книга песка
Элементарная теория музыки. Звук. Характеристики.
Posted 10 февраля, 2012 by impresense in Музыка, Теория музыки. 2 комментария
Элементарная теория представляет собою род первоначальной музыкальной грамматики, которая должна сообщить учащимся систематические сведения о ряде важнейших элементов музыки, сведения по музыкальной орфографии.
§ I. Звук как физическое явление представляет собою колебательные движения какого-нибудь тела—источника звука (струны, воздушного столба в духовом инструменте, пластинки, мембраны и т. д), создающего звуковые волны (периодические сгущения и разрежения в воздухе).
В природе существует бесконечное множество звуков, воспринимаемых слухом человека, но не все звуки могут служить материалом для музыки.
Музыкальные звуки, в отличие от шумовых, обладают особыми свойствами; они отобраны и организованы в определенную систему, выработанную в процессе многовекового развития музыкальной культуры и служащую для выражения музыкальных мыслей, музыкальных образов.
§ 2. Свойства и качества звука. Свойствами звука называют объективно присущие ему физические особенности, а именно—
1. частоту колебаний,
2.их продолжительность,
3.амплитуду и
4.состав колебаний (в смысле сочетания простейших колебаний в данном сложном).
Отражение физических свойств звука в наших ощущениях есть качества звука. К качествам относятся —
1.высота,
2.длительность,
3.громкость и
4.тембр.
ВЫСОТА / ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ
Высота звука зависит от частоты звуковых колебаний. Чем чаще колебания — тем выше звук; чем реже колебания — тем звук ниже. Высота может быть выражена с разной степенью ясности. Поэтому звуки разделяются на две группы: 1) звуки, имеющие ясно выраженную высоту, и 2) звуки, не имеющие ясно выраженной высоты.
Человеческий слух способен воспринимать различие в высоте (приблизительно) от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Однако в музыке используются, главным образом, звуки, имеющие ясно выраженную высоту в пределах (приблизительно) от 16 до 4 000 колебаний в секунду. Такое ограничение связано с практикой человеческой речи и пения, причем в речи и пении используются звуки в еще более узких пределах. Теория музыки занимается почти исключительно звуками, имеющими ясно выраженную высоту.
Звуки, не имеющие ясно выраженной высоты, производимые различными шумящими и звенящими инструментами, применяются в музыке ограниченно. Такие звуки изучаются в разделе ударных инструментов курса инструментоведения и оркестровки.
ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ЗВУКА / ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ КОЛЕБАНИЙ
Длительность звука зависит от продолжительности колебательного движения.
ГРОМКОСТЬ ЗВУКА / АМПЛИТУДА
Громкость звука зависит от силы колебательного движения, выражающейся в амплитуде (размахе) колебаний.
ТЕМБР, ОКРАСКА ЗВУКА / СОСТАВ КОЛЕБАНИЙ
Тембр, или окраска звука зависит от состава звука. Благодаря разнице в тембрах мы отличаем голос одного человека от голоса другого, звук одного инструмента от звука другого и т. п.
Звук в физике
Содержание:
На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.
Звук
Звук – это механические волны, распространяющиеся в упругой среде (газе, жидкости, твердом теле) и имеющие частотный диапазон, который способно воспринимать человеческое ухо (от 16 Гц до 20 кГц). Колебания частиц, которые служат причиной появления механических волн такой частоты, называются акустическими, а раздел физики, изучающий свойства звука и особенности его распространения – акустикой.
Происхождение звука
Среди разнообразных колебательных и волновых движений, встречающихся в природе и технике, особо важное значение в жизни человека имеют звуковые колебания и волны, или просто звуки. Достаточно сказать, что наша речь, дающая нам возможность общаться друг с другом, состоит из ряда следующих друг за другом звуков. Мы легко отличаем голос одного человека от голоса другого, одно слово от другого слова.
Ухо, при помощи которого мы воспринимаем звук, улавливает даже мельчайшие оттенки человеческого голоса: радость, грусть, гнев и т. д.
1 От греч. слова акустикос — слуховой.
Простые наблюдения показывают нам, что части звучащего тела находятся в колебательном движении.
Рис. 67. Колебание звучащей струны.
Присмотримся внимательно к звучащей струне; она стала в середине как бы толще, а очертания её сделались менее ясными. Вид струны изменился оттого, что она колеблется между крайними положениями 1 и 2 (рис. 67). Колебания струны настолько быстры, что мы не можем следить за её движением. Если к звучащей струне приблизить конец бумажной полоски, то полоска будет подпрыгивать от толчков струны. Пока струна колеблется, мы слышим звук; остановим струну, и звук прекращается.
Рис. 68. Обнаружение колебаний звучащего.
При изучении звуковых явлений очень часто в качестве источника звука пользуются камертоном (рис. 68). Если по камертону ударить мягким молоточком или провести по нему смычком, то камертон зазвучит.
Поднесём к звучащему камертону лёгкий шарик (стеклянную бусинку), подвешенный на нитке, — шарик будет отскакивать от камертона.
Дрожание звучащего камертона можно почувствовать и непосредственно, дотронувшись слегка до его ножек пальцем. Если же ножку камертона зажать, то он не сможет больше колебаться, и звук прекратится.
Источниками звуков особенно легко становятся тела, обладающие большой упругостью, например натянутая стальная струна, камертон, зажатая одним концом в тисках стальная пластинка, колокольчик, деревянная дощечка и др. Источниками звуков могут быть не только твёрдые тела, но и жидкости, а также газы. Так, например, нередко вода «поёт» в водопроводных трубах или «гудит» воздух в дымоходе; колеблющийся столб воздуха является источником звука в органных трубах и в различных других духовых инструментах.
Рис. 69. Запись колебаний камертона.
Простой вид звуковых колебаний
Исследуем несколько подробнее колебательное движение камертона. Для этого прикрепим к одной из ножек камертона лёгкое зеркальце и пустим на зеркальце тонкий пучок света. Свет отражается от зеркальца, затем падает на другое многогранное зеркало, могущее вращаться вокруг вертикальной оси, отражается от него и попадает на экран (рис. 69). На экране образуется небольшое светлое пятно. Если теперь заставить звучать камертон, слегка ударив его резиновым молоточком, то на экране вместо светлого пятна образуется вертикальная чёрточка.
Остановим камертон и будем быстро вращать многогранное зеркало, на экране мы заметим сплошную горизонтальную линию. Если теперь снова возбудить камертон так, чтобы он зазвучал, то на экране мы получим синусоиду (рис. 69). Следовательно, колебания камертона являются синусоидальными, или гармоническими колебаниями. Они представляют собой наиболее простой вид звуковых колебаний.
Классификация звуков
По форме и характеру волны принято различать три вида звуков: 1) звуковые удары, 2) шумы и 3) музыкальные звуки, или тоны.
Звуковые удары
Звуковые удары возникают при выстреле, взрыве, электрической искре, при ударе каких-нибудь тяжёлых тел и т. п.
Ударная волна, соответствующая этим звукам, представляет собой единичную волну.
Шумы
Шумы представляют собой последовательность непериодических ударов. Таковы, например, шум ветра в листьях деревьев, треск при ломании дерева, лязг железа, скрип и т. д.
Рис. 70. От звучащего колокольчика в воздухе распространяются волны, доходящие до уха.
Музыкальные звуки вызываются периодическими колебаниями источников звуков: они состоят из ряда непрерывно следующих одна за другой волн одинаковой длины и формы в упругих телах. Таковы, например, звуки, издаваемые камертоном, музыкальными инструментами, певцами и т. д.
Распространение звука
Мы воспринимаем звук благодаря нашему органу слуха — уху. Ухо является для нас приёмником звука. Между ухом и звучащим (колеблющимся) телом — вибратором, находится передающая среда; чаще всего ею является воздух.
Необходимым условием для передачи звука от вибратора к приёмнику (в частности, к нашему уху) является существование упругой среды между вибратором и приёмником. Схематически процесс распространения звука можно представить так:
вибратор — передающая среда — приёмник.
Если между вибратором и приёмником удалить упругую звукопередаюшую среду, то звуковые волны не смогут достигнуть приёмника.
Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник (рис. 71). Пока в колоколе находится воздух, звук звонка мы слышим ясно. При откачивании воздуха из-под колокола звук постепенно слабеет, и, наконец, становится неслышимым. Молоточек продолжает ударять по тарелке звонка, следовательно, тарелка колеблется, но эти колебания дальше уже не могут распространяться (нет передающей среды) и не могут дойти до нашего уха. Впустим под колокол воздух и снова услышим звон.
Рис. 71. Опыт, доказывающий, что безвоздушное пространство не передаёт звуковых колебаний.
Положим на один конец данной доски карманные часы, а сами отойдём к другому концу. Приложив ухо к доске, мы ясно услышим ход часов.
Привяжем к металлической ложке бечёвку. Концы бечёвки приложим к ушам. Ударяя по ложке, услышим сильный звук. Ещё более сильный звук услышим, если бечёвку заменим проволокой, но совсем не услышим звука, если вместо бечёвки возьмём резиновый шнур.
Способность различных тел передавать звуковые колебания называется звукопроводностью.
Мягкие и пористые тела — плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. Такими материалами являются: войлок, ковры, прессованная пробка, пористые камни, свинец. Звуковые волны в таких прослойках быстро затухают.
Жидкости хорошо проводят звук. Рыбы, например, слышат шаги и голоса на берегу, это известно опытным рыболовам.
Итак, звуковые волны распространяются в твёрдых, жидких и газообразных телах, но не могут распространяться в безвоздушном пространстве.
Скорость распространения звука
Простые наблюдения показывают, что звук распространяется в каждой среде с определённой скоростью.
Когда мы смотрим издалека на стрельбу из ружья, то сначала видим огонь и дым, а потом через некоторое время слышим звук выстрела. Дым появляется в то же время, когда происходит первое звуковое колебание. Измерив промежуток времени (t сек) между моментом возникновения звука (момент появления дыма) и моментом, когда он доходит до уха, и зная расстояние (s м) от нас до источника звука, можно определить скорость распространения звуковых волн, или скорость звука:
Измерения показывают, что скорость звука в воздухе при 0° С и нормальном атмосферном давлении равна 
При повышении температуры воздуха скорость звука возрастает, так как при этом возрастает упругость воздуха. Например, при 15° С скорость звука в воздухе равна 
при 30° С — 
при 100° С — 
В других газах скорость звука иная, чем в воздухе. Чем легче газ, тем подвижнее молекулы его и тем скорость звука в нём больше. В водороде она равна 
— при 0° С. В углекислом газе скорость звука меньше: при 0° С она равна 
Скорость звука в воде в 
раза больше, чем в воздухе. В металлах скорость звука ещё больше.
Скорость звука в различных средах (при 0°С) 
Музыкальные звуки. Высота тона
Музыкальные звуки или, как принято говорить, музыкальные тоны, характеризуются высотой, громкостью и тембром.
Возьмём два камертона, издающие звуки разной высоты, и запишем графики их колебаний на закопчённой пластинке. Мы получим кривые, изображённые на рисунке 72. Верхняя кривая получена от камертона, дающего низкий тон, нижняя — от камертона с высоким тоном. В первом случае получилась кривая с более длинной волной, во втором — с волной меньшей длины. Отсюда видно, что у первого камертона (с низким тоном) больший период колебаний и меньшая частота, чем у второго.
В случае гармонических звуковых колебаний, каковыми, например, можно считать колебания камертона, наше ощущение высоты тона объективно соответствует частоте колебаний. Чем меньше период и соответственно больше частота колебаний, тем выше тон, и наоборот: чем меньше частота колебаний, тем ниже тон.
Таким образом, физическим явлениям — колебаниям разной частоты — соответствуют ощущения разной высоты тонов.
Наше ухо способно воспринимать как звук колебания в пределах от 20 до 20 000 гц.
Пределы для звуков человеческого голоса заключаются между 64 гц (низкая басовая нота) и 1300 гц (верхняя сопрановая нота). Нижняя нота «ля» рояля имеет 27,5 гц, а его верхнее «до» — 4096 гц.
В природе встречаются колебания, имеющие частоту, не воспринимаемую нашим ухом. От такого неслышимого источника звука
волны, конечно, всё же доходят до нашего уха и воздействуют на барабанную перепонку, но наш слуховой аппарат не отзовется на эти воздействия. Звуковые колебания, частоты которых лежат за пределами слышимых, т. е. выше 20 кгц, называются ультразвуками.
Современная техника располагает средствами получения ультразвуков в широком диапазоне частот от 20 кгц до 500 мггц.
Рис. 72. Верхняя кривая соответствует низкому тону, нижняя — высокому тону.
Ультразвуки в настоящее время нашли довольно широкое применение в технике. Ими пользуются, например, для измерения морских глубин (эхолоты). Ультразвуки применяются для обнаруживания различного рода дефектов в металлических изделиях и отливках (ультразвуковая дефектоскопия). При помощи ультразвуковых колебаний получают различного рода эмульсии.
Ультразвуки могут производить биологические и физиологические действия. Так, например, облучение ультразвуками семян повышает их всхожесть, облучение ультразвуками молока предохраняет его на длительное время от скисания. Красные кровяные шарики под действием ультразвуков разрушаются, и вследствие этого животные погибают. Маленькие рыбки и лягушки убиваются ультразвуками уже через 1—2 минуты.
Сила и громкость звука
1 Слово сила в выражении сила звука не соответствует содержанию этого понятия, так как мы имеем здесь дело не с силой, а с энергией.
Силу звука измеряют в 
Силе звука соответствует ощущение громкости, подобно тому, как частоте колебаний — высота тона.
Сила звука и громкость — понятия неравнозначные. Сила звука характеризует физический процесс независимо от того, воспринимается ли он слушателем или нет; громкость же является субъективным качеством звука.
Рассмотрим теперь, от чего зависит сила звука, а следовательно, и его громкость. Запишем для этого колебания камертона последовательно несколько раз с некоторыми промежутками во времени (рис. 73). Звук камертона постепенно затихает, и это сейчас же отражается на графике его колебаний.
Pиc. 73. График трёх тонов одинаковой частоты, но различной громкости; кривой с большей амплитудой колебания соответствует более громкий тон.
Как видно из графиков 1, 2, 3, период колебаний камертона не менялся: гребни и впадины на всех трёх графиках одинаково часты. Но по мере ослабления звука уменьшалась амплитуда колебаний. У самого сильного звука амплитуда была наибольшей (график 1); когда звук стал почти не слышим, амплитуда колебаний оказалась маленькой (график 3). Когда камертон перестанет колебаться, график обратится в прямую линию.
Таким образом, мы видим, что сила звука связана с амплитудой колебаний. Чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее звук, чем меньше амплитуда, тем звук слабее.
Рис. 74. Энергия в звуковой волне, приходящаяся на каждую единицу поверхности, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника звука.
Когда какое-нибудь тело звучит, то оно приводит в колебание окружающие частицы среды (например, частицы воздуха) и отдаёт им при этом часть своей энергии. Запас энергии в звучащем теле уменьшается, уменьшается амплитуда его колебаний, ослабевает звук.
При распространении в среде звук ослабевает по мере удаления от источника. Вся энергия, которая сначала была сосредоточена около одного центра — источника звука, по мере удаления от него будет распределяться на всё большее и большее число частиц среды; на долю каждой частицы будет приходиться всё меньше и меньше энергии. При распространении звуковых волн в изотропной 1 среде поверхность распространяющейся волны будет сферой с центром О, практически совпадающим с источником звука. Поверхность сферы будет возрастать пропорционально квадрату расстояния от источника; рисунок 74 поясняет это. Энергия, приходящаяся на каждую единицу площади поверхности сферы, будет изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Отсюда: сила звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния on источника звука. Меняется при этом и связанное с этой величиной ощущение громкости, что каждому известно из опыта.
1 Изотропия (от греческих слов: изос — одинаковый, тропос — характер) — физическая особенность ряда тел, заключающаяся в том, что физические свойства их (теплопроводность, упругость, электропроводность и др.) одинаковы по всем направлениям.
Если направить звук вдоль трубы с одним и тем же поперечным сечением, то в этом случае распространяющийся звук почти не теряет своей силы. Малое ослабление звука с расстоянием можно наблюдать и в длинных узких коридорах.
Часто для переговоров на расстоянии применяются конусообразные трубы-рупоры. Рупор не даёт звуковым волнам рассеиваться во все стороны и заставляет их идти в одном направлении. Рупором можно воспользоваться также для того, чтобы собрать рассеянные звуковые волны. Приложим рупор к уху его узкой стороной, и звуки усилятся. На ухо действует вся энергия, пришедшая к внешней, широкой стороне рупора. Во сколько раз внешнее отверстие рупора по площади больше отверстия уха, во столько раз усилится и звук.
Наше ухо снабжено собственным рупором — ушной раковиной. Иногда, чтобы улавливать слабые звуки, мы увеличиваем этот рупор, прикладывая руку к ушной раковине.
Человеческое ухо обладает исключительной чувствительностью: оно улавливает звуки, которые в миллион раз слабее человеческого голоса обычной громкости. С другой стороны, человек привыкает переносить и такие сильные звуки, как артиллерийская канонада.
Однако наше ухо оказывается неодинаково чувствительным к звукам разной частоты; наиболее чувствительно оно к тонам, лежащим в пределах 1000—3000 гц. Чтобы звук был услышан в условиях наибольшей чувствительности (около 2000 гц), звуковые волны, как показывают современные измерения, должны приносить к уху за каждую секунду энергию не менее 5 триллионных долей эрга. Амплитуда колебаний частиц воздуха при этом оказывается меньше одной десятимиллиардной миллиметра. Интересно, что чувствительность глаза к энергии света такого же порядка, как и чувствительность уха к энергии звука.
Тембр звука
Всем хорошо известно, что звуки одной и той же высоты, воспроизведённые на скрипке, кларнете, рояле, певцом или певицей, отличаются друг от друга особым качеством — мягкостью или резкостью, меньшей или большей выразительностью. Мы по голосу узнаём знакомых нам людей. Даже у одного и того же человека различные гласные отличаются друг от друга.
Это качество звука, его своеобразная «окраска», называется тембром.
О тембре тона данной высоты можно судить по форме той периодической кривой линии, которая изображает колебания, производимые источником.
Гармонические колебания тел создают волну, имеющую форму, изображённую на рисунке 75а и называемую синусоидальной волной. Такая волна дает ощущение простого, или чистого, тона.
Рис. 75а. График простого, или чистого, тона.
В скрипке же, где колебания струн возбуждаются смычком, или, например, в язычковой трубе получаются волны более сложной формы (рис. 75б), которым соответствуют и более сложные звуки.
Рис. 75б. График звука, полученного в язычковой трубе.
При помощи специальных анализаторов звука можно установить, что всякий сложный музыкальный звук состоит из ряда простых тонов, частоты колебаний которых относятся, как 1 : 2 : 3 : 4. Наиболее низкий тон в сложном музыкальном звуке называется основным. Он имеет такую же частоту, что и сложный звук. Остальные простые тоны, имеющие вдвое, втрое, вчетверо и т. д. большие частоты, называются высшими гармоническими тонами, или обертонами. В § 27 было установлено, что сложение гармонических колебаний различных частот даёт результирующее колебание, которое изображается сложной периодической кривой (см. рис. 59г). Анализатор же позволяет выделить те простые колебания, которые образуют сложный звук.
На рисунке 76 сверху изображён график звуковой волны, возбуждаемой скрипкой, а внизу три синусоидальные волны, одна из которых соответствует основному тону, а другие две — двум наиболее интенсивным обертонам.
Подобрав подходящее сочетание чистых тонов при помощи камертонов, можно воспроизвести сложный звук, сходный по тембру со звуком скрипки, язычковой трубы или других каких-нибудь музыкальных инструментов.
В музыке употребляются сложные звуки, богатые обертонами. Чем больше к основному тону примешано обертонов, тем, в зависимости от силы каждого из этих обертонов, тембр звука будет разнообразнее. Особенно богаты обертонами звуки скрипки и голоса певцов.
«Простые тоны, какие мы имеем от наших камертонов, — писал А. Г. Столетов, — не употребляются в музыке; они так же пресны и безвкусны, как химически чистая вода, — они бесхарактерны».
Отражение звуковых волн
Если звуковые волны на своём пути встречают какую-нибудь преграду (горы, лес, стену и т. п.), они отражаются. Когда отражённая звуковая волна доходит до нашего уха, мы слышим звук, называемый эхом или отголоском.
Отраженный звук мы услышим через промежуток времени, в течение которого звуковая волна проходит двойное расстояние между источником звука и преградой.
Рис. 76. а — график сложного звука скрипки; б — график основного тона звука скрипки; в, г — графики двух наиболее интенсивных обертонов звука скрипки.
Раскаты грома объясняются многократными отражениями его от облаков и земли. Когда звук отражается от близких преград, эхо сливается с первоначальным звуком и усиливает его. Поэтому звуки в закрытых помещениях нам кажутся более громкими, чем на открытом воздухе.
Помещения с гладкими стенами, полом и потолком обладают свойством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию предшествующих звуковых волн на последующие получается перемещение звуков, образуется гул: звук в помещении не сразу исчезает вместе с прекращением действия его источника.
Акустика помещения характеризуется так называемым временем реверберации — временем угасания звука до неслышимого предела. Реверберация зависит, с одной стороны, от объёма помещения, а с другой — от его формы и от материала стен, потолка и пола.
Помещения с мягкой обивкой стен, драпировками, мягкой мебелью, а также наполненные людьми, слабее отражают звуковые волны; в значительной степени они поглощаются мягкой средой, а потому и реверберация их гораздо меньше.
Но очень уменьшать реверберацию тоже не следует, так как звуки тогда чрезвычайно быстро гаснут и не имеют достаточной громкости и яркости. Певцы и музыканты знают, как трудно петь и играть в небольших комнатах, переполненных мягкой мебелью, драпировками, коврами.
В одном из лучших в акустическом отношении зале — в Колонном зале Дома Союзов в Москве — время реверберации около 1,75 сек, когда он наполнен публикой, и около 4 сек в пустом.
Стоячие волны
Встряхнем рукой свободный конец висящей верёвки. По верёвке побежит волна. Волна дойдёт до закреплённого конца, отразится здесь и пойдёт обратно (рис. 77). Если мы будем непрерывно колебать рукой конец верёвки, то получится ряд непрерывно бегущих волн, следующих одна за другой, а навстречу им от закреплённого конца побежит такой же ряд отражённых волн. Обе системы волн будут накладываться друг на друга, образуя так называемую стоячую волну. Рассмотрим процесс образования стоячей волны.
Рис. 77. Получение стоячих волн на верёвке.
Пусть периоды и амплитуды бегущих и отражённых волн одинаковы. В некоторый момент времени обе волны будут налагаться друг на друга так, как показано на рисунке 78,а. Затем эти волны разойдутся: одна передвинется на некоторое расстояние вправо, другая — на такое же расстояние влево (рис. 78,б).
При совпадении волн точки 
и т. д. находятся в положении равновесия. Оно сохранится и в случае расхождения волн. Действительно, при расхождении волн одна волна будет смещать точки вверх, другая на столько же вниз. Такие неподвижные точки называются узлами.
Точки 
и т. д. при совпадении волн (рис. 78, a) имеют наибольшие смещения, равные удвоенной амплитуде (рис. 78, в). При расхождении волн смещения этих точек будут убывать до нуля (рис. 78, г, д), а затем, изменяя свои направления (рис. 78, е, ж), достигнут наибольшей величины (рис. 78, з) и снова будут убывать до нуля и т. д. То же будет происходить и с точками 
и т. д. Чем ближе такая точка расположена к 
или к 
тем с большей амплитудой она будет колебаться.
Точки 
и т. д., имеющие наибольшие амплитуды колебания, образуют пучности стоячей волны.
Расстояние между двумя соседними пучностями, или между двумя соседними узлами, равно половине длины волны, а расстояние между узлом и ближайшей пучностью равно четверти длины волны.
Из рисунка 78 видно, что все точки, расположенные между двумя соседними узлами, т. е. точки, принадлежащие одной и той же полуволне, имеют одинаковое направление движения (например, все движутся вверх или, наоборот, вниз) и колеблются с одинаковыми фазами. Точки же двух соседних полуволн движутся в противоположные стороны (одни вверх, другие вниз); фазы их колебаний противоположны, т. е. отличаются на я, или на 180°.
Энергия в стоячей волне распределена так, что в областях, близких к узлам волны, сосредоточивается главным образом энергия потенциальная, а в областях, близких к пучностям волны, сосредоточивается энергия кинетическая. В тот момент времени, когда кинетическая энергия волны достигает максимума, потенциальная энергия становится минимальной. Через четверть периода максимума достигает энергия потенциальная, а энергия кинетическая убывает до нуля. Таким образом, в стоячей волне происходит непрерывное превращение и перераспределение энергии, но переноса энергии нет. Отсюда и термин «стоячая волна».
Рис. 78. К объяснению механизма образования стоячих волн.
Наблюдение звуковых стоячих волн
Продольные стоячие волны можно обнаружить в воздухе на следующем опыте.
Возьмем стеклянную трубку, закрытую с одного конца (рис. 79), насыплем в неё небольшой слой мелких сухих пробочных опилок. Возбудим теперь перед открытым концом трубки сильный звук. Вдоль трубки в воздухе будет распространяться продольная волна, которая, дойдя до конца трубки, отразится от него. В результате взаимного наложения бегущих и отражённых волн в трубке образуются стоячие волны Порошок в пучностях встряхивается, в узлах же остаётся в покое. Расположение порошка образует «пыльные фигуры», по которым можно судить о длине стоячих волн Наполняя трубку какими-нибудь другими газами (например, углекислым газом, светильным газом), мы заметим, что длина волн, образованных от одною и того же источника колебаний в разных газах, разная.
Рис. 79. Действие стоячих волн на порошок в трубке.
В углекислом газе длина волны меньше, в природном газе, наоборот, больше по сравнению с длиной волны в воздухе. Так как период колебаний в нашем опыте — величина постоянная, то из формулы 
следует, что скорость распространения волн в углекислом газе и в природном газе должна быть иной, чем в воздухе. В природном газе волны распространяются быстрее, а в углекислом газе медленнее, чем в воздухе.
Длины звуковых волн в воздухе, воспринимаемые нашим ухом, лежат в пределах от 20 м (для самых низких звуков) до 1 см (для самых высоких).
Звуковые волны одной и той же частоты в воде в 
раза, а в железе в 
раз длиннее, чем в воздухе.
Рис. 80. Камертоны на ящиках для наблюдения звукового, резонанса.
Звуковой резонанс и резонаторы
Явление резонанса можно наблюдать на механических колебаниях любой частоты, в частности и на звуковых колебаниях. Проделаем следующий опыт. Поставим рядом два одинаковых камертона А и В, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, навстречу друг другу (рис. 80). Ударяя резиновым молотком по камертону А, приведём его в колебание, а затем приглушим пальцами. Мы услышим звук, издаваемый вторым камертоном В, который отзывается на колебания камертона А подобно тому, как в опытах с маятниками (рис. 62) маятник С отзывался на колебания маятника А.
Рис. 81. Резонанс воздушного столба в трубке.
Изменим период колебания камертона В, надев на ножку его небольшую муфточку. Повторив опыт, обнаружим, что теперь камертон В уже не отзывается на колебания камертона А.
Звуковые волны, образованные камертоном А, дойдя до камертона В, возбуждают вынужденные колебания его с частотой, равной частоте колебаний камертона А. Если частота колебаний камертона В такая же, как и камертона А, то имеет место резонанс: камертон В колеблется сильно. Если же частота камертона В иная, то вынужденные колебания его будут настолько слабыми, что звука мы не услышим.
Все эти явления мы и наблюдали на наших опытах.
Рассмотрим теперь, какую роль играют ящики, на которых устанавливаются камертоны. Проделаем ещё один опыт. Опустим в сосуд с водой широкую стеклянную трубку (рис. 81) и заставим звучать над её отверстием камертон. Вынимая трубку из воды, мы будем увеличивать столб воздуха в ней. При определённой длине столба воздуха в трубке мы услышим довольно сильный звук. Если продолжать вынимать понемногу трубку из воды, звук будет ослабевать и, наконец, перестаёт быть слышимым.
Измерения показывают, что наименьшая длина резонирующего столба воздуха всегда равна 1/4 длины волны данного звука. Поэтому камертон устанавливается на резонансный ящик, который построен так, что длина его равна 1/4 длины звуковой волны, возбуждаемой данным камертоном. При этих условиях столб воздуха в ящике колеблется в резонанс с колебаниями камертона, что и создаёт более сильную звуковую волну в окружающем воздухе, чем просто от одного только камертона.
Рис. 82. Резонатор Гельмгольца.
Рис. 83. Устройство уха человека.
Резонансом широко пользуются в музыкальных инструментах для усиления их звука.
Немецкий учёный Гельмгольц (1821—1894) построил особые резонаторы, каждый из которых отзывается только на один единственный тон (рис. 82). Узким отверстием резонатор прикладывается к уху. Через широкое отверстие поступают в резонатор звуковые волны. Внутри резонатор полый. Собственный тон резонатора легко услышать, продувая струю воздуха около широкого его отверстия. В сложном звуке такой резонатор отзывается лишь на тон, совпадающий с его собственным тоном. Имея коллекцию таких резонаторов, можно проанализировать разные сложные звуки, издаваемые различными инструментами: струнными, духовыми, ударными, а также голосом. Удаётся таким способом выделять также отдельные тоны из различных шумов.
Резонаторы имеются и в нашем голосовом аппарате. Источниками звука в голосовом аппарате являются голосовые связки. Они приходят в колебание благодаря продуванию воздуха из лёгких и возбуждают звук, основной тон которого зависит от их натяжения. Этот звук богат обертонами. Гортань усиливает те из обертонов, частота колебаний которых близка к её собственной частоте. Дальше звуковые волны попадают в полость рта. Для произношения каждой гласной необходимо особое положение губ, языка и определённая форма резонаторной полости во рту.
Физика уха
Ухо представляет собой сложный звукоприёмный аппарат, работающий в чрезвычайно широком диапазоне частот и амплитуд. Звуковые волны достигают нашего наружного уха — его ушной раковины, которая представляет собой рупор, собирающий звуковые волны. По наружному слуховому проходу звуковые волны достигают барабанной перепонки 1 (рис. 83), отделяющей наружное ухо от среднего. Под влиянием приходящих волн эта перепонка колеблется, совершая вынужденные колебания с частотой воспринимаемого звука. Колебания барабанной перепонки через посредство действующей как рычаг системы сочленённых косточек 2: молоточка, наковальни и стремечка — передаются так называемому овальному окну 3, закрывающему внутреннюю полость ушного лабиринта. Ушной лабиринт в той его части, где лежат чувствительные к механическому раздражению окончания слухового нерва, заполнен жидкостью — эндолимфой.
Внутри находится так называемая основная мембрана 4, состоящая из нескольких тысяч (около 4500) волокон различной длины, настроенных каждое на некоторый определённый тон.
Пришедшие во внутреннее ухо звуковые волны обусловливают колебания тех волокон основной мембраны, которые настроены на частоты, содержащиеся в этих волнах.
Из приведённого выше описания слухового восприятия становится понятным, почему наше ухо способно различать отдельные тоны в сложном звуке, например в музыкальном аккорде.
Большое значение имеет то, что у нас не одно, а два одинаковых уха. Оценивая с помощью двух ушей силу звука, мы можем определить направление, по которому он до нас доходит. Когда же одно из наших ушей заложено ватой, мы не можем точно определить, откуда к нам несутся звуки. Слушая двумя ушами, мы всегда можем повернуть голову так, что будем смотреть по направлению источника звука (рис. 84).
Рис. 84. Слушая двумя ушами, мы всегда можем повернуть голову так, что будем смотреть по направлению источника звука.
Запись и воспроизведение звука
Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта ещё в 1877 г. американским изобретателем Эдисоном. Звукозапись быстро вошла в нашу жизнь. Мало теперь найдётся людей, которые бы не знали звуковоспроизводящих аппаратов — граммофонов 1 или их портативных образцов — патефонов.
1 Граммофон — от греч. слов: грамма — запись, фоне — звук.
Рис. 85. Схема механической записи звука.
Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино.
Запись музыкальных произведений, докладов, рассказов и даже целых пьес на патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи, рассчитанной на самый широкий круг потребителей.
Существует несколько систем звукозаписи. Из них механическая система, принцип которой был открыт Эдисоном, является до сих пор одной из основных. Эта система прошла большой путь развития, достигнув в наши дни высокого совершенства.
На рисунке 85 дана упрощённая схема механического звукозаписывающего устройства. Звуковые волны от источника (певца, оркестра и т. д.) попадают в рупор Р, в котором закреплена тонкая упругая пластинка М, называемая мембраной. Под действием этих волн мембрана колеблется. Колебания мембраны передаются связанному с ней резцу А, остриё которого чертит при этом на вращающемся диске П звуковую бороздку. Звуковая бороздка закручивается по спирали от края диска к его центру.
Рис. 86. Вид звуковых бороздок на пластинке.
На рисунке 86 показан вид звуковых бороздок на пластинке (через лупу бороздки видны совершенно отчётливо).
Диск, на котором производится звукозапись, изготовляется из специального мягкого материала; обычно это восковой сплав, состоящий из ряда минеральных, растительных и животных восков, а также других органических веществ. С этого воскового диска снимают гальванопластическим способом медную копию (клише), которой затем делают оттиски на дисках, изготовленных из особых материалов. Так получаются граммофонные пластинки.
При воспроизведении звука ставят граммофонную пластинку под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят пластинку во вращение.
Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется; вместе с ним колеблется и мембрана, причём эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.
В настоящее время широкое распространение получила магнитная звукозапись с помощью специальных аппаратов (например, магнитофонов). Магнитная звукозапись настолько повысила качество воспроизведения звука, что стала превосходить все другие виды звукозаписи.
Услуги по физике:
Лекции по физике:
Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔ 
Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.