Vyskytuje sa v plynných, kvapalných a pevných médiách, ktoré po dosiahnutí ľudských sluchových orgánov vnímajú ako zvuk. Frekvencia týchto vĺn leží v rozsahu od 20 do 20 000 kmitov za sekundu. Dávame vzorce pre zvukovú vlnu a podrobnejšie zvažujeme jej vlastnosti.

Prečo sa objavuje zvuková vlna?

Mnoho ľudí sa pýta, čo je to zvuková vlna. Povaha zvuku spočíva vo výskyte porúch v elastickom prostredí. Napríklad, keď v určitom objeme vzduchu dôjde k poruche tlaku vo forme kompresie, táto oblasť má tendenciu sa šíriť v priestore. Tento proces vedie k stlačeniu vzduchu v oblastiach susediacich so zdrojom, ktoré majú tiež tendenciu expandovať. Tento proces pokrýva stále väčšiu časť priestoru, kým nedosiahne nejaký prijímač, napríklad ľudské ucho.

Všeobecné charakteristiky zvukových vĺn

Zamyslite sa nad otázkami, čo je to zvuková vlna a ako ju vníma ľudské ucho. Zvuková vlna je pozdĺžna, keď vstúpi do ušnej mušle, spôsobí, že bubienok vibruje s určitou frekvenciou a amplitúdou. Tieto výkyvy môžete tiež znázorniť ako periodické zmeny tlaku v mikroobjeme vzduchu susediaceho s membránou. Najprv sa zvyšuje v porovnaní s normálnym atmosférickým tlakom a potom klesá, pričom sa riadi matematickými zákonmi harmonického pohybu. Amplitúda zmien stlačenia vzduchu, to znamená rozdiel medzi maximálnym alebo minimálnym tlakom vytvoreným zvukovou vlnou, s atmosférickým tlakom, je úmerná amplitúde samotnej zvukovej vlny.

Mnohé fyzikálne experimenty ukázali, že maximálny tlak, ktorý ľudské ucho dokáže vnímať bez toho, aby mu uškodilo, je 2800 µN/cm 2 . Pre porovnanie povedzme, že atmosférický tlak v blízkosti zemského povrchu je 10 miliónov µN/cm 2 . Vzhľadom na úmernosť tlaku a amplitúdy kmitov môžeme povedať, že táto hodnota je nevýznamná aj pre najsilnejšie vlny. Ak hovoríme o dĺžke zvukovej vlny, potom pri frekvencii 1000 vibrácií za sekundu to bude tisícina centimetra.

Najslabšie zvuky vytvárajú kolísanie tlaku rádovo 0,001 μN / cm 2, zodpovedajúca amplitúda kmitov vĺn pre frekvenciu 1000 Hz je 10 -9 cm, zatiaľ čo stredný priemer molekúl vzduchu je 10 -8 cm, tj. ľudské ucho je mimoriadne citlivý orgán.

Pojem intenzity zvukových vĺn

Z geometrického hľadiska je zvuková vlna vibráciou určitej formy, ale z fyzikálneho hľadiska je hlavnou vlastnosťou zvukových vĺn ich schopnosť prenášať energiu. Najdôležitejším príkladom prenosu energie vĺn je slnko, ktorého vyžarované elektromagnetické vlny dodávajú energiu celej našej planéte.

Intenzita zvukovej vlny vo fyzike je definovaná ako množstvo energie prenášanej vlnou cez jednotkový povrch, ktorý je kolmý na šírenie vlny, a za jednotku času. Stručne povedané, intenzita vlny je jej výkon prenášaný cez jednotku plochy.

Sila zvukových vĺn sa zvyčajne meria v decibeloch, ktoré sú založené na logaritmickej stupnici, vhodnej na praktickú analýzu výsledkov.

Intenzita rôznych zvukov

Nasledujúca decibelová stupnica poskytuje predstavu o význame rôznych a o pocitoch, ktoré spôsobuje:

• prah nepríjemných a nepríjemných pocitov začína na 120 decibeloch (dB);
• nitovacie kladivo vytvára hluk 95 dB;
• vysokorýchlostný vlak - 90 dB;
• ulica s hustou premávkou - 70 dB;
• hlasitosť bežnej konverzácie medzi ľuďmi - 65 dB;
• moderné auto pohybujúce sa miernou rýchlosťou vytvára hluk 50 dB;
• priemerná hlasitosť rádia - 40 dB;
• tichý rozhovor - 20 dB;
• hluk listov stromov - 10 dB;
• minimálna prahová hodnota citlivosti ľudského zvuku je blízka 0 dB.

Citlivosť ľudského ucha závisí od frekvencie zvuku a je maximálnou hodnotou pre zvukové vlny s frekvenciou 2000-3000 Hz. Pre zvuk v tomto frekvenčnom rozsahu je spodná hranica ľudskej citlivosti 10 -5 dB. Vyššie a nižšie frekvencie ako stanovený interval vedú k zvýšeniu spodnej hranice citlivosti tak, že človek počuje frekvencie blízke 20 Hz a 20 000 Hz len pri ich intenzite niekoľkých desiatok dB.

Čo sa týka hornej hranice intenzity, po ktorej prekročení začína zvuk človeku spôsobovať nepríjemnosti až bolesť, treba povedať, že prakticky nezávisí od frekvencie a pohybuje sa v rozmedzí 110-130 dB.

Geometrické charakteristiky zvukovej vlny

Skutočná zvuková vlna je komplexný oscilačný balík pozdĺžnych vĺn, ktorý možno rozložiť na jednoduché harmonické kmity. Každá takáto oscilácia je opísaná z geometrického hľadiska nasledujúcimi charakteristikami:

1. Amplitúda - maximálna odchýlka každého úseku vlny od rovnováhy. Táto hodnota je označená ako A.
2. Obdobie. Toto je čas, ktorý potrebuje jednoduchá vlna na dokončenie svojej úplnej oscilácie. Po tomto čase začne každý bod vlny opakovať svoj oscilačný proces. Obdobie sa zvyčajne označuje písmenom T a meria sa v sekundách v sústave SI.
3. Frekvencia. Ide o fyzikálnu veličinu, ktorá ukazuje, koľko kmitov daná vlna urobí za sekundu. To znamená, že vo svojom význame ide o hodnotu inverznú k obdobiu. Označuje sa f. Pre frekvenciu zvukovej vlny je vzorec na jej určenie z hľadiska periódy nasledujúci: f = 1/T.
4. Vlnová dĺžka je vzdialenosť, ktorú prekoná za jednu periódu oscilácie. Geometricky je vlnová dĺžka vzdialenosť medzi dvoma najbližšími maximami alebo dvoma najbližšími minimami na sínusovej krivke. Dĺžka kmitania zvukovej vlny je vzdialenosť medzi najbližšími oblasťami stlačenia vzduchu alebo najbližšími miestami jeho zriedenia v priestore, kde sa vlna pohybuje. Zvyčajne sa označuje gréckym písmenom λ.
5. Rýchlosť šírenia zvukovej vlny je vzdialenosť, cez ktorú sa oblasť kompresie alebo oblasť riedenia vlny šíri za jednotku času. Táto hodnota je označená písmenom v. Pre rýchlosť zvukovej vlny platí vzorec: v = λ*f.

Geometria čistej zvukovej vlny, teda vlny konštantnej čistoty, sa riadi sínusovým zákonom. Vo všeobecnom prípade je vzorec zvukovej vlny: y = A*sin(ωt), kde y je hodnota súradnice daného bodu vlny, t je čas, ω = 2*pi*f je cyklický frekvencia oscilácií.

aperiodický zvuk

Mnoho zdrojov zvuku možno považovať za periodické, napríklad zvuk hudobných nástrojov ako gitara, klavír, flauta, ale v prírode existuje aj veľké množstvo zvukov, ktoré sú aperiodické, to znamená, že zvukové vibrácie menia svoju frekvenciu a tvar. vo vesmíre. Odborne sa tento druh zvuku nazýva hluk. Živými príkladmi aperiodického zvuku sú mestský hluk, zvuk mora, zvuky bicích nástrojov, napríklad bubna a iné.

Médium šírenia zvuku

Na rozdiel od elektromagnetického žiarenia, ktorého fotóny na svoje šírenie nepotrebujú žiadne hmotné médium, charakter zvuku je taký, že na jeho šírenie je potrebné určité médium, čiže podľa fyzikálnych zákonov sa zvukové vlny nemôžu šíriť vo vákuu.

Zvuk sa môže šíriť v plynoch, kvapalinách a pevných látkach. Hlavné charakteristiky zvukovej vlny šíriacej sa v médiu sú tieto:

• vlna sa šíri lineárne;
• šíri sa rovnako vo všetkých smeroch v homogénnom prostredí, to znamená, že zvuk sa odchyľuje od zdroja a vytvára ideálny guľový povrch.
• bez ohľadu na amplitúdu a frekvenciu zvuku sa jeho vlny v danom prostredí šíria rovnakou rýchlosťou.

Rýchlosť zvukových vĺn v rôznych médiách

Rýchlosť šírenia zvuku závisí od dvoch hlavných faktorov: od prostredia, v ktorom sa vlna šíri a od teploty. Vo všeobecnosti platí pravidlo: čím je médium hustejšie a čím je jeho teplota vyššia, tým rýchlejšie sa v ňom šíri zvuk.

Napríklad rýchlosť šírenia zvukovej vlny vo vzduchu v blízkosti zemského povrchu pri teplote 20 ℃ a vlhkosti 50 % je 1235 km/h alebo 343 m/s. Vo vode sa pri danej teplote zvuk šíri 4,5-krát rýchlejšie, teda asi 5735 km/h alebo 1600 m/s. Čo sa týka závislosti rýchlosti zvuku od teploty vo vzduchu, tá sa zvyšuje o 0,6 m/s s nárastom teploty o každý stupeň Celzia.

Zafarbenie a tón

Ak necháte strunu alebo kovovú platňu voľne vibrovať, budú produkovať zvuky rôznych frekvencií. Je veľmi zriedkavé nájsť teleso, ktoré by vydávalo zvuk jednej konkrétnej frekvencie, zvyčajne má zvuk objektu súbor frekvencií v určitom intervale.

Zafarbenie zvuku je určené počtom harmonických v ňom prítomných a ich príslušnými intenzitami. Timbre je subjektívna hodnota, to znamená, že ide o vnímanie znejúceho objektu konkrétnou osobou. Timbre sa zvyčajne vyznačuje týmito prídavnými menami: vysoký, brilantný, zvučný, melodický atď.

Tón je zvukový vnem, ktorý umožňuje klasifikovať ho ako vysoký alebo nízky. Táto hodnota je tiež subjektívna a nedá sa zmerať žiadnym prístrojom. Tón je spojený s objektívnou veličinou - frekvenciou zvukovej vlny, ale nie je medzi nimi jednoznačný vzťah. Napríklad pri jednofrekvenčnom zvuku konštantnej intenzity tón stúpa so zvyšujúcou sa frekvenciou. Ak frekvencia zvuku zostane konštantná a jeho intenzita sa zvýši, tón sa zníži.

Tvar zdrojov zvuku

V súlade s tvarom tela, ktoré vykonáva mechanické vibrácie a tým vytvára vlny, existujú tri hlavné typy:

1. bodový zdroj. Produkuje zvukové vlny, ktoré majú guľový tvar a rýchlo sa rozpadajú so vzdialenosťou od zdroja (približne 6 dB, ak sa vzdialenosť od zdroja zdvojnásobí).
2. riadkový zdroj. Vytvára valcovité vlny, ktorých intenzita klesá pomalšie ako z bodového zdroja (pri každom zdvojnásobení vzdialenosti od zdroja sa intenzita znižuje o 3 dB).
3. Plochý alebo dvojrozmerný zdroj. Vytvára vlny len v určitom smere. Príkladom takéhoto zdroja môže byť piest pohybujúci sa vo valci.

Elektronické zdroje zvuku

Na vytvorenie zvukovej vlny používajú elektronické zdroje špeciálnu membránu (reproduktor), ktorá vykonáva mechanické vibrácie v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie. Medzi takéto zdroje patria:

• prehrávače rôznych diskov (CD, DVD a iné);
• kazetové magnetofóny;
• Rádiové prijímače;
• televízory a niektoré ďalšie.

18. februára 2016

Svet domácej zábavy je dosť pestrý a môže zahŕňať: sledovanie filmu na dobrom systéme domáceho kina; zábavné a návykové hranie alebo počúvanie hudby. Spravidla si v tejto oblasti každý nájde to svoje, prípadne skombinuje všetko naraz. Ale bez ohľadu na to, aké ciele má človek pri organizovaní voľného času a do akého extrému ide, všetky tieto prepojenia pevne spája jedno jednoduché a zrozumiteľné slovo – „zvuk“. Naozaj, vo všetkých týchto prípadoch nás bude viesť zvuková stopa. Táto otázka však nie je taká jednoduchá a triviálna, najmä v prípadoch, keď existuje túžba dosiahnuť vysokokvalitný zvuk v miestnosti alebo v iných podmienkach. Na to nie je vždy potrebné kupovať drahé hi-fi alebo hi-end komponenty (aj keď to bude veľmi užitočné), ale postačia dobré znalosti fyzikálnej teórie, ktoré môžu eliminovať väčšinu problémov, ktoré nastanú pre každého ktorý si dal za cieľ získať kvalitný hlasový prejav.

Ďalej sa budeme zaoberať teóriou zvuku a akustiky z hľadiska fyziky. V tomto prípade sa ho pokúsim čo najviac sprístupniť pre pochopenie každého človeka, ktorý má možno ďaleko od poznania fyzikálnych zákonov či vzorcov, no napriek tomu vášnivo sníva o realizácii sna o vytvorení dokonalej akustiky. systém. Nedovolím si tvrdiť, že na dosiahnutie dobrých výsledkov v tejto oblasti doma (alebo napríklad v aute) je potrebné tieto teórie dôkladne poznať, avšak porozumením základom sa vyhnete mnohým hlúpym a absurdným chybám, ako aj umožní aby ste dosiahli maximálny zvukový efekt zo systému.akákoľvek úroveň.

Všeobecná zvuková teória a hudobná terminológia

Čo je zvuk? Toto je vnem, ktorý vníma sluchový orgán. "ucho"(fenomén sám o sebe existuje aj bez účasti „ucha“ v procese, ale je to ľahšie pochopiteľné), ku ktorému dochádza, keď je ušný bubienok vzrušený zvukovou vlnou. Ucho v tomto prípade funguje ako „prijímač“ zvukových vĺn rôznych frekvencií.
Zvuková vlna Ide vlastne o sekvenčný rad tesnení a výbojov média (najčastejšie vzdušného prostredia za normálnych podmienok) rôznych frekvencií. Charakter zvukových vĺn je oscilačný, spôsobený a produkovaný vibráciou akýchkoľvek telies. Vznik a šírenie klasickej zvukovej vlny je možné v troch elastických prostrediach: plynnom, kvapalnom a pevnom. Keď sa v jednom z týchto typov priestoru vyskytne zvuková vlna, v samotnom médiu nevyhnutne nastanú určité zmeny, napríklad zmena hustoty alebo tlaku vzduchu, pohyb častíc vzdušných hmôt atď.

Pretože zvuková vlna má oscilačnú povahu, má takú charakteristiku, ako je frekvencia. Frekvencia merané v hertzoch (na počesť nemeckého fyzika Heinricha Rudolfa Hertza) a označuje počet vibrácií za časové obdobie rovnajúce sa jednej sekunde. Tie. napríklad frekvencia 20 Hz znamená cyklus 20 kmitov za jednu sekundu. Od frekvencie zvuku závisí aj subjektívne poňatie jeho výšky. Čím viac zvukových vibrácií za sekundu vznikne, tým „vyšší“ sa zvuk zdá. Zvuková vlna má aj ďalšiu dôležitú charakteristiku, ktorá má názov – vlnová dĺžka. Vlnová dĺžka Je zvykom brať do úvahy vzdialenosť, ktorú zvuk určitej frekvencie prekoná za čas rovnajúci sa jednej sekunde. Napríklad vlnová dĺžka najnižšieho zvuku v ľudskom počuteľnom rozsahu pri frekvencii 20 Hz je 16,5 metra a vlnová dĺžka najvyššieho zvuku pri frekvencii 20 000 Hz je 1,7 centimetra.

Ľudské ucho je konštruované tak, že je schopné vnímať vlny len v obmedzenom rozsahu, približne 20 Hz - 20 000 Hz (v závislosti od vlastností konkrétneho človeka, niekto počuje trochu viac, niekto menej) . To teda neznamená, že zvuky pod alebo nad týmito frekvenciami neexistujú, ľudské ucho ich jednoducho nevníma a presahuje počuteľný rozsah. Zvuk nad počuteľný rozsah je tzv ultrazvuk, nazýva sa zvuk pod počuteľným rozsahom infrazvuk. Niektoré zvieratá sú schopné vnímať ultra a infra zvuky, niektoré dokonca využívajú tento rozsah na orientáciu v priestore (netopiere, delfíny). Ak zvuk prechádza cez médium, ktoré neprichádza priamo do kontaktu s ľudským sluchovým orgánom, potom takýto zvuk nemusí byť počuť alebo môže byť neskôr značne oslabený.

V hudobnej terminológii zvuku existujú také dôležité označenia ako oktáva, tón a podtón zvuku. Oktáva znamená interval, v ktorom je pomer frekvencií medzi zvukmi 1 ku 2. Oktáva je zvyčajne veľmi dobre počuteľná, zatiaľ čo zvuky v tomto intervale môžu byť navzájom veľmi podobné. Oktávu možno nazvať aj zvukom, ktorý v rovnakom časovom období vydáva dvakrát toľko vibrácií ako iný zvuk. Napríklad frekvencia 800 Hz nie je nič iné ako vyššia oktáva 400 Hz a frekvencia 400 Hz je zase ďalšia oktáva zvuku s frekvenciou 200 Hz. Oktávu tvoria tóny a podtóny. Premenlivé kmity v harmonickej zvukovej vlne jednej frekvencie vníma ľudské ucho ako hudobný tón. Vysokofrekvenčné vibrácie možno interpretovať ako vysoké zvuky, nízkofrekvenčné vibrácie ako nízkofrekvenčné zvuky. Ľudské ucho je schopné zreteľne rozlíšiť zvuky s rozdielom jedného tónu (v rozsahu do 4000 Hz). Napriek tomu sa v hudbe používa extrémne malý počet tónov. To je vysvetlené z úvah o princípe harmonickej súzvuku, všetko je založené na princípe oktáv.

Uvažujme o teórii hudobných tónov na príklade struny napnutej určitým spôsobom. Takáto struna sa v závislosti od napínacej sily „naladí“ na jednu konkrétnu frekvenciu. Keď je táto struna vystavená niečomu s jednou špecifickou silou, čo spôsobí jej vibráciu, jeden konkrétny tón zvuku bude neustále pozorovaný, budeme počuť požadovanú frekvenciu ladenia. Tento zvuk sa nazýva základný tón. Pre hlavný tón v hudobnom poli je oficiálne akceptovaná frekvencia tónu "la" prvej oktávy rovná 440 Hz. Väčšina hudobných nástrojov však nikdy sama nereprodukuje čisté základné tóny, nevyhnutne ich sprevádzajú podtóny tzv podtóny. Tu je vhodné pripomenúť dôležitú definíciu hudobnej akustiky, pojem zvukový timbre. Timbre- to je vlastnosť hudobných zvukov, ktorá dáva hudobným nástrojom a hlasom ich jedinečnú rozpoznateľnú špecifickosť zvuku, a to aj pri porovnávaní zvukov rovnakej výšky a hlasitosti. Zafarbenie každého hudobného nástroja závisí od rozloženia zvukovej energie cez podtóny v momente, keď sa zvuk objaví.

Podtóny tvoria špecifickú farbu základného tónu, podľa ktorej vieme jednoducho identifikovať a rozoznať konkrétny nástroj, ako aj jasne odlíšiť jeho zvuk od iného nástroja. Existujú dva typy podtónov: harmonické a neharmonické. Harmonické podtóny sú podľa definície násobky základnej frekvencie. Naopak, ak podtóny nie sú násobky a výrazne sa odchyľujú od hodnôt, potom sa volajú neharmonický. V hudbe je prevádzka nenásobných alikvót prakticky vylúčená, preto sa pojem redukuje na pojem „alikvie“, teda harmonický. Pri niektorých nástrojoch, napríklad pri klavíri, sa hlavný tón ani nestihne sformovať, v krátkom čase sa zvuková energia podtónov zvýši a potom rovnako rýchlo nastáva pokles. Mnoho nástrojov vytvára takzvaný efekt „prechodového tónu“, keď je energia určitých podtónov maximálna v určitom časovom bode, zvyčajne na úplnom začiatku, ale potom sa náhle zmení a prejde k iným podtónom. Frekvenčný rozsah každého nástroja možno posudzovať samostatne a je zvyčajne obmedzený frekvenciami základných tónov, ktoré je tento konkrétny nástroj schopný reprodukovať.

V teórii zvuku existuje aj niečo ako HLUK. Hluk- ide o akýkoľvek zvuk, ktorý vzniká kombináciou zdrojov, ktoré sú navzájom nekonzistentné. Každý dobre pozná šum lístia stromov, kývaných vetrom atď.

Čo určuje hlasitosť zvuku? Je zrejmé, že takýto jav priamo závisí od množstva energie prenášanej zvukovou vlnou. Na určenie kvantitatívnych ukazovateľov hlasitosti existuje pojem - intenzita zvuku. Intenzita zvuku je definovaný ako tok energie prechádzajúci cez určitú oblasť priestoru (napríklad cm2) za jednotku času (napríklad za sekundu). Pri bežnom rozhovore je intenzita asi 9 alebo 10 W/cm2. Ľudské ucho je schopné vnímať zvuky s pomerne širokým rozsahom citlivosti, pričom vnímavosť frekvencií nie je v rámci zvukového spektra rovnomerná. Takže najlepšie vnímaný frekvenčný rozsah je 1000 Hz - 4000 Hz, ktorý najviac pokrýva ľudskú reč.

Keďže zvuky sa veľmi líšia v intenzite, je vhodnejšie si to predstaviť ako logaritmickú hodnotu a merať ju v decibeloch (podľa škótskeho vedca Alexandra Grahama Bella). Dolný prah citlivosti sluchu ľudského ucha je 0 dB, horný 120 dB, nazýva sa aj „prah bolesti“. Hornú hranicu citlivosti ľudské ucho tiež nevníma rovnako, ale závisí od konkrétnej frekvencie. Nízkofrekvenčné zvuky musia mať oveľa väčšiu intenzitu ako vysoké frekvencie, aby vyvolali prah bolesti. Napríklad prah bolesti pri nízkej frekvencii 31,5 Hz nastáva pri hladine intenzity zvuku 135 dB, keď pri frekvencii 2000 Hz sa pocit bolesti objavuje už pri 112 dB. Existuje aj pojem akustický tlak, ktorý vlastne rozširuje zaužívané vysvetlenie šírenia zvukovej vlny vo vzduchu. Akustický tlak- ide o premenlivý pretlak, ktorý vzniká v elastickom médiu v dôsledku prechodu zvukovej vlny cez neho.

Vlnová povaha zvuku

Pre lepšie pochopenie systému generovania zvukových vĺn si predstavte klasický reproduktor umiestnený v trubici naplnenej vzduchom. Ak reproduktor urobí prudký pohyb vpred, potom sa vzduch v bezprostrednej blízkosti difúzora na chvíľu stlačí. Potom sa vzduch roztiahne, čím sa oblasť stlačeného vzduchu posunie pozdĺž potrubia.
Práve tento vlnový pohyb bude následne zvukom, keď dosiahne sluchový orgán a „vzruší“ ušný bubienok. Keď sa v plyne vyskytne zvuková vlna, vytvorí sa pretlak a hustota a častice sa pohybujú konštantnou rýchlosťou. Pokiaľ ide o zvukové vlny, je dôležité pamätať na skutočnosť, že látka sa nepohybuje spolu so zvukovou vlnou, ale dochádza len k dočasnému rozrušeniu vzdušných hmôt.

Ak si predstavíme piest zavesený vo voľnom priestore na pružine a vykonávajúci opakované pohyby "vpred a vzad", potom takéto kmity budeme nazývať harmonické alebo sínusové (ak vlnu znázorníme vo forme grafu, potom v tomto prípade dostaneme čistá sínusoida s opakovanými vzostupmi a pádmi). Ak si predstavíme reproduktor v potrubí (ako v príklade opísanom vyššie), ktorý vykonáva harmonické oscilácie, potom v momente, keď sa reproduktor pohybuje „vpred“, dosiahne sa už známy efekt kompresie vzduchu a keď sa reproduktor pohybuje „späť“ získa sa opačný efekt zriedenia. V tomto prípade sa bude potrubím šíriť vlna striedavého stláčania a riedenia. Zavolá sa vzdialenosť pozdĺž potrubia medzi susednými maximami alebo minimami (fázami). vlnová dĺžka. Ak častice kmitajú rovnobežne so smerom šírenia vlny, potom sa vlna nazýva pozdĺžne. Ak kmitajú kolmo na smer šírenia, potom sa vlna nazýva priečne. Zvukové vlny v plynoch a kvapalinách sú zvyčajne pozdĺžne, zatiaľ čo v pevných látkach sa môžu vyskytnúť vlny oboch typov. Priečne vlny v pevných látkach vznikajú v dôsledku odporu voči zmene tvaru. Hlavný rozdiel medzi týmito dvoma typmi vĺn je v tom, že priečne vlnenie má vlastnosť polarizácie (kmitanie prebieha v určitej rovine), zatiaľ čo pozdĺžne vlnenie nie.

Rýchlosť zvuku

Rýchlosť zvuku priamo závisí od vlastností média, v ktorom sa šíri. Je určená (závislá) dvoma vlastnosťami média: elasticitou a hustotou materiálu. Rýchlosť zvuku v pevných látkach priamo závisí od typu materiálu a jeho vlastností. Rýchlosť v plynnom prostredí závisí len od jedného typu deformácie média: kompresia-zriedkavosť. Zmena tlaku vo zvukovej vlne nastáva bez výmeny tepla s okolitými časticami a nazýva sa adiabatická.
Rýchlosť zvuku v plyne závisí najmä od teploty – s rastúcou teplotou sa zvyšuje a s klesajúcou klesá. Taktiež rýchlosť zvuku v plynnom prostredí závisí od veľkosti a hmotnosti samotných molekúl plynu – čím menšia je hmotnosť a veľkosť častíc, tým väčšia je „vodivosť“ vlny a tým väčšia je rýchlosť, resp.

V kvapalnom a pevnom prostredí je princíp šírenia a rýchlosť zvuku podobný, ako sa šíri vlna vo vzduchu: kompresiou-výbojom. Ale v týchto médiách je okrem rovnakej závislosti od teploty dosť dôležitá aj hustota média a jeho zloženie/štruktúra. Čím nižšia je hustota látky, tým vyššia je rýchlosť zvuku a naopak. Závislosť od zloženia média je komplikovanejšia a určuje sa v každom konkrétnom prípade s prihliadnutím na umiestnenie a interakciu molekúl/atómov.

Rýchlosť zvuku vo vzduchu pri t, °C 20: 343 m/s
Rýchlosť zvuku v destilovanej vode pri t, °C 20: 1481 m/s
Rýchlosť zvuku v oceli pri t, °C 20: 5000 m/s

Stojaté vlny a rušenie

Keď reproduktor vytvára zvukové vlny v obmedzenom priestore, nevyhnutne nastáva efekt odrazu vĺn od hraníc. V dôsledku toho najčastejšie interferenčný efekt- keď sú dve alebo viac zvukových vĺn navrstvené na seba. Špeciálnymi prípadmi javu interferencie sú vznik: 1) bicích vĺn alebo 2) stojatých vĺn. Tlkot vĺn- to je prípad, keď sa pridávajú vlny s blízkymi frekvenciami a amplitúdami. Vzorec výskytu úderov: keď sú na seba superponované dve vlny s podobnou frekvenciou. V určitom časovom bode s takýmto prekrytím sa vrcholy amplitúdy môžu zhodovať "vo fáze" a tiež sa môžu zhodovať recesie v "antifáze". Takto sa charakterizujú zvukové údery. Je dôležité si uvedomiť, že na rozdiel od stojatých vĺn sa fázové koincidencie vrcholov nevyskytujú neustále, ale v určitých časových intervaloch. Podľa ucha sa takýto vzor úderov celkom jasne líši a je počuť ako periodické zvyšovanie a znižovanie hlasitosti. Mechanizmus vzniku tohto efektu je mimoriadne jednoduchý: v momente koincidencie vrcholov sa objem zväčšuje, v momente koincidencie recesií sa objem zmenšuje.

stojaté vlny vznikajú v prípade superpozície dvoch vĺn rovnakej amplitúdy, fázy a frekvencie, keď sa takéto vlny „stretnú“ jedna sa pohybuje v smere dopredu a druhá v opačnom smere. V oblasti priestoru (kde sa vytvorila stojatá vlna) vzniká obraz superpozície dvoch frekvenčných amplitúd so striedajúcimi sa maximami (tzv. antinody) a minimami (tzv. uzly). Pri výskyte tohto javu je mimoriadne dôležitá frekvencia, fáza a koeficient útlmu vlny v mieste odrazu. Na rozdiel od postupujúcich vĺn nedochádza k prenosu energie v stojatej vlne, pretože dopredné a spätné vlny, ktoré tvoria túto vlnu, prenášajú energiu v rovnakom množstve v doprednom a opačnom smere. Pre názorné pochopenie výskytu stojatého vlnenia si predstavme príklad z domácej akustiky. Povedzme, že máme podlahové reproduktory v nejakom obmedzenom priestore (miestnosti). Keď sme ich prinútili zahrať nejakú skladbu s množstvom basov, skúsme zmeniť umiestnenie poslucháča v miestnosti. Takže poslucháč, ktorý sa dostal do zóny minima (odčítania) stojatej vlny, pocíti efekt, že basy sa veľmi zmenšili, a ak poslucháč vstúpi do zóny maxima (pridania) frekvencií, potom naopak. sa dosiahne efekt výrazného zvýšenia basovej oblasti. V tomto prípade je účinok pozorovaný vo všetkých oktávach základnej frekvencie. Napríklad, ak je základná frekvencia 440 Hz, potom fenomén „sčítania“ alebo „odčítania“ bude pozorovaný aj pri frekvenciách 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz atď.

Rezonančný jav

Väčšina pevných látok má svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu. Pochopenie tohto efektu je celkom jednoduché na príklade bežnej rúry, ktorá je otvorená len na jednom konci. Predstavme si situáciu, že z druhého konca potrubia je pripojený reproduktor, ktorý dokáže hrať nejakú jednu konštantnú frekvenciu, dá sa to aj neskôr zmeniť. Teraz má fajka svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu, zjednodušene povedané, je to frekvencia, pri ktorej fajka „rezonuje“ alebo vydáva svoj vlastný zvuk. Ak sa frekvencia reproduktora (v dôsledku nastavenia) zhoduje s rezonančnou frekvenciou potrubia, dôjde k niekoľkonásobnému zvýšeniu hlasitosti. Je to preto, že reproduktor vybudí vibrácie vzduchového stĺpca v potrubí s výraznou amplitúdou, kým sa nenájde rovnaká „rezonančná frekvencia“ a nenastane sčítací efekt. Výsledný jav možno opísať nasledovne: fajka v tomto príklade „pomáha“ reproduktoru tým, že rezonuje na konkrétnej frekvencii, ich úsilie sa sčítava a „vylieva“ do počuteľného hlasitého efektu. Na príklade hudobných nástrojov je tento jav ľahko vysledovateľný, keďže dizajn väčšiny obsahuje prvky nazývané rezonátory. Nie je ťažké uhádnuť, čo slúži na zosilnenie určitej frekvencie alebo hudobného tónu. Napríklad: telo gitary s rezonátorom vo forme otvoru, prispôsobené hlasitosti; Konštrukcia potrubia na flaute (a všetkých potrubí vo všeobecnosti); Valcový tvar tela bubna, ktorý je sám o sebe rezonátorom určitej frekvencie.

Frekvenčné spektrum zvuku a frekvenčná odozva

Pretože v praxi prakticky neexistujú vlny rovnakej frekvencie, je potrebné rozložiť celé zvukové spektrum počuteľného rozsahu na podtóny alebo harmonické. Pre tieto účely existujú grafy, ktoré zobrazujú závislosť relatívnej energie zvukových vibrácií od frekvencie. Takýto graf sa nazýva graf zvukového frekvenčného spektra. Frekvenčné spektrum zvuku Existujú dva typy: diskrétne a kontinuálne. Diskrétny graf spektra zobrazuje frekvencie jednotlivo, oddelené prázdnymi medzerami. V spojitom spektre sú všetky zvukové frekvencie prítomné naraz.
V prípade hudby alebo akustiky sa najčastejšie používa zaužívaný rozvrh. Charakteristiky medzi špičkou a frekvenciou(skrátene „AFC“). Tento graf ukazuje závislosť amplitúdy zvukových vibrácií od frekvencie v celom frekvenčnom spektre (20 Hz - 20 kHz). Pri pohľade na takýto graf je ľahké pochopiť napríklad silné alebo slabé stránky konkrétneho reproduktora alebo systému reproduktorov ako celku, najsilnejšie oblasti návratu energie, poklesy a vzostupy frekvencie, útlm, ako aj vysledovať strmosť poklesu.

Šírenie zvukových vĺn, fáza a antifáza

Proces šírenia zvukových vĺn prebieha vo všetkých smeroch od zdroja. Najjednoduchší príklad na pochopenie tohto javu: kamienok hodený do vody.
Od miesta, kde kameň dopadol, sa vlny začínajú rozchádzať na hladine vody do všetkých strán. Predstavme si však situáciu s použitím reproduktora v určitej hlasitosti, povedzme uzavretej skrinky, ktorá je napojená na zosilňovač a hrá nejaký hudobný signál. Je ľahké si všimnúť (najmä ak dáte silný nízkofrekvenčný signál, ako napríklad basový bubon), že reproduktor urobí rýchly pohyb „dopredu“ a potom rovnaký rýchly pohyb „späť“. Zostáva pochopiť, že keď sa reproduktor pohybuje dopredu, vydáva zvukovú vlnu, ktorú potom počujeme. Čo sa však stane, keď sa reproduktor posunie dozadu? A paradoxne sa deje to isté, reproduktor vydáva ten istý zvuk, len sa šíri v našom príklade úplne v rámci objemu škatule, bez toho, aby ju prekračoval (škatuľka je zatvorená). Vo všeobecnosti možno vo vyššie uvedenom príklade pozorovať pomerne veľa zaujímavých fyzikálnych javov, z ktorých najvýznamnejší je koncept fázy.

Zvuková vlna, ktorú reproduktor vyžaruje v smere k poslucháčovi, je „vo fáze“. Spätná vlna, ktorá prechádza do objemu krabice, bude zodpovedajúcim spôsobom protifázová. Zostáva len pochopiť, čo tieto pojmy znamenajú? Signálna fáza- toto je hladina akustického tlaku v aktuálnom čase v určitom bode priestoru. Fáza sa dá najľahšie pochopiť na príklade prehrávania hudobného materiálu pomocou bežného stereo stojaceho páru domácich reproduktorov. Predstavme si, že v určitej miestnosti sú nainštalované dva takéto stojanové reproduktory a hrajú. Oba reproduktory v tomto prípade reprodukujú synchrónny signál premenlivého akustického tlaku, navyše akustický tlak jedného reproduktora sa pripočítava k akustickému tlaku druhého reproduktora. K podobnému efektu dochádza v dôsledku synchronizácie reprodukcie signálu ľavého a pravého reproduktora, inými slovami, vrcholy a poklesy vĺn vyžarovaných ľavým a pravým reproduktorom sa zhodujú.

Teraz si predstavme, že akustické tlaky sa stále menia rovnako (nezmenili sa), ale teraz sú oproti sebe. To sa môže stať, ak pripojíte jeden z dvoch reproduktorov v obrátenej polarite („+“ kábel zo zosilňovača do „-“ konektora systému reproduktorov a „-“ kábel zo zosilňovača do „+“ konektora reproduktora systém). V tomto prípade signál opačného smeru spôsobí tlakový rozdiel, ktorý možno znázorniť číslami takto: ľavý reproduktor vytvorí tlak „1 Pa“ a pravý reproduktor vytvorí tlak „mínus 1 Pa ". Výsledkom je, že celková hlasitosť zvuku v pozícii poslucháča sa bude rovnať nule. Tento jav sa nazýva antifáza. Ak príklad pre pochopenie zvážime podrobnejšie, ukáže sa, že dve dynamiky hrajúce „vo fáze“ vytvárajú rovnaké oblasti kompresie a zriedenia vzduchu, ktoré si v skutočnosti navzájom pomáhajú. V prípade idealizovanej protifázy bude oblasť zhutnenia vzdušného priestoru vytvorená jedným reproduktorom sprevádzaná oblasťou zúženia vzdušného priestoru, ktorú vytvorí druhý reproduktor. Vyzerá to približne ako jav vzájomného synchrónneho tlmenia vĺn. Pravda, v praxi hlasitosť neklesne na nulu a budeme počuť silne skreslený a utlmený zvuk.

Najdostupnejším spôsobom možno tento jav opísať takto: dva signály s rovnakými osciláciami (frekvenciou), ale posunuté v čase. Vzhľadom na to je vhodnejšie znázorniť tieto javy posunutia na príklade obyčajných okrúhlych hodín. Predstavme si, že na stene visí niekoľko rovnakých okrúhlych hodín. Keď sekundové ručičky týchto hodiniek bežia synchronizovane, 30 sekúnd na jedných a 30 sekúnd na druhých, potom je to príklad signálu, ktorý je vo fáze. Ak sekundové ručičky bežia s posunom, ale rýchlosť je stále rovnaká, napríklad na jedných hodinkách 30 sekúnd a na druhých 24 sekúnd, tak ide o klasický príklad fázového posunu (posun). Rovnakým spôsobom sa fáza meria v stupňoch vo virtuálnom kruhu. V tomto prípade, keď sú signály voči sebe posunuté o 180 stupňov (polovica periódy), získa sa klasická protifáza. V praxi často dochádza k malým fázovým posunom, ktoré je možné určiť aj v stupňoch a úspešne ich eliminovať.

Vlny sú ploché a sférické. Plochá vlnoplocha sa šíri len jedným smerom a v praxi sa s ňou stretávame len zriedka. Sférická vlnoplocha je jednoduchý typ vlny, ktorá vyžaruje z jedného bodu a šíri sa všetkými smermi. Zvukové vlny majú vlastnosť difrakcia, t.j. schopnosť vyhýbať sa prekážkam a objektom. Stupeň obalu závisí od pomeru dĺžky zvukovej vlny k rozmerom prekážky alebo otvoru. K difrakcii dochádza aj vtedy, keď je v ceste zvuku prekážka. V tomto prípade sú možné dva scenáre: 1) Ak sú rozmery prekážky oveľa väčšie ako vlnová dĺžka, potom sa zvuk odrazí alebo pohltí (v závislosti od stupňa absorpcie materiálu, hrúbky prekážky atď.). ) a za prekážkou sa vytvorí zóna „akustického tieňa“. 2) Ak sú rozmery prekážky porovnateľné s vlnovou dĺžkou alebo dokonca menšie ako ona, potom sa zvuk do určitej miery ohýba vo všetkých smeroch. Ak zvuková vlna pri pohybe v jednom médiu narazí na rozhranie s iným médiom (napríklad vzduchové médium s pevným médiom), môžu nastať tri scenáre: 1) vlna sa odrazí od rozhrania 2) vlna môže prejsť do iného prostredia bez zmeny smeru 3) vlna môže prejsť do iného prostredia so zmenou smeru na hranici, nazýva sa to "lom vĺn".

Pomer pretlaku zvukovej vlny k oscilačnej objemovej rýchlosti sa nazýva vlnová impedancia. jednoduchými slovami, vlnový odpor média možno nazvať schopnosťou pohlcovať zvukové vlny alebo im „odolávať“. Koeficienty odrazu a priepustnosti priamo závisia od pomeru vlnových impedancií dvoch médií. Odolnosť voči vlnám v plynnom médiu je oveľa nižšia ako vo vode alebo pevných látkach. Ak teda zvuková vlna vo vzduchu dopadá na pevný predmet alebo na hladinu hlbokej vody, potom sa zvuk buď odráža od hladiny, alebo vo veľkej miere pohltí. Závisí to od hrúbky povrchu (vodného alebo pevného), na ktorý dopadá požadovaná zvuková vlna. Pri malej hrúbke pevného alebo kvapalného média zvukové vlny takmer úplne "prechádzajú" a naopak, pri veľkej hrúbke média sa vlny častejšie odrážajú. V prípade odrazu zvukových vĺn tento proces prebieha podľa známeho fyzikálneho zákona: "Uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu." V tomto prípade, keď vlna z média s nižšou hustotou narazí na hranicu s médiom s vyššou hustotou, nastáva jav lom. Spočíva v ohýbaní (lámaní) zvukovej vlny po „stretnutí“ s prekážkou a je nevyhnutne sprevádzané zmenou rýchlosti. Lom závisí aj od teploty prostredia, v ktorom dochádza k odrazu.

V procese šírenia zvukových vĺn v priestore ich intenzita nevyhnutne klesá, môžeme povedať útlm vĺn a zoslabnutie zvuku. V praxi je celkom jednoduché stretnúť sa s takýmto efektom: napríklad ak dvaja ľudia stoja na poli v určitej vzdialenosti (meter alebo bližšie) a začnú sa spolu rozprávať. Ak následne zväčšíte vzdialenosť medzi ľuďmi (ak sa začnú od seba vzďaľovať), rovnaká úroveň hlasitosti konverzácie bude čoraz menej počuteľná. Podobný príklad jasne demonštruje fenomén znižovania intenzity zvukových vĺn. Prečo sa to deje? Dôvodom sú rôzne procesy prenosu tepla, molekulárnej interakcie a vnútorného trenia zvukových vĺn. Najčastejšie v praxi dochádza k premene zvukovej energie na tepelnú energiu. Takéto procesy nevyhnutne vznikajú v ktoromkoľvek z 3 médií šírenia zvuku a možno ich charakterizovať ako absorpcia zvukových vĺn.

Intenzita a stupeň absorpcie zvukových vĺn závisí od mnohých faktorov, ako je tlak a teplota média. Absorpcia tiež závisí od konkrétnej frekvencie zvuku. Keď sa zvuková vlna šíri v kvapalinách alebo plynoch, dochádza k efektu trenia medzi rôznymi časticami, ktorý sa nazýva viskozita. V dôsledku tohto trenia na molekulárnej úrovni dochádza k procesu transformácie vlny zo zvuku na tepelné. Inými slovami, čím vyššia je tepelná vodivosť média, tým nižší je stupeň absorpcie vĺn. Absorpcia zvuku v plynných médiách závisí aj od tlaku (atmosférický tlak sa mení s rastúcou nadmorskou výškou vzhľadom na hladinu mora). Čo sa týka závislosti stupňa pohltivosti od frekvencie zvuku, potom pri zohľadnení vyššie uvedených závislostí viskozity a tepelnej vodivosti je pohltivosť zvuku tým vyššia, čím vyššia je jeho frekvencia. Napríklad pri normálnej teplote a tlaku vo vzduchu je absorpcia vlny s frekvenciou 5000 Hz 3 dB / km a absorpcia vlny s frekvenciou 50 000 Hz bude už 300 dB / m.

V tuhých médiách sú všetky vyššie uvedené závislosti (tepelná vodivosť a viskozita) zachované, no k tomu sa pridáva ešte niekoľko podmienok. Sú spojené s molekulárnou štruktúrou pevných materiálov, ktoré môžu byť rôzne, s vlastnými nehomogenitami. V závislosti od tejto vnútornej pevnej molekulárnej štruktúry môže byť absorpcia zvukových vĺn v tomto prípade rôzna a závisí od typu konkrétneho materiálu. Keď zvuk prechádza pevným telesom, vlna prechádza radom transformácií a skreslení, čo najčastejšie vedie k rozptylu a absorpcii zvukovej energie. Na molekulárnej úrovni môže nastať efekt dislokácií, keď zvuková vlna spôsobí posunutie atómových rovín, ktoré sa následne vrátia do pôvodnej polohy. Alebo pohyb dislokácií vedie ku kolízii s dislokáciami na ne kolmými alebo defektmi v kryštálovej štruktúre, čo spôsobuje ich spomalenie a v dôsledku toho určitú absorpciu zvukovej vlny. Zvuková vlna však môže rezonovať aj s týmito defektmi, čo povedie k skresleniu pôvodnej vlny. Energia zvukovej vlny v momente interakcie s prvkami molekulárnej štruktúry materiálu sa rozptýli v dôsledku procesov vnútorného trenia.

Pokúsim sa analyzovať črty ľudského sluchového vnímania a niektoré jemnosti a črty šírenia zvuku.

Pojem „zvuk“ úzko súvisí s pojmom „vlna“. Je zaujímavé, že tento pojem, ktorý pozná úplne každý, spôsobuje mnohým ťažkosti, keď sa ho snažia jasne definovať. Na jednej strane je vlna niečo, čo je spojené s pohybom, niečo, čo sa šíri v priestore, ako napríklad vlny rozchádzajúce sa v kruhoch od kameňa hodeného do vody. Na druhej strane vieme, že konár ležiaci na vodnej hladine sa od kameňa hodeného v blízkosti len ťažko pohne v smere vĺn, ale bude sa v podstate iba hojdať na vode. Čo sa pri šírení vlny prenáša vo vesmíre? Ukazuje sa, že určitá porucha sa prenáša v priestore. Kameň hodený do vody spôsobí nával – zmenu stavu vodnej hladiny a toto narušenie sa prenáša z jedného bodu nádrže do druhého vo forme povrchových kmitov. teda mávať je proces pohybu v priestore zmeny stavu.

Zvuková vlna(zvukové vibrácie) sú mechanické vibrácie molekúl látky (napríklad vzduchu) prenášané v priestore. Predstavme si, ako sa šíria zvukové vlny v priestore. V dôsledku niektorých porúch (napríklad v dôsledku vibrácií kužeľa reproduktora alebo struny gitary), ktoré spôsobujú pohyb a vibrácie vzduchu v určitom bode priestoru, dochádza v tomto mieste k poklesu tlaku, pretože vzduch je stlačené počas pohybu, čo má za následok nadmerný tlak, ktorý tlačí okolité vrstvy vzduchu. Tieto vrstvy sú stlačené, čo zase vytvára pretlak, ktorý ovplyvňuje susedné vrstvy vzduchu. Takže, ako keby pozdĺž reťazca, počiatočná porucha v priestore sa prenáša z jedného bodu do druhého. Tento proces popisuje mechanizmus šírenia zvukových vĺn v priestore. Teleso, ktoré vytvára rozruch (vibráciu) vzduchu sa nazýva tzv zdroj zvuku.

Známy pojem pre nás všetkých zvuk" znamená iba súbor zvukových vibrácií vnímaných ľudským načúvacím prístrojom. O tom, ktoré vibrácie človek vníma a ktoré nie, si povieme neskôr.

Zvukové vibrácie, ako aj všetky vibrácie všeobecne, ako je známe z fyziky, sú charakterizované amplitúdou (intenzitou), frekvenciou a fázou. Čo sa týka vibrácií zvuku, je veľmi dôležité spomenúť takú charakteristiku, ako je rýchlosť šírenia. Rýchlosť šírenia kmitov vo všeobecnosti závisí od prostredia, v ktorom sa kmity šíria. Túto rýchlosť ovplyvňujú faktory ako elasticita média, jeho hustota a teplota. Čiže napríklad čím vyššia je teplota média, tým vyššia je rýchlosť zvuku v ňom. Za normálnych (normálnych teplotných a tlakových) podmienok je rýchlosť zvuku vo vzduchu približne 330 m/s. Čas, po ktorom poslucháč začne vnímať zvukové vibrácie, teda závisí od vzdialenosti poslucháča od zdroja zvuku, ako aj od vlastností média, v ktorom sa zvuková vlna šíri. Je dôležité poznamenať, že rýchlosť šírenia zvuku je takmer nezávislá od frekvencie zvukových vibrácií. To okrem iného znamená, že zvuk je vnímaný presne v poradí, v akom ho vydáva zdroj. Ak by to tak nebolo a zvuk jednej frekvencie by sa šíril rýchlejšie ako zvuk inej frekvencie, potom by sme namiesto napríklad hudby počuli ostrý a trhaný hluk.

Zvukové vlny sú charakterizované rôznymi javmi spojenými so šírením vĺn v priestore. Uvádzame zoznam najdôležitejších z nich.

Rušenie- zosilnenie zvukových vibrácií v niektorých bodoch priestoru a zoslabenie vibrácií v iných bodoch v dôsledku superpozície dvoch alebo viacerých zvukových vĺn. Keď počujeme zvuky rôznych, ale dostatočne blízkych frekvencií, z dvoch zdrojov naraz, potom k nám prichádzajú vrcholy oboch zvukových vĺn, potom vrchol jednej vlny a koryto druhej. V dôsledku superpozície dvoch vĺn zvuk buď zosilnie, alebo zoslabne, čo ucho vníma ako údery. Tento efekt sa nazýva časové rušenie. Samozrejme, v skutočnosti sa mechanizmus rušenia ukazuje ako oveľa zložitejší, ale jeho podstata sa nemení. Efekt výskytu úderov sa využíva pri ladení dvoch hudobných tónov v súzvuku (napríklad pri ladení gitary): ladenie sa vykonáva dovtedy, kým údery už nie sú cítiť.

Zvuková vlna, keď dopadne na rozhranie s iným médiom, môže sa od rozhrania odraziť, prejsť do iného média, zmeniť smer pohybu – lámať sa od rozhrania (tento jav sa nazýva tzv. lom), absorbovať alebo vykonať niekoľko z vyššie uvedených akcií súčasne. Stupeň absorpcie a odrazu závisí od vlastností média na rozhraní.

Energia zvukovej vlny v procese jej šírenia je absorbovaná prostredím. Tento efekt sa nazýva absorpcia zvukových vĺn . Existencia absorpčného efektu je spôsobená procesmi prenosu tepla a intermolekulárnej interakcie v médiu. Je dôležité poznamenať, že stupeň absorpcie zvukovej energie závisí od vlastností média (teplota, tlak, hustota) a od frekvencie zvukových vibrácií: čím vyššia je frekvencia zvukových vibrácií, tým viac sa zvuková vlna rozptýli. podstupuje na svojej ceste.

Je dôležité spomenúť aj fenomén vlnový pohyb v uzavretom objeme , ktorej podstatou je odraz zvukových vĺn od stien nejakého uzavretého priestoru. Odrazy zvukových vibrácií môžu vo veľkej miere ovplyvniť výsledné vnímanie zvuku – zmeniť jeho farbu, sýtosť, hĺbku. Zvuk vychádzajúci zo zdroja umiestneného v uzavretej miestnosti, opakovane narážajúci a odrážajúci sa od stien miestnosti, je teda poslucháčom vnímaný ako zvuk sprevádzaný špecifickým hučaním. Takýto hluk sa nazýva dozvuk(z lat. „reverbero“ – „vyhadzujem“). Reverb efekt je veľmi široko používaný pri spracovaní zvuku, aby dal zvuku špecifické vlastnosti a zafarbenie zafarbenia.

Schopnosť ohýbať sa okolo prekážok je ďalšou kľúčovou vlastnosťou zvukových vĺn, nazývaná vo vede difrakcia. Stupeň obalu závisí od pomeru medzi dĺžkou zvukovej vlny (jej frekvenciou) a veľkosťou prekážky alebo otvoru stojaceho v ceste. Ak je veľkosť prekážky oveľa väčšia ako vlnová dĺžka, zvuková vlna sa od nej odráža. Ak sú rozmery prekážky porovnateľné s vlnovou dĺžkou alebo sa ukáže, že sú menšie, potom sa zvuková vlna ohýba.

Ďalším efektom spojeným s pohybom vĺn, ktorý nemožno ignorovať, je efekt rezonancia. Je to nasledovné. Zvuková vlna vytvorená nejakým oscilujúcim telesom, šíriaca sa v priestore, môže preniesť energiu vibrácií na iné teleso ( rezonátor), ktorý po absorpcii tejto energie začne oscilovať a v skutočnosti sa sám stáva zdrojom zvuku. Pôvodná zvuková vlna sa teda zosilní a zvuk bude hlasnejší. Je potrebné poznamenať, že v prípade výskytu rezonancie sa energia zvukovej vlny vynakladá na „hojdanie“ rezonátora, čo následne ovplyvňuje trvanie zvuku.

Dopplerov efekt- Ďalší zaujímavý efekt, posledný na našom zozname, súvisí so šírením zvukových vĺn vo vesmíre. Výsledkom je, že vlnová dĺžka sa mení podľa zmeny rýchlosti poslucháča vzhľadom na zdroj vlny. Čím rýchlejšie sa poslucháč (snímač záznamu) približuje k zdroju vĺn, tým kratšiu vlnovú dĺžku registruje a naopak.

Tieto a ďalšie javy sa berú do úvahy a sú široko používané v mnohých oblastiach, ako je akustika, spracovanie zvuku a radar.

Obsah článku

ZVUK A AKUSTIKA. Zvuk sú vibrácie, t.j. periodická mechanická porucha v elastických médiách - plynných, kvapalných a pevných. Takáto perturbácia, ktorou je nejaká fyzikálna zmena prostredia (napríklad zmena hustoty alebo tlaku, posunutie častíc), sa v ňom šíri vo forme zvukovej vlny. Oblasť fyziky, ktorá sa zaoberá vznikom, šírením, príjmom a spracovaním zvukových vĺn, sa nazýva akustika. Zvuk môže byť nepočuteľný, ak jeho frekvencia presahuje citlivosť ľudského ucha, alebo ak sa šíri v médiu, ako je pevná látka, ktorá nemôže mať priamy kontakt s uchom, alebo ak sa jeho energia v médiu rýchlo rozptýli. Bežný proces vnímania zvuku je teda pre nás len jednou stránkou akustiky.

ZVUKOVÉ VLNY

Zvážte dlhé potrubie naplnené vzduchom. Z ľavého konca sa do nej zasunie piest tesne pripevnený k stenám (obr. 1). Ak sa piest prudko posunie doprava a zastaví sa, vzduch v jeho bezprostrednej blízkosti sa na chvíľu stlačí (obr. 1, A). Potom sa stlačený vzduch roztiahne, tlačí vzduch priľahlý k nemu vpravo a oblasť kompresie, ktorá sa pôvodne objavila v blízkosti piestu, sa bude pohybovať potrubím konštantnou rýchlosťou (obr. 1, b). Táto kompresná vlna je zvuková vlna v plyne.

Zvuková vlna v plyne je charakterizovaná nadmerným tlakom, nadmernou hustotou, posunutím častíc a ich rýchlosťou. Pre zvukové vlny sú tieto odchýlky od rovnovážnych hodnôt vždy malé. Pretlak spojený s vlnou je teda oveľa menší ako statický tlak plynu. V opačnom prípade máme dočinenia s ďalším fenoménom – rázovou vlnou. Vo zvukovej vlne zodpovedajúcej bežnej reči je pretlak len asi jedna milióntina atmosférického tlaku.

Je dôležité, aby látka nebola unášaná zvukovou vlnou. Vlna je len dočasná porucha prechádzajúca vzduchom, po ktorej sa vzduch vráti do rovnovážneho stavu.

Pohyb vĺn, samozrejme, nie je jedinečný len pre zvuk: svetlo a rádiové signály sa šíria vo forme vĺn a vlny na vodnej hladine pozná každý. Všetky typy vĺn sú matematicky opísané takzvanou vlnovou rovnicou.

harmonické vlny.

Vlna v potrubí na obr. 1 sa nazýva zvukový impulz. Veľmi dôležitý typ vlny vzniká, keď piest vibruje tam a späť ako závažie zavesené na pružine. Takéto oscilácie sa nazývajú jednoduché harmonické alebo sínusové a excitovaná vlna sa v tomto prípade nazýva harmonická.

Pri jednoduchých harmonických kmitoch sa pohyb periodicky opakuje. Časový interval medzi dvoma rovnakými stavmi pohybu sa nazýva perióda oscilácií a počet úplných periód za sekundu sa nazýva frekvencia oscilácií. Označme obdobie podľa T a cez frekvenciu f; potom sa to dá napísať f= 1/T. Ak je napríklad frekvencia 50 periód za sekundu (50 Hz), potom je perióda 1/50 sekundy.

Matematicky jednoduché harmonické kmity sú opísané jednoduchou funkciou. Zdvih piestu s jednoduchými harmonickými osciláciami pre akýkoľvek okamih t možno napísať vo forme

Tu d- posunutie piesta z rovnovážnej polohy, a D je konštantný multiplikátor, ktorý sa rovná maximálnej hodnote veličiny d a nazýva sa amplitúda posunu.

Predpokladajme, že piest kmitá podľa vzorca harmonického kmitania. Potom, keď sa pohybuje doprava, nastáva kompresia, ako predtým, a pri pohybe doľava sa tlak a hustota znížia v porovnaní s ich rovnovážnymi hodnotami. Nedochádza k stláčaniu, ale k riedeniu plynu. V tomto prípade sa vpravo bude šíriť, ako je znázornené na obr. 2, vlna striedania kompresií a riedení. V každom okamihu bude mať krivka rozloženia tlaku po dĺžke potrubia tvar sínusoidy a táto sínusoida sa bude pohybovať doprava rýchlosťou zvuku. v. Vzdialenosť pozdĺž potrubia medzi rovnakými vlnovými fázami (napríklad medzi susednými maximami) sa nazýva vlnová dĺžka. Zvyčajne sa označuje gréckym písmenom l(lambda). Vlnová dĺžka l je vzdialenosť, ktorú vlna prejde v čase T. Preto l = TV, alebo v = lf.

Pozdĺžne a priečne vlny.

Ak častice kmitajú rovnobežne so smerom šírenia vlny, potom sa vlna nazýva pozdĺžna. Ak kmitajú kolmo na smer šírenia, potom sa vlna nazýva priečna. Zvukové vlny v plynoch a kvapalinách sú pozdĺžne. V pevných látkach existujú vlny oboch typov. Priečna vlna v pevnej látke je možná vďaka jej tuhosti (odolnosti voči zmene tvaru).

Najvýznamnejší rozdiel medzi týmito dvoma typmi vĺn je v tom, že vlastnosť má šmyková vlna polarizácia(oscilácie sa vyskytujú v určitej rovine), ale pozdĺžna nie. Pri niektorých javoch, ako je odraz a prenos zvuku cez kryštály, veľa závisí od smeru posunu častíc, rovnako ako v prípade svetelných vĺn.

Rýchlosť zvukových vĺn.

Rýchlosť zvuku je charakteristická pre médium, v ktorom sa vlna šíri. Je určená dvoma faktormi: elasticitou a hustotou materiálu. Elastické vlastnosti pevných látok závisia od typu deformácie. Takže elastické vlastnosti kovovej tyče nie sú rovnaké počas krútenia, stláčania a ohýbania. A zodpovedajúce vlnové oscilácie sa šíria rôznymi rýchlosťami.

Elastické médium je také médium, v ktorom je deformácia, či už je to krútenie, stlačenie alebo ohyb, úmerná sile spôsobujúcej deformáciu. Takéto materiály podliehajú Hookovmu zákonu:

Napätie = Cґ Relatívna deformácia,

Kde S je modul pružnosti v závislosti od materiálu a typu deformácie.

Rýchlosť zvuku v pre daný typ elastickej deformácie je daný výrazom

Kde r je hustota materiálu (hmotnosť na jednotku objemu).

Rýchlosť zvuku v pevnej tyči.

Dlhá tyč môže byť natiahnutá alebo stlačená silou aplikovanou na koniec. Nechajte dĺžku tyče byť L použitá ťahová sila F a nárast dĺžky je D L. Hodnota D L/L budeme nazývať relatívna deformácia a sila na jednotku plochy prierezu tyče sa nazýva napätie. Takže napätie je F/A, Kde A - prierezová plocha tyče. Ako sa aplikuje na takúto tyč, Hookov zákon má formu

Kde Y je Youngov modul, t.j. modul pružnosti tyče pre ťah alebo stlačenie, ktorý charakterizuje materiál tyče. Youngov modul je nízky pre materiály, ktoré sa ľahko ťahajú, ako je guma, a vysoký pre tuhé materiály, ako je oceľ.

Ak v ňom teraz vybudíme kompresnú vlnu úderom kladiva na koniec tyče, bude sa šíriť rýchlosťou , kde r, ako predtým, je hustota materiálu, z ktorého je tyč vyrobená. Hodnoty rýchlostí vĺn pre niektoré typické materiály sú uvedené v tabuľke. 1.

Tabuľka 1. RÝCHLOSŤ ZVUKU PRE RÔZNE TYPY VĺN V PEVNÝCH MATERIÁLOCH
Materiál	Pozdĺžne vlny v rozšírených pevných vzorkách (m/s)	Šmykové a torzné vlny (m/s)	Kompresné vlny v tyčiach (m/s)
hliník
Mosadz
Viesť
Železo
Strieborná
Nehrdzavejúca oceľ
Flintové sklo
Korunné sklo
plexisklo
Polyetylén
Polystyrén

Uvažovaná vlna v tyči je kompresná vlna. Nemožno to však považovať za striktne pozdĺžne, pretože pohyb bočného povrchu tyče je spojený s kompresiou (obr. 3, A).

V tyči sú možné aj dva ďalšie typy vĺn - ohybová vlna (obr. 3, b) a torzná vlna (obr. 3, V). Ohybové deformácie zodpovedajú vlne, ktorá nie je ani čisto pozdĺžna, ani čisto priečna. Torzné deformácie, t.j. rotácia okolo osi tyče, dáva čisto priečnu vlnu.

Rýchlosť ohybovej vlny v tyči závisí od vlnovej dĺžky. Takáto vlna sa nazýva „disperzná“.

Torzné vlny v tyči sú čisto priečne a nerozptyľujúce. Ich rýchlosť je daná vzorcom

Kde m je šmykový modul charakterizujúci elastické vlastnosti materiálu vzhľadom na šmyk. Niektoré typické rýchlosti šmykových vĺn sú uvedené v tabuľke 1. 1.

Rýchlosť v predĺženom pevnom médiu.

V pevných médiách veľkého objemu, kde je možné zanedbať vplyv hraníc, sú možné dva typy elastických vĺn: pozdĺžne a priečne.

Deformácia v pozdĺžnej vlne je deformácia rovinná, t.j. jednorozmerná kompresia (alebo riedenie) v smere šírenia vlny. Deformácia zodpovedajúca priečnej vlne je šmykový posun kolmý na smer šírenia vlny.

Rýchlosť pozdĺžnych vĺn v pevných materiáloch je daná výrazom

Kde C-L- modul pružnosti pre jednoduchú rovinnú deformáciu. Súvisí to s objemovým modulom IN(ktorý je definovaný nižšie) a modul pružnosti v šmyku m materiálu as CL = B + 4/3m . V tabuľke. 1 sú znázornené hodnoty rýchlostí pozdĺžnych vĺn pre rôzne pevné materiály.

Rýchlosť šmykových vĺn v roztiahnutom pevnom prostredí je rovnaká ako rýchlosť torzných vĺn v tyči z rovnakého materiálu. Preto je daný výrazom . Jeho hodnoty pre bežné pevné materiály sú uvedené v tabuľke. 1.

rýchlosť v plynoch.

V plynoch je možný iba jeden typ deformácie: kompresia - riedenie. Zodpovedajúci modul pružnosti IN sa nazýva objemový modul. Je to určené vzťahom

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

Tu D P- zmena tlaku, D V/V je relatívna zmena objemu. Znamienko mínus znamená, že so zvyšujúcim sa tlakom sa objem znižuje.

Hodnota IN závisí od toho, či sa teplota plynu počas kompresie mení alebo nie. V prípade zvukovej vlny sa dá ukázať, že tlak sa veľmi rýchlo mení a teplo uvoľnené pri kompresii nestihne opustiť systém. K zmene tlaku vo zvukovej vlne teda dochádza bez výmeny tepla s okolitými časticami. Takáto zmena sa nazýva adiabatická. Zistilo sa, že rýchlosť zvuku v plyne závisí iba od teploty. Pri danej teplote je rýchlosť zvuku pre všetky plyny približne rovnaká. Pri teplote 21,1 °C je rýchlosť zvuku v suchom vzduchu 344,4 m/sa zvyšuje sa so zvyšujúcou sa teplotou.

Rýchlosť v kvapalinách.

Zvukové vlny v kvapalinách sú vlny kompresie - riedenia, ako v plynoch. Rýchlosť je daná rovnakým vzorcom. Kvapalina je však oveľa menej stlačiteľná ako plyn, a teda aj množstvo IN, viac a hustota r. Rýchlosť zvuku v kvapalinách je bližšia rýchlosti v pevných látkach ako v plynoch. Je oveľa menší ako v plynoch a závisí od teploty. Napríklad rýchlosť v sladkej vode je 1460 m/s pri 15,6 °C. V morskej vode normálnej slanosti je to 1504 m/s pri rovnakej teplote. Rýchlosť zvuku sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou vody a koncentráciou soli.

stojaté vlny.

Keď sa harmonická vlna vybudí v obmedzenom priestore tak, že sa odrazí od hraníc, dochádza k takzvaným stojatým vlnám. Stojatá vlna je výsledkom superpozície dvoch vĺn, ktoré sa pohybujú jedna v smere dopredu a druhá v opačnom smere. Existuje vzor oscilácií, ktoré sa nepohybujú v priestore, so striedajúcimi sa antinodami a uzlami. Na antinodách sú odchýlky kmitajúcich častíc od ich rovnovážnych polôh maximálne a na uzloch sú rovné nule.

Stojaté vlny v reťazci.

V napnutej strune vznikajú priečne vlny a struna je posunutá vzhľadom na svoju pôvodnú, priamočiaru polohu. Pri fotografovaní vĺn v strune sú jasne viditeľné uzly a antinody základného tónu a alikvóty.

Obraz stojatých vĺn značne uľahčuje analýzu kmitavých pohybov struny danej dĺžky. Nech je tam reťazec dĺžky L pripevnené na koncoch. Akýkoľvek druh vibrácií takejto struny môže byť reprezentovaný ako kombinácia stojatých vĺn. Keďže konce struny sú pevné, sú možné len také stojaté vlny, ktoré majú na hraničných bodoch uzly. Najnižšia frekvencia vibrácií struny zodpovedá maximálnej možnej vlnovej dĺžke. Keďže vzdialenosť medzi uzlami je l/2, frekvencia je minimálna, keď sa dĺžka struny rovná polovici vlnovej dĺžky, t.j. pri l= 2L. Toto je takzvaný základný režim vibrácie strún. Jeho zodpovedajúca frekvencia, nazývaná základná frekvencia alebo základný tón, je daná f = v/2L, Kde v je rýchlosť šírenia vlny pozdĺž struny.

Existuje celý rad oscilácií s vyššou frekvenciou, ktoré zodpovedajú stojatým vlnám s viacerými uzlami. Najbližšia vyššia frekvencia, ktorá sa nazýva druhá harmonická alebo prvý podtón, je daná o

f = v/L.

Postupnosť harmonických je vyjadrená vzorcom f = nv/2L, Kde n= 1, 2, 3, atď. Ide o tzv. vlastné frekvencie vibrácií strún. Zvyšujú sa úmerne k prirodzeným číslam: vyššie harmonické v 2, 3, 4... atď. násobok základnej frekvencie. Takáto séria zvukov sa nazýva prirodzená alebo harmonická stupnica.

To všetko má veľký význam v hudobnej akustike, o ktorej sa bude podrobnejšie diskutovať nižšie. Zatiaľ si všimneme, že zvuk produkovaný strunou obsahuje všetky vlastné frekvencie. Relatívny príspevok každého z nich závisí od bodu, v ktorom sú vibrácie struny vybudené. Ak sa napríklad struna brnká v strede, potom bude základná frekvencia najviac vzrušená, keďže tento bod zodpovedá antinode. Druhá harmonická nebude chýbať, pretože jej uzol je umiestnený v strede. To isté možno povedať o iných harmonických ( Pozri nižšie hudobná akustika).

Rýchlosť vĺn v strune je

Kde T - napätie struny a rL - hmotnosť na jednotku dĺžky struny. Preto je vlastné frekvenčné spektrum struny dané o

Zvýšenie napätia struny teda vedie k zvýšeniu frekvencie vibrácií. Znížiť frekvenciu kmitov pri danom T môžete, vezmite si ťažší reťazec (veľký r L) alebo zväčšiť jeho dĺžku.

Stojaté vlny v organových píšťalách.

Teória uvedená vo vzťahu k strune sa dá aplikovať aj na vibrácie vzduchu v píšťale organového typu. Na organovú píšťalu sa môžeme zjednodušene pozerať ako na priamu píšťalu, v ktorej sú excitované stojaté vlny. Potrubie môže mať uzavreté aj otvorené konce. Na otvorenom konci sa vyskytuje antinoda stojatej vlny a na uzavretom konci sa vyskytuje uzol. Preto má potrubie s dvoma otvorenými koncami základnú frekvenciu, pri ktorej polovica vlnovej dĺžky zapadá do dĺžky potrubia. Na druhej strane potrubie, v ktorom je jeden koniec otvorený a druhý uzavretý, má základnú frekvenciu, pri ktorej štvrtina vlnovej dĺžky zapadá do dĺžky potrubia. Základná frekvencia pre potrubie otvorené na oboch koncoch je teda f =v/2L a pre potrubie otvorené na jednom konci, f = v/4L(Kde L je dĺžka potrubia). V prvom prípade je výsledok rovnaký ako pri strune: podtóny sú dvojité, trojité atď. hodnota základnej frekvencie. Pri fajke otvorenej na jednom konci však budú podtóny väčšie ako základná frekvencia o 3, 5, 7 atď. raz.

Na obr. Obrázky 4 a 5 schematicky znázorňujú stojaté vlny základnej frekvencie a prvého podtónu pre rúry dvoch uvažovaných typov. Pre pohodlie sú tu presadenia zobrazené ako priečne, ale v skutočnosti sú pozdĺžne.

rezonančné kmity.

Stojaté vlny úzko súvisia s fenoménom rezonancie. Prirodzené frekvencie diskutované vyššie sú tiež rezonančné frekvencie sláčikovej alebo organovej píšťaly. Predpokladajme, že blízko otvoreného konca organovej píšťaly je umiestnený reproduktor, ktorý vydáva signál jednej konkrétnej frekvencie, ktorú je možné ľubovoľne meniť. Potom, ak sa frekvencia signálu z reproduktora zhoduje s hlavnou frekvenciou fajky alebo s jedným z jej podtónov, fajka bude znieť veľmi hlasno. Reproduktor totiž budí vibrácie vzduchového stĺpca s výraznou amplitúdou. Hovorí sa, že trúbka za týchto podmienok rezonuje.

Fourierova analýza a frekvenčné spektrum zvuku.

V praxi sú zvukové vlny jednej frekvencie zriedkavé. Ale zložité zvukové vlny sa dajú rozložiť na harmonické. Táto metóda sa nazýva Fourierova analýza podľa francúzskeho matematika J. Fouriera (1768–1830), ktorý ju ako prvý aplikoval (v teórii tepla).

Graf relatívnej energie zvukových vibrácií voči frekvencii sa nazýva frekvenčné spektrum zvuku. Existujú dva hlavné typy takýchto spektier: diskrétne a spojité. Diskrétne spektrum pozostáva zo samostatných čiar pre frekvencie oddelených prázdnymi priestormi. Všetky frekvencie sú prítomné v spojitom spektre v rámci jeho pásma.

Periodické zvukové vibrácie.

Zvukové vibrácie sú periodické, ak sa oscilačný proces, bez ohľadu na to, aký zložitý môže byť, po určitom časovom intervale opakuje. Jeho spektrum je vždy diskrétne a pozostáva z harmonických s určitou frekvenciou. Preto pojem „harmonická analýza“. Príkladom sú pravouhlé kmity (obr. 6, A) so zmenou amplitúdy od +A predtým - A a bodka T= 1/f. Ďalším jednoduchým príkladom je trojuholníková pílová oscilácia znázornená na obr. 6, b. Príklad periodických kmitov zložitejšej formy s príslušnými harmonickými zložkami je na obr. 7.

Hudobné zvuky sú periodické oscilácie, a preto obsahujú harmonické (podtóny). Už sme videli, že spolu s osciláciami základnej frekvencie sú v strune v tej či onej miere vybudené aj iné harmonické. Relatívny príspevok každého podtónu závisí od spôsobu vybudenia struny. Súbor podtextov je do značnej miery určený timbre hudobný zvuk. Tieto problémy sú podrobnejšie rozobraté nižšie v časti o hudobnej akustike.

Spektrum zvukového impulzu.

Obvyklá rozmanitosť zvuku je zvuk krátkeho trvania: tlieskanie rukami, klopanie na dvere, zvuk padajúceho predmetu na podlahu, kukučanie. Takéto zvuky nie sú ani periodické, ani hudobné. Ale dajú sa rozložiť aj do frekvenčného spektra. V tomto prípade bude spektrum spojité: na opis zvuku sú potrebné všetky frekvencie v rámci určitého pásma, ktoré môže byť dosť široké. Poznanie takéhoto frekvenčného spektra je nevyhnutné na reprodukciu takýchto zvukov bez skreslenia, pretože príslušný elektronický systém musí „prechádzať“ všetkými týmito frekvenciami rovnako dobre.

Hlavné znaky zvukového impulzu je možné objasniť, ak vezmeme do úvahy impulz jednoduchej formy. Predpokladajme, že zvuk je osciláciou dĺžky D t, pri ktorej je zmena tlaku taká, ako je znázornené na obr. 8, A. Približné frekvenčné spektrum pre tento prípad je znázornené na obr. 8, b. Stredová frekvencia zodpovedá vibráciám, ktoré by sme mali, keby bol ten istý signál predĺžený donekonečna.

Dĺžka frekvenčného spektra sa nazýva šírka pásma D f(obr. 8, b). Šírka pásma je približný rozsah frekvencií potrebný na reprodukciu pôvodného impulzu bez nadmerného skreslenia. Existuje veľmi jednoduchý základný vzťah medzi D f a D t, menovite

D f D t"1.

Tento vzťah platí pre všetky zvukové impulzy. Jeho význam spočíva v tom, že čím kratší je impulz, tým viac frekvencií obsahuje. Predpokladajme, že na detekciu ponorky sa používa sonar, ktorý vysiela ultrazvuk vo forme impulzu s trvaním 0,0005 s a frekvenciou signálu 30 kHz. Šírka pásma je 1/0,0005 = 2 kHz a frekvencie skutočne obsiahnuté v spektre impulzu lokátora ležia v rozsahu od 29 do 31 kHz.

Hluk.

Hluk sa vzťahuje na akýkoľvek zvuk produkovaný viacerými, nekoordinovanými zdrojmi. Príkladom je zvuk listov stromov kývaných vetrom. Hluk prúdového motora je spôsobený turbulenciou prúdu výfukových plynov s vysokou rýchlosťou. Hluk ako rušivý zvuk sa považuje v čl. AKUSTICKÉ ZNEČISTENIE ŽIVOTNÉHO PROSTREDIA.

Intenzita zvuku.

Hlasitosť zvuku sa môže líšiť. Je ľahké vidieť, že je to spôsobené energiou prenášanou zvukovou vlnou. Pre kvantitatívne porovnanie hlasitosti je potrebné zaviesť pojem intenzita zvuku. Intenzita zvukovej vlny je definovaná ako priemerný tok energie cez jednotku plochy čela vlny za jednotku času. Inými slovami, ak vezmeme jedinú plochu (napríklad 1 cm 2), ktorá by úplne pohltila zvuk, a umiestnime ju kolmo na smer šírenia vĺn, potom sa intenzita zvuku rovná akustickej energii absorbovanej za jednu sekundu. . Intenzita sa zvyčajne vyjadruje vo W/cm2 (alebo W/m2).

Hodnotu tejto hodnoty uvádzame pre niektoré známe zvuky. Amplitúda pretlaku, ktorý vzniká pri bežnom rozhovore, je približne jedna milióntina atmosférického tlaku, čo zodpovedá intenzite akustického zvuku rádovo 10–9 W/cm 2 . Celkový výkon zvuku vydávaného počas bežnej konverzácie je rádovo iba 0,00001 wattov. Schopnosť ľudského ucha vnímať takéto malé energie svedčí o jeho úžasnej citlivosti.

Rozsah intenzít zvuku vnímaný naším uchom je veľmi široký. Intenzita najhlasnejšieho zvuku, ktorý ucho dokáže zniesť, je približne 1014-násobok minima, ktoré môže počuť. Plný výkon zdrojov zvuku pokrýva rovnako široký rozsah. Výkon vyžarovaný počas veľmi tichého šepotu teda môže byť rádovo 10–9 W, zatiaľ čo výkon vyžarovaný prúdovým motorom dosahuje 10–5 W. Opäť platí, že intenzity sa líšia faktorom 10 14.

Decibel.

Keďže zvuky sa veľmi líšia v intenzite, je vhodnejšie si to predstaviť ako logaritmickú hodnotu a merať ju v decibeloch. Logaritmická hodnota intenzity je logaritmom pomeru uvažovanej hodnoty veličiny k jej hodnote, ktorá sa berie ako originál. Úroveň intenzity J s ohľadom na nejakú podmienene zvolenú intenzitu J 0 je

Úroveň intenzity zvuku = 10 lg ( J/J 0) dB.

Jeden zvuk, ktorý je o 20 dB intenzívnejší ako iný, je teda 100-krát intenzívnejší.

V praxi akustických meraní je zvykom vyjadrovať intenzitu zvuku pomocou zodpovedajúcej amplitúdy pretlaku P e. Keď sa tlak meria v decibeloch vo vzťahu k niektorému konvenčne zvolenému tlaku R 0, získate takzvanú hladinu akustického tlaku. Pretože intenzita zvuku je úmerná magnitúde P e 2 a lg( P e 2) = 2 lg P e, hladina akustického tlaku sa určuje takto:

Hladina akustického tlaku = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Nominálny tlak R 0 = 2×10–5 Pa zodpovedá štandardnému prahu sluchu pre zvuk s frekvenciou 1 kHz. V tabuľke. 2 znázorňuje hladiny akustického tlaku pre niektoré bežné zdroje zvuku. Toto sú integrálne hodnoty získané spriemerovaním v celom počuteľnom frekvenčnom rozsahu.

Tabuľka 2. TYPICKÉ ÚROVNE ZVUKOVÉHO TLAKU
Zdroj zvuku	Hladina akustického tlaku, dB (rel. 2H 10 – 5 Pa)
lisovňa
Strojovňa na palube
Pradiareň a tkáčstvo
Vo vagóne metra
V aute počas jazdy v premávke
Úrad písania
účtovníctvo
Kancelária
obytné štvrte
Obytná oblasť v noci
vysielacie štúdio

Objem.

Hladina akustického tlaku nie je spojená s jednoduchým vzťahom s psychologickým vnímaním hlasitosti. Prvý z týchto faktorov je objektívny a druhý subjektívny. Experimenty ukazujú, že vnímanie hlasitosti závisí nielen od intenzity zvuku, ale aj od jeho frekvencie a experimentálnych podmienok.

Objemy zvukov, ktoré nie sú viazané na podmienky porovnávania, sa nedajú porovnávať. Napriek tomu je zaujímavé porovnanie čistých tónov. Na tento účel určte hladinu akustického tlaku, pri ktorej je daný tón vnímaný rovnako hlasno ako štandardný tón s frekvenciou 1000 Hz. Na obr. 9 ukazuje krivky rovnakej hlasitosti získané v experimentoch Fletchera a Mansona. Pre každú krivku je uvedená zodpovedajúca hladina akustického tlaku štandardného tónu 1000 Hz. Napríklad pri tónovej frekvencii 200 Hz je potrebná hladina zvuku 60 dB, aby bola vnímaná ako rovná tónu 1000 Hz s hladinou akustického tlaku 50 dB.

Tieto krivky sa používajú na definovanie hukotu, jednotky hlasitosti, ktorá sa tiež meria v decibeloch. Pozadie je hladina hlasitosti zvuku, pri ktorej je hladina akustického tlaku rovnako hlasitého štandardného čistého tónu (1000 Hz) 1 dB. Takže zvuk s frekvenciou 200 Hz na úrovni 60 dB má úroveň hlasitosti 50 fónov.

Spodná krivka na obr. 9 je krivka prahu sluchu dobrého ucha. Rozsah počuteľných frekvencií sa pohybuje od približne 20 do 20 000 Hz.

Šírenie zvukových vĺn.

Ako vlny z kamienkov hodených do stojatej vody, aj zvukové vlny sa šíria všetkými smermi. Je vhodné charakterizovať takýto proces šírenia ako čelo vlny. Čelo vlny je plocha v priestore, na ktorej všetkých bodoch dochádza k osciláciám v rovnakej fáze. Čelá vĺn z kamienkov, ktoré spadli do vody, sú kruhy.

Ploché vlny.

Čelo vlny najjednoduchšej formy je ploché. Rovinná vlna sa šíri len jedným smerom a ide o idealizáciu, ktorá sa v praxi realizuje len približne. Zvukovú vlnu v potrubí možno považovať za približne plochú, rovnako ako sférickú vlnu vo veľkej vzdialenosti od zdroja.

sférické vlny.

Medzi jednoduché typy vĺn patrí vlna s guľovým čelom, vychádzajúca z bodu a šíriaca sa všetkými smermi. Takáto vlna môže byť vzrušená pomocou malej pulzujúcej gule. Zdroj, ktorý vybudí sférickú vlnu, sa nazýva bodový zdroj. Intenzita takejto vlny pri jej šírení klesá, pretože energia je rozložená po sfére stále väčšieho polomeru.

Ak bodový zdroj vytvárajúci sférickú vlnu vyžaruje silu 4 p Q potom, pretože povrchová plocha gule s polomerom r rovná sa 4 p r 2 je intenzita zvuku v sférickej vlne rovná

J = Q/r 2 ,

Kde r je vzdialenosť od zdroja. Intenzita sférickej vlny teda klesá nepriamo úmerne so štvorcom vzdialenosti od zdroja.

Intenzita akejkoľvek zvukovej vlny pri jej šírení klesá v dôsledku pohlcovania zvuku. Tento jav bude diskutovaný nižšie.

Huygensov princíp.

Huygensov princíp platí pre šírenie čela vlny. Aby sme to objasnili, zvážme tvar čela vlny, ktorý je nám známy v určitom časovom bode. Dá sa to nájsť aj po chvíli D t, ak sa každý bod počiatočného čela vlny považuje za zdroj elementárnej sférickej vlny šíriacej sa cez tento interval do diaľky v D t. Obálka všetkých týchto elementárnych sférických vlnových front bude novým vlnovým frontom. Huygensov princíp umožňuje určiť tvar čela vlny počas celého procesu šírenia. To tiež znamená, že vlny, rovinné aj sférické, si počas šírenia zachovávajú svoju geometriu za predpokladu, že médium je homogénne.

difrakcia zvuku.

Difrakcia je vlna ohýbajúca sa okolo prekážky. Difrakcia sa analyzuje na Huygensovom princípe. Stupeň tohto ohybu závisí od vzťahu medzi vlnovou dĺžkou a veľkosťou prekážky alebo otvoru. Keďže vlnová dĺžka zvukovej vlny je mnohonásobne dlhšia ako u svetla, difrakcia zvukových vĺn nás prekvapuje menej ako difrakcia svetla. Môžete sa teda porozprávať s niekým, kto stojí za rohom budovy, hoci ho nie je vidieť. Zvuková vlna sa ľahko ohne za roh, zatiaľ čo svetlo vďaka malosti svojej vlnovej dĺžky vytvára ostré tiene.

Zvážte difrakciu rovinnej zvukovej vlny dopadajúcej na pevnú plochú obrazovku s dierou. Na určenie tvaru vlnoplochy na druhej strane obrazovky potrebujete poznať vzťah medzi vlnovou dĺžkou l a priemer otvoru D. Ak sú tieto hodnoty približne rovnaké resp l oveľa viac D, potom sa získa úplná difrakcia: čelo vlny vychádzajúcej vlny bude sférické a vlna dosiahne všetky body za obrazovkou. Ak l o niečo menej D, potom sa vychádzajúca vlna bude šíriť prevažne smerom dopredu. A nakoniec, ak l oveľa menej D, potom sa všetka jeho energia bude šíriť priamočiaro. Tieto prípady sú znázornené na obr. 10.

Difrakcia sa pozoruje aj vtedy, keď je v ceste zvuku prekážka. Ak sú rozmery prekážky oveľa väčšie ako vlnová dĺžka, zvuk sa odrazí a za prekážkou sa vytvorí akustická tieňová zóna. Keď je veľkosť prekážky porovnateľná alebo menšia ako vlnová dĺžka, zvuk sa do určitej miery ohýba vo všetkých smeroch. S tým sa počíta v architektonickej akustike. Takže napríklad niekedy sú steny budovy pokryté výstupkami s rozmermi rádovo vlnovej dĺžky zvuku. (Pri frekvencii 100 Hz je vlnová dĺžka vo vzduchu asi 3,5 m.) V tomto prípade je zvuk dopadajúci na steny rozptýlený do všetkých strán. V architektonickej akustike sa tento jav nazýva difúzia zvuku.

Odraz a prenos zvuku.

Keď zvuková vlna pohybujúca sa v jednom médiu dopadne na rozhranie s iným médiom, môžu súčasne prebiehať tri procesy. Vlna sa môže odrážať od rozhrania, môže prejsť do iného prostredia bez zmeny smeru, alebo môže zmeniť smer na rozhraní, t.j. lámať. Na obr. 11 znázorňuje najjednoduchší prípad, keď rovinná vlna dopadá v pravom uhle na rovný povrch oddeľujúci dve rôzne látky. Ak sa koeficient odrazu intenzity, ktorý určuje podiel odrazenej energie, rovná R, potom sa koeficient prenosu bude rovnať T = 1 – R.

V prípade zvukovej vlny sa pomer nadmerného tlaku k objemovej rýchlosti vibrácií nazýva akustická impedancia. Koeficienty odrazu a priepustnosti závisia od pomeru vlnových impedancií dvoch médií, vlnové impedancie sú zasa úmerné akustickým impedanciám. Vlnový odpor plynov je oveľa menší ako u kvapalín a pevných látok. Takže ak vlna vo vzduchu zasiahne hrubý pevný predmet alebo hladinu hlbokej vody, zvuk sa takmer úplne odrazí. Napríklad pre hranicu vzduchu a vody je pomer vlnových odporov 0,0003. V súlade s tým sa energia zvuku prechádzajúceho zo vzduchu do vody rovná iba 0,12 % dopadajúcej energie. Koeficienty odrazu a priepustnosti sú reverzibilné: koeficient odrazu je koeficient priepustnosti v opačnom smere. Zvuk teda prakticky nepreniká ani zo vzduchu do vodnej nádrže, ani spod vody von, čo je dobre známe každému, kto plával pod vodou.

V prípade vyššie uvažovaného odrazu sa predpokladalo, že hrúbka druhého média v smere šírenia vlny je veľká. Koeficient prestupu bude však výrazne vyšší, ak druhým médiom je stena oddeľujúca dve rovnaké médiá, ako napríklad pevná priečka medzi miestnosťami. Faktom je, že hrúbka steny je zvyčajne menšia ako vlnová dĺžka zvuku alebo je s ňou porovnateľná. Ak je hrúbka steny násobkom polovice vlnovej dĺžky zvuku v stene, potom je koeficient prenosu vlny pri kolmom dopade veľmi veľký. Ozvučnica by bola pre zvuk tejto frekvencie absolútne priehľadná, keby nebola absorpcia, ktorú tu zanedbávame. Ak je hrúbka steny oveľa menšia ako vlnová dĺžka zvuku v nej, odraz je vždy malý a prenos je veľký, pokiaľ sa neprijmú špeciálne opatrenia na zvýšenie absorpcie zvuku.

lom zvuku.

Keď rovinná zvuková vlna dopadá pod uhlom na rozhranie, uhol jej odrazu sa rovná uhlu dopadu. Vysielaná vlna sa odchyľuje od smeru dopadajúcej vlny, ak je uhol dopadu odlišný od 90°. Táto zmena smeru vlny sa nazýva lom. Geometria lomu na plochej hranici je znázornená na obr. 12. Sú naznačené uhly medzi smerom vĺn a normálou k povrchu q 1 pre dopadajúcu vlnu a q 2 - pre lámanú minulosť. Vzťah medzi týmito dvoma uhlami zahŕňa iba pomer rýchlostí zvuku pre dve médiá. Rovnako ako v prípade svetelných vĺn sú tieto uhly navzájom spojené podľa Snellovho (Snellovho) zákona:

Ak je teda rýchlosť zvuku v druhom médiu menšia ako v prvom, uhol lomu bude menší ako uhol dopadu; ak je rýchlosť v druhom médiu väčšia, uhol lomu bude väčší. než uhol dopadu.

Refrakcia v dôsledku teplotného gradientu.

Ak sa rýchlosť zvuku v nehomogénnom prostredí neustále mení z bodu do bodu, mení sa aj lom. Keďže rýchlosť zvuku vo vzduchu aj vo vode závisí od teploty, v prítomnosti teplotného gradientu môžu zvukové vlny zmeniť smer svojho pohybu. V atmosfére a oceáne sa vďaka horizontálnej stratifikácii bežne pozorujú vertikálne teplotné gradienty. Preto v dôsledku zmien rýchlosti zvuku pozdĺž vertikály v dôsledku teplotných gradientov môže byť zvuková vlna vychýlená buď nahor alebo nadol.

Zoberme si prípad, keď je vzduch na niektorom mieste pri povrchu Zeme teplejší ako vo vyšších vrstvách. Potom s rastúcou nadmorskou výškou tu klesá teplota vzduchu a s ňou klesá aj rýchlosť zvuku. Zvuk vyžarovaný zdrojom blízko povrchu Zeme bude stúpať v dôsledku lomu. Toto je znázornené na obr. 13, ktorý zobrazuje zvukové "lúče".

Vychýlenie zvukových lúčov znázornené na obr. 13 vo všeobecnosti popisuje Snellov zákon. Ak cez q, ako predtým, označujú uhol medzi vertikálou a smerom žiarenia, potom má zovšeobecnený Snellov zákon formu sin rovnosti q/v= konštanta vzťahujúca sa na akýkoľvek bod lúča. Ak teda lúč prechádza do oblasti, kde je rýchlosť v klesá, potom uhol q by sa mala tiež znížiť. Preto sú zvukové lúče vždy vychyľované v smere klesajúcej rýchlosti zvuku.

Z obr. 13 je vidieť, že v určitej vzdialenosti od zdroja sa nachádza oblasť, kam zvukové lúče vôbec neprenikajú. Toto je takzvaná zóna ticha.

Je celkom možné, že niekde vo väčšej výške, ako je znázornená na obr. 13, v dôsledku teplotného gradientu sa rýchlosť zvuku zvyšuje s výškou. V tomto prípade sa pôvodne vychýlená zvuková vlna smerom nahor odchýli tu k povrchu Zeme vo veľkej vzdialenosti. Stáva sa to vtedy, keď sa v atmosfére vytvorí vrstva teplotnej inverzie, v dôsledku čoho je možné prijímať zvukové signály s ultra dlhým dosahom. Zároveň je kvalita príjmu na vzdialených miestach ešte lepšia ako blízko. V histórii bolo veľa príkladov príjmu na ultra dlhý dosah. Napríklad počas prvej svetovej vojny, keď atmosférické podmienky uprednostňovali vhodný lom zvuku, bolo v Anglicku počuť kanonády na francúzskom fronte.

Lom zvuku pod vodou.

Lom zvuku v dôsledku vertikálnych zmien teploty sa pozoruje aj v oceáne. Ak teplota, a teda aj rýchlosť zvuku klesá s hĺbkou, zvukové lúče sa odchyľujú nadol, čo vedie k zóne ticha podobnej tej, ktorá je znázornená na obr. 13 pre atmosféru. Pre oceán sa zodpovedajúci obrázok ukáže, ak sa tento obrázok jednoducho otočí.

Prítomnosť tichých zón sťažuje detekciu ponoriek sonarom a refrakcia, ktorá odchyľuje zvukové vlny smerom nadol, výrazne obmedzuje ich rozsah šírenia v blízkosti povrchu. Pozoruje sa však aj vychýlenie smerom nahor. Môže vytvárať priaznivejšie podmienky pre sonar.

Interferencia zvukových vĺn.

Superpozícia dvoch alebo viacerých vĺn sa nazýva vlnová interferencia.

Stojaté vlny v dôsledku rušenia.

Vyššie uvedené stojaté vlny sú špeciálnym prípadom rušenia. Stojaté vlny sa tvoria ako výsledok superpozície dvoch vĺn rovnakej amplitúdy, fázy a frekvencie, ktoré sa šíria v opačných smeroch.

Amplitúda na antinodách stojatej vlny sa rovná dvojnásobku amplitúdy každej z vĺn. Keďže intenzita vlny je úmerná druhej mocnine jej amplitúdy, znamená to, že intenzita na antinodách je 4-krát väčšia ako intenzita každej z vĺn alebo 2-krát väčšia ako celková intenzita oboch vĺn. Nedochádza tu k porušeniu zákona zachovania energie, keďže intenzita v uzloch je nulová.

bije.

Možné je aj rušenie harmonických vĺn rôznych frekvencií. Keď sa dve frekvencie líšia len málo, dochádza k takzvaným úderom. Údery sú zmeny v amplitúde zvuku, ktoré sa vyskytujú pri frekvencii rovnajúcej sa rozdielu medzi pôvodnými frekvenciami. Na obr. 14 znázorňuje priebeh rytmu.

Treba mať na pamäti, že frekvencia úderov je frekvencia amplitúdovej modulácie zvuku. Údery by sa tiež nemali zamieňať s rozdielovou frekvenciou vyplývajúcou zo skreslenia harmonického signálu.

Pri ladení dvoch tónov v súzvuku sa často používajú údery. Frekvencia sa nastavuje, kým údery prestanú byť počuteľné. Aj keď je frekvencia úderov veľmi nízka, ľudské ucho je schopné zachytiť periodický nárast a pokles hlasitosti zvuku. Preto sú údery veľmi citlivou metódou ladenia v oblasti zvuku. Ak nastavenie nie je presné, potom je možné frekvenčný rozdiel určiť sluchom spočítaním počtu úderov za jednu sekundu. V hudbe sú údery vyšších harmonických zložiek vnímané aj sluchom, čo sa využíva pri ladení klavíra.

Absorpcia zvukových vĺn.

Intenzita zvukových vĺn v procese ich šírenia vždy klesá v dôsledku toho, že určitá časť akustickej energie je rozptýlená. V dôsledku procesov prenosu tepla, medzimolekulovej interakcie a vnútorného trenia sú zvukové vlny absorbované v akomkoľvek médiu. Intenzita absorpcie závisí od frekvencie zvukovej vlny a od iných faktorov, ako je tlak a teplota média.

Absorpcia vlny v médiu je kvantitatívne charakterizovaná absorpčným koeficientom a. Ukazuje, ako rýchlo klesá pretlak v závislosti od vzdialenosti, ktorú prejde šíriaca sa vlna. Klesajúca amplitúda pretlaku –D P e pri prekonaní vzdialenosti D Xúmerná amplitúde počiatočného pretlaku P e a vzdialenosť D X. teda

-D P e = a P e D X.

Napríklad, keď povieme, že strata absorpciou je 1 dB/m, znamená to, že vo vzdialenosti 50 m sa hladina akustického tlaku zníži o 50 dB.

Absorpcia v dôsledku vnútorného trenia a vedenia tepla.

Počas pohybu častíc spojených so šírením zvukovej vlny je nevyhnutné trenie medzi rôznymi časticami média. V kvapalinách a plynoch sa toto trenie nazýva viskozita. Viskozita, ktorá určuje nevratnú premenu energie akustických vĺn na teplo, je hlavným dôvodom absorpcie zvuku v plynoch a kvapalinách.

Okrem toho absorpcia v plynoch a kvapalinách je spôsobená stratou tepla počas kompresie vo vlne. Už sme povedali, že pri prechode vlny sa plyn vo fáze kompresie zahrieva. V tomto rýchlo prúdiacom procese teplo zvyčajne nemá čas na prenos do iných oblastí plynu alebo na steny nádoby. Ale v skutočnosti tento proces nie je ideálny a časť uvoľnenej tepelnej energie opúšťa systém. S tým je spojená zvuková absorpcia v dôsledku vedenia tepla. Takáto absorpcia sa vyskytuje v kompresných vlnách v plynoch, kvapalinách a pevných látkach.

Absorpcia zvuku v dôsledku viskozity aj tepelnej vodivosti sa vo všeobecnosti zvyšuje s druhou mocninou frekvencie. Vysokofrekvenčné zvuky sú teda absorbované oveľa silnejšie ako nízkofrekvenčné zvuky. Napríklad pri normálnom tlaku a teplote je absorpčný koeficient (v dôsledku oboch mechanizmov) pri 5 kHz vo vzduchu asi 3 dB/km. Pretože absorpcia je úmerná druhej mocnine frekvencie, absorpčný koeficient pri 50 kHz je 300 dB/km.

Absorpcia v pevných látkach.

Mechanizmus pohlcovania zvuku v dôsledku tepelnej vodivosti a viskozity, ktorý prebieha v plynoch a kvapalinách, je zachovaný aj v pevných látkach. Tu sa však k nemu pridávajú nové absorpčné mechanizmy. Sú spojené s poruchami v štruktúre pevných látok. Ide o to, že polykryštalické pevné materiály pozostávajú z malých kryštalitov; pri prechode zvuku cez ne dochádza k deformáciám vedúcim k pohlcovaniu zvukovej energie. Zvuk je rozptýlený aj na hraniciach kryštalitov. Navyše aj monokryštály obsahujú defekty dislokačného typu, ktoré prispievajú k absorpcii zvuku. Dislokácie sú porušením koordinácie atómových rovín. Keď zvuková vlna spôsobí, že atómy vibrujú, dislokácie sa pohnú a potom sa vrátia do svojej pôvodnej polohy, čím sa energia rozptýli v dôsledku vnútorného trenia.

Absorpcia v dôsledku dislokácií vysvetľuje najmä to, prečo olovený zvon nezvoní. Olovo je mäkký kov s množstvom dislokácií, a preto sa zvukové vibrácie v ňom extrémne rýchlo rozpadajú. Ale bude dobre zvoniť, ak sa ochladí tekutým vzduchom. Pri nízkych teplotách sú dislokácie „zamrznuté“ v pevnej polohe, a preto sa nepohybujú a nepremieňajú zvukovú energiu na teplo.

HUDOBNÁ AKUSTIKA

Hudobné zvuky.

Hudobná akustika študuje vlastnosti hudobných zvukov, ich vlastnosti súvisiace s tým, ako ich vnímame, a mechanizmy zvuku hudobných nástrojov.

Hudobný zvuk alebo tón je periodický zvuk, t.j. výkyvy, ktoré sa po určitom období znova a znova opakujú. Vyššie bolo povedané, že periodický zvuk môže byť reprezentovaný ako súčet oscilácií s frekvenciami, ktoré sú násobkami základnej frekvencie. f: 2f, 3f, 4f atď. Bolo tiež zaznamenané, že vibrujúce struny a stĺpy vzduchu vydávajú hudobné zvuky.

Hudobné zvuky sa vyznačujú tromi charakteristikami: hlasitosť, výška a zafarbenie. Všetky tieto ukazovatele sú subjektívne, ale možno ich spájať s nameranými hodnotami. Hlasitosť súvisí najmä s intenzitou zvuku; výška zvuku, ktorá charakterizuje jeho postavenie v hudobnom systéme, je určená frekvenciou tónu; timbre, ktorým sa jeden nástroj alebo hlas líši od druhého, je charakterizovaný rozložením energie v harmonických a zmenou tohto rozloženia v čase.

Výška zvuku.

Výška hudobného zvuku úzko súvisí s frekvenciou, ale nie je s ňou identická, pretože hodnotenie výšky je subjektívne.

Tak sa napríklad zistilo, že odhad výšky jednofrekvenčného zvuku trochu závisí od úrovne jeho hlasitosti. Pri výraznom zvýšení hlasitosti, povedzme o 40 dB, sa môže zdanlivá frekvencia znížiť o 10 %. V praxi na tejto závislosti od hlasitosti nezáleží, pretože hudobné zvuky sú oveľa zložitejšie ako jednofrekvenčný zvuk.

V otázke vzťahu medzi výškou a frekvenciou je dôležitejšie niečo iné: ak sú hudobné zvuky tvorené harmonickými, potom s akou frekvenciou súvisí vnímaná výška tónu? Ukazuje sa, že to nemusí byť frekvencia, ktorá zodpovedá maximálnej energii, a nie najnižšia frekvencia v spektre. Takže napríklad hudobný zvuk pozostávajúci zo sady frekvencií 200, 300, 400 a 500 Hz je vnímaný ako zvuk s výškou 100 Hz. To znamená, že výška tónu je spojená so základnou frekvenciou harmonického radu, aj keď nie je v spektre zvuku. Pravda, najčastejšie je základná frekvencia do určitej miery prítomná v spektre.

Keď už hovoríme o vzťahu medzi výškou zvuku a jeho frekvenciou, nemali by sme zabúdať na vlastnosti ľudského sluchového orgánu. Ide o špeciálny akustický prijímač, ktorý vnáša svoje vlastné skreslenia (nehovoriac o tom, že existujú psychologické a subjektívne aspekty sluchu). Ucho si dokáže vybrať niektoré frekvencie, navyše v ňom zvuková vlna podlieha nelineárnym skresleniam. Frekvenčná selektivita je spôsobená rozdielom medzi hlasitosťou zvuku a jeho intenzitou (obr. 9). Je ťažšie vysvetliť nelineárne skreslenia, ktoré sa prejavujú vo výskyte frekvencií, ktoré v pôvodnom signáli chýbajú. Nelinearita reakcie ucha je spôsobená asymetriou pohybu jeho rôznych prvkov.

Jednou z charakteristických vlastností nelineárneho prijímacieho systému je to, že keď je vybudený zvukom s frekvenciou f 1 sú v ňom vybudené harmonické podtóny 2 f 1 , 3f 1 ,..., a v niektorých prípadoch aj subharmonické typu 1/2 f 1. Navyše, keď je nelineárny systém budený dvoma frekvenciami f 1 a f 2 sú v ňom vybudené súčtové a rozdielové frekvencie f 1 + f 2 A f 1 - f 2. Čím väčšia je amplitúda počiatočných kmitov, tým väčší je príspevok „extra“ frekvencií.

V dôsledku nelineárnosti akustických charakteristík ucha sa teda môžu objaviť frekvencie, ktoré vo zvuku chýbajú. Takéto frekvencie sa nazývajú subjektívne tóny. Predpokladajme, že zvuk pozostáva z čistých tónov s frekvenciami 200 a 250 Hz. V dôsledku nelineárnosti odozvy sa objavia ďalšie frekvencie 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz atď. Poslucháčovi sa bude zdať, že vo zvuku je celý súbor kombinačných frekvencií, ale ich vzhľad je v skutočnosti spôsobený nelineárnou odozvou ucha. Keď sa hudobný zvuk skladá zo základnej frekvencie a jej harmonických, je zrejmé, že základná frekvencia je efektívne zosilnená rozdielovými frekvenciami.

Je pravda, že štúdie ukázali, že subjektívne frekvencie vznikajú len pri dostatočne veľkej amplitúde pôvodného signálu. Preto je možné, že v minulosti bola úloha subjektívnych frekvencií v hudbe značne zveličená.

Hudobné štandardy a meranie výšky hudobného zvuku.

V dejinách hudby sa ako hlavný tón brali zvuky rôznych frekvencií, ktoré určujú celú hudobnú štruktúru. Teraz je všeobecne akceptovaná frekvencia pre tón "la" prvej oktávy 440 Hz. Ale v minulosti sa zmenil zo 400 na 462 Hz.

Tradičný spôsob, ako určiť výšku zvuku, je porovnať ho s tónom štandardnej ladičky. Odchýlka frekvencie daného zvuku od štandardu sa posudzuje podľa prítomnosti úderov. Ladičky sa používajú dodnes, aj keď už existujú pohodlnejšie prístroje na určovanie výšky tónu, ako je stabilný frekvenčný referenčný oscilátor (s kremenným rezonátorom), ktorý možno plynulo ladiť v rámci celého zvukového rozsahu. Je pravda, že presná kalibrácia takéhoto zariadenia je dosť náročná.

Široko sa používa stroboskopická metóda merania výšky tónu, pri ktorej zvuk hudobného nástroja nastavuje frekvenciu zábleskov zábleskovej lampy. Lampa osvetľuje vzor na disku rotujúcom známou frekvenciou a základná frekvencia tónu je určená zo zdanlivej frekvencie pohybu vzoru na disku pri stroboskopickom osvetlení.

Ucho je veľmi citlivé na zmenu výšky tónu, ale jeho citlivosť závisí od frekvencie. Je maximálne blízko spodnej hranice počuteľnosti. Dokonca aj netrénované ucho dokáže rozpoznať iba 0,3% rozdiel vo frekvenciách medzi 500 a 5000 Hz. Citlivosť sa dá zvýšiť tréningom. Hudobníci majú veľmi vyvinutý zmysel pre výšku, ale to nie vždy pomáha pri určovaní frekvencie čistého tónu produkovaného referenčným oscilátorom. To naznačuje, že pri určovaní frekvencie zvuku sluchom hrá dôležitú úlohu jeho farba.

Timbre.

Timbre označuje tie vlastnosti hudobných zvukov, ktoré dávajú hudobným nástrojom a hlasom ich jedinečnú špecifickosť, aj keď porovnávame zvuky rovnakej výšky a hlasitosti. Toto je takpovediac kvalita zvuku.

Zafarbenie závisí od frekvenčného spektra zvuku a jeho zmeny v čase. Je determinované niekoľkými faktormi: rozložením energie cez alikvoty, frekvenciami, ktoré vznikajú v momente, keď sa zvuk objaví alebo zastaví (tzv. prechodné tóny) a ich doznievaním, ako aj pomalou amplitúdou a frekvenčnou moduláciou zvuku. („vibrato“).

intenzita podtónu.

Uvažujme natiahnutú strunu, ktorá je v strednej časti vzrušená štipkou (obr. 15, A). Pretože všetky párne harmonické majú uzly v strede, nebudú chýbať a oscilácie budú pozostávať z nepárnych harmonických so základnou frekvenciou rovnajúcou sa f 1 = v/2l, Kde v- rýchlosť vlny v strune, a l je jeho dĺžka. Budú teda prítomné iba frekvencie f 1 , 3f 1 , 5f 1 atď. Relatívne amplitúdy týchto harmonických sú znázornené na obr. 15, b.

Tento príklad nám umožňuje vyvodiť nasledujúci dôležitý všeobecný záver. Súbor harmonických rezonančného systému je určený jeho konfiguráciou a rozloženie energie cez harmonické závisí od spôsobu budenia. Keď je struna vybudená v jej strede, dominuje základná frekvencia a párne harmonické sú úplne potlačené. Ak je struna upevnená v jej strednej časti a brnkaná na inom mieste, základná frekvencia a nepárne harmonické budú potlačené.

To všetko platí aj pre iné známe hudobné nástroje, aj keď detaily sa môžu veľmi líšiť. Nástroje majú zvyčajne vzduchovú dutinu, zvukovú dosku alebo klaksón na vydávanie zvuku. To všetko určuje štruktúru presahov a vzhľad formantov.

Formanty.

Ako bolo uvedené vyššie, kvalita zvuku hudobných nástrojov závisí od rozloženia energie medzi harmonické. Pri zmene výšky mnohých nástrojov a najmä ľudského hlasu sa mení rozloženie harmonických tak, že hlavné podtóny sa vždy nachádzajú približne v rovnakom frekvenčnom rozsahu, ktorý sa nazýva formantový rozsah. Jedným z dôvodov existencie formantov je použitie rezonančných prvkov na zosilnenie zvuku, ako sú rezonančné dosky a vzduchové rezonátory. Šírka prirodzených rezonancií je zvyčajne veľká, vďaka čomu je účinnosť žiarenia na zodpovedajúcich frekvenciách vyššia. Pri dychových nástrojoch sú formanty určené zvonom, z ktorého vychádza zvuk. Podtóny, ktoré spadajú do rozsahu formantov, sú vždy silne zdôraznené, pretože sú emitované s maximálnou energiou. Formanty do značnej miery určujú charakteristické kvalitatívne znaky zvukov hudobného nástroja alebo hlasu.

Zmena tónov v priebehu času.

Tón zvuku akéhokoľvek nástroja zriedka zostáva v priebehu času konštantný a zafarbenie s tým v podstate súvisí. Aj keď nástroj vydrží dlhý tón, dochádza k miernej periodickej modulácii frekvencie a amplitúdy, ktorá obohacuje zvuk – „vibrato“. To platí najmä pre sláčikové nástroje, ako sú husle a pre ľudský hlas.

Pri mnohých nástrojoch, ako je napríklad klavír, je trvanie zvuku také, že sa nestihne sformovať stály tón – vybudený zvuk rýchlo pribúda a potom nasleduje jeho rýchly doznievanie. Keďže tlmenie alikvótnych tónov je zvyčajne spôsobené frekvenčne závislými účinkami (ako je akustické žiarenie), je zrejmé, že rozloženie alikvótneho tónu sa v priebehu tónu mení.

Charakter zmeny tónu v čase (rýchlosť vzostupu a poklesu zvuku) pre niektoré nástroje je schematicky znázornený na obr. 18. Ako vidíte, sláčikové nástroje (brnkacie a klávesové nástroje) nemajú takmer žiadny stály tón. V takýchto prípadoch je možné hovoriť o spektre podtónov iba podmienečne, pretože zvuk sa v čase rýchlo mení. Charakteristiky vzostupu a pádu sú tiež dôležitou súčasťou zafarbenia týchto nástrojov.

prechodné tóny.

Harmonické zloženie tónu sa zvyčajne rýchlo mení v krátkom čase po vybudení zvuku. V tých nástrojoch, v ktorých je zvuk vybudený úderom na strunu alebo brnknutím, je energia pripísateľná vyšším harmonickým (ako aj mnohým neharmonickým zložkám) maximálna ihneď po začiatku zvuku a po zlomku sekundy tieto frekvencie vyblednúť. Takéto zvuky, nazývané prechodné, dávajú zvuku nástroja špecifické zafarbenie. V klavíri sú spôsobené pôsobením úderu kladiva na strunu. Niekedy sa hudobné nástroje s rovnakou štruktúrou podtextu dajú rozlíšiť len podľa prechodných tónov.

ZVUK HUDOBNÝCH NÁSTROJOV

Hudobné zvuky môžu byť vzrušené a zmenené mnohými spôsobmi, a preto sa hudobné nástroje vyznačujú rôznymi formami. Nástroje väčšinou vytvárali a zdokonaľovali samotní hudobníci a zruční remeselníci, ktorí sa neuchyľovali k vedeckej teórii. Preto akustická veda nevie vysvetliť napríklad to, prečo majú husle takýto tvar. Je však celkom možné opísať zvukové vlastnosti huslí z hľadiska všeobecných princípov ich hry a ich konštrukcie.

Frekvenčný rozsah nástroja sa zvyčajne chápe ako frekvenčný rozsah jeho základných tónov. Ľudský hlas pokrýva asi dve oktávy a hudobný nástroj - najmenej tri (veľký organ - desať). Vo väčšine prípadov siahajú podtóny až na samý okraj počuteľného zvukového rozsahu.

Hudobné nástroje majú tri hlavné časti: oscilačný prvok, mechanizmus na jeho budenie a pomocný rezonátor (horn alebo rezonančná doska) na akustickú komunikáciu medzi oscilačným prvkom a okolitým vzduchom.

Hudobný zvuk je periodický v čase a periodické zvuky sa skladajú zo série harmonických. Keďže vlastné frekvencie vibrácií strún a vzduchových stĺpov pevnej dĺžky spolu harmonicky súvisia, v mnohých nástrojoch sú hlavnými vibračnými prvkami struny a vzduchové stĺpy. Až na pár výnimiek (flauta je jednou z nich) nie je možné na nástroje brať jednofrekvenčný zvuk. Keď je vybudený hlavný vibrátor, vzniká zvuk obsahujúci podtóny. Niektoré rezonančné frekvencie vibrátorov nie sú harmonické zložky. Nástroje tohto druhu (napríklad bubny a činely) sa v orchestrálnej hudbe používajú pre osobitnú expresivitu a dôraz na rytmus, nie však na melodický rozvoj.

Strunové nástroje.

Sama o sebe je vibrujúca struna slabým emitorom zvuku, a preto musí mať strunový nástroj dodatočný rezonátor, aby vybudil zvuk znateľnej intenzity. Môže to byť uzavretý objem vzduchu, paluba alebo kombinácia oboch. Charakter zvuku nástroja je určený aj spôsobom vybudenia strún.

Už sme videli, že základná frekvencia oscilácie pevnej struny dĺžky L je daný

Kde T je ťahová sila struny a r L je hmotnosť na jednotku dĺžky struny. Preto môžeme meniť frekvenciu tromi spôsobmi: zmenou dĺžky, napätia alebo hmotnosti. Mnoho nástrojov používa malý počet strún rovnakej dĺžky, ktorých základné frekvencie sú určené správnou voľbou napätia a hmotnosti. Ostatné frekvencie získate skrátením dĺžky struny prstami.

Iné nástroje, ako napríklad klavír, majú jednu z mnohých predladených strún pre každú notu. Ladenie klavíra s veľkým frekvenčným rozsahom nie je ľahká úloha, najmä v oblasti nízkych frekvencií. Napínacia sila všetkých strún klavíra je takmer rovnaká (asi 2 kN) a zmenou dĺžky a hrúbky strún sa dosahuje množstvo rôznych frekvencií.

Sláčikový nástroj možno vyburcovať brnknutím (napríklad na harfe alebo banjo), úderom (na klavíri) alebo sláčikom (v prípade hudobných nástrojov z rodiny huslí). Vo všetkých prípadoch, ako je uvedené vyššie, počet harmonických a ich amplitúda závisí od spôsobu budenia struny.

klavír.

Typickým príkladom nástroja, kde budenie struny vzniká úderom, je pianoforte. Veľká rezonančná doska nástroja poskytuje širokú škálu formantov, takže jeho zafarbenie je veľmi jednotné pre každú vzrušenú notu. Maximá hlavných formantov sa vyskytujú pri frekvenciách rádovo 400–500 Hz a pri nižších frekvenciách sú tóny obzvlášť bohaté na harmonické a amplitúda základnej frekvencie je menšia ako amplitúda niektorých podtónov. V klavíri dopadá úder kladivom na všetky struny okrem najkratších na bod nachádzajúci sa v 1/7 dĺžky struny od jedného z jej koncov. Zvyčajne sa to vysvetľuje tým, že v tomto prípade je výrazne potlačená siedma harmonická, ktorá je disonantná vzhľadom na základnú frekvenciu. Ale kvôli konečnej šírke malleusu sú potlačené aj iné harmonické umiestnené v blízkosti siedmej.

Husľová rodina.

V husľovej rodine nástrojov sú dlhé zvuky produkované sláčikom, ktorý pôsobí na strunu premenlivou hnacou silou, ktorá udržuje strunu vo vibrácii. Pôsobením pohybujúceho sa luku sa tetiva v dôsledku trenia ťahá do strany, až kým sa nezlomí v dôsledku zvýšenia napínacej sily. Po návrate do pôvodnej polohy je opäť unášaný lukom. Tento proces sa opakuje, takže na strunu pôsobí periodická vonkajšia sila.

V poradí zväčšujúcej sa veľkosti a klesajúceho frekvenčného rozsahu sú hlavné sláčikové nástroje usporiadané nasledovne: husle, viola, violončelo, kontrabas. Frekvenčné spektrá týchto nástrojov sú obzvlášť bohaté na podtóny, čo nepochybne dodáva ich zvuku osobitnú vrúcnosť a výraznosť. V rodine huslí je vibrujúca struna akusticky spojená so vzduchovou dutinou a telom nástroja, čo určuje najmä štruktúru formantov, ktoré zaberajú veľmi široký frekvenčný rozsah. Veľkí predstavitelia husľovej rodiny majú súbor formantov posunutý smerom k nízkym frekvenciám. Preto tá istá nota zachytená na dvoch nástrojoch z rodiny huslí získava odlišné zafarbenie zafarbenia v dôsledku rozdielnej štruktúry podtextov.

Husle majú vďaka tvaru tela výraznú rezonanciu blízko 500 Hz. Keď sa zahrá nota, ktorej frekvencia je blízka tejto hodnote, môže vzniknúť nechcený vibračný zvuk nazývaný „vlčí tón“. Vzduchová dutina vo vnútri tela huslí má tiež svoje vlastné rezonančné frekvencie, z ktorých hlavná sa nachádza v blízkosti 400 Hz. Vďaka svojmu špeciálnemu tvaru majú husle početné rezonancie blízko seba. Všetky, okrem vlčieho tónu, vo všeobecnom spektre extrahovaného zvuku skutočne nevyniknú.

Dychové nástroje.

Drevené dychové nástroje.

Prirodzené vibrácie vzduchu vo valcovom potrubí konečnej dĺžky boli diskutované skôr. Prirodzené frekvencie tvoria sériu harmonických, ktorých základná frekvencia je nepriamo úmerná dĺžke potrubia. Hudobné zvuky v dychových nástrojoch vznikajú v dôsledku rezonančného budenia vzduchového stĺpca.

Vibrácie vzduchu sú vybudené buď vibráciami v prúde vzduchu dopadajúceho na ostrú hranu steny rezonátora, alebo vibráciami ohybného povrchu jazyka v prúde vzduchu. V oboch prípadoch dochádza k periodickým zmenám tlaku v lokalizovanej oblasti valca nástroja.

Prvý z týchto spôsobov budenia je založený na výskyte "okrajových tónov". Keď prúd vzduchu vychádza zo štrbiny, prerušený klinovitou prekážkou s ostrou hranou, periodicky sa objavujú víry - najprv na jednej strane, potom na druhej strane klinu. Frekvencia ich tvorby je tým väčšia, čím väčšia je rýchlosť prúdenia vzduchu. Ak je takéto zariadenie akusticky spojené s rezonančným vzduchovým stĺpcom, potom je frekvencia okrajového tónu „zachytená“ rezonančnou frekvenciou vzduchového stĺpca, t.j. frekvencia tvorby víru je určená vzduchovým stĺpcom. Za takýchto podmienok je hlavná frekvencia vzduchového stĺpca vybudená až vtedy, keď rýchlosť prúdenia vzduchu prekročí určitú minimálnu hodnotu. V určitom rozsahu rýchlostí presahujúcich túto hodnotu sa frekvencia okrajového tónu rovná tejto základnej frekvencii. Pri ešte vyššej rýchlosti prúdenia vzduchu (blízkej tej, pri ktorej by sa okrajová frekvencia pri absencii komunikácie s rezonátorom rovnala druhej harmonickej rezonátora), sa okrajová frekvencia náhle zdvojnásobí a výška tónu emitovaného celým systémom sa zmení byť o oktávu vyššie. Toto sa nazýva pretečenie.

Okrajové tóny vzrušujú vzduchové stĺpy v nástrojoch, ako sú organ, flauta a pikola. Pri hre na flaute interpret vybudí okrajové tóny fúkaním zboku do bočného otvoru blízko jedného z koncov. Noty jednej oktávy, začínajúce od „D“ a vyššie, sa získajú zmenou efektívnej dĺžky hlavne, otvorením bočných otvorov s normálnym okrajovým tónom. Vyššie oktávy sú prefukované.

Ďalší spôsob vybudenia zvuku dychového nástroja je založený na periodickom prerušovaní prúdenia vzduchu kmitavým jazýčkom, ktorý sa nazýva jazýček, keďže je vyrobený z jazýčkov. Táto metóda sa používa v rôznych drevených dychových a dychových nástrojoch. K dispozícii sú možnosti s jedným plátkom (ako napr. klarinet, saxofón a akordeónové nástroje) a so symetrickým dvojitým plátkom (ako napr. hoboj a fagot). V oboch prípadoch je oscilačný proces rovnaký: vzduch je vháňaný cez úzku medzeru, v ktorej tlak klesá v súlade s Bernoulliho zákonom. Zároveň sa trstina vtiahne do medzery a prekryje ju. Pri absencii toku sa elastická trstina narovná a proces sa opakuje.

V dychových nástrojoch sa výber tónov stupnice, ako na flaute, vykonáva otvorením bočných otvorov a prefukom.

Na rozdiel od fajky, ktorá je otvorená na oboch koncoch, ktorá má celý rad podtónov, fajka, ktorá je otvorená len na jednom konci, má len nepárne harmonické ( cm. vyššie). Toto je konfigurácia klarinetu, a preto sú v ňom slabo vyjadrené aj harmonické. Prefukovanie v klarinete nastáva pri frekvencii 3x vyššej ako je hlavná.

V hoboji je druhá harmonická dosť intenzívna. Od klarinetu sa líši tým, že jeho vývrt má kužeľovitý tvar, pričom pri klarinete je prierez vývrtu na väčšine jeho dĺžky konštantný. Frekvencie v kužeľovej hlaveň sa počítajú ťažšie ako vo valcovej fajke, ale stále existuje celá škála podtextov. V tomto prípade sú frekvencie kmitov kužeľovej trubice s uzavretým úzkym koncom rovnaké ako frekvencie valcovej trubice otvorenej na oboch koncoch.

Dychové dychové nástroje.

Mosadz vrátane rohu, trúbky, kornetu, trombónu, rohu a tuby vzrušujú pery, ktorých činnosť je v kombinácii so špeciálne tvarovaným náustkom podobná ako pri dvojitom jazýčku. Tlak vzduchu pri budení zvuku je tu oveľa vyšší ako pri drevených dychových nástrojoch. Plechové dychové nástroje sú spravidla kovová hlaveň s valcovými a kužeľovými časťami, ktoré končia zvonom. Sekcie sú vybrané tak, aby bol zabezpečený celý rozsah harmonických. Celková dĺžka suda sa pohybuje od 1,8 m pre potrubie do 5,5 m pre tubu. Tuba je v tvare slimáka pre ľahkú manipuláciu, nie z akustických dôvodov.

Pri pevnej dĺžke hlavne má interpret k dispozícii len tóny určené vlastnými frekvenciami hlavne (navyše základná frekvencia sa zvyčajne „neberie“) a vyššie harmonické sú vybudené zvyšujúcim sa tlakom vzduchu v náustku. . Na trubici s pevnou dĺžkou je teda možné zahrať len niekoľko nôt (druhá, tretia, štvrtá, piata a šiesta harmonická). Na iných plechových nástrojoch sa frekvencie ležiace medzi harmonickými berú so zmenou dĺžky hlavne. Jedinečný je v tomto zmysle trombón, ktorého dĺžka hlavne sa reguluje plynulým pohybom výsuvných krídel v tvare U. Enumeráciu nôt celej stupnice zabezpečuje sedem rôznych polôh krídel so zmenou vzrušeného presahu trupu. V iných plechových nástrojoch sa to dosiahne efektívnym zväčšením celkovej dĺžky hlavne s tromi bočnými kanálmi rôznych dĺžok a v rôznych kombináciách. To dáva sedem rôznych dĺžok hlavne. Rovnako ako pri trombóne, aj tu sa tóny celej stupnice hrajú pomocou excitácie rôznych sérií podtónov zodpovedajúcich týmto siedmim dĺžkam stopky.

Tóny všetkých dychových nástrojov sú bohaté na harmonické. Je to spôsobené najmä prítomnosťou zvončeka, ktorý zvyšuje účinnosť emisie zvuku pri vysokých frekvenciách. Trúbka a klaksón sú navrhnuté tak, aby hrali oveľa širší rozsah harmonických ako polnica. Part sólovej trúbky v dielach I. Bacha obsahuje vo štvrtej oktáve série veľa pasáží, dosahujúcich 21. harmonickú tohto nástroja.

Bicie nástroje.

Bicie nástroje vydávajú zvuk úderom do tela nástroja a tým vzrušujú jeho voľné vibrácie. Od klavíra, v ktorom sú vibrácie vybudené aj úderom, sa takéto nástroje líšia v dvoch ohľadoch: vibrujúce telo nedáva harmonické podtóny a samo môže vyžarovať zvuk bez prídavného rezonátora. Medzi bicie nástroje patria bubny, činely, xylofón a triangel.

Kmity pevných látok sú oveľa zložitejšie ako oscilácie vzduchového rezonátora rovnakého tvaru, pretože v pevných látkach existuje viac druhov oscilácií. Takže vlny kompresie, ohybu a krútenia sa môžu šíriť pozdĺž kovovej tyče. Preto má valcová tyč oveľa viac vibračných režimov a tým aj rezonančných frekvencií ako valcový vzduchový stĺp. Navyše tieto rezonančné frekvencie netvoria harmonický rad. Xylofón využíva ohybové vibrácie pevných tyčí. Pomery podtónu vibračnej xylofónovej tyče k základnej frekvencii sú: 2,76, 5,4, 8,9 a 13,3.

Ladička je oscilujúca zakrivená tyč a jej hlavný typ oscilácie nastáva, keď sa obe ramená súčasne približujú k sebe alebo sa od seba vzďaľujú. Ladička nemá žiadne harmonické série podtónov a používa sa iba jej základná frekvencia. Frekvencia jeho prvého podtónu je viac ako 6-násobkom základnej frekvencie.

Ďalším príkladom oscilujúceho pevného telesa, ktoré produkuje hudobné zvuky, je zvon. Veľkosti zvonov môžu byť rôzne – od malého zvona až po niekoľkotonové kostolné zvony. Čím väčší je zvonček, tým nižšie zvuky vydáva. Tvar a ďalšie vlastnosti zvonov prešli v priebehu ich stáročného vývoja mnohými zmenami. Len veľmi málo podnikov sa zaoberá ich výrobou, čo si vyžaduje veľkú zručnosť.

Počiatočná séria tónov zvona nie je harmonická a pomery tónov nie sú rovnaké pre rôzne zvony. Takže napríklad pre jeden veľký zvon boli namerané pomery alikvotných frekvencií k základnej frekvencii 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 a 5,33. Ale rozloženie energie v alikvotných tónoch sa okamžite po údere na zvon rýchlo mení a tvar zvonu sa zdá byť zvolený tak, že dominantné frekvencie sú vo vzájomnom vzťahu približne harmonicky. Výška tónu zvonu nie je určená základnou frekvenciou, ale tónom, ktorý je dominantný bezprostredne po údere. Zodpovedá približne piatemu tónu zvona. Po určitom čase začnú v zvuku zvona prevládať nižšie podtóny.

V bubne je vibračným prvkom kožená membrána, zvyčajne okrúhla, ktorú možno považovať za dvojrozmernú obdobu napnutej struny. V hudbe nie je bubon taký dôležitý ako struna, pretože jeho prirodzený súbor vlastných frekvencií nie je harmonický. Výnimkou sú tympány, ktorých membrána je natiahnutá cez vzduchový rezonátor. Sekvencia tónov bubna môže byť harmonická zmenou hrúbky hlavy v radiálnom smere. Príkladom takéhoto bubna je tabla používané v klasickej indickej hudbe.

Špecifický vnem, ktorý vnímame ako zvuk, je výsledkom pôsobenia na sluchový aparát človeka kmitavým pohybom elastického média – najčastejšie vzduchu. Vibrácie média sú vybudené zdrojom zvuku a šíria sa v médiu dostávajú sa do prijímacieho aparátu - nášho ucha. Nekonečná rozmanitosť zvukov, ktoré počujeme, je teda spôsobená oscilačnými procesmi, ktoré sa navzájom líšia frekvenciou a amplitúdou. Nemali by sa zamieňať dve stránky toho istého javu: zvuk ako fyzikálny proces je špeciálnym prípadom kmitavého pohybu; ale ako psycho-fyziologický jav je zvuk určitým špecifickým vnemom, ktorého mechanizmus vzniku je dnes už dosť podrobne študovaný.

Keď už hovoríme o fyzikálnej stránke javu, zvuk charakterizujeme jeho intenzitou (sila), jeho zložením a frekvenciou oscilačných procesov s ním spojených; pokiaľ ide o zvukové vnemy, hovoríme o hlasitosti, zafarbení a výške tónu.

V pevných látkach sa zvuk môže šíriť vo forme pozdĺžnych aj priečnych vibrácií. Keďže kvapaliny a plyny nemajú šmykovú elasticitu, je zrejmé, že v plynných a kvapalných prostrediach sa zvuk môže šíriť len vo forme pozdĺžnych vibrácií. V plynoch a kvapalinách sú zvukové vlny striedavým zahusťovaním a riedením média, pričom sa vzďaľujú od zdroja zvuku určitou rýchlosťou charakteristickou pre každé médium. Povrch zvukovej vlny je miestom, kde sa nachádzajú častice média s rovnakou fázou kmitov. Povrchy zvukových vĺn môžu byť nakreslené napríklad tak, že medzi povrchmi susedných vĺn je zhrubnutá vrstva a vrstva riedenia. Smer kolmý na povrch vlny sa nazýva lúč.

Zvukové vlny v plynnom prostredí možno fotografovať. Na tento účel je umiestnený za zdrojom zvuku

fotografická platňa, na ktorú je spredu nasmerovaný lúč svetla z elektrickej iskry tak, že tieto lúče z okamžitého záblesku svetla dopadnú na fotografickú platňu, pričom prechádzajú vzduchom obklopujúcim zdroj zvuku. Na obr. 158-160 ukazuje fotografie zvukových vĺn získaných touto metódou. Zdroj zvuku bol oddelený od fotografickej dosky malou obrazovkou na stojane.

Na obr. 158, ale je vidieť, že zvuková vlna práve vyšla spoza obrazovky; na obr. 158b, tá istá vlna bola odfotografovaná druhýkrát o niekoľko tisícin sekundy neskôr. Povrch vlny je v tomto prípade guľa. Na fotografii je obraz vlny získaný vo forme kruhu, ktorého polomer sa časom zvyšuje.

Ryža. 158. Fotografia zvukovej vlny v dvoch časových bodoch (a a b). Odraz zvukovej vlny (c).

Na obr. 158c ukazuje fotografiu sférickej zvukovej vlny odrazenej od rovnej steny. Tu by ste mali venovať pozornosť skutočnosti, že odrazená časť vlny, ako to bolo, pochádza z bodu umiestneného za odraznou plochou v rovnakej vzdialenosti od odrazovej plochy ako zdroj zvuku. Je dobre známe, že fenomén odrazu zvukových vĺn vysvetľuje ozvenu.

Na obr. 159 ukazuje zmenu vlnovej plochy počas prechodu zvukovej vlny cez šošovkovitý vak naplnený vodíkom. Táto zmena povrchu zvukovej vlny je dôsledkom lomu (lomu) zvukových lúčov: na rozhraní dvoch prostredí, kde je rýchlosť vĺn rozdielna, sa mení smer šírenia vlny.

Ryža. 160 reprodukuje fotografiu zvukových vĺn so štvorštrbinovou obrazovkou umiestnenou v ich dráhe. Prechádzajúc cez trhliny, vlny obchádzajú obrazovku. Tento jav ohybu vĺn okolo prekážok, s ktorými sa stretávame, sa nazýva difrakcia.

Zákony šírenia, odrazu, lomu a difrakcie zvukových vĺn možno odvodiť z Huygensovho princípu, podľa ktorého každá častica vibruje.

médium možno považovať za nové centrum (zdroj) vĺn; interferenciou všetkých týchto vĺn vzniká skutočne pozorovaná vlna (spôsoby aplikácie Huygensovho princípu budú vysvetlené v treťom zväzku na príklade svetelných vĺn).

Zvukové vlny nesú so sebou určité množstvo pohybu a následne vyvíjajú tlak na prekážky, s ktorými sa stretávajú.

Ryža. 159. Lom zvukovej vlny.

Ryža. 160. Difrakcia zvukových vĺn.

Aby sme túto skutočnosť objasnili, obráťme sa na obr. 161. Na tomto obrázku bodkovaná čiara znázorňuje sínusoidu posunov častíc média v určitom časovom bode počas šírenia pozdĺžnych vĺn v médiu. Rýchlosti týchto častíc v uvažovanom časovom okamihu budú reprezentované kosínusovou vlnou, alebo, čo je to isté, sínusoidou vedúcou sínusoidu posunu o štvrtinu periódy (na obr. 161 - plná čiara). Je ľahké vidieť, že zahusťovanie média bude pozorované tam, kde je v danom momente posunutie častíc nulové alebo blízke nule a kde je rýchlosť nasmerovaná v smere šírenia vlny. Naopak, riedenie média bude pozorované tam, kde je posun častíc tiež nulový alebo blízky nule, ale kde je rýchlosť častíc nasmerovaná v smere opačnom k ​​šíreniu vlny. Takže pri kondenzácii sa častice pohybujú dopredu, pri riedení - dozadu. Ale v

Ryža. 161. Pri kondenzácii prechádzajúcej zvukovej vlny sa častice pohybujú dopredu,

V hustých vrstvách je viac častíc ako v riedených. Preto v akomkoľvek čase pri postupujúcich pozdĺžnych zvukových vlnách počet častíc pohybujúcich sa dopredu mierne prevyšuje počet častíc pohybujúcich sa dozadu. Výsledkom je, že zvuková vlna nesie so sebou určitý pohyb, ktorý sa prejavuje tlakom, ktorým zvukové vlny pôsobia na prekážky, s ktorými sa stretávajú.

Akustický tlak experimentálne skúmali Rayleigh a Petr Nikolaevič Lebedev.

Teoreticky je rýchlosť zvuku určená Laplaceovým vzorcom [§ 65, vzorec (5)]:

kde K je modul všestrannej pružnosti (keď sa stláčanie vykonáva bez prítoku a uvoľňovania tepla), hustota.

Ak sa stláčanie tela uskutočňuje pri udržiavaní konštantnej telesnej teploty, potom sa pre modul pružnosti získajú hodnoty menšie ako v prípade, keď sa stláčanie vykonáva bez prítoku a uvoľňovania tepla. . Tieto dve hodnoty modulu rovnomernej pružnosti, dokázané v termodynamike, súvisia ako tepelná kapacita telesa pri konštantnom tlaku s tepelnou kapacitou telesa pri konštantnom objeme.

Pre plyny (nie príliš stlačené) sa izotermický modul rovnomernej pružnosti jednoducho rovná tlaku plynu.Ak bez zmeny teploty plynu stlačíme plyn (zvýšime jeho hustotu) o faktor, potom plyn tlak sa zvýši o faktor. Preto sa podľa Laplaceovho vzorca ukazuje, že rýchlosť zvuku v plyne nezávisí od hustoty plynu.

Z plynových zákonov a Laplaceovho vzorca možno vyvodiť (§ 134), že rýchlosť zvuku v plynoch je úmerná druhej odmocnine absolútnej teploty plynu:

kde je gravitačné zrýchlenie, pomer tepelných kapacít je univerzálna plynová konštanta.

Pri C je rýchlosť zvuku v suchom vzduchu rovná rýchlosti zvuku pri stredných teplotách a priemernej vlhkosti.Vo vzduchu je rýchlosť zvuku vo vodíku rovná

Rýchlosť zvuku vo vode je v skle a v železe.

Je potrebné poznamenať, že rázové zvukové vlny spôsobené výstrelom alebo výbuchom na začiatku svojej dráhy majú rýchlosť

ďaleko presahuje normálnu rýchlosť zvuku v médiu. Rázová zvuková vlna vo vzduchu spôsobená silným výbuchom môže mať v blízkosti zdroja zvuku rýchlosť niekoľkonásobne vyššiu ako je bežná rýchlosť zvuku vo vzduchu, ale už vo vzdialenosti desiatok metrov od miesta výbuchu, rýchlosť šírenia vlny klesá na normálnu hodnotu.

Ako už bolo uvedené v § 65, zvukové vlny rôznych dĺžok majú takmer rovnakú rýchlosť. Výnimkou sú tie frekvenčné rozsahy, ktoré sa vyznačujú obzvlášť rýchlym tlmením elastických vĺn pri ich šírení v uvažovanom médiu. Zvyčajne tieto frekvencie ležia ďaleko za hranicami sluchu (pre plyny pri atmosférickom tlaku sú to frekvencie rádovo vibrácií za sekundu). Teoretická analýza ukazuje, že rozptyl a absorpcia zvukových vĺn súvisí so skutočnosťou, že na prerozdelenie energie medzi translačnými a vibračnými pohybmi molekúl je potrebný určitý, aj keď krátky čas. To spôsobuje, že dlhé vlny (zvukový rozsah) sa pohybujú o niečo pomalšie ako veľmi krátke „nepočuteľné“ vlny. Takže v parách oxidu uhličitého pri atmosférickom tlaku má zvuk rýchlosť, zatiaľ čo veľmi krátke, „nepočuteľné“ vlny sa šíria rýchlosťou

Zvuková vlna šíriaca sa v médiu môže mať rôzny tvar v závislosti od veľkosti a tvaru zdroja zvuku. V technicky najzaujímavejších prípadoch je zdrojom zvuku (emitorom) nejaká oscilujúca plocha, ako je napríklad membrána telefónu alebo difúzor reproduktora. Ak takýto zdroj zvuku vyžaruje zvukové vlny do otvoreného priestoru, potom tvar vlny závisí v podstate od relatívnych rozmerov žiariča; žiarič, ktorého rozmery sú veľké v porovnaní s dĺžkou zvukovej vlny, vyžaruje zvukovú energiu len jedným smerom, a to v smere jej kmitavého pohybu. Naopak, žiarič malej veľkosti v porovnaní s vlnovou dĺžkou vyžaruje zvukovú energiu vo všetkých smeroch. Tvar čela vlny v oboch prípadoch bude samozrejme odlišný.

Najprv zvážte prvý prípad. Predstavme si tuhý rovný povrch dostatočne veľkých rozmerov (v porovnaní s vlnovou dĺžkou), ktorý kmitá v smere svojej normály. Takýto povrch pri pohybe dopredu vytvára pred sebou kondenzáciu, ktorá sa v dôsledku pružnosti média bude šíriť v smere posunu žiariča). Keď sa žiarič pohybuje späť, vytvorí za sebou zriedenie, ktoré sa bude pohybovať v médiu po počiatočnej kondenzácii. Krátkym kmitaním žiariča budeme na jeho oboch stranách pozorovať zvukovú vlnu, ktorá sa vyznačuje tým, že všetky častice média, ktoré sú v rovnakej vzdialenosti od vyžarujúceho povrchu priemernej hustoty média a rýchlosti zvuku s:

Súčin priemernej hustoty média a rýchlosti zvuku sa nazýva akustická impedancia média.

Akustická impedancia pri 20°C

(pozri sken)

Uvažujme teraz o prípade sférických vĺn. Keď sa rozmery vyžarujúceho povrchu zmenšia v porovnaní s vlnovou dĺžkou, čelo vlny sa zreteľne zakriví. Energia vibrácií sa totiž šíri všetkými smermi od žiariča.

Tento jav možno najlepšie pochopiť na nasledujúcom jednoduchom príklade. Predstavte si, že na hladinu vody spadne dlhé poleno. Vlny, ktoré tým vznikli, idú v paralelných radoch na oboch stranách guľatiny. Iná situácia je, keď sa do vody hodí malý kameň a vlny sa šíria v sústredných kruhoch. Log je pomerne veľký

s vlnovou dĺžkou na povrchu vody; rovnobežné rady vĺn, ktoré z neho vychádzajú, predstavujú jasný model rovinných vĺn. Kameň má malú veľkosť; kruhy rozchádzajúce sa od miesta jeho pádu nám dávajú model sférických vĺn. Keď sa sférická vlna šíri, povrch čela vlny sa zväčšuje úmerne druhej mocnine jej polomeru. Pri konštantnom výkone zdroja zvuku je energia pretekajúca každým štvorcovým centimetrom guľovej plochy polomeru nepriamo úmerná Keďže energia kmitov je úmerná druhej mocnine amplitúdy, je zrejmé, že amplitúda kmitov v guľová vlna sa musí zmenšiť ako prevrátená hodnota prvej mocniny vzdialenosti od zdroja zvuku. Rovnica sférických vĺn má teda nasledujúci tvar: