Высота звука, его громкость и тембр
Наше восприятие высоты звука и других его свойств определяется характеристиками акустической волны. Это те же характеристики, что присущи любой механической волне, а именно период, частота, амплитуда колебаний. От длины и скорости волны субъективные ощущения от звука не зависят. В статье мы разберем физику звука. Высота и тембр — чем они определяются? Почему одни звуки мы воспринимаем громкими, а другие — тихими? Ответы на эти и другие вопросы будут даны в статье.
Высота звука
От чего зависит высота? Чтобы разобраться с этим, проведем простой опыт. Возьмем гибкую длинную линейку, лучше алюминиевую.
Прижмем ее к столу, сильно выдвинув край. Ударим пальцем по свободному краю линейки — она задрожит, но ее движение будет беззвучным. Теперь придвинем линейку к себе поближе, так, чтобы за край столешницы выступала меньшая ее часть. Снова ударим по линейке. Ее край завибрирует намного быстрее и с меньшей амплитудой, а мы услышим характерный звук. Делаем вывод: для того, чтобы возник звук, частота колебаний должна быть не меньше определенной величины. Нижняя граница диапазона звуковых частот — 20 Гц, а верхняя — 20 000 Гц.
Продолжим опыт. Укоротим свободный край линейки еще больше, снова приведем ее в движение. Заметно, что звук изменился, стал выше. О чем свидетельствует эксперимент? Он доказывает зависимость высоты звука от частоты и амплитуды колебаний его источника.
Громкость звука
Для изучения громкости воспользуемся камертоном — специальным инструментом для изучения свойств звука. Существуют камертоны с разной длиной ножек. Они вибрируют, если ударить по прибору молоточком. Большие камертоны колеблются медленнее и издают низкий звук. Маленькие вибрируют часто и отличаются высотой звука.
Ударим по камертону и прислушаемся. Звук со временем слабеет. Почему так происходит? Громкость звука затухает из-за уменьшения амплитуды колебания ножек прибора. Они вибрируют не так сильно, а это значит, что уменьшается и амплитуда колебаний молекул воздуха. Чем она ниже, тем более тихим выходит звук. Это утверждение верно для звуков одинаковой частоты. Получается, что и высота, и громкость звука зависят от амплитуды волны.
Восприятие звуков разной громкости
Из вышесказанного складывается впечатление, что чем громче звук, тем четче мы его слышим, тем более тонкие изменения мы можем уловить. Это не так. Если заставить тело колебаться с очень большой амплитудой, но малой частотой, то такой звук будет плохо различим. Дело в том, что во всем диапазоне слышимости (20-20 тыс. Гц) наше ухо лучше всего различает звуки около 1 КГц. Слух человека наиболее чувствителен к этим частотам. Такие звуки кажутся нам самыми громкими. Сигналы оповещения, сирены настроены именно на 1 КГц.
Уровень громкости разных звуков
В таблице представлены распространенные звуки и их громкость в децибелах.
| Вид шума | Уровень громкости, дБ |
| Спокойное дыхание | 0 |
| Шепот, шорох листвы | 10 |
| Тиканье часов, расположенных на расстоянии 1 м | 30 |
| Обычный разговор | 45 |
| Шум в магазине, разговор в офисном помещении | 55 |
| Звук улицы | 60 |
| Громкий разговор | 65 |
| Шум типографского цеха | 74 |
| Легковой автомобиль | 77 |
| Автобус | 80 |
| Машиностроительный станок | 80 |
| Громкий крик | 85 |
| Мотоцикл с глушителем | 85 |
| Токарный станок | 90 |
| Металлургическое предприятие | 99 |
| Оркестр, вагон метро | 100 |
| Компрессорная станция | 100 |
| Бензопила | 105 |
| Вертолет | 110 |
| Гром | 120 |
| Реактивный двигатель | 120 |
| Клепка, рубка стали (такая громкость равна болевому порогу) | 130 |
| Самолет на старте | 130 |
| Старт ракеты (вызывает контузию) | 145 |
| Звук от выстрела среднекалиберного ружья возле дула (приводит к травмам) | 150 |
| Сверхзвуковой самолет (такая громкость приводит к травмам и болевому шоку) | 160 |
Тембр
Высота и громкость звука определяются, как мы выяснили, частотой и амплитудой волны. Тембр не зависит от этих характеристик. Возьмем два источника звука одинаковой высоты, чтобы понять, почему они имеют разный тембр.
Первым инструментом будет камертон, звучащий на частоте 440 Гц (это нота ля первой октавы), вторым — флейта, третьим — гитара. Музыкальными инструментами воспроизведем ту же ноту, на которой звучит камертон. Все три имеют одну высоту, но все таки звучат по-разному, отличаются тембром. В чем причина? Все дело в особенностях колебаний звуковой волны. Движение, которое совершает акустическая волна сложных звуков, называется негармоническим колебанием. Волна на разных участках колеблется с разной силой и частотой. Эти дополнительные призвуки, которые отличаются по громкости и высоте, называются обертонами.
Не стоит путать высоту и тембр. Физика звука такова, что если «подмешать» к основному звуку дополнительные, более высокие, получим то, что называется тембром. Он определяется громкостью и количеством обертонов. Частота обертонов кратна частоте самого низкого тона, т. е. она больше в целое число раз — в 2, 3, 4 и т. д. Самый низкий тон называется основным, именно он определяет высоту, а обертоны влияют на тембровую окраску.
Есть звуки, вообще не содержащие обертонов, например камертон. Если изобразить движение его звуковой волны на графике, получится синусоида. Такие колебания называют гармоническими. Камертон издает только основной тон. Подобное звучание часто называют скучным, бесцветным.
Когда в звуке много высокочастотных обертонов, он получается резким. Низкие обертоны придают звучанию мягкость, бархатистость. Каждый музыкальный инструмент, голос имеет свой набор обертонов. Именно совокупность основного тона и обертонов придает неповторимое звучание, наделяет звук определенной тембровой окраской.