Мы от рождения до смерти пребываем в океане звуков. В городе мы постоянно слышим звуки движущихся машин, разговоры прохожих, фоновые шумы. Дома работают электроприборы, мы включаем телевизоры, радиоприемники, компьютеры. Можно не замечать эти звуки, не обращать на них внимания, но они влияют на наше мировосприятие и на самочувствие. Когда мы находимся, как кажется в тишине, за городом, на природе звуки все равно существуют вокруг нас. листвы, жужжание насекомых, шелест шагов по траве. Абсолютной тишины на Земле в естественных условиях не существует.

С точки зрения физики звук - это упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. От чего зависит высота звука и другие наши ощущения?

С точки зрения физиологии звук связан со слухом. И напрямую связан с нашими органами чувств.

Средой для распространения звуковых волн может быть воздух, вода, металл и другие вещества.

Поскольку звук - это он описывается теми же параметрами, что и любая волна. Это частота, длина волны, амплитуда, вектор волны (направление), скорость.

Человек слышит звуки в диапазоне от 15 Гц до 20 000 Гц. Диапазон ниже уровня слышимости называется инфразвуком, выше уровня и до 1 Ггц называется ультразвуком. Выше 1 Ггц - это гиперзвук.

Высота звука

Единица измерения высоты звука это мел. Мелы распределяются по шкале через интервалы, которые на слух воспринимаются как равные.

Ученые обнаружили, что, если воспроизводить короткие импульсы с интервалом 5 миллисекунд, то на слух они будут восприниматься непрерывно.

Как любая информация наших органов чувств, звуковая информация обрабатывается мозгом. Рассмотрим, от чего зависит частота звука. Известен так называемый эффект Шепарда. Звукоряд, который создает иллюзию постоянно повышающегося или понижающегося тона, хотя на самом деле ничего не меняется. Это достигается наложением звуковых волн по октавам (кратным по частоте). Этот эффект интуитивно использовали Бах, Равель, Шопен.

Тоны звука

Сложный тон - это звучание нескольких частот сразу. Простой тон можно воспроизвести с помощью генератора звуковых сигналов, или камертоном. Сложный тон создается музыкальными инструментами и человеческим голосом. Спектр сложного тона состоит из основной частоты и множества дополнительных гармоник, так называемых обертонов. От чего зависит высота тона звука и самого звука? Она зависит от основной частоты тона. Но и интенсивность влияет на восприятие высоты звучания. Чем интенсивность больше, тем звук кажется ниже.

Громкость звука

Громкость звука характеризует уровень звукового ощущения. От чего зависит громкость и высота звука? Восприятие громкости звука - ощущение субъективное и зависит как от интенсивности звука, так и от возраста, пола, этнической принадлежности, условий прослушивания. Ощущение громкости описывается психофизическим законом Вебера-Фехнера. В соответствии с этим законом, если интенсивность звука растет в геометрической прогрессии, то ощущение громкости - в арифметической. (Логарифмическая зависимость). От чего зависит громкость и высота звучания? От множества причин. Высота звучания кажется ниже, когда громкость увеличивается. Человеку всегда низкие и высокие частоты кажутся тише, чем средние.

Тембр звука

Тембр определяется Окраску спектру придают обертоны (гармоники основной частоты). Они придают эмоциональную окраску любому звучанию. От чего зависят высота и тембр звука? Они зависят от конструкции и материалов музыкальных инструментов, от особенностей человеческого голоса. Возникающие многочисленные обертоны придают звучанию неповторимость.

Каждая из знаменитых скрипок Страдивари обладала уникальным тембром. Это определялось и формой резонатора, и типом дерева, и даже лаком покрытия.

Некоторые считают, что особенное восприятие звука человеком способствовало в древности его выживанию. Для анализа внешних шумов необходимо было понять, от чего зависит высота звука, вычленить из массы шумов, звуковых частот звуки подкрадывающегося хищника или вовремя услышать приближение какой-либо природной катастрофы.

Сейчас появилась возможность синтезировать любые звуки, обрабатывать существующие аудиозаписи для достижения нужного эффекта. Но еще на заре звукозаписи делались звуковые комбинации. Примером такого эффекта может служить знаменитый крик Тарзана, созданный искусственно в 1932 г.

Архитектурная акустика

От чего зависит Конечно, от помещения, в котором он возникает.

Об этом знали еще в древности и строили храмы с учетом акустических элементов, теоретическое обоснование для которых было разработано впоследствии. Это и акустическая форма куполов, и акустические раковины.

Высота тона зависит от того, как часто колеблются источники звука. Чем больше частота колебаний тем громче звук. Самым простой вид колебаний - гармонические колебания. Чистым тоном является звук камертона.

Чистый тон - это звук, совершающий гармонические колебания одинаковой частоты. В музыкальном тоне можно на звук различит два качества - громкость и высоту.

Звуки разных источников (например разные музыкальные инструменты, человеческий голос, звуки посторонних предметов и т.д) вместе состовляют совокупность гармонических колебаний разных частот.

Основной частотой называется самая маленькая частота этого многосоставного звука, а звук который ей соответствует и он определенной высоты называется основным тоном.

Обертонами называются все остальные составляющие этого многосоставного звука (его частота может быть в несколько раз больше частоты основного тона).

Обертоны определяют тембр звука - это то, что нам позволяет различать звуки, например, мы очень легко сможем различить звук телевизора и стиральной машинки, звуки гитары и барабана и т.п.

Высоту звука еще измеряют в мелах - это шкала высот, которая позволяет устанавливать равенство высот двух звуков.

Тоном Шепарда (акустические иллюзии) называется звук, с кажущейся, то повышающейся, то понижающейся высотой.

Высота звука определяется частотой его основного тона, если частота основного тона больше, то звук громче, если частота основного тона меньше, то и звук будет тише.

Громкость звука

Громкость звука - качество слухового ощущения, которое позволяет располагать все звуки по шкале от тихих до громких.

Сон - единица громкости звука.

1 сон - эта примерная громкость приглушенного разговора, а громкость самолета - 264 сон. Звуки, обладающие еще большей громкостью, будут вызывать болевые ощущения.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний, чем она больше, тем звук будет громче.

Уровень звукового давления измеряется в белах(Б) или в децибелах(Д) - 1/10 часть бела(Б) ,и равен уровню громкости звука, который выражается в фонах.

Громкость выше 180 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки.

Шум, громкий звук, неприятный звук плохо влияют на здоровье человека это происходит из-за того, что нарушен порядк звуков разной громкости, высоты тона и тембра.

Шум - это звуки, в которых присутствуют колебания всевозможных частот.

Чтобы было звуковое ощущение, звуковая волна должна быть минимальной интенсивности, но если интенсивность будет превышать норму, то звук будет не слышен и будет вызывать только болевые ощущения.

Акустика - раздел физики, который изучает звуковые явления.

Звуки бывают двух видов: естественные и искусственные .

>>Физика: Громкость и высота звука. Эхо

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 симым 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 звука.

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.


При обычной речи в мужском голосе встречаются колебания с частотой от 100 до 7000 Гц, а в женском - от 200 до 9000 Гц. Наиболее высокочастотные колебания входят в состав звука согласной "с".

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.

С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс

Отослано читателями из интернет-сайтов

Уроки физики, программы по физике, физика рефераты, физика тесты, курс физики , учебники по физике, физика в школе , разработка уроков физика, календарно тематическое планирование по физике

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

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 1 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 , 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 основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой называется первой гармоникой , обертон со следующей частотой - 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.

Как уже упоминалось, поскольку высота звука является репрезентацией частоты звуковых колебаний, как правило, используются единицы измерения частоты - Герцы (Hz), где количество Герц, это количество колебаний в секунду:

Однако, используются и альтернативные системы измерения высоты звука, основанные на физиологическом (Барки) и психофизиологическом (Мелы) механизме его восприятия.

«Критические полосы» и Барки

Критическая полоса (ее также называют полосой равной разборчивости) - это минимальная полоса частот, которая возбуждает одну и ту же часть базилярной мембраны. В частотном промежутке от 0 до 16 кГц опытным путем были определены 24 критические полосы:

0-100 Гц,
100-200 Гц,
200-300 Гц,
300- 400 Гц,
400-510 Гц,
510-630 Гц,
630-770 Гц,
770-920 Гц,
920-1080 Гц,
1080- 1270 Гц,
1270-1480 Гц,
1480-1720 Гц,
1720-2000 Гц,
2000-2320 Гц,
2320- 2700 Гц,
2700-3150 Гц,
3150-3700 Гц,
3700-4400 Гц,
4400-5300 Гц,
5300- 6400 Гц,
6400-7700 Гц,
7700-9500 Гц,
9500-12 000 Гц
12 000-15 500 Гц

Звуковой сигнал в пределах одной и той же критической полосы как бы обобщается мозгом, создавая близкие слуховые ощущения. Если же звуковой сигнал переходит из одной критической полосы в другую, то слуховые ощущения в момент перехода заметно изменяются, потому что мозг анализирует информацию, полученную из разных критических полос, раздельно. Это не значит, что два тона, попавшие в одну критическую полосу, не различимы на слух, однако, слуховые ощущения внутри одной полосы очень близки, а в разных полосах - отличаются существенно. Участки базилярной мембраны, соответствующие критическим полосам, имеют приблизительно равную длину, которая составляет 1,2 мм на полосу.

Для удобства работы с критическими полосами существует специальная единица измерения частоты - Барк. В таблице приведены критические полосы и соответствующие им параметры:

Барк, № полосы	Критическая полоса (диапаз.), Гц	Ширина критической полосы, Гц	Центральная частота критической полосы, Гц

Измерение субъективного ощущения высоты и Мелы

На этой шкале равное изменение частоты в Мелах соответствует равному изменению ощущения высоты тона. Уже привычная нам шкала частот с единицей измерения “герц” такого свойства не имеет. Например, изменения частоты от 500 до 1000 Гц и от 1000 до 2000 Гц воспринимаются на слух слушателем, как неравные. В то же самое время звуковой сигнал с частотой 1000 мел кажется слушателю ровно в два раза “выше”, чем сигнал с частотой 500 мел, и в два раза “ниже”, чем сигнал с частотой 2000 мел. (Закон Вебера-Фехнера):

Итак, частотные параметры звука могут измеряться в Герцах, Мелах и Барках.

Герц - это единица измерения, которой удобно пользоваться при проведении спектрального анализа.

Мел и Барк - это психофизиологические акустические единицы измерения высоты тона, используемые в психоакустике при оценке субъективной высотой тона.

Как видно из графика, шкалы барков и мелов приблизительно совпадают, хотя некоторые расхождения наблюдаются в области средних частот:

В музыке используются другие шкалы для оценки высоты тона - музыкальные: полутоны, тоны, октавы и другие музыкальные интервалы. Следует отметить, что связь с психофизической шкалой высоты тона, построенной для чистых тонов, неоднозначна. До частоты примерно 5000 Гц увеличение высоты тона на октаву связано с удвоением частоты. Например, переход от ноты ля первой октавы к ноте ля второй октавы соответствует увеличению частоты от 440 до 880 Гц. Но выше частоты 5000 Гц это соответствие нарушается - чтобы получить ощущение увеличения высоты на октаву, надо увеличить соотношение частот почти в 10 раз, что следует иметь в виду при создании компьютерных композиций. Это дало основание некоторым ученым предложить две размерности высоты тона: психофизическую в мелах, пропорциональную в некоторых пределах логарифму частоты, установленную для чистых тонов (pitch height) и музыкальную, соответствующую названию нот (pitch chroma), которая может быть определена примерно до 5000 Гц. Следует отметить, что даже музыканты с абсолютным музыкальным слухом затрудняются в определении нот для звуков с частотой выше 5000 Гц. Это говорит о том, что механизмы восприятия высоты тона до 5000 Гц и выше - различны. (И. Алдошина)