Высота, тембр и громкость звука
Источниками всех звуков, которые мы слышим, являются тела, совершающие колебания. Эти колебания обладают частотой, находящейся в диапазоне от $20 \space Гц$ до $20 \space 000 \space Гц$ (рисунок 1).
Невозможно не обратить внимание, что слышимые нами звуки являются совершенно разными и часто не похожими друг на друга. Чтобы иметь возможность описать их, на данном уроке мы познакомимся с такими характеристиками звука как высота, тембр и громкость; узнаем, что они тесно связаны с физическими величинами, которые характеризуют колебания, — с частотой и амплитудой колебаний тела, от которого исходит звук.
Высота звука
Высота, тембр и громкость звука являются его субъективными характеристиками. То есть эти параметры помогают человеку описать звуковые ощущения. При этом они связаны с объективными физическими величинами, которые мы используем для описания тех или иных колебаний. Например, высота звука связана с частотой колебаний его источника.
Опыты
Проверим это утверждение на опыте. Возьмем упругую металлическую линейку и закрепим ее в тисках. При этом подберем длину свободного конца так, чтобы при его колебаниях был слышен звук (рисунок 2, а). То есть свободный конец линейки должен колебаться с частотой, не меньшей $20 \space Гц$.
А теперь переместим линейку в тисках вниз. Так мы сделаем ее свободный конец немного короче (рисунок 2, б). Снова заставим ее колебаться. Невооруженным глазом можно заметить, что частота колебаний линейки увеличилась, теперь она совершает больше колебаний в единицу времени, чем в прошлый раз. При этом звук, исходящий от нее, тоже изменился — он стал выше. Постепенно укорачивая свободную часть линейки и таким образом увеличивая частоту колебаний, можно убедиться, что с каждым разом звук будет становиться все выше и выше.
Также связь высоты звука и частоты колебания можно подтвердить с помощью следующего опыта. Возьмем зубчатый диск (рисунок 3). Похожие диски используются в устройстве циркулярных пил.
С помощью специального устройства заставим диск вращаться. Прикоснемся к его зубчатому краю небольшим листом картона (рисунок 4).
Зубья диска задевают картон, и он начнет совершать вынужденные колебания. Мы услышим звук. Если увеличить скорость вращения диска, то наш кусочек картона станет вибрировать в нашей руке быстрее — частота его колебаний увеличится. Звук при этом станет заметно выше.
Высота звука и частота колебаний
Высота звука зависит от частоты колебаний. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый звук.
Для примера в таблице 1 представлены частоты колебаний крыльев некоторых насекомых и птиц. Из-за низкой частоты мы не слышим взмахов крыльев бабочек и больших птиц (менее $20 \space Гц$). А более высокий звук исходит от летящего комара, чем от мухи. Это объясняется более высокой частотой взмахов его крыльев.
Источник звука | Частота колебаний крыльев, $Гц$ |
---|---|
Аист | 2 |
Ворона | 3–4 |
Бабочка | До 9 |
Воробей | До 13 |
Колибри | 35–50 |
Майский жук | 45 |
Пчела | 200–250 |
Муха | 200–330 |
Комар | 500–600 |
Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов, представленных на рисунке 5.
Тон звука
На прошлом уроке в ходе небольшого опыта мы узнали, что колебания, которые совершают ветви камертона, являются гармоническими. Таким колебаниям всегда соответствует определенная частота. Больше всего распространены камертоны с частотой колебаний, равной $440 \space Гц$. При этом камертон будет издавать звук, соответствующий ноте Ля. Такой звук будет называться чистым тоном (рисунок 6).
Чистый тон — это звук источника, который совершает гармонические колебания одной частоты.
Другим нотам также соответствуют определенный частоты (таблица 2).
Нота | Частота, $Гц$ |
---|---|
До | 262 |
Ре | 294 |
Ми | 330 |
Фа | 349 |
Соль | 392 |
Ля | 440 |
Си | 493 |
Чем ниже частота колебаний, тем ниже нота. И, наоборот, чем выше частота, тем выше нота (рисунок 7).
В реальной жизни звуки, которые мы слышим от музыкальных инструментов, представляют собой совокупность гармонических колебаний с разными частотами. То есть — совокупность чистых тонов (рисунок 8).
В такой сложной совокупности всегда можно выделить самую малую (низкую) частоту. Ее называют основной. Ей соответствует определенный звук с определенной высотой. Его называют основным тоном или иногда просто тоном звука. То есть, когда вы слышите о тоне звука, речь идет о его частоте. Высота сложного звука всегда определяется высотой именно его основного тона — самой низкой частотой.
Высота звука определяется частотой его основного тона. Чем больше частота основного тона, тем выше звук.
Обертоны
В сложных звуках мы выделяем основной тон, соответствующий самой низкой частоте. Все остальные тоны называются обертонами (рисунок 9). Частоты всех обертонов рассматриваемого звука будут в целое число раз больше частоты его его основного тона. Поэтому их часто называют высшими гармоническими тонами.
Тембр звука
Обертоны будут определять следующую характеристику звука — его тембр. Это качество позволяет нам отличать звуки одних источников от других.
Например, благодаря тембру, мы легко можем отличить звук скрипки от звука фортепьяно, даже если эти звуки будут иметь одинаковую высоту (одну и ту же частоту основного тона). Эти звуки будут иметь разный набор обертонов. Они могут отличаться их количеством, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот.
Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.
Когда говорят о тембре голоса человека используют различные эпитеты: мягкий, мелодичный, глухой, бархатный, холодный, звонкий и другие.
Громкость звука
Следующая характеристика звука — это его громкость. Она связана с амплитудой колебаний источника звука.
Проверим это утверждение на опыте с камертоном (рисунок 10). К одной из ветвей поднесем вплотную маленький легкий шарик, подвешенный на нити. По другой ветви слегка ударим мягким молоточком (рисунок 10, а). Обе ветви камертона начинают колебаться, слышен негромкий звук. Шарик отскакивает от колеблющейся ветви на небольшое расстояние.
Теперь остановим ветви камертона. Снова ударим по нему молоточком, но на этот раз намного сильнее (рисунок 10, б). Звук явно стал громче. Шарик при этом отскакивает от колеблющейся ветви на большее расстояние. Это говорит нам о том, что амплитуда колебаний ветви камертона стала больше (рисунок 11).
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.
В проведенном опыте с камертоном частота звука была одинаковой при разной громкости. Но если мы будем рассматривать звуки разных частот, кроме амплитуды колебаний нужно будет учитывать еще один фактор, когда мы говорим о громкости. Человеческое ухо обладает разной чувствительностью к звукам разной частоты. Например, высокий женский голос с частотой $1000 \space Гц$ будет для нас намного громче низкого мужского голоса с частотой $200 \space Гц$. При этом амплитуды колебаний голосовых связок певицы и певца будут одинаковы.
При одинаковых амплитудах звуки воспринимаются более громкими, если их частота составляет от $1000$ до $5000 \space Гц$.
Кроме этого громкость звука для слушающего его человека будет зависеть от длительности этого звука и от индивидуальных особенностей слушателя.
Единицы измерения звука
Получается, что мы используем понятие громкости звука как субъективное качество силы (интенсивности $I$) слухового ощущения. Оно позволяет нам располагать все звуки по шкале от тихих до громких.
Единицей измерения звука является сон. Но чаще громкость звука характеризуется уровнем звукового давления, или уровнем звука. Оно измеряется в белах ($Б$) или децибелах ($Дб$).
$1 \space дБ = 0.1 \space Б$
Громкость звука в $1 \space сон$ соответствует громкости чистого тона с частотой $1000 \space Гц$ и уровнем звукового давления $40 \space дБ$.
В таблице 3 представлены некоторые звуки и соответствующие им уровни звука. Например, шелесту, возникающему при переворачивании страниц книги, соответствует уровень звукового давления, равный $20 \space Дб$. При работе отбойного молотка возникает звук в $120 \space Дб$, что может вызывать болевые ощущения.
Звук | Уровень звука, $Дб$ |
---|---|
Шелест листьев | 10 |
Шепот человека на расстоянии $1 \space м$, шелест книжных страниц | 20 |
Тиканье настенных часов | 30 |
Приглушенный разговор | 35 |
Обычная речь | 45 |
Громкий разговор | 65 |
Крик, смех | 75 |
Громкий крик, мотоцикл с глушителем | 85 |
Грузовой железнодорожный вагон | 90 |
Вагон метро | 95 |
Оркестр | 100 |
Вертолет | 110 |
Отбойный молоток | 120 |
Порог слышимости — это минимальная величина звукового давления, при которой звук данной частоты может быть воспринят ухом человека.
Порог слышимости зависит от частоты звука. Так мы можем слышать звуки более высоких частот с низким уровнем звукового давления, а звуки более низких частот должны обладать более высоким уровнем, чтобы мы могли их воспринимать (рисунок 12).
Обычно мы начинаем ощущать дискомфорт от уровня в $110 \space дБ$. Более громкие звуки вызывают болевые ощущения и травмы.
Вредное воздействие громких звуков
Громкие звуки негативно влияют на здоровье человека, особенно шумы.
Шумом называют совокупность звуков разной громкости, высоты тона и тембра. Вредное воздействие шума проявляется в виде шумовой болезни. Возникает чувство дискомфорта, нарушается продуктивность, повышается нервная возбудимость, появляется быстрая утомляемость, повышается артериальное давление.
На рисунке 13 для примера представлены различные шумы и звуки и их громкость (звуковое давление).
Примеры шумов и их влияние на человеческий организм при длительном воздействии представлены в таблице 5. Шумы с уровнем до $40 \space Дб$ обычно не вызывают явного дискомфорта. Постоянное воздействие шумов в диапазоне от $60$ до $90 \space Дб$ вызывает снижение работоспособности и раздражительность, может оказывать физиологическое воздействие: повышается пульс и давление, сужаются кровеносные сосуды. Шумы свыше $90 \space Дб$ вызывают нарушения слуха, головную боль, шум в ушах, тошноту. Если громкость превышает $130 \space Дб$, становится возможен разрыв барабанных перепонок и мелких кровеносных сосудов, возникает риск полной потери слуха.
Источник шума | Уровень шума, $Дб$ | Реакция человеческого организма на длительное воздействие |
---|---|---|
Листва, прибой | 20 | Успокаивает |
Средний шум в квартире | 40 | Гигиеническая норма |
Внутри здания рядом с магистралью, телевизор, поезд, мотоцикл, дизельный грузовик | 60–90 | Появляется раздражительность, повышается утомляемость, возникает головная боль |
Реактивный самолет на высоте $300 \space м$, цех текстильной фабрики | 95–110 | Постепенное ослабление слуха, нервно-психический стресс, язвенная болезнь, гипертония |
Отбойный молоток, реактивный двигатель (при взлете, на расстоянии $25 \space м$), музыкальный концерт | 120–170 | Вызывает звуковое опьянение, наподобие алкогольного, разрушение психики, глухота |
При этом различные исследования показывают, что звуки низких частот являются менее вредными для здоровья человека, чем звуки высоких частот той же интенсивности (рисунок 14).
Упражнения
Упражнение № 1
Какое насекомое чаще машет крыльями в полете — пчела, комар или муха? Почему вы так думаете?
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
Комар чаще машет крыльями — частота их колебаний больше, чем у шмеля или мухи. По этой причине мы слышим более высокий звук от летающего комара.
Упражнение № 2
Зубья вращающейся циркулярной пилы создают в воздухе звуковую волну. Как изменится высота звука, издаваемого пилой при ее холостом ходе, если начать распиливать толстую доску из плотной древесины? Почему?
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
При холостом ходе звук будет выше, чем при распиливании древесины.
При распиливании толстой доски из плотной древесины скорость вращения диска пилы уменьшается, также уменьшается и частота колебаний. Значит, звук становится ниже.
Упражнение № 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.
Посмотреть ответ
Скрыть
Ответ:
При повышении температуры натяжение струны уменьшится. Это обусловлено тем, что увеличится расстояние между ее молекулами при нагревании. Теперь она будет натянута не так туго, как до повышения температуры. Значит, издаваемый звук станет ниже.
Часто задаваемые вопросы
Опыты проводились с целью установления связи частоты колебаний источника звука и высоты этого звука. Чем больше частота, тем выше звук.
Записав колебания камертонов с помощью прикрепленной к ним металлический полоски с острием и закопченной стеклянной пластины, можно увидеть, что частота того камертона, который издает более высокий звук, будет больше частоты камертона, издающего более низкий звук.
Высота звука зависит от частоты колебаний его источника. Чем больше частота, тем выше звук.
При уменьшении амплитуды колебаний источника звука, громкость этого звука уменьшится.
Звук с частотой $3000 \space Гц$ будет более громким, потому что при одинаковых амплитудах человеческое ухо воспринимает как более громкие те звуки, частота которых лежит в пределах от $1000$ до $5000 \space Гц$.
Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем она больше, тем громче звук. При одинаковых амплитудах человеческое ухо воспринимает как более громкие те звуки, частота которых лежит в пределах от $1000$ до $5000 \space Гц$. Также громкость звука зависит от его длительности и индивидуальных особенностей слушателя.
Систематическое действие громких звуков (особенно шумов) негативно сказывается на здоровье человека. Может проявляться в повышенной нервной возбудимости, быстрой утомляемости, повышенном артериальном давлении, а также в нарушениях слуха и других травмах.
Хотите оставить комментарий?
Войти