U slušnom smislu razlikuju visinu, glasnoću i boju zvuka . Ove karakteristike slušni osjet povezan s frekvencijom, intenzitetom i harmonijskim spektrom - objektivnim karakteristikama zvučnog vala. Zadaća sustava za mjerenje zvuka je uspostaviti tu vezu i tako omogućiti da se u proučavanju sluha kod različitih ljudi subjektivna procjena slušnog osjeta na jedinstven način usporedi s podacima objektivnih mjerenja.

Nagib - subjektivna karakteristika određena frekvencijom njegovog osnovnog tona: što je viša frekvencija, to je zvuk viši.

U znatno manjoj mjeri visina ovisi o intenzitetu vala: na istoj frekvenciji jači zvuk percipira niži.

Boja zvuka gotovo je isključivo određena njegovim spektralnim sastavom. Na primjer, uho razlikuje istu notu koja se svira na različitim glazbalima. Zvukovi govora koji su jednaki u osnovnim frekvencijama kod različitih ljudi razlikuju se i po boji. Dakle, boja je kvalitativna karakteristika slušnog osjeta, uglavnom zbog harmonijskog spektra zvuka.

Glasnoća zvuka E je razina slušnog osjeta iznad svog praga. Ovisi prvenstveno o intenzitet zvuk. Iako subjektivna, glasnoća se može kvantificirati usporedbom slušnog osjeta iz dva izvora.

Razine intenziteta i razine glasnoće zvuka. Jedinice. Weber-Fechnerov zakon.

Zvučni val stvara osjećaj zvuka kada jačina zvuka prijeđe određenu minimalnu vrijednost, koja se naziva prag čujnosti. Zvuk čija je snaga ispod praga čujnosti uho ne percipira: preslab je za to. Prag čujnosti je različit za različite frekvencije (slika 3). Ljudsko uho je najosjetljivije na vibracije s frekvencijama u području od 1000 - 3000 Hz; za ovo područje, prag sluha doseže vrijednost reda ja 0\u003d 10 -12 W / m 2. Uho je puno manje osjetljivo na niže i više frekvencije.

Vibracije vrlo velike snage, reda veličine nekoliko desetaka W/m 2 , više se ne percipiraju kao zvuk: one uzrokuju taktilni osjećaj pritiska u uhu, koji dalje prelazi u bol. Maksimalna vrijednost jačine zvuka, iznad koje se javlja osjećaj boli, naziva se prag dodira ili prag osjećaj boli (slika 3). Na frekvenciji od 1 kHz, jednaka je I m \u003d 10 W / m 2.

Prag boli je različit za različite frekvencije. Između praga čujnosti i praga boli nalazi se područje čujnosti prikazano na slici 3.

Riža. 3. Dijagram čujnosti.

Omjer intenziteta zvuka za ove pragove je 10 13 . Prikladno je koristiti logaritamsku ljestvicu i uspoređivati ​​ne same količine, već njihove logaritme. Imamo ljestvicu razina intenziteta zvuka. Značenje ja 0 kao početnu razinu ljestvice uzmite bilo koji drugi intenzitet ja izraženo u smislu decimalnog logaritma njegovog omjera prema ja 0 :

Logaritam omjera dvaju intenziteta mjeri se u bijela (B).

Bel (B)- jedinica ljestvice razina intenziteta zvuka, koja odgovara promjeni razine intenziteta za 10 puta. Uz bijele su naširoko korišteni decibela (dB), u ovom slučaju formulu (6) treba napisati na sljedeći način:

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

Riža. 4. Intenzitet nekih zvukova.

Stvaranje ljestvice glasnoće temelji se na važnom psihofizičkom zakonu Weber-Fechnera. Ako se prema tom zakonu iritacija povećava eksponencijalno (to jest za isti broj puta), tada će se i osjet te iritacije povećati aritmetičkom progresijom (to jest za isti iznos).

elementarni prirast dE glasnoća zvuka izravno je proporcionalna omjeru prirasta dI intenzitet do samog intenziteta ja zvuk:

gdje k je faktor proporcionalnosti koji ovisi o učestalosti i intenzitetu.

Zatim razinu glasnoće E danog zvuka određuje se integracijom izraza 8 u rasponu od neke nulte razine ja 0 do zadane razine ja intenzitet.

Na ovaj način, Weber-Fechnerov zakon formulira se na sljedeći način:

Razina glasnoće danog zvuka (na određenoj frekvenciji zvučnih vibracija) izravno je proporcionalna logaritmu omjera njegovog intenziteta I cijeniti ja 0 koji odgovara pragu čujnosti:

Usporedna ljestvica, kao i jedinice bel i decibel, također se koriste za karakterizaciju razina zvučnog tlaka.

Mjerne jedinice za razine glasnoće imaju iste nazive: bel i decibel, ali radi razlikovanja od ljestvice razina intenziteta zvuka u ljestvici razina glasnoće decibeli se nazivaju pozadine (F).

Bel - promijenite razinu glasnoće tona s frekvencijom od 1000 Hz kada se razina intenziteta zvuka promijeni za 10 puta. Za ton od 1000 Hz, brojčane vrijednosti u belovima razine glasnoće i razine intenziteta su iste.

Ako konstruiramo krivulje za razne razine glasnoće, na primjer, u koracima svakih 10 pozadina, tada dobivamo sustav grafikona (Sl. 1.5), koji omogućuje pronalaženje ovisnosti razine intenziteta zvuka o frekvenciji na bilo kojoj razini glasnoće.

Općenito, sustav krivulja jednake glasnoće odražava odnos između frekvencije, razine intenziteta i razine glasnoće zvuka i omogućuje pronalaženje treće, nepoznate, od dvije poznate vrijednosti.

Proučavanje oštrine sluha, odnosno osjetljivosti slušnog organa na zvukove različite visine, naziva se audiometrija. Obično se tijekom studije točke krivulje praga čujnosti nalaze na frekvencijama koje su granične između oktava. Oktava je interval visina u kojem je omjer krajnjih frekvencija dva. Postoje tri glavne metode audiometrije: proučavanje sluha govorom, zvučnim vilicama i audiometrom.

Grafikon praga sluha u odnosu na frekvenciju zvuka naziva se audiogram. Gubitak sluha se utvrđuje usporedbom pacijentovog audiograma s normalnom krivuljom. Uređaj koji se u ovom slučaju koristi - audiometar - je generator zvuka s neovisnim i finim podešavanjem frekvencije i razine intenziteta zvuka. Uređaj je opremljen telefonima za zrak i koštana provodljivost i signalni gumb, s kojim ispitanik bilježi prisutnost slušnog osjeta.

Ako koeficijent k tada je bila konstanta L B i E proizlazilo bi da logaritamska ljestvica intenziteta zvuka odgovara ljestvici glasnoće. U ovom slučaju, glasnoća zvuka, kao i intenzitet, mjerili bi se u belovima ili decibelima. Međutim, jaka ovisnost k o frekvenciji i intenzitetu zvuka ne dopušta da se mjerenje glasnoće svede na jednostavnu upotrebu formule 16.

Uvjetno se smatra da se na frekvenciji od 1 kHz ljestvice glasnoće i intenziteta zvuka potpuno poklapaju, tj. k = 1 i

Glasnoća na drugim frekvencijama može se izmjeriti usporedbom zvuka koji se testira sa zvukom od 1 kHz. Da biste to učinili, pomoću generatora zvuka stvorite zvuk frekvencije od 1 kHz. Intenzitet ovog zvuka se mijenja sve dok se ne pojavi slušni osjećaj, sličan osjećaju jačine zvuka koji se proučava. Intenzitet zvuka frekvencije 1 kHz u decibelima, izmjeren uređajem, bit će jednak glasnoći tog zvuka u fonama.

Donja krivulja odgovara intenzitetima najslabijih čujnih zvukova – prag čujnosti; za sve frekvencije E f = 0 f, za intenzitet zvuka od 1 kHz I0 = 10 - 12W/m2(Sl..5.). Iz ovih krivulja vidljivo je da je prosječno ljudsko uho najosjetljivije na frekvencije od 2500 - 3000 Hz. Gornja krivulja odgovara pragu boli; za sve frekvencije E f » 130 F, za 1 kHz ja = 10 W/m2 .

Svaka srednja krivulja odgovara istoj glasnoći, ali različitom intenzitetu zvuka za različite frekvencije. Kao što je navedeno, samo za frekvenciju od 1 kHz, glasnoća zvuka u pozadini jednaka je intenzitetu zvuka u decibelima.

Iz krivulje jednake glasnoće mogu se pronaći intenziteti koji na određenim frekvencijama izazivaju osjećaj te glasnoće.

Na primjer, neka je intenzitet zvuka frekvencije 200 Hz 80 dB.

Kolika je glasnoća ovog zvuka? Na slici nalazimo točku s koordinatama: 200 Hz, 80 dB. Leži na krivulji koja odgovara razini glasnoće od 60 F, što je odgovor.

Energije koje odgovaraju običnim zvukovima vrlo su male.

Kako bismo to ilustrirali, može se navesti sljedeći zanimljiv primjer.

Kad bi 2000 ljudi neprekidno razgovaralo sat i po, tada bi energija njihovih glasova bila dovoljna da prokuha samo jednu čašu vode.

Riža. 5. Razine glasnoće zvukova različitih intenziteta.

Sadržaj članka

ZVUK I AKUSTIKA. Zvuk su vibracije, tj. periodički mehanički poremećaji u elastičnim medijima - plinovitim, tekućim i krutim. Takva perturbacija, koja je neka fizička promjena u mediju (na primjer, promjena gustoće ili tlaka, pomicanje čestica), širi se u njemu u obliku zvučnog vala. Područje fizike koje se bavi nastankom, širenjem, prijemom i obradom zvučnih valova naziva se akustika. Zvuk može biti nečujan ako je njegova frekvencija izvan osjetljivosti ljudskog uha, ili ako se širi u mediju kao što je kruto tijelo koje ne može imati izravan kontakt s uhom, ili ako se njegova energija brzo rasipa u mediju. Dakle, uobičajeni proces percepcije zvuka za nas je samo jedna strana akustike.

ZVUČNI VALOVI

Razmotrimo dugu cijev ispunjenu zrakom. S lijevog kraja u njega je umetnut klip čvrsto pričvršćen za zidove (slika 1). Ako se klip naglo pomakne udesno i zaustavi, tada će zrak u njegovoj neposrednoj blizini na trenutak biti komprimiran (Sl. 1, a). Tada će se komprimirani zrak proširiti, gurajući zrak koji je uz njega s desne strane, a područje kompresije, koje se u početku pojavilo u blizini klipa, kretat će se kroz cijev konstantnom brzinom (slika 1, b). Ovaj val kompresije je zvučni val u plinu.

Zvučni val u plinu karakteriziraju prekomjerni tlak, prekomjerna gustoća, pomak čestica i njihova brzina. Za zvučne valove ta su odstupanja od ravnotežnih vrijednosti uvijek mala. Stoga je višak tlaka povezan s valom mnogo manji od statičkog tlaka plina. Inače, imamo posla s još jednom pojavom - udarnim valom. U zvučnom valu koji odgovara običnom govoru, prekomjerni tlak iznosi samo oko milijunti dio atmosferskog tlaka.

Važno je da tvar ne bude odnesena zvučnim valom. Val je samo privremena perturbacija koja prolazi kroz zrak, nakon čega se zrak vraća u ravnotežno stanje.

Valno kretanje, naravno, nije jedinstveno za zvuk: svjetlosni i radio signali putuju u obliku valova, a svi su upoznati s valovima na površini vode. Sve vrste valova matematički se opisuju tzv. valnom jednadžbom.

harmonijski valovi.

Val u cijevi na sl. 1 naziva se zvučni puls. Vrlo važna vrsta vala nastaje kada klip vibrira naprijed-nazad poput utega obješenog o oprugu. Takve oscilacije nazivaju se prostim harmonicima ili sinusoidima, a val koji se u tom slučaju pobuđuje naziva se harmonik.

Kod jednostavnih harmonijskih vibracija kretanje se periodički ponavlja. Vremenski interval između dva ista stanja gibanja naziva se periodom titranja, a broj potpunih perioda u sekundi naziva se frekvencija titranja. Označimo period sa T, a frekvencija kroz f; onda se to može napisati f= 1/T. Ako je, na primjer, frekvencija 50 perioda u sekundi (50 Hz), tada je period 1/50 sekunde.

Matematički jednostavne harmonijske oscilacije opisuju se jednostavnom funkcijom. Pomak klipa s jednostavnim harmoničkim oscilacijama za bilo koji trenutak vremena t može se napisati u obliku

Ovdje d- pomicanje klipa iz ravnotežnog položaja, i D je konstantni množitelj, koji je jednak maksimalnoj vrijednosti količine d a naziva se amplituda pomaka.

Pretpostavimo da klip oscilira prema formuli harmonijskog titranja. Zatim, kada se pomakne udesno, dolazi do kompresije, kao i prije, a kada se pomakne ulijevo, tlak i gustoća će se smanjiti u odnosu na svoje ravnotežne vrijednosti. Ne dolazi do kompresije, već do razrjeđivanja plina. U ovom slučaju, desno će se širiti, kao što je prikazano na sl. 2, val izmjeničnih kompresija i razrjeđivanja. U svakom trenutku krivulja raspodjele tlaka po duljini cijevi imat će oblik sinusoide, a ta će se sinusoida pomicati udesno brzinom zvuka. v. Udaljenost duž cijevi između istih faza vala (na primjer, između susjednih maksimuma) naziva se valnom duljinom. Obično se označava grčkim slovom l(lambda). Valna duljina l je udaljenost koju val prijeđe u vremenu T. Zato l = televizor, ili v = lf.

Uzdužni i poprečni valovi.

Ako čestice titraju paralelno sa smjerom širenja vala, tada se val naziva longitudinalnim. Ako titraju okomito na smjer širenja, tada se val naziva transverzalnim. Zvučni valovi u plinovima i tekućinama su longitudinalni. U čvrstim tijelima postoje valovi oba tipa. Transverzalni val u čvrstom tijelu moguć je zbog njegove krutosti (otpora na promjenu oblika).

Najznačajnija razlika između ove dvije vrste valova je da posmični val ima svojstvo polarizacija(oscilacije se javljaju u određenoj ravnini), ali uzdužna ne. Kod nekih pojava, poput refleksije i prijenosa zvuka kroz kristale, mnogo ovisi o smjeru pomaka čestica, baš kao i kod svjetlosnih valova.

Brzina zvučnih valova.

Brzina zvuka je karakteristika medija u kojem se val širi. Određen je dvama faktorima: elastičnošću i gustoćom materijala. Elastična svojstva čvrstih tijela ovise o vrsti deformacije. Dakle, elastična svojstva metalne šipke nisu ista tijekom torzije, stiskanja i savijanja. I odgovarajuće valne oscilacije šire se različitim brzinama.

Elastični medij je onaj u kojem je deformacija, bilo torzijska, kompresija ili savijanje, proporcionalna sili koja uzrokuje deformaciju. Takvi materijali podliježu Hookeovom zakonu:

Napon = C Relativna deformacija,

gdje IZ je modul elastičnosti, ovisno o materijalu i vrsti deformacije.

Brzina zvuka v za danu vrstu elastične deformacije dana je izrazom

gdje r je gustoća materijala (masa po jedinici volumena).

Brzina zvuka u čvrstom štapu.

Dugačka šipka može se rastegnuti ili stisnuti silom primijenjenom na kraj. Neka duljina štapa bude L primijenjena vlačna sila F, a povećanje duljine je D L. Cijenjena L/L nazvat ćemo relativnu deformaciju, a silu po jedinici površine poprečnog presjeka štapa nazvati ćemo naprezanjem. Dakle, napon je F/A, gdje ALI - područje presjeka štapa. Primijenjen na takav štap, Hookeov zakon ima oblik

gdje Y je Youngov modul, tj. modul elastičnosti štapa za napetost ili pritisak, koji karakterizira materijal štapa. Youngov modul je nizak za lako rastezljive materijale kao što je guma i visok za krute materijale kao što je čelik.

Ako sada u njemu pobudimo kompresijski val udarajući čekićem po kraju štapa, on će se širiti brzinom , gdje r, kao i prije, je gustoća materijala od kojeg je šipka izrađena. Vrijednosti valnih brzina za neke tipične materijale dane su u tablici. jedan.

Tablica 1. BRZINA ZVUKA ZA RAZLIČITE VRSTE VALOVA U ČVRSTIM MATERIJALIMA
Materijal	Longitudinalni valovi u proširenim čvrstim uzorcima (m/s)	Smični i torzijski valovi (m/s)	Valovi kompresije u šipkama (m/s)
Aluminij
Mjed
voditi
Željezo
Srebro
Ne hrđajući Čelik
Kremeno staklo
Vitražno staklo
pleksiglas
Polietilen
Polistiren

Razmatrani val u štapu je kompresijski val. Ali ne može se smatrati strogo uzdužnim, budući da je kretanje bočne površine štapa povezano s kompresijom (slika 3, a).

U štapu su također moguće dvije druge vrste valova - val savijanja (sl. 3, b) i torzijski val (Sl. 3, u). Deformacije savijanja odgovaraju valu koji nije ni čisto longitudinalan niti čisto transverzalan. Torzijske deformacije, tj. rotacija oko osi štapa, daju čisto transverzalni val.

Brzina vala savijanja u štapu ovisi o valnoj duljini. Takav val se naziva "disperzivni".

Torzijski valovi u štapu su čisto transverzalni i nedisperzivni. Njihova brzina je dana formulom

gdje m je modul smicanja koji karakterizira elastična svojstva materijala s obzirom na smicanje. Neke tipične brzine posmičnih valova dane su u tablici 1. jedan.

Brzina u proširenom čvrstom mediju.

U čvrstim medijima velikog volumena, gdje se može zanemariti utjecaj granica, moguća su dva tipa elastičnih valova: uzdužni i poprečni.

Deformacija u longitudinalnom valu je ravna deformacija, tj. jednodimenzionalna kompresija (ili razrijeđenost) u smjeru širenja vala. Deformacija koja odgovara transverzalnom valu je posmični pomak okomit na smjer širenja vala.

Brzina longitudinalnih valova u čvrstim materijalima dana je izrazom

gdje C-L- modul elastičnosti za prost ravninsko naprezanje. Povezan je s modulom zapremine NA(koji je definiran u nastavku) i modul smicanja m materijala kao C L = B + 4/3m . U tablici. 1 prikazuje vrijednosti brzina uzdužnih valova za različite čvrste materijale.

Brzina posmičnih valova u produženom čvrstom mediju jednaka je brzini torzijskih valova u štapu od istog materijala. Stoga je dana izrazom . Njegove vrijednosti za konvencionalne čvrste materijale dane su u tablici. jedan.

brzina u plinovima.

Kod plinova je moguća samo jedna vrsta deformacije: kompresija - razrijeđenost. Odgovarajući modul elastičnosti NA naziva se volumenski modul. Određuje se omjerom

-D P = B(D V/V).

Ovdje D P– promjena tlaka, D V/V je relativna promjena volumena. Znak minus pokazuje da se volumen smanjuje kako tlak raste.

Vrijednost NA ovisi o tome mijenja li se temperatura plina tijekom kompresije ili ne. U slučaju zvučnog vala može se pokazati da se tlak mijenja vrlo brzo, a toplina koja se oslobađa tijekom kompresije nema vremena napustiti sustav. Dakle, promjena tlaka u zvučnom valu događa se bez izmjene topline s okolnim česticama. Takva se promjena naziva adijabatskom. Utvrđeno je da brzina zvuka u plinu ovisi samo o temperaturi. Pri određenoj temperaturi brzina zvuka je približno jednaka za sve plinove. Na temperaturi od 21,1 ° C, brzina zvuka u suhom zraku je 344,4 m / s i raste s porastom temperature.

Brzina u tekućinama.

Zvučni valovi u tekućinama su valovi kompresije – razrjeđivanja, kao u plinovima. Brzina se daje istom formulom. Međutim, tekućina je mnogo manje stlačiva od plina, a time i količina NA, više i gustoća r. Brzina zvuka u tekućinama bliža je brzini u čvrstim tijelima nego u plinovima. Mnogo je manji nego u plinovima i ovisi o temperaturi. Na primjer, brzina u slatkoj vodi je 1460 m / s na 15,6 ° C. U morskoj vodi normalnog saliniteta, to je 1504 m / s na istoj temperaturi. Brzina zvuka raste s povećanjem temperature vode i koncentracije soli.

stojni valovi.

Kada se harmonijski val pobudi u ograničenom prostoru tako da se odbije od granica, nastaju tzv. stojni valovi. Stojni val rezultat je superpozicije dvaju valova koji putuju jedan u smjeru naprijed, a drugi u suprotnom smjeru. Postoji obrazac oscilacija koji se ne pomiče u prostoru, s izmjeničnim antinodima i čvorovima. U antinodima su odstupanja oscilirajućih čestica od ravnotežnog položaja maksimalna, a u čvorovima jednaka nuli.

Stojeći valovi u struni.

U rastegnutoj žici nastaju poprečni valovi, a nit se pomiče u odnosu na svoj prvotni, pravocrtni položaj. Pri fotografiranju valova u žici jasno su vidljivi čvorovi i antinodi osnovnog tona i prizvuka.

Slika stojnih valova uvelike olakšava analizu oscilatornih gibanja strune zadane duljine. Neka postoji niz dužine L pričvršćeni na krajevima. Bilo koja vrsta vibracije takve strune može se prikazati kao kombinacija stojnih valova. Budući da su krajevi niza fiksni, mogući su samo takvi stojni valovi koji imaju čvorove na graničnim točkama. Najniža frekvencija titranja žice odgovara najvećoj mogućoj valnoj duljini. Budući da je udaljenost između čvorova l/2, frekvencija je minimalna kada je duljina žice jednaka polovici valne duljine, tj. na l= 2L. To je takozvani temeljni način titranja žice. Njegova odgovarajuća frekvencija, koja se naziva osnovna frekvencija ili osnovni ton, dana je s f = v/2L, gdje v je brzina širenja vala duž žice.

Postoji cijeli niz oscilacija više frekvencije koji odgovaraju stojnim valovima s više čvorova. Sljedeća viša frekvencija, koja se naziva drugi harmonik ili prvi prizvuk, dana je s

f = v/L.

Redoslijed harmonika izražava se formulom f = nv/2L, gdje n= 1, 2, 3, itd. Ovo je tzv. vlastite frekvencije vibracija žice. Oni rastu proporcionalno prirodnim brojevima: viši harmonici u 2, 3, 4...itd. puta osnovna frekvencija. Takav niz zvukova naziva se prirodna ili harmonijska ljestvica.

Sve to ima veliki značaj u glazbenoj akustici, o čemu će biti više riječi u nastavku. Za sada napominjemo da zvuk koji proizvodi žica sadrži sve prirodne frekvencije. Relativni doprinos svakog od njih ovisi o točki u kojoj se pobuđuju vibracije žice. Ako se, na primjer, žica trza u sredini, tada će osnovna frekvencija biti najviše pobuđena, budući da ta točka odgovara antinodusu. Drugi harmonik će biti odsutan, jer se njegov čvor nalazi u središtu. Isto se može reći i za druge harmonike ( Pogledaj ispod glazbena akustika).

Brzina valova u struni je

gdje T - napetost žice, i rL - masa po jedinici duljine niti. Stoga je prirodni frekvencijski spektar žice dan izrazom

Dakle, povećanje napetosti žice dovodi do povećanja frekvencija vibracija. Za snižavanje frekvencije oscilacija pri zadanom T možete uzeti težu žicu (veliku r L) ili povećanje njegove duljine.

Stojeći valovi u orguljama.

Teorija navedena u odnosu na žicu također se može primijeniti na vibracije zraka u cijevi tipa orgulja. Cijev za orgulje može se pojednostavljeno promatrati kao ravna cijev u kojoj se pobuđuju stojni valovi. Cijev može imati zatvorene i otvorene krajeve. Antinoda stojnog vala javlja se na otvorenom kraju, a čvor se javlja na zatvorenom kraju. Stoga cijev s dva otvorena kraja ima osnovnu frekvenciju na kojoj polovica valne duljine stane duž duljine cijevi. Cijev, s druge strane, u kojoj je jedan kraj otvoren, a drugi zatvoren, ima osnovnu frekvenciju na kojoj četvrtina valne duljine stane duž duljine cijevi. Dakle, osnovna frekvencija za cijev otvorenu na oba kraja je f =v/2L, a za cijev otvorenu na jednom kraju, f = v/4L(gdje L je duljina cijevi). U prvom slučaju rezultat je isti kao i kod žice: prizvuci su dvostruki, trostruki i tako dalje. vrijednost osnovne frekvencije. Međutim, za cijev otvorenu na jednom kraju, prizvuci će biti veći od osnovne frekvencije za 3, 5, 7, itd. jednom.

Na sl. Slike 4 i 5 shematski prikazuju stojne valove osnovne frekvencije i prvi prizvuk za cijevi dvaju razmatranih tipova. Radi praktičnosti, pomaci su ovdje prikazani kao poprečni, ali zapravo su uzdužni.

rezonantne oscilacije.

Stojni valovi usko su povezani s pojavom rezonancije. Gore spomenute prirodne frekvencije također su rezonantne frekvencije žica ili orgulja. Pretpostavimo da je zvučnik postavljen blizu otvorenog kraja cijevi orgulja, emitirajući signal jedne specifične frekvencije, koja se može mijenjati po želji. Zatim, ako se frekvencija signala zvučnika podudara s glavnom frekvencijom cijevi ili s jednim od njezinih prizvuka, cijev će zvučati vrlo glasno. To je zato što zvučnik pobuđuje vibracije zračnog stupca sa značajnom amplitudom. Kaže se da truba rezonira pod tim uvjetima.

Fourierova analiza i frekvencijski spektar zvuka.

U praksi su zvučni valovi jedne frekvencije rijetki. Ali složeni zvučni valovi mogu se rastaviti na harmonike. Ova se metoda naziva Fourierova analiza po francuskom matematičaru J. Fourieru (1768–1830), koji ju je prvi primijenio (u teoriji topline).

Graf relativne energije zvučnih vibracija u odnosu na frekvenciju naziva se frekvencijski spektar zvuka. Postoje dvije glavne vrste takvih spektara: diskretni i kontinuirani. Diskretni spektar sastoji se od zasebnih linija za frekvencije odvojenih praznim prostorima. Sve su frekvencije prisutne u kontinuiranom spektru unutar njegovog pojasa.

Periodične zvučne vibracije.

Zvučne vibracije su periodične ako se oscilatorni proces, koliko god složen bio, ponavlja nakon određenog vremenskog intervala. Njegov spektar je uvijek diskretan i sastoji se od harmonika određene frekvencije. Otuda izraz "harmonijska analiza". Primjer su pravokutne oscilacije (sl. 6, a) s promjenom amplitude od +A prije - ALI i točka T= 1/f. Još jedan jednostavan primjer je trokutasto osciliranje zuba pile prikazano na sl. 6, b. Primjer periodičkih oscilacija složenijeg oblika s odgovarajućim harmoničkim komponentama prikazan je na sl. 7.

Glazbeni zvukovi su periodične vibracije i stoga sadrže harmonike (prizvuke). Već smo vidjeli da se u nizu, uz oscilacije osnovne frekvencije, u jednom ili drugom stupnju pobuđuju i drugi harmonici. Relativni doprinos svakog prizvuka ovisi o načinu na koji je žica pobuđena. Skup prizvuka uvelike je određen timbar glazbeni zvuk. O tim se pitanjima detaljnije raspravlja u nastavku u odjeljku o glazbenoj akustici.

Spektar zvučnog pulsa.

Uobičajena varijanta zvuka je zvuk kratkog trajanja: pljeskanje rukama, kucanje na vratima, zvuk pada predmeta na pod, kukavica kukavice. Takvi zvukovi nisu ni periodični ni glazbeni. Ali oni se također mogu rastaviti na frekvencijski spektar. U tom će slučaju spektar biti kontinuiran: za opisivanje zvuka potrebne su sve frekvencije unutar određenog pojasa, koji može biti prilično širok. Poznavanje takvog frekvencijskog spektra nužno je za reprodukciju takvih zvukova bez izobličenja, budući da odgovarajući elektronički sustav mora jednako dobro “proći” sve te frekvencije.

Glavne značajke zvučnog pulsa mogu se razjasniti razmatranjem pulsa jednostavnog oblika. Pretpostavimo da je zvuk titraj trajanja D t, pri čemu je promjena tlaka kao što je prikazano na sl. osam, a. Približan frekvencijski spektar za ovaj slučaj prikazan je na slici. osam, b. Središnja frekvencija odgovara vibracijama koje bismo imali kada bi se isti signal produžio na neodređeno vrijeme.

Duljina frekvencijskog spektra naziva se propusnost D f(Sl. 8, b). Širina pojasa je približni raspon frekvencija potrebnih za reprodukciju izvornog pulsa bez pretjeranog izobličenja. Postoji vrlo jednostavan temeljni odnos između D f i D t, naime

D f D t" jedan.

Ovaj odnos vrijedi za sve zvučne impulse. Njegovo značenje je da što je puls kraći, to sadrži više frekvencija. Pretpostavimo da se za detekciju podmornice koristi sonar koji emitira ultrazvuk u obliku pulsa s trajanjem od 0,0005 s i frekvencijom signala od 30 kHz. Širina pojasa je 1/0,0005 = 2 kHz, a frekvencije stvarno sadržane u spektru impulsa lokatora leže u rasponu od 29 do 31 kHz.

Buka.

Buka se odnosi na svaki zvuk koji proizvodi više, neusklađenih izvora. Primjer je zvuk lišća drveća koje vjetar njiše. Buka mlaznog motora nastaje zbog turbulencije ispušne struje velike brzine. Buka kao neugodan zvuk razmatra se u čl. AKUSTIČNO ZAGAĐENJE OKOLIŠA.

Intenzitet zvuka.

Glasnoća zvuka može varirati. Lako je vidjeti da je to zbog energije koju nosi zvučni val. Za kvantitativne usporedbe glasnoće potrebno je uvesti pojam jačine zvuka. Intenzitet zvučnog vala definiran je kao prosječni tok energije kroz jedinicu površine fronte vala po jedinici vremena. Drugim riječima, ako uzmemo jednu površinu (npr. 1 cm 2 ), koja bi u potpunosti apsorbirala zvuk, i postavimo je okomito na smjer širenja vala, tada je jačina zvuka jednaka akustičkoj energiji apsorbiranoj u jednoj sekundi. . Intenzitet se obično izražava u W/cm2 (ili W/m2).

Dajemo vrijednost ove vrijednosti za neke poznate zvukove. Amplituda nadtlaka koja se javlja tijekom normalnog razgovora je približno jedan milijunti dio atmosferskog tlaka, što odgovara akustičnom intenzitetu zvuka reda veličine 10–9 W/cm 2 . Ukupna snaga emitiranog zvuka tijekom normalnog razgovora je reda veličine samo 0,00001 vata. Sposobnost ljudskog uha da opaža tako male energije svjedoči o njegovoj nevjerojatnoj osjetljivosti.

Raspon intenziteta zvuka koje percipira naše uho vrlo je širok. Intenzitet najjačeg zvuka koji uho može podnijeti je oko 1014 puta veći od minimuma koji može čuti. Puna snaga izvora zvuka pokriva jednako širok raspon. Dakle, snaga emitirana tijekom vrlo tihog šapta može biti reda veličine 10–9 W, dok snaga koju emitira mlazni motor doseže 10–5 W. Opet, intenziteti se razlikuju za faktor 10 14.

Decibel.

Budući da zvukovi jako variraju u intenzitetu, prikladnije je to zamisliti kao logaritamsku vrijednost i mjeriti je u decibelima. Logaritamska vrijednost intenziteta je logaritam omjera razmatrane vrijednosti veličine i njezine vrijednosti, uzete kao izvorne. Razina intenziteta J s obzirom na neki uvjetno odabrani intenzitet J 0 je

Razina intenziteta zvuka = ​​10 lg ( J/J 0) dB.

Dakle, jedan zvuk koji je 20 dB intenzivniji od drugog je 100 puta intenzivniji.

U praksi akustičkih mjerenja, uobičajeno je izražavati intenzitet zvuka u smislu odgovarajuće amplitude pretlaka P e. Kada se tlak mjeri u decibelima u odnosu na neki konvencionalno odabrani tlak R 0, dobiva se takozvana razina zvučnog tlaka. Budući da je intenzitet zvuka proporcionalan veličini P e 2 i lg( P e 2) = 2lg P e, razina zvučnog tlaka određuje se na sljedeći način:

Razina zvučnog tlaka = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Nazivni tlak R 0 = 2×10–5 Pa odgovara standardnom pragu sluha za zvuk s frekvencijom od 1 kHz. U tablici. 2 prikazuje razine zvučnog tlaka za neke uobičajene izvore zvuka. Ovo su integralne vrijednosti dobivene usrednjavanjem na cijelom zvučnom frekvencijskom rasponu.

Tablica 2. TIPIČNE RAZINE ZVUČNOG TLAKA
Izvor zvuka	Razina zvučnog tlaka, dB (rel. 2H 10–5 Pa)
štancaonica
Strojarnica na brodu
Predionica i tkalačka radnja
U vagonu podzemne željeznice
U automobilu tijekom vožnje u prometu
Zavod za strojno pisanje
Računovodstvo
Ured
stambene prostorije
Stambeno područje noću
studio za emitiranje

Volumen.

Razina zvučnog tlaka nije povezana s jednostavnim odnosom s psihološkom percepcijom glasnoće. Prvi od ovih faktora je objektivan, a drugi subjektivan. Eksperimenti pokazuju da percepcija glasnoće ne ovisi samo o intenzitetu zvuka, već i o njegovoj frekvenciji i eksperimentalnim uvjetima.

Ne mogu se uspoređivati ​​glasnoće zvukova koji nisu vezani uz uvjete usporedbe. Ipak, zanimljiva je usporedba čistih tonova. Da biste to učinili, odredite razinu zvučnog tlaka pri kojoj se dati ton percipira kao jednako glasan kao standardni ton s frekvencijom od 1000 Hz. Na sl. Slika 9 prikazuje krivulje jednake glasnoće dobivene u eksperimentima Fletchera i Mansona. Za svaku krivulju naznačena je odgovarajuća razina zvučnog tlaka standardnog tona od 1000 Hz. Na primjer, pri frekvenciji tona od 200 Hz, potrebna je razina zvuka od 60 dB da bi se percipirala kao jednaka tonu od 1000 Hz s razinom zvučnog tlaka od 50 dB.

Ove se krivulje koriste za definiranje brujanja, jedinice glasnoće koja se također mjeri u decibelima. Pozadina je razina glasnoće zvuka za koju je razina zvučnog tlaka jednako glasnog standardnog čistog tona (1000 Hz) 1 dB. Dakle, zvuk frekvencije 200 Hz na razini od 60 dB ima razinu glasnoće od 50 fona.

Donja krivulja na sl. 9 je krivulja praga sluha zdravog uha. Raspon zvučnih frekvencija proteže se od oko 20 do 20 000 Hz.

Širenje zvučnih valova.

Poput valova od kamenčića bačenog u mirnu vodu, zvučni valovi se šire u svim smjerovima. Pogodno je karakterizirati takav proces širenja kao valna fronta. Valna fronta je ploha u prostoru, u svim točkama koje se titraju u istoj fazi. Fronte valova od kamenčića koji je pao u vodu su krugovi.

Ravni valovi.

Valna fronta najjednostavnijeg oblika je ravna. Ravni val se širi samo u jednom smjeru i idealizacija je koja se u praksi samo približno ostvaruje. Zvučni val u cijevi može se smatrati približno ravnim, baš kao i sferni val na velikoj udaljenosti od izvora.

sferni valovi.

Jednostavni tipovi valova uključuju val sa sfernom frontom, koji izlazi iz točke i širi se u svim smjerovima. Takav se val može pobuditi pomoću male pulsirajuće sfere. Izvor koji pobuđuje sferni val naziva se točkasti izvor. Intenzitet takvog vala opada kako se širi, jer se energija raspoređuje po sferi sve većeg radijusa.

Ako točkasti izvor koji proizvodi sferni val zrači snagom 4 p Q, onda, budući da je površina kugle s radijusom r jednako 4 p r 2, intenzitet zvuka u sfernom valu jednak je

J = Q/r 2 ,

gdje r je udaljenost od izvora. Dakle, intenzitet sfernog vala opada obrnuto s kvadratom udaljenosti od izvora.

Intenzitet svakog zvučnog vala tijekom njegovog širenja opada zbog apsorpcije zvuka. O ovom fenomenu bit će riječi u nastavku.

Huygensov princip.

Za širenje fronte vala vrijedi Huygensov princip. Da bismo to pojasnili, razmotrimo oblik fronte vala koji nam je poznat u nekom trenutku u vremenu. Može se naći i nakon nekog vremena D t, ako se svaka točka početnog valnog fronta smatra izvorom elementarnog sfernog vala koji se širi preko ovog intervala na udaljenost v D t. Omotnica svih ovih elementarnih sfernih valnih fronta bit će nova valna fronta. Huygensovo načelo omogućuje određivanje oblika valne fronte tijekom cijelog procesa širenja. To također implicira da valovi, i ravni i sferni, zadržavaju svoju geometriju tijekom širenja, pod uvjetom da je medij homogen.

difrakcija zvuka.

Difrakcija je val koji se savija oko prepreke. Difrakcija se analizira Huygensovim principom. Stupanj ovog savijanja ovisi o odnosu između valne duljine i veličine prepreke ili rupe. Budući da je valna duljina zvučnog vala višestruko duža od duljine svjetlosti, difrakcija zvučnih valova manje nas iznenađuje od difrakcije svjetlosti. Dakle, možete razgovarati s nekim tko stoji iza ugla zgrade, iako nije vidljiv. Zvučni val se lako savija oko ugla, dok svjetlost, zbog male valne duljine, stvara oštre sjene.

Razmotrimo difrakciju ravnog zvučnog vala koji pada na čvrsti ravni zaslon s rupom. Da biste odredili oblik valne fronte na drugoj strani ekrana, morate znati odnos između valne duljine l i promjer rupe D. Ako su te vrijednosti približno iste ili l puno više D, tada se dobiva potpuna difrakcija: valna fronta odlaznog vala bit će sferična, a val će doseći sve točke iza zaslona. Ako l nešto manje D, tada će se izlazni val širiti pretežno u smjeru prema naprijed. I na kraju, ako l mnogo manje D, tada će se sva njegova energija širiti pravocrtno. Ovi slučajevi prikazani su na sl. deset.

Difrakcija se također opaža kada postoji prepreka na putu zvuka. Ako su dimenzije prepreke mnogo veće od valne duljine, tada se zvuk reflektira, a iza prepreke nastaje zona akustične sjene. Kada je veličina prepreke usporediva s valnom duljinom ili manja od nje, zvuk se u određenoj mjeri difraktira u svim smjerovima. O tome se vodi računa u arhitektonskoj akustici. Tako su, primjerice, ponekad zidovi zgrade prekriveni izbočinama dimenzija reda veličine valne duljine zvuka. (Na frekvenciji od 100 Hz, valna duljina u zraku je oko 3,5 m.) U ovom slučaju, zvuk, padajući na zidove, raspršuje se u svim smjerovima. U arhitektonskoj akustici ova se pojava naziva difuzija zvuka.

Refleksija i prijenos zvuka.

Kada zvučni val koji putuje u jednom mediju upadne na sučelje s drugim medijem, tri procesa se mogu dogoditi istovremeno. Val se može reflektirati od sučelja, može prijeći u drugi medij bez promjene smjera ili može promijeniti smjer na sučelju, tj. lomiti se. Na sl. Slika 11 prikazuje najjednostavniji slučaj, kada ravni val pada pod pravim kutom na ravnu površinu koja razdvaja dvije različite tvari. Ako je koeficijent refleksije intenziteta, koji određuje udio reflektirane energije, jednak R, tada će koeficijent prijenosa biti jednak T = 1 – R.

Za zvučni val, omjer prekomjernog tlaka i volumenske brzine vibracija naziva se akustična impedancija. Koeficijenti refleksije i prijenosa ovise o omjeru valnih impedancija dvaju medija, a valne impedancije su pak proporcionalne akustičkim impedancijama. Valni otpor plinova mnogo je manji od otpora tekućina i krutina. Dakle, ako val u zraku udari u debeli čvrsti predmet ili površinu duboke vode, zvuk se gotovo potpuno reflektira. Na primjer, za granicu zraka i vode omjer valnih otpora je 0,0003. Prema tome, energija zvuka koji prelazi iz zraka u vodu jednaka je samo 0,12% upadne energije. Koeficijenti refleksije i transmisije su reverzibilni: koeficijent refleksije je koeficijent transmisije u suprotnom smjeru. Dakle, zvuk praktički ne prodire ni iz zraka u bazen, ni ispod vode prema van, što je dobro poznato svima koji su plivali pod vodom.

U slučaju gore razmatrane refleksije, pretpostavljeno je da je debljina drugog medija u smjeru širenja vala velika. Ali koeficijent prijenosa bit će znatno veći ako je drugi medij zid koji odvaja dva identična medija, kao što je čvrsta pregrada između prostorija. Činjenica je da je debljina stijenke obično manja od valne duljine zvuka ili usporediva s njom. Ako je debljina stijenke višekratnik polovice valne duljine zvuka u stijenci, tada je koeficijent prijenosa vala pri okomitom upadu vrlo velik. Pregrada bi bila apsolutno prozirna za zvuk ove frekvencije da nije bilo apsorpcije, koju ovdje zanemarujemo. Ako je debljina stijenke mnogo manja od valne duljine zvuka u njoj, tada je refleksija uvijek mala, a transmisija velika, osim ako se ne poduzmu posebne mjere za povećanje apsorpcije zvuka.

lom zvuka.

Kada ravni zvučni val upadne pod kutom na sučelje, kut njegove refleksije jednak je kutu upada. Odaslani val odstupa od smjera upadnog vala ako je upadni kut različit od 90°. Ova promjena smjera vala naziva se refrakcija. Geometrija loma na ravnoj granici prikazana je na sl. 12. Označeni su kutovi između smjera valova i normale na površinu q 1 za upadni val i q 2 - za prelomljenu prošlost. Odnos između ova dva kuta uključuje samo omjer brzina zvuka za dva medija. Kao i u slučaju svjetlosnih valova, ovi su kutovi međusobno povezani Snellovim (Snell) zakonom:

Dakle, ako je brzina zvuka u drugom mediju manja nego u prvom, tada će kut loma biti manji od upadnog kuta; ako je brzina u drugom mediju veća, tada će kut loma biti veći nego upadni kut.

Refrakcija zbog gradijenta temperature.

Ako se brzina zvuka u nehomogenom mediju kontinuirano mijenja od točke do točke, mijenja se i lom. Budući da brzina zvuka iu zraku iu vodi ovisi o temperaturi, u prisutnosti temperaturnog gradijenta zvučni valovi mogu promijeniti smjer kretanja. U atmosferi i oceanu, zbog horizontalne stratifikacije, obično se opažaju vertikalni gradijenti temperature. Dakle, zbog promjena brzine zvuka po vertikali, zbog temperaturnih gradijenata, zvučni val može biti otklonjen ili gore ili dolje.

Razmotrimo slučaj kada je zrak topliji na nekom mjestu blizu površine Zemlje nego u višim slojevima. Zatim, s povećanjem nadmorske visine, ovdje se smanjuje temperatura zraka, a s njom se smanjuje i brzina zvuka. Zvuk koji emitira izvor blizu površine Zemlje dići će se prema gore zbog refrakcije. Ovo je prikazano na sl. 13, koja prikazuje zvučne "zrake".

Skretanje zvučnih zraka prikazano na sl. 13 općenito se opisuje Snellovim zakonom. Ako kroz q, kao i prije, označavaju kut između okomice i smjera zračenja, tada generalizirani Snellov zakon ima oblik jednakosti sin q/v= const koji se odnosi na bilo koju točku grede. Dakle, ako zraka prijeđe u područje gdje je brzina v smanjuje, zatim kut q također treba smanjiti. Stoga se zvučne zrake uvijek skreću u smjeru smanjenja brzine zvuka.

Od fig. 13 može se vidjeti da postoji područje koje se nalazi na određenoj udaljenosti od izvora, gdje zvučne zrake uopće ne prodiru. Ovo je takozvana zona tišine.

Vrlo je moguće da negdje na visini većoj od one prikazane na Sl. 13, zbog gradijenta temperature, brzina zvuka raste s visinom. U ovom slučaju, početno devijantni zvučni val prema gore odstupit će ovdje do površine Zemlje na velikoj udaljenosti. To se događa kada se u atmosferi formira sloj temperaturne inverzije, zbog čega postaje moguće primati zvučne signale ultradugog dometa. U isto vrijeme, kvaliteta prijema na udaljenim točkama čak je bolja nego u blizini. U povijesti je bilo mnogo primjera prijema ultra-dugog dometa. Na primjer, tijekom Prvog svjetskog rata, kada su atmosferski uvjeti pogodovali odgovarajućem lomu zvuka, u Engleskoj su se mogle čuti kanonade na francuskom frontu.

Lom zvuka pod vodom.

Lom zvuka zbog vertikalnih promjena temperature također se opaža u oceanu. Ako temperatura, a time i brzina zvuka, opada s dubinom, zvučne zrake se skreću prema dolje, što rezultira zonom tišine sličnoj onoj prikazanoj na sl. 13 za atmosferu. Za ocean će ispasti odgovarajuća slika ako se ova slika jednostavno okrene.

Prisutnost tihih zona otežava otkrivanje podmornica sonarom, a refrakcija, koja skreće zvučne valove prema dolje, značajno ograničava njihov domet širenja blizu površine. Međutim, opaža se i otklon prema gore. Ona može stvoriti više povoljni uvjeti za hidrolokaciju.

Interferencija zvučnih valova.

Superpozicija dvaju ili više valova naziva se interferencija valova.

Stojni valovi kao posljedica interferencije.

Navedeni stojni valovi poseban su slučaj interferencije. Stojni valovi nastaju kao rezultat superpozicije dvaju valova iste amplitude, faze i frekvencije koji se šire u suprotnim smjerovima.

Amplituda na antinodima stojnog vala jednaka je dvostrukoj amplitudi svakog od valova. Budući da je intenzitet vala proporcionalan kvadratu njegove amplitude, to znači da je intenzitet na antinodima 4 puta veći od intenziteta svakog od valova, odnosno 2 puta veći od ukupnog intenziteta dva vala. Ovdje nema kršenja zakona održanja energije, budući da je intenzitet u čvorovima jednak nuli.

otkucaji.

Moguća je i interferencija harmoničnih valova različitih frekvencija. Kada se dvije frekvencije malo razlikuju, dolazi do tzv. Otkucaji su promjene u amplitudi zvuka koje se javljaju na frekvenciji jednakoj razlici između izvornih frekvencija. Na sl. 14 prikazuje valni oblik otkucaja.

Treba imati na umu da je frekvencija otkucaja frekvencija amplitudne modulacije zvuka. Također, otkucaje ne treba brkati s frekvencijom razlike koja je rezultat izobličenja harmonijskog signala.

Otkucaji se često koriste kada se ugađaju dva tona unisono. Frekvencija se podešava sve dok se otkucaji više ne čuju. Čak i ako je frekvencija otkucaja vrlo niska, ljudsko uho može uhvatiti periodično povećanje i smanjenje glasnoće zvuka. Stoga su otkucaji vrlo osjetljiva metoda ugađanja u audio rasponu. Ako postavka nije točna, tada se razlika frekvencije može odrediti na uho brojanjem broja otkucaja u jednoj sekundi. U glazbi se taktovi viših harmonijskih komponenti također percipiraju uhom, što se koristi pri ugađanju glasovira.

Apsorpcija zvučnih valova.

Intenzitet zvučnih valova u procesu njihovog širenja uvijek opada zbog činjenice da se određeni dio akustične energije raspršuje. Zbog procesa prijenosa topline, međumolekularne interakcije i unutarnjeg trenja, zvučni valovi se apsorbiraju u bilo kojem mediju. Intenzitet apsorpcije ovisi o frekvenciji zvučnog vala i drugim čimbenicima kao što su tlak i temperatura medija.

Apsorpciju vala u sredstvu kvantitativno karakterizira koeficijent apsorpcije a. Pokazuje koliko brzo se višak tlaka smanjuje ovisno o udaljenosti koju putuje val koji se širi. Smanjenje amplitude pretlaka –D P e pri prelasku udaljenosti D x proporcionalan amplitudi početnog pretlaka P e i udaljenost D x. Na ovaj način,

-D P e = a P e D x.

Na primjer, kada kažemo da je gubitak apsorpcije 1 dB/m, to znači da se na udaljenosti od 50 m razina zvučnog tlaka smanjuje za 50 dB.

Apsorpcija zbog unutarnjeg trenja i provođenja topline.

Tijekom gibanja čestica povezanog sa širenjem zvučnog vala neizbježno je trenje između različitih čestica medija. U tekućinama i plinovima ovo se trenje naziva viskoznost. Viskoznost, koja određuje nepovratnu pretvorbu energije akustičnog vala u toplinu, jest glavni razlog apsorpcija zvuka u plinovima i tekućinama.

Osim toga, apsorpcija u plinovima i tekućinama nastaje zbog gubitka topline tijekom kompresije u valu. Već smo rekli da se tijekom prolaska vala plin u fazi kompresije zagrijava. U ovom brzom procesu toplina obično nema vremena prenijeti se na druga područja plina ili na stijenke posude. Ali u stvarnosti ovaj proces nije idealan, a dio oslobođene toplinske energije napušta sustav. S tim je povezana i apsorpcija zvuka zbog provođenja topline. Takva se apsorpcija događa u valovima kompresije u plinovima, tekućinama i čvrstim tvarima.

Apsorpcija zvuka, zbog viskoznosti i toplinske vodljivosti, općenito raste s kvadratom frekvencije. Stoga se zvukovi visoke frekvencije apsorbiraju mnogo jače od zvukova niske frekvencije. Na primjer, kada normalan pritisak i temperature, koeficijent apsorpcije (zbog oba mehanizma) na frekvenciji od 5 kHz u zraku iznosi oko 3 dB/km. Budući da je apsorpcija proporcionalna kvadratu frekvencije, koeficijent apsorpcije na 50 kHz je 300 dB/km.

Apsorpcija u čvrstim tvarima.

Mehanizam apsorpcije zvuka zbog toplinske vodljivosti i viskoznosti, koji se odvija u plinovima i tekućinama, sačuvan je i u čvrstim tijelima. Međutim, ovdje mu se dodaju novi mehanizmi apsorpcije. Povezani su s defektima u strukturi krutina. Poanta je da se polikristalni čvrsti materijali sastoje od malih kristalita; kada zvuk prolazi kroz njih, dolazi do deformacija, što dovodi do apsorpcije zvučne energije. Zvuk se također raspršuje na granicama kristalita. Osim toga, čak i pojedinačni kristali sadrže defekte dislokacijskog tipa koji doprinose apsorpciji zvuka. Dislokacije su kršenja koordinacije atomskih ravnina. Kada zvučni val uzrokuje vibriranje atoma, dislokacije se pomiču i zatim vraćaju u svoj prvobitni položaj, rasipajući energiju zbog unutarnjeg trenja.

Apsorpcija zbog dislokacija objašnjava, posebice, zašto olovno zvono ne zvoni. Olovo je mekan metal s puno dislokacija, pa se zvučne vibracije u njemu izuzetno brzo gase. Ali dobro će zvoniti ako se ohladi tekućim zrakom. Na niske temperature dislokacije su "zamrznute" u fiksnom položaju, te se stoga ne miču i ne pretvaraju zvučnu energiju u toplinsku.

GLAZBENA AKUSTIKA

Glazbeni zvukovi.

Značajke proučavanja glazbene akustike glazbeni zvukovi, njihove karakteristike povezane s načinom na koji ih percipiramo te mehanizmi zvuka glazbenih instrumenata.

Glazbeni zvuk ili ton je periodični zvuk, tj. fluktuacije koje se uvijek iznova ponavljaju nakon određenog razdoblja. Gore je rečeno da se periodični zvuk može predstaviti kao zbroj oscilacija s frekvencijama koje su višekratnike osnovne frekvencije f: 2f, 3f, 4f itd. Također je primijećeno da vibrirajuće žice i stupovi zraka emitiraju glazbene zvukove.

Glazbeni se zvukovi razlikuju po tri karakteristike: glasnoći, visini i boji. Svi ovi pokazatelji su subjektivni, ali se mogu povezati s izmjerenim vrijednostima. Glasnoća je uglavnom povezana s intenzitetom zvuka; visina zvuka, koja karakterizira njegov položaj u glazbenom sustavu, određena je frekvencijom tona; boja, po kojoj se jedno glazbalo ili glas razlikuje od drugoga, karakterizirana je raspodjelom energije po harmonicima i promjenom te raspodjele tijekom vremena.

Visina zvuka.

Visina glazbenog zvuka usko je povezana s frekvencijom, ali nije identična s njom, jer je procjena visine subjektivna.

Tako je, na primjer, utvrđeno da procjena visine jednofrekventnog zvuka donekle ovisi o razini njegove glasnoće. Uz značajno povećanje glasnoće, recimo 40 dB, prividna frekvencija može se smanjiti za 10%. U praksi, ova ovisnost o glasnoći nije važna, budući da su glazbeni zvukovi puno složeniji od jednofrekventnog zvuka.

Što se tiče odnosa između visine i frekvencije, nešto je drugo značajnije: ako su glazbeni zvukovi sastavljeni od harmonika, s kojom je onda frekvencijom povezana percipirana visina? Ispada da to možda nije frekvencija koja odgovara maksimalnoj energiji, a ne najniža frekvencija u spektru. Tako se, na primjer, glazbeni zvuk koji se sastoji od skupa frekvencija od 200, 300, 400 i 500 Hz percipira kao zvuk visine 100 Hz. To jest, visina je povezana s osnovnom frekvencijom harmonijskog niza, čak i ako nije u spektru zvuka. Istina, najčešće je osnovna frekvencija u određenoj mjeri prisutna u spektru.

Govoreći o odnosu između visine zvuka i njegove frekvencije, ne treba zaboraviti na značajke ljudski organ saslušanje. Ovo je poseban akustični prijemnik koji unosi vlastita izobličenja (da ne spominjemo činjenicu da postoje psihološki i subjektivni aspekti sluha). Uho može odabrati neke frekvencije, osim toga, zvučni val u njemu prolazi kroz nelinearna izobličenja. Frekvencijska selektivnost je posljedica razlike između glasnoće zvuka i njegovog intenziteta (slika 9). Teže je objasniti nelinearna izobličenja, koja se izražavaju pojavom frekvencija kojih nema u izvornom signalu. Nelinearnost reakcije uha je zbog asimetrije kretanja njegovih različitih elemenata.

Jedna od karakterističnih značajki nelinearnog prijamnog sustava je da kada je pobuđen zvukom s frekvencijom f 1 u njemu se pobuđuju harmonijski prizvuci 2 f 1 , 3f 1 ,..., au nekim slučajevima i subharmonici tipa 1/2 f jedan . Osim toga, kada je nelinearni sustav pobuđen dvjema frekvencijama f 1 i f 2, u njemu se pobuđuju zbroj i razlika frekvencija f 1 + f 2 i f 1 - f 2. Što je veća amplituda početnih oscilacija, veći je doprinos "dodatnih" frekvencija.

Dakle, zbog nelinearnosti akustičkih karakteristika uha, mogu se pojaviti frekvencije kojih u zvuku nema. Takve se frekvencije nazivaju subjektivnim tonovima. Pretpostavimo da se zvuk sastoji od čistih tonova s ​​frekvencijama od 200 i 250 Hz. Zbog nelinearnosti odziva, dodatne frekvencije će se pojaviti 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz, itd. Slušatelju će se činiti da u zvuku postoji cijeli niz kombiniranih frekvencija, ali njihova pojava je zapravo posljedica nelinearnog odziva uha. Kada se glazbeni zvuk sastoji od osnovne frekvencije i njenih harmonika, očito je da je osnovna frekvencija učinkovito pojačana razlikama frekvencija.

Istina, studije su pokazale da subjektivne frekvencije nastaju samo pri dovoljno velikoj amplitudi izvornog signala. Stoga je moguće da se u prošlosti uvelike preuveličavala uloga subjektivnih frekvencija u glazbi.

Glazbeni standardi i mjerenje visine glazbenog zvuka.

U povijesti glazbe kao glavni ton, koji određuje cjelokupnu glazbenu strukturu, uzimani su zvukovi različitih frekvencija. Sada je općeprihvaćena frekvencija za notu "la" prve oktave 440 Hz. Ali u prošlosti se promijenio sa 400 na 462 Hz.

Tradicionalni način određivanja visine zvuka je njegova usporedba s tonom standardne vilice za ugađanje. Odstupanje frekvencije određenog zvuka od standarda procjenjuje se na temelju prisutnosti otkucaja. Vilice za ugađanje koriste se i danas, iako sada postoje prikladniji uređaji za određivanje visine tona, kao što je stabilni referentni oscilator frekvencije (s kvarcnim rezonatorom), koji se može glatko ugađati u cijelom rasponu zvuka. Istina, točna kalibracija takvog uređaja prilično je teška.

Stroboskopska metoda mjerenja visine je naširoko korištena, u kojoj zvuk glazbenog instrumenta postavlja frekvenciju bljeskova stroboskopske svjetiljke. Svjetiljka osvjetljava uzorak na disku koji rotira poznatom frekvencijom, a temeljna frekvencija tona određuje se iz prividne frekvencije kretanja uzorka na disku pod stroboskopskim osvjetljenjem.

Uho je vrlo osjetljivo na promjenu visine zvuka, ali njegova osjetljivost ovisi o frekvenciji. Maksimalna je blizu donjeg praga čujnosti. Čak i neuvježbano uho može otkriti samo 0,3% razlike u frekvencijama između 500 i 5000 Hz. Osjetljivost se može povećati treningom. Glazbenici imaju vrlo razvijen osjećaj za visinu, ali to ne pomaže uvijek u određivanju frekvencije čistog tona koji proizvodi referentni oscilator. To sugerira da pri određivanju frekvencije zvuka na uho, njegova boja igra važnu ulogu.

Timbar.

Timbar se odnosi na one značajke glazbenih zvukova koje glazbenim instrumentima i glasovima daju njihovu jedinstvenu specifičnost, čak i ako uspoređujemo zvukove iste visine i glasnoće. To je, da tako kažem, kvaliteta zvuka.

Tinbar ovisi o frekvencijskom spektru zvuka i njegovoj promjeni tijekom vremena. Određuje ga nekoliko čimbenika: raspodjela energije po prizvucima, frekvencije koje nastaju u trenutku pojave ili prestanka zvuka (tzv. prijelazni tonovi) i njihovo opadanje, kao i spora amplituda i frekvencijska modulacija zvuka. ("vibrato").

intenzitet prizvuka.

Razmotrimo istegnutu žicu koja je pobuđena štipanjem u središnjem dijelu (Sl. 15, a). Budući da svi parni harmonici imaju čvorove u sredini, oni će biti odsutni, a oscilacije će se sastojati od neparnih harmonika osnovne frekvencije jednake f 1 = v/2l, gdje v- brzina vala u struni, i l je njegova duljina. Stoga će biti prisutne samo frekvencije f 1 , 3f 1 , 5f 1 itd. Relativne amplitude ovih harmonika prikazane su na sl. petnaest, b.

Ovaj nam primjer omogućuje da izvučemo sljedeći važan opći zaključak. Skup harmonika rezonantnog sustava određen je njegovom konfiguracijom, a raspodjela energije po harmonicima ovisi o načinu uzbude. Kada je žica pobuđena u svojoj sredini, osnovna frekvencija dominira, a parni harmonici su potpuno potisnuti. Ako je žica fiksirana u središnjem dijelu i trzala na nekom drugom mjestu, tada će osnovna frekvencija i neparni harmonici biti potisnuti.

Sve ovo vrijedi i za druge poznate glazbene instrumente, iako detalji mogu biti vrlo različiti. Instrumenti obično imaju zračnu šupljinu, zvučnu ploču ili rog za emitiranje zvuka. Sve to određuje strukturu prizvuka i izgled formanata.

Formanti.

Kao što je gore spomenuto, kvaliteta zvuka glazbenih instrumenata ovisi o raspodjeli energije među harmonicima. Pri promjeni visine tona mnogih instrumenata, a posebice ljudskog glasa, mijenja se raspodjela harmonika tako da se glavni prizvuci uvijek nalaze u približno istom frekvencijskom području, što se naziva formantno područje. Jedan od razloga postojanja formanata je korištenje rezonantnih elemenata za pojačavanje zvuka, kao što su zvučne ploče i zračni rezonatori. Širina prirodnih rezonancija obično je velika, zbog čega je učinkovitost zračenja na odgovarajućim frekvencijama veća. Za limene duhačke instrumente formanti su određeni zvonom iz kojeg se emitira zvuk. Prizvuci koji se nalaze unutar formantskog raspona uvijek su jako naglašeni, jer se emitiraju s maksimalnom energijom. Formanti u velikoj mjeri određuju karakteristične kvalitativne značajke zvukova glazbenog instrumenta ili glasa.

Mijenjanje tonova tijekom vremena.

Ton zvuka bilo kojeg instrumenta rijetko ostaje konstantan tijekom vremena, a timbar je bitno povezan s tim. Čak i kada instrument održava dugu notu, postoji blaga periodična modulacija frekvencije i amplitude, obogaćujući zvuk - "vibrato". To posebno vrijedi za gudačke instrumente kao što je violina i ljudski glas.

Za mnoge instrumente, kao što je klavir, trajanje zvuka je takvo da stalni ton nema vremena za formiranje - pobuđeni zvuk se brzo pojačava, a zatim slijedi njegovo brzo slabljenje. Budući da je slabljenje prizvuka obično posljedica učinaka ovisnih o frekvenciji (kao što je akustično zračenje), jasno je da se raspodjela prizvuka mijenja tijekom tona.

Priroda promjene tona tijekom vremena (stopa porasta i pada zvuka) za neke instrumente shematski je prikazana na sl. 18. Kao što vidite, gudački instrumenti (trzalačka i klavijature) gotovo da nemaju konstantan ton. U takvim slučajevima se o spektru prizvuka može govoriti samo uvjetno, jer se zvuk brzo mijenja u vremenu. Karakteristike uspona i pada također su važan dio tona ovih instrumenata.

prijelazni tonovi.

Harmonijski sastav tona obično se brzo mijenja kratko vrijeme nakon zvučne stimulacije. U onim instrumentima u kojima se zvuk pobuđuje udaranjem po žicama ili trzanjem, energija koja se može pripisati višim harmonicima (kao i brojnim neharmonijskim komponentama) maksimalna je neposredno nakon početka zvuka, a nakon djelića sekunde te frekvencije uvenuti. Takvi zvukovi, koji se nazivaju prijelazni, daju specifičnu boju zvuku instrumenta. Kod klavira nastaju djelovanjem čekića koji udara po žici. Ponekad se glazbala iste prizvučne strukture mogu razlikovati samo po prijelaznim tonovima.

ZVUK GLAZBALA

Glazbeni zvukovi se mogu pobuđivati ​​i mijenjati na mnogo načina, pa se glazbeni instrumenti razlikuju po raznovrsnosti oblika. Instrumente su uglavnom stvarali i usavršavali sami glazbenici i vješti majstori koji se nisu oslanjali na znanstvenu teoriju. Stoga akustička znanost ne može objasniti, primjerice, zašto violina ima takav oblik. Međutim, sasvim je moguće opisati zvučna svojstva violine terminima generalni principi igre na njemu i njegov dizajn.

Pod frekvencijskim područjem instrumenta obično se podrazumijeva frekvencijsko područje njegovih osnovnih tonova. Ljudski glas pokriva oko dvije oktave, a glazbeni instrument - najmanje tri (velike orgulje - deset). U većini slučajeva prizvuci se protežu do samog ruba čujnog raspona zvuka.

Glazbeni instrumenti imaju tri glavna dijela: oscilirajući element, mehanizam za njegovo pobuđivanje i pomoćni rezonator (rog ili zvučna ploča) za akustičku komunikaciju između oscilirajućeg elementa i okolnog zraka.

Glazbeni zvuk je periodičan u vremenu, a periodični zvukovi sastavljeni su od niza harmonika. Budući da su vlastite frekvencije titranja žica i zračnih stupova fiksne duljine harmonijski povezane, u mnogim su instrumentima glavni titrajni elementi žice i zračni stupovi. Uz nekoliko iznimaka (flauta je jedna od njih), jednofrekventni zvuk se ne može primijeniti na instrumentima. Kada je glavni vibrator pobuđen, javlja se zvuk koji sadrži prizvuk. Rezonantne frekvencije nekih vibratora nisu harmonijske komponente. Instrumenti ove vrste (primjerice, bubnjevi i činele) koriste se u orkestralnoj glazbi radi posebne izražajnosti i naglašavanja ritma, ali ne i radi melodijskog razvoja.

Žičani instrumenti.

Vibrirajuća žica je sama po sebi slab emiter zvuka, pa stoga žičano glazbalo mora imati dodatni rezonator za pobuđivanje zvuka zamjetnog intenziteta. To može biti zatvoreni volumen zraka, paluba ili kombinacija oba. Priroda zvuka instrumenta također je određena načinom na koji su žice uzbuđene.

Ranije smo vidjeli da je osnovna frekvencija titranja fiksne strune duljine L daje se od strane

gdje T je sila zatezanja niti, i r L je masa po jedinici duljine niti. Stoga frekvenciju možemo mijenjati na tri načina: promjenom duljine, napetosti ili mase. Mnogi instrumenti koriste mali broj žica iste duljine, čije su osnovne frekvencije određene pravilnim izborom napetosti i mase. Ostale frekvencije se dobivaju skraćivanjem dužine žice prstima.

Drugi instrumenti, kao što je klavir, imaju jednu od mnogih unaprijed ugođenih žica za svaku notu. Ugađanje klavira s velikim frekvencijskim rasponom nije lak zadatak, osobito u niskofrekventnom području. Sila napetosti svih žica klavira gotovo je jednaka (oko 2 kN), a raznolikost frekvencija postiže se promjenom duljine i debljine žica.

Žičani instrument može se pobuditi trzanjem (na primjer, na harfi ili bendžu), udarcem (na glasoviru) ili gudalom (u slučaju glazbenih instrumenata iz obitelji violina). U svim slučajevima, kao što je prikazano gore, broj harmonika i njihova amplituda ovise o načinu na koji je žica pobuđena.

klavir.

Tipičan primjer instrumenta kod kojeg se uzbuda žice proizvodi udarcem je klavir. Velika zvučna ploča instrumenta pruža širok raspon formanata, tako da je njegov ton vrlo ujednačen za svaku uzbuđenu notu. Maksimumi glavnih formanata javljaju se na frekvencijama reda 400–500 Hz, a na nižim frekvencijama tonovi su posebno bogati harmonicima, a amplituda osnovne frekvencije manja je od amplitude nekih prizvuka. U klaviru, udarac čekićem na svim žicama osim na najkraćim pada na točku koja se nalazi 1/7 duljine žice od jednog od njezinih krajeva. To se obično objašnjava činjenicom da je u ovom slučaju sedmi harmonik, koji je disonantan u odnosu na osnovnu frekvenciju, znatno potisnut. Ali zbog konačne širine malleusa, drugi harmonici koji se nalaze blizu sedmog su također potisnuti.

Obitelj violina.

U obitelji instrumenata za violinu, duge zvukove proizvodi gudalo, koje primjenjuje promjenjivu pogonsku silu na žicu, što održava žicu vibrirajućom. Pod djelovanjem pomičnog luka tetiva se zbog trenja povlači u stranu sve dok ne pukne zbog povećanja sile zatezanja. Vraćajući se u prvobitni položaj, ponovno ga nosi luk. Taj se proces ponavlja tako da na strunu djeluje periodična vanjska sila.

Redoslijedom povećanja veličine i smanjenja frekvencijskog raspona, glavni gudački instrumenti poredani su na sljedeći način: violina, viola, violončelo, kontrabas. Frekvencijski spektri ovih instrumenata posebno su bogati prizvukom, što nedvojbeno daje posebnu toplinu i izražajnost njihovom zvuku. U obitelji violina vibrirajuća žica akustički je povezana sa zračnom šupljinom i tijelom instrumenta, koji uglavnom određuju strukturu formanata, koji zauzimaju vrlo širok frekvencijski raspon. Veliki predstavnici obitelji violina imaju skup formanata pomaknut prema niskim frekvencijama. Stoga ista nota uzeta na dva instrumenta iz obitelji violina dobiva različitu boju zvuka zbog razlike u strukturi prizvuka.

Violina ima izraženu rezonanciju blizu 500 Hz, zbog oblika tijela. Kada se svira nota čija je frekvencija blizu ove vrijednosti, može se proizvesti neželjeni vibrirajući zvuk koji se naziva "ton vuka". Zračna šupljina unutar tijela violine također ima svoje rezonantne frekvencije, od kojih se glavna nalazi blizu 400 Hz. Zbog svog posebnog oblika, violina ima brojne bliske rezonancije. Svi oni, osim vučjeg tona, baš i ne odskaču u općem spektru izvučenog zvuka.

Puhački instrumenti.

Drveni puhački instrumenti.

O prirodnim vibracijama zraka u cilindričnoj cijevi konačne duljine raspravljalo se ranije. Vlastite frekvencije tvore niz harmonika, čija je osnovna frekvencija obrnuto proporcionalna duljini cijevi. Glazbeni zvukovi u puhačkim instrumentima nastaju zbog rezonantne pobude zračnog stupca.

Zračne vibracije pobuđuju se ili vibracijama u zračnom mlazu koji pada na oštar rub stijenke rezonatora, ili vibracijama savitljive površine jezika u struji zraka. U oba slučaja dolazi do povremenih promjena tlaka u lokalnom području cijevi alata.

Prvi od ovih načina pobuđivanja temelji se na pojavi "rubnih tonova". Kada struja zraka izađe iz proreza, slomljena klinastom preprekom s oštrim rubom, povremeno se pojavljuju vrtlozi - prvo s jedne, a zatim s druge strane klina. Učestalost njihovog nastanka je veća što je veća brzina strujanja zraka. Ako je takav uređaj akustički povezan s rezonantnim stupom zraka, tada je frekvencija rubnog tona "uhvaćena" rezonantnom frekvencijom stupca zraka, tj. učestalost stvaranja vrtloga određena je stupcem zraka. U takvim se uvjetima glavna frekvencija zračnog stupca pobuđuje tek kada brzina strujanja zraka prijeđe određenu minimalnu vrijednost. U određenom rasponu brzina koje prelaze ovu vrijednost, frekvencija rubnog tona jednaka je ovoj osnovnoj frekvenciji. Pri još većoj brzini strujanja zraka (blizu one pri kojoj bi rubna frekvencija u nedostatku komunikacije s rezonatorom bila jednaka drugom harmoniku rezonatora), rubna frekvencija se naglo udvostručuje i visina tona koju emitira cijeli sustav se okreće. biti za oktavu viši. To se zove preljev.

Rubni tonovi pobuđuju zračne stupove u instrumentima kao što su orgulje, flauta i pikolo. Prilikom sviranja na flauti izvođač pobuđuje rubne tonove puhanjem sa strane u bočnu rupu blizu jednog od krajeva. Note od jedne oktave, počevši od "D" i iznad, dobivaju se promjenom efektivne duljine cijevi, otvaranjem bočnih otvora, s normalnim rubnim tonom. Više oktave su prenapuhane.

Drugi način pobuđivanja zvuka puhačkog instrumenta temelji se na povremenom prekidanju strujanja zraka oscilirajućim jezičcem, koji se naziva trska, jer je izrađen od trske. Ova se metoda koristi u raznim drvenim i limenim puhačkim instrumentima. Postoje opcije s jednom trskom (kao, na primjer, u klarinetu, saksofonu i instrumentima tipa harmonike) i sa simetričnom dvostrukom trskom (kao, na primjer, u oboi i fagotu). U oba slučaja, oscilatorni proces je isti: zrak se upuhuje kroz uski otvor, u kojem se tlak smanjuje u skladu s Bernoullijevim zakonom. Istodobno, trska se uvlači u prazninu i pokriva ga. U nedostatku protoka, elastični štap se ispravlja i proces se ponavlja.

Kod puhačkih instrumenata odabir nota ljestvice, kao na flauti, provodi se otvaranjem bočnih otvora i prepuhavanjem.

Za razliku od cijevi koja je otvorena na oba kraja, a koja ima cijeli set prizvuka, cijev koja je otvorena samo na jednom kraju ima samo neparne harmonike ( cm. iznad). To je konfiguracija klarineta, pa su u njemu parni harmonici slabo izraženi. Prepuhavanje u klarinetu događa se na frekvenciji 3 puta višoj od glavne.

U oboi je drugi harmonik dosta intenzivan. Od klarineta se razlikuje po tome što mu je provrt stožastog oblika, dok je kod klarineta presjek provrta većim dijelom njegove duljine konstantan. Frekvencije u konusnoj cijevi je teže izračunati nego u cilindričnoj cijevi, ali još uvijek postoji cijeli niz prizvuka. U tom su slučaju frekvencije osciliranja konusne cijevi sa zatvorenim uskim krajem iste kao i kod cilindrične cijevi otvorene na oba kraja.

Limeni duhački instrumenti.

Limena glazbala, uključujući rog, trubu, kornet-a-piston, trombon, rog i tubu, pobuđuju se usnama čije je djelovanje, u kombinaciji s posebno oblikovanim usnikom, slično dvostrukom jezičku. Tlak zraka tijekom pobude zvuka ovdje je mnogo veći nego kod puhačkih instrumenta. Limeni puhački instrumenti, u pravilu, su metalna cijev s cilindričnim i konusnim dijelovima, koja završava zvonom. Sekcije su odabrane na način da cijeli niz harmonici. Ukupna duljina cijevi kreće se od 1,8 m za lulu do 5,5 m za tubu. Tuba je u obliku puža radi lakšeg rukovanja, a ne iz akustičnih razloga.

Uz fiksnu duljinu cijevi, izvođač ima na raspolaganju samo note određene vlastitim frekvencijama cijevi (štoviše, temeljna frekvencija obično se “ne uzima”), a viši harmonici se pobuđuju povećanjem tlaka zraka u usniku. . Stoga se samo nekoliko nota (drugi, treći, četvrti, peti i šesti harmonik) može odsvirati na trubici fiksne duljine. Na drugim limenim puhačkim instrumentima, frekvencije koje se nalaze između harmonika uzimaju se s promjenom duljine cijevi. Trombon je jedinstven u tom smislu, čija se duljina cijevi regulira glatkim kretanjem uvlačivih krila u obliku slova U. Nabrajanje nota cijele ljestvice osigurava sedam različitih položaja krila s promjenom uzbuđenog prizvuka trupa. Kod ostalih limenih puhačkih instrumenata to se postiže učinkovitim povećanjem ukupne duljine cijevi s tri bočna kanala različitih duljina i u različitim kombinacijama. To daje sedam različitih duljina cijevi. Kao i kod trombona, note cijele ljestvice sviraju se pobuđivanjem različitih nizova prizvuka koji odgovaraju ovih sedam duljina stuba.

Tonovi svih limenih instrumenata bogati su harmonicima. To je uglavnom zbog prisutnosti zvona, što povećava učinkovitost emisije zvuka na visokim frekvencijama. Truba i rog dizajnirani su za sviranje mnogo šireg spektra harmonika od trube. Dionica solo trube u djelima I. Bacha sadrži mnogo odlomaka u četvrtoj oktavi niza, dopirući do 21. harmonike ovog instrumenta.

Udaraljke.

Udaraljke proizvode zvuk udarajući o tijelo instrumenta i time pobuđujući njegove slobodne vibracije. Od klavira, kod kojeg se vibracije pobuđuju i udarcem, takva se glazbala razlikuju u dva aspekta: vibrirajuće tijelo ne daje harmonijske prizvuke, a ono samo može zračiti zvuk bez dodatnog rezonatora. Udaraljke uključuju bubnjeve, činele, ksilofon i trokut.

Oscilacije krutih tijela mnogo su složenije od onih zračnog rezonatora istog oblika, budući da u krutim tijelima postoji više vrsta oscilacija. Dakle, valovi kompresije, savijanja i torzije mogu se širiti duž metalne šipke. Stoga cilindrična šipka ima mnogo više načina vibracija i, prema tome, rezonantnih frekvencija od cilindričnog stupca zraka. Osim toga, te rezonantne frekvencije ne tvore harmonijski niz. Ksilofon koristi vibracije savijanja čvrstih šipki. Omjeri prizvuka vibrirajuće šipke ksilofona prema osnovnoj frekvenciji su: 2,76, 5,4, 8,9 i 13,3.

Vilica za ugađanje je oscilirajuća zakrivljena šipka, a njezina glavna vrsta oscilacija događa se kada se oba kraka istovremeno približavaju ili udaljavaju jedan od drugoga. Vilica za ugađanje nema harmonijski niz prizvuka, a koristi se samo njegova osnovna frekvencija. Frekvencija njegovog prvog prizvuka je više od 6 puta veća od osnovne frekvencije.

Drugi primjer oscilirajućeg čvrstog tijela koje proizvodi glazbene zvukove je zvono. Veličine zvona mogu biti različite - od malog zvona do višetonskih crkvenih zvona. Što je zvono veće, to proizvodi tiše zvukove. Oblik i druge značajke zvona doživjele su mnoge promjene tijekom njihove stoljetne evolucije. Vrlo malo poduzeća bavi se njihovom proizvodnjom, što zahtijeva veliku vještinu.

Početni prizvučni niz zvona nije harmonijski, a prizvučni omjeri nisu isti za različita zvona. Tako su, primjerice, za jedno veliko zvono izmjereni omjeri frekvencija prizvuka prema osnovnoj frekvenciji bili 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 i 5,33. Ali raspodjela energije preko prizvuka brzo se mijenja odmah nakon što se zvono udari, a čini se da je oblik zvona odabran na takav način da su dominantne frekvencije međusobno približno harmonijski povezane. Visinu zvona ne određuje osnovna frekvencija, već nota koja je dominantna neposredno nakon udarca. Približno odgovara petom prizvuku zvona. Nakon nekog vremena u zvuku zvona počinju prevladavati niži prizvuci.

U bubnju, vibrirajući element je kožna membrana, obično okrugla, koja se može smatrati dvodimenzionalnim analogom rastegnute žice. U glazbi bubanj nije toliko važan kao žica, jer njegov prirodni skup prirodnih frekvencija nije harmoničan. Izuzetak su timpani, čija je membrana nategnuta preko zračnog rezonatora. Niz prizvuka bubnja može se učiniti harmonijskim promjenom debljine glave u radijalnom smjeru. Primjer takvog bubnja je tabla koristi se u klasičnoj indijskoj glazbi.

Zvuk i njegova svojstva

Zvuk, u širem smislu - elastični valovi koji se šire u bilo kojem elastičnom mediju i stvaraju se u njemu mehaničke vibracije; u užem smislu - subjektivna percepcija tih vibracija posebnim osjetilnim organima životinja ili ljudi. Kao i svaki val, zvuk karakterizira amplituda i frekvencijski spektar. Obično osoba čuje zvukove koji se prenose zrakom u frekvencijskom rasponu od 16-20 Hz do 15-20 kHz. Zvuk ispod raspona ljudskog sluha naziva se infrazvuk; više: do 1 GHz - ultrazvukom, od 1 GHz - hiperzvukom. Od čujnih zvukova treba istaknuti i fonetske, govorne zvukove i foneme (koji čine usmeni govor) i glazbene zvukove (koji čine glazbu).Kao primjer oscilatornog procesa mogu poslužiti zvučni valovi. Svaka fluktuacija povezana je s kršenjem ravnotežnog stanja sustava i izražava se u odstupanju njegovih karakteristika od ravnotežnih vrijednosti s naknadnim povratkom na izvornu vrijednost. Za zvučne vibracije takva je karakteristika tlak u točki medija, a njegovo odstupanje je zvučni tlak. Ako napravite oštar pomak čestica elastičnog medija na jednom mjestu, na primjer, pomoću klipa, tada će se pritisak povećati na ovom mjestu. Zahvaljujući elastičnim vezama čestica, pritisak se prenosi na susjedne čestice, koje zauzvrat djeluju na sljedeće, a područje povećanog tlaka, takoreći, kreće se u elastičnom mediju. Nakon područja visokog tlaka slijedi područje sniženi tlak, i tako se formira niz izmjeničnih područja kompresije i razrijeđenosti, koja se šire u mediju u obliku vala. Svaka će čestica elastičnog medija u tom slučaju oscilirati. U tekućim i plinovitim medijima, gdje nema značajnih fluktuacija gustoće, akustični valovi su longitudinalne prirode, odnosno smjer titranja čestica poklapa se sa smjerom gibanja valova. U čvrstim tijelima, osim uzdužnih, nastaju i elastične posmične deformacije koje uzrokuju pobudu transverzalnih (posmičnih) valova; u tom slučaju čestice osciliraju okomito na smjer širenja vala. Brzina širenja longitudinalnih valova mnogo je veća od brzine širenja posmičnih valova.

zvučno polje

Zvučno polje, područje prostora u kojem se šire zvučni valovi, odnosno dolazi do akustičkih vibracija čestica elastičnog medija (krutog, tekućeg ili plinovitog) koje ispunjavaju to područje. Zvučni val je potpuno određen ako je za svaku njegovu točku poznata promjena u vremenu i prostoru bilo koje od veličina koje karakteriziraju zvučni val: pomak čestice koja oscilira iz ravnotežnog položaja, brzina osciliranja čestice, ili zvučni tlak u mediju; u pojedinačnim slučajevima od interesa su promjene gustoće ili temperature medija u prisutnosti zvučnog vala. S energetske strane, zvučnu energiju karakterizira gustoća zvučne energije (energija oscilatornog procesa po jedinici volumena); u onim slučajevima kada se prijenos energije događa u zvučnom valu, karakterizira ga intenzitet zvuka, tj. vremenski prosječna energija prenesena u jedinici vremena kroz jediničnu površinu okomito na smjer širenja vala.

Valna duljina

Valna duljina - udaljenost između dviju točaka najbližih jedna drugoj, koje osciliraju u istim fazama. Po analogiji s pojavom valova u vodi od kamena bačenog u nju - udaljenost između dva susjedna vrha vala. Jedna od glavnih karakteristika vibracija. Mjeri se u jedinicama udaljenosti (metrima, centimetrima itd.) Put koji svjetlost prijeđe u sekundi jednostavno podijelimo s brojem oscilacija u istom vremenu i dobijemo duljinu jednog titraja. Valna duljina je vrlo važan parametar, jer određuje graničnu skalu: na udaljenostima znatno većim od valne duljine, zračenje se pokorava zakonima geometrijske optike, može se opisati kao širenje zraka. Na manjim udaljenostima apsolutno je potrebno uzeti u obzir valnu prirodu svjetlosti, njezinu sposobnost strujanja oko prepreka, nemogućnost točnog lokaliziranja položaja zrake itd.

Razdoblje

Najvažnija karakteristika mehaničkih, električnih, elektromagnetskih i svih drugih vrsta oscilacija je period-vrijeme tijekom kojeg se odvija jedan potpuni titraj. Ako, na primjer, njihalo hodajućeg sata napravi dva potpuna oscilacija u 1 s, period svakog titraja je 0,5 s. Period titranja velike ljuljačke je oko 2 s, a period titranja strune može biti od desetinki do desettisućinki sekunde. Po frekvenciji titraja tijela koje zvuči, može se prosuditi ton, odnosno visina zvuka. Što je veća frekvencija, to je viši ton zvuka i, obrnuto, što je niža frekvencija, to je niži ton zvuka. Naše uho može odgovoriti na relativno mali pojas (odsjek) frekvencija zvučnih vibracija - od oko 20 Hz do 20 kHz. Ovaj bend sadrži čitavu široku paletu zvukova koje stvaraju ljudski glas i simfonijski orkestar: od vrlo niskih tonova, sličnih zvuku zujanja bube, do jedva primjetnog visokog cviljenja komarca. Oscilacije frekvencije do 20 Hz, zvane infrazvučne, a iznad 20 kHz, zvane ultrazvučne, ne čujemo. A kad bi naše uho moglo reagirati na ultrazvučne vibracije, možda bismo mogli čuti vibracije tučkova cvijeća, krila leptira. Ne brkajte visinu, odnosno ton zvuka s njegovom jačinom. Visina zvuka ne ovisi o amplitudi, već o frekvenciji vibracija.

Spektar zvuka

Spektar zvuka skup je jednostavnih harmoničnih valova na koje se zvučni val može rastaviti. S. h. izražava njegov frekvencijski (spektralni) sastav i dobiva se kao rezultat analize zvuka. S. h. obično se prikazuju na koordinatnoj ravnini, gdje je frekvencija f na apscisnoj osi, a amplituda A ili intenzitet harmonijske komponente zvuka sa zadanom frekvencijom na ordinatnoj osi. Čisti tonovi, zvukovi s periodičnim valnim oblikom, kao i oni dobiveni zbrajanjem nekoliko periodičnih valova, imaju linijski spektri(Sl. 1); takve spektre, koji im određuju timbar, imaju npr. glazbeni zvukovi. Akustični šum, pojedinačni impulsi, tinjajući zvukovi imaju kontinuirani spektar (slika 2). Kombinirani spektri karakteristični su za buku nekih mehanizama, gdje npr. rotacija motora daje zasebne frekvencijske komponente superponirane na kontinuirani spektar, kao i za zvukove glazbenih instrumenata s tipkama (slika 3), koji (osobito u gornjem registru) imaju boju buke zbog udaraca čekića.

Timbar

Boja zvuka je boja zvuka; kvalitativna procjena zvuk proizveden glazbenim instrumentom, uređajem za reprodukciju zvuka ili glasovnim aparatom ljudi i životinja. Timbar zvuka: - karakterizira ton zvuka; - određen izvorom zvuka; i - ovisi o sastavu prizvuka koji prate osnovni ton i njihovu intenzitetu. Prema bojama razlikuju se zvukovi iste visine i glasnoće, ali izvedeni ili na različitim glazbalima, u različitim glasovima, ili na istom glazbalu na različite načine, s potezima. Boja zvuka određena je materijalom, oblikom vibratora, uvjetima njegovih oscilacija, rezonatorom i akustikom prostorije. Prizvuci i njihov omjer visine i glasnoće, prizvuci buke, napad (početni trenutak zvuka), formanti, vibrato i drugi čimbenici imaju veliku važnost u karakteristici zvuka. Pri opažanju boja obično se javljaju različite asocijacije: kvaliteta boje zvuka uspoređuje se s organoleptičkim osjećajima određenih predmeta i pojava, na primjer, zvukovi se nazivaju svijetlim, sjajnim, mat, toplim, hladnim, dubokim, punim, oštrim, zasićenim, sočan, metalik, staklast ; također se koriste stvarne slušne definicije (na primjer, zvučni, gluhi, bučni). Još nije razvijena znanstveno potkrijepljena tipologija boja. Utvrđeno je da timbarski sluh ima zonsku prirodu. Timbar se koristi kao važno sredstvo glazbenog izražavanja: pomoću timbra se može razlikovati jedan ili drugi sastavni dio glazbene cjeline, kontrasti se mogu pojačati ili oslabiti; promjena boja jedan je od elemenata glazbene dramaturgije. U glazbi 20. stoljeća težilo se jačanju, isticanju timbre strane zvuka (paralelizmi, klasteri) pomoću harmonije i teksture. Posebni smjerovi u korištenju zvuka su sonorica i spektralna glazba.

Harmonik

Svemir je sastavljen od zvukova, a svaki zvuk je sastavljen od mnogih harmonika ili prizvuka. Prizvuci su svojstveni svakom zvuku, bez obzira na njegovo podrijetlo. Zvuk žica violine ili klavira ljudsko uho percipira kao jedan ton. Ali u stvarnosti, gotovo svi zvukovi koje proizvode glazbeni instrumenti, ljudski glas ili drugi izvori nisu čisti tonovi, već kompleksi prizvuka, koji se također nazivaju "djelomični tonovi". Najniži od tih parcijalnih tonova naziva se "osnovni". Svi ostali prizvuci, koji imaju višu frekvenciju titranja od glavnog tona, obično se nazivaju "pretonovi". Prije nego što pređemo na detaljno proučavanje komponenti zvuka - harmonika, pogledajmo pobliže zvuk kao takav. Zvuk je energija vibracija koja ima oblik valova. Mjerna jedinica za te valove naziva se herc (Hz). Hertz mjeri broj vibracija koje objekt napravi u jednoj sekundi. Taj se broj naziva "frekvencija". Uho percipira frekvenciju kao "ton".

Formant - akustička karakteristika zvuka govora (uglavnom samoglasnika), povezana s frekvencijskom razinom tona glasa i formiranjem boje zvuka

Ton u lingvistici je upotreba visine tona za semantičku diferencijaciju unutar riječi/morfema. Treba razlikovati ton od intonacije, odnosno promjene visine u relativno velikom govornom segmentu (iskazu ili rečenici). Razne tonske jedinice koje imaju smislenu funkciju mogu se nazvati tonemima (po analogiji s fonemom). Ton, poput intonacije, fonacije i naglaska, spada u suprasegmentna ili prozodijska obilježja. Nosioci tona su najčešće samoglasnici, ali postoje jezici u kojima tu ulogu mogu imati i suglasnici, najčešće sonanti. Tonski ili tonski jezik je jezik u kojem se svaki slog izgovara određenim tonom. Razni tonski jezici su i jezici s glazbenim naglaskom, u kojima je naglašen jedan ili više slogova u riječi, a različite vrste naglaska suprotstavljene su tonskim značajkama. Zvučni valovi, kao i drugi valovi, karakteriziraju takve objektivne veličine kao što su frekvencija, amplituda, faza oscilacija, brzina širenja, intenzitet zvuka i drugi. Ali. uz to ih opisuju tri subjektivna obilježja. To su glasnoća, visina i boja zvuka. Osjetljivost ljudskog uha je različita za različite frekvencije. Da bi izazvao zvučni osjećaj, val mora imati određeni minimalni intenzitet, ali ako taj intenzitet prijeđe određenu granicu, tada se zvuk ne čuje i uzrokuje samo bol. Dakle, za svaku frekvenciju titranja postoji najmanja (prag čujnosti) i najveća (prag boli) jačina zvuka koja može izazvati zvučni osjet. Na slici 15.10 prikazana je ovisnost praga sluha i boli o frekvenciji zvuka. Područje koje se nalazi između ove dvije krivulje je područje čujnosti. Najveći razmak između krivulja pada na frekvencije na koje je uho najosjetljivije (1000-5000 Hz).

Frekvencija

Zvuk počinje na 16 Hz. Povećanjem frekvencije za 2 puta, dobivamo 32 ​​Hz - ovo je podizvođačka oktava / omjer frekvencije 1: 2 /. 32 - 64 Hz - kontraoktava, 64 - 128 Hz - velika oktava, 128 - 256 Hz - mala oktava, udvostručite prvu i tako dalje do šeste. Dugo se razmišljalo o takvoj podjeli. Ali kako podijeliti frekvencije u pojedinačne tonove unutar oktave? Pitagora je, istražujući zvukove uz pomoć monokordnog instrumenta ("monos" na grčkom - "jedan", "akord" - "žica") predložio podjelu serije frekvencija na petine. Ali s takvom podjelom, udaljenost između različitih intervala bila je različita. Pa što onda? Ali činjenica je da ako je instrument podešen na takvu ljestvicu, tada će biti moguće izvesti bilo koji rad na njemu u samo jednom ključu, nemoguće je spustiti ili podići glazbu, zvučat će vrlo lažno. Za rješavanje ovog problema bili su potrebni izračuni. Fizičari i matematičari aktivno su djelovali na području glazbe. Tako su Euler i Kepler dugo razmišljali o problemu temperamentne ljestvice u potrazi za najskladnijim odnosom frekvencija. Temperament na latinskom znači – pravilan omjer. Rješenje je pronađeno sredinom 17. stoljeća. Malo poznati orguljaš Werkmeister predložio je izvanredno jednostavno rješenje: malo skratiti sve kvinte, tako da 12 kvinti "stane" točno na 7 oktava. I, kao čarolijom, sve udaljenosti između susjednih zvukova (polutonova, koji su postali točno 12 u oktavi) postale su iste. Frekvencija svakog sljedećeg polutona veća je od prethodnog do dvanaestog korijena od dva, tj. oko 1,06 puta. Ovaj sustav se naziva ravnomjerno ili dobro kaljeno. Jednaku temperamentnost koristi velika većina modernih glazbenih instrumenata. Vrijedno je ugoditi instrumente u orkestru prema jednom zajedničkom tonu (za prvu oktavu - 440 Hz), a mnogi će instrumenti svirati u koncertu, izbjegavajući laž. Veliki njemački skladatelj Johann Sebastian Bach gorljivo je promicao jednaku temperamentu, napisavši u tu svrhu svoju poznatu zbirku preludija i fuga koju je nazvao: “Dobro temperirani klavir”. Standardizacija glazbe uvođenjem jednake temperamentnosti bila je, naravno, kao i svaka standardizacija, veliko postignuće. Ali znači li to da je kaljena ljestvica, tako uspješno pronađena prije tri stoljeća, predodređena za vječno postojanje? Naravno da ne. Percepcija glazbe postupno se mijenja, glazba se razvija. Posljednjih se godina u taj proces aktivno uključuje i glazbena akustika, koja ne samo da, riječima Puškinova Salierija, »provjerava harmoniju algebrom«, nego u tu svrhu koristi najsloženije fizikalne uređaje i kibernetičke strojeve, uz pomoć kojim se pokušava simulirati još uvijek tajanstveni proces percepcije.glazba.

Jačina zvuka, njegov intenzitet

Intenzitet zvuka (relativni) je zastarjeli izraz koji opisuje veličinu sličnu, ali ne identičnu jačini zvuka. Otprilike istu situaciju promatramo i za intenzitet svjetlosti (jedinica - kandela) - veličina slična jakosti zračenja (jedinica - vat po steradijanu). Intenzitet zvuka mjeri se na relativnoj skali od vrijednosti praga, koja odgovara intenzitetu zvuka od 1 pW/m2 pri frekvenciji sinusoidnog signala od 1 kHz i zvučnom tlaku od 20 µPa. Usporedite ovu definiciju s definicijom jedinice svjetlosne jakosti: "kandela je jednaka jačini svjetlosti koju u određenom smjeru emitira monokromatski izvor, pri frekvenciji emisije od 540 THz i intenzitetu emisije u ovom smjeru od 1/ 683 W / sr." Trenutno je izraz "jačina zvuka" zamijenjen pojmom "razina glasnoće zvuka".

prag sluha

Prag čujnosti je minimalni zvučni tlak pri kojem ljudsko uho još uvijek može percipirati zvuk određene frekvencije. Vrijednost praga čujnosti obično se izražava u decibelima, uzimajući kao nultu razinu zvučnog tlaka 2×10−5N/m2 ili 20×10−6N/m2 na frekvenciji od 1 kHz (za ravan zvučni val). Prag sluha ovisi o frekvenciji zvuka. Pod utjecajem buke i drugih zvučnih podražaja povećava se prag čujnosti za određeni zvuk (vidi Maskiranje zvuka), a povišena vrijednost praga čujnosti ostaje još neko vrijeme nakon prestanka djelovanja ometajućeg faktora, a zatim se postupno vraća na svoju izvorna razina. Na razliciti ljudi a kod istih osoba u različito vrijeme prag čujnosti može se razlikovati. Ovisi o dobi, fiziološkom stanju, kondiciji. Mjerenja praga sluha obično se vrše audiometrijskim metodama.

I ovo je za svaki slučaj - da izgradite pametan izgled :))))))

Prag sluha - 10dB

Šapat na udaljenosti od 1m - 20dB

Buka u stanu - 40dB

Šapat na udaljenosti od 10 cm - 50dB

Tihi razgovor na udaljenosti od 1m - 50dB

Pljesak - 60dB

Sviranje akustične gitare prstima; zvuk na udaljenosti od 40 cm - 70dB

Tiho sviranje klavira - 70dB

Sviranje akustične gitare uz medijator; zvuk na udaljenosti od 40 cm - 80dB

Buka u podzemnoj željeznici tijekom kretanja - 90dB

Mlazni zrakoplov na udaljenosti od 5 m - 120dB

Otkucaj bubnja na udaljenosti od 3 cm - 140dB

prag boli

Prag boli – slušni, vrijednost zvučnog tlaka, s Krom u uhu javlja se osjećaj boli. Bol često određuje vrh. dinamička granica. opseg ljudskog sluha. P. b. oko. za sinusne signale prosječno je 140 dB u odnosu na tlak od 2 10-5 Pa, a za buku s kontinuiranim spektrom - 120 dB. Između pragova čujnosti i boli nalazi se područje čujnosti, koje određuje frekvencijski raspon i efektivni tlak zvukova koje percipira uho. Najveći efektivni raspon tlaka čujnosti odgovara frekvenciji od oko 1 kHz. Stoga je zvuk frekvencije 1 kHz odabran kao standard za usporedbu zvukova drugih frekvencija s njim. Prag sluha za zvuk frekvencije 1 kHz, jednak 2-10-5 Pa, naziva se standardnim pragom sluha.

Volumen

Jačina zvuka je subjektivna percepcija jačine zvuka (apsolutna vrijednost slušnog osjeta). Glasnoća uglavnom ovisi o zvučnom tlaku, amplitudi i frekvenciji zvučnih vibracija. Također, na glasnoću zvuka utječu njegov spektralni sastav, lokalizacija u prostoru, timbar, trajanje izloženosti zvučnim vibracijama i drugi čimbenici. Jedinica ljestvice apsolutne glasnoće je san. Glasnoća 1 son glasnoća je kontinuiranog čistog sinusoidnog tona s frekvencijom od 1 kHz, koji proizvodi zvučni tlak od 2 MPa. Razina glasnoće zvuka je relativna vrijednost. Izražava se u fonima i brojčano je jednaka razini zvučnog tlaka (u decibelima - dB) koju stvara sinusoidni ton frekvencije 1 kHz iste glasnoće kao izmjereni zvuk (jednako glasan ovom zvuku).

zvuk nazivaju se mehaničke vibracije čestica elastičnog medija (zrak, voda, metal itd.), koje subjektivno percipira organ sluha. Zvučni osjeti uzrokovani su vibracijama medija koje se javljaju u frekvencijskom području od 16 do 20 000 Hz. Zvukovi s frekvencijama ispod ovog raspona nazivaju se infrazvuk, a oni iznad nazivaju se ultrazvuk.

Tlak zvuka- promjenjivi tlak u mediju, zbog širenja zvučnih valova u njemu. Vrijednost zvučnog tlaka procjenjuje se snagom zvučnog vala po jedinici površine i izražava se u njutnima po kvadratnom metru (1 n / kvadratni metar = 10 bara).

Razina zvučnog tlaka- omjer vrijednosti zvučnog tlaka i nulte razine, koji se uzima kao zvučni tlak n/kvadratni metar:

Brzina zvuka ovisi o fizikalnim svojstvima medija u kojem se šire mehaničke vibracije. Tako je brzina zvuka u zraku 344 m/s pri T=20°S, u vodi 1481 m/s (pri T=21,5°S), u drvu 3320 m/s i u čeliku 5000 m/s.sec. .

Jačina zvuka (ili intenzitet)- količina zvučne energije koja u jedinici vremena prolazi kroz jedinicu površine; mjereno u vatima po kvadratnom metru (W/m2).

Treba napomenuti da su zvučni tlak i jačina zvuka međusobno povezani kvadratnim odnosom, tj. s povećanjem zvučnog tlaka za 2 puta, jačina zvuka se povećava 4 puta.

Razina intenziteta zvuka- omjer snage danog zvuka prema nultoj (standardnoj) razini, za koju se uzima zvučna snaga W / m2, izražena u decibelima:

Razine zvučnog tlaka i razine jačine zvuka, izražene u decibelima, iste su veličine.

prag sluha- najtiši zvuk koji osoba još može čuti na frekvenciji od 1000 Hz, što odgovara zvučnom tlaku N/m2.

Glasnoća zvuka- intenzitet zvučnog osjeta izazvanog određenim zvukom kod osobe s normalnim sluhom.Glasnoća ovisi o jačini zvuka i njegovoj frekvenciji, varira proporcionalno logaritmu jakosti zvuka i izražava se brojem decibela čime ovaj zvuk prelazi zvuk uzet kao prag čujnosti. Jedinica za glasnoću je pozadina.

Prag boli- zvučni pritisak ili intenzitet zvuka, percipiran kao osjećaj boli. Prag boli malo ovisi o frekvenciji i javlja se pri zvučnom tlaku od oko 50 N/m2.

Dinamički raspon- raspon glasnoće zvuka ili razlika između razine zvučnog tlaka najglasnijeg i najtišeg zvuka, izražena u decibelima.

Difrakcija- odstupanje od pravocrtnog širenja zvučnih valova.

Refrakcija- promjena smjera širenja zvučnih valova, uzrokovana razlikama u brzini na različitim dionicama staze.

Smetnje- zbrajanje valova iste duljine koji dolaze u danu točku prostora duž nekoliko različitih putanja, zbog čega se amplituda rezultirajućeg vala u različitim točkama pokazuje različitom, a maksimumi i minimumi te amplitude izmjenjuju se jedni druge.

otkucaji- interferencija dviju zvučnih vibracija koje se malo razlikuju po frekvenciji. Amplituda oscilacija koja nastaje u ovom slučaju periodički se povećava ili smanjuje u vremenu s frekvencijom jednakom razlici između interferentnih oscilacija.

Reverberacija- zaostali "naknadni zvuk" u zatvorenim prostorima. Nastaje zbog opetovane refleksije od površina i istovremene apsorpcije zvučnih valova. Reverberaciju karakterizira vremenski period (u sekundama) tijekom kojeg se jačina zvuka smanjuje za 60 dB.

Ton- sinusoidalne zvučne vibracije. Visina tona određena je frekvencijom zvučnih vibracija i raste s povećanjem frekvencije.

Osnovni ton- najniži ton koji proizvodi izvor zvuka.

prizvuci- svi tonovi, osim glavnog, koje stvara izvor zvuka. Ako su frekvencije prizvuka cijeli broj puta veće od frekvencije osnovnog tona, tada se nazivaju harmonijski prizvuci (harmonici).

Timbar- "bojenje" zvuka, koje je određeno brojem, frekvencijom i intenzitetom prizvuka.

kombinacija tonova- dodatni tonovi koji proizlaze iz nelinearnosti amplitudnih karakteristika pojačala i izvora zvuka. Kombinirani tonovi pojavljuju se kada je sustav izložen dvjema ili više vibracija različitih frekvencija. Frekvencija kombiniranih tonova jednaka je zbroju i razlici frekvencija osnovnih tonova i njihovih harmonika.

Interval- omjer frekvencija dvaju uspoređivanih zvukova. Najmanji razlučni interval između dva glazbena zvuka susjedna po frekvenciji (svaki glazbeni zvuk ima strogo određenu frekvenciju) naziva se poluton, a frekvencijski interval s omjerom 2:1 naziva se oktava (glazbena oktava sastoji se od 12 polutonova). ; interval s omjerom 10:1 naziva se dekada.

18. veljače 2016

Svijet kućne zabave prilično je raznolik i može uključivati: gledanje filma na dobrom sustavu kućnog kina; zabavno i zarazno igranje ili slušanje glazbe. U pravilu svatko pronađe nešto svoje u ovom području ili kombinira sve odjednom. Ali bez obzira na ciljeve osobe u organizaciji slobodnog vremena i bez obzira u koju krajnost ide, sve te poveznice čvrsto povezuje jedna jednostavna i razumljiva riječ - "zvuk". Doista, u svim tim slučajevima vodit će nas zvučni zapis. Ali ovo pitanje nije tako jednostavno i trivijalno, pogotovo u slučajevima kada postoji želja za postizanjem visokokvalitetnog zvuka u sobi ili bilo kojim drugim uvjetima. Za to nije uvijek potrebno kupovati skupe hi-fi ili hi-end komponente (iako će biti vrlo korisne), već je dovoljno dobro poznavanje fizikalne teorije, koja može otkloniti većinu problema koji se javljaju svima koji namjerava dobiti visokokvalitetnu glasovnu glumu.

Zatim ćemo razmotriti teoriju zvuka i akustiku sa stajališta fizike. U ovom slučaju, pokušat ću ga učiniti što dostupnijim za razumijevanje bilo koje osobe koja je, možda, daleko od poznavanja fizikalnih zakona ili formula, ali ipak strastveno sanja o ostvarenju sna o stvaranju savršene akustike. sustav. Ne usuđujem se tvrditi da za postizanje dobrih rezultata u ovom području kod kuće (ili u automobilu, na primjer) morate temeljito poznavati ove teorije, međutim, razumijevanje osnova izbjeći će mnoge glupe i apsurdne pogreške, kao i omogućiti možete postići maksimalni zvučni učinak sustava.bilo koju razinu.

Opća teorija zvuka i glazbena terminologija

Što je zvuk? To je osjećaj koji percipira slušni organ. "uho"(sam fenomen postoji i bez sudjelovanja "uha" u procesu, ali ga je lakše razumjeti na ovaj način), koji se događa kada je bubnjić pobuđen zvučnim valom. Uho u ovom slučaju djeluje kao "prijemnik" zvučnih valova različitih frekvencija.
Zvučni val To je zapravo sekvencijalni niz brtvi i ispuštanja medija (najčešće zračne sredine u normalnim uvjetima) različite frekvencije. Priroda zvučnih valova je oscilatorna, uzrokovana i proizvedena vibracijom bilo kojeg tijela. Nastanak i širenje klasičnog zvučnog vala moguće je u tri elastična medija: plinovitom, tekućem i krutom. Kada se zvučni val pojavi u jednoj od ovih vrsta prostora, neizbježno se događaju neke promjene u samom mediju, na primjer, promjena gustoće ili tlaka zraka, kretanje čestica zračnih masa itd.

Budući da zvučni val ima oscilatornu prirodu, ima takvu karakteristiku kao što je frekvencija. Frekvencija mjeri se u hercima (u čast njemačkog fizičara Heinricha Rudolfa Hertza), a označava broj titraja u vremenskom razdoblju jednakom jednoj sekundi. Oni. na primjer, frekvencija od 20 Hz znači ciklus od 20 oscilacija u jednoj sekundi. Subjektivni pojam njegove visine također ovisi o frekvenciji zvuka. Što je više zvučnih vibracija u sekundi, to se zvuk čini "višim". Zvučni val također ima još jedan najvažnija karakteristika, koja se naziva valna duljina. Valna duljina Uobičajeno je uzeti u obzir udaljenost koju zvuk određene frekvencije prijeđe u razdoblju jednakom jednoj sekundi. Na primjer, valna duljina najnižeg zvuka u rasponu koji čovjek može čuti pri 20 Hz je 16,5 metara, a valna duljina najvišeg zvuka pri 20 000 Hz je 1,7 centimetara.

Ljudsko uho koncipirano je na način da može percipirati valove samo u ograničenom rasponu, otprilike 20 Hz - 20 000 Hz (ovisno o osobinama pojedine osobe, netko čuje malo više, netko manje) . Dakle, to ne znači da zvukovi ispod ili iznad ovih frekvencija ne postoje, jednostavno ih ljudsko uho ne percipira, izlazeći izvan čujnog raspona. Zvuk iznad čujnog raspona naziva se ultrazvuk, zove se zvuk ispod čujnog raspona infrazvuk. Neke životinje mogu percipirati ultra i infra zvukove, neke čak koriste ovaj raspon za orijentaciju u prostoru (šišmiši, dupini). Ako zvuk prolazi kroz medij koji ne dolazi u direktan kontakt s ljudskim slušnim organom, tada se takav zvuk možda neće čuti ili će kasnije biti znatno oslabljen.

U glazbenoj terminologiji zvuka postoje tako važne oznake kao što su oktava, ton i prizvuk zvuka. Oktava označava interval u kojem je omjer frekvencija između zvukova 1 prema 2. Oktava je obično vrlo čujna, dok zvukovi unutar tog intervala mogu biti vrlo slični jedni drugima. Oktavom se također može nazvati zvuk koji proizvodi dvostruko više vibracija od drugog zvuka u istom vremenskom razdoblju. Na primjer, frekvencija od 800 Hz nije ništa drugo nego viša oktava od 400 Hz, a frekvencija od 400 Hz je pak sljedeća oktava zvuka s frekvencijom od 200 Hz. Oktava se sastoji od tonova i prizvuka. Promjenjive oscilacije u harmoničnom zvučnom valu jedne frekvencije ljudsko uho percipira kao glazbeni ton. fluktuacije visoka frekvencija mogu se protumačiti kao visoki zvukovi, niskofrekventne vibracije kao niski zvukovi. Ljudsko uho može jasno razlikovati zvukove s razlikom od jednog tona (u rasponu do 4000 Hz). Unatoč tome, u glazbi se koristi izuzetno mali broj tonova. To se objašnjava iz razmatranja principa harmonijske konsonancije, sve se temelji na principu oktava.

Razmotrite teoriju glazbenih tonova na primjeru nategnute žice na određeni način. Takva žica, ovisno o sili napetosti, bit će "ugođena" na jednu određenu frekvenciju. Kada je ova žica izložena nečemu s jednom specifičnom silom, što će uzrokovati njezino vibriranje, postojano će se primijetiti jedan određeni ton zvuka, čut ćemo željenu frekvenciju ugađanja. Ovaj zvuk se naziva osnovni ton. Za glavni ton u glazbenom polju službeno je prihvaćena frekvencija note "la" prve oktave jednaka 440 Hz. Međutim, većina glazbenih instrumenata nikada ne reproducira same čiste temeljne tonove; neizbježno ih prate prizvuci tzv. prizvuci. Ovdje je prikladno podsjetiti na važnu definiciju glazbene akustike, na pojam zvučne boje. Timbar- to je značajka glazbenih zvukova koja glazbalima i glasovima daje jedinstvenu prepoznatljivu specifičnost zvuka, čak i kada se uspoređuju zvukovi iste visine i glasnoće. Boja zvuka svakog glazbenog instrumenta ovisi o raspodjeli zvučne energije preko prizvuka u trenutku kada se zvuk pojavi.

Prizvuci tvore specifičnu boju osnovnog tona, po kojoj možemo lako identificirati i prepoznati pojedino glazbalo, kao i jasno razlikovati njegov zvuk od drugog glazbala. Postoje dvije vrste prizvuka: harmonijski i neharmonijski. Harmonijski prizvuci su, po definiciji, višekratnici osnovne frekvencije. Naprotiv, ako prizvuci nisu višestruki i primjetno odstupaju od vrijednosti, tada se nazivaju neskladan. U glazbi je rad ne-višestrukih prizvuka praktički isključen, stoga se pojam svodi na pojam "preglasa", što znači harmonijski. Kod nekih instrumenata, na primjer, klavira, glavni ton se niti ne stigne formirati, u kratkom razdoblju zvučna energija prizvuka raste, a zatim jednako brzo dolazi do opadanja. Mnogi instrumenti stvaraju takozvani efekt "prijelaznog tona", kada je energija pojedinih prizvuka maksimalna u određenom trenutku, obično na samom početku, ali se zatim naglo mijenja i prelazi na druge prizvuke. Frekvencijski raspon svakog instrumenta može se promatrati zasebno i obično je ograničen frekvencijama osnovnih tonova koje je ovaj instrument sposoban reproducirati.

U teoriji zvuka postoji i nešto poput BUKE. Buka- ovo je bilo koji zvuk koji je nastao kombinacijom izvora koji nisu u skladu jedan s drugim. Svima je dobro poznat šum lišća drveća, koje njiše vjetar itd.

Što određuje glasnoću zvuka? Očito je da takva pojava izravno ovisi o količini energije koju nosi zvučni val. Za određivanje kvantitativnih pokazatelja glasnoće postoji koncept - intenzitet zvuka. Intenzitet zvuka definira se kao protok energije koji prolazi kroz neko područje prostora (na primjer, cm2) po jedinici vremena (na primjer, po sekundi). U normalnom razgovoru, intenzitet je oko 9 ili 10 W/cm2. Ljudsko uho može percipirati zvukove s prilično širokim rasponom osjetljivosti, dok osjetljivost frekvencija nije ujednačena unutar zvučnog spektra. Dakle, najbolje percipirano frekvencijsko područje je 1000 Hz - 4000 Hz, što najviše pokriva ljudski govor.

Budući da zvukovi jako variraju u intenzitetu, prikladnije je to zamisliti kao logaritamsku vrijednost i mjeriti je u decibelima (prema škotskom znanstveniku Alexanderu Grahamu Bellu). Donji prag osjetljivosti sluha ljudskog uha je 0 dB, gornji 120 dB, naziva se i "prag boli". Gornju granicu osjetljivosti također ljudsko uho ne percipira na isti način, već ovisi o specifičnoj frekvenciji. Zvukovi niske frekvencije moraju imati puno veći intenzitet od visokih frekvencija kako bi izazvali prag boli. Na primjer, prag boli na niskoj frekvenciji od 31,5 Hz javlja se pri razini intenziteta zvuka od 135 dB, kada se na frekvenciji od 2000 Hz osjećaj boli javlja već na 112 dB. Tu je i koncept zvučnog tlaka, koji zapravo proširuje uobičajeno objašnjenje širenja zvučnog vala u zraku. Tlak zvuka- ovo je promjenjivi nadtlak koji se javlja u elastičnom mediju kao rezultat prolaska zvučnog vala kroz njega.

Valna priroda zvuka

Kako bismo bolje razumjeli sustav generiranja zvučnih valova, zamislimo klasični zvučnik smješten u cijevi ispunjenoj zrakom. Ako zvučnik napravi nagli pomak prema naprijed, tada je zrak u neposrednoj blizini difuzora na trenutak komprimiran. Nakon toga, zrak će se proširiti, gurajući tako područje komprimiranog zraka duž cijevi.
To je valno kretanje koje će kasnije biti zvuk kada dopre do slušnog organa i "pobudi" bubnjić. Kada se u plinu pojavi zvučni val, stvaraju se višak tlaka i gustoće, a čestice se kreću konstantnom brzinom. Što se tiče zvučnih valova, važno je zapamtiti činjenicu da se tvar ne kreće zajedno sa zvučnim valovima, već dolazi samo do privremenog poremećaja zračnih masa.

Ako zamislimo klip koji visi u slobodnom prostoru na opruzi i ponavlja pokrete "naprijed i natrag", tada ćemo takve oscilacije nazvati harmonijskim ili sinusoidnim (ako val predstavimo u obliku grafikona, tada u ovom slučaju dobivamo čisti sinusni val s ponavljanim usponima i padovima). Ako zamislimo zvučnik u cijevi (kao u gore opisanom primjeru) koji izvodi harmonijske oscilacije, tada se u trenutku kretanja zvučnika “naprijed” dobiva već poznati učinak kompresije zraka, a kada se zvučnik kreće “nazad” , dobiva se obrnuti učinak razrijeđenosti. U tom će se slučaju kroz cijev širiti val naizmjeničnog kompresije i razrjeđivanja. Pozvat će se udaljenost duž cijevi između susjednih maksimuma ili minimuma (faza). valna duljina. Ako čestice osciliraju paralelno sa smjerom širenja vala, tada se val zove uzdužni. Ako titraju okomito na smjer širenja, tada se val zove poprečni. Obično su zvučni valovi u plinovima i tekućinama longitudinalni, dok se u krutim tijelima mogu pojaviti oba tipa valova. Transverzalni valovi u čvrstim tijelima nastaju zbog otpora na promjenu oblika. Glavna razlika između ove dvije vrste valova je u tome što transverzalni val ima svojstvo polarizacije (oscilacije se javljaju u određenoj ravnini), dok longitudinalni val nema.

Brzina zvuka

Brzina zvuka izravno ovisi o karakteristikama medija u kojem se širi. Određen je (ovisno) o dva svojstva medija: elastičnost i gustoća materijala. Brzina zvuka u čvrstim tijelima izravno ovisi o vrsti materijala i njegovim svojstvima. Brzina u plinovitim medijima ovisi samo o jednoj vrsti deformacije medija: kompresiji-razrjeđivanju. Promjena tlaka u zvučnom valu događa se bez izmjene topline s okolnim česticama i naziva se adijabatska.
Brzina zvuka u plinu uglavnom ovisi o temperaturi - raste s porastom temperature i smanjuje se s padom. Također, brzina zvuka u plinovitom mediju ovisi o veličini i masi samih molekula plina – što je manja masa i veličina čestica, veća je “vodljivost” vala odnosno veća brzina.

U tekućim i krutim medijima, princip širenja i brzina zvuka slični su širenju vala u zraku: kompresijom-pražnjenjem. Ali u tim medijima, osim iste ovisnosti o temperaturi, gustoća medija i njegov sastav/struktura su vrlo važni. Što je manja gustoća tvari, veća je brzina zvuka i obrnuto. Ovisnost o sastavu medija je složenija i određuje se u svakom konkretnom slučaju, uzimajući u obzir položaj i interakciju molekula/atoma.

Brzina zvuka u zraku pri t, °C 20: 343 m/s
Brzina zvuka u destiliranoj vodi pri t, °C 20: 1481 m/s
Brzina zvuka u čeliku pri t, °C 20: 5000 m/s

Stojni valovi i interferencija

Kada zvučnik stvara zvučne valove u ograničenom prostoru, neizbježno se javlja efekt refleksije vala od granica. Kao rezultat toga, najčešće učinak smetnje- kada se dva ili više zvučnih valova međusobno preklapaju. Posebni slučajevi pojave interferencije su nastanak: 1) udarnih valova ili 2) stojnih valova. Udar valova- ovo je slučaj kada postoji dodatak valova s ​​bliskim frekvencijama i amplitudama. Uzorak pojave otkucaja: kada se dva vala slične frekvencije nalažu jedan na drugi. U nekom trenutku u vremenu, s takvim preklapanjem, vrhovi amplitude mogu se podudarati "u fazi", a također se mogu podudarati i recesije u "antifazi". Tako se karakteriziraju otkucaji zvuka. Važno je zapamtiti da se, za razliku od stojnih valova, fazne podudarnosti vrhova ne događaju stalno, već u određenim vremenskim intervalima. Na sluh se takav uzorak otkucaja prilično jasno razlikuje i čuje se kao periodično povećanje odnosno smanjenje glasnoće. Mehanizam nastanka ovog efekta je krajnje jednostavan: u trenutku koincidencije vrhova, volumen se povećava, u trenutku koincidencije recesija, volumen se smanjuje.

stojni valovi nastaju u slučaju superpozicije dvaju valova iste amplitude, faze i frekvencije, kada se pri "susretu" takvih valova jedan kreće u smjeru naprijed, a drugi u suprotnom smjeru. U području prostora (gdje je nastao stojni val) nastaje slika superpozicije dviju frekvencijskih amplituda s izmjeničnim maksimumima (tzv. antinodima) i minimumima (tzv. čvorovima). Pri pojavi ove pojave iznimno su važni frekvencija, faza i koeficijent slabljenja vala na mjestu refleksije. Za razliku od putujućih valova, kod stojnog vala nema prijenosa energije zbog činjenice da valovi naprijed i natrag koji tvore ovaj val nose energiju u jednakim količinama u smjeru naprijed i suprotno. Za vizualno razumijevanje nastanka stojnog vala, zamislimo primjer iz kućne akustike. Recimo da imamo samostojeće zvučnike u nekom ograničenom prostoru (sobi). Natjeravši ih da odsviraju neku pjesmu sa velika količina bas, pokušajmo promijeniti mjesto slušatelja u sobi. Dakle, slušatelj će, nakon što je ušao u zonu minimuma (oduzimanja) stojnog vala, osjetiti učinak da je bas postao vrlo slab, a ako slušatelj uđe u zonu maksimuma (dodavanja) frekvencija, onda suprotno postiže se učinak značajnog povećanja bas područja. U ovom slučaju, učinak se opaža u svim oktavama osnovne frekvencije. Na primjer, ako je osnovna frekvencija 440 Hz, tada će se fenomen "zbrajanja" ili "oduzimanja" također primijetiti na frekvencijama od 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz itd.

Fenomen rezonancije

Većina čvrstih tijela ima vlastitu rezonantnu frekvenciju. Razumjeti ovaj učinak vrlo je jednostavno na primjeru konvencionalne cijevi, otvorene samo na jednom kraju. Zamislimo situaciju da je s drugog kraja cijevi spojen zvučnik koji može svirati neku konstantnu frekvenciju, a može se kasnije i promijeniti. Sada, cijev ima svoju vlastitu rezonantnu frekvenciju, jednostavnim rječnikom, to je frekvencija na kojoj cijev "rezonira" ili proizvodi vlastiti zvuk. Ako se frekvencija zvučnika (kao rezultat podešavanja) podudara s frekvencijom rezonancije cijevi, tada će postojati učinak povećanja glasnoće nekoliko puta. To je zato što zvučnik pobuđuje vibracije zračnog stupca u cijevi sa značajnom amplitudom sve dok se ne pronađe ista "rezonantna frekvencija" i pojavi se dodatni efekt. Rezultirajući fenomen može se opisati na sljedeći način: cijev u ovom primjeru "pomaže" zvučniku rezonirajući na određenoj frekvenciji, njihovi napori se zbrajaju i "izlijevaju" u zvučni glasan efekt. Na primjeru glazbenih instrumenata, ovaj se fenomen lako može pratiti, budući da dizajn većine sadrži elemente koji se nazivaju rezonatori. Nije teško pogoditi što služi za pojačavanje određene frekvencije ili glazbenog tona. Na primjer: tijelo gitare s rezonatorom u obliku rupe, usklađene s glasnoćom; Izvedba cijevi na svirali (i svih cijevi općenito); Cilindrični oblik tijela bubnja, koji je sam rezonator određene frekvencije.

Frekvencijski spektar zvuka i frekvencijski odziv

Budući da u praksi praktički ne postoje valovi iste frekvencije, potrebno je razložiti cijeli zvučni spektar čujnog raspona na prizvuke ili harmonike. U tu svrhu postoje grafikoni koji prikazuju ovisnost relativne energije zvučnih vibracija o frekvenciji. Takav graf naziva se graf zvučnog frekvencijskog spektra. Frekvencijski spektar zvuka Postoje dvije vrste: diskretna i kontinuirana. Diskretni dijagram spektra prikazuje frekvencije pojedinačno, odvojene praznim razmacima. U kontinuiranom spektru sve su frekvencije zvuka prisutne odjednom.
U slučaju glazbe ili akustike najčešće se koristi uobičajeni raspored. Karakteristike od vrha do frekvencije(skraćeno "AFC"). Ovaj grafikon prikazuje ovisnost amplitude zvučnih vibracija o frekvenciji kroz cijeli frekvencijski spektar (20 Hz - 20 kHz). Gledajući takav grafikon, lako je razumjeti, na primjer, prednosti ili slabosti određenog zvučnika ili sustava zvučnika u cjelini, najjača područja povrata energije, padove i poraste frekvencije, prigušenje, kao i pratiti strmina pada.

Prostiranje zvučnih valova, faza i protufaza

Proces širenja zvučnih valova odvija se u svim smjerovima od izvora. Najjednostavniji primjer za razumijevanje ovog fenomena: kamenčić bačen u vodu.
Od mjesta gdje je kamen pao, valovi se počinju razilaziti na površini vode u svim smjerovima. Međutim, zamislimo situaciju u kojoj se koristi zvučnik određene glasnoće, recimo zatvorena kutija, koja je spojena na pojačalo i pušta neku vrstu glazbenog signala. Lako je primijetiti (pogotovo ako dajete snažan niskofrekventni signal, npr. bas bubanj), da zvučnik čini brzi pokret "naprijed", a zatim isti brzi pokret "natrag". Ostaje za razumjeti da kada se zvučnik pomakne naprijed, emitira zvučni val, koji nakon toga čujemo. Ali što se događa kada se zvučnik pomakne unatrag? Ali paradoksalno, događa se ista stvar, zvučnik proizvodi isti zvuk, samo što se on u našem primjeru širi u cijelosti unutar volumena kutije, ne izlazeći izvan nje (kutija je zatvorena). Općenito, u gornjem primjeru može se uočiti dosta zanimljivih fizikalnih pojava, od kojih je najznačajniji pojam faze.

Zvučni val koji govornik, budući da je u glasnoći, isijava u smjeru slušatelja - je "u fazi". Reverzni val, koji ide u volumen kutije, bit će odgovarajuće protufazan. Ostaje samo razumjeti što ti pojmovi znače? Faza signala- ovo je razina zvučnog tlaka u trenutnom vremenu u nekoj točki u prostoru. Fazu je najlakše razumjeti na primjeru reprodukcije glazbenog materijala pomoću konvencionalnog stereo podnog para kućnih zvučnika. Zamislimo da su dva takva samostojeća zvučnika instalirana u određenoj prostoriji i sviraju. Oba zvučnika u ovom slučaju reproduciraju sinkroni promjenjivi signal zvučnog tlaka, štoviše, zvučni tlak jednog zvučnika dodaje se zvučnom tlaku drugog zvučnika. Sličan učinak nastaje zbog sinkronizma reprodukcije signala lijevog i desnog zvučnika, odnosno, drugim riječima, vrhovi i doline valova koje emitiraju lijevi i desni zvučnik se podudaraju.

Sada zamislimo da se zvučni tlakovi i dalje mijenjaju na isti način (nisu se promijenili), ali sada su suprotni jedan drugome. To se može dogoditi ako spojite jedan od dva zvučnika u obrnutom polaritetu ("+" kabel od pojačala do "-" terminala sustava zvučnika, a "-" kabel od pojačala do "+" terminala zvučnika sustav). U ovom slučaju, signal suprotnog smjera uzrokovat će razliku tlaka, koja se može predstaviti brojevima na sljedeći način: lijevi zvučnik će stvoriti tlak od "1 Pa", a desni zvučnik će stvoriti tlak od "minus 1 Pa ". Kao rezultat toga, ukupna glasnoća zvuka na mjestu slušatelja bit će jednaka nuli. Ova pojava se naziva antifaza. Razmotrimo li primjer detaljnije radi razumijevanja, ispada da dvije dinamike koje igraju "u fazi" stvaraju ista područja kompresije i razrijeđenosti zraka, koja zapravo pomažu jedna drugoj. U slučaju idealizirane protufaze, područje zbijenosti zračnog prostora koje stvara jedan zvučnik bit će popraćeno područjem razrijeđenosti zračnog prostora koje stvara drugi zvučnik. To otprilike izgleda kao pojava međusobnog sinkronog prigušenja valova. Istina, u praksi glasnoća ne pada na nulu, a čut ćemo jako izobličen i prigušen zvuk.

Na najpristupačniji način ovaj se fenomen može opisati na sljedeći način: dva signala s istim oscilacijama (frekvencijom), ali pomaknuta u vremenu. S obzirom na to, prikladnije je te fenomene pomaka prikazati na primjeru običnih okruglih satova. Zamislimo da nekoliko identičnih okruglih satova visi na zidu. Kada sekundne kazaljke ovih satova idu sinkronizirano, 30 sekundi na jednom satu i 30 sekundi na drugom, onda je to primjer signala koji je u fazi. Ako sekundne kazaljke idu s pomakom, ali je brzina i dalje ista, npr. na jednom satu 30 sekundi, a na drugom 24 sekunde, onda je to klasičan primjer faznog pomaka (pomaka). Na isti način, faza se mjeri u stupnjevima, unutar virtualnog kruga. U ovom slučaju, kada se signali međusobno pomaknu za 180 stupnjeva (polovica razdoblja), dobiva se klasična antifaza. Često u praksi postoje manji fazni pomaci, koji se također mogu odrediti u stupnjevima i uspješno otkloniti.

Valovi su ravni i sferni. Ravna valna fronta širi se samo u jednom smjeru i rijetko se susreće u praksi. Sferna valna fronta jednostavna je vrsta vala koji zrači iz jedne točke i širi se u svim smjerovima. Zvučni valovi imaju svojstvo difrakcija, tj. sposobnost izbjegavanja prepreka i predmeta. Stupanj ovojnice ovisi o omjeru duljine zvučnog vala i dimenzija prepreke ili rupe. Do difrakcije dolazi i kada postoji prepreka na putu zvuka. U ovom slučaju moguća su dva scenarija: 1) Ako su dimenzije prepreke puno veće od valne duljine, tada se zvuk reflektira ili apsorbira (ovisno o stupnju apsorpcije materijala, debljini prepreke itd.). ), a iza prepreke se formira zona "akustične sjene". 2) Ako su dimenzije prepreke usporedive s valnom duljinom ili čak manje od nje, tada se zvuk difraktira u određenoj mjeri u svim smjerovima. Ako zvučni val, kada se kreće u jednom mediju, udari u sučelje s drugim medijem (na primjer, zračni medij s čvrstim medijem), tada se mogu pojaviti tri scenarija: 1) val će se reflektirati od sučelja 2) val može prijeći u drugi medij bez promjene smjera 3) val može prijeći u drugi medij s promjenom smjera na granici, to se naziva "lom vala".

Omjer prekomjernog tlaka zvučnog vala i oscilatorne volumetrijske brzine naziva se valna impedancija. razgovarajući jednostavnim riječima, valni otpor medija može se nazvati sposobnošću upijanja zvučnih valova ili "otupiranja" njima. Koeficijenti refleksije i prijenosa izravno ovise o omjeru valnih impedancija dvaju medija. Otpor valova u plinovitom mediju mnogo je manji nego u vodi ili krutim tvarima. Stoga, ako zvučni val u zraku upadne na čvrsti objekt ili na površinu duboke vode, tada se zvuk ili odbija od površine ili se u velikoj mjeri apsorbira. Ovisi o debljini površine (vode ili krutine) na koju pada željeni zvučni val. Kod male debljine krutog ili tekućeg medija zvučni valovi gotovo potpuno "prolaze", i obrnuto, kod velike debljine medija valovi se češće odbijaju. U slučaju refleksije zvučnih valova, ovaj se proces odvija prema poznatom fizikalnom zakonu: "Upadni kut jednak je kutu refleksije." U tom slučaju, kada val iz medija manje gustoće udari u granicu s medijem veće gustoće, javlja se pojava refrakcija. Sastoji se od savijanja (lomljenja) zvučnog vala nakon "susreta" s preprekom, a nužno je popraćeno promjenom brzine. Refrakcija ovisi i o temperaturi medija u kojem dolazi do refleksije.

U procesu širenja zvučnih valova u prostoru neminovno se smanjuje njihov intenzitet, možemo reći slabljenje valova i slabljenje zvuka. U praksi se vrlo jednostavno susresti s takvim efektom: na primjer, ako dvoje ljudi stoje u polju na nekoj maloj udaljenosti (metar ili bliže) i počnu međusobno razgovarati. Ako naknadno povećate udaljenost između ljudi (ako se počnu udaljavati jedni od drugih), ista će se razina glasnoće razgovora sve manje čuti. Sličan primjer jasno pokazuje fenomen smanjenja intenziteta zvučnih valova. Zašto se ovo događa? Razlog tome su različiti procesi prijenosa topline, molekularne interakcije i unutarnje trenje zvučnih valova. Najčešće se u praksi događa pretvorba zvučne energije u toplinsku. Takvi se procesi neizbježno javljaju u bilo kojem od 3 medija za širenje zvuka i mogu se okarakterizirati kao apsorpcija zvučnih valova.

Intenzitet i stupanj apsorpcije zvučnih valova ovisi o mnogim čimbenicima, kao što su tlak i temperatura medija. Također, apsorpcija ovisi o specifičnoj frekvenciji zvuka. Kada se zvučni val širi u tekućinama ili plinovima, postoji učinak trenja između različitih čestica, što se naziva viskoznost. Kao rezultat ovog trenja na molekularnoj razini dolazi do procesa transformacije vala iz zvučnog u toplinski. Drugim riječima, što je toplinska vodljivost medija veća, to je manji stupanj apsorpcije valova. Apsorpcija zvuka u plinovitim medijima također ovisi o tlaku (atmosferski tlak se mijenja s povećanjem nadmorske visine u odnosu na razinu mora). Što se tiče ovisnosti stupnja apsorpcije o frekvenciji zvuka, uzimajući u obzir gore navedene ovisnosti o viskoznosti i toplinskoj vodljivosti, apsorpcija zvuka je veća, što je veća njegova frekvencija. Na primjer, kada normalna temperatura i tlaka, u zraku je apsorpcija vala frekvencije 5000 Hz 3 dB/km, a apsorpcija vala frekvencije 50000 Hz bit će već 300 dB/m.

U krutim medijima sve gore navedene ovisnosti (toplinska vodljivost i viskoznost) su sačuvane, ali tome je dodano još nekoliko uvjeta. Oni su povezani s molekularnom strukturom čvrstih materijala, koja može biti različita, sa svojim nehomogenostima. Ovisno o toj unutarnjoj čvrstoj molekularnoj strukturi, apsorpcija zvučnih valova u ovom slučaju može biti različita, a ovisi o vrsti pojedinog materijala. Kada zvuk prolazi kroz čvrsto tijelo, val prolazi kroz niz transformacija i izobličenja, što najčešće dovodi do raspršenja i apsorpcije zvučne energije. Na molekularnoj razini može doći do efekta dislokacija, kada zvučni val uzrokuje pomak atomskih ravnina, koje se zatim vraćaju u prvobitni položaj. Ili, kretanje dislokacija dovodi do sudara s dislokacijama okomitim na njih ili defektima u kristalnoj strukturi, što uzrokuje njihovo usporavanje i, kao rezultat, određenu apsorpciju zvučnog vala. Međutim, zvučni val također može rezonirati s tim nedostacima, što će dovesti do izobličenja izvornog vala. Energija zvučnog vala u trenutku interakcije s elementima molekularne strukture materijala rasipa se kao rezultat procesa unutarnjeg trenja.

U nastavku ću pokušati analizirati značajke ljudske slušne percepcije i neke od suptilnosti i značajki širenja zvuka.