Высота звука, его тембр и громкость
Высота звука — это его свойство, которое определяется частотой волны. Громкость напрямую связана с амплитудой и интенсивностью акустической волны. Тембр зависит от частоты и от интенсивности. В статье мы подробно рассмотрим все свойства звука: высоту, громкость, тембр. Узнаем, звуки каких частот воспринимает наше ухо, и что такое порог слышимости. Разберемся, почему при одной и той же высоте они имеют разную тембровую окраску.
Высота звука
Низкие звуки генерируют тела, которые колеблются с низкой частотой. Высокие получаются от высокочастотной вибрации. Примером, демонстрирующим зависимость высоты звука от частоты, является флексатон. Это музыкальный инструмент, который состоит из металлической рамки и прикрепленной к ее основанию гибкой пластинки. Пластинку отгибают пальцем, и получается звук. Чем быстрее она дрожит, тем выше тон.
Способность человека воспринимать определенные частоты ограничена диапазоном слышимости. Вот его границы: от 20 герц (Гц) до 20 000 Гц. Все, что выше, называется ультразвуком, ниже — инфразвуком. Диапазон зависит от возраста и индивидуальных особенностей восприятия, поэтому его границы могут незначительно сужаться и расширяться.
Громкость
Еще одно свойство звука — это громкость. Если мы ударим молоточком по камертону, то мелодия со временем, конечно, будет затихать. Как при этом ведут себя ножки камертона? Амплитуда их уменьшается, такие колебания называются затухающими. Значит, громкость как-то связана с амплитудой. Будет точнее, если сказать, что громкость зависит от энергии, которую переносит акустическая волна. Физика звука такова, что упругая волна благодаря обладанию энергией заставляет нашу барабанную перепонку колебаться и воспринимать шум. Энергию акустической волны можно охарактеризовать с помощью физической величины — интенсивности.
Интенсивность
Звук — это ощущение, которое обладает такой закономерностью. Увеличим на генераторе частот интенсивность в 10 раз, а потом еще в 10 раз. При каждом изменении будет ощущение, что громкость возросла на одно и то же число.
Чтобы охарактеризовать громкость звука, физики ввели величину уровня громкости (β, дБ). Порогу слышимости I0 соответствует уровень громкости в 0 децибел. 10 I0 — соответствует 10 дБ. Интенсивности в 100 порогов слышимости 100 I0 соответствует 20 дБ, в 1000 — 30 дБ. Если уровень громкости повысился на 10 децибел, это значит, что интенсивность звуковой волны возросла в 10 раз.
Тембр
Воспроизведем несколько звуков, высота которых одинакова, но сами они имеют разный тембр. Ударим молоточком по камертону частотой 440 Гц и возьмем на гитаре ноту «ля». Оба инструмента звучат примерно на одинаковой частоте, но их сложно перепутать. Почему так?
Чтобы исследовать эти звуки, воспользуемся микрофоном и компьютером. На компьютере установлена программа, которая передает сигнал от микрофона и рисует траекторию движения волны.
На графике видно гармонические колебания, которые создает камертон. Осциллограмма показывает, как со снижением громкости уменьшается амплитуда колебаний. Программа позволяет увидеть, какие частоты присутствуют в этом звуке.
Извлечем с помощью гитарной струны ноту «ля». График демонстрирует, что частота звуковой волны (высота звука) та же самая, но форма колебаний отличается. Видны искажения гармонической формы, особенно, когда звук громкий.
По мере того, как он становится тише, колебания приближаются к гармоническим. Пока струна еще звучит звонко, получаются периодические колебания, но они отнюдь не гармонические. В звуке гитары, в отличие от камертона, содержится целый набор частот. Более высокие призвуки называются обертонами. Тембр определяется их количеством и интенсивностью. Если воспроизвести перед микрофоном звук «ш-ш-ш», получатся не гармонические, а хаотические колебания.
Характеристики звука
Описание разработки
Важнейшими характеристиками звука являются громкость, высота тона и тембр. Эти субъективные характеристики связаны с объективными физическими величинами – с амплитудой (интенсивностью звука), частотой колебаний и спектром соответственно.
1. Субъективные характеристики звука
Субъективные характеристики – это параметры звукового ощущения, которое возникает у человека при воздействии звуковых волн (высота тона, громкость звука, тембр).
Громкостью называют субъективное качество, определяющее силу слухового ощущения, вызываемого звуком у слушателя. Чем больше амплитуда колебаний, тем звук громче (чем меньше амплитуда колебаний, тем звук тише). Однако громкость не определяется только амплитудой силы звука, так как она зависит от частотного состава звукового сигнала, от условий его восприятия и длительности воздействия.
Звук будет тем громче, чем больше упругость среды распространения. Например, на высоких горах, где воздух более разрежен, громкость звука от одного и того же источника будет меньше, чем у подножья горы.
В акустике для количественной оценки громкости применяют метод субъективного сравнения измеряемого звука с эталонным, в качестве которого применяется синусоидальный тон частотой 1кГц. В процессе сравнения уровень эталонного тона изменяют до тех пор, пока эталонный и измеряемый звуки станут восприниматься человеком равногромкими.
Субъективную меру частоты колебаний звука называют высотой звука. Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, звуки низкой частоты – как звуки низкого тона.
Звуковые колебания, не подчиняющиеся гармоническому закону, воспринимаются человеком как сложный звук, обладающий тембром. Тембр помогает нам отличить звук одного музыкального инструмента от другого.
Натуральные звуки, с которыми мы сталкиваемся в жизни, практически никогда не бывают «чистыми» синусоидальными тонами: источник вместе с основным колебанием излучает волны с частотами в 2, 3, 4, 5 и т.д. раз большими основной частоты. По принятой в музыкально акустике терминологии эти колебания называются, соответственно, основным тоном и обертонами: 1–м, 2–м, 3–м, 4–м и т.д. В физике используется иная терминология: основной тон называют 1–й гармоникой, а обертоны называют высшими гармониками 2–й, 3–й, 4–й и т.д. по порядку.
Тембр – это звук, в котором присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд.
Основной тон определяет высоту звука, обертоны, накладываясь в определенных соотношениях, придают звуку специфическую окраску – тембр.
Можно сказать, что тембр определяется величиной амплитуд отдельных гармоник (т.е. зависит от числа высших гармоник и отношения их амплитуд к амплитуде основной гармоники и не зависит от фаз высших гармоник).
У различных музыкальных инструментов относительные амплитуды разных обертонов оказываются различными. Если на фортепиано, а затем на гобое взять ноту одинаковой громкости и одной высоты (предположим «до» первой октавы), получившиеся звуки будут различаться. Отличать звук одного инструмента от другого нам помогает тембр (тональная окраска звука). У различных музыкальных инструментов относительные амплитуды разных обертонов оказываются различными.
Содержимое разработки
УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ЛУГАНСКОЙ ОБЛАСТНОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АДМИНИСТРАЦИИ
КУ «ЛУГАНСКАЯ ОБЛАСТНАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЕЖИ»
автор – составитель : А. С. Воронкин
Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И З В У К А
7.2. Объективные характеристики звука
7.2.2. Частота звуковых колебаний. Интервалы в музыке
7.2.3. Гармонический спектр сложного колебания
7.3. Логарифмический закон восприятия Вебера–Фехнера. Уровень громкости звука
Х а р а к т е р и с т и к и з в у к а
Важнейшими характеристиками звука являются громкость, высота тона и тембр. Эти субъективные характеристики связаны с объективными физическими величинами – с амплитудой (интенсивностью звука), частотой колебаний и спектром соответственно
Объективные и субъективные характеристики звука
7.1 . Субъективные характеристики звука
Субъективные характеристики – это параметры звукового ощущения, которое возникает у человека при воздействии звуковых волн (высота тона, громкость звука, тембр).
Громкостью называют субъективное качество, определяющее силу слухового ощущения, вызываемого звуком у слушателя. Чем больше амплитуда колебаний, тем звук громче (чем меньше амплитуда колебаний, тем звук тише).
Однако громкость не определяется только амплитудой силы звука, так как она зависит от частотного состава звукового сигнала, от условий его восприятия и длительности воздействия.
В акустике для количественной оценки громкости применяют метод субъективного сравнения измеряемого звука с эталонным, в качестве которого применяется синусоидальный тон частотой 1кГц. В процессе сравнения уровень эталонного тона изменяют до тех пор, пока эталонный и измеряемый звуки станут восприниматься человеком равногромкими.
Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, воспринимаются человеком как определенный музыкальный то н. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона , звуки низкой частоты – как звуки низкого тона.
Звуковые колебания, не подчиняющиеся гармоническому закону, воспринимаются человеком как сложный звук, обладающий тембром . Тембр помогает нам о тличить звук одного музыкального инструмента от другого.
Натуральные звуки, с которыми мы сталкиваемся в жизни, практически никогда не бывают «чистыми» синусоидальными тонами : источник вместе с основным колебанием излучает волны с частотами в 2, 3, 4, 5 и т.д. раз большими основной частоты. По принятой в музыкально акустике терминологии эти колебания называются, соответственно, основным тоном и обертонами: 1 – м, 2 – м, 3 – м, 4 – м и т.д. В физике используется иная терминология: основной тон называют 1 – й гармоникой, а обертоны называют высшими гармониками 2 – й, 3 – й, 4 – й и т.д. по порядку.
Тембр – это звук, в котором присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд.
Можно сказать, что тембр определяется величиной амплитуд отдельных гармоник (т.е. зависит от числа высших гармоник и отношения их амплитуд к амплитуде основной гармоники и не зависит от фаз высших гармоник).
Способ звукоизвлечения также влияет на качество звука.
Например, перебирая струны скрипки, мы получим совсем иной звук, чем тогда, когда водим по струнам смычком. Спектр звука в самом начале (например, в момент удара молоточка по струне фортепиано) или в конце звучания ноты может значительно отличаться от спектра звука при дальнейшем звучании ноты.
Относительные интенсивности гармоник в спектре звуковых волн камертона (1)
и фортепиано (2), которые звучат на ноте «ля» контроктавы ( f 1 = 220 Гц)
1) узкополосные шумы (которыми сопровождаются звуки всех музыкальных инструментов). Шумы имеют непрерывный спектр. Например, играя на флейте, музыкант возбуждает не только периодический музыкальный тон, но и шум от вдувания воздуха. Из этого шума флейта, как акустический резонатор, выделяет узкую полосу вблизи основного тона. Этот узкополосный шум смешивается с основным тоном, благодаря чему звук флейты приобретает присущую ему выразительность.
Объективные характеристики – это параметры звуковой волны, которые задает источник звука (интенсивность, частота и акустический спектр).
Чистые тоны субъективно воспринимаются громкими или тихими в зависимости от силы – интенсивности звука. Сила звука зависит от свойств звучащего тела, от среды, в которой звук распространяется, от местонахождения слушающего по отношению к источнику звука.
Человек начинает слышать при силе звука равной некоторой величине, называемой порогом слышимости (или слуховым порогом). Более слабые звуки слухового ощущения не вызывают.
При увеличении силы звука достигается нормальная слышимость, а затем при еще больших амплитудах звуковых колебаний к воспринимаемому звуку добавляется осязаемое ощущение давления.
При дальнейшем росте силы звука раздражение органа слуха становится болезненным. Так называемый болевой порог ограничивает область слышимости при больших уровнях интенсивности.
На рисунке изображены значения силы звука и соответствующие им звуковые давления, при которых звуковые сигналы с различными частотами становятся едва слышимыми. На этом же рисунке обозначен и болевой порог.
Порог слышимости на частоте 1 кГц соответствует силе звука :
Напомним, что количество колебаний воздуха в секунду называется частотой звука.
Например, диапазон частот органа – от 16,4 до 8372 Гц, фортепиано – от 27,5 до 3520 Гц, клавесина – от 87 до 1400 Гц, акустической гитары – от 81 до 1300 Гц, арфы – от 34,6 до 3320 Гц.
Диапазон частот некоторых музыкальных инструментов
Благодаря суперпозиции сложение колебаний приводит к более сложным формам колебаний. Для практических целей бывает необходимой противоположенная операция: разложение сложного колебания на простые, обычно гармонические, колебания.
Фурье показал, что периодическая функция любой сложности может быть представлена в виде суммы гармонических функций, частоты которых кратны частоте сложной периодической функции.
На рисунке приведена временная функция (осциллограмма) созвучия скрипки.
Распознать по этому графику основной тон колебания очень трудно.
Наример, нота « ля» кларнета имеет гармоники той же частоты, что и нота « ля» пианино, но с другими амплитудами, поэтому тембр звуков неодинаков.
Осциллограмма тона частотой 2 кГц (программа Audacity 1.2.6)
Амплитудно-частотный спектр синусоидального тона с частотой 2кГц
7 . 3 . Логарифмический закон восприятия Вебера–Фехнера. Уровень громкости звука
Эрнст Генрих Вебер
Согласно психофизическому закону Вебера–Фехнера слух одинаково оценивает равные относительные изменения силы звука (при росте в геометрической прогрессии интенсивности раздражения, интенсивность восприятия растет в арифметической прогрессии).
Густав Теодор Фехнер
Это объясняется логарифмическим законом восприятия – ощущение пропорционально логарифму раздражения (ощущение изменения громкости пропорционально не изменениям силы звука, а логарифму этих величин):
где L – воспринимаемое изменение громкости (уровень интенсивности звука),
I 1 и I 2 – сила звука соответственно до и после его изменения,
С – коэффициент пропорциональности,
lg – десятичный логарифм.
Эта запись равнозначна следующей:
Для пояснения физиологической значимости логарифмического закона восприятия изобразим график логарифмической функции L = C ·lgI. При малых аргументах I функция L = C ·lgI растет довольно быстро с увеличением аргумента. Это означает, что небольшое увеличение малой интенсивности (на величину ∆ I ) приводит к значительному увеличению громкости (на величину ∆ L 1 ) – как только интенсивность звука немного превысила пороговое значение, уже возникает слуховое ощущение. Если же интенсивность звука велика, то ее дальнейшее увеличение на ту же величину ∆ I дает малый прирост громкости (на величину ∆ L 2 ) – при большой интенсивности звук хорошо слышен и дальнейшее увеличение интенсивности звука на возрастание ощущения громкости сказывается существенно слабее.
Итак, если сила звука увеличится в 100 раз то субъективное ощущение громкости изменится пропорционально 2 (при С=1), т.к. lg(100)=2; если это изменение – 1000, то громкость возрастет пропорционально lg(1000)=3. Принято измерять увеличение или уменьшение силы звука в специальных логарифмических единицах – «белах» [Б] (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона) :
Небольшие изменения звуковых уровней измеряют в долях Бела. На практике в основном используется единица измерения, равная десятой части Бела – децибел (1 дБ=0,1 Б). Изменение уровня силы звука, выраженное в дБ, равно численному значению десятичного логарифма отношения сравниваемых уровней интенсивностей, умноженному на 10 (С=10):
В качестве I 1 обычно берется порог слышимости, т.е. интенсивность самого тихого звука, который способен слышать средний человек
Однако, громкость не может быть охарактеризована только величиной силы звука, так как на восприятие громкости человеком влияет частотный состав звукового сигнала. На практике используют относительную величину, называемую уровнем громкости (громкостью).
Уровень громкости выражается в фонах и численно равен уровню звукового давления (в децибелах – дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц равногромким данному звуку.
С помощью этой диаграммы можно определить уровень громкости чистого тона какой-либо частоты, зная уровень создаваемого им звукового давления.
Кривые равной громкости
(международный стандарт ISO 226:2003 )
Если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон (данный звук имеет уровень громкости 50 фон).
Поворачивая регулятор громкости в сторону увеличения, мы начинаем лучше различать басы и верхние частоты. Напротив, если снизить громкость до такого уровня, когда звук едва слышен, то различаются только средние частоты.
Для усиления басов и верхних частот в аппаратуре среднего класса часто используется кнопка » тонкомпенсация » ( l oudness), что позволяет компенсировать пониженную восприимчивость уха к ним при малой громкости звука.
В гортани между передним и задним хрящами натянуты голосовые связки. При спокойном дыхании они вялы и между ними образуется широкая щель для свободного прохождения воздуха.
Звуковые волны, образующиеся в голосовой щели, сложны и представляют собой наложение большого числа всевозможных тонов.
Когда мы меняем форму рта, мы даем преимущество гармоникам одних частот над другими. Благодаря этому мы произносим различно звуки, например «а», «е», «и», «о» и т.д.
Конфигурации рта и глотки при произнесении звуков « э» и « а»
7.4.2. Слуховой аппарат человека
Почему человек слышит звуки только в диапазоне 20-20000 Гц?
Орган слуха состоит из наружного, среднего и внутреннего уха.
Наружное ухо состоит из ушной раковины, наружного слухового прохода и барабанной перепонки.
Внутреннее ухо – это полость, свернутая улиткой и заполненная жидкостью. Внутреннее ухо соединено со средним с помощью овального окна, в котором неподвижно укреплена подножная пластинка стремечка.
Среднее ухо – небольшая полость, заполненная воздухом (+ цепь соединенных между собой косточек: молоточка, наковальни и стремечка).
Ушная раковина по форме напоминает ребенка, лежащего в утробе матери вниз головой.
Ушная раковина по форме напоминает ребенка, лежащего в утробе матери вниз головой.
Считается, что ушная раковина связана со всеми внутренними органами и системами организма (в медицине успешно применяется ухоиглотерапия).
Наружный слуховой проход и барабанная перепонка
Наружный слуховой проход имеет длину 21–27 мм, диаметр – 6–8 мм. В приближении можно считать трубочкой, закрытой с внутренней стороны барабанной перепонкой (его функция состоит в проведении звуковых колебаний к барабанной перепонке). Он играет роль резонатора, имеющего собственную частоту колебаний, равную 3000 Гц.
Наружный слуховой проход
В слуховом проходе и вблизи барабанной перепонки температура и влажность остаются постоянными независимо от изменений этих показателей в окружающей среде, что особенно необходимо для сохранения упругих свойств барабанной перепонки.
Давление воздушного пространства в полости среднего уха близко к атмосферному, что служит необходимым условием для нормальных колебаний барабанной перепонки.
Уравниванию давления способствует специальное образование, названное евстахиевой трубой, которая соединяет носоглотку с полостью среднего уха. Уравнивание давления в полости среднего уха происходит во время акта глотания, когда стенки евстахиевой трубы расходятся и атмосферный воздух попадает в барабанную полость. Это особенно важно и в случае с резким перепадом давления (при подъеме или спуске на самолете, в скоростном лифте).
Схематическое изображение уха человека в разрезе: 1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4 – евстахиева труба, 5 – молоточек, 6 – наковальня, 7 – стремечко, 8 – овальное окно, 9 – круглое окно, 10 – улитка (спиралевидный туннель)
Перепады давления в среднем ухе повторяют перепады давления в звуковой волне и передаются дальше – во внутреннее ухо.
Основная причина снижения слуха у пожилых людей – возрастная дегенерация и гибель волосковых клеток.
Потерю слуха можно компенсировать с помощью различных слуховых аппаратов.
Так Бетховен, чтобы слышать музыку, зажимал в зубах палочку и прикладывал ее к деке рояля. В 1900 году Поладио предложил очень похожий слуховой аппарат. Он состоял из деревянной палочки длиной 0,5 метра, на одном конце ее было металлическое полукольцо, которое надевалось на гортань говорящего, а другой конец оканчивался кружочком, который глухой должен был сжимать зубами.
Для усиления звука в начале XX века предлагался даже фонограф. Его укрепляли на лбу больного. Нижний конец трубки фонографа, закрытый мембраной, имел в центре овальное отверстие, которое передавало во время речи колебания костям черепа.
Первый электрический слуховой аппарат изготовил в 1875 году американский изобретатель Александр Грехем Белл. На основе слухового аппарата через год был создан телефон.
