Στην ακουστική αίσθηση υπάρχουν ύψος, ένταση και χροιά ήχου . Αυτά τα χαρακτηριστικά ακουστική αίσθησησχετίζονται με τη συχνότητα, την ένταση και το αρμονικό φάσμα - τα αντικειμενικά χαρακτηριστικά ενός ηχητικού κύματος. Ο σκοπός του συστήματος μέτρησης ήχου είναι να δημιουργήσει αυτή τη σύνδεση και έτσι να επιτρέψει την έρευνα ακοής διαφορετικούς ανθρώπουςσυγκρίνετε ομοιόμορφα την υποκειμενική εκτίμηση της ακουστικής αίσθησης με τα αντικειμενικά δεδομένα μέτρησης.

Πίσσα - ένα υποκειμενικό χαρακτηριστικό που καθορίζεται από τη συχνότητα του θεμελιώδους τόνου του: όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο υψηλότερος είναι ο ήχος.

Σε πολύ μικρότερο βαθμό, το ύψος εξαρτάται από την ένταση του κύματος: στην ίδια συχνότητα, ένας ισχυρότερος ήχος γίνεται αντιληπτός ως χαμηλότερος.

Η χροιά ενός ήχου καθορίζεται σχεδόν αποκλειστικά από τη φασματική του σύνθεση. Για παράδειγμα, το αυτί διακρίνει την ίδια νότα που παίζεται σε διαφορετικά μουσικά όργανα. Οι ήχοι ομιλίας που είναι οι ίδιοι σε θεμελιώδεις συχνότητες μεταξύ διαφορετικών ανθρώπων διαφέρουν επίσης ως προς τη χροιά. Έτσι, η χροιά είναι ένα ποιοτικό χαρακτηριστικό της ακουστικής αίσθησης, που καθορίζεται κυρίως από το αρμονικό φάσμα του ήχου.

Ένταση ήχου Ε - αυτό είναι το επίπεδο της ακουστικής αίσθησης πάνω από το κατώφλι του. Εξαρτάται, πρώτα απ 'όλα, απόένταση ήχος.Αν και υποκειμενική, η ένταση μπορεί να ποσοτικοποιηθεί συγκρίνοντας την ακουστική αίσθηση δύο πηγών.

Επίπεδα έντασης ήχου και επίπεδα έντασης ήχου. Μονάδες μέτρησης. Νόμος Weber-Fechner.

Ένα ηχητικό κύμα δημιουργεί την αίσθηση του ήχου όταν η ένταση του ήχου υπερβαίνει μια ορισμένη ελάχιστη τιμή που ονομάζεται κατώφλι της ακουστότητας. Ένας ήχος του οποίου η ισχύς βρίσκεται κάτω από το κατώφλι της ακουστότητας δεν γίνεται αντιληπτός από το αυτί: είναι πολύ αδύναμος για αυτό. Το κατώφλι ακοής είναι διαφορετικό για διαφορετικές συχνότητες (Εικ. 3). Το ανθρώπινο αυτί είναι πιο ευαίσθητο σε δονήσεις με συχνότητες στην περιοχή των 1000 - 3000 Hz. για αυτήν την περιοχή το όριο ακοής φτάνει μια τιμή της τάξης τουΕγώ 0

= 10 -12 W/m2. Το αυτί είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητο σε χαμηλότερες και υψηλότερες συχνότητες. Οι πολύ ισχυροί κραδασμοί, της τάξης πολλών δεκάδων W/m2, δεν γίνονται πλέον αντιληπτοί ως ήχος: προκαλούν ένα απτικό αίσθημα πίεσης στο αυτί, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε επώδυνη αίσθηση. Η μέγιστη τιμή της έντασης του ήχου, πάνω από την οποία εμφανίζεται ο πόνος, ονομάζεται κατώφλι της αφής ή πόνος (Εικ. 3). Σε συχνότητα 1 kHz ισούται με I m = 10 W/m 2.

Ο ουδός πόνου είναι διαφορετικός για διαφορετικές συχνότητες. Μεταξύ του ορίου ακοής και του ουδού πόνου βρίσκεται η περιοχή ακρόασης που φαίνεται στο Σχήμα 3.

Ρύζι. 3. Διάγραμμα ακουστικότητας.

Η αναλογία έντασης ήχου για αυτά τα κατώφλια είναι 10 13 . Είναι βολικό να χρησιμοποιήσετε μια λογαριθμική κλίμακα και να συγκρίνετε όχι τις ίδιες τις τιμές, αλλά τους λογάριθμούς τους. Λάβαμε μια κλίμακα επιπέδων έντασης ήχου. Εννοια Ένας ήχος του οποίου η ισχύς βρίσκεται κάτω από το κατώφλι της ακουστότητας δεν γίνεται αντιληπτός από το αυτί: είναι πολύ αδύναμος για αυτό. Το κατώφλι ακοής είναι διαφορετικό για διαφορετικές συχνότητες (Εικ. 3). Το ανθρώπινο αυτί είναι πιο ευαίσθητο σε δονήσεις με συχνότητες στην περιοχή των 1000 - 3000 Hz. για αυτήν την περιοχή το όριο ακοής φτάνει μια τιμή της τάξης τουλαμβάνεται ως αρχικό επίπεδο της κλίμακας, οποιαδήποτε άλλη ένταση εγώεκφράζεται μέσω του δεκαδικού λογάριθμου του λόγου του προς Ένας ήχος του οποίου η ισχύς βρίσκεται κάτω από το κατώφλι της ακουστότητας δεν γίνεται αντιληπτός από το αυτί: είναι πολύ αδύναμος για αυτό. Το κατώφλι ακοής είναι διαφορετικό για διαφορετικές συχνότητες (Εικ. 3). Το ανθρώπινο αυτί είναι πιο ευαίσθητο σε δονήσεις με συχνότητες στην περιοχή των 1000 - 3000 Hz. για αυτήν την περιοχή το όριο ακοής φτάνει μια τιμή της τάξης του :

Ο λογάριθμος του λόγου δύο εντάσεων μετριέται σε μπέλα (Β).

Μπελ (Β)— μονάδα της κλίμακας της στάθμης της έντασης του ήχου, που αντιστοιχεί σε μεταβολή του επιπέδου έντασης κατά 10. Μαζί με τα λευκά χρησιμοποιούνται ευρέως ντεσιμπέλ (dB),Στην περίπτωση αυτή, ο τύπος (6) θα πρέπει να γραφτεί ως εξής:

	0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 dB

Ρύζι. 4. Ένταση κάποιων ήχων.

Η δημιουργία μιας κλίμακας επιπέδου έντασης βασίζεται στον σημαντικό ψυχοφυσικό νόμο του Weber-Fechner. Εάν, σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, αυξήσουμε τον ερεθισμό σε γεωμετρική πρόοδο (δηλαδή κατά τον ίδιο αριθμό φορών), τότε η αίσθηση αυτού του ερεθισμού θα αυξηθεί με αριθμητική πρόοδο (δηλαδή κατά την ίδια ποσότητα).

Στοιχειώδης αύξηση dEΗ ένταση του ήχου είναι ευθέως ανάλογη με την αναλογία αύξησης dIη ένταση στην ίδια την ένταση εγώήχος:

Οπου κ— συντελεστής αναλογικότητας, ανάλογα με τη συχνότητα και την ένταση.

Στη συνέχεια το επίπεδο έντασης μιενός δεδομένου ήχου προσδιορίζεται με την ενσωμάτωση της έκφρασης 8 σε ένα ορισμένο μηδενικό επίπεδο Ένας ήχος του οποίου η ισχύς βρίσκεται κάτω από το κατώφλι της ακουστότητας δεν γίνεται αντιληπτός από το αυτί: είναι πολύ αδύναμος για αυτό. Το κατώφλι ακοής είναι διαφορετικό για διαφορετικές συχνότητες (Εικ. 3). Το ανθρώπινο αυτί είναι πιο ευαίσθητο σε δονήσεις με συχνότητες στην περιοχή των 1000 - 3000 Hz. για αυτήν την περιοχή το όριο ακοής φτάνει μια τιμή της τάξης τουσε ένα δεδομένο επίπεδο εγώένταση.

Ετσι, Νόμος Weber-Fechnerδιατυπώνεται ως εξής:

Το επίπεδο έντασης ενός δεδομένου ήχου (σε μια ορισμένη συχνότητα ηχητικών δονήσεων) είναι ευθέως ανάλογο με το λογάριθμο του λόγου της έντασής του I να εκτιμήσει Εγώ 0 , που αντιστοιχεί στο όριο ακοής:

Η συγκριτική κλίμακα, καθώς και η μονάδα bel και decibel, χρησιμοποιείται επίσης για τον χαρακτηρισμό των επιπέδων ηχητικής πίεσης.

Οι μονάδες μέτρησης των επιπέδων έντασης έχουν τα ίδια ονόματα: μπελ και ντεσιμπέλ, αλλά για να διακριθούν από την κλίμακα στάθμης έντασης ήχου, τα ντεσιμπέλ ονομάζονται ντεσιμπέλ στην κλίμακα επιπέδου έντασης φόντα (F).

Bel - αλλαγή στο επίπεδο έντασης ενός τόνου με συχνότητα 1000 Hz όταν το επίπεδο έντασης του ήχου αλλάζει κατά 10 φορές. Για έναν τόνο 1000 Hz, οι αριθμητικές τιμές σε κουδούνια του επιπέδου έντασης και του επιπέδου έντασης είναι οι ίδιες.

Αν σχεδιάσουμε καμπύλες για διαφορετικά επίπεδαένταση, για παράδειγμα, σε βήματα κάθε 10 υπόβαθρα, λαμβάνετε ένα σύστημα γραφημάτων (Εικ. 1.5), το οποίο καθιστά δυνατό να βρείτε την εξάρτηση του επιπέδου έντασης του ήχου από τη συχνότητα σε οποιοδήποτε επίπεδο έντασης.

Γενικά, το σύστημα ίσων καμπυλών έντασης αντανακλά τη σχέση μεταξύ της συχνότητας, του επιπέδου έντασης και του επιπέδου έντασης του ήχου και καθιστά δυνατή τη χρήση δύο γνωστών από αυτές τις ποσότητες για την εύρεση του τρίτου - άγνωστου.

Η μελέτη της ακουστικής οξύτητας, δηλαδή της ευαισθησίας του ακουστικού οργάνου σε ήχους διαφορετικού ύψους, ονομάζεται ακοομετρία. Τυπικά, η μελέτη βρίσκει σημεία στην καμπύλη κατωφλίου ακοής σε συχνότητες που συνορεύουν μεταξύ οκτάβων. Μια οκτάβα είναι ένα διάστημα βημάτων στο οποίο ο λόγος των ακραίων συχνοτήτων είναι ίσος με δύο. Υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι ακοομετρίας: ο έλεγχος ακοής με ομιλία, τα πιρούνια συντονισμού και ένα ακουόμετρο.

Καλείται η γραφική παράσταση του ορίου ακοής έναντι της συχνότητας του ήχουακοόγραμμα. Η απώλεια ακοής προσδιορίζεται συγκρίνοντας το ακοόγραμμα του ασθενούς με μια φυσιολογική καμπύλη. Η συσκευή που χρησιμοποιείται σε αυτή την περίπτωση - ένα ακουόμετρο - είναι μια γεννήτρια ήχου με ανεξάρτητη και λεπτή ρύθμιση της συχνότητας και του επιπέδου έντασης του ήχου. Η συσκευή είναι εξοπλισμένη με τηλέφωνα για αέρα και οστική αγωγιμότητακαι ένα κουμπί σήματος, με το οποίο το άτομο σημειώνει την παρουσία ακουστικής αίσθησης.

Αν ο συντελεστής κήταν σταθερή, τότε από Λ ΒΚαι μιΘα συνεπαγόταν ότι η λογαριθμική κλίμακα των εντάσεων του ήχου αντιστοιχεί στην κλίμακα της έντασης. Σε αυτή την περίπτωση, η ένταση του ήχου, καθώς και η ένταση, θα μετρώνται σε μπελ ή ντεσιμπέλ. Ωστόσο, ισχυρή εξάρτηση καπό τη συχνότητα και την ένταση του ήχου δεν επιτρέπει τη μείωση της μέτρησης της έντασης στην απλή χρήση του τύπου 16.

Συμβατικά, υποτίθεται ότι σε συχνότητα 1 kHz οι κλίμακες έντασης και έντασης του ήχου συμπίπτουν πλήρως, δηλ. k = 1Και

Η ένταση σε άλλες συχνότητες μπορεί να μετρηθεί συγκρίνοντας τον ήχο ενδιαφέροντος με έναν ήχο σε συχνότητα 1 kHz. Για να γίνει αυτό, δημιουργείται ένας ήχος με συχνότητα 1 kHz χρησιμοποιώντας μια γεννήτρια ήχου. Η ένταση αυτού του ήχου αλλάζει μέχρι να προκύψει μια ακουστική αίσθηση παρόμοια με την αίσθηση της έντασης του υπό μελέτη ήχου. Η ένταση ενός ήχου με συχνότητα 1 kHz σε ντεσιμπέλ, μετρούμενη από τη συσκευή, θα είναι ίση με την ένταση αυτού του ήχου στο παρασκήνιο.

Η χαμηλότερη καμπύλη αντιστοιχεί στις εντάσεις των πιο αδύναμων ακουστικών ήχων - το κατώφλι της ακουστότητας. για όλες τις συχνότητες E f = 0 F, για ένταση ήχου 1 kHz I 0 = 10 - 12W/m2(Εικ..5.). Από τις παραπάνω καμπύλες φαίνεται ότι το μέσο ανθρώπινο αυτί είναι πιο ευαίσθητο σε συχνότητες 2500 - 3000 Hz. Η άνω καμπύλη αντιστοιχεί στο κατώφλι του πόνου. για όλες τις συχνότητες E f » 130 F, για 1 kHz I = 10 W/m2 .

Κάθε ενδιάμεση καμπύλη αντιστοιχεί στην ίδια ένταση, αλλά διαφορετική ένταση ήχου για διαφορετικές συχνότητες. Όπως σημειώθηκε, μόνο για συχνότητα 1 kHz η ένταση του ήχου στο φόντο είναι ίση με την ένταση του ήχου σε ντεσιμπέλ.

Χρησιμοποιώντας την καμπύλη ίσης έντασης, μπορείτε να βρείτε τις εντάσεις που, σε ορισμένες συχνότητες, προκαλούν την αίσθηση αυτής της έντασης.

Για παράδειγμα, έστω ότι η ένταση ενός ήχου με συχνότητα 200 Hz είναι 80 dB.

Ποια είναι η ένταση αυτού του ήχου; Στο σχήμα βρίσκουμε ένα σημείο με συντεταγμένες: 200 Hz, 80 dB. Βρίσκεται στην καμπύλη που αντιστοιχεί σε επίπεδο έντασης 60 F, που είναι η απάντηση.

Οι ενέργειες που αντιστοιχούν στους συνηθισμένους ήχους είναι πολύ μικρές.

Για να γίνει κατανοητό αυτό, μπορεί να δοθεί το ακόλουθο περίεργο παράδειγμα.

Αν 2.000 άνθρωποι μιλούσαν συνεχώς για 1 ½ ώρα, η ενέργεια της φωνής τους θα αρκούσε μόνο για να βράσει ένα ποτήρι νερό.

Ρύζι. 5. Επίπεδα έντασης ήχου για ήχους διαφορετικής έντασης.

Περιεχόμενα του άρθρου

ΗΧΟΣ ΚΑΙ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ.Ο ήχος είναι δονήσεις, δηλ. περιοδική μηχανική διαταραχή σε ελαστικά μέσα - αέρια, υγρά και στερεά. Τέτοια αγανάκτηση, που αντιπροσωπεύει κάποιους φυσική αλλαγήσε ένα μέσο (για παράδειγμα, αλλαγή πυκνότητας ή πίεσης, μετατόπιση σωματιδίων), διαδίδεται σε αυτό με τη μορφή ηχητικού κύματος. Το πεδίο της φυσικής που ασχολείται με την προέλευση, τη διάδοση, τη λήψη και την επεξεργασία ηχητικών κυμάτων ονομάζεται ακουστική. Ένας ήχος μπορεί να μην ακουστεί εάν η συχνότητά του είναι πέρα ​​από την ευαισθησία του ανθρώπινου αυτιού ή εάν ταξιδεύει μέσω ενός μέσου, όπως ένα στερεό, που δεν μπορεί να έχει άμεση επαφή με το αυτί, ή εάν η ενέργειά του διαχέεται γρήγορα στο μέσο. Έτσι, η διαδικασία της αντίληψης του ήχου που είναι συνηθισμένη για εμάς είναι μόνο η μία πλευρά της ακουστικής.

ΗΧΗΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

Σκεφτείτε έναν μακρύ σωλήνα γεμάτο με αέρα. Ένα έμβολο που εφαρμόζει σφιχτά στα τοιχώματα εισάγεται σε αυτό από το αριστερό άκρο (Εικ. 1). Εάν το έμβολο μετακινηθεί απότομα προς τα δεξιά και σταματήσει, ο αέρας που βρίσκεται σε άμεση γειτνίαση με αυτό θα συμπιεστεί για μια στιγμή (Εικ. 1, ΕΝΑ). Στη συνέχεια, ο πεπιεσμένος αέρας θα επεκταθεί, ωθώντας τον αέρα που βρίσκεται δίπλα του προς τα δεξιά και η περιοχή συμπίεσης, η οποία εμφανίστηκε αρχικά κοντά στο έμβολο, θα κινηθεί κατά μήκος του σωλήνα με σταθερή ταχύτητα (Εικ. 1, σι). Αυτό το κύμα συμπίεσης είναι το ηχητικό κύμα στο αέριο.

Ένα ηχητικό κύμα σε ένα αέριο χαρακτηρίζεται από υπερβολική πίεση, υπερβολική πυκνότητα, μετατόπιση των σωματιδίων και την ταχύτητά τους. Για τα ηχητικά κύματα, αυτές οι αποκλίσεις από τις τιμές ισορροπίας είναι πάντα μικρές. Έτσι, η υπερβολική πίεση που σχετίζεται με το κύμα είναι πολύ μικρότερη από τη στατική πίεση του αερίου. Διαφορετικά, έχουμε να κάνουμε με ένα άλλο φαινόμενο - ένα ωστικό κύμα. Σε ένα ηχητικό κύμα που αντιστοιχεί στην κανονική ομιλία, η υπερβολική πίεση είναι μόνο περίπου το ένα εκατομμυριοστό της ατμοσφαιρικής πίεσης.

Το σημαντικό γεγονός είναι ότι η ουσία δεν παρασύρεται από το ηχητικό κύμα. Ένα κύμα είναι μόνο μια προσωρινή διαταραχή που διέρχεται από τον αέρα, μετά την οποία ο αέρας επιστρέφει σε κατάσταση ισορροπίας.

Η κυματική κίνηση, φυσικά, δεν είναι μοναδική στον ήχο: τα σήματα φωτός και ραδιοφώνου ταξιδεύουν με τη μορφή κυμάτων και όλοι είναι εξοικειωμένοι με τα κύματα στην επιφάνεια του νερού. Όλοι οι τύποι κυμάτων περιγράφονται μαθηματικά από τη λεγόμενη κυματική εξίσωση.

Αρμονικά κύματα.

Το κύμα στον σωλήνα στο Σχ. 1 ονομάζεται ηχητικός παλμός. Ένας πολύ σημαντικός τύπος κύματος δημιουργείται όταν το έμβολο ταλαντώνεται μπρος-πίσω σαν ένα βάρος που αιωρείται από ένα ελατήριο. Τέτοιες ταλαντώσεις ονομάζονται απλές αρμονικές ή ημιτονοειδείς και το κύμα που διεγείρεται σε αυτή την περίπτωση ονομάζεται αρμονικό.

Με απλές αρμονικές ταλαντώσεις, η κίνηση επαναλαμβάνεται περιοδικά. Το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο ταυτόσημων καταστάσεων κίνησης ονομάζεται περίοδος ταλάντωσης και ο αριθμός πλήρων περιόδων ανά δευτερόλεπτο ονομάζεται συχνότητα ταλάντωσης. Ας υποδηλώσουμε την περίοδο με Τ, και συχνότητα – μέσω φά; τότε μπορούμε να το γράψουμε φά= 1/Τ.Εάν, για παράδειγμα, η συχνότητα είναι 50 κύκλοι ανά δευτερόλεπτο (50 Hz), τότε η περίοδος είναι 1/50 του δευτερολέπτου.

Μαθηματικά, οι απλές αρμονικές ταλαντώσεις περιγράφονται με μια απλή συνάρτηση. Μετατόπιση εμβόλου κατά τη διάρκεια απλών αρμονικών ταλαντώσεων για οποιαδήποτε χρονική στιγμή tμπορεί να γραφτεί στη φόρμα

Εδώ δ –μετατόπιση του εμβόλου από τη θέση ισορροπίας, και ρε– σταθερός πολλαπλασιαστής, ο οποίος ισούται με τη μέγιστη τιμή της ποσότητας ρεκαι ονομάζεται πλάτος μετατόπισης.

Ας υποθέσουμε ότι το έμβολο δονείται σύμφωνα με τον τύπο αρμονικής δόνησης. Στη συνέχεια, όταν κινείται προς τα δεξιά, εμφανίζεται συμπίεση, όπως πριν, και όταν μετακινείται προς τα αριστερά, η πίεση και η πυκνότητα θα μειωθούν σε σχέση με τις τιμές ισορροπίας τους. Αυτό που συμβαίνει δεν είναι συμπίεση, αλλά αραίωση του αερίου. Σε αυτή την περίπτωση, το δεξί θα εξαπλωθεί, όπως φαίνεται στο Σχ. 2, ένα κύμα εναλλασσόμενης συμπίεσης και αραίωσης. Σε κάθε χρονική στιγμή, η καμπύλη κατανομής πίεσης κατά μήκος του σωλήνα θα μοιάζει με ημιτονοειδή και αυτό το ημιτονοειδές θα κινείται προς τα δεξιά με την ταχύτητα του ήχου v. Η απόσταση κατά μήκος του σωλήνα μεταξύ πανομοιότυπων φάσεων κύματος (για παράδειγμα, μεταξύ γειτονικών μέγιστων) ονομάζεται μήκος κύματος. Συνήθως συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα μεγάλο(λάμδα). Μήκος κύματος μεγάλοείναι η απόσταση που διανύει το κύμα στο χρόνο Τ. Γι' αυτό μεγάλο = τηλεόραση, ή v = l f.

Διαμήκη και εγκάρσια κύματα.

Αν τα σωματίδια ταλαντώνονται παράλληλα με την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος, τότε το κύμα ονομάζεται διαμήκης. Αν ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης, τότε το κύμα ονομάζεται εγκάρσιο. Τα ηχητικά κύματα στα αέρια και τα υγρά είναι διαμήκη. Στα στερεά υπάρχουν κύματα και των δύο τύπων. Ένα εγκάρσιο κύμα σε ένα στερεό είναι δυνατό λόγω της ακαμψίας του (αντίσταση στην αλλαγή του σχήματος).

Η πιο σημαντική διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τύπων κυμάτων είναι ότι ένα εγκάρσιο κύμα έχει την ιδιότητα πόλωση(οι ταλαντώσεις συμβαίνουν σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο), αλλά οι διαμήκεις όχι. Σε ορισμένα φαινόμενα, όπως η ανάκλαση και η μετάδοση του ήχου μέσω κρυστάλλων, πολλά εξαρτώνται από την κατεύθυνση μετατόπισης των σωματιδίων, όπως και στην περίπτωση των κυμάτων φωτός.

Ταχύτητα ηχητικών κυμάτων.

Η ταχύτητα του ήχου είναι χαρακτηριστικό του μέσου στο οποίο διαδίδεται το κύμα. Καθορίζεται από δύο παράγοντες: την ελαστικότητα και την πυκνότητα του υλικού. Οι ελαστικές ιδιότητες των στερεών εξαρτώνται από τον τύπο της παραμόρφωσης. Έτσι, οι ελαστικές ιδιότητες μιας μεταλλικής ράβδου δεν είναι οι ίδιες κατά τη στρέψη, τη συμπίεση και την κάμψη. Και οι αντίστοιχες κυματικές δονήσεις διαδίδονται με διαφορετικές ταχύτητες.

Ελαστικό είναι ένα μέσο στο οποίο η παραμόρφωση, είτε είναι στρέψη, συμπίεση ή κάμψη, είναι ανάλογη της δύναμης που προκαλεί την παραμόρφωση. Τέτοια υλικά υπακούουν στο νόμο του Χουκ:

Τάση = ντοґ Σχετική παραμόρφωση,

Οπου ΜΕ– μέτρο ελαστικότητας, ανάλογα με το υλικό και το είδος της παραμόρφωσης.

Ταχύτητα ήχου vγια έναν δεδομένο τύπο ελαστικής παραμόρφωσης δίνεται από την έκφραση

Οπου r– πυκνότητα υλικού (μάζα ανά μονάδα όγκου).

Ταχύτητα ήχου σε συμπαγή ράβδο.

Μια μακριά ράβδος μπορεί να τεντωθεί ή να συμπιεστεί από μια δύναμη που εφαρμόζεται στο άκρο. Αφήστε το μήκος της ράβδου να είναι ΜΕΓΑΛΟ,εφαρμοζόμενη δύναμη εφελκυσμού - φάκαι η αύξηση του μήκους είναι D μεγάλο. Τιμή Δ μεγάλο/μεγάλοθα ονομάσουμε σχετική παραμόρφωση και η δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας διατομής της ράβδου θα ονομάζεται τάση. Άρα η τάση είναι φά/ΕΝΑ, Πού Α -περιοχή διατομής της ράβδου. Όταν εφαρμόζεται σε μια τέτοια ράβδο, ο νόμος του Χουκ έχει τη μορφή

Οπου Υ– Το μέτρο του Young, δηλ. μέτρο ελαστικότητας μιας ράβδου για τάση ή συμπίεση, που χαρακτηρίζει το υλικό της ράβδου. Ο συντελεστής του Young είναι μικρός για εύκολα τεντώσιμα υλικά, όπως το καουτσούκ, και μεγάλος για άκαμπτα υλικά, όπως ο χάλυβας.

Εάν τώρα διεγείρουμε ένα κύμα συμπίεσης σε αυτό χτυπώντας το άκρο της ράβδου με ένα σφυρί, θα διαδοθεί με ταχύτητα όπου r, όπως και πριν, είναι η πυκνότητα του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένη η ράβδος. Οι τιμές ταχύτητας κύματος για ορισμένα τυπικά υλικά δίνονται στον Πίνακα. 1.

Πίνακας 1. ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΗΧΟΥ ΓΙΑ ΔΙΑΦΟΡΤΟΥΣ ΤΥΠΟΥΣ ΚΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΣΤΕΡΕΑ ΥΛΙΚΑ
Υλικό	Διαμήκη κύματα σε εκτεταμένα στερεά δείγματα (m/s)	Κύματα διάτμησης και στρέψης (m/s)	Κύματα συμπίεσης σε ράβδους (m/s)
Αλουμίνιο
Ορείχαλκος
Μόλυβδος
Σίδερο
Ασήμι
Ανοξείδωτο ατσάλι
Flintglass
Γυαλί κορώνας
Πλέξιγκλας
Πολυαιθυλένιο
Πολυστυρένιο

Το θεωρούμενο κύμα στη ράβδο είναι ένα κύμα συμπίεσης. Αλλά δεν μπορεί να θεωρηθεί αυστηρά διαμήκης, καθώς η συμπίεση σχετίζεται με την κίνηση της πλευρικής επιφάνειας της ράβδου (Εικ. 3, ΕΝΑ).

Δύο άλλοι τύποι κυμάτων είναι επίσης δυνατοί στη ράβδο - ένα κύμα κάμψης (Εικ. 3, σι) και το κύμα στρέψης (Εικ. 3, V). Οι παραμορφώσεις κάμψης αντιστοιχούν σε ένα κύμα που δεν είναι ούτε καθαρά διαμήκη ούτε καθαρά εγκάρσιο. Στρεπτικές παραμορφώσεις, δηλ. περιστροφή γύρω από τον άξονα της ράβδου δίνει ένα καθαρά εγκάρσιο κύμα.

Η ταχύτητα του κύματος κάμψης στη ράβδο εξαρτάται από το μήκος κύματος. Ένα τέτοιο κύμα ονομάζεται "διασποριστικό".

Τα κύματα στρέψης στη ράβδο είναι καθαρά εγκάρσια και χωρίς διασπορά. Η ταχύτητά τους δίνεται από τον τύπο

Οπου m– μέτρο διάτμησης, που χαρακτηρίζει τις ελαστικές ιδιότητες του υλικού ως προς τη διάτμηση. Μερικές τυπικές ταχύτητες κυμάτων διάτμησης δίνονται στον Πίνακα. 1.

Ταχύτητα σε εκτεταμένα στερεά μέσα.

Σε στερεά μέσα μεγάλου όγκου, όπου η επίδραση των ορίων μπορεί να παραμεληθεί, είναι δυνατά ελαστικά κύματα δύο τύπων: διαμήκη και εγκάρσια.

Η παραμόρφωση σε ένα διαμήκη κύμα είναι μια επίπεδη τάση, δηλ. μονοδιάστατη συμπίεση (ή αραίωση) προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Η παραμόρφωση που αντιστοιχεί σε ένα εγκάρσιο κύμα είναι μια διατμητική μετατόπιση κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Η ταχύτητα των διαμήκων κυμάτων σε στερεά υλικά δίνεται από το

Οπου C L -μέτρο ελαστικότητας για απλές καταπόνηση αεροπλάνου. Σχετίζεται με το συντελεστή όγκου ΣΕ(ο ορισμός του οποίου δίνεται παρακάτω) και το μέτρο διάτμησης m του υλικού από τη σχέση Γ Λ = σι + 4/3m.Στον πίνακα Ο Πίνακας 1 δείχνει τις τιμές των διαμήκων ταχυτήτων κυμάτων για διάφορα στερεά υλικά.

Η ταχύτητα των κυμάτων διάτμησης σε εκτεταμένα στερεά μέσα είναι ίδια με την ταχύτητα των κυμάτων στρέψης σε μια ράβδο του ίδιου υλικού. Επομένως δίνεται από την έκφραση . Οι τιμές του για συνηθισμένα στερεά υλικά δίνονται στον πίνακα. 1.

Ταχύτητα στα αέρια.

Στα αέρια είναι δυνατή μόνο ένας τύπος παραμόρφωσης: συμπίεση - αραίωση. Αντίστοιχο μέτρο ελαστικότητας ΣΕπου ονομάζεται συντελεστής όγκου. Καθορίζεται από τη σχέση

-ΡΕ Π = σι(ΡΕ V/V).

Εδώ ο Δ Π– αλλαγή πίεσης, Δ V/V– σχετική μεταβολή του όγκου. Το σύμβολο μείον υποδεικνύει ότι όσο αυξάνεται η πίεση, ο όγκος μειώνεται.

Μέγεθος ΣΕεξαρτάται από το αν η θερμοκρασία του αερίου αλλάζει ή όχι κατά τη συμπίεση. Στην περίπτωση ενός ηχητικού κύματος, μπορεί να αποδειχθεί ότι η πίεση αλλάζει πολύ γρήγορα και η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη συμπίεση δεν έχει χρόνο να φύγει από το σύστημα. Έτσι, η αλλαγή της πίεσης στο ηχητικό κύμα συμβαίνει χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με τα γύρω σωματίδια. Αυτή η αλλαγή ονομάζεται αδιαβατική. Έχει διαπιστωθεί ότι η ταχύτητα του ήχου σε ένα αέριο εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία. Σε μια δεδομένη θερμοκρασία, η ταχύτητα του ήχου είναι περίπου η ίδια για όλα τα αέρια. Σε θερμοκρασία 21,1° C, η ταχύτητα του ήχου στον ξηρό αέρα είναι 344,4 m/s και αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Ταχύτητα σε υγρά.

Τα ηχητικά κύματα στα υγρά είναι κύματα συμπίεσης-σπάνισης, όπως και στα αέρια. Η ταχύτητα δίνεται από τον ίδιο τύπο. Ωστόσο, το υγρό είναι πολύ λιγότερο συμπιέσιμο από το αέριο, και επομένως για αυτό η τιμή είναι πολλές φορές μεγαλύτερη ΣΕ, περισσότερο και πυκνότητα r. Η ταχύτητα του ήχου στα υγρά είναι πιο κοντά στην ταχύτητα στα στερεά παρά στα αέρια. Είναι πολύ μικρότερο από ό,τι στα αέρια και εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, η ταχύτητα στο γλυκό νερό είναι 1460 m/s στους 15,6 ° C. Σε θαλασσινό νερό κανονικής αλατότητας είναι 1504 m/s στην ίδια θερμοκρασία. Η ταχύτητα του ήχου αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού και της συγκέντρωσης αλατιού.

Μόνιμα κύματα.

Όταν ένα αρμονικό κύμα διεγείρεται σε έναν περιορισμένο χώρο έτσι ώστε να ανακλάται από τα όρια, εμφανίζονται τα λεγόμενα στάσιμα κύματα. Ένα στάσιμο κύμα είναι το αποτέλεσμα της υπέρθεσης δύο κυμάτων, το ένα κινείται προς την εμπρός κατεύθυνση και το άλλο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ένα μοτίβο ταλαντώσεων, που δεν κινείται στο χώρο, εμφανίζεται με εναλλασσόμενους αντικόμβους και κόμβους. Στους αντικόμβους, οι αποκλίσεις των ταλαντούμενων σωματιδίων από τις θέσεις ισορροπίας τους είναι μέγιστες και στους κόμβους είναι μηδενικές.

Μόνιμα κύματα σε μια χορδή.

Τα εγκάρσια κύματα προκύπτουν σε μια τεντωμένη χορδή και η χορδή μετατοπίζεται σε σχέση με την αρχική, ευθεία θέση της. Όταν φωτογραφίζετε κύματα σε μια χορδή, οι κόμβοι και οι αντικόμβοι του θεμελιώδους τόνου και των αποχρώσεων είναι καθαρά ορατοί.

Η εικόνα των στάσιμων κυμάτων διευκολύνει πολύ την ανάλυση των ταλαντωτικών κινήσεων μιας χορδής δεδομένου μήκους. Αφήστε να υπάρχει μια σειρά μήκους μεγάλο, στερεωμένο στα άκρα. Οποιοσδήποτε τύπος δόνησης μιας τέτοιας χορδής μπορεί να αναπαρασταθεί ως συνδυασμός στάσιμων κυμάτων. Δεδομένου ότι τα άκρα της χορδής είναι σταθερά, μόνο τέτοια στάσιμα κύματα είναι δυνατά που έχουν κόμβους στα οριακά σημεία. Η χαμηλότερη συχνότητα δόνησης της χορδής αντιστοιχεί στο μέγιστο δυνατό μήκος κύματος. Δεδομένου ότι η απόσταση μεταξύ των κόμβων είναι μεγάλο/2, η συχνότητα είναι ελάχιστη όταν το μήκος της χορδής είναι ίσο με το μισό του μήκους κύματος, δηλ. στο μεγάλο= 2μεγάλο. Αυτός είναι ο λεγόμενος θεμελιώδης τρόπος δόνησης της χορδής. Η αντίστοιχη συχνότητά του, που ονομάζεται θεμελιώδης συχνότητα ή θεμελιώδης τόνος, δίνεται από φά = v/2μεγάλο, Πού v– ταχύτητα διάδοσης κύματος κατά μήκος της χορδής.

Υπάρχει μια ολόκληρη ακολουθία ταλαντώσεων υψηλότερων συχνοτήτων που αντιστοιχούν σε στάσιμα κύματα με μεγαλύτερο αριθμό κόμβων. Η επόμενη υψηλότερη συχνότητα, η οποία ονομάζεται δεύτερη αρμονική ή πρώτος τόνος, δίνεται από

φά = v/μεγάλο.

Η ακολουθία των αρμονικών εκφράζεται με τον τύπο f = nv/2μεγάλο, Πού n= 1, 2, 3, και τα λοιπά. Αυτό είναι το λεγόμενο φυσικές συχνότητες δονήσεων χορδών. Αυξάνονται αναλογικά με τους αριθμούς των φυσικών σειρών: υψηλότερες αρμονικές στο 2, 3, 4... κ.λπ. φορές τη συχνότητα της θεμελιώδους δόνησης. Αυτή η σειρά ήχων ονομάζεται φυσική ή αρμονική κλίμακα.

Όλα αυτά είναι σημαντικά στη μουσική ακουστική, η οποία θα συζητηθεί λεπτομερέστερα παρακάτω. Προς το παρόν, ας σημειώσουμε ότι ο ήχος που παράγεται από μια χορδή περιέχει όλες τις δικές της συχνότητες. Η σχετική συνεισφορά καθενός από αυτά εξαρτάται από το σημείο στο οποίο διεγείρονται οι δονήσεις της χορδής. Εάν, για παράδειγμα, μαζέψετε μια συμβολοσειρά στη μέση, η θεμελιώδης συχνότητα θα διεγείρεται περισσότερο, καθώς αυτό το σημείο αντιστοιχεί στον αντικόμβο. Η δεύτερη αρμονική θα απουσιάζει, αφού ο κόμβος της βρίσκεται στο κέντρο. Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για άλλες αρμονικές ( δείτε παρακάτωΜουσική ακουστική).

Η ταχύτητα των κυμάτων στη χορδή είναι ίση με

Οπου T -τάση χορδής, και r L –μάζα ανά μονάδα μήκους χορδής. Επομένως, το φυσικό φάσμα συχνοτήτων της συμβολοσειράς δίνεται από

Έτσι, η αύξηση της τάσης της χορδής οδηγεί σε αύξηση των συχνοτήτων δόνησης. Μειώστε τη συχνότητα ταλάντωσης για ένα δεδομένο Τμπορείτε να πάρετε ένα βαρύτερο κορδόνι (μεγάλο r Λ) ή αύξηση του μήκους του.

Μόνιμα κύματα σε σωλήνες οργάνων.

Η θεωρία που παρουσιάζεται σε σχέση με μια χορδή μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε δονήσεις αέρα σε έναν σωλήνα όπως ένα όργανο. Ένας σωλήνας οργάνων μπορεί να θεωρηθεί απλοϊκά ως ένας ευθύς σωλήνας στον οποίο διεγείρονται τα στάσιμα κύματα. Ο σωλήνας μπορεί να έχει τόσο κλειστά όσο και ανοιχτά άκρα. Στο ανοιχτό άκρο εμφανίζεται ένας αντικόμβος στάσιμου κύματος και στο κλειστό άκρο εμφανίζεται ένας κόμπος. Επομένως, ένας σωλήνας με δύο ανοιχτά άκρα έχει μια θεμελιώδη συχνότητα τέτοια ώστε το μισό μήκος κύματος να ταιριάζει στο μήκος του σωλήνα. Ένας σωλήνας, στον οποίο το ένα άκρο είναι ανοιχτό και το άλλο κλειστό, έχει μια θεμελιώδη συχνότητα στην οποία το ένα τέταρτο του μήκους κύματος χωράει σε όλο το μήκος του σωλήνα. Έτσι, η θεμελιώδης συχνότητα για έναν σωλήνα ανοιχτό και στα δύο άκρα είναι φά =v/2μεγάλοκαι για έναν σωλήνα ανοιχτό στο ένα άκρο, f = v/4μεγάλο(Οπου μεγάλο– μήκος σωλήνα). Στην πρώτη περίπτωση, το αποτέλεσμα είναι το ίδιο όπως για μια χορδή: οι τόνοι διπλασιάζονται, τριπλασιάζονται κ.λπ. την τιμή της θεμελιώδους συχνότητας. Ωστόσο, για έναν σωλήνα που είναι ανοιχτός στο ένα άκρο, οι τόνοι θα είναι μεγαλύτεροι από τη θεμελιώδη συχνότητα με συντελεστές 3, 5, 7 κ.λπ. μια φορά.

Στο Σχ. Τα σχήματα 4 και 5 δείχνουν σχηματικά την εικόνα των στάσιμων κυμάτων της θεμελιώδους συχνότητας και του πρώτου τόνου για σωλήνες των δύο εξεταζόμενων τύπων. Οι μετατοπίσεις εμφανίζονται εδώ ως εγκάρσιες για ευκολία, αλλά στην πραγματικότητα είναι διαμήκεις.

Συντονιστικές ταλαντώσεις.

Τα στάσιμα κύματα συνδέονται στενά με το φαινόμενο του συντονισμού. Οι φυσικές συχνότητες που συζητήθηκαν παραπάνω είναι επίσης οι συχνότητες συντονισμού μιας χορδής ή ενός σωλήνα οργάνου. Ας υποθέσουμε ότι κοντά στο ανοιχτό άκρο ενός σωλήνα οργάνου τοποθετείται ένα μεγάφωνο που εκπέμπει ένα σήμα μιας συγκεκριμένης συχνότητας, το οποίο μπορεί να μεταβάλλεται κατά βούληση. Στη συνέχεια, όταν η συχνότητα του σήματος του μεγαφώνου ταιριάζει με τη θεμελιώδη συχνότητα του σωλήνα ή έναν από τους τόνους του, ο σωλήνας θα ακούγεται πολύ δυνατά. Αυτό συμβαίνει επειδή το μεγάφωνο διεγείρει τους κραδασμούς της στήλης αέρα με σημαντικό πλάτος. Λένε ότι ο σωλήνας αντηχεί κάτω από αυτές τις συνθήκες.

Ανάλυση Fourier και φάσμα συχνοτήτων του ήχου.

Στην πράξη, τα ηχητικά κύματα μιας μόνο συχνότητας είναι σπάνια. Όμως τα πολύπλοκα ηχητικά κύματα μπορούν να αποσυντεθούν σε αρμονικές. Αυτή η μέθοδος ονομάζεται ανάλυση Fourier από τον Γάλλο μαθηματικό J. Fourier (1768–1830), ο οποίος ήταν ο πρώτος που τη χρησιμοποίησε (στη θεωρία της θερμότητας).

Ένα γράφημα της σχετικής ενέργειας των ηχητικών δονήσεων έναντι της συχνότητας ονομάζεται φάσμα συχνοτήτων του ήχου. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι τέτοιων φασμάτων: το διακριτό και το συνεχές. Ένα διακριτό φάσμα αποτελείται από ξεχωριστές γραμμές για συχνότητες που χωρίζονται από κενά. Ένα συνεχές φάσμα περιέχει όλες τις συχνότητες εντός της ζώνης του.

Περιοδικές ηχητικές δονήσεις.

Οι ηχητικές δονήσεις είναι περιοδικές εάν η ταλαντωτική διαδικασία, όσο περίπλοκη και αν είναι, επαναλαμβάνεται μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Το φάσμα του είναι πάντα διακριτό και αποτελείται από αρμονικές ορισμένης συχνότητας. Εξ ου και ο όρος «αρμονική ανάλυση». Ένα παράδειγμα είναι οι ορθογώνιες ταλαντώσεις (Εικ. 6, ΕΝΑ) με πλάτος που αλλάζει από +Απρος - ΕΝΑκαι περίοδος Τ= 1/φά. Ένα άλλο απλό παράδειγμα είναι το τριγωνικό πριονωτό κύμα που φαίνεται στο Σχ. 6, σι. Ένα παράδειγμα περιοδικών ταλαντώσεων πιο σύνθετου σχήματος με αντίστοιχες αρμονικές συνιστώσες φαίνεται στο Σχ. 7.

Οι μουσικοί ήχοι είναι περιοδικές δονήσεις και επομένως περιέχουν αρμονικές (υπερτόνους). Έχουμε ήδη δει ότι σε μια χορδή, μαζί με δονήσεις της θεμελιώδους συχνότητας, άλλες αρμονικές διεγείρονται στον έναν ή τον άλλο βαθμό. Η σχετική συνεισφορά κάθε απόχρωσης εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο διεγείρεται η χορδή. Το σύνολο των αποχρώσεων καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό τέμπομουσικός ήχος. Αυτά τα θέματα συζητούνται λεπτομερέστερα παρακάτω στην ενότητα για τη μουσική ακουστική.

Φάσμα ενός ηχητικού παλμού.

Ο συνηθισμένος τύπος ήχου είναι ένας ήχος μικρής διάρκειας: παλαμάκια, χτυπήματα σε μια πόρτα, ήχος ενός αντικειμένου που πέφτει στο πάτωμα, ο κούκος κούκος. Τέτοιοι ήχοι δεν είναι ούτε περιοδικοί ούτε μουσικοί. Αλλά μπορούν επίσης να αποσυντεθούν σε ένα φάσμα συχνοτήτων. Σε αυτήν την περίπτωση, το φάσμα θα είναι συνεχές: για να περιγραφεί ο ήχος, χρειάζονται όλες οι συχνότητες σε μια συγκεκριμένη ζώνη, η οποία μπορεί να είναι πολύ μεγάλη. Η γνώση αυτού του φάσματος συχνοτήτων είναι απαραίτητη για την αναπαραγωγή τέτοιων ήχων χωρίς παραμόρφωση, αφού το αντίστοιχο ηλεκτρονικό σύστημα πρέπει να «περάσει» όλες αυτές τις συχνότητες εξίσου καλά.

Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός ηχητικού παλμού μπορούν να διευκρινιστούν λαμβάνοντας υπόψη έναν παλμό απλού σχήματος. Ας υποθέσουμε ότι ο ήχος είναι μια δόνηση διάρκειας D t, στην οποία η μεταβολή της πίεσης είναι όπως φαίνεται στο Σχ. 8, ΕΝΑ. Ένα κατά προσέγγιση φάσμα συχνοτήτων για αυτήν την περίπτωση φαίνεται στο Σχ. 8, σι. Η κεντρική συχνότητα αντιστοιχεί στις ταλαντώσεις που θα είχαμε αν το ίδιο σήμα εκτεινόταν επ' αόριστον.

Το μήκος του φάσματος συχνοτήτων θα ονομάζεται εύρος ζώνης D φά(Εικ. 8, σι). Το εύρος ζώνης είναι το κατά προσέγγιση εύρος των συχνοτήτων που απαιτούνται για την αναπαραγωγή του αρχικού παλμού χωρίς υπερβολική παραμόρφωση. Υπάρχει μια πολύ απλή θεμελιώδης σχέση μεταξύ του Δ φάκαι Δ t, δηλαδή

ρε φάρε t» 1.

Αυτή η σχέση ισχύει για όλους τους ηχητικούς παλμούς. Το νόημά του είναι ότι όσο μικρότερος είναι ο παλμός, τόσο περισσότερες συχνότητες περιέχει. Ας υποθέσουμε ότι ένα σόναρ χρησιμοποιείται για την ανίχνευση ενός υποβρυχίου, που εκπέμπει υπερήχους με τη μορφή παλμού διάρκειας 0,0005 s με συχνότητα σήματος 30 kHz. Το εύρος ζώνης είναι 1/0,0005 = 2 kHz και οι συχνότητες που πραγματικά περιέχονται στο φάσμα του παλμού του ραντάρ βρίσκονται στην περιοχή από 29 έως 31 kHz.

Θόρυβος.

Ο θόρυβος αναφέρεται σε κάθε ήχο που δημιουργείται από πολυάριθμες, ασυνεπείς πηγές. Ένα παράδειγμα είναι ο ήχος των φύλλων των δέντρων που φυσά ο άνεμος. Ο θόρυβος του κινητήρα αεριωθουμένων προκαλείται από τις αναταράξεις της ροής των καυσαερίων υψηλής ταχύτητας. Ο θόρυβος ως ερεθιστικός ήχος θεωρείται στην Τέχνη. ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ.

Ένταση ήχου.

Η ένταση του ήχου μπορεί να διαφέρει. Δεν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ότι αυτό οφείλεται στην ενέργεια που μεταφέρεται από το ηχητικό κύμα. Για να κάνετε ποσοτικές συγκρίσεις της έντασης, πρέπει να εισαγάγετε την έννοια της έντασης του ήχου. Η ένταση ενός ηχητικού κύματος ορίζεται ως η μέση ροή ενέργειας μέσω μιας μονάδας επιφάνειας του μετώπου κύματος ανά μονάδα χρόνου. Με άλλα λόγια, εάν πάρετε μια ενιαία περιοχή (για παράδειγμα, 1 cm2), η οποία θα απορροφούσε πλήρως τον ήχο, και την τοποθετήσετε κάθετα στην κατεύθυνση διάδοσης του κύματος, τότε η ένταση του ήχου είναι ίση με την ακουστική ενέργεια που απορροφάται σε ένα δευτερόλεπτο. Η ένταση εκφράζεται συνήθως σε W/cm2 (ή W/m2).

Ας δώσουμε την τιμή αυτής της ποσότητας για κάποιους γνωστούς ήχους. Το πλάτος της υπερβολικής πίεσης που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της κανονικής συνομιλίας είναι περίπου το ένα εκατομμυριοστό της ατμοσφαιρικής πίεσης, η οποία αντιστοιχεί σε μια ακουστική ένταση ήχου της τάξης των 10–9 W/cm 2 . Η συνολική ισχύς του ήχου που παράγεται κατά τη διάρκεια μιας κανονικής συνομιλίας είναι περίπου μόνο 0,00001 W. Η ικανότητα του ανθρώπινου αυτιού να αντιλαμβάνεται τόσο μικρές ενέργειες μαρτυρεί την εκπληκτική του ευαισθησία.

Το εύρος των ηχητικών εντάσεων που αντιλαμβανόμαστε τα αυτιά μας είναι πολύ ευρύ. Η ένταση του πιο δυνατού ήχου που μπορεί να ανεχθεί το αυτί είναι περίπου 10 14 φορές μεγαλύτερη από την ελάχιστη που μπορεί να ακούσει. Η πλήρης ισχύς των πηγών ήχου καλύπτει ένα εξίσου μεγάλο εύρος. Έτσι, η ισχύς που εκπέμπεται από έναν πολύ ήσυχο ψίθυρο μπορεί να είναι της τάξης των 10–9 W, ενώ η ισχύς που εκπέμπεται από έναν κινητήρα τζετ φτάνει τα 10–5 W. Και πάλι, οι εντάσεις διαφέρουν κατά 10 14.

Ηχόμετρο.

Δεδομένου ότι οι ήχοι ποικίλλουν τόσο πολύ στην ένταση, είναι πιο βολικό να τον θεωρούμε ως λογαριθμική τιμή και να τον μετράμε σε ντεσιμπέλ. Η τιμή της λογαριθμικής έντασης είναι ο λογάριθμος του λόγου της τιμής της υπό εξέταση τιμής προς την τιμή της που λαμβάνεται ως αρχική τιμή. Επίπεδο έντασης Jσε σχέση με κάποια υπό όρους επιλεγμένη ένταση J 0 είναι ίσο

Επίπεδο έντασης ήχου = 10 lg ( J/J 0) dB.

Έτσι, ένας ήχος που είναι 20 dB υψηλότερη σε ένταση από έναν άλλο είναι 100 φορές πιο δυνατός σε ένταση.

Στην πρακτική των ακουστικών μετρήσεων, συνηθίζεται να εκφράζεται η ένταση του ήχου μέσω του αντίστοιχου πλάτους υπερβολικής πίεσης R e. Όταν η πίεση μετριέται σε ντεσιμπέλ σε σχέση με κάποια αυθαίρετα επιλεγμένη πίεση R 0, λαμβάνεται το λεγόμενο επίπεδο ηχητικής πίεσης. Επειδή η ένταση του ήχου είναι ανάλογη του μεγέθους P e 2 και lg( P e 2) = 2 λίτρα P e, το επίπεδο ηχητικής πίεσης προσδιορίζεται ως εξής:

Επίπεδο ηχητικής πίεσης = 20 lg ( P e/Π 0) dB.

Πίεση υπό όρους R 0 = 2H 10 –5 Pa αντιστοιχεί στο τυπικό όριο ακοής για ήχο με συχνότητα 1 kHz. Στον πίνακα Ο Πίνακας 2 δείχνει τα επίπεδα ηχητικής πίεσης για ορισμένες κοινές πηγές ήχου. Αυτές είναι ακέραιες τιμές που λαμβάνονται με τον μέσο όρο σε όλο το φάσμα της ακουστικής συχνότητας.

Πίνακας 2. ΤΥΠΙΚΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΗΧΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ
Πηγή ήχου	Επίπεδο ηχητικής πίεσης, dB (σχετ. 2Η 10 -5 Pa)
Κατάστημα στάμπας
Μηχανοστάσιο σε ένα πλοίο
Εργαστήρι νηματουργίας και υφαντικής
Σε βαγόνι του μετρό
Σε αυτοκίνητο όταν οδηγείτε στην κίνηση
Γραφείο Δακτυλογραφίας
Λογιστική
Γραφείο
Χώρος διαβίωσης
Κατοικημένη περιοχή τη νύχτα
Στούντιο ραδιοφωνικών εκπομπών

Τόμος.

Το επίπεδο ηχητικής πίεσης δεν σχετίζεται απλώς με την ψυχολογική αντίληψη της έντασης. Ο πρώτος από αυτούς τους παράγοντες είναι αντικειμενικός και ο δεύτερος είναι υποκειμενικός. Τα πειράματα δείχνουν ότι η αντίληψη της έντασης δεν εξαρτάται μόνο από την ένταση του ήχου, αλλά και από τη συχνότητά του και τις πειραματικές συνθήκες.

Η ένταση των ήχων που δεν συνδέονται με συνθήκες σύγκρισης δεν μπορεί να συγκριθεί. Ωστόσο, η σύγκριση των καθαρών τόνων είναι ενδιαφέρουσα. Για να το κάνετε αυτό, προσδιορίστε το επίπεδο ηχητικής πίεσης στο οποίο ένας δεδομένος τόνος γίνεται αντιληπτός εξίσου δυνατός με έναν τυπικό τόνο με συχνότητα 1000 Hz. Στο Σχ. Το σχήμα 9 δείχνει τις ίσες καμπύλες έντασης που ελήφθησαν στα πειράματα Fletcher και Manson. Για κάθε καμπύλη, υποδεικνύεται το αντίστοιχο επίπεδο ηχητικής πίεσης ενός τυπικού τόνου 1000 Hz. Για παράδειγμα, ένας τόνος με συχνότητα 200 Hz απαιτεί ηχητική στάθμη 60 dB για να γίνει αντιληπτός εξίσου δυνατός όπως ένας τόνος 1000 Hz με επίπεδο ηχητικής πίεσης 50 dB.

Αυτές οι καμπύλες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του φόντου, μια μονάδα επιπέδου έντασης που μετριέται επίσης σε ντεσιμπέλ. Το φόντο είναι το επίπεδο έντασης ήχου για το οποίο το επίπεδο ηχητικής πίεσης ενός εξίσου δυνατού τυπικού καθαρού τόνου (1000 Hz) είναι 1 dB. Έτσι, ένας ήχος με συχνότητα 200 Hz σε επίπεδο 60 dB έχει επίπεδο έντασης 50 φόντα.

Η κάτω καμπύλη στο Σχ. Το 9 είναι η καμπύλη κατωφλίου ακοής ενός καλού αυτιού. Το εύρος των ακουστικών συχνοτήτων εκτείνεται από περίπου 20 έως 20.000 Hz.

Διάδοση ηχητικών κυμάτων.

Όπως τα κύματα από ένα βότσαλο που ρίχνεται σε ήρεμο νερό, τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν προς όλες τις κατευθύνσεις. Είναι βολικό να χαρακτηρίζεται μια τέτοια διαδικασία διάδοσης από ένα μέτωπο κύματος. Ένα μέτωπο κύματος είναι μια επιφάνεια στο χώρο, σε όλα τα σημεία της οποίας εμφανίζονται ταλαντώσεις στην ίδια φάση. Τα μέτωπα των κυμάτων από ένα βότσαλο που πέφτει στο νερό είναι κύκλοι.

Επίπεδα κύματα.

Ο απλούστερος τύπος μετώπου κύματος είναι επίπεδος. Ένα επίπεδο κύμα ταξιδεύει προς μία μόνο κατεύθυνση και είναι μια εξιδανίκευση που πραγματοποιείται μόνο κατά προσέγγιση στην πράξη. Ένα ηχητικό κύμα σε έναν σωλήνα μπορεί να θεωρηθεί περίπου επίπεδο, όπως ένα σφαιρικό κύμα σε μεγάλη απόσταση από την πηγή.

Σφαιρικά κύματα.

Οι απλοί τύποι κυμάτων περιλαμβάνουν ένα κύμα με σφαιρικό μέτωπο, που εκπέμπεται από ένα σημείο και διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Ένα τέτοιο κύμα μπορεί να διεγερθεί χρησιμοποιώντας μια μικρή παλλόμενη σφαίρα. Η πηγή που διεγείρει ένα σφαιρικό κύμα ονομάζεται σημειακή πηγή. Η ένταση ενός τέτοιου κύματος μειώνεται καθώς διαδίδεται, καθώς η ενέργεια κατανέμεται σε μια σφαίρα ολοένα μεγαλύτερης ακτίνας.

Εάν μια σημειακή πηγή που δημιουργεί ένα σφαιρικό κύμα εκπέμπει ισχύ 4 pQ, τότε αφού το εμβαδόν επιφάνειας μιας σφαίρας με ακτίνα rισούται με 4 p r 2, η ένταση του ήχου σε ένα σφαιρικό κύμα είναι ίση με

J = Q/r 2 ,

Οπου r– απόσταση από την πηγή. Έτσι, η ένταση ενός σφαιρικού κύματος μειώνεται σε αντίστροφη αναλογία με το τετράγωνο της απόστασης από την πηγή.

Η ένταση οποιουδήποτε ηχητικού κύματος κατά τη διάδοσή του μειώνεται λόγω της ηχοαπορρόφησης. Αυτό το φαινόμενο θα συζητηθεί παρακάτω.

Αρχή του Huygens.

Η αρχή του Huygens ισχύει για τη διάδοση μετώπου κύματος. Για να το μάθουμε, ας εξετάσουμε το σχήμα του μετώπου του κύματος που είναι γνωστό σε μας ανά πάσα στιγμή. Μπορεί να βρεθεί ακόμα και μετά την ώρα Δ t, εάν κάθε σημείο του αρχικού μετώπου κύματος θεωρείται ως πηγή ενός στοιχειώδους σφαιρικού κύματος που έχει διαδοθεί σε αυτό το διάστημα σε απόσταση vρε t. Το περίβλημα όλων αυτών των στοιχειωδών σφαιρικών κυματομετώπων θα είναι το νέο μέτωπο κύματος. Η αρχή του Huygens επιτρέπει τον προσδιορισμό του σχήματος του μετώπου κύματος σε όλη τη διαδικασία διάδοσης. Από αυτό προκύπτει επίσης ότι τα κύματα, επίπεδα και σφαιρικά, διατηρούν τη γεωμετρία τους κατά τη διάδοση, υπό την προϋπόθεση ότι το μέσο είναι ομοιογενές.

Περίθλαση ήχου.

Περίθλαση είναι η κάμψη των κυμάτων γύρω από ένα εμπόδιο. Η περίθλαση αναλύεται χρησιμοποιώντας την αρχή του Huygens. Η έκταση αυτής της κάμψης εξαρτάται από τη σχέση μεταξύ του μήκους κύματος και του μεγέθους του εμποδίου ή της οπής. Δεδομένου ότι το μήκος κύματος του ήχου είναι πολλές φορές μεγαλύτερο από το φως, η περίθλαση των ηχητικών κυμάτων είναι λιγότερο εκπληκτική για εμάς από τη διάθλαση του φωτός. Έτσι, μπορείτε να μιλήσετε με κάποιον που στέκεται στη γωνία του κτιρίου, αν και δεν φαίνεται. Ένα ηχητικό κύμα κάμπτεται γύρω από μια γωνία με ευκολία, ενώ το φως, λόγω του μικρού μήκους κύματος του, παράγει έντονες σκιές.

Ας εξετάσουμε την περίθλαση ενός επίπεδου ηχητικού κύματος που προσπίπτει σε μια συμπαγή επίπεδη οθόνη με μια τρύπα. Για να προσδιορίσετε το σχήμα του μετώπου κύματος στην άλλη πλευρά της οθόνης, πρέπει να γνωρίζετε τη σχέση μεταξύ του μήκους κύματος μεγάλοκαι διάμετρος οπής ρε. Εάν αυτές οι τιμές είναι περίπου ίδιες ή μεγάλοπολύ περισσότερο ρε, τότε προκύπτει πλήρης περίθλαση: το μέτωπο κύματος του αναδυόμενου κύματος θα είναι σφαιρικό και το κύμα θα φτάσει σε όλα τα σημεία πίσω από την οθόνη. Αν μεγάλοκάπως λιγότερο ρε, τότε το αναδυόμενο κύμα θα διαδοθεί κυρίως προς την προς τα εμπρός κατεύθυνση. Και τέλος, αν μεγάλοπολύ λιγότερο ρε, τότε όλη η ενέργειά του θα εξαπλωθεί σε ευθεία γραμμή. Αυτές οι περιπτώσεις φαίνονται στο Σχ. 10.

Περίθλαση παρατηρείται επίσης όταν υπάρχει κάποιο εμπόδιο στη διαδρομή του ήχου. Εάν το μέγεθος του εμποδίου είναι πολύ μεγαλύτερο από το μήκος κύματος, τότε ο ήχος αντανακλάται και σχηματίζεται μια ζώνη ακουστικής σκιάς πίσω από το εμπόδιο. Όταν το μέγεθος του εμποδίου είναι συγκρίσιμο ή μικρότερο από το μήκος κύματος, ο ήχος διαθλάται σε κάποιο βαθμό προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό λαμβάνεται υπόψη στην αρχιτεκτονική ακουστική. Για παράδειγμα, μερικές φορές οι τοίχοι ενός κτιρίου καλύπτονται με προεξοχές με διαστάσεις της τάξης του μήκους κύματος του ήχου. (Σε συχνότητα 100 Hz, το μήκος κύματος στον αέρα είναι περίπου 3,5 m.) Σε αυτή την περίπτωση, ο ήχος που πέφτει στους τοίχους διασκορπίζεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Στην αρχιτεκτονική ακουστική, αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διάχυση ήχου.

Αντανάκλαση και μετάδοση ήχου.

Όταν ένα ηχητικό κύμα που ταξιδεύει σε ένα μέσο προσκρούει σε μια διεπαφή με ένα άλλο μέσο, ​​μπορούν να συμβούν τρεις διεργασίες ταυτόχρονα. Ένα κύμα μπορεί να ανακλάται από μια διεπαφή, μπορεί να περάσει σε άλλο μέσο χωρίς να αλλάξει κατεύθυνση ή μπορεί να αλλάξει κατεύθυνση στο όριο, δηλ. διαθλώ. Στο Σχ. Το σχήμα 11 δείχνει την απλούστερη περίπτωση όταν ένα επίπεδο κύμα προσπίπτει κάθετα σε μια επίπεδη επιφάνεια που χωρίζει δύο διαφορετικές ουσίες. Εάν ο συντελεστής ανάκλασης της έντασης, που καθορίζει το κλάσμα της ανακλώμενης ενέργειας, είναι ίσος με R, τότε ο συντελεστής μετάδοσης θα είναι ίσος με Τ = 1 – R.

Για ένα ηχητικό κύμα, ο λόγος της υπερβολικής πίεσης προς την ταλαντωτική ογκομετρική ταχύτητα ονομάζεται ακουστική αντίσταση. Οι συντελεστές ανάκλασης και μετάδοσης εξαρτώνται από την αναλογία των αντιστάσεων κυμάτων των δύο μέσων, οι αντιστάσεις κύματος, με τη σειρά τους, είναι ανάλογες με τις ακουστικές σύνθετες αντιστάσεις. Η κυματική αντίσταση των αερίων είναι πολύ μικρότερη από αυτή των υγρών και στερεών. Επομένως, εάν ένα κύμα στον αέρα χτυπήσει ένα παχύ στερεό αντικείμενο ή την επιφάνεια βαθέων υδάτων, ο ήχος ανακλάται σχεδόν πλήρως. Για παράδειγμα, για τη διεπαφή αέρα-νερού ο λόγος σύνθετης αντίστασης κύματος είναι 0,0003. Αντίστοιχα, η ενέργεια του ήχου που περνά από τον αέρα στο νερό είναι ίση μόνο με το 0,12% της προσπίπτουσας ενέργειας. Οι συντελεστές ανάκλασης και μετάδοσης είναι αναστρέψιμοι: ο συντελεστής ανάκλασης είναι ο συντελεστής μετάδοσης προς την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, ο ήχος πρακτικά δεν εισχωρεί ούτε από τον αέρα στην πισίνα ούτε από κάτω από το νερό προς τα έξω, κάτι που είναι πολύ γνωστό σε όλους όσους έχουν κολυμπήσει κάτω από το νερό.

Στην περίπτωση της ανάκλασης που εξετάστηκε παραπάνω, υποτέθηκε ότι το πάχος του δεύτερου μέσου προς την κατεύθυνση της διάδοσης του κύματος είναι μεγάλο. Αλλά ο συντελεστής μετάδοσης θα είναι σημαντικά μεγαλύτερος εάν το δεύτερο μέσο είναι ένας τοίχος που χωρίζει δύο πανομοιότυπα περιβάλλοντα, όπως ένα συμπαγές χώρισμα μεταξύ των δωματίων. Το γεγονός είναι ότι το πάχος του τοιχώματος είναι συνήθως μικρότερο από το μήκος κύματος του ήχου ή συγκρίσιμο με αυτό. Εάν το πάχος του τοιχώματος είναι πολλαπλάσιο του μισού μήκους κύματος του ήχου στον τοίχο, τότε ο συντελεστής μετάδοσης του κύματος σε κάθετη πρόσπτωση είναι πολύ μεγάλος. Το διαμέρισμα θα ήταν απολύτως διαφανές σε ήχο αυτής της συχνότητας αν δεν υπήρχε η απορρόφηση, την οποία παραμελούμε εδώ. Εάν το πάχος του τοίχου είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του ήχου σε αυτό, τότε η ανάκλαση είναι πάντα μικρή και η μετάδοση μεγάλη, εκτός από τις περιπτώσεις που λαμβάνονται ειδικά μέτρα για την αύξηση της ηχοαπορρόφησης.

Διάθλαση του ήχου.

Όταν ένα επίπεδο ηχητικό κύμα προσπίπτει υπό γωνία στη διεπαφή, η γωνία ανάκλασής του είναι ίση με τη γωνία πρόσπτωσης. Το μεταδιδόμενο κύμα αποκλίνει από την κατεύθυνση του προσπίπτοντος κύματος εάν η γωνία πρόσπτωσης είναι διαφορετική από 90°. Αυτή η αλλαγή στην κατεύθυνση της κίνησης του κύματος ονομάζεται διάθλαση. Η διαθλαστική γεωμετρία σε ένα επίπεδο όριο φαίνεται στο Σχ. 12. Υποδεικνύονται οι γωνίες μεταξύ της κατεύθυνσης των κυμάτων και της κάθετης προς την επιφάνεια q 1 για προσπίπτον κύμα και q 2 – για διαθλασμένο παρελθόν. Η σχέση μεταξύ αυτών των δύο γωνιών περιλαμβάνει μόνο την αναλογία των ταχυτήτων του ήχου για τα δύο μέσα. Όπως και στην περίπτωση των κυμάτων φωτός, αυτές οι γωνίες σχετίζονται μεταξύ τους σύμφωνα με το νόμο του Snell:

Έτσι, εάν η ταχύτητα του ήχου στο δεύτερο μέσο είναι μικρότερη από ό,τι στο πρώτο, τότε η γωνία διάθλασης θα είναι μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης, αλλά εάν η ταχύτητα στο δεύτερο μέσο είναι μεγαλύτερη, τότε η γωνία διάθλασης θα είναι μεγαλύτερη από τη γωνία πρόσπτωσης.

Διάθλαση λόγω διαβάθμισης θερμοκρασίας.

Εάν η ταχύτητα του ήχου σε ένα ανομοιογενές μέσο αλλάζει συνεχώς από σημείο σε σημείο, τότε αλλάζει και η διάθλαση. Δεδομένου ότι η ταχύτητα του ήχου τόσο στον αέρα όσο και στο νερό εξαρτάται από τη θερμοκρασία, με την παρουσία μιας βαθμίδας θερμοκρασίας, τα ηχητικά κύματα μπορούν να αλλάξουν την κατεύθυνση της κίνησής τους. Στην ατμόσφαιρα και στον ωκεανό, παρατηρούνται συνήθως κατακόρυφες διαβαθμίσεις θερμοκρασίας λόγω οριζόντιας διαστρωμάτωσης. Επομένως, λόγω αλλαγών στην κατακόρυφη ταχύτητα του ήχου που προκαλούνται από τις διαβαθμίσεις θερμοκρασίας, το ηχητικό κύμα μπορεί να εκτραπεί είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω.

Σκεφτείτε την περίπτωση που σε κάποιο μέρος κοντά στην επιφάνεια της Γης ο αέρας είναι θερμότερος από ότι σε υψηλότερα στρώματα. Στη συνέχεια, με την αύξηση του υψομέτρου, η θερμοκρασία του αέρα εδώ μειώνεται και μαζί με αυτήν μειώνεται η ταχύτητα του ήχου. Ο ήχος που εκπέμπεται από μια πηγή κοντά στην επιφάνεια της Γης θα ταξιδέψει προς τα πάνω λόγω διάθλασης. Αυτό φαίνεται στο Σχ. 13, το οποίο δείχνει ηχητικές «ακτίνες».

Η εκτροπή των ηχητικών ακτίνων που φαίνεται στο Σχ. 13, περιγράφεται σε γενική μορφή από το νόμο του Snell. Αν μέσω q, όπως και πριν, ορίστε τη γωνία μεταξύ της κατακόρυφου και της κατεύθυνσης της ακτινοβολίας, τότε ο γενικευμένος νόμος του Snell έχει τη μορφή sin q/v= const, που αναφέρεται σε οποιοδήποτε σημείο της ακτίνας. Έτσι, αν η δέσμη περάσει σε μια περιοχή όπου η ταχύτητα vμειώνεται και μετά η γωνία qπρέπει επίσης να μειωθεί. Επομένως, οι ηχητικές ακτίνες εκτρέπονται πάντα προς την κατεύθυνση της μείωσης της ταχύτητας του ήχου.

Από το Σχ. 13 μπορεί να φανεί ότι υπάρχει μια περιοχή που βρίσκεται σε κάποια απόσταση από την πηγή όπου οι ηχητικές ακτίνες δεν διεισδύουν καθόλου. Αυτή είναι η λεγόμενη ζώνη σιωπής.

Είναι πολύ πιθανό ότι κάπου σε ύψος μεγαλύτερο από αυτό που φαίνεται στο Σχ. 13, λόγω της κλίσης θερμοκρασίας, η ταχύτητα του ήχου αυξάνεται με το ύψος. Σε αυτήν την περίπτωση, το ηχητικό κύμα που αρχικά εκτρέπεται προς τα πάνω θα εκτραπεί προς την επιφάνεια της Γης με μεγάλη απόσταση. Αυτό συμβαίνει όταν σχηματίζεται ένα στρώμα αναστροφής θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα, ως αποτέλεσμα του οποίου καθίσταται δυνατή η λήψη ηχητικών σημάτων εξαιρετικά μεγάλης εμβέλειας. Επιπλέον, η ποιότητα της υποδοχής σε μακρινά σημεία είναι ακόμα καλύτερη από ό,τι σε κοντινή απόσταση. Υπήρξαν πολλά παραδείγματα λήψης εξαιρετικά μεγάλης εμβέλειας στην ιστορία. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου, όταν οι ατμοσφαιρικές συνθήκες ευνόησαν την κατάλληλη διάθλαση του ήχου, ο κανονιοβολισμός στο γαλλικό μέτωπο μπορούσε να ακουστεί στην Αγγλία.

Διάθλαση του ήχου κάτω από το νερό.

Διάθλαση του ήχου, που προκαλείται από κάθετες αλλαγές θερμοκρασίας, παρατηρείται επίσης στον ωκεανό. Εάν η θερμοκρασία, και επομένως η ταχύτητα του ήχου, μειώνεται με το βάθος, οι ηχητικές ακτίνες εκτρέπονται προς τα κάτω, με αποτέλεσμα μια ζώνη σιωπής παρόμοια με αυτή που φαίνεται στο Σχ. 13 για την ατμόσφαιρα. Για τον ωκεανό, η αντίστοιχη εικόνα θα ληφθεί εάν απλώς αναποδογυριστεί αυτή η εικόνα.

Η παρουσία ζωνών σιωπής καθιστά δύσκολη την ανίχνευση υποβρυχίων με σόναρ και η διάθλαση, η οποία εκτρέπει τα ηχητικά κύματα προς τα κάτω, περιορίζει σημαντικά το εύρος διάδοσής τους κοντά στην επιφάνεια. Ωστόσο, παρατηρείται και διάθλαση προς τα πάνω. Μπορεί να δημιουργήσει περισσότερα ευνοϊκές συνθήκεςγια σόναρ.

Παρεμβολή ηχητικών κυμάτων.

Η υπέρθεση δύο ή περισσότερων κυμάτων ονομάζεται παρεμβολή κυμάτων.

Μόνιμα κύματα ως αποτέλεσμα παρεμβολών.

Τα στάσιμα κύματα που συζητήθηκαν παραπάνω είναι μια ειδική περίπτωση παρεμβολής. Τα στάσιμα κύματα σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της υπέρθεσης δύο κυμάτων ίδιου πλάτους, φάσης και συχνότητας, που διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Το πλάτος στους αντικόμβους ενός στάσιμου κύματος είναι ίσο με το διπλάσιο του πλάτους κάθε κύματος. Εφόσον η ένταση ενός κύματος είναι ανάλογη με το τετράγωνο του πλάτους του, αυτό σημαίνει ότι η ένταση στους αντικόμβους είναι 4 φορές η ένταση κάθε κύματος ή 2 φορές η συνολική ένταση των δύο κυμάτων. Δεν υπάρχει παραβίαση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας εδώ, αφού η ένταση στους κόμβους είναι μηδενική.

Χτύπημα.

Είναι επίσης δυνατή η παρεμβολή αρμονικών κυμάτων διαφορετικών συχνοτήτων. Όταν δύο συχνότητες διαφέρουν ελάχιστα, εμφανίζονται τα λεγόμενα beats. Τα beats είναι αλλαγές στο πλάτος του ήχου που συμβαίνουν σε συχνότητα ίση με τη διαφορά στις αρχικές συχνότητες. Στο Σχ. Το Σχήμα 14 δείχνει ένα παλμογράφημα των παλμών.

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η συχνότητα παλμού είναι η συχνότητα διαμόρφωσης πλάτους του ήχου. Το χτύπημα δεν πρέπει επίσης να συγχέεται με τη διαφορά συχνότητας που προκύπτει από την παραμόρφωση του αρμονικού σήματος.

Τα beats χρησιμοποιούνται συχνά όταν συντονίζονται δύο τόνοι ταυτόχρονα. Η συχνότητα ρυθμίζεται μέχρι να μην ακούγονται πλέον οι παλμοί. Ακόμα κι αν η συχνότητα των κτύπων είναι πολύ μικρή, το ανθρώπινο αυτί είναι σε θέση να αντιληφθεί την περιοδική αύξηση και μείωση της έντασης του ήχου. Επομένως, τα beats είναι μια πολύ ευαίσθητη μέθοδος συντονισμού στο εύρος ήχου. Εάν ο συντονισμός δεν είναι ακριβής, τότε η διαφορά συχνότητας μπορεί να προσδιοριστεί με το αυτί μετρώντας τον αριθμό των παλμών σε ένα δευτερόλεπτο. Στη μουσική, οι ρυθμοί των υψηλότερων αρμονικών στοιχείων γίνονται αντιληπτοί και από το αυτί, το οποίο χρησιμοποιείται όταν κουρδίζετε ένα πιάνο.

Απορρόφηση ηχητικών κυμάτων.

Η ένταση των ηχητικών κυμάτων κατά τη διάδοσή τους πάντα μειώνεται λόγω του γεγονότος ότι ένα συγκεκριμένο μέρος της ακουστικής ενέργειας διαχέεται. Λόγω των διαδικασιών ανταλλαγής θερμότητας, διαμοριακής αλληλεπίδρασης και εσωτερικής τριβής, τα ηχητικά κύματα απορροφώνται σε οποιοδήποτε μέσο. Η ένταση της απορρόφησης εξαρτάται από τη συχνότητα του ηχητικού κύματος και άλλους παράγοντες όπως η πίεση και η θερμοκρασία του μέσου.

Η απορρόφηση κύματος σε ένα μέσο χαρακτηρίζεται ποσοτικά από τον συντελεστή απορρόφησης ένα. Δείχνει πόσο γρήγορα μειώνεται η υπερβολική πίεση ανάλογα με την απόσταση που διανύει το κύμα διάδοσης. Μείωση του πλάτους υπερβολικής πίεσης –D R eόταν διανύεις την απόσταση Δ Χανάλογο με το πλάτος της αρχικής υπερπίεσης R eκαι απόσταση Δ Χ. Ετσι,

-ΡΕ P e = a P eρε x.

Για παράδειγμα, όταν λέμε ότι η απώλεια απορρόφησης είναι 1 dB/m, αυτό σημαίνει ότι σε απόσταση 50 m το επίπεδο ηχητικής πίεσης μειώνεται κατά 50 dB.

Απορρόφηση λόγω εσωτερικής τριβής και θερμικής αγωγιμότητας.

Κατά τη διάρκεια της κίνησης των σωματιδίων που σχετίζονται με τη διάδοση ενός ηχητικού κύματος, η τριβή μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων του μέσου είναι αναπόφευκτη. Στα υγρά και τα αέρια, αυτή η τριβή ονομάζεται ιξώδες. Το ιξώδες, το οποίο είναι υπεύθυνο για την μη αναστρέψιμη μετατροπή της ενέργειας ακουστικών κυμάτων σε θερμότητα, είναι κύριος λόγοςηχοαπορρόφηση σε αέρια και υγρά.

Επιπλέον, η απορρόφηση σε αέρια και υγρά οφείλεται σε απώλεια θερμότητας κατά τη συμπίεση στο κύμα. Έχουμε ήδη πει ότι όταν περνά ένα κύμα, το αέριο στη φάση συμπίεσης θερμαίνεται. Σε αυτή τη γρήγορη διαδικασία, η θερμότητα συνήθως δεν έχει χρόνο να μεταφερθεί σε άλλες περιοχές του αερίου ή στα τοιχώματα του δοχείου. Αλλά στην πραγματικότητα, αυτή η διαδικασία είναι ατελής και μέρος της εκλυόμενης θερμικής ενέργειας φεύγει από το σύστημα. Αυτό σχετίζεται με την απορρόφηση του ήχου λόγω θερμικής αγωγιμότητας. Αυτή η απορρόφηση συμβαίνει σε κύματα συμπίεσης σε αέρια, υγρά και στερεά.

Η ηχοαπορρόφηση, λόγω τόσο του ιξώδους όσο και της θερμικής αγωγιμότητας, γενικά αυξάνεται με το τετράγωνο της συχνότητας. Έτσι, οι ήχοι υψηλής συχνότητας απορροφώνται πολύ πιο έντονα από τους ήχους χαμηλής συχνότητας. Για παράδειγμα, όταν κανονική πίεσηκαι θερμοκρασίας, ο συντελεστής απορρόφησης (λόγω και των δύο μηχανισμών) σε συχνότητα 5 kHz στον αέρα είναι περίπου 3 dB/km. Δεδομένου ότι η απορρόφηση είναι ανάλογη με το τετράγωνο της συχνότητας, ο συντελεστής απορρόφησης στα 50 kHz θα είναι 300 dB/km.

Απορρόφηση σε στερεά.

Ο μηχανισμός ηχοαπορρόφησης λόγω θερμικής αγωγιμότητας και ιξώδους, που εμφανίζεται στα αέρια και τα υγρά, διατηρείται και στα στερεά. Ωστόσο, εδώ προστίθενται νέοι μηχανισμοί απορρόφησης. Συνδέονται με ελαττώματα στη δομή των στερεών. Το γεγονός είναι ότι τα πολυκρυσταλλικά στερεά υλικά αποτελούνται από μικρούς κρυσταλλίτες. Όταν ο ήχος περνά μέσα από αυτά, συμβαίνουν παραμορφώσεις, που οδηγούν στην απορρόφηση της ηχητικής ενέργειας. Ο ήχος είναι επίσης διάσπαρτος στα όρια των κρυσταλλίτη. Επιπλέον, ακόμη και οι μονοκρυστάλλοι περιέχουν ελαττώματα όπως εξαρθρήματα που συμβάλλουν στην απορρόφηση του ήχου. Οι εξαρθρώσεις είναι παραβιάσεις του συντονισμού των ατομικών επιπέδων. Όταν ένα ηχητικό κύμα προκαλεί ατομικές δονήσεις, οι εξαρθρώσεις μετατοπίζονται και στη συνέχεια επιστρέφουν στην αρχική τους θέση, διαχέοντας ενέργεια λόγω εσωτερικής τριβής.

Η απορρόφηση λόγω εξαρθρώσεων εξηγεί, ειδικότερα, γιατί δεν χτυπάει ένα κουδούνι από μόλυβδο. Ο μόλυβδος είναι ένα μαλακό μέταλλο στο οποίο υπάρχουν πολλές εξαρθρώσεις, και ως εκ τούτου οι ηχητικές δονήσεις σε αυτό αποσυντίθενται εξαιρετικά γρήγορα. Αλλά θα κουδουνίσει καλά αν κρυώσει με υγρό αέρα. Στο χαμηλές θερμοκρασίεςΤα εξαρθρήματα είναι «παγωμένα» σε σταθερή θέση και επομένως δεν κινούνται και δεν μετατρέπουν την ηχητική ενέργεια σε θερμότητα.

ΜΟΥΣΙΚΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ

Μουσικοί ήχοι.

Η μουσική ακουστική μελετά τα χαρακτηριστικά μουσικούς ήχους, τα χαρακτηριστικά τους που σχετίζονται με το πώς τα αντιλαμβανόμαστε και τους ηχητικούς μηχανισμούς των μουσικών οργάνων.

Ο μουσικός ήχος, ή τόνος, είναι ένας περιοδικός ήχος, δηλ. διακυμάνσεις που επαναλαμβάνονται ξανά και ξανά μετά από μια ορισμένη περίοδο. Ειπώθηκε παραπάνω ότι ο περιοδικός ήχος μπορεί να αναπαρασταθεί ως άθροισμα ταλαντώσεων με συχνότητες που είναι πολλαπλάσια της θεμελιώδης συχνότητας φά: 2φά, 3φά, 4φάκαι τα λοιπά. Σημειώθηκε επίσης ότι οι δονούμενες χορδές και οι κολώνες αέρα παράγουν μουσικούς ήχους.

Οι μουσικοί ήχοι διαφέρουν με τρεις τρόπους: ένταση, ύψος και χροιά. Όλοι αυτοί οι δείκτες είναι υποκειμενικοί, αλλά μπορούν να συσχετιστούν με μετρήσιμες τιμές. Η ένταση σχετίζεται κυρίως με την ένταση του ήχου. το ύψος ενός ήχου, που χαρακτηρίζει τη θέση του στη μουσική δομή, καθορίζεται από τη συχνότητα του τόνου. Η χροιά με την οποία ένα όργανο ή φωνή διαφέρει από ένα άλλο χαρακτηρίζεται από την κατανομή της ενέργειας μεταξύ των αρμονικών και την αλλαγή αυτής της κατανομής με την πάροδο του χρόνου.

Το ύψος του ήχου.

Το ύψος ενός μουσικού ήχου είναι στενά συνδεδεμένο με τη συχνότητα, αλλά δεν ταυτίζεται με αυτήν, αφού η εκτίμηση του ύψους είναι υποκειμενική.

Για παράδειγμα, έχει διαπιστωθεί ότι η εκτίμηση του ύψους ενός ήχου μονής συχνότητας εξαρτάται κάπως από το επίπεδο έντασης του. Με μια σημαντική αύξηση του όγκου, ας πούμε 40 dB, η φαινομενική συχνότητα μπορεί να μειωθεί κατά 10%. Στην πράξη, αυτή η εξάρτηση από την ένταση δεν έχει σημασία, αφού οι μουσικοί ήχοι είναι πολύ πιο περίπλοκοι από τους ήχους μιας συχνότητας.

Αυτό που είναι πιο θεμελιώδες σχετικά με τη σχέση μεταξύ του τόνου και της συχνότητας είναι ότι εάν οι μουσικοί ήχοι αποτελούνται από αρμονικές, με ποια συχνότητα σχετίζεται το αντιληπτό ύψος; Αποδεικνύεται ότι αυτή μπορεί να μην είναι η συχνότητα που αντιστοιχεί στη μέγιστη ενέργεια και όχι η χαμηλότερη συχνότητα στο φάσμα. Για παράδειγμα, ένας μουσικός ήχος που αποτελείται από ένα σύνολο συχνοτήτων 200, 300, 400 και 500 Hz γίνεται αντιληπτός ως ήχος με ύψος 100 Hz. Δηλαδή, το ύψος ενός ήχου συνδέεται με τη θεμελιώδη συχνότητα της αρμονικής σειράς, ακόμη κι αν δεν βρίσκεται στο φάσμα του ήχου. Είναι αλήθεια ότι τις περισσότερες φορές η θεμελιώδης συχνότητα είναι παρούσα σε έναν ή τον άλλο βαθμό στο φάσμα.

Μιλώντας για τη σχέση μεταξύ του ύψους ενός ήχου και της συχνότητάς του, δεν πρέπει να ξεχνάμε τα χαρακτηριστικά ανθρώπινο όργανοακρόαση Πρόκειται για έναν ειδικό ακουστικό δέκτη που εισάγει τις δικές του παραμορφώσεις (για να μην αναφέρουμε το γεγονός ότι υπάρχουν ψυχολογικές και υποκειμενικές πτυχές της ακοής). Το αυτί είναι ικανό να αναγνωρίσει ορισμένες συχνότητες, επιπλέον, το ηχητικό κύμα υφίσταται μη γραμμικές παραμορφώσεις σε αυτό. Η επιλεκτικότητα συχνότητας προκαλείται από τη διαφορά μεταξύ της έντασης ενός ήχου και της έντασής του (Εικ. 9). Είναι πιο δύσκολο να εξηγηθούν οι μη γραμμικές παραμορφώσεις, οι οποίες εκφράζονται στην εμφάνιση συχνοτήτων που απουσιάζουν στο αρχικό σήμα. Η μη γραμμικότητα της απόκρισης του αυτιού οφείλεται στην ασυμμετρία της κίνησης των διαφόρων στοιχείων του.

Ένα από τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα ενός μη γραμμικού συστήματος λήψης είναι ότι όταν διεγείρεται από ήχο με συχνότητα φά 1 αρμονικοί τόνοι ενθουσιάζονται σε αυτό 2 φά 1 , 3φά 1,..., και σε ορισμένες περιπτώσεις και υποαρμονικές τύπου 1/2 φά 1. Επιπλέον, κατά τη διέγερση ενός μη γραμμικού συστήματος με δύο συχνότητες φά 1 και φά 2 οι συχνότητες αθροίσματος και διαφοράς διεγείρονται σε αυτό φά 1 + φά 2 Και φά 1 - φά 2. Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος των αρχικών ταλαντώσεων, τόσο μεγαλύτερη είναι η συμβολή των «έξτρα» συχνοτήτων.

Έτσι, λόγω της μη γραμμικότητας των ακουστικών χαρακτηριστικών του αυτιού, μπορεί να εμφανιστούν συχνότητες που δεν υπάρχουν στον ήχο. Τέτοιες συχνότητες ονομάζονται υποκειμενικοί τόνοι. Ας υποθέσουμε ότι ο ήχος αποτελείται από καθαρούς τόνους συχνοτήτων 200 και 250 Hz. Λόγω της μη γραμμικότητας της απόκρισης, θα εμφανιστούν πρόσθετες συχνότητες: 250 – 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2ґ 200 = 400, 2ґ 250 = 500 Hz, κ.λπ. Θα φαίνεται στον ακροατή ότι υπάρχει ένα ολόκληρο σύνολο συνδυαστικών συχνοτήτων στον ήχο, αλλά η εμφάνισή τους οφείλεται στην πραγματικότητα στη μη γραμμική απόκριση του αυτιού. Όταν ένας μουσικός ήχος αποτελείται από μια θεμελιώδη συχνότητα και τις αρμονικές της, είναι προφανές ότι η θεμελιώδης συχνότητα ενισχύεται αποτελεσματικά από τις διαφορές συχνοτήτων.

Είναι αλήθεια ότι, όπως έχουν δείξει μελέτες, οι υποκειμενικές συχνότητες προκύπτουν μόνο όταν το πλάτος του αρχικού σήματος είναι αρκετά μεγάλο. Επομένως, είναι πιθανό ότι στο παρελθόν ο ρόλος των υποκειμενικών συχνοτήτων στη μουσική ήταν πολύ υπερβολικός.

Μουσικά πρότυπα και μέτρηση του μουσικού τόνου.

Στην ιστορία της μουσικής, ήχοι διαφορετικών συχνοτήτων ελήφθησαν ως ο θεμελιώδης τόνος που καθορίζει ολόκληρη τη μουσική δομή. Τώρα η γενικά αποδεκτή συχνότητα για τη νότα «Α» της πρώτης οκτάβας είναι 440 Hz. Αλλά στο παρελθόν κυμαινόταν από 400 έως 462 Hz.

Ο παραδοσιακός τρόπος για να προσδιορίσετε το ύψος ενός ήχου είναι να τον συγκρίνετε με τον τόνο ενός τυπικού πιρουνιού συντονισμού. Η απόκλιση της συχνότητας ενός δεδομένου ήχου από το πρότυπο κρίνεται από την παρουσία κτύπων. Τα πιρούνια συντονισμού εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα, αν και τώρα υπάρχουν πιο βολικά όργανα για τον προσδιορισμό του ύψους του ήχου, όπως μια τυπική γεννήτρια σταθερής συχνότητας (με αντηχείο χαλαζία), η οποία μπορεί να ρυθμιστεί ομαλά σε όλο το εύρος ήχου. Είναι αλήθεια ότι η ακριβής βαθμονόμηση μιας τέτοιας συσκευής είναι αρκετά δύσκολη.

Μια ευρέως χρησιμοποιούμενη στροβοσκοπική μέθοδος για τη μέτρηση του ύψους είναι στην οποία ο ήχος ενός μουσικού οργάνου καθορίζει τη συχνότητα των αναλαμπές μιας στροβοσκοπικής λάμπας. Η λυχνία φωτίζει το μοτίβο σε έναν δίσκο που περιστρέφεται με γνωστή συχνότητα και η θεμελιώδης συχνότητα του τόνου καθορίζεται από τη φαινομενική συχνότητα κίνησης του σχεδίου στο δίσκο υπό στροβοσκοπικό φωτισμό.

Το αυτί είναι πολύ ευαίσθητο στις αλλαγές του τόνου, αλλά η ευαισθησία του εξαρτάται από τη συχνότητα. Είναι το μέγιστο κοντά στο κατώτερο όριο ακρόασης. Ακόμη και το μη εκπαιδευμένο αυτί μπορεί να ανιχνεύσει διαφορά συχνότητας μόνο 0,3% στην περιοχή από 500 έως 5000 Hz. Η ευαισθησία μπορεί να αυξηθεί με την προπόνηση. Οι μουσικοί έχουν μια πολύ ανεπτυγμένη αίσθηση του ύψους, αλλά δεν είναι πάντα χρήσιμο για τον προσδιορισμό της συχνότητας του καθαρού τόνου που παράγεται από έναν ταλαντωτή αναφοράς. Αυτό υποδηλώνει ότι κατά τον προσδιορισμό της συχνότητας ενός ήχου από το αυτί, η χροιά του παίζει σημαντικό ρόλο.

Τέμπο.

Το timbre αναφέρεται σε εκείνα τα χαρακτηριστικά των μουσικών ήχων που δίνουν στα μουσικά όργανα και τις φωνές τη μοναδική τους ιδιαιτερότητα, ακόμη και όταν συγκρίνονται ήχους της ίδιας έντασης και έντασης. Αυτή είναι, θα λέγαμε, ποιότητα ήχου.

Η χροιά εξαρτάται από το φάσμα συχνοτήτων του ήχου και τις αλλαγές του με την πάροδο του χρόνου. Καθορίζεται από διάφορους παράγοντες: την κατανομή της ενέργειας στους τόνους, τις συχνότητες που προκύπτουν τη στιγμή που εμφανίζεται ή σταματά ο ήχος (οι λεγόμενοι τόνοι μετάβασης) και η εξασθένησή τους, καθώς και η αργή διαμόρφωση πλάτους και συχνότητας του ήχου ( «vibrato»).

Υπερτονική ένταση.

Ας εξετάσουμε μια τεντωμένη χορδή, η οποία διεγείρεται με το μάδημα στο μεσαίο τμήμα της (Εικ. 15, ΕΝΑ). Δεδομένου ότι όλες οι ζυγές αρμονικές έχουν κόμβους στη μέση, θα απουσιάζουν και οι ταλαντώσεις θα αποτελούνται από περιττές αρμονικές της θεμελιώδους συχνότητας ίσες με φά 1 = v/2μεγάλο, Πού v –την ταχύτητα του κύματος στη χορδή, και μεγάλο- το μήκος του. Έτσι, θα υπάρχουν μόνο οι συχνότητες φά 1 , 3φά 1 , 5φά 1, κ.λπ. Τα σχετικά πλάτη αυτών των αρμονικών φαίνονται στο Σχ. 15, σι.

Αυτό το παράδειγμα μας επιτρέπει να βγάλουμε το ακόλουθο σημαντικό γενικό συμπέρασμα. Το σύνολο των αρμονικών ενός συστήματος συντονισμού καθορίζεται από τη διαμόρφωσή του και η κατανομή της ενέργειας μεταξύ των αρμονικών εξαρτάται από τη μέθοδο διέγερσης. Όταν μια χορδή διεγείρεται, η θεμελιώδης συχνότητα κυριαρχεί στη μέση της και οι ζυγές αρμονικές καταστέλλονται εντελώς. Εάν η χορδή στερεωθεί στο μεσαίο τμήμα της και μαδηθεί κάπου αλλού, τότε η θεμελιώδης συχνότητα και οι περιττές αρμονικές θα κατασταλούν.

Όλα αυτά ισχύουν για άλλα διάσημα μουσικά όργανα, αν και οι λεπτομέρειες μπορεί να διαφέρουν πολύ. Τα όργανα έχουν συνήθως μια κοιλότητα αέρα, ηχείο ή κόρνα για να εκπέμπουν ήχο. Όλα αυτά καθορίζουν τη δομή των αποχρώσεων και την εμφάνιση των φορμαντών.

Formants.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ποιότητα του ήχου των μουσικών οργάνων εξαρτάται από την κατανομή της ενέργειας μεταξύ των αρμονικών. Όταν το ύψος πολλών οργάνων, και ειδικά η ανθρώπινη φωνή, αλλάζει, η κατανομή των αρμονικών αλλάζει έτσι ώστε οι θεμελιώδεις τόνοι να βρίσκονται πάντα περίπου στο ίδιο εύρος συχνοτήτων, το οποίο ονομάζεται εύρος φορμαντ. Ένας από τους λόγους για την ύπαρξη φορμαντών είναι η χρήση ηχητικών στοιχείων για την ενίσχυση του ήχου, όπως η ηχητική σανίδα και ο αντηχείο αέρα. Το πλάτος των φυσικών συντονισμών είναι συνήθως μεγάλο, λόγω του οποίου η απόδοση ακτινοβολίας στις αντίστοιχες συχνότητες είναι μεγαλύτερη. Στα χάλκινα όργανα τα φορμάντ καθορίζονται από την καμπάνα από την οποία βγαίνει ο ήχος. Οι υπερτονισμοί εντός του εύρους φορμάντ δίνονται πάντα έντονα, καθώς εκπέμπονται με μέγιστη ενέργεια. Τα φορμάντ καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τα χαρακτηριστικά ποιοτικά χαρακτηριστικά των ήχων ενός μουσικού οργάνου ή φωνής.

Αλλαγή των τόνων με την πάροδο του χρόνου.

Ο τόνος οποιουδήποτε οργάνου σπάνια παραμένει σταθερός με την πάροδο του χρόνου και η χροιά σχετίζεται σημαντικά με αυτό. Ακόμη και όταν το όργανο διατηρεί μια μακρά νότα, υπάρχει μια ελαφρά περιοδική διαμόρφωση της συχνότητας και του πλάτους που εμπλουτίζει τον ήχο - "vibrato". Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για έγχορδα όργανα όπως το βιολί και η ανθρώπινη φωνή.

Για πολλά όργανα, για παράδειγμα το πιάνο, η διάρκεια του ήχου είναι τέτοια που ένας σταθερός τόνος δεν έχει χρόνο να σχηματιστεί - ο ενθουσιασμένος ήχος αυξάνεται γρήγορα και στη συνέχεια εξασθενεί γρήγορα. Δεδομένου ότι η εξασθένηση του τόνου προκαλείται συνήθως από εφέ που εξαρτώνται από τη συχνότητα (όπως η ακουστική ακτινοβολία), είναι προφανές ότι η κατανομή των υπερτονικών αλλάζει σε όλο τον ήχο του τόνου.

Η φύση της αλλαγής του τόνου με την πάροδο του χρόνου (η ταχύτητα ανόδου και πτώσης του ήχου) για ορισμένα όργανα φαίνεται σχηματικά στο Σχ. 18. Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, τα έγχορδα όργανα (μαδημένα και πλήκτρα) δεν έχουν ουσιαστικά σταθερό τόνο. Σε τέτοιες περιπτώσεις, μπορούμε να μιλήσουμε για το φάσμα των αποχρώσεων μόνο υπό όρους, καθώς ο ήχος αλλάζει γρήγορα με την πάροδο του χρόνου. Τα χαρακτηριστικά ανόδου και πτώσης αποτελούν επίσης σημαντικό μέρος της χροιάς τέτοιων οργάνων.

Μεταβατικοί τόνοι.

Η αρμονική σύνθεση ενός τόνου συνήθως αλλάζει γρήγορα σύντομο χρονικό διάστημααφού ο ήχος είναι ενθουσιασμένος. Σε εκείνα τα όργανα στα οποία ο ήχος διεγείρεται με το χτύπημα των χορδών ή το μάδημα, η ενέργεια που αποδίδεται στις υψηλότερες αρμονικές (καθώς και σε πολλά μη αρμονικά συστατικά) είναι μέγιστη αμέσως μετά την έναρξη του ήχου και μετά από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου αυτές οι συχνότητες πεθαίνουν έξω. Τέτοιοι ήχοι, που ονομάζονται μεταβατικοί, δίνουν ένα συγκεκριμένο χρώμα στον ήχο του οργάνου. Σε ένα πιάνο, προκαλούνται από τη δράση ενός σφυριού που χτυπά μια χορδή. Μερικές φορές τα μουσικά όργανα με την ίδια δομή του τόνου μπορούν να διακριθούν μόνο από τους μεταβατικούς τόνους τους.

Ο ΗΧΟΣ ΤΩΝ ΜΟΥΣΙΚΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ

Οι μουσικοί ήχοι μπορούν να διεγερθούν και να τροποποιηθούν με πολλούς τρόπους, γι' αυτό και τα μουσικά όργανα έχουν διάφορα σχήματα. Τα όργανα δημιουργήθηκαν και βελτιώθηκαν ως επί το πλείστον από τους ίδιους τους μουσικούς και έμπειρους τεχνίτες που δεν κατέφευγαν επιστημονική θεωρία. Επομένως, η ακουστική επιστήμη δεν μπορεί να εξηγήσει, για παράδειγμα, γιατί ένα βιολί έχει το σχήμα που έχει. Ωστόσο, είναι πολύ πιθανό να περιγραφούν οι ηχητικές ιδιότητες ενός βιολιού με βάση γενικές αρχέςπαιχνίδια σε αυτό και τα σχέδιά του.

Το εύρος συχνοτήτων ενός οργάνου συνήθως αναφέρεται στο εύρος συχνοτήτων των θεμελιωδών τόνων του. Η ανθρώπινη φωνή εκτείνεται περίπου σε δύο οκτάβες και ένα μουσικό όργανο εκτείνεται τουλάχιστον σε τρεις (ένα μεγάλο όργανο εκτείνεται σε δέκα). Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι τόνοι εκτείνονται μέχρι το άκρο του ηχητικού εύρους.

Τα μουσικά όργανα έχουν τρία κύρια μέρη: ένα δονούμενο στοιχείο, έναν μηχανισμό για τη διέγερσή του και ένα βοηθητικό αντηχείο (κόρνα ή ηχητικό πίνακα) για ακουστική επικοινωνία μεταξύ του δονούμενου στοιχείου και του περιβάλλοντος αέρα.

Ο μουσικός ήχος είναι περιοδικός στο χρόνο και οι περιοδικοί ήχοι αποτελούνται από μια σειρά αρμονικών. Δεδομένου ότι οι φυσικές συχνότητες δόνησης των χορδών και των στηλών αέρα σταθερού μήκους σχετίζονται αρμονικά μεταξύ τους, σε πολλά όργανα τα κύρια στοιχεία δόνησης είναι οι χορδές και οι κολώνες αέρα. Με ελάχιστες εξαιρέσεις (το φλάουτο είναι μία από αυτές), τα όργανα δεν μπορούν να παράγουν ήχο μίας συχνότητας. Όταν ο κύριος δονητής είναι διεγερμένος, εμφανίζεται ένας ήχος που περιέχει τόνους. Για ορισμένους δονητές, οι συχνότητες συντονισμού δεν είναι αρμονικές συνιστώσες. Όργανα αυτού του είδους (για παράδειγμα, τύμπανα και κύμβαλα) χρησιμοποιούνται στην ορχηστρική μουσική για ιδιαίτερη εκφραστικότητα και για να τονίσουν τον ρυθμό, αλλά όχι για μελωδική ανάπτυξη.

Έγχορδα όργανα.

Η ίδια η δονούμενη χορδή είναι κακός εκπομπός ήχου, και επομένως το έγχορδο όργανο πρέπει να έχει πρόσθετο αντηχείο για να διεγείρει ήχο αισθητής έντασης. Αυτό μπορεί να είναι ένας κλειστός όγκος αέρα, μια ηχητική σανίδα ή ένας συνδυασμός και των δύο. Ο ηχητικός χαρακτήρας του οργάνου καθορίζεται και από τον τρόπο που διεγείρονται οι χορδές.

Είδαμε νωρίτερα ότι η θεμελιώδης συχνότητα δόνησης μιας σταθερής χορδής μήκους μεγάλοδίνεται από την έκφραση

Οπου Τείναι η δύναμη τάσης της χορδής, και r Λ– μάζα ανά μονάδα μήκους της χορδής. Επομένως, μπορούμε να αλλάξουμε τη συχνότητα με τρεις τρόπους: αλλάζοντας μήκος, τάση ή μάζα. Πολλά όργανα χρησιμοποιούν μικρό αριθμό χορδών ίσου μήκους, οι θεμελιώδεις συχνότητες των οποίων καθορίζονται από την κατάλληλη επιλογή τάσης και μάζας. Άλλες συχνότητες λαμβάνονται συντομεύοντας το μήκος της χορδής με τα δάχτυλά σας.

Άλλα όργανα, όπως το πιάνο, έχουν μία από τις πολλές προ-κουρδισμένες χορδές για κάθε νότα. Ο συντονισμός ενός πιάνου, όπου το εύρος συχνοτήτων είναι μεγάλο, δεν είναι εύκολη υπόθεση, ειδικά στην περιοχή χαμηλής συχνότητας. Η δύναμη τάνυσης όλων των χορδών πιάνου είναι σχεδόν η ίδια (περίπου 2 kN) και μια ποικιλία συχνοτήτων επιτυγχάνεται αλλάζοντας το μήκος και το πάχος των χορδών.

Η ανάδευση ενός έγχορδου οργάνου μπορεί να γίνει με μάδημα (για παράδειγμα, σε άρπα ή μπάντζο), χτυπώντας (σε πιάνο) ή χρησιμοποιώντας τόξο (στην περίπτωση μουσικών οργάνων της οικογένειας του βιολιού). Σε όλες τις περιπτώσεις, όπως φαίνεται παραπάνω, ο αριθμός των αρμονικών και το πλάτος τους εξαρτώνται από τη μέθοδο διέγερσης της χορδής.

Πιάνο.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα οργάνου όπου η χορδή ενθουσιάζεται από το χτύπημα είναι το πιάνο. Το μεγάλο ηχείο του οργάνου παρέχει μια μεγάλη γκάμα μορφών, έτσι η χροιά του είναι πολύ ομοιόμορφη για κάθε ενθουσιασμένη νότα. Οι κύριοι διαμορφωτές κορυφώνονται σε συχνότητες γύρω στα 400–500 Hz, και σε χαμηλότερες συχνότητες οι τόνοι είναι ιδιαίτερα πλούσιοι σε αρμονικές, με το πλάτος της θεμελιώδους συχνότητας να είναι μικρότερο από αυτό ορισμένων απόχρωσης. Σε ένα πιάνο, το σφυρί σε όλες εκτός από τις πιο κοντές χορδές χτυπιέται σε σημείο 1/7 του μήκους της χορδής από ένα από τα άκρα της. Αυτό συνήθως εξηγείται από το γεγονός ότι στην περίπτωση αυτή η έβδομη αρμονική, ασύμφωνη ως προς τη θεμελιώδη συχνότητα, καταστέλλεται σημαντικά. Αλλά λόγω του πεπερασμένου πλάτους του σφυριού, άλλες αρμονικές που βρίσκονται κοντά στην έβδομη καταστέλλονται επίσης.

Οικογένεια βιολιού.

Στην οικογένεια των οργάνων του βιολιού, οι μακρινοί ήχοι παράγονται από ένα τόξο, με τη βοήθεια του οποίου εφαρμόζεται μεταβλητή κινητήρια δύναμη στη χορδή, διατηρώντας τους κραδασμούς της χορδής. Υπό τη δράση ενός κινούμενου τόξου, η χορδή τραβιέται στο πλάι λόγω τριβής μέχρι να σπάσει λόγω αύξησης της δύναμης τάσης. Επιστρέφοντας στην αρχική θέση, παρασύρεται και πάλι από το τόξο. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται έτσι ώστε μια περιοδική εξωτερική δύναμη να δρα στη χορδή.

Με σειρά αυξανόμενου μεγέθους και μείωσης του εύρους συχνοτήτων, τα κύρια έγχορδα όργανα διατάσσονται ως εξής: βιολί, βιόλα, τσέλο, κοντραμπάσο. Τα φάσματα συχνοτήτων αυτών των οργάνων είναι ιδιαίτερα πλούσια σε τόνους, που αναμφίβολα προσδίδουν ιδιαίτερη ζεστασιά και εκφραστικότητα στον ήχο τους. Στην οικογένεια του βιολιού, η δονούμενη χορδή συνδέεται ακουστικά με την κοιλότητα του αέρα και το σώμα του οργάνου, τα οποία καθορίζουν κυρίως τη δομή των φορμάντων, τα οποία καταλαμβάνουν ένα πολύ ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Μεγάλοι εκπρόσωποι της οικογένειας του βιολιού έχουν μετατοπιστεί ένα σύνολο φορμάντων στην περιοχή χαμηλής συχνότητας. Επομένως, η ίδια νότα που παίζεται σε δύο όργανα της οικογένειας του βιολιού αποκτά διαφορετικό χρώμα ηχοχρώματος λόγω της διαφοράς στη δομή των αποχρώσεων.

Το βιολί έχει έντονο συντονισμό κοντά στα 500 Hz, λόγω του σχήματος του σώματός του. Όταν παίζεται μια νότα της οποίας η συχνότητα είναι κοντά σε αυτήν την τιμή, μπορεί να εμφανιστεί ένας ανεπιθύμητος δονούμενος ήχος που ονομάζεται "τόνος λύκου". Η κοιλότητα αέρα μέσα στο σώμα του βιολιού έχει επίσης τις δικές της συχνότητες συντονισμού, η κύρια από τις οποίες βρίσκεται κοντά στα 400 Hz. Λόγω του ιδιαίτερου σχήματός του, το βιολί έχει πολυάριθμους συντονισμούς σε κοντινή απόσταση. Όλοι τους, εκτός από τον τόνο του λύκου, δεν ξεχωρίζουν ιδιαίτερα στο συνολικό φάσμα του εξαγόμενου ήχου.

πνευστά.

Ξύλινα όργανα.

Οι φυσικές δονήσεις του αέρα σε έναν κυλινδρικό σωλήνα πεπερασμένου μήκους συζητήθηκαν νωρίτερα. Οι φυσικές συχνότητες σχηματίζουν μια σειρά από αρμονικές, η θεμελιώδης συχνότητα των οποίων είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος του σωλήνα. Οι μουσικοί ήχοι στα πνευστά προκύπτουν λόγω της ηχητικής διέγερσης μιας στήλης αέρα.

Οι δονήσεις του αέρα διεγείρονται είτε από δονήσεις στο ρεύμα αέρα που πέφτει στην αιχμηρή άκρη του τοιχώματος του συντονιστή, είτε από δονήσεις της εύκαμπτης επιφάνειας του καλαμιού στη ροή του αέρα. Και στις δύο περιπτώσεις, περιοδικές αλλαγές πίεσης συμβαίνουν σε μια εντοπισμένη περιοχή της κάννης του εργαλείου.

Η πρώτη από αυτές τις μεθόδους διέγερσης βασίζεται στην εμφάνιση "ακραίων τόνων". Όταν ένα ρεύμα αέρα αναδύεται από το κενό, σπασμένο από ένα σφηνοειδές εμπόδιο με αιχμηρή άκρη, εμφανίζονται περιοδικά δίνες, πρώτα στη μία πλευρά και μετά στην άλλη πλευρά της σφήνας. Η συχνότητα σχηματισμού τους είναι μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα ροής του αέρα. Εάν μια τέτοια συσκευή είναι ακουστικά συνδεδεμένη με μια στήλη αέρα συντονισμού, τότε η συχνότητα του τόνου ακμής «συλλαμβάνεται» από τη συχνότητα συντονισμού της στήλης αέρα, δηλ. Η συχνότητα σχηματισμού δίνης καθορίζεται από τη στήλη αέρα. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, η θεμελιώδης συχνότητα της στήλης αέρα διεγείρεται μόνο όταν η ταχύτητα ροής αέρα υπερβαίνει μια ορισμένη ελάχιστη τιμή. Σε ένα ορισμένο εύρος ταχυτήτων που υπερβαίνει αυτή την τιμή, η συχνότητα του τόνου ακμής είναι ίση με αυτήν τη θεμελιώδη συχνότητα. Σε ακόμη υψηλότερη ταχύτητα ροής αέρα (κοντά σε αυτήν στην οποία η συχνότητα ακμών, ελλείψει σύνδεσης με τον συντονιστή, θα ήταν ίση με τη δεύτερη αρμονική του αντηχείου), η συχνότητα των ακμών διπλασιάζεται απότομα και το ύψος του τόνου που εκπέμπεται από ολόκληρο το σύστημα είναι μια οκτάβα υψηλότερη. Αυτό ονομάζεται υπερφύσημα.

Οι τόνοι των άκρων διεγείρουν τις στήλες αέρα σε όργανα όπως το όργανο, το φλάουτο και το πίκολο. Όταν παίζει φλάουτο, ο ερμηνευτής διεγείρει τους τόνους των άκρων φυσώντας από το πλάι σε μια πλαϊνή τρύπα κοντά σε ένα από τα άκρα. Νότες μιας οκτάβας, από Δ και πάνω, παράγονται αλλάζοντας το πραγματικό μήκος της κάννης, ανοίγοντας τις πλαϊνές οπές, με κανονικό τόνο άκρης. Οι υψηλότερες οκτάβες λαμβάνονται με υπερφύσημα.

Ένας άλλος τρόπος για να διεγείρετε τον ήχο ενός πνευστού οργάνου βασίζεται στην περιοδική διακοπή της ροής του αέρα με ένα ταλαντευόμενο καλάμι, το οποίο ονομάζεται καλάμι, καθώς είναι κατασκευασμένο από καλάμι. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται σε διάφορα ξύλινα και χάλκινα όργανα. Υπάρχουν επιλογές με μονό καλάμι (όπως, για παράδειγμα, στα όργανα τύπου κλαρινέτο, σαξόφωνου και ακορντεόν) και με συμμετρικό διπλό καλάμι (όπως, για παράδειγμα, στο όμποε και στο φαγκότο). Και στις δύο περιπτώσεις, η διαδικασία ταλάντωσης είναι η ίδια: ο αέρας διοχετεύεται μέσα από ένα στενό διάκενο, στο οποίο η πίεση μειώνεται σύμφωνα με το νόμο του Bernoulli. Το μπαστούνι τραβιέται στο κενό και το κλείνει. Ελλείψει ροής, το ελαστικό καλάμι ισιώνει και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Στα πνευστά η επιλογή των νότων μιας ζυγαριάς, όπως στο φλάουτο, γίνεται ανοίγοντας τις πλαϊνές τρύπες και φυσώντας.

Σε αντίθεση με μια τρομπέτα που είναι ανοιχτή και στα δύο άκρα, η οποία έχει ένα πλήρες φάσμα αποχρώσεων, μια τρομπέτα που είναι ανοιχτή μόνο στο ένα άκρο έχει μόνο περιττές αρμονικές ( εκ. υψηλότερα). Αυτή είναι η διαμόρφωση του κλαρίνου και επομένως οι άρτιες αρμονικές του εκφράζονται ασθενώς. Το υπερφύσημα σε κλαρίνο συμβαίνει σε συχνότητα 3 φορές υψηλότερη από την κύρια.

Στο όμποε, η δεύτερη αρμονική είναι αρκετά έντονη. Διαφέρει από το κλαρίνο στο ότι η οπή του είναι κωνικού σχήματος, ενώ στο κλαρινέτο η διατομή της οπής είναι σταθερή στο μεγαλύτερο μέρος του μήκους του. Οι συχνότητες των κραδασμών σε ένα κωνικό βαρέλι είναι πιο δύσκολο να υπολογιστούν από ό,τι σε έναν κυλινδρικό σωλήνα, αλλά εξακολουθεί να υπάρχει μια πλήρης γκάμα αποχρώσεων. Σε αυτή την περίπτωση, οι συχνότητες δόνησης ενός κωνικού σωλήνα με κλειστό στενό άκρο είναι ίδιες με αυτές ενός κυλινδρικού σωλήνα ανοιχτού και στα δύο άκρα.

Χάλκινα όργανα.

Τα χάλκινα όργανα, όπως το κόρνο, η τρομπέτα, το κορνέ με ένα έμβολο, το τρομπόνι, η σάλπιγγα και η τούμπα, ενθουσιάζονται από τα χείλη, η δράση των οποίων, όταν συνδυάζεται με ένα ειδικά διαμορφωμένο επιστόμιο, μοιάζει με αυτή ενός διπλού καλαμιού. Η πίεση του αέρα όταν συναρπαστικός ήχος είναι πολύ υψηλότερη εδώ από ό,τι στα ξύλινα πνευστά. Οι ορειχάλκινοι άνεμοι έχουν τυπικά μεταλλικό βαρέλι με κυλινδρικό και κωνικό τμήμα, που καταλήγει σε καμπάνα. Τα τμήματα επιλέγονται με τέτοιο τρόπο που διασφαλίζει πλήρες φάσμααρμονικές Το συνολικό μήκος της κάννης κυμαίνεται από 1,8 m για σωλήνα έως 5,5 m για σωλήνα. Ο σωλήνας βιδώνεται σε σχήμα σαλιγκαριού για ευκολία χειρισμού, όχι για ακουστικούς λόγους.

Με σταθερό μήκος κάννης, ο ερμηνευτής έχει στη διάθεσή του μόνο νότες που καθορίζονται από τις φυσικές συχνότητες της κάννης (και η θεμελιώδης συχνότητα είναι συνήθως «μη αποσπώμενη») και οι υψηλότερες αρμονικές διεγείρονται από την αύξηση της πίεσης του αέρα στο επιστόμιο. Έτσι, σε ένα bugle σταθερού μήκους μπορείτε να παίξετε μόνο μερικές νότες (δεύτερη, τρίτη, τέταρτη, πέμπτη και έκτη αρμονική). Σε άλλα χάλκινα όργανα, οι συχνότητες που βρίσκονται μεταξύ των αρμονικών λαμβάνονται αλλάζοντας το μήκος της κάννης. Το τρομπόνι είναι μοναδικό από αυτή την άποψη, το μήκος της κάννης του ρυθμίζεται από την ομαλή κίνηση μιας αναδιπλούμενης ολίσθησης σε σχήμα U. Η επιλογή των νότων ολόκληρης της κλίμακας εξασφαλίζεται από επτά διαφορετικές θέσεις της τσουλήθρας με αλλαγή στον ενθουσιώδη τόνο της κάννης. Σε άλλα ορειχάλκινα όργανα αυτό επιτυγχάνεται με την αποτελεσματική επέκταση του συνολικού μήκους της κάννης χρησιμοποιώντας τρία πλευρικά κανάλια διαφορετικού μήκους και σε διαφορετικούς συνδυασμούς. Αυτό δίνει επτά διαφορετικά μήκη κάννης. Όπως και στο τρομπόνι, οι νότες ολόκληρης της κλίμακας χτυπιούνται από συναρπαστικές διαφορετικές σειρές αποχρώσεων που αντιστοιχούν σε αυτά τα επτά μήκη κάννης.

Οι τόνοι όλων των χάλκινων οργάνων είναι πλούσιοι σε αρμονικές. Αυτό οφείλεται κυρίως στην παρουσία ενός κουδουνιού, το οποίο αυξάνει την απόδοση της ηχητικής ακτινοβολίας στις υψηλές συχνότητες. Η τρομπέτα και η κόρνα έχουν σχεδιαστεί για να παίζουν ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος αρμονικών από το bugle. Το μέρος σόλο τρομπέτα στα έργα του I. Bach περιέχει πολλά αποσπάσματα στην τέταρτη οκτάβα της σειράς, φτάνοντας στην 21η αρμονική αυτού του οργάνου.

Κρουστικά όργανα.

Τα κρουστά παράγουν ήχο χτυπώντας το σώμα του οργάνου και διεγείροντας έτσι τις ελεύθερες δονήσεις του. Τέτοια όργανα διαφέρουν από το πιάνο, στο οποίο οι δονήσεις διεγείρονται επίσης από την κρούση, από δύο απόψεις: το δονούμενο σώμα δεν παράγει αρμονικούς τόνους και το ίδιο μπορεί να εκπέμπει ήχο χωρίς πρόσθετο αντηχείο. Τα κρουστά όργανα περιλαμβάνουν τύμπανα, κύμβαλα, ξυλόφωνο και τρίγωνο.

Οι δονήσεις των στερεών είναι πολύ πιο περίπλοκοι από εκείνους ενός συντονιστή αέρα ίδιου σχήματος, αφού υπάρχουν περισσότεροι τύποι δονήσεων στα στερεά. Έτσι, τα κύματα συμπίεσης, κάμψης και στρέψης μπορούν να διαδοθούν κατά μήκος μιας μεταλλικής ράβδου. Επομένως, μια κυλινδρική ράβδος έχει πολύ περισσότερους τρόπους δόνησης και επομένως συχνότητες συντονισμού από μια κυλινδρική στήλη αέρα. Επιπλέον, αυτές οι συχνότητες συντονισμού δεν σχηματίζουν μια αρμονική σειρά. Το ξυλόφωνο χρησιμοποιεί τους κραδασμούς κάμψης συμπαγών ράβδων. Οι λόγοι των αποχρώσεων της δονούμενης ράβδου ξυλοφώνου προς τη θεμελιώδη συχνότητα είναι: 2,76, 5,4, 8,9 και 13,3.

Το πιρούνι συντονισμού είναι μια ταλαντευόμενη καμπύλη ράβδος και ο κύριος τρόπος δόνησής του συμβαίνει όταν και οι δύο βραχίονες πλησιάζουν ταυτόχρονα ή απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο. Το πιρούνι συντονισμού δεν έχει αρμονική σειρά από τόνους και χρησιμοποιείται μόνο η θεμελιώδης συχνότητά του. Η συχνότητα του πρώτου του τόνου είναι πάνω από 6 φορές η θεμελιώδης συχνότητα.

Ένα άλλο παράδειγμα ενός ταλαντούμενου στερεού σώματος που παράγει μουσικούς ήχους είναι ένα κουδούνι. Τα μεγέθη των καμπάνων μπορεί να ποικίλλουν - από μια μικρή καμπάνα έως καμπάνες εκκλησιών πολλών τόνων. Όσο μεγαλύτερο είναι το κουδούνι, τόσο χαμηλότεροι είναι οι ήχοι που κάνει. Το σχήμα και τα άλλα χαρακτηριστικά των καμπάνων έχουν υποστεί πολλές αλλαγές κατά τη διάρκεια της μακραίωνης εξέλιξής τους. Πολύ λίγες επιχειρήσεις ασχολούνται με την παραγωγή τους, κάτι που απαιτεί μεγάλη ικανότητα.

Η αρχική σειρά υπερτονικών ενός κουδουνιού δεν είναι αρμονική και οι αναλογίες υπερτονικών δεν είναι ίδιες για διαφορετικά κουδούνια. Για παράδειγμα, για ένα μεγάλο κουδούνι, οι μετρούμενες αναλογίες υπέρτονου προς θεμελιώδεις συχνότητες ήταν 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 και 5,33. Αλλά η κατανομή της ενέργειας μεταξύ των αποχρώσεων αλλάζει γρήγορα αμέσως μετά το χτύπημα του κουδουνιού και το σχήμα του κουδουνιού φαίνεται να επιλέγεται με τέτοιο τρόπο ώστε οι κυρίαρχες συχνότητες να σχετίζονται μεταξύ τους περίπου αρμονικά. Το ύψος ενός κουδουνιού δεν καθορίζεται από τη θεμελιώδη συχνότητα, αλλά από την κυρίαρχη νότα αμέσως μετά το χτύπημα. Αντιστοιχεί περίπου στον πέμπτο τόνο της καμπάνας. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα αρχίζουν να κυριαρχούν χαμηλότεροι τόνοι στον ήχο του κουδουνιού.

Σε ένα τύμπανο, το ταλαντούμενο στοιχείο είναι μια δερμάτινη μεμβράνη, συνήθως στρογγυλή, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως δισδιάστατο ανάλογο μιας τεντωμένης χορδής. Στη μουσική, το τύμπανο δεν είναι τόσο σημαντικό όσο η χορδή, επειδή το φυσικό εύρος των φυσικών συχνοτήτων του δεν είναι αρμονικό. Εξαίρεση αποτελεί το τιμπάνι, η μεμβράνη του οποίου είναι τεντωμένη πάνω από έναν αντηχείο αέρα. Η ακολουθία υπερτονικών ενός τυμπάνου μπορεί να γίνει αρμονική μεταβάλλοντας το πάχος της κεφαλής στην ακτινική κατεύθυνση. Ένα παράδειγμα τέτοιου τυμπάνου θα ήταν tabla, που χρησιμοποιείται στην κλασική ινδική μουσική.

Ο ήχος και οι ιδιότητές του

Ο ήχος, με την ευρεία έννοια, είναι ελαστικά κύματα που διαδίδονται σε οποιοδήποτε ελαστικό μέσο και δημιουργούν σε αυτό μηχανικές δονήσεις; με στενή έννοια - η υποκειμενική αντίληψη αυτών των δονήσεων από τα ειδικά αισθητήρια όργανα των ζώων ή των ανθρώπων. Όπως κάθε κύμα, ο ήχος χαρακτηρίζεται από πλάτος και φάσμα συχνοτήτων. Συνήθως, ένα άτομο ακούει ήχους που μεταδίδονται μέσω του αέρα στο εύρος συχνοτήτων από 16-20 Hz έως 15-20 kHz. Ο ήχος κάτω από το εύρος της ανθρώπινης ακρόασης ονομάζεται υπέρηχος. υψηλότερο: έως 1 GHz, - υπέρηχος, από 1 GHz - υπερήχος. Μεταξύ των ακουστικών ήχων, θα πρέπει επίσης να επισημάνουμε τους φωνητικούς, ήχους και φωνήματα (που συνθέτουν την προφορική γλώσσα) και τους μουσικούς ήχους (που συνθέτουν τη μουσική τα ηχητικά κύματα μπορούν να χρησιμεύσουν ως παράδειγμα ταλαντευτικής διαδικασίας). Οποιαδήποτε ταλάντωση σχετίζεται με παραβίαση της κατάστασης ισορροπίας του συστήματος και εκφράζεται στην απόκλιση των χαρακτηριστικών του από τις τιμές ισορροπίας με επακόλουθη επιστροφή στην αρχική τιμή. Για τις ηχητικές δονήσεις, αυτό το χαρακτηριστικό είναι η πίεση σε ένα σημείο του μέσου και η απόκλιση είναι η ηχητική πίεση. Εάν κάνετε μια απότομη μετατόπιση των σωματιδίων ενός ελαστικού μέσου σε ένα μέρος, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ένα έμβολο, τότε η πίεση σε αυτό το μέρος θα αυξηθεί. Χάρη στους ελαστικούς δεσμούς των σωματιδίων, η πίεση μεταδίδεται στα γειτονικά σωματίδια, τα οποία με τη σειρά τους δρουν στα επόμενα και στην περιοχή υψηλή αρτηριακή πίεσησαν να κινείται σε ένα ελαστικό μέσο. Η περιοχή της υψηλής πίεσης ακολουθείται από μια περιοχή χαμηλή αρτηριακή πίεση, και έτσι σχηματίζεται μια σειρά από εναλλασσόμενες περιοχές συμπίεσης και αραίωσης, που διαδίδονται στο μέσο με τη μορφή κύματος. Κάθε σωματίδιο του ελαστικού μέσου σε αυτή την περίπτωση θα εκτελεί ταλαντωτικές κινήσεις. Σε υγρά και αέρια μέσα, όπου δεν υπάρχουν σημαντικές διακυμάνσεις στην πυκνότητα, τα ακουστικά κύματα έχουν διαμήκη φύση, δηλαδή η κατεύθυνση δόνησης των σωματιδίων συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης του κύματος. Στα στερεά, εκτός από τις διαμήκεις παραμορφώσεις, συμβαίνουν και ελαστικές διατμητικές παραμορφώσεις, προκαλώντας τη διέγερση εγκάρσιων κυμάτων (διάτμησης). Στην περίπτωση αυτή, τα σωματίδια ταλαντώνονται κάθετα προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Η ταχύτητα διάδοσης των διαμήκων κυμάτων είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων διάτμησης.

Ηχητικό πεδίο

Ηχητικό πεδίο, μια περιοχή του χώρου στην οποία διαδίδονται ηχητικά κύματα, δηλ. συμβαίνουν ακουστικές δονήσεις σωματιδίων ενός ελαστικού μέσου (στερεού, υγρού ή αερίου) που γεμίζει αυτήν την περιοχή. Ένα ηχητικό κύμα ορίζεται πλήρως εάν για κάθε σημείο του είναι γνωστή η μεταβολή του χρόνου και του χώρου οποιασδήποτε από τις ποσότητες που χαρακτηρίζουν ένα ηχητικό κύμα: η μετατόπιση ενός ταλαντούμενου σωματιδίου από μια θέση ισορροπίας, η ταχύτητα ταλάντωσης ενός σωματιδίου, η ηχητική πίεση στο μέσο? Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι αλλαγές στην πυκνότητα ή τη θερμοκρασία του μέσου παρουσία ηχητικού κύματος παρουσιάζουν ενδιαφέρον Η έννοια του ηχητικού κύματος χρησιμοποιείται συνήθως για περιοχές των οποίων οι διαστάσεις είναι της τάξης ή μεγαλύτερες από το μήκος κύματος. Από την πλευρά της ενέργειας, μια πυκνότητα ηχητικής ενέργειας χαρακτηρίζεται από την πυκνότητα της ηχητικής ενέργειας (η ενέργεια της ταλαντωτικής διαδικασίας ανά μονάδα όγκου). Στις περιπτώσεις που η μεταφορά ενέργειας λαμβάνει χώρα σε μια ζώνη, χαρακτηρίζεται από την ένταση του ήχου, δηλαδή τη μέση χρονική ενέργεια που μεταφέρεται ανά μονάδα χρόνου μέσω μιας επιφάνειας μονάδας κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Μήκος κύματος

Μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ δύο σημείων που βρίσκονται πιο κοντά το ένα στο άλλο, που ταλαντώνονται στις ίδιες φάσεις. Κατ' αναλογία με τα κύματα που προκύπτουν στο νερό από μια πέτρα που ρίχνεται σε αυτό, η απόσταση μεταξύ δύο παρακείμενων κορυφών κυμάτων. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά των κραδασμών. Μετράται σε μονάδες απόστασης (μέτρα, εκατοστά, κ.λπ.). Το μήκος κύματος είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος, καθώς καθορίζει την κλίμακα των ορίων: σε αποστάσεις αισθητά μεγαλύτερες από το μήκος κύματος, η ακτινοβολία υπακούει στους νόμους της γεωμετρικής οπτικής, μπορεί να περιγραφεί ως η διάδοση των ακτίνων. Σε μικρότερες αποστάσεις, είναι απολύτως απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η κυματική φύση του φωτός, η ικανότητά του να ρέει γύρω από εμπόδια, η αδυναμία εντοπισμού με ακρίβεια της θέσης της δέσμης κ.λπ.

Περίοδος

Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό των μηχανικών, ηλεκτρικών, ηλεκτρομαγνητικών και όλων των άλλων τύπων ταλαντώσεων είναι η χρονική περίοδος κατά την οποία συμβαίνει μία πλήρης ταλάντωση. Αν, για παράδειγμα, το εκκρεμές ενός ρολογιού κάνει δύο πλήρεις ταλαντώσεις σε 1 s, η περίοδος κάθε ταλάντωσης είναι 0,5 s. Η περίοδος ταλάντωσης μιας μεγάλης ταλάντωσης είναι περίπου 2 δευτερόλεπτα και η περίοδος ταλάντωσης μιας χορδής μπορεί να είναι από δέκατα έως δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου. Από τη συχνότητα της δόνησης ενός σώματος που ηχεί, μπορεί κανείς να κρίνει τον τόνο ή το ύψος του ήχου. Όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο υψηλότερος είναι ο τόνος του ήχου και, αντίθετα, όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο χαμηλότερος είναι ο τόνος του ήχου. Το αυτί μας είναι ικανό να ανταποκρίνεται σε μια σχετικά μικρή ζώνη συχνοτήτων (τμήμα) ηχητικών δονήσεων - από περίπου 20 Hz έως 20 kHz. Αυτό το συγκρότημα περιέχει ολόκληρο το ευρύ φάσμα των ήχων που δημιουργούνται από την ανθρώπινη φωνή και μια συμφωνική ορχήστρα: από πολύ χαμηλούς τόνους, παρόμοιους με τον ήχο ενός σκαθαριού που βουίζει, μέχρι το μόλις αντιληπτό ψηλό τρίξιμο ενός κουνουπιού. Δεν ακούμε δονήσεις με συχνότητα έως και 20 Hz, που ονομάζονται infrasonic, και πάνω από 20 kHz, που ονομάζονται υπερήχων. Και αν το αυτί μας ήταν ικανό να ανταποκρίνεται σε υπερηχητικούς κραδασμούς, θα μπορούσαμε να ακούσουμε τους κραδασμούς των κεριών λουλουδιών και των φτερών της πεταλούδας. Μην συγχέετε το ύψος, δηλαδή τον τόνο ενός ήχου, με τη δύναμή του. Το ύψος ενός ήχου δεν εξαρτάται από το πλάτος, αλλά από τη συχνότητα των δονήσεων

Φάσμα ήχου

Φάσμα ήχου, ένα σύνολο απλών αρμονικών κυμάτων στα οποία μπορεί να αποσυντεθεί ένα ηχητικό κύμα. S. z. εκφράζει τη συχνότητά του (φασματική) σύνθεση και προκύπτει ως αποτέλεσμα ανάλυσης ήχου. S. z. αναπαριστώνται συνήθως σε ένα επίπεδο συντεταγμένων, όπου η συχνότητα f απεικονίζεται κατά μήκος του άξονα της τετμημένης και το πλάτος Α ή η ένταση της αρμονικής συνιστώσας του ήχου με μια δεδομένη συχνότητα σχεδιάζεται κατά μήκος του άξονα τεταγμένων. Οι καθαροί ήχοι, οι ήχοι με περιοδική κυματομορφή, καθώς και αυτοί που λαμβάνονται με την προσθήκη πολλών περιοδικών κυμάτων, έχουν φάσματα γραμμής(Εικ. 1); Για παράδειγμα, οι μουσικοί ήχοι έχουν τέτοια φάσματα που καθορίζουν τη χροιά τους. Ο ακουστικός θόρυβος, οι μεμονωμένοι παλμοί και οι ήχοι που εξασθενούν έχουν συνεχές φάσμα (Εικ. 2). Τα συνδυασμένα φάσματα είναι χαρακτηριστικά του θορύβου ορισμένων μηχανισμών, όπου, για παράδειγμα, η περιστροφή του κινητήρα παράγει μεμονωμένα στοιχεία συχνότητας που τοποθετούνται σε ένα συνεχές φάσμα, καθώς και για τους ήχους μουσικών οργάνων με πλήκτρα (Εικ. 3), τα οποία έχουν ( ειδικά στο επάνω μητρώο) ένας χρωματισμός θορύβου που προκαλείται από τα χτυπήματα των σφυριών.

Τέμπο

Χροιά ήχου - χρώμα ήχου. ποιοτική αξιολόγησηήχος που παράγεται από μουσικό όργανο, συσκευή αναπαραγωγής ήχου ή φωνητική συσκευή ανθρώπων και ζώων. Ηχητική χροιά: - χαρακτηρίζει τον τόνο του ήχου. - καθορίζεται από την πηγή ήχου. και - εξαρτάται από τη σύνθεση των αποχρώσεων που συνοδεύουν τον κύριο τόνο και την έντασή τους. Οι χροιές διακρίνουν ήχους του ίδιου ύψους και έντασης, αλλά εκτελούνται είτε σε διαφορετικά όργανα, σε διαφορετικές φωνές, είτε στο ίδιο όργανο με διαφορετικούς τρόπους, εγκεφαλικά επεισόδια. Η χροιά καθορίζεται από το υλικό, το σχήμα του δονητή, τις συνθήκες των κραδασμών του, τον αντηχείο και την ακουστική του δωματίου. Στα χαρακτηριστικά της χροιάς, οι απόχρωση και η αναλογία τους σε ύψος και ένταση, οι τόνοι θορύβου, η επίθεση (αρχική στιγμή του ήχου), τα φορμάντ, το βιμπράτο και άλλοι παράγοντες έχουν μεγάλη σημασία. Κατά την αντίληψη των χροιών, συνήθως προκύπτουν διάφοροι συσχετισμοί: η ηχοχρώματα του ήχου συγκρίνεται με οργανοληπτικές αισθήσεις από ορισμένα αντικείμενα και φαινόμενα, για παράδειγμα, οι ήχοι ονομάζονται φωτεινοί, λαμπεροί, ματ, ζεστοί, κρύοι, βαθύς, γεμάτος, κοφτερός, πλούσιος, ζουμερός , μεταλλικό, γυάλινο ; Χρησιμοποιούνται επίσης οι πραγματικοί ακουστικοί ορισμοί (για παράδειγμα, φωνή, χωρίς φωνή, θορυβώδης). Δεν έχει ακόμη προκύψει μια επιστημονικά βασισμένη τυπολογία της χροιάς. Έχει διαπιστωθεί ότι η ακρόαση χροιάς έχει χαρακτήρα ζώνης. Το timbre χρησιμοποιείται ως σημαντικό μέσο μουσικής εκφραστικότητας: με τη βοήθεια του ηχοχρώματος, μπορεί να επισημανθεί ένα ή άλλο συστατικό του μουσικού συνόλου, οι αντιθέσεις μπορούν να ενισχυθούν ή να αποδυναμωθούν. Η αλλαγή των χροιών είναι ένα από τα στοιχεία της μουσικής δραματουργίας. Στη μουσική του 20ου αιώνα, προέκυψε μια τάση να ενισχύεται και να τονίζεται η ηχοχρώματα του ήχου (παραλληλισμοί, συστάδες) χρησιμοποιώντας τα μέσα της αρμονίας και της υφής. Ειδικές κατευθύνσεις στη χρήση της χροιάς είναι τα ηχητικά και η φασματική μουσική.

Αρμονικός

Το σύμπαν αποτελείται από ήχους, και κάθε ήχος αποτελείται από πολλές αρμονικές, ή τόνους. Οι υπερτονισμοί είναι εγγενείς σε κάθε ήχο, ανεξάρτητα από την προέλευσή του. Ο ήχος μιας χορδής βιολιού ή πιάνου γίνεται αντιληπτός από το ανθρώπινο αυτί ως ένας τόνος. Αλλά στην πραγματικότητα, σχεδόν όλοι οι ήχοι που παράγονται από μουσικά όργανα, την ανθρώπινη φωνή ή άλλες πηγές δεν είναι καθαροί τόνοι, αλλά σύμπλοκα απόχρωσης, που ονομάζονται επίσης «μερικοί τόνοι». Ο χαμηλότερος από αυτούς τους μερικούς τόνους ονομάζεται "θεμελιώδης". Όλοι οι άλλοι τόνοι, οι οποίοι έχουν υψηλότερη συχνότητα δόνησης από τον κύριο τόνο, ονομάζονται συνήθως «υπέρτονοι». Πριν προχωρήσουμε σε μια λεπτομερή μελέτη των συστατικών του ήχου - αρμονικών, ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στον ήχο ως τέτοιο. Ο ήχος είναι δονητική ενέργεια που παίρνει τη μορφή κυμάτων. Η μονάδα μέτρησης αυτών των κυμάτων ονομάζεται hertz (Hz). Το Hertz μετρά τον αριθμό των δονήσεων που κάνει ένα αντικείμενο σε ένα δευτερόλεπτο. Αυτή η ποσότητα ονομάζεται «συχνότητα». Το αυτί αντιλαμβάνεται τη συχνότητα ως «πίσσα».

Το Formant είναι ένα ακουστικό χαρακτηριστικό ενός ήχου ομιλίας (κυρίως ενός φωνήεντος), που σχετίζεται με το επίπεδο συχνότητας του φωνητικού τόνου και σχηματίζει τη χροιά του ήχου

Ο τόνος στη γλωσσολογία είναι η χρήση του τόνου για τη διαφοροποίηση του νοήματος μέσα σε λέξεις/μορφήματα. Ο τόνος πρέπει να διακρίνεται από τον τονισμό, δηλαδή τις αλλαγές στον τόνο σε ένα σχετικά μεγάλο τμήμα ομιλίας (δήλωση ή πρόταση). Διάφορες τονικές μονάδες που έχουν σημασιολογική-διακριτική λειτουργία μπορούν να ονομαστούν τόνοι (κατ' αναλογία με ένα φώνημα). Ο τόνος, όπως ο τονισμός, ο φωνητισμός και το άγχος, αναφέρεται σε υπερτμηματικά ή προσωδικά χαρακτηριστικά. Οι φορείς του τόνου είναι τις περισσότερες φορές φωνήεντα, αλλά υπάρχουν γλώσσες όπου τα σύμφωνα, πιο συχνά ηχητικά, μπορούν επίσης να παίξουν αυτόν τον ρόλο. Τονική, ή τονική, γλώσσα είναι μια γλώσσα στην οποία κάθε συλλαβή προφέρεται με έναν συγκεκριμένο τόνο. Μια ποικιλία γλωσσών τόνου είναι επίσης γλώσσες με μουσικό άγχος, στις οποίες δίνεται έμφαση σε μία ή περισσότερες συλλαβές σε μια λέξη και διαφορετικοί τύποι έμφασης αντιπαραβάλλονται με χαρακτηριστικά τόνου. Τα ηχητικά κύματα, όπως και άλλα κύματα, χαρακτηρίζονται από αντικειμενικά μεγέθη όπως η συχνότητα, το πλάτος, η φάση ταλάντωσης, η ταχύτητα διάδοσης, η ένταση του ήχου και άλλα. Αλλά. Επιπλέον, περιγράφονται από τρία υποκειμενικά χαρακτηριστικά. Αυτά είναι η ένταση του ήχου, το ύψος και η χροιά. Η ευαισθησία του ανθρώπινου αυτιού ποικίλλει για διαφορετικές συχνότητες. Για να προκληθεί ηχητική αίσθηση, το κύμα πρέπει να έχει μια ορισμένη ελάχιστη ένταση, αλλά αν αυτή η ένταση ξεπεράσει ένα ορισμένο όριο, τότε ο ήχος δεν ακούγεται και προκαλεί μόνο μια οδυνηρή αίσθηση. Έτσι, για κάθε συχνότητα ταλάντωσης υπάρχει μια ελάχιστη (ουδός ακοής) και μέγιστη (ουδός πόνου) ηχητική ένταση που μπορεί να προκαλέσει αίσθηση ήχου. Το σχήμα 15.10 δείχνει την εξάρτηση των ορίων ακοής και πόνου από τη συχνότητα του ήχου. Η περιοχή που βρίσκεται ανάμεσα σε αυτές τις δύο καμπύλες είναι η ηχητική περιοχή. Η μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ των καμπυλών εμφανίζεται σε συχνότητες στις οποίες το αυτί είναι πιο ευαίσθητο (1000-5000 Hz).

Συχνότητα

Ο ήχος ξεκινά στα 16 Hz. Αυξάνοντας τη συχνότητα κατά 2 φορές, παίρνουμε 32 Hz - αυτή είναι μια αναλογία υπεργολαβίας / συχνότητας 1: 2 /. 32 – 64 Hz – αντίθετη οκτάβα, 64 – 128 Hz – μεγάλη οκτάβα, 128 – 256 Hz – μικρή οκτάβα, διπλασιάστε ξανά – την πρώτη και ούτω καθεξής μέχρι την έκτη. Αυτή η διαίρεση είχε σκεφτεί πολύ καιρό πριν. Πώς όμως χωρίζετε τις συχνότητες σε μεμονωμένους τόνους μέσα σε μια οκτάβα; Ο Πυθαγόρας, εξερευνώντας ήχους χρησιμοποιώντας τη μονόχορδη συσκευή («μονός» στα ελληνικά σημαίνει «ένα», «χορδή» σημαίνει «χορδή»), πρότεινε τη διαίρεση της σειράς συχνοτήτων σε πέμπτα. Αλλά με αυτή τη διαίρεση, η απόσταση μεταξύ διαφορετικών διαστημάτων ήταν διαφορετική. Και λοιπόν; Αλλά το γεγονός είναι ότι εάν το όργανο είναι συντονισμένο σε τέτοια κλίμακα, τότε θα είναι δυνατή η εκτέλεση οποιουδήποτε κομματιού μόνο με ένα πλήκτρο, η μουσική δεν μπορεί να χαμηλώσει ή να ανυψωθεί, θα ακούγεται πολύ ψευδής. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα χρειάστηκαν υπολογισμοί. Στο χώρο της μουσικής εργάστηκαν ενεργά φυσικοί και μαθηματικοί. Έτσι, ο Euler και ο Kepler συλλογίστηκαν για μεγάλο χρονικό διάστημα το πρόβλημα της σκληρής κλίμακας αναζητώντας την πιο αρμονική αναλογία συχνοτήτων. Ιδιοσυγκρασία που μεταφράζεται από τα λατινικά σημαίνει τη σωστή αναλογία. Η λύση βρέθηκε στα μέσα του 17ου αιώνα. Ο ελάχιστα γνωστός οργανοπαίκτης Werkmeister πρότεινε μια εξαιρετικά απλή λύση: κοντύνετε λίγο όλα τα πέμπτα, έτσι ώστε τα 12α πέμπτα να «ταιριάζουν» ακριβώς σε 7 οκτάβες. Και, ως δια μαγείας, όλες οι αποστάσεις μεταξύ παρακείμενων ήχων (ημιτόνων, από τους οποίους υπάρχουν ακριβώς 12 στην οκτάβα) έγιναν ίδιες. Η συχνότητα κάθε επόμενου ημιτονίου είναι μεγαλύτερη από το προηγούμενο κατά τη δωδέκατη ρίζα των δύο, δηλ. περίπου 1,06 φορές. Αυτός ο συντονισμός ονομάζεται ομοιόμορφος ή καλός. Η συντριπτική πλειοψηφία των σύγχρονων μουσικών οργάνων έχει την ίδια ιδιοσυγκρασία. Αξίζει να κουρδίσετε τα όργανα σε μια ορχήστρα σύμφωνα με έναν κοινό τόνο (Α της πρώτης οκτάβας - 440 Hz), και πολλά όργανα θα παίξουν αρμονικά, αποφεύγοντας το ψεύδος. Ο μεγάλος Γερμανός συνθέτης Johann Sebastian Bach προήγαγε ένθερμα το ίδιο ταμπεραμέντο, γράφοντας γι' αυτόν τον σκοπό τη διάσημη συλλογή του με πρελούδια και φούγκα, την οποία ονόμασε: «Ο καλοθυμημένος Clavier». Η τυποποίηση της μουσικής μέσω της εισαγωγής ίσου ταμπεραμέντου ήταν φυσικά, όπως κάθε τυποποίηση, ένα τεράστιο επίτευγμα. Σημαίνει όμως αυτό ότι το μετριασμένο σύστημα, που τόσο επιτυχώς ανακαλύφθηκε πριν από τρεις αιώνες, προορίζεται για αιώνια ύπαρξη; Φυσικά και όχι. Η αντίληψη για τη μουσική σταδιακά αλλάζει, η μουσική εξελίσσεται. Τα τελευταία χρόνια, η μουσική ακουστική έχει εμπλακεί ενεργά σε αυτή τη διαδικασία, η οποία όχι μόνο, σύμφωνα με τον Σαλιέρι του Πούσκιν, «δοκιμάζει την αρμονία με την άλγεβρα», αλλά χρησιμοποιεί για το σκοπό αυτό τα πιο περίπλοκα φυσικά όργανα και κυβερνητικές μηχανές, με τη βοήθεια το οποίο προσπαθεί να προσομοιώσει την ακόμα σε μεγάλο βαθμό μυστηριώδη διαδικασία της μουσικής αντίληψης.

Η δύναμη του ήχου, η έντασή του

Η ένταση του ήχου (σχετική) είναι ένας απαρχαιωμένος όρος που περιγράφει μια ποσότητα παρόμοια με την ένταση του ήχου, αλλά όχι ταυτόσημη. Παρατηρούμε περίπου την ίδια κατάσταση για τη φωτεινή ένταση (μονάδα - candela) - τιμή παρόμοια με την ένταση της ακτινοβολίας (μονάδα - watt ανά στεράδιο). Η ένταση του ήχου μετράται σε σχετική κλίμακα από μια τιμή κατωφλίου, η οποία αντιστοιχεί σε ένταση ήχου 1 pW/m2 σε ημιτονοειδή συχνότητα 1 kHz και ηχητική πίεση 20 μPa. Συγκρίνετε αυτόν τον ορισμό με τον ορισμό μιας μονάδας φωτεινής έντασης: «το καντέλα ισούται με την ένταση του φωτός που εκπέμπεται σε μια δεδομένη κατεύθυνση από μια μονόχρωμη πηγή, με συχνότητα ακτινοβολίας 540 THz και ένταση ακτινοβολίας σε αυτή την κατεύθυνση 1/ 683 W/sr.” Επί του παρόντος, ο όρος «ένταση ήχου» έχει αντικατασταθεί από τον όρο «στάθμη έντασης ήχου».

Κατώφλι ακοής

Το κατώφλι ακοής είναι η ελάχιστη τιμή της ηχητικής πίεσης στην οποία ένας ήχος δεδομένης συχνότητας μπορεί ακόμα να γίνει αντιληπτός από το ανθρώπινο αυτί. Η τιμή του ορίου ακοής εκφράζεται συνήθως σε ντεσιμπέλ, λαμβάνοντας ως μηδενικό επίπεδο ηχητικής πίεσης 2 × 10−5 N/m2 ή 20 × 10−6 N/m2 σε συχνότητα 1 kHz (για επίπεδο ηχητικό κύμα). Το κατώφλι ακοής εξαρτάται από τη συχνότητα του ήχου. Όταν εκτίθεται σε θόρυβο και άλλα ηχητικά ερεθίσματα, το όριο ακουστότητας για έναν δεδομένο ήχο αυξάνεται (δείτε Απόκρυψη ήχου) και η αυξημένη τιμή του ορίου ακουστότητας παραμένει για κάποιο χρονικό διάστημα μετά την παύση του παράγοντα παρεμβολής και στη συνέχεια επιστρέφει σταδιακά στο αρχικό επίπεδο. U διαφορετικούς ανθρώπουςκαι τα ίδια άτομα σε διαφορετικές χρονικές στιγμές μπορεί να έχουν διαφορετικά όρια ακοής. Εξαρτάται από την ηλικία, τη φυσιολογική κατάσταση και την προπόνηση. Οι μετρήσεις του ουδού της ακοής γίνονται συνήθως χρησιμοποιώντας ακοομετρικές μεθόδους.

Και αυτό είναι για κάθε περίπτωση - για να βάλετε μια έξυπνη εμφάνιση :)))))

Κατώφλι ακοής - 10dB

Ψιθυρίστε σε απόσταση 1m - 20dB

Θόρυβος στο διαμέρισμα - 40dB

Ψιθυρίστε σε απόσταση 10 cm - 50 dB

Ήσυχη συνομιλία σε απόσταση 1m - 50dB

Χειροκρότημα - 60dB

Παίζοντας ακουστική κιθάρα με τα δάχτυλά σας. ήχος σε απόσταση 40 cm - 70dB

Ήσυχο παίξιμο πιάνου - 70dB

Παίζοντας ακουστική κιθάρα με πικ. ήχος σε απόσταση 40 cm - 80dB

Θόρυβος στο μετρό κατά τη μετακίνηση - 90dB

Αεριωθούμενο αεροπλάνο σε απόσταση 5 m - 120dB

Τυμπανισμό σε απόσταση 3 cm - 140dB

Κατώφλι πόνου

Ο ουδός πόνου είναι η ακουστική, η ποσότητα της ηχητικής πίεσης, η οποία προκαλεί μια αίσθηση πόνου στο αυτί. Η αίσθηση του πόνου συχνά καθορίζεται από την κορυφή. δυναμικό όριο εύρος ανθρώπινης ακοής. Π. β. Ο. για ημιτονοειδή σήματα είναι κατά μέσο όρο 140 dB σε σχέση με πίεση 2 10-5 Pa, και για θόρυβο με συνεχές φάσμα - 120 dB. Μεταξύ των κατωφλίων της ακουστότητας και του πόνου βρίσκεται η περιοχή της ακουστότητας, η οποία καθορίζει το εύρος συχνοτήτων και την αποτελεσματική πίεση των ήχων που γίνονται αντιληπτοί από το αυτί. Το μεγαλύτερο εύρος ακουστότητας όσον αφορά την αποτελεσματική πίεση αντιστοιχεί σε συχνότητα περίπου 1 kHz. Επομένως, ένας ήχος με συχνότητα 1 kHz επιλέγεται ως πρότυπο για τη σύγκριση ήχων άλλων συχνοτήτων με αυτόν. Το κατώφλι ακοής για έναν ήχο με συχνότητα 1 kHz, ίση με 2-10-5 Pa, ονομάζεται τυπικό κατώφλι ακοής.

Τόμος

Η ένταση του ήχου είναι η υποκειμενική αντίληψη της έντασης του ήχου (η απόλυτη τιμή της ακουστικής αίσθησης). Η ένταση εξαρτάται κυρίως από την ηχητική πίεση, το πλάτος και τη συχνότητα των ηχητικών δονήσεων. Επίσης, η ένταση του ήχου επηρεάζεται από τη φασματική του σύσταση, τον εντοπισμό στο χώρο, τη χροιά, τη διάρκεια έκθεσης σε ηχητικές δονήσεις και άλλους παράγοντες. Η μονάδα της κλίμακας απόλυτης έντασης είναι ο ύπνος. Ο όγκος του 1 son είναι ο όγκος ενός συνεχούς καθαρού ημιτόνου με συχνότητα 1 kHz που παράγει ηχητική πίεση 2 mPa. Το επίπεδο έντασης του ήχου είναι μια σχετική τιμή. Εκφράζεται σε τηλέφωνα και είναι αριθμητικά ίσο με το επίπεδο ηχητικής πίεσης (σε ντεσιμπέλ - dB) που δημιουργείται από έναν ημιτονοειδές τόνο με συχνότητα 1 kHz της ίδιας έντασης με τον ήχο που μετράται (εξίσου δυνατός με τον δεδομένο ήχο).

Ήχοςονομάζονται μηχανικές δονήσεις των σωματιδίων ενός ελαστικού μέσου (αέρας, νερό, μέταλλο κ.λπ.), που γίνονται υποκειμενικά αντιληπτές από το όργανο ακοής. Οι ηχητικές αισθήσεις προκαλούνται από δονήσεις του μέσου που εμφανίζονται στο εύρος συχνοτήτων από 16 έως 20.000 Hz. Οι ήχοι με συχνότητες κάτω από αυτό το εύρος ονομάζονται υπέρηχοι και οι παραπάνω ονομάζονται υπέρηχοι.

Ηχητική πίεση- μεταβλητή πίεση σε ένα μέσο λόγω της διάδοσης ηχητικών κυμάτων σε αυτό. Το μέγεθος της ηχητικής πίεσης υπολογίζεται από τη δύναμη του ηχητικού κύματος ανά μονάδα επιφάνειας και εκφράζεται σε Νιούτον ανά τετραγωνικό μέτρο (1 n/μέτρο τετραγωνικό = 10 bar).

Επίπεδο ηχητικής πίεσης- ο λόγος της τιμής της ηχητικής πίεσης προς το μηδενικό επίπεδο, που λαμβάνεται ως ηχητική πίεση n/τετραγωνικό μέτρο:

Ταχύτητα ήχουεξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες του μέσου στο οποίο διαδίδονται οι μηχανικοί κραδασμοί. Έτσι, η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι 344 m/sec σε T=20°С, στο νερό 1.481 m/sec (σε T=21,5°С), στο ξύλο 3.320 m/sec και στον χάλυβα 5.000 m/sec.

Ηχητική ισχύς (ή ένταση)- το ποσό της ηχητικής ενέργειας που περνά ανά μονάδα χρόνου από μια μονάδα επιφάνειας. μετρημένο σε watt ανά τετραγωνικό μέτρο (W/m2).

Πρέπει να σημειωθεί ότι η ηχητική πίεση και η ένταση του ήχου σχετίζονται μεταξύ τους με μια τετραγωνική σχέση, δηλαδή, με αύξηση της ηχητικής πίεσης κατά 2 φορές, η ένταση του ήχου αυξάνεται 4 φορές.

Επίπεδο ήχου- ο λόγος της ισχύος ενός δεδομένου ήχου προς το μηδενικό (τυπικό) επίπεδο, για το οποίο η ηχητική ισχύς λαμβάνεται ως watt/m2, εκφρασμένη σε ντεσιμπέλ:

Τα επίπεδα ηχητικής πίεσης και η ένταση του ήχου, εκφρασμένα σε ντεσιμπέλ, είναι τα ίδια σε μέγεθος.

Κατώφλι ακοής- ο πιο ήσυχος ήχος που μπορεί να ακούσει ένα άτομο σε συχνότητα 1000 Hz, που αντιστοιχεί στην ηχητική πίεση n/m2.

Ένταση ήχου- η ένταση της αίσθησης του ήχου που προκαλείται από έναν δεδομένο ήχο σε ένα άτομο με φυσιολογική ακοή Η ένταση εξαρτάται από την ισχύ του ήχου και τη συχνότητά του, ποικίλλει ανάλογα με τον λογάριθμο της έντασης του ήχου και εκφράζεται με τον αριθμό των ντεσιμπέλ. η οποία ο δεδομένος ήχος υπερβαίνει σε ένταση τον ήχο που λαμβάνεται ως κατώφλι ακουστότητας. Η μονάδα έντασης είναι το φόντο.

Κατώφλι πόνου- ηχητική πίεση ή ένταση ήχου, που γίνεται αντιληπτή ως επώδυνη αίσθηση. Ο ουδός πόνου εξαρτάται ελάχιστα από τη συχνότητα και εμφανίζεται σε ηχητική πίεση περίπου 50 n/m2.

Δυναμικό εύρος- το εύρος των εντάσεων του ήχου ή η διαφορά στα επίπεδα ηχητικής πίεσης των πιο δυνατών και πιο ήσυχων ήχων, που εκφράζεται σε ντεσιμπέλ.

Περίθλαση- απόκλιση από την ευθύγραμμη διάδοση των ηχητικών κυμάτων.

Διάθλαση- μια αλλαγή στην κατεύθυνση διάδοσης των ηχητικών κυμάτων που προκαλείται από διαφορές στην ταχύτητα στο διαφορετικές περιοχέςτρόπους.

Παρέμβαση- η προσθήκη κυμάτων του ίδιου μήκους που φτάνουν σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου κατά μήκος πολλών διαφορετικών μονοπατιών, ως αποτέλεσμα των οποίων το πλάτος του προκύπτοντος κύματος σε διαφορετικά σημεία αποδεικνύεται διαφορετικό και τα μέγιστα και ελάχιστα αυτού του πλάτους εναλλάσσονται μεταξύ τους.

Beats- παρεμβολή δύο ηχητικών δονήσεων που διαφέρουν ελάχιστα σε συχνότητα. Το πλάτος των ταλαντώσεων που προκύπτουν αυξάνεται ή μειώνεται περιοδικά χρονικά με συχνότητα ίση με τη διαφορά μεταξύ των παρεμβαλλόμενων ταλαντώσεων.

Αντήχηση- υπολειπόμενο «μετα-ήχο» σε κλειστούς χώρους. Σχηματίζεται λόγω επαναλαμβανόμενης ανάκλασης από επιφάνειες και ταυτόχρονης απορρόφησης ηχητικών κυμάτων. Η αντήχηση χαρακτηρίζεται από μια χρονική περίοδο (σε δευτερόλεπτα) κατά την οποία η ένταση του ήχου μειώνεται κατά 60 dB.

Τόνος- ημιτονοειδής ηχητική δόνηση. Το ύψος του τόνου καθορίζεται από τη συχνότητα των ηχητικών δονήσεων και αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας.

Βασικός τόνος- ο χαμηλότερος τόνος που δημιουργείται από μια πηγή ήχου.

Υπερτονίες- όλοι οι τόνοι, εκτός από τον κύριο, που δημιουργείται από την πηγή ήχου. Εάν οι συχνότητες των επιτονών είναι ακέραιος αριθμός φορές μεγαλύτερες από τη συχνότητα του θεμελιώδους τόνου, τότε ονομάζονται αρμονικοί τόνοι (αρμονικές).

Τέμπο- «χρώμα» του ήχου, το οποίο καθορίζεται από τον αριθμό, τη συχνότητα και την ένταση των αποχρώσεων.

Συνδυαστικοί τόνοι- πρόσθετοι τόνοι που προκύπτουν λόγω της μη γραμμικότητας των χαρακτηριστικών πλάτους των ενισχυτών και των πηγών ήχου. Οι συνδυαστικοί τόνοι εμφανίζονται όταν το σύστημα εκτίθεται σε δύο ή περισσότερους κραδασμούς με διαφορετικές συχνότητες. Η συχνότητα των συνδυαστικών τόνων είναι ίση με το άθροισμα και τη διαφορά των συχνοτήτων των θεμελιωδών τόνων και των αρμονικών τους.

Διάστημα- η αναλογία των συχνοτήτων των δύο ήχων που συγκρίνονται. Το μικρότερο διακριτό διάστημα μεταξύ δύο μουσικών ήχων γειτονικών σε συχνότητα (κάθε μουσικός ήχος έχει μια αυστηρά καθορισμένη συχνότητα) ονομάζεται ημίτονο και ένα διάστημα συχνοτήτων με αναλογία 2:1 ονομάζεται οκτάβα (μια μουσική οκτάβα αποτελείται από 12 ημιτόνια). ένα διάστημα με αναλογία 10:1 ονομάζεται δεκαετία.

18 Φεβρουαρίου 2016

Ο κόσμος της οικιακής ψυχαγωγίας είναι αρκετά ποικίλος και μπορεί να περιλαμβάνει: παρακολούθηση ταινιών σε ένα καλό σύστημα οικιακού κινηματογράφου. συναρπαστικό και συναρπαστικό παιχνίδι ή ακρόαση μουσικής. Κατά κανόνα, ο καθένας βρίσκει κάτι δικό του σε αυτόν τον τομέα ή συνδυάζει τα πάντα ταυτόχρονα. Όποιοι όμως και αν είναι οι στόχοι ενός ατόμου για την οργάνωση του ελεύθερου χρόνου του και σε όποιο άκρο κι αν φτάνουν, όλοι αυτοί οι σύνδεσμοι συνδέονται σταθερά με μια απλή και κατανοητή λέξη - "ήχος". Πράγματι, σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, θα οδηγηθούμε από το χέρι από τον ήχο. Αλλά αυτή η ερώτηση δεν είναι τόσο απλή και ασήμαντη, ειδικά σε περιπτώσεις όπου υπάρχει η επιθυμία να επιτευχθεί ήχος υψηλής ποιότητας σε ένα δωμάτιο ή σε οποιεσδήποτε άλλες συνθήκες. Για να γίνει αυτό, δεν είναι πάντα απαραίτητο να αγοράζετε ακριβά εξαρτήματα hi-fi ή hi-end (αν και θα είναι πολύ χρήσιμα), αλλά αρκεί μια καλή γνώση της φυσικής θεωρίας, η οποία μπορεί να εξαλείψει τα περισσότερα από τα προβλήματα που προκύπτουν για οποιονδήποτε που σκοπεύει να αποκτήσει φωνητική ερμηνεία υψηλής ποιότητας.

Στη συνέχεια, η θεωρία του ήχου και της ακουστικής θα εξεταστεί από τη σκοπιά της φυσικής. Σε αυτήν την περίπτωση, θα προσπαθήσω να το κάνω όσο το δυνατόν πιο προσιτό στην κατανόηση οποιουδήποτε ατόμου που, ίσως, απέχει πολύ από το να γνωρίζει φυσικούς νόμους ή τύπους, αλλά παρόλα αυτά ονειρεύεται με πάθος να πραγματοποιήσει το όνειρο της δημιουργίας ενός τέλειου ακουστικού συστήματος. Δεν υποθέτω ότι για να επιτύχετε καλά αποτελέσματα σε αυτόν τον τομέα στο σπίτι (ή σε ένα αυτοκίνητο, για παράδειγμα), πρέπει να γνωρίζετε καλά αυτές τις θεωρίες, αλλά η κατανόηση των βασικών θα σας επιτρέψει να αποφύγετε πολλά ανόητα και παράλογα λάθη , και θα σας επιτρέψει επίσης να επιτύχετε το μέγιστο ηχητικό εφέ από το σύστημα σε οποιοδήποτε επίπεδο.

Γενική θεωρία ήχου και μουσική ορολογία

Τι είναι αυτό ήχος? Αυτή είναι η αίσθηση που αντιλαμβάνεται το ακουστικό όργανο "αυτί"(το ίδιο το φαινόμενο υπάρχει χωρίς τη συμμετοχή του «αυτί» στη διαδικασία, αλλά αυτό είναι πιο κατανοητό), το οποίο συμβαίνει όταν το τύμπανο διεγείρεται από ένα ηχητικό κύμα. Το αυτί σε αυτή την περίπτωση λειτουργεί ως «δέκτης» ηχητικών κυμάτων διαφόρων συχνοτήτων.
ηχητικό κύμαείναι ουσιαστικά μια διαδοχική σειρά συμπίεσης και εκκενώσεων του μέσου (συχνότερα του μέσου αέρα υπό κανονικές συνθήκες) διαφόρων συχνοτήτων. Η φύση των ηχητικών κυμάτων είναι ταλαντωτική, προκαλείται και παράγεται από τη δόνηση οποιουδήποτε σώματος. Η εμφάνιση και η διάδοση ενός κλασικού ηχητικού κύματος είναι δυνατή σε τρία ελαστικά μέσα: αέρια, υγρά και στερεά. Όταν εμφανίζεται ένα ηχητικό κύμα σε έναν από αυτούς τους τύπους χώρου, ορισμένες αλλαγές συμβαίνουν αναπόφευκτα στο ίδιο το μέσο, ​​για παράδειγμα, μια αλλαγή στην πυκνότητα ή την πίεση του αέρα, κίνηση σωματιδίων μάζας αέρα κ.λπ.

Δεδομένου ότι ένα ηχητικό κύμα έχει μια ταλαντωτική φύση, έχει ένα τέτοιο χαρακτηριστικό όπως η συχνότητα. Συχνότηταμετριέται σε hertz (προς τιμήν του Γερμανού φυσικού Heinrich Rudolf Hertz), και υποδηλώνει τον αριθμό των ταλαντώσεων σε χρονικό διάστημα ίσο με ένα δευτερόλεπτο. Εκείνοι. Για παράδειγμα, μια συχνότητα 20 Hz δείχνει έναν κύκλο 20 ταλαντώσεων σε ένα δευτερόλεπτο. Η υποκειμενική έννοια του ύψους του εξαρτάται επίσης από τη συχνότητα του ήχου. Όσο περισσότεροι κραδασμοί ήχου γίνονται ανά δευτερόλεπτο, τόσο πιο «υψηλός» εμφανίζεται ο ήχος. Το ηχητικό κύμα έχει και ένα ακόμα πιο σημαντικό χαρακτηριστικό, που έχει όνομα - μήκος κύματος. Μήκος κύματοςΣυνηθίζεται να λαμβάνεται υπόψη η απόσταση που διανύει ένας ήχος συγκεκριμένης συχνότητας σε περίοδο ίση με ένα δευτερόλεπτο. Για παράδειγμα, το μήκος κύματος του χαμηλότερου ήχου στην ανθρώπινη ακουστική περιοχή στα 20 Hz είναι 16,5 μέτρα και το μήκος κύματος του υψηλότερου ήχου στα 20.000 Hz είναι 1,7 εκατοστά.

Το ανθρώπινο αυτί είναι σχεδιασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να αντιλαμβάνεται κύματα μόνο σε περιορισμένο εύρος, περίπου 20 Hz - 20.000 Hz (ανάλογα με τα χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου ατόμου, κάποιοι μπορούν να ακούν λίγο περισσότερο, άλλοι λιγότερο) . Έτσι, αυτό δεν σημαίνει ότι ήχοι κάτω ή πάνω από αυτές τις συχνότητες δεν υπάρχουν, αλλά απλώς δεν γίνονται αντιληπτοί από το ανθρώπινο αυτί, υπερβαίνοντας το ακουστικό εύρος. Ο ήχος πάνω από το ηχητικό εύρος ονομάζεται υπέρηχος, ονομάζεται ήχος κάτω από το ηχητικό εύρος υπέρηχοι. Μερικά ζώα είναι σε θέση να αντιλαμβάνονται υπερήχους και υπέρυθρους ήχους, μερικά ακόμη χρησιμοποιούν αυτό το εύρος για προσανατολισμό στο διάστημα (νυχτερίδες, δελφίνια). Εάν ο ήχος διέρχεται από ένα μέσο που δεν βρίσκεται σε άμεση επαφή με το ανθρώπινο όργανο ακοής, τότε αυτός ο ήχος μπορεί να μην ακουστεί ή μπορεί να εξασθενήσει πολύ στη συνέχεια.

Στη μουσική ορολογία του ήχου, υπάρχουν τόσο σημαντικοί προσδιορισμοί όπως η οκτάβα, ο τόνος και ο τόνος του ήχου. Οκτάβασημαίνει ένα διάστημα στο οποίο ο λόγος συχνότητας μεταξύ των ήχων είναι 1 προς 2. Μια οκτάβα είναι συνήθως πολύ ευδιάκριτη από το αυτί, ενώ οι ήχοι μέσα σε αυτό το διάστημα μπορεί να είναι πολύ παρόμοιοι μεταξύ τους. Μια οκτάβα μπορεί επίσης να ονομαστεί ένας ήχος που δονείται δύο φορές περισσότερο από έναν άλλο ήχο την ίδια χρονική περίοδο. Για παράδειγμα, η συχνότητα των 800 Hz δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια υψηλότερη οκτάβα 400 Hz και η συχνότητα των 400 Hz με τη σειρά της είναι η επόμενη οκτάβα ήχου με συχνότητα 200 Hz. Η οκτάβα, με τη σειρά της, αποτελείται από τόνους και τόνους. Οι μεταβλητές δονήσεις σε ένα αρμονικό ηχητικό κύμα της ίδιας συχνότητας γίνονται αντιληπτές από το ανθρώπινο αυτί ως μουσικός τόνος. Ταλαντώσεις υψηλή συχνότηταμπορεί να ερμηνευθεί ως ήχοι υψηλής συχνότητας, δονήσεις χαμηλής συχνότητας ως ήχοι χαμηλής έντασης. Το ανθρώπινο αυτί είναι σε θέση να διακρίνει ξεκάθαρα ήχους με διαφορά ενός τόνου (στην περιοχή έως και 4000 Hz). Παρόλα αυτά, η μουσική χρησιμοποιεί εξαιρετικά μικρό αριθμό ήχων. Αυτό εξηγείται από τις εκτιμήσεις της αρχής της αρμονικής συνοχής.

Ας εξετάσουμε τη θεωρία των μουσικών τόνων χρησιμοποιώντας το παράδειγμα μιας χορδής τεντωμένης με συγκεκριμένο τρόπο. Μια τέτοια χορδή, ανάλογα με τη δύναμη τάσης, θα «συντονιστεί» σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Όταν αυτή η χορδή εκτίθεται σε κάτι με μια συγκεκριμένη δύναμη, η οποία την προκαλεί να δονείται, θα παρατηρείται σταθερά ένας συγκεκριμένος τόνος ήχου και θα ακούμε την επιθυμητή συχνότητα συντονισμού. Αυτός ο ήχος ονομάζεται θεμελιώδης τόνος. Η συχνότητα της νότας «Α» της πρώτης οκτάβας γίνεται επίσημα αποδεκτή ως ο θεμελιώδης τόνος στο μουσικό πεδίο, ίση με 440 Hz. Ωστόσο, τα περισσότερα μουσικά όργανα ποτέ δεν αναπαράγουν καθαρούς θεμελιώδεις τόνους, αναπόφευκτα συνοδεύονται από τόνους που ονομάζονται αποχρώσεις. Εδώ είναι σκόπιμο να υπενθυμίσουμε έναν σημαντικό ορισμό της μουσικής ακουστικής, την έννοια της ηχητικής χροιάς. Τέμπο- αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό των μουσικών ήχων που δίνει στα μουσικά όργανα και τις φωνές τη μοναδική, αναγνωρίσιμη ιδιαιτερότητα του ήχου, ακόμη και όταν συγκρίνετε ήχους της ίδιας έντασης και έντασης. Η χροιά κάθε μουσικού οργάνου εξαρτάται από την κατανομή της ηχητικής ενέργειας μεταξύ των αποχρώσεων τη στιγμή που εμφανίζεται ο ήχος.

Οι υπέρηχοι σχηματίζουν έναν συγκεκριμένο χρωματισμό του θεμελιώδους τόνου, με τον οποίο μπορούμε εύκολα να αναγνωρίσουμε και να αναγνωρίσουμε ένα συγκεκριμένο όργανο, καθώς και να διακρίνουμε ξεκάθαρα τον ήχο του από ένα άλλο όργανο. Υπάρχουν δύο τύποι αποχρώσεων: αρμονικοί και μη αρμονικοί. Αρμονικές αποχρώσειςεξ ορισμού είναι πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας. Αντίθετα, αν οι επισημάνσεις δεν είναι πολλαπλές και αποκλίνουν αισθητά από τις τιμές, τότε ονομάζονται μη αρμονική. Στη μουσική, η λειτουργία με πολλαπλούς τόνους πρακτικά αποκλείεται, επομένως ο όρος περιορίζεται στην έννοια του "overtone", που σημαίνει αρμονική. Για ορισμένα όργανα, όπως το πιάνο, ο θεμελιώδης τόνος δεν έχει καν χρόνο να διαμορφωθεί σε σύντομο χρονικό διάστημα, η ηχητική ενέργεια των αποχρώσεων αυξάνεται και στη συνέχεια μειώνεται εξίσου γρήγορα. Πολλά όργανα δημιουργούν αυτό που ονομάζεται εφέ "μεταβατικού τόνου", όπου η ενέργεια ορισμένων χροιών είναι υψηλότερη σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, συνήθως στην αρχή, αλλά στη συνέχεια αλλάζει απότομα και προχωρά σε άλλους τόνους. Το εύρος συχνοτήτων κάθε οργάνου μπορεί να εξεταστεί χωριστά και συνήθως περιορίζεται στις θεμελιώδεις συχνότητες που μπορεί να παράγει το συγκεκριμένο όργανο.

Στη θεωρία του ήχου υπάρχει επίσης μια τέτοια έννοια όπως ο ΘΟΡΥΒΟΣ. Θόρυβος- πρόκειται για οποιονδήποτε ήχο που δημιουργείται από συνδυασμό πηγών που δεν είναι συνεπείς μεταξύ τους. Όλοι είναι εξοικειωμένοι με τον ήχο των φύλλων των δέντρων που ταλαντεύονται από τον άνεμο κ.λπ.

Τι καθορίζει την ένταση του ήχου;Προφανώς, ένα τέτοιο φαινόμενο εξαρτάται άμεσα από την ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από το ηχητικό κύμα. Για τον προσδιορισμό ποσοτικών δεικτών έντασης, υπάρχει μια έννοια - ένταση ήχου. Ένταση ήχουορίζεται ως η ροή ενέργειας που διέρχεται από κάποια περιοχή του χώρου (για παράδειγμα, cm2) ανά μονάδα χρόνου (για παράδειγμα, ανά δευτερόλεπτο). Κατά τη διάρκεια της κανονικής συνομιλίας, η ένταση είναι περίπου 9 ή 10 W/cm2. Το ανθρώπινο αυτί είναι ικανό να αντιλαμβάνεται ήχους σε ένα αρκετά μεγάλο εύρος ευαισθησίας, ενώ η ευαισθησία των συχνοτήτων είναι ετερογενής εντός του φάσματος του ήχου. Έτσι γίνεται καλύτερα αντιληπτή η περιοχή συχνοτήτων 1000 Hz - 4000 Hz, η οποία καλύπτει ευρύτερα την ανθρώπινη ομιλία.

Επειδή οι ήχοι ποικίλλουν τόσο πολύ στην ένταση, είναι πιο βολικό να το σκεφτούμε ως λογαριθμικό μέγεθος και να το μετρήσουμε σε ντεσιμπέλ (μετά τον Σκωτσέζο επιστήμονα Alexander Graham Bell). Το κατώτερο όριο ευαισθησίας ακοής του ανθρώπινου αυτιού είναι 0 dB, το ανώτερο είναι 120 dB, που ονομάζεται επίσης «όριο πόνου». Το ανώτερο όριο ευαισθησίας γίνεται επίσης αντιληπτό από το ανθρώπινο αυτί όχι με τον ίδιο τρόπο, αλλά εξαρτάται από τη συγκεκριμένη συχνότητα. Οι ήχοι χαμηλής συχνότητας πρέπει να είναι πολύ πιο έντονοι από τους ήχους υψηλής συχνότητας για να ενεργοποιήσουν τον ουδό πόνου. Για παράδειγμα, ο ουδός πόνου σε χαμηλή συχνότητα 31,5 Hz εμφανίζεται σε επίπεδο έντασης ήχου 135 dB, όταν σε συχνότητα 2000 Hz η αίσθηση του πόνου θα εμφανίζεται στα 112 dB. Υπάρχει επίσης η έννοια της ηχητικής πίεσης, η οποία στην πραγματικότητα επεκτείνει τη συνήθη εξήγηση της διάδοσης ενός ηχητικού κύματος στον αέρα. Ηχητική πίεση- αυτή είναι μια μεταβλητή υπερβολική πίεση που προκύπτει σε ένα ελαστικό μέσο ως αποτέλεσμα της διέλευσης ενός ηχητικού κύματος μέσα από αυτό.

Η κυματική φύση του ήχου

Για να κατανοήσετε καλύτερα το σύστημα παραγωγής ηχητικών κυμάτων, φανταστείτε ένα κλασικό ηχείο που βρίσκεται σε έναν σωλήνα γεμάτο αέρα. Εάν το ηχείο κάνει μια απότομη κίνηση προς τα εμπρός, ο αέρας που βρίσκεται σε άμεση γειτνίαση με τον διαχύτη συμπιέζεται στιγμιαία. Στη συνέχεια, ο αέρας θα επεκταθεί, ωθώντας έτσι την περιοχή πεπιεσμένου αέρα κατά μήκος του σωλήνα.
Αυτή η κίνηση του κύματος θα γίνει στη συνέχεια ηχητική όταν φτάσει στο ακουστικό όργανο και «διεγείρει» το τύμπανο. Όταν ένα ηχητικό κύμα εμφανίζεται σε ένα αέριο, δημιουργείται υπερβολική πίεση και υπερβολική πυκνότητα και τα σωματίδια κινούνται με σταθερή ταχύτητα. Σχετικά με τα ηχητικά κύματα, είναι σημαντικό να θυμάστε το γεγονός ότι η ουσία δεν κινείται μαζί με το ηχητικό κύμα, αλλά εμφανίζεται μόνο μια προσωρινή διαταραχή των μαζών του αέρα.

Εάν φανταστούμε ένα έμβολο κρεμασμένο σε ελεύθερο χώρο σε ένα ελατήριο και κάνει επαναλαμβανόμενες κινήσεις "μπρος-πίσω", τότε τέτοιες ταλαντώσεις θα ονομάζονται αρμονικές ή ημιτονοειδείς (αν φανταστούμε το κύμα ως γράφημα, τότε σε αυτή την περίπτωση θα πάρουμε ένα καθαρό ημιτονοειδές με επαναλαμβανόμενες πτώσεις και αυξήσεις). Αν φανταστούμε ένα ηχείο σε έναν σωλήνα (όπως στο παράδειγμα που περιγράφεται παραπάνω) να εκτελεί αρμονικές ταλαντώσεις, τότε τη στιγμή που το ηχείο κινείται «εμπρός» προκύπτει η γνωστή επίδραση της συμπίεσης αέρα και όταν το ηχείο κινείται «πίσω» το εμφανίζεται το αντίθετο αποτέλεσμα της αραίωσης. Σε αυτή την περίπτωση, ένα κύμα εναλλασσόμενης συμπίεσης και αραίωσης θα διαδοθεί μέσω του σωλήνα. Θα καλείται η απόσταση κατά μήκος του σωλήνα μεταξύ γειτονικών μέγιστων ή ελάχιστων (φάσεις). μήκος κύματος. Εάν τα σωματίδια ταλαντώνονται παράλληλα με την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος, τότε το κύμα λέγεται γεωγραφικού μήκους. Αν ταλαντώνονται κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης, τότε το κύμα ονομάζεται εγκάρσιος. Συνήθως, τα ηχητικά κύματα στα αέρια και τα υγρά είναι διαμήκη, αλλά στα στερεά μπορεί να εμφανιστούν κύματα και των δύο τύπων. Τα εγκάρσια κύματα στα στερεά προκύπτουν λόγω της αντίστασης στην αλλαγή του σχήματος. Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τύπων κυμάτων είναι ότι ένα εγκάρσιο κύμα έχει την ιδιότητα της πόλωσης (οι ταλαντώσεις συμβαίνουν σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο), ενώ ένα διαμήκη κύμα όχι.

Ταχύτητα ήχου

Η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται άμεσα από τα χαρακτηριστικά του μέσου στο οποίο διαδίδεται. Καθορίζεται (εξαρτάται) από δύο ιδιότητες του μέσου: την ελαστικότητα και την πυκνότητα του υλικού. Η ταχύτητα του ήχου στα στερεά εξαρτάται άμεσα από τον τύπο του υλικού και τις ιδιότητές του. Η ταχύτητα στα αέρια μέσα εξαρτάται μόνο από έναν τύπο παραμόρφωσης του μέσου: συμπίεση-αραίνωση. Η αλλαγή της πίεσης σε ένα ηχητικό κύμα συμβαίνει χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με τα γύρω σωματίδια και ονομάζεται αδιαβατική.
Η ταχύτητα του ήχου σε ένα αέριο εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία - αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Επίσης, η ταχύτητα του ήχου σε ένα αέριο μέσο εξαρτάται από το μέγεθος και τη μάζα των ίδιων των μορίων αερίου - όσο μικρότερη είναι η μάζα και το μέγεθος των σωματιδίων, τόσο μεγαλύτερη είναι η «αγωγιμότητα» του κύματος και, κατά συνέπεια, τόσο μεγαλύτερη η ταχύτητα.

Σε υγρά και στερεά μέσα, η αρχή της διάδοσης και η ταχύτητα του ήχου είναι παρόμοια με το πώς διαδίδεται ένα κύμα στον αέρα: με συμπίεση-εκφόρτιση. Αλλά σε αυτά τα περιβάλλοντα, εκτός από την ίδια εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η πυκνότητα του μέσου και η σύνθεση/δομή του είναι αρκετά σημαντική. Όσο μικρότερη είναι η πυκνότητα της ουσίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του ήχου και αντίστροφα. Η εξάρτηση από τη σύνθεση του μέσου είναι πιο σύνθετη και καθορίζεται σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση, λαμβάνοντας υπόψη τη θέση και την αλληλεπίδραση μορίων/ ατόμων.

Ταχύτητα ήχου στον αέρα σε t, °C 20: 343 m/s
Ταχύτητα ήχου σε απεσταγμένο νερό σε t, °C 20: 1481 m/s
Ταχύτητα ήχου σε χάλυβα σε t, °C 20: 5000 m/s

Μόνιμα κύματα και παρεμβολές

Όταν ένα ηχείο δημιουργεί ηχητικά κύματα σε έναν περιορισμένο χώρο, αναπόφευκτα εμφανίζεται η επίδραση των κυμάτων που αντανακλώνται από τα όρια. Ως αποτέλεσμα, αυτό συμβαίνει συχνότερα επίδραση παρεμβολής- όταν δύο ή περισσότερα ηχητικά κύματα επικαλύπτονται μεταξύ τους. Ιδιαίτερες περιπτώσεις φαινομένων παρεμβολής είναι ο σχηματισμός: 1) Κύμα παλμού ή 2) στάσιμων κυμάτων. Χτύποι κυμάτων- αυτό συμβαίνει όταν συμβαίνει η προσθήκη κυμάτων με παρόμοιες συχνότητες και πλάτη. Η εικόνα της εμφάνισης παλμών: όταν δύο κύματα όμοιων συχνοτήτων υπερτίθενται το ένα πάνω στο άλλο. Σε κάποια χρονική στιγμή, με μια τέτοια επικάλυψη, οι κορυφές του πλάτους μπορεί να συμπίπτουν «σε φάση» και οι μειώσεις μπορεί επίσης να συμπίπτουν σε «αντιφάση». Έτσι χαρακτηρίζονται τα ηχητικά beat. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι, σε αντίθεση με τα στάσιμα κύματα, οι συμπτώσεις φάσεων των κορυφών δεν συμβαίνουν συνεχώς, αλλά σε ορισμένα χρονικά διαστήματα. Στο αυτί, αυτό το μοτίβο κτύπων διακρίνεται αρκετά καθαρά και ακούγεται ως περιοδική αύξηση και μείωση της έντασης, αντίστοιχα. Ο μηχανισμός με τον οποίο συμβαίνει αυτό το φαινόμενο είναι εξαιρετικά απλός: όταν οι κορυφές συμπίπτουν, ο όγκος αυξάνεται και όταν συμπίπτουν οι κοιλάδες, ο όγκος μειώνεται.

Μόνιμα κύματαπροκύπτουν σε περίπτωση υπέρθεσης δύο κυμάτων του ίδιου πλάτους, φάσης και συχνότητας, όταν όταν τέτοια κύματα «συναντιούνται» το ένα κινείται προς την εμπρός κατεύθυνση και το άλλο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στην περιοχή του χώρου (όπου σχηματίστηκε το στάσιμο κύμα), εμφανίζεται μια εικόνα της υπέρθεσης δύο πλατών συχνοτήτων, με εναλλασσόμενα μέγιστα (οι λεγόμενοι αντικόμβοι) και ελάχιστα (οι λεγόμενοι κόμβοι). Όταν συμβαίνει αυτό το φαινόμενο, η συχνότητα, η φάση και ο συντελεστής εξασθένησης του κύματος στο σημείο ανάκλασης είναι εξαιρετικά σημαντικές. Σε αντίθεση με τα κινούμενα κύματα, δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας σε ένα στάσιμο κύμα λόγω του γεγονότος ότι τα εμπρός και τα πίσω κύματα που σχηματίζουν αυτό το κύμα μεταφέρουν ενέργεια σε ίσες ποσότητες τόσο προς την εμπρός όσο και προς την αντίθετη κατεύθυνση. Για να κατανοήσουμε ξεκάθαρα την εμφάνιση ενός στάσιμου κύματος, ας φανταστούμε ένα παράδειγμα από την οικιακή ακουστική. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε επιδαπέδια συστήματα ηχείων σε κάποιο περιορισμένο χώρο (δωμάτιο). Κάνοντάς τους να παίξουν κάποιο τραγούδι μαζί τους ένας μεγάλος αριθμόςμπάσο, ας προσπαθήσουμε να αλλάξουμε τη θέση του ακροατή στο δωμάτιο. Έτσι, ένας ακροατής που βρίσκεται στη ζώνη του ελάχιστου (αφαίρεση) ενός στάσιμου κύματος θα αισθανθεί το αποτέλεσμα ότι υπάρχουν πολύ λίγα μπάσα, και εάν ο ακροατής βρεθεί σε μια ζώνη μέγιστων (προσθήκη) συχνοτήτων, τότε το αντίθετο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση στην περιοχή των μπάσων. Σε αυτή την περίπτωση, το αποτέλεσμα παρατηρείται σε όλες τις οκτάβες της βασικής συχνότητας. Για παράδειγμα, εάν η βασική συχνότητα είναι 440 Hz, τότε το φαινόμενο της «προσθήκης» ή της «αφαίρεσης» θα παρατηρηθεί επίσης σε συχνότητες 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz κ.λπ.

Φαινόμενο συντονισμού

Τα περισσότερα στερεά έχουν φυσική συχνότητα συντονισμού. Είναι αρκετά εύκολο να κατανοήσουμε αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός συνηθισμένου σωλήνα, ανοιχτού μόνο στο ένα άκρο. Ας φανταστούμε μια κατάσταση όπου ένα ηχείο είναι συνδεδεμένο στο άλλο άκρο του σωλήνα, το οποίο μπορεί να παίξει μια σταθερή συχνότητα, η οποία μπορεί επίσης να αλλάξει αργότερα. Έτσι, ο σωλήνας έχει τη δική του συχνότητα συντονισμού, με απλά λόγια - αυτή είναι η συχνότητα στην οποία ο σωλήνας "αντηχεί" ή κάνει τον δικό του ήχο. Εάν η συχνότητα του ηχείου (ως αποτέλεσμα της ρύθμισης) συμπίπτει με τη συχνότητα συντονισμού του σωλήνα, τότε θα συμβεί το αποτέλεσμα της αύξησης της έντασης πολλές φορές. Αυτό συμβαίνει επειδή το μεγάφωνο διεγείρει τους κραδασμούς της στήλης αέρα στο σωλήνα με σημαντικό πλάτος μέχρι να βρεθεί η ίδια «συχνότητα συντονισμού» και να συμβεί το φαινόμενο προσθήκης. Το φαινόμενο που προκύπτει μπορεί να περιγραφεί ως εξής: ο σωλήνας σε αυτό το παράδειγμα «βοηθά» το ηχείο αντηχώντας σε μια συγκεκριμένη συχνότητα, οι προσπάθειές τους αθροίζονται και «έχουν ως αποτέλεσμα» ένα ηχητικό δυνατό εφέ. Χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των μουσικών οργάνων, αυτό το φαινόμενο μπορεί εύκολα να φανεί, αφού ο σχεδιασμός των περισσότερων οργάνων περιέχει στοιχεία που ονομάζονται αντηχεία. Δεν είναι δύσκολο να μαντέψει κανείς τι εξυπηρετεί τον σκοπό της ενίσχυσης μιας συγκεκριμένης συχνότητας ή μουσικού τόνου. Για παράδειγμα: σώμα κιθάρας με αντηχείο σε μορφή οπής που ταιριάζει με την ένταση. Ο σχεδιασμός του σωλήνα φλάουτου (και γενικά όλων των σωλήνων). Το κυλινδρικό σχήμα του σώματος του τυμπάνου, το οποίο από μόνο του είναι αντηχείο ορισμένης συχνότητας.

Φάσμα συχνοτήτων ήχου και απόκρισης συχνότητας

Δεδομένου ότι στην πράξη δεν υπάρχουν πρακτικά κύματα της ίδιας συχνότητας, καθίσταται απαραίτητο να αποσυντεθεί ολόκληρο το ηχητικό φάσμα του ακουστικού εύρους σε τόνους ή αρμονικές. Για τους σκοπούς αυτούς, υπάρχουν γραφήματα που εμφανίζουν την εξάρτηση της σχετικής ενέργειας των ηχητικών δονήσεων από τη συχνότητα. Αυτό το γράφημα ονομάζεται γράφημα φάσματος συχνοτήτων ήχου. Φάσμα συχνότητας ήχουΥπάρχουν δύο τύποι: διακριτός και συνεχής. Μια γραφική παράσταση διακριτού φάσματος εμφανίζει μεμονωμένες συχνότητες διαχωρισμένες με κενά κενά. Το συνεχές φάσμα περιέχει όλες τις συχνότητες ήχου ταυτόχρονα.
Στην περίπτωση της μουσικής ή της ακουστικής, το συνηθισμένο γράφημα χρησιμοποιείται συχνότερα Χαρακτηριστικά πλάτους-συχνότητας(συντομογραφία "AFC"). Αυτό το γράφημα δείχνει την εξάρτηση του πλάτους των ηχητικών δονήσεων από τη συχνότητα σε όλο το φάσμα συχνοτήτων (20 Hz - 20 kHz). Εξετάζοντας ένα τέτοιο γράφημα, είναι εύκολο να κατανοήσουμε, για παράδειγμα, τα δυνατά σημεία ή τις αδυναμίες ενός συγκεκριμένου ηχείου ή ακουστικού συστήματος στο σύνολό του, τις ισχυρότερες περιοχές παραγωγής ενέργειας, τις πτώσεις και τις αυξήσεις συχνότητας, την εξασθένηση και επίσης να εντοπίσουμε την απότομη της παρακμής.

Διάδοση ηχητικών κυμάτων, φάση και αντιφάση

Η διαδικασία διάδοσης των ηχητικών κυμάτων συμβαίνει προς όλες τις κατευθύνσεις από την πηγή. Το απλούστερο παράδειγμα για να κατανοήσουμε αυτό το φαινόμενο είναι ένα βότσαλο πεταμένο στο νερό.
Από το σημείο που έπεσε η πέτρα αρχίζουν να απλώνονται κύματα σε όλη την επιφάνεια του νερού προς όλες τις κατευθύνσεις. Ωστόσο, ας φανταστούμε μια κατάσταση χρησιμοποιώντας ένα ηχείο σε μια συγκεκριμένη ένταση, ας πούμε ένα κλειστό κουτί, το οποίο είναι συνδεδεμένο με έναν ενισχυτή και παίζει κάποιο είδος μουσικού σήματος. Είναι εύκολο να παρατηρήσετε (ειδικά αν εφαρμόσετε ένα ισχυρό σήμα χαμηλής συχνότητας, για παράδειγμα ένα τύμπανο μπάσου) ότι το ηχείο κάνει μια γρήγορη κίνηση «εμπρός» και μετά την ίδια γρήγορη κίνηση «πίσω». Αυτό που μένει να γίνει κατανοητό είναι ότι όταν το ηχείο κινείται προς τα εμπρός, εκπέμπει ένα ηχητικό κύμα που ακούμε αργότερα. Τι συμβαίνει όμως όταν το ηχείο κινείται προς τα πίσω; Και παραδόξως, συμβαίνει το ίδιο, το ηχείο βγάζει τον ίδιο ήχο, μόνο που στο παράδειγμά μας διαδίδεται εξ ολοκλήρου εντός της έντασης του κουτιού, χωρίς να υπερβαίνει τα όριά του (το κουτί είναι κλειστό). Γενικά, στο παραπάνω παράδειγμα μπορεί κανείς να παρατηρήσει αρκετά ενδιαφέροντα φυσικά φαινόμενα, το πιο σημαντικό από τα οποία είναι η έννοια της φάσης.

Το ηχητικό κύμα που το ηχείο, όντας σε ένταση, εκπέμπει προς την κατεύθυνση του ακροατή είναι «σε φάση». Το αντίστροφο κύμα, που μπαίνει στον όγκο του κουτιού, θα είναι αντίστοιχα αντιφασικό. Το μόνο που μένει είναι να καταλάβουμε τι σημαίνουν αυτές οι έννοιες; Φάση σήματος– αυτό είναι το επίπεδο ηχητικής πίεσης την τρέχουσα χρονική στιγμή σε κάποιο σημείο του χώρου. Ο ευκολότερος τρόπος για να κατανοήσετε τη φάση είναι με το παράδειγμα της αναπαραγωγής μουσικού υλικού από ένα συμβατικό επιδαπέδιο στερεοφωνικό ζεύγος οικιακών ηχείων. Ας φανταστούμε ότι δύο τέτοια επιδαπέδια ηχεία είναι εγκατεστημένα σε ένα συγκεκριμένο δωμάτιο και παίζουν. Σε αυτήν την περίπτωση, και τα δύο ακουστικά συστήματα αναπαράγουν ένα σύγχρονο σήμα μεταβλητής ηχητικής πίεσης και η ηχητική πίεση ενός ηχείου προστίθεται στην ηχητική πίεση του άλλου ηχείου. Ένα παρόμοιο αποτέλεσμα συμβαίνει λόγω της συγχρονικότητας της αναπαραγωγής σήματος από το αριστερό και το δεξί ηχείο, αντίστοιχα, με άλλα λόγια, οι κορυφές και τα κατώτατα όρια των κυμάτων που εκπέμπονται από το αριστερό και το δεξί ηχείο συμπίπτουν.

Τώρα ας φανταστούμε ότι οι ηχητικές πιέσεις εξακολουθούν να αλλάζουν με τον ίδιο τρόπο (δεν έχουν υποστεί αλλαγές), αλλά μόνο τώρα είναι αντίθετες μεταξύ τους. Αυτό μπορεί να συμβεί εάν συνδέσετε ένα σύστημα ηχείων από τα δύο σε αντίστροφη πολικότητα (καλώδιο "+" από τον ενισχυτή στον ακροδέκτη "-" του συστήματος ηχείων και καλώδιο "-" από τον ενισχυτή στον ακροδέκτη "+" του σύστημα ηχείων). Σε αυτήν την περίπτωση, το αντίθετο σήμα θα προκαλέσει μια διαφορά πίεσης, η οποία μπορεί να αναπαρασταθεί σε αριθμούς ως εξής: το αριστερό ηχείο θα δημιουργήσει πίεση "1 Pa" και το δεξί ηχείο θα δημιουργήσει πίεση "μείον 1 Pa". Ως αποτέλεσμα, η συνολική ένταση ήχου στη θέση του ακροατή θα είναι μηδενική. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται αντιφάση. Αν εξετάσουμε το παράδειγμα λεπτομερέστερα για κατανόηση, αποδεικνύεται ότι δύο ηχεία που παίζουν "σε φάση" δημιουργούν πανομοιότυπες περιοχές συμπίεσης και αραίωσης αέρα, βοηθώντας έτσι το ένα το άλλο. Στην περίπτωση μιας εξιδανικευμένης αντιφάσης, η περιοχή του χώρου πεπιεσμένου αέρα που δημιουργείται από ένα ηχείο θα συνοδεύεται από μια περιοχή σπάνιου χώρου αέρα που δημιουργείται από το δεύτερο ηχείο. Αυτό μοιάζει περίπου με το φαινόμενο της αμοιβαίας σύγχρονης ακύρωσης των κυμάτων. Είναι αλήθεια ότι στην πράξη η ένταση δεν πέφτει στο μηδέν και θα ακούσουμε έναν εξαιρετικά παραμορφωμένο και εξασθενημένο ήχο.

Ο πιο προσιτός τρόπος περιγραφής αυτού του φαινομένου είναι ο εξής: δύο σήματα με τις ίδιες ταλαντώσεις (συχνότητα), αλλά μετατοπισμένα στο χρόνο. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό, είναι πιο βολικό να φανταστούμε αυτά τα φαινόμενα μετατόπισης χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός συνηθισμένου στρογγυλού ρολογιού. Ας φανταστούμε ότι υπάρχουν πολλά πανομοιότυπα στρογγυλά ρολόγια κρεμασμένα στον τοίχο. Όταν οι δεύτεροι δείκτες αυτού του ρολογιού τρέχουν συγχρονισμένα, στο ένα ρολόι 30 δευτερόλεπτα και στο άλλο 30, τότε αυτό είναι ένα παράδειγμα σήματος που βρίσκεται σε φάση. Εάν οι δεύτεροι δείκτες κινούνται με μετατόπιση, αλλά η ταχύτητα παραμένει η ίδια, για παράδειγμα, σε ένα ρολόι είναι 30 δευτερόλεπτα και σε άλλο 24 δευτερόλεπτα, τότε αυτό είναι ένα κλασικό παράδειγμα αλλαγής φάσης. Με τον ίδιο τρόπο, η φάση μετριέται σε μοίρες, μέσα σε έναν εικονικό κύκλο. Σε αυτή την περίπτωση, όταν τα σήματα μετατοπίζονται μεταξύ τους κατά 180 μοίρες (μισή περίοδος), λαμβάνεται η κλασική αντιφάση. Συχνά στην πράξη, συμβαίνουν μικρές μετατοπίσεις φάσης, οι οποίες μπορούν επίσης να προσδιοριστούν σε βαθμούς και να εξαλειφθούν με επιτυχία.

Τα κύματα είναι επίπεδα και σφαιρικά. Ένα μέτωπο επίπεδου κύματος διαδίδεται μόνο προς μία κατεύθυνση και σπάνια συναντάται στην πράξη. Το σφαιρικό μέτωπο κύματος είναι ένας απλός τύπος κύματος που προέρχεται από ένα μόνο σημείο και ταξιδεύει προς όλες τις κατευθύνσεις. Τα ηχητικά κύματα έχουν την ιδιότητα περίθλαση, δηλ. ικανότητα να περιτριγυρίζει εμπόδια και αντικείμενα. Ο βαθμός κάμψης εξαρτάται από την αναλογία του μήκους κύματος του ήχου προς το μέγεθος του εμποδίου ή της οπής. Η περίθλαση συμβαίνει επίσης όταν υπάρχει κάποιο εμπόδιο στη διαδρομή του ήχου. Σε αυτή την περίπτωση, δύο σενάρια είναι πιθανά: 1) Εάν το μέγεθος του εμποδίου είναι πολύ μεγαλύτερο από το μήκος κύματος, τότε ο ήχος ανακλάται ή απορροφάται (ανάλογα με τον βαθμό απορρόφησης του υλικού, το πάχος του εμποδίου κ.λπ. ), και μια ζώνη «ακουστικής σκιάς» σχηματίζεται πίσω από το εμπόδιο. 2) Αν το μέγεθος του εμποδίου είναι συγκρίσιμο με το μήκος κύματος ή και μικρότερο από αυτό, τότε ο ήχος περιθλά σε κάποιο βαθμό προς όλες τις κατευθύνσεις. Εάν ένα ηχητικό κύμα, ενώ κινείται σε ένα μέσο, ​​χτυπήσει τη διεπαφή με ένα άλλο μέσο (για παράδειγμα, ένα μέσο αέρα με ένα στερεό μέσο), τότε μπορούν να συμβούν τρία σενάρια: 1) το κύμα θα ανακλαστεί από τη διεπαφή 2) το κύμα μπορεί να περάσει σε άλλο μέσο χωρίς να αλλάξει κατεύθυνση 3) ένα κύμα μπορεί να περάσει σε άλλο μέσο με αλλαγή κατεύθυνσης στο όριο, αυτό ονομάζεται «διάθλαση κύματος».

Ο λόγος της υπερβολικής πίεσης ενός ηχητικού κύματος προς την ταλαντωτική ογκομετρική ταχύτητα ονομάζεται αντίσταση κύματος. Ομιλία με απλά λόγια, κυματική αντίσταση του μέσουμπορεί να ονομαστεί η ικανότητα απορρόφησης ηχητικών κυμάτων ή «αντίστασης» σε αυτά. Οι συντελεστές ανάκλασης και μετάδοσης εξαρτώνται άμεσα από την αναλογία των αντιστάσεων κυμάτων των δύο μέσων. Η αντίσταση κυμάτων σε ένα αέριο μέσο είναι πολύ χαμηλότερη από ό,τι στο νερό ή τα στερεά. Επομένως, εάν ένα ηχητικό κύμα στον αέρα χτυπήσει ένα στερεό αντικείμενο ή την επιφάνεια βαθέων υδάτων, ο ήχος είτε αντανακλάται από την επιφάνεια είτε απορροφάται σε μεγάλο βαθμό. Αυτό εξαρτάται από το πάχος της επιφάνειας (νερό ή στερεό) στην οποία πέφτει το επιθυμητό ηχητικό κύμα. Όταν το πάχος ενός στερεού ή υγρού μέσου είναι χαμηλό, τα ηχητικά κύματα «περνούν» σχεδόν εντελώς, και αντίστροφα, όταν το πάχος του μέσου είναι μεγάλο, τα κύματα ανακλώνται συχνότερα. Στην περίπτωση της ανάκλασης ηχητικών κυμάτων, αυτή η διαδικασία συμβαίνει σύμφωνα με έναν πολύ γνωστό φυσικό νόμο: «Η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης». Σε αυτή την περίπτωση, όταν ένα κύμα από ένα μέσο με χαμηλότερη πυκνότητα χτυπήσει το όριο με ένα μέσο υψηλότερης πυκνότητας, εμφανίζεται το φαινόμενο διάθλαση. Συνίσταται στην κάμψη (διάθλαση) ενός ηχητικού κύματος μετά τη «συνάντηση» ενός εμποδίου και συνοδεύεται απαραίτητα από αλλαγή ταχύτητας. Η διάθλαση εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία του μέσου στο οποίο συμβαίνει η ανάκλαση.

Στη διαδικασία διάδοσης των ηχητικών κυμάτων στο διάστημα, η έντασή τους αναπόφευκτα μειώνεται, μπορούμε να πούμε ότι τα κύματα εξασθενούν και ο ήχος εξασθενεί. Στην πράξη, το να συναντήσετε ένα παρόμοιο αποτέλεσμα είναι αρκετά απλό: για παράδειγμα, εάν δύο άτομα σταθούν σε ένα χωράφι σε κάποια κοντινή απόσταση (ένα μέτρο ή πιο κοντά) και αρχίσουν να λένε κάτι μεταξύ τους. Εάν στη συνέχεια αυξήσετε την απόσταση μεταξύ των ανθρώπων (αν αρχίσουν να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο), το ίδιο επίπεδο έντασης συνομιλίας θα γίνεται όλο και λιγότερο ακουστό. Αυτό το παράδειγμα δείχνει ξεκάθαρα το φαινόμενο της μείωσης της έντασης των ηχητικών κυμάτων. Γιατί συμβαίνει αυτό; Ο λόγος για αυτό είναι διάφορες διαδικασίες ανταλλαγής θερμότητας, μοριακής αλληλεπίδρασης και εσωτερικής τριβής ηχητικών κυμάτων. Τις περισσότερες φορές στην πράξη, η ηχητική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Τέτοιες διεργασίες προκύπτουν αναπόφευκτα σε οποιοδήποτε από τα 3 μέσα διάδοσης ήχου και μπορούν να χαρακτηριστούν ως απορρόφηση ηχητικών κυμάτων.

Η ένταση και ο βαθμός απορρόφησης των ηχητικών κυμάτων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η πίεση και η θερμοκρασία του μέσου. Η απορρόφηση εξαρτάται επίσης από τη συγκεκριμένη συχνότητα ήχου. Όταν ένα ηχητικό κύμα διαδίδεται μέσω υγρών ή αερίων, εμφανίζεται ένα φαινόμενο τριβής μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων, το οποίο ονομάζεται ιξώδες. Ως αποτέλεσμα αυτής της τριβής σε μοριακό επίπεδο, εμφανίζεται η διαδικασία μετατροπής ενός κύματος από ήχο σε θερμότητα. Με άλλα λόγια, όσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα του μέσου, τόσο χαμηλότερος είναι ο βαθμός απορρόφησης των κυμάτων. Η ηχοαπορρόφηση στα αέρια μέσα εξαρτάται επίσης από την πίεση (η ατμοσφαιρική πίεση αλλάζει με την αύξηση του υψομέτρου σε σχέση με τη στάθμη της θάλασσας). Όσον αφορά την εξάρτηση του βαθμού απορρόφησης από τη συχνότητα του ήχου, λαμβάνοντας υπόψη τις προαναφερθείσες εξαρτήσεις του ιξώδους και της θερμικής αγωγιμότητας, όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα του ήχου, τόσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση του ήχου. Για παράδειγμα, όταν κανονική θερμοκρασίακαι πίεση, στον αέρα η απορρόφηση ενός κύματος με συχνότητα 5000 Hz είναι 3 dB/km, και η απορρόφηση ενός κύματος με συχνότητα 50.000 Hz θα είναι 300 dB/m.

Στα στερεά μέσα, όλες οι παραπάνω εξαρτήσεις (θερμική αγωγιμότητα και ιξώδες) διατηρούνται, αλλά σε αυτό προστίθενται αρκετές ακόμη συνθήκες. Συνδέονται με τη μοριακή δομή των στερεών υλικών, η οποία μπορεί να είναι διαφορετική, με τις δικές της ανομοιογένειες. Ανάλογα με αυτήν την εσωτερική στερεά μοριακή δομή, η απορρόφηση των ηχητικών κυμάτων σε αυτή την περίπτωση μπορεί να είναι διαφορετική και εξαρτάται από τον τύπο του συγκεκριμένου υλικού. Όταν ο ήχος διέρχεται από ένα στερεό σώμα, το κύμα υφίσταται μια σειρά από μετασχηματισμούς και παραμορφώσεις, οι οποίες τις περισσότερες φορές οδηγούν στη διασπορά και την απορρόφηση της ηχητικής ενέργειας. Σε μοριακό επίπεδο, ένα φαινόμενο εξάρθρωσης μπορεί να συμβεί όταν ένα ηχητικό κύμα προκαλεί μετατόπιση ατομικών επιπέδων, τα οποία στη συνέχεια επιστρέφουν στην αρχική τους θέση. Ή, η κίνηση των εξαρθρώσεων οδηγεί σε σύγκρουση με εξαρθρήματα κάθετα σε αυτά ή ελαττώματα στην κρυσταλλική δομή, που προκαλεί την αναστολή τους και, κατά συνέπεια, κάποια απορρόφηση του ηχητικού κύματος. Ωστόσο, το ηχητικό κύμα μπορεί επίσης να αντηχεί με αυτά τα ελαττώματα, τα οποία θα οδηγήσουν σε παραμόρφωση του αρχικού κύματος. Η ενέργεια του ηχητικού κύματος τη στιγμή της αλληλεπίδρασης με τα στοιχεία της μοριακής δομής του υλικού διαχέεται ως αποτέλεσμα των διαδικασιών εσωτερικής τριβής.

Σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσω να αναλύσω τα χαρακτηριστικά της ανθρώπινης ακουστικής αντίληψης και μερικές από τις λεπτότητες και τα χαρακτηριστικά της διάδοσης του ήχου.