Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. На прошлой лекции мы с вами начали изучать механические волны и в частности познакомились с таким понятием, как звук. И на этой лекции мы будем продолжать изучать это замечательное явление - это чувство звука. Мы выяснили, что звук это ощущение. Когда оно возникает? Когда мы слышим звук? Когда что происходит? Мы слышим звук, когда нам в ухо попадает звуковая волна и у нас возникает ощущение звука. А что такое звуковая волна? Давайте еще раз напомним себе.
Звуковая волна - это механическая продольная волна частота колебаний, которой лежит в диапазоне от 20 Гц до 20кГц.
- Если частота меньше 20 Гц, то такая волна называется инфразвуковой волной.
- Если частота больше 20 кГц , то такая волна называется ультразвуковой волной.
Но мы знаем, что звуки чрезвычайно разнообразны. Бывают звуки громкие, а бывают звуки тихие. Бывают звуки высокие, а бывают звуки низкие. И еще звук обладает какой-то неуловимой особенностью, какой-то окраской, которую мы называем тембром. Вот это особенно сложно понять, что из себя представляет тембр звука. И на этой лекции мы с вами ответим на такие вопросы: от чего и от каких объективных характеристик звуковой волны зависит ощущение высоты звука? От чего зависит ощущение громкости звука? И от чего зависит ощущение, называемое тембром звука? Последний вопрос не проходят в обычном общеобразовательном курсе физики, но так как это углубленный курс по физики для физиков, то мы этот вопрос здесь разберем.
Ну а теперь учите и не говорите, что вы не учили...Наша цель, то что мы воспринимаем, то что нам кажется связать с характеристиками звуковой волны. Раз так, то нам надо выяснить, точнее вспомнить еще раз какие характеристики имеет звуковая волна.
Характеристики звуковой волны: период колебания, частота колебания, амплитуда колебаний, скорость распространения волны, длина волны.
Оказывается, что воспринимаемые нами характеристики звука от длины волны не зависят, но зависят от частоты, периода и амплитуды. Зададим себе первый вопрос.
1. От чего зависит высота звука. Источник какого высокого звука источник какого-то низкого звука?
Это мы привели пример на приборе, который нельзя назвать профессиональным, а для генерации звуков используется профессиональные приборы - камертоны.
Давайте еще раз повторим вывод о том, что чем выше высота колебаний твердого тела, тем выше звук и наоборот, чем ниже частота колебаний, тем ниже звук. Или иными словами: более высокие звуки имеют большую частоту.
А теперь давайте в следующем видеоролике послушаем, как звучать звуки этой же высоты, но воспроизводимые уже не камертоном, а динамиками.
И давайте еще раз повторим от чего зависит высота звука.
Высота звука зависит от частоты колебаний звуковой волны.
Теперь давайте зададим себе второй вопрос. От чего зависит громкость звука? И ответить на этот вопрос гораздо проще...
Значит с течением времени амплитуда колебаний ножек камертона становится меньше и камертон начинает звучать все тише и тише, но если амплитуда колебаний, при этом, становится меньше, то это значит, что амплитуда колебаний в звуковой волне и частиц воздуха тоже становится меньше. Значит звуки более громкие мы слышим, если колебания в звуковой волне больше и более тихие, если амплитуда колебаний в звуковой волне меньше. Поэтому мы можем записать, что:
- громкие звуки - амплитуда колебаний в звуковой волне велика;
- тихие звуки - амплитуда колебаний в звуковой волне мала.
Правда, при этом нужно помнит о том, что мы подразумеваем, что звуки громкие и тихие при этом имеют одинаковую частоту колебаний (или одинаковую высоту, это одно и то же).
Дело в том, что способность уха воспринимать звуки зависит от того какую частоту имеет звук. Оказывается ухо лучше всего воспринимает звуки с частотами порядка 1-2 кГц. А вот звуки низкочастотные и высокочастотные ухо воспринимает хуже. Поэтому если мы даже с большой амплитудой будем заставлять колебаться линейку с маленькой частотой, то мы едва-едва услышим звук. Амплитуда большая, но звук при этом едва слышен, а если частота большая то при той же амплитуде звук будет очень громким. Поэтому нужно помнить о том, что идет речь о колебаниях одной и той же частоты. В инфразвуковой волне, которую мы создает размахивая длинной линейкой, амплитуда колебаний линейки очень большая, но мы при этом вообще ничего не слышим, громкость нулевая. И то же самое касается и ультразвука. Т.е надо помнить о том, что существует область частот, в которой ухо лучше всего слышит и эти звуки из этой области частот являются самыми громкими. И величина этой частоты порядка 1 кГц. Кстати, сигналы различные, как раз и подаются на этой частоте. Когда-то раньше у нас существовали сигналы точного времени - они передавались по радио. 6 сигналов на частоте 1кГц и каждый сигнал длился 0,1 сек. Начало 6 сигнала означало начало следующего часа. Почему выбрали именно 1 кГц? Потому что ухо воспринимает лучше всего частоты этого диапазона, чтобы люди лучше слышали, даже издали, если где-то вдали звучат сигналы точного времени и можно было бы часы проверить. И так какой вывод мы сделаем? Давайте еще раз повторим от чего зависит громкость звука?
Громкость звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне.
А теперь давайте попытаемся ответить на самый сложный вопрос. Что же такое тембр звука, точнее от чего зависит тембр звука? Чем определяется тембровая окраска звука?
Период и частота это "одно и тоже" и они ответственны за высоту звука, амплитуда - ответственна за громкость. Скорость звука не имеет значения для его восприятия. Длина волны тоже оказывается связанной с частотой. Значит в нашем перечне нет характеристик волны, которые бы определяли тембр. Давайте попробуем разобраться. Для этого нам нужно прежде всего несколько источников звука, которые имели бы одинаковую высоту. И мы попытаемся тогда выяснить почему при одной и той же высоте звука тембр у них при этом разный. Ну, например, возьмем возьмем такой источник звука, как камертон на частоте 440 Гц, которая соответствует музыкальной ноте "ля" первой октавы.
И так мы с вами услышали, что высота звука одинаковая, но какая-то есть окраска в каждом из этих звуков. Для того, чтобы разобраться в чем дело возьмем гитару...
И давайте в качестве нити возьмем уже используемую в одной из предыдущих лекциях "струну".
А теперь давайте вернемся к гитарной струне...
И так мы выясняем с вами, что тембр звука определяется вот чем.
3. Чем определяется тембр звука?
Тембр звука определяется громкостью и количеством обертонов в звуке. И что интересно частота обертонов на целое число раз больше, т.е кратно, частоте самого нижнего звука, который называется основным тоном.
Самый нижний звук по частоте называется основным тоном. Он определяет высоту звука. Мы разными звуками извлекаем из гитарной струны звуки разными способами, но при этом это одна и та же высота звука. Тембровая окраска разная.
- Основной тон - определяет высоту звука.
- Обертоны - определяют его тембровую окраску.
Мы можем создать звук в котором вообще нет обертонов. Это звук, который создает камертон. Колебания ножек камертона происходят по очень простому закону, который называется гармоническим законом. И при этом он испускает звук одной и той же частоты. Только основной тон - это звук скучный, он такой бесцветный, такой "безвкусный", как дистиллированная вода...
И на первый взгляд, кажется, что синтезировать звук можно очень просто...нужен простой ноутбук в котором можно воспроизводить звуки основного тона и обертонов и просто подмешивать. Пробовали это сделать и ничего не получается, потому что музыкальный инструмент все-таки гораздо сложнее звуки издает. В чем тут дело? Дело в том, что звук, например, гитары он сразу имеет большую громкость, а потом она постепенно убывает. Это называется атакой - которая совершается резко. И потом идет затухание. А вот у духовых инструментов наоборот. Когда вы начинаете дуть во флейту, то сначала слышно просто шипение, а потом постепенно разгорается звук. Т.е здесь атака мягкая, медленная...и вот эти нарастания и убывания звуков нельзя просто так промоделировать компьютерной программой. Хотя, исследователи немного уже продвинулись в этом направлении, но достигнуть совершенства до сих пор не получилось.
Вы замечали, что в рояле и в пианино в среднем регистре не одна струна, а сколько на каждую ноту приходится? Три штуки. На самом деле, когда молоточек ударяет по струнам в рояле в среднем регистре в первой октаве, он возбуждает колебания трех струн сразу. И опытные настройщики сразу спрашивают при настройке пианино как вам настроить инструмент? "Сухо" или чтобы он звучал более "ярко"? И в зависимости от этого они настраивают все три струны на одну частоту, либо на немного разные частоты. Если частоты чуть-чуть отличаются, то возникают вот эти самые биения и звук фортепиано становится более "полетным", более "пространственным", более "живым". А в Американских салонах вам приходилось слышать когда-нибудь какие там расстроенные фортепиано? Вот эти расстроенные фортепиано так звучат неустойчиво, потому что три струны, про которые мы говорили ранее сильно отличаются по частоте колебаний и поэтому биения получаются высокочастотными. Оказывается частота биения, частота изменения громкости звуков, равна разности частот. Давайте послушаем...
И так мы с вами выяснили, что у звука есть три основные характеристики: высота, громкость и тембр.
- Высота определяется частотой колебания в звуковой волне.
- Громкость определяется амплитудой колебания в звуковой волне.
- Тембр - зависит от того, сколько дополнительных призвуков (обертонов), частота которых кратна частоте основного тона содержится в звуке (в нашем случае частота основного тона - 440 Гц; обертонов - 880 Гц, 1320 Гц и 1760 Гц соответственно).
На этом мы эту лекцию закончим
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.