Для школьников.
Звуковыми или акустическими колебаниями называются механические колебания упругих тел, частота колебаний которых лежит в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемом нашим ухом.
Так как звуковые колебания являются частным случаем механических колебаний, то им присущи те же понятия и закономерности, что и для любых механических колебаний (гармонические колебания; периодические колебания, не являющиеся гармоническими; вынужденные колебания; резонансные явления и т. д.)
До нашего уха звук доходит через воздух (упругую среду).
О том, как это происходит будем говорить в статье "Механические волны". Сейчас же скажем лишь о том, что звучащее тело попеременно то сжимает слой воздуха, прилегающий к его поверхности, то создаёт разрежение в этом слое, то есть распределение звука в воздухе начинается с колебания плотности воздуха у поверхности колеблющегося тела (изменения давления в этом слое воздуха).
Для распространения звука обязательно нужна упругая среда - в вакууме звук не распространяется. Это наблюдается на опыте: если звучащее тело поместить под колокол и откачать оттуда воздух, то звук не будет слышен.
Дошедшие до уха от звучащего тела колебания вызывают вынужденные колебания барабанной перепонки уха, которые воспринимаются мозгом как звук.
Наше ухо очень чувствительно, оно улавливает даже самые слабые звуки. Мы легко определяем, сравнивая два звука, какой из них громче. Различаем и высоту звука.
Гармонически колеблющееся упругое тело (например, камертон) даёт чистый звук, то есть звук одной частоты.
Высота звука определяется частотой колебаний упругого тела. Чем больше частота, тем более высокий звук мы слышим.
Громкость звука определяется амплитудой звуковых колебаний.
Кроме громкости и высоты звук характеризуется тембром. Чтобы разобраться с тембром, вспомним теорему Фурье.
По теореме Фурье, всякое сложное периодическое колебание (сложной формы) можно представить в виде суммы гармонических колебаний (гармоник) с частотами в 2, 3, 4 и т. д. раз большими частоты основной гармоники (см. статью "Сложение гармонических колебаний").
Голоса людей, звучание одной и той же ноты на разных музыкальных инструментах отличаются тембром.
На рисунке ниже показаны различия форм колебаний при звучания одной и той же ноты ДО первой октавы на разных инструментах: кларнете, пианино и скрипке.
Различие зависит от тембра, придаваемого ноте этими музыкальными инструментами.
На следующем рисунке показан состав сложного колебания (формы колебания).
Сложное колебание г), согласно теореме Ферми, представляет собой сумму гармонических колебаний (гармоник) а), б), в), отличающихся друг от друга частотой и амплитудой.
Частота гармонического колебания а) является основной (минимальной) частотой.
Синусоиды б) и в) называются обертонами.
Частота гармонического колебания б) в 3 раза больше основной частоты. Частота гармонического колебания в) в 5 раз больше основной частоты.
При одновременном звучании колебаний а), б) и в) образуется сложное периодическое колебание г).
Период этого колебания равен периоду гармонического колебания а), имеющего минимальную частоту .
Одновременное звучание гармоник а), б) и в) определяет тембр звучания инструмента.
Сложное колебание (форма колебания) может состоять из большого числа разных гармоник.
Итак, тембр звука определяется набором его гармоник (гармоническим спектром). Чем больше обертонов в звучании основного тона, тем приятнее тембр звука.
Звук струны слабый. Чтобы его усилить нужен резонатор. Резонатор не только усиливает звук, но и придаёт ему тембр, окраску, мягкость звучания своими обертонами.
Резонаторами служат корпуса инструментов. сам концертный зал.
Звучание сильно зависит от формы резонатора, например, от формы корпуса скрипки. При удачной форме корпуса (например, скрипка Страдивари) слышны все звуки, тембр звучания приятный.https://yandex.ru/video/preview/?text=%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%20%D1%81%D0%BA%D1%80%D0%B8%D0%BF%D0%BA%D0%B0%20%D1%81%D0%BB%D1%83%D1%88%D0%B0%D1%82%D1%8C%20%D0%BE%D0%BD%D0%BB%D0%B0%D0%B9%D0%BD%20%D0%B1%D0%B5%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%BE&path=wizard&parent-reqid=1638093825131207-11472007714300159379-vla1-1923-vla-l7-balancer-8080-BAL-7341&wiz_type=vital&filmId=13898430983458167335
Мы говорили о музыкальных звуках, таких, в которых изменение акустического давления, воспринимаемое ухом, упорядочено и повторяется регулярно, через равные промежутки времени.
Звук перестаёт быть музыкальным, его называем шумом, когда звуковое давление изменяется в нём беспорядочно.
Вынужденные звуковые колебания. Акустический резонанс
Для рассмотрения вынужденных звуковых колебаний воспользуемся двумя одинаковыми камертонами, закрепленными на пустых ящиках, открытых с одной стороны.
Камертон представляет собой устройство, состоящее из металлического стержня с двумя ножками. Камертон является особым источником звука, испускающим при ударе звук единственной (основной) частоты - чистый звук.
На пустые ящики (резонаторы) камертоны ставят для усиления испускаемого ими звука.
Усиление звука при этом объясняется так. При звучании камертона его стержень колеблется вдоль своего направления:
Эти колебания стержня передаются стенке ящика. В результате воздух то втягивается в ящик, то выталкивается из него, то есть происходят колебания воздуха в ящике.
Если длина ящика будет такой, что частота колебаний воздуха в нём будет равна частоте колебаний камертона (явление резонанса), то колебания воздуха в ящике резко усилятся и звук, исходящий из отверстия ящика, будет значительно сильнее звука камертона. Поэтому такие ящики и называют резонансными ящиками или резонаторами.
Сущность опыта (появление вынужденных звуковых колебаний) заключается в следующем.
Если камертоны 1 и 2 одинаковы (имеют одинаковую частоту, зависящую от размеров камертонов), то при ударе по камертону 1 начинает звучать и камертон 2.
Если же камертоны разные (имеют разные размеры, разную высоту тона), то при ударе по камертону 1 второй камертон звучать не будет.
Прежде чем разобраться с этим явлением, посмотрите статью "Вынужденные колебания. Резонанс", потому что явление вынужденных колебаний у камертонов происходят так же, как и у вынужденных колебаний груза на пружине.
Итак, когда камертоны, установленные на ящиках одинаковы, то колебание камертона 1 через воздух действует на камертон 2 с некоторой гармонической силой, частота которой равна частоте колебаний камертона 1.
Так как частота силы равна частоте камертона 2, то наступает резонанс - камертон 2 сильно раскачивается и звучит.
Если же собственная частота камертона 2 не равна частоте камертона 1, значит не равна частоте гармонической силы, действующей на камертон 2, то резонанса не наступит и камертон 2 не будет колебаться.
( далее см. статью "Истоки развития радиосвязи и звукозаписи").
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Предыдущая запись: Вынужденные колебания. Резонанс.
Следующая запись: Истоки развития радиосвязи и звукозаписи.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .