Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, интенсивность звука и другими. Но. кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это - громкость звука, высота тона и тембр.

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое ощущение. На рисунке 15.10 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости. Наибольшее расстояние между кривыми приходится на частоты, к которым ухо наиболее чувствительно (1000-5000 Гц). 

Если интенсивность звука - величина, объективно характеризующая волновой процесс, то субъективной характеристикой звука является громкость Громкость зависит от интенсивности звука, т.е. определяется квадратом амплитуды колебаний в звуковой волне и чувствительностью уха (физиологическими особенностями). Так как интенсивность звука \(~I \sim A^2,\) то чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Высота тона - качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон звука.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, с определенной частотой, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, звуки низкой частоты - как звуки низкого тона. Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Так, например, тон "ля" первой октавы соответствует частоте 440 Гц, тон "ля" второй октавы - частоте 880 Гц.

Музыкальным звукам соответствуют звуки, издаваемые гармонически колеблющимся телом.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте \(~\nu_0\) основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой \(~\nu_0\) называется первой гармоникой, обертон со следующей частотой \(~2 \nu_0\) - второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов - их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

При одной высоте тона звуки, издаваемые, например, скрипкой и пианино, отличаются тембром.

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Шумы - это звуки, образующие сплошной спектр, состоящий из набора частот, т.е. в шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 431-432.

Высота тона характеризует высоту выговариваемых вами звуков и определяется частотной вибрацией вашей гортани. Для высокого голоса типична высокая частота вибрации, для низкого голоса, соответственно, - низкая частота вибрации.

Важным условием для немонотонного звучания голоса яв­ляется умение охватить по крайней мере октаву, т.е. четыре ноты выше середины и четыре ноты ниже. Если вы лелеете честолюбивые замыслы прославиться, исполняя роли в шекс­пировских пьесах (а какой актер их не лелеет?!), вам необхо­димо научиться охватывать минимум две, а лучше всего - три октавы в своем диапазоне.

Громкость

Если есть микрофоны, то у вас нет необходимости гово­рить громко, поскольку индикатор громкости может зашка­лить. Если ваш собеседник немного туговат на ухо, не забы­вайте, что одной громкости недостаточно. Для того чтобы та­кой человек слышал вас, нужен также резонанс.

Слышимость

Слышимость вашей речи зависит от того, в каком помеще­нии вы выступаете и до кого хотите донести свою речь. Пол­нозвучный, роскошный голос отлично слышен во всех уголках каждой комнаты. Нет никакой необходимости напрягаться, чтобы ваш голос разнесся по помещению. Основанием ваше­го голоса должна быть диафрагма. Наберите в легкие поболь­ше воздуха, чтобы контролировать свой голос.

Слышимость голоса не зависит от громкости. Совершенно не обязательно говорить громко, на повышенных тонах. Слы­шимость голоса - это способность применять все принципы верного управления голосом, чтобы ваш природный голос распространялся равномерно и был хорошо слышен.

Тембр

Тембр разрешает на слух идентифицировать разные голо­са. Например, вы всегда отличите голос известного певца или актера, без усилий выделите голос ребенка среди голосов взрослых.

Экспрессия

Для того чтобы ваша речь стала выразительной, стреми­тесь визуально представить себе то, о чем вы сообщаете. Влейте оживленную нотку в ваше произношение, в звуки вашего го­лоса; внесите чувство и окраску в вашу речь.

В будничной жизни ваша речь наиболее красочна в не­официальном разговоре. Перенесите свое ораторское искус­ство в публичные выступления. Если вам нелегко это сде­лать, попробуйте записать на пленку какой-нибудь ваш раз­говор один на один с хорошим другом. Попытайтесь запамятовать о том, что магнитофон включен. Впоследствии, когда вы останетесь один, прослушайте запись и возьмите на заметку те места разговора, где вам в особенности пришлась по душе выразительность вашей речи, не забывая также о том, что вам не понравилось.

Упражняйтесь, декламируя стихи и драматические пьесы, и приучайтесь распознавать на слух необходимое выражение.

Помните, что любая экспрессия должна быть первым де­лом непринужденна. Чуждайтесь театральности и искусствен­ности в своих речах.

Тон голоса характеризуется его высотой, вибрацией и мо­дуляцией. Красивый голос выделяется легкими трансформа­циями тона. Интонации - это «взлеты» и «падения» голоса. Монотонность утомительна для слуха, так как неизменный тон применяет одну и ту же высоту. Отдельные люди не рас­познают отличие в тоне голоса. Однако с помощью измене­ния тона вы можете целиком и полностью переменить значе­ние слов.

Слуховые ощущения, которые у нас вызывают различные звуки, во многом зависят от амплитуды звуковой волны и ее частоты. Амплитуда и частота являются физическими характеристиками звуковой волны. Этим физическим характеристикам соответствуют определенные физиологические характеристики, связанные с нашим восприятием звука. Такими физиологическими характеристиками являются громкость и высота звука.

Громкость звука определяется его амплитудой: чем больше амплитуда колебаний в звуковой волне, тем громче звук . Так, когда колебания звучащего камертона затухают, вместе с амплитудой уменьшается и громкость звука. И наоборот, ударив по камертону сильнее и тем самым увеличив амплитуду его колебаний, мы вызовем и более громкий звук.

Громкость звука зависит также от того, насколько чувствительно наше ухо к данному звуку. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает к звуковым волнам с частотой 1-5 кГц.

Измеряя энергию, переносимую звуковой волной за 1 с через поверхность площадью 1 м 2 , мы найдем величину, называемую интенсивностью звук а. Оказалось, что интенсивность самых громких звуков (при которых возникает ощущение боли) превышает интенсивность самых слабых звуков, доступных восприятию человека, в 10 триллионов раз! В этом смысле человеческое ухо оказывается намного более совершенным устройством, чем любой из обычных измерительных приборов. Ни одним из них столь широкий диапазон значений измерить невозможно (у приборов он редко превосходит 100).

Единицу громкости называют соном (от латинского «сонус» - звук). Громкостью в 1 сон обладает приглушенный разговор. Тиканье часов характеризуется громкостью около 0,1 сон, обычный разговор - 2 сон, стук пишущей машинки - 4 сон, громкий уличный шум - 8 сон. В кузнечном цехе громкость достигает 64 сон, а на расстоянии 4 м от работающего двигателя реактивного самолета - 256 сон. Звуки еще большей громкости начинают вызывать болевые ощущения.

Громкость человеческого голоса можно увеличить с помощью мегафона . Он представляет собой конический рупор, приставляемый ко рту говорящего человека (рис. 54). Усиление звука при этом происходит благодаря концентрации излучаемой звуковой энергии в направлении оси рупора. Еще большего увеличения громкости можно достичь при помощи электрического мегафона, рупор которого соединен с микрофоном и специальным транзисторным усилителем.

Рупор можно применять и для усиления принимаемого звука. Для этого его следует приставить к уху. В старые времена (когда еще не было специальных слуховых аппаратов) этим часто пользовались плохо слышащие люди.

Рупоры использовались и в первых аппаратах, предназначенных для записи и воспроизведения звука. Механическая запись звука была изобретена в 1877 г. Т Эдисоном (США). Сконструированный им аппарат назывался фонографом . Один из своих фонографов (рис. 55) он прислал Л. Н. Толстому.

Основными частями фонографа являются валик 1, покрытый оловянной фольгой, и мембрана 2, соединенная с иглой из сапфира. Звуковая волна, действуя через рупор на мембрану, заставляла иглу колебаться и то сильнее, то слабее вдавливаться в фольгу. При вращении ручки валик (ось которого имела резьбу) не только вращался, но и перемещался в горизонтальном направлении. На фольге при этом возникала винтовая канавка переменной глубины. Чтобы услышать записанный звук, иглу устанавливали в начало канавки и валик вращали еще раз.

Впоследствии вращающийся валик в фонографе был заменен плоской круглой пластиной и борозду на ней стали наносить в виде сворачивающейся спирали. Так появились граммофонные пластинки.

Помимо громкости, звук характеризуется высотой . Высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук . Колебаниям небольшой частоты соответствуют низкие звуки, колебаниям большой частоты - высокие звуки.

Так, например, шмель машет в полете своими крылышками с меньшей частотой, чем комар: у шмеля она составляет 220 взмахов в секунду, а у комара - 500-600. Поэтому полет шмеля сопровождается низким звуком (жужжанием), а полет комара - высоким (писком).

Звуковую волну определенной частоты иначе называют музыкальным тоном . Поэтому о высоте звука часто говорят как о высоте тона.

Основной тон с «примесью» нескольких колебаний других частот образует музыкальный звук. Например, звуки скрипки и пианино могут включать в себя до 15-20 различных колебаний. От состава каждого сложного звука зависит его тембр.

Частота свободных колебаний струны зависит от ее размеров и натяжения. Поэтому, натягивая струны гитары с помощью колышков и прижимая их к грифу гитары в разных местах, мы изменим их собственную частоту, а следовательно, и высоту издаваемых ими звуков.

В таблице 5 приведены частоты колебаний в звуках различных музыкальных инструментов.

Диапазоны частот, соответствующие голосам певцов и певиц, можно найти в таблице 6.

Характер восприятия звука во многом зависит от планировки помещения, в котором слушается речь или музыка. Объясняется это тем, что в закрытых помещениях слушатель воспринимает, кроме прямого звука, еще и слитный ряд быстро следующих друг за другом его повторений, вызванных многократными отражениями звука от находящихся в помещении предметов, стен, потолка и пола.

Увеличение длительности звука, вызванное его отражениями от различных препятствий, называется реверберацией. Реверберация велика в пустых помещениях, где она приводит к гулкости. И наоборот, помещения с мягкой обивкой стен, драпировками, шторами, мягкой мебелью, коврами, а также наполненные людьми хорошо поглощают звук, и потому реверберация в них незначительна.

Отражением звука объясняется и эхо. Эхо - это звуковые волны, отраженные от какого-либо препятствия (зданий, холмов, леса и т. п.) и возвратившиеся к своему источнику. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделенные интервалом времени t > 50 - 60 мс, то возникает многократное эхо. Некоторые из таких эхо приобрели всемирную известность. Так, например, скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехии, в определенном месте троекратно повторяют 7 слогов, а в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов!

Название «эхо» связано с именем горной нимфы Эхо, которая, согласно древнегреческой мифологии, была безответно влюблена в Нарцисса. От тоски по возлюбленному Эхо высохла и окаменела, так что от нее остался лишь голос, способный повторять окончания произнесенных в ее присутствии слов.

1. Чем определяется громкость звука? 2. Как называется единица громкости? 3. Почему после удара молоточком по камертону его звук постепенно становится все тише и тише? 4. Чем определяется высота звука? 5. Из чего «состоит» музыкальный звук? 6. Что такое эхо? 7. Расскажите о принципе действия фонографа Эдисона.

Говоря о строении слухового аппарата, мы переходим постепенно к принципу анализа мозгом полученного сигнала от слуховой улитки. В чем он заключается? И как мозг расшифровывает его? Как он определяет высоту тона звука? Сегодня мы как раз поговорим о последнем, так как в нем автоматически раскрываются ответы и на первые два вопроса.

Надо отметить, что мозг определяет только периодические синусоидальные компоненты звука. Восприятие высоты тона человеком так же зависит от громкости и длительности. В прошлой статье мы говорили о базилярной мембране и ее строении. Как известно, она обладает неоднородностью по жесткости строения. Это позволяет ей механически разбивать звук на компоненты, у которых есть особое место размещение на ее поверхности. Откуда волосковые клетки позже подают сигнал в мозг. Из-за этой особенности строения мембраны, «звуковая» волна, пробегающая по ее поверхности, имеет разные максимумы: низкие частоты – вблизи вершины мембраны, высокие – у овального окна. Мозг автоматически пытается определить высоту по этой «топографической карте», находя на ней локализацию фундаментальной частоты. Этот метод можно ассоциировать с многополосным фильтром. Отсюда взята теория «критических полос», которую мы обсуждали ранее:

Но это не единственный подход! Второй способ – это определение высоты тона по гармоникам: если найти минимальную частотную разницу между ними, то она всегда равна фундаментальной частоте – [(n +1) f 0 — (nf 0)]= f 0, где n – номера гармоник. А также вместе с ним используется и третий метод: нахождение общего сомножителя от деления всех гармоник на последовательные числа и, толкаясь от него, определяется высота звука. Эксперименты полностью подтвердили обоснованность этих способов: слуховая система, находя максимумы гармоник, проводит над ними вычислительные операции и если даже вырезать основной тон или расставить гармоники в нечетной последовательнос ти, при котором метод 1 и 2 не помогут, то человек определяет высоту звука 3 методом.

Но как оказалось – это не все возможности мозга! Были проведены хитрые эксперименты, которые удивили ученых. Дело заключается в том, что три метода работаю только с первыми 6-7 гармониками. Когда в каждую «критическую полосу» попадает по одной гармонике звукового спектра мозг спокойно «определяет» их. Но стоит, каким либо гармониками находиться настолько близко друг к другу, что в одну область слухового фильтра попадает их несколько, то мозг их распознает хуже или вообще не определяет: это относиться к звукам с гармониками выше седьмой. Вот здесь вступает четвертый метод – метод «времени»: мозг начинает анализировать время поступления сигналов с органа Корти с фазой колебания всей базилярной мембраны. Этот эффект получил название «запирание фазы». Дело заключается в том, что при колебании мембраны, когда она движется в сторону волосковых клеток, те соприкасаются с ней, образуя нервный импульс.
При движении обратно, ни какого электрического потенциала не появляется. Появляется взаимосвязь – время между импульсами в любом отдельном волокне будет равно целому числу 1, 2, 3 и так далее, умноженному на период в основной звуковой волне f = nT . Как это помогает в работе в купе вместе с критическими полосами? Очень просто: мы знаем, что когда две гармоники находятся настолько близко, что попадают в одну «частотную область», то между ними возникает эффект «биения» (которую музыканты слышат при настройке инструмента) – это просто одно колебание со средней частотой, равной разности частот. При этом период у них будет T =1/ f 0. Таким образом, все периоды выше шестой гармоники одинаковы или имеют разряд в цело число, то есть значение n / f 0. Далее мозг просто высчитывает частоту основного тона.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который, в основном, определяется частотами и амплитудами обертонов. Мы узнаем знакомые голоса и музыкальные инструменты именно по тембру.

Громкость звука зависит от интенсивности звука .

Наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органами слуха называется порогом слышимости I 0 .

Стандартный порог слышимости принимается равным

I0 =10-12 Вт/м2

при основной частоте 1 кГц.

Наибольшая интенсивность звуковой волны, при которой восприятие звука не вызывает болевого ощущения, называется порогом болевогоощущения илипорогом осязания . Порог осязания зависит от частоты звука и изменяется от0,1 Вт/м 2 при 6 кГц до10 Вт/м 2 при низких и звуковых частотах.

Диапазон интенсивностей воспринимаемых нами звуков очень велик.

22) Закон Вебера-Фехнера. Шкала уровней громкости звука. Кривые равной громкости.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит психофизический закон Вебера-Фехнера:

если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Применительно к звуку это означает, что если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например aI 0 , a 2 I 0 , а 3 I 0 , … (а – некоторый коэффициент,а>1 ), то соответствующие им ощущения громкости звукаЕ 0 , 2Е 0 , 3Е 0 , …

Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностямиI иI 0 , причемI 0 – порог слышимости, то на основании закона Вебера-Фехнера громкость относительноI 0 связана с интенсивностью следующим образом:

где k -коэффициент пропорциональности

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами (фон).

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц.

На практике громкость звука можно оценить по так называемым кривым равной громкости ,

Каждая из кривых объединяет звуки одной и той же громкости, измеряемой в фонах. При этом принято, что громкость любого звука в фонах совпадает с уровнем интенсивности равногромкого звука (в децибелах) на частоте 1 кГц: кривой порога слышимости соответствует уровень громкости 0 фон.

Каждая промежуточная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот.По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя совокупность кривых равной громкости, можно найти для разных частот громкости, соответствующие определенной интенсивности.

Метод измерения остроты слуха называется аудиометрией: на специальном приборе(аудиометре) определяют порог слухового ощущения на разных частотах; полученная кривая называетсяаудиограммой .Сравнивая аудиограмму пациента с нормальной кривой порога слухового ощущения, можно диагностировать заболевание органов слуха.

А теперь второй лист, т. е. молекулярная физика

Термодинамическая система

Термодинамической системой можно считать любую совокупность материальных тел, взаимодействующих потоками энергии и вещества друг с другом и с телами внешней среды

Термодинамическая система может быть открытой, закрытой,изолированной и идеальная терм.ден.система – адиабатная

Свойствами являются, например, давление, температура, удельный объём, плотность(характеризуют состояние рассм. Системы)

Давление р – макроскопическая характеристика, отражающая молекулярную природу жидкости или газа. Давление численно равно силе воздействия молекул на некоторую поверхность, отнесённую к величине этой поверхности Единица измерения давления – паскаль (Па),

Температура t – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела, °С. Она, как и давление, проявляет микроскопическую при-

роду вещества, выводя её на наглядный макроскопический уровень. Температура выступает как мера интенсивности теплового движения молекул Абсолютная температура Т, К, отсчитывается по шкале Кельвина:Т = t + 273,15.

Удельный объём v – это объём единицы массы вещества, м3/кг. Обратную удельному объёму величину называют плотностью: ρ, кг/м3.