Основной тон определяет высоту звука, обертоны, накладываясь в определенных соотношениях, придают звуку специфическую окраску – тембр.

Можно сказать, что тембр определяется величиной амплитуд отдельных гармоник (т.е. зависит от числа высших гармоник и отношения их амплитуд к амплитуде основной гармоники и не зависит от фаз высших гармоник).

У различных музыкальных инструментов относительные амплитуды разных обертонов оказываются различными. Если на фор­тепиано, а затем на гобое взять ноту одинаковой громкости и одной высоты (предположим «до» первой октавы), получившиеся звуки будут различаться. Отли­чать звук одного инструмента от другого нам помогает тембр (тональная окраска звука). У различных музыкальных инструментов относитель­ные амплитуды разных обертонов оказываются различными.

Содержимое разработки

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ЛУГАНСКОЙ ОБЛАСТНОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АДМИНИСТРАЦИИ

КУ «ЛУГАНСКАЯ ОБЛАСТНАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЕЖИ»

автор – составитель : А. С. Воронкин

Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И З В У К А

7.2. Объективные характеристики звука

7.2.2. Частота звуковых колебаний. Интервалы в музыке

7.2.3. Гармонический спектр сложного колебания

7.3. Логарифмический закон восприятия Вебера–Фехнера. Уровень громкости звука

Х а р а к т е р и с т и к и з в у к а

Важнейшими характеристиками звука являются громкость, высота тона и тембр. Эти субъективные характеристики связаны с объективными физическими величинами – с амплитудой (интенсивностью звука), частотой колебаний и спектром соответственно

Объективные и субъективные характеристики звука

7.1 . Субъективные характеристики звука

Субъективные характеристики – это параметры звукового ощущения, которое возникает у человека при воздействии звуковых волн (высота тона, громкость звука, тембр).

Громкостью называют субъективное качество, определяющее силу слухового ощущения, вызываемого звуком у слушателя. Чем больше амплитуда колебаний, тем звук громче (чем меньше амплитуда колебаний, тем звук тише).

Однако громкость не определяется только амплитудой силы звука, так как она зависит от частотного состава звукового сигнала, от условий его восприятия и длительности воздействия.

В акустике для количественной оценки громкости применяют метод субъективного сравнения измеряемого звука с эталонным, в качестве которого применяется синусоидальный тон частотой 1кГц. В процессе сравнения уровень эталонного тона изменяют до тех пор, пока эталонный и измеряемый звуки станут восприниматься человеком равногромкими.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, воспринимаются человеком как определенный музыкальный то н. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона , звуки низкой частоты – как звуки низкого тона.

Звуковые колебания, не подчиняющиеся гармоническому закону, воспринимаются человеком как сложный звук, обладающий тембром . Тембр помогает нам о тличить звук одного музыкального инструмента от другого.

Натуральные звуки, с которыми мы сталкиваемся в жизни, практически никогда не бывают «чистыми» синусоидальными тонами : источник вместе с основным колебанием излучает волны с частотами в 2, 3, 4, 5 и т.д. раз большими основной частоты. По принятой в музыкально акустике терминологии эти колебания называются, соответственно, основным тоном и обертонами: 1 – м, 2 – м, 3 – м, 4 – м и т.д. В физике используется иная терминология: основной тон называют 1 – й гармоникой, а обертоны называют высшими гармониками 2 – й, 3 – й, 4 – й и т.д. по порядку.

Тембр – это звук, в котором присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд.

Можно сказать, что тембр определяется величиной амплитуд отдельных гармоник (т.е. зависит от числа высших гармоник и отношения их амплитуд к амплитуде основной гармоники и не зависит от фаз высших гармоник).

Способ звукоизвлечения также влияет на качество звука.

Например, перебирая струны скрипки, мы получим совсем иной звук, чем тогда, когда водим по струнам смычком. Спектр звука в самом начале (например, в момент удара молоточка по струне фортепиано) или в конце звучания ноты может значительно отличаться от спектра звука при дальнейшем звучании ноты.

Относительные интенсивности гармоник в спектре звуковых волн камертона (1)

и фортепиано (2), которые звучат на ноте «ля» контроктавы ( f 1 = 220 Гц)

1) узкополосные шумы (которыми сопровождаются звуки всех музыкальных инструментов). Шумы имеют непрерывный спектр. Например, играя на флейте, музыкант возбуждает не только периодический музыкальный тон, но и шум от вдувания воздуха. Из этого шума флейта, как акустический резонатор, выделяет узкую полосу вблизи основного тона. Этот узкополосный шум смешивается с основным тоном, благодаря чему звук флейты приобретает присущую ему выразительность.

Объективные характеристики – это параметры звуковой волны, которые задает источник звука (интенсивность, частота и акустический спектр).

Чистые тоны субъективно воспринимаются громкими или тихими в зависимости от силы – интенсивности звука. Сила звука зависит от свойств звучащего тела, от среды, в которой звук распространяется, от местонахождения слушающего по отношению к источнику звука.

Человек начинает слышать при силе звука равной некоторой величине, называемой порогом слышимости (или слуховым порогом). Более слабые звуки слухового ощущения не вызывают.

При увеличении силы звука достигается нормальная слышимость, а затем при еще больших амплитудах звуковых колебаний к воспринимаемому звуку добавляется осязаемое ощущение давления.

При дальнейшем росте силы звука раздражение органа слуха становится болезненным. Так называемый болевой порог ограничивает область слышимости при больших уровнях интенсивности.

На рисунке изображены значения силы звука и соответствующие им звуковые давления, при которых звуковые сигналы с различными частотами становятся едва слышимыми. На этом же рисунке обозначен и болевой порог.

Порог слышимости на частоте 1 кГц соответствует силе звука :

Напомним, что количество колебаний воздуха в секунду называется частотой звука.

Например, диапазон частот органа – от 16,4 до 8372 Гц, фортепиано – от 27,5 до 3520 Гц, клавесина – от 87 до 1400 Гц, акустической гитары – от 81 до 1300 Гц, арфы – от 34,6 до 3320 Гц.

Диапазон частот некоторых музыкальных инструментов

Благодаря суперпозиции сложение колебаний приводит к более сложным формам колебаний. Для практических целей бывает необходимой противоположенная операция: разложение сложного колебания на простые, обычно гармонические, колебания.

Фурье показал, что периодическая функция любой сложности может быть представлена в виде суммы гармонических функций, частоты которых кратны частоте сложной периодической функции.

На рисунке приведена временная функция (осциллограмма) созвучия скрипки.

Распознать по этому графику основной тон колебания очень трудно.

Наример, нота « ля» кларнета имеет гармоники той же частоты, что и нота « ля» пианино, но с другими амплитудами, поэтому тембр звуков неодинаков.

Осциллограмма тона частотой 2 кГц (программа Audacity 1.2.6)

Амплитудно-частотный спектр синусоидального тона с частотой 2кГц

7 . 3 . Логарифмический закон восприятия Вебера–Фехнера. Уровень громкости звука

Эрнст Генрих Вебер

Согласно психофизическому закону Вебера–Фехнера слух одинаково оценивает равные относительные изменения силы звука (при росте в геометрической прогрессии интенсивности раздражения, интенсивность восприятия растет в арифметической прогрессии).

Густав Теодор Фехнер

Это объясняется логарифмическим законом восприятия – ощущение пропорционально логарифму раздражения (ощущение изменения громкости пропорционально не изменениям силы звука, а логарифму этих величин):

где L – воспринимаемое изменение громкости (уровень интенсивности звука),

I 1 и I 2 – сила звука соответственно до и после его изменения,

С – коэффициент пропорциональности,

lg – десятичный логарифм.

Эта запись равнозначна следующей:

Для пояснения физиологической значимости логарифмического закона восприятия изобразим график логарифмической функции L = C ·lgI. При малых аргументах I функция L = C ·lgI растет довольно быстро с увеличением аргумента. Это означает, что небольшое увеличение малой интенсивности (на величину ∆ I ) приводит к значительному увеличению громкости (на величину ∆ L 1 ) – как только интенсивность звука немного превысила пороговое значение, уже возникает слуховое ощущение. Если же интенсивность звука велика, то ее дальнейшее увеличение на ту же величину ∆ I дает малый прирост громкости (на величину ∆ L 2 ) – при большой интенсивности звук хорошо слышен и дальнейшее увеличение интенсивности звука на возрастание ощущения громкости сказывается существенно слабее.

Итак, если сила звука увеличится в 100 раз то субъективное ощущение громкости изменится пропорционально 2 (при С=1), т.к. lg(100)=2; если это изменение – 1000, то громкость возрастет пропорционально lg(1000)=3. Принято измерять увеличение или уменьшение силы звука в специальных логарифмических единицах – «белах» [Б] (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона) :

Небольшие изменения звуковых уровней измеряют в долях Бела. На практике в основном используется единица измерения, равная десятой части Бела – децибел (1 дБ=0,1 Б). Изменение уровня силы звука, выраженное в дБ, равно численному значению десятичного логарифма отношения сравниваемых уровней интенсивностей, умноженному на 10 (С=10):

В качестве I 1 обычно берется порог слышимости, т.е. интенсивность самого тихого звука, который способен слышать средний человек

Однако, громкость не может быть охарактеризована только величиной силы звука, так как на восприятие громкости человеком влияет частотный состав звукового сигнала. На практике используют относительную величину, называемую уровнем громкости (громкостью).

Уровень громкости выражается в фонах и численно равен уровню звукового давления (в децибелах – дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц равногромким данному звуку.

С помощью этой диаграммы можно определить уровень громкости чистого тона какой-либо частоты, зная уровень создаваемого им звукового давления.

Кривые равной громкости

(международный стандарт ISO 226:2003 )

Если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон (данный звук имеет уровень громкости 50 фон).

Поворачивая регулятор громкости в сторону увеличения, мы начинаем лучше различать басы и верхние частоты. Напротив, если снизить громкость до такого уровня, когда звук едва слышен, то различаются только средние частоты.

Для усиления басов и верхних частот в аппаратуре среднего класса часто используется кнопка » тонкомпенсация » ( l oudness), что позволяет компенсировать пониженную восприимчивость уха к ним при малой громкости звука.

В гортани между передним и задним хрящами натянуты голосовые связки. При спокойном дыхании они вялы и между ними образуется широкая щель для свободного прохождения воздуха.

Звуковые волны, образующиеся в голосовой щели, сложны и представляют собой наложение большого числа всевозможных тонов.

Когда мы меняем форму рта, мы даем преимущество гармоникам одних частот над другими. Благодаря этому мы произносим различно звуки, например «а», «е», «и», «о» и т.д.

Конфигурации рта и глотки при произнесении звуков « э» и « а»

7.4.2. Слуховой аппарат человека

Почему человек слышит звуки только в диапазоне 20-20000 Гц?

Орган слуха состоит из наружного, среднего и внутреннего уха.

Наружное ухо состоит из ушной раковины, наружного слухового прохода и барабанной перепонки.

Внутреннее ухо – это полость, свернутая улиткой и заполненная жидкостью. Внутреннее ухо соединено со средним с помощью овального окна, в котором неподвижно укреплена подножная пластинка стремечка.

Среднее ухо – небольшая полость, заполненная воздухом (+ цепь соединенных между собой косточек: молоточка, наковальни и стремечка).

Ушная раковина по форме напоминает ребенка, лежащего в утробе матери вниз головой.

Ушная раковина по форме напоминает ребенка, лежащего в утробе матери вниз головой.

Считается, что ушная раковина связана со всеми внутренними органами и системами организма (в медицине успешно применяется ухоиглотерапия).

Наружный слуховой проход и барабанная перепонка

Наружный слуховой проход имеет дли­ну 21–27 мм, диаметр – 6–8 мм. В приближении можно считать трубочкой, закрытой с внутренней стороны барабанной перепонкой (его функция состоит в проведении звуковых колебаний к барабанной перепонке). Он играет роль резонатора, имеющего собственную частоту колебаний, равную 3000 Гц.

Наружный слуховой проход

В слуховом проходе и вблизи барабанной перепонки температура и влажность остаются постоянными независимо от изменений этих показателей в окружающей среде, что особенно необходимо для сохранения упругих свойств барабанной перепонки.

Давление воздушного пространства в полости среднего уха близко к атмосферному, что служит необходимым условием для нормальных колебаний барабанной перепонки.

Уравниванию давления способствует специальное образование, названное евстахиевой трубой, которая соединяет носоглотку с полостью среднего уха. Уравнивание давления в полости среднего уха происходит во время акта глотания, когда стенки евстахиевой трубы расходятся и атмосферный воздух попадает в барабанную полость. Это особенно важно и в случае с резким перепадом давления (при подъеме или спуске на самолете, в скоростном лифте).

Схематическое изображение уха человека в разрезе: 1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4 – евстахиева труба, 5 – молоточек, 6 – наковальня, 7 – стремечко, 8 – овальное окно, 9 – круглое окно, 10 – улитка (спиралевидный туннель)

Перепады давления в среднем ухе повторяют перепады давления в звуковой волне и передаются дальше – во внутреннее ухо.

Основная причина снижения слуха у пожилых людей – возрастная дегенерация и гибель волосковых клеток.

Потерю слуха можно компенсировать с помощью различных слуховых аппаратов.

Так Бетховен, чтобы слышать музыку, зажимал в зубах палочку и прикладывал ее к деке рояля. В 1900 году Поладио предложил очень похожий слуховой аппарат. Он состоял из деревянной палочки длиной 0,5 метра, на одном конце ее было металлическое полукольцо, которое надевалось на гортань говорящего, а другой конец оканчивался кружочком, который глухой должен был сжимать зубами.

Для усиления звука в начале XX века предлагался даже фонограф. Его укрепляли на лбу больного. Нижний конец трубки фонографа, закрытый мембраной, имел в центре овальное отверстие, которое передавало во время речи колебания костям черепа.

Первый электрический слуховой аппарат изготовил в 1875 году американский изобретатель Александр Грехем Белл. На основе слухового аппарата через год был создан телефон.

Источник