Теория звука и акустики понятным языком. Распространение звуковых волн, фаза и противофаза
Акустика - учение о звуке. Звук - это субъективное восприятие упругих колебаний, распространяющихся в окружающей среде. Звуковые колебания характеризуются высотой, громкостью и тембром.
Высота звука (в музыке - тон) характеризуется частотой звуковых колебаний. Единица измерения частоты колебаний - герц (Гц), соответствует одному колебанию в секунду. Из огромного многообразия существующих в природе звуков человеческий слух воспринимает лишь те, частота которых составляет от 16 до 20000 Гц.
Самый низкий тон рояля имеет частоту колебаний 27,5 Гц, а самые большие трубы органа издают звуки частотой примерно 16 Гц. Это самый низкий тон, который еще способен воспринимать человек. На нижней границе слухового восприятия трудно понять, слышим ли мы звук или воспринимаем колебания воздуха всем телом. Эта область звуковых частот сопровождает грозы и ураганы, извержения вулканов и землетрясения. Такие звуки издавна оказывали сильное эмоциональное воздействие на психику человека, на его подсознание.
Если акустическая система радиоаппаратуры не в состоянии воспроизводить низкочастотные колебания с достаточной громкостью, то воспроизведение будет лишено естественности и реальности. Следует иметь в виду, что воспроизведение самых низких звуковых частот представляет серьезную техническую проблему и доступно лишь для очень дорогой аппаратуры. Звуки частотой колебаний ниже 16 Гц называются инфразвуками.
Верхняя граница слухового восприятия лежит между частотами 16000-20000 Гц. Человек воспринимает такие звуки как свист или писк. Если акустическая система не будет воспроизводить высокие частоты, то исчезает окраска звука, без чего невозможно отличить звучание разных музыкальных инструментов. Частоты выше предела слышимости относятся к области ультразвуков.
Громкость звука - это субъективное ощущение органом слуха силы звука. Она определяется амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем сильнее звук. В электроакустике принято выражать звуковое давление логарифмическими единицами - децибелами (дБ).
Уровень шума в тихом читальном зале составляет 30 дБ, при обычной беседе - 50 дБ, громкость двигателя мотоцикла - 90, удара грома - 120 дБ, реактивный самолет - 140 дБ. Звук громкостью 120 дБ принят за порог болевого ощущения.
Тембр звучания или окраска звука определяется набором обертонов (призвуков) разной частоты и амплитуды, сопровождающих основной звук. Обертоны появляются вследствие резонанса отдельных деталей музыкального инструмента. Так одновременно с колебанием струны гитары колеблется дека, днище, обечайка, гриф, которые генерируют призвуки, отличные по частоте от основного тона. Совокупность этих колебаний формирует обертоновую структуру тембра. Тембр может быть ярким, звонким, тусклым, мягким и певучим. Благодаря тембру мы узнаем по звуку на слух название музыкального инструмента.
Различают звучание моно-, стерео- и квадрафоническое.
Монофоническое звучание характерно для одноканальной системы передачи звуковой информации через микрофон, усилитель и громкоговоритель. Недостатком является то, что записанная микрофоном реальная звуковая панорама, состоящая из нескольких источников звука, воспроизводится как бы из одной точки. Здесь нет ясности о расположении источников звука в пространстве, отсутствует реальная звуковая картина.
Стереофоническое звучание предполагает двухканальную систему распространения звуков. Для ее реализации нужны два микрофона, двухканальный усилитель и две колонки. Колонки располагаются на некотором расстоянии друг от друга. Это расстояние называется стереобазой.
Стереофоническое звучание создает эффект присутствия. Слушатель может легко определить расположение отдельных источников звука, проследить за их перемещением по "фронту" слева направо и наоборот. Стереофоническое звучание не в состоянии передать полной звуковой картины, так как необходима еще ориентация в направлении "фронт-тыл".
Квадрафоническое звучание предполагает четырехканальную запись информации через четыре микрофона, расставленные вокруг источников звука, усиление через четырех-канальный усилитель и воспроизведение через четыре звуковые колонки, расставленные по углам комнаты. Квадрафоническое звучание создает эффект полного присутствия в центре звуковой картины.
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 .
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 .
Искусственные - струна, колокол, дудочка.
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 1 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 , 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 основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой называется первой гармоникой , обертон со следующей частотой - 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.
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.
