Звуковые волны. Источники звука. Характеристики звука (Ерюткин Е. С.). Физические параметры звука

Говоря о строении слухового аппарата, мы переходим постепенно к принципу анализа мозгом полученного сигнала от слуховой улитки. В чем он заключается? И как мозг расшифровывает его? Как он определяет высоту тона звука? Сегодня мы как раз поговорим о последнем, так как в нем автоматически раскрываются ответы и на первые два вопроса.

Надо отметить, что мозг определяет только периодические синусоидальные компоненты звука. Восприятие высоты тона человеком так же зависит от громкости и длительности. В прошлой статье мы говорили о базилярной мембране и ее строении. Как известно, она обладает неоднородностью по жесткости строения. Это позволяет ей механически разбивать звук на компоненты, у которых есть особое место размещение на ее поверхности. Откуда волосковые клетки позже подают сигнал в мозг. Из-за этой особенности строения мембраны, «звуковая» волна, пробегающая по ее поверхности, имеет разные максимумы: низкие частоты – вблизи вершины мембраны, высокие – у овального окна. Мозг автоматически пытается определить высоту по этой «топографической карте», находя на ней локализацию фундаментальной частоты. Этот метод можно ассоциировать с многополосным фильтром. Отсюда взята теория «критических полос», которую мы обсуждали ранее:

Но это не единственный подход! Второй способ – это определение высоты тона по гармоникам: если найти минимальную частотную разницу между ними, то она всегда равна фундаментальной частоте – [( n +1) f 0 — (nf 0)]= f 0, где n – номера гармоник. А также вместе с ним используется и третий метод: нахождение общего сомножителя от деления всех гармоник на последовательные числа и, толкаясь от него, определяется высота звука. Эксперименты полностью подтвердили обоснованность этих способов: слуховая система, находя максимумы гармоник, проводит над ними вычислительные операции и если даже вырезать основной тон или расставить гармоники в нечетной последовательнос ти, при котором метод 1 и 2 не помогут, то человек определяет высоту звука 3 методом.

Но как оказалось – это не все возможности мозга! Были проведены хитрые эксперименты, которые удивили ученых. Дело заключается в том, что три метода работаю только с первыми 6-7 гармониками. Когда в каждую «критическую полосу» попадает по одной гармонике звукового спектра мозг спокойно «определяет» их. Но стоит, каким либо гармониками находиться настолько близко друг к другу, что в одну область слухового фильтра попадает их несколько, то мозг их распознает хуже или вообще не определяет: это относиться к звукам с гармониками выше седьмой. Вот здесь вступает четвертый метод – метод «времени»: мозг начинает анализировать время поступления сигналов с органа Корти с фазой колебания всей базилярной мембраны. Этот эффект получил название «запирание фазы». Дело заключается в том, что при колебании мембраны, когда она движется в сторону волосковых клеток, те соприкасаются с ней, образуя нервный импульс.
При движении обратно, ни какого электрического потенциала не появляется. Появляется взаимосвязь – время между импульсами в любом отдельном волокне будет равно целому числу 1, 2, 3 и так далее, умноженному на период в основной звуковой волне f = nT . Как это помогает в работе в купе вместе с критическими полосами? Очень просто: мы знаем, что когда две гармоники находятся настолько близко, что попадают в одну «частотную область», то между ними возникает эффект «биения» (которую музыканты слышат при настройке инструмента) – это просто одно колебание со средней частотой, равной разности частот. При этом период у них будет T =1/ f 0. Таким образом, все периоды выше шестой гармоники одинаковы или имеют разряд в цело число, то есть значение n / f 0. Далее мозг просто высчитывает частоту основного тона.

Обратимся ещё раз к опыту, изображённому на рисунке 74. Как уже говорилось, свободная часть линейки создаёт звук только в том случае, если она колеблется с частотой, не меньшей чем 16 Гц. Переместим линейку в тисках вниз (укоротив тем самым верхнюю часть) и приведём её в колебательное движение. Заметим, что частота колебаний линейки увеличилась, а издаваемый ею звук стал выше. Продолжая периодически укорачивать колеблющуюся часть линейки, убедимся в том, что с увеличением частоты колебаний звук повышается.

Проверим этот вывод на другом опыте. Возьмём зубчатый диск (рис. 79, а), с помощью специального устройства приведём его во вращение и прикоснёмся к зубчатому краю тонкой картонной пластинкой (рис. 79, б). Под воздействием зубьев вращающегося диска пластинка начнёт совершать вынужденные колебания, в результате чего мы услышим звук. Увеличим скорость вращения диска, и пластинка станет колебаться чаще, а издаваемый ею звук будет выше.

Рис. 79. Исследование зависимости высоты звука от частоты колебаний источника

На основании описанного опыта можно заключить, что высота звука зависит от частоты колебаний: чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.

Напомним, что ветви камертона совершают гармонические (синусоидальные) колебания, которые являются самым простым видом колебаний. Таким колебаниям присуща только одна строго определённая частота. Звук камертона является чистым тоном.

• Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты

Звуки от других источников (например, звуки различных музыкальных инструментов, голоса людей, звук сирены и многие другие) представляют собой совокупность гармонических колебаний разных частот, т. е. совокупность чистых тонов.

Самая низкая (т. е. самая малая) частота такого сложного звука называется основной частотой, а соответствующий ей звук определённой высоты - основным тоном (иногда его называют просто тоном). Высота сложного звука определяется именно высотой его основного тона.

Все остальные тоны сложного звука называются обертонами. Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона (поэтому их называют также высшими гармоническими тонами).

Обертоны определяют тембр звука, т. е. такое его качество, которое позволяет нам отличать звуки одних источников от звуков других. Например, мы легко отличаем звук рояля от звука скрипки даже в том случае, если эти звуки имеют одинаковую высоту, т. е. одну и ту же частоту основного тона. Отличие же этих звуков обусловлено разным набором обертонов (совокупность обертонов различных источников может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот).

Таким образом, высота звука определяется частотой его основного тона: чем больше частота основного тона, тем выше звук.

Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.

Чтобы выяснить, от чего зависит громкость звука, вернёмся к опыту, изображённому на рисунке 76. К одной ветви камертона подводят вплотную маленький висящий на нити шарик, а по другой слегка ударяют молоточком. Обе ветви камертона приходят в колебательное движение. Слышен негромкий звук. Шарик отскакивает от колеблющейся ветви на небольшое расстояние. Затем камертон глушат и снова ударяют по нему, но гораздо сильнее, чем в первый раз. Теперь камертон звучит громче, а шарик отскакивает на большее расстояние, что свидетельствует о большей амплитуде колебаний ветвей.

Этот и многие другие опыты позволяют сделать вывод о том, что громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

В рассмотренном опыте частоты колебаний обоих звуков - тихого и громкого - одинаковы, так как их источником является один и тот же камертон. Но если сравнить звуки разных частот, то кроме амплитуды колебаний пришлось бы учитывать ещё один фактор, влияющий на громкость. Дело в том, что чувствительность человеческого уха к звукам разной частоты различна. При одинаковых амплитудах как более громкие воспринимаются звуки, частоты, которых лежат в пределах от 1000 до 5000 Гц. Поэтому, например, высокий женский голос с частотой 1000 Гц будет для нашего уха громче низкого мужского с частотой 200 Гц, даже если амплитуды колебаний голосовых связок в обоих случаях одинаковы. Громкость звука зависит также от его длительности и от индивидуальных особенностей слушателя.

• При равных амплитудах женский голос, имеющий большую частоту, чем мужской, воспринимается как более громкий

Громкость звука - это субъективное качество слухового ощущения, позволяющее располагать все звуки по шкале от тихих до громких.

Единица громкости звука называется сон. В практических задачах громкость звука принято характеризовать уровнем звукового давления, измеряемым в белах (Б) или децибелах (дБ), составляющих десятую часть бела.

Например, звуку, возникающему при листании газеты, соответствует уровень звукового давления порядка 20 дБ, звуку звонка будильника - примерно 80 дБ, двигателя самолёта - порядка 130 дБ (такой громкий звук вызывает у человека болевое ощущение).

Систематическое воздействие на человека громких звуков, особенно шумов (совокупности звуков разной громкости, высоты тона, тембра), неблагоприятно отражается на его здоровье.

В шумных районах у многих людей появляются симптомы шумовой болезни: повышенная нервная возбудимость, быстрая утомляемость, повышенное артериальное давление. Поэтому в больших городах приходится принимать специальные меры для уменьшения шумов, например запрещать звуковые сигналы автомобилей.

Вопросы

• С какой целью проводились опыты, изображённые на рисунках 74 и 79? Какой был сделан вывод по результатам этих опытов?
• Как на опыте удостовериться в том, что из двух камертонов более высокий звук издаёт тот, у которого больше собственная частота? (Частоты на камертонах не указаны.)
• От чего зависит высота звука?
• Как изменится громкость звука, если уменьшить амплитуду колебаний его источника?
• Звук какой частоты - 500 Гц или 3000 Гц - человеческое ухо воспримет как более громкий при одинаковых амплитудах колебаний источников этих звуков?
• От чего зависит громкость звука?
• Как отражается на здоровье человека систематическое действие громких звуков?

Упражнение 29

• Какое насекомое чаще машет крыльями в полёте - шмель, комар или муха? Почему вы так думаете?
• Зубья вращающейся циркулярной пилы создают в воздухе звуковую волну. Как изменится высота звука, издаваемого пилой при её холостом ходе, если на ней начать распиливать толстую доску из плотной древесины? Почему?
• Известно, что чем туже натянута струна на гитаре, тем более высокий звук она издаёт. Как изменится высота звучания гитарных струн при значительном повышении температуры окружающего воздуха? Ответ поясните.

Если малыша, -- конечно такого, который слышал раньше, как играют на рояле, видел вблизи клавиши, -- попросить изобразить на инструменте птичку, то он начнет быстро перебирать клавиши на правой стороне клавиатуры, чтобы получить высокие звуки. Если же ему нужно показать рев медведя, он подвинется влево и станет нажимать самые низкие, басовые клавиши. Вот мы и назвали уже слова низкие, высокие, характеризующие одно из основных свойств звука. Свойство это -- высота. На рояле особенно хорошо в ней разбираться: очень наглядно. Нажмите клавиши слева, то есть «внизу». Нижними нотами условились называть самые «густые» звуки, что ли- Они -- словно фундамент звучания, на котором возводится все музыкальное здание. Продвигайтесь постепенно вправо или, как привыкли говорить музыканты, «вверх» по клавиатуре. Действительно, возникает ощущение подъема, восхождения, просветления. Вот вы и услышали нижние и верхние звуки, услышали разницу между ними. А теперь откройте крышку рояля. Вы увидите, что струны в нем не одинаковы. Вы, конечно, заметили, что у рояля своеобразная форма, похожая на крыло. В соответствии с этой формой расположены его струны -- слева длинные, чем дальше вправо, тем короче. Кроме того, те из струн, которые соответствуют нижним звукам -- толстые, обвитые так называемой канителью, а верхние -- тонкие. От длины и толщины струны и зависит высота звука, который на ней можно извлечь. Если попробовать сформулировать более общее правило, -- то высота звука это результат частоты колебаний звучащего тела. А ведь частота и зависит от длины и толщины. Попробуйте натянуть нитку и дернуть ее пальцем: получится звук. А теперь сделайте то же с бечевкой. Услышали разницу? Высота звука -- это его физическое свойство. Она поддастся измерению. Так, камертон (почитайте и о нем в этой книжке), издающий ноту ля первой октавы, дает четыреста сорок колебании в секунду. Вы, наверное, знаете, что человеческое ухо способно воспринять далеко не все звуковые колебания. Бывают звуки настолько высокие, что мы их не слышим, хотя некоторые животные их издают и, разумеется, воспринимают. Таким звукам соответствуют колебания свыше двадцати тысяч в секунду. Это уже область, называемая ультразвуком. Ультразвук используется в технике и медицине. Некоторые композиторы сейчас начали применять очень низкие звучания, практически тоже не воспринимаемые человеческим ухом как звуки. Они возникают при колебаниях менее шестнадцати в секунду. Вы спросите, зачем их применять, если они все равно не слышны? Дело в том, что эти очень низкие колебания -- они называются инфразвуком, -- хотя и не слышны, но все же воспринимаются нами. Они воздействуют на нервную систему, на психику, создавая ощущение беспокойства, страха. Только пользоваться ими нужно крайне осторожно, иначе они могут даже стать причиной несчастья. Высота звука записывается нотами на нотном стане. Для того, чтобы было удобно читать эти записи, изобретена система так называемых ключей. Об этом вы можете прочесть в рассказах «Нота» и «Ключ», найдя их в книжке далее, по алфавиту.

• - форма восприятия человеком частоты колебаний звучащего тела. С ростом частоты В. з. увеличивается...

  Естествознание. Энциклопедический словарь

• - Высота звука - субъективное качество звуков, обусловленное их частотой, т.е. числом колебаний в секунду...

  Психологический словарь

• - Если малыша, -- конечно такого, который слышал раньше, как играют на рояле, видел вблизи клавиши, -- попросить изобразить на инструменте птичку, то он начнет быстро перебирать клавиши на правой стороне клавиатуры, чтобы...

  Музыкальный словарь

• - условная качеств. хар-ка музыкального, т.е. периодич. или почти периодич., звука, определяемая человеком на слух и связанная в осн. с частотой звука. С ростом частоты В. з. повышается...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - см. Звука анализ...
• - качество Звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее в основном от его частоты, т. е. от числа колебаний в секунду. С ростом частоты В. з. повышается...

  Большая Советская энциклопедия

• - качество звука, форма восприятия человеком частоты колебаний звучащего тела. С ростом частоты высота звука увеличивается...

  Большой энциклопедический словарь

• - ...

  Орфографический словарь-справочник

• - Особенность звука, которая определяется числом колебаний в единицу времени. Для гласного высота равна 400 гц, для - 800 гц. В речи высота зависит от длины и натянутости голосовых связок...

  Словарь лингвистических терминов Т.В. Жеребило

• - ...

  Орфографический словарь русского языка

• - ни зву/ка...

  Слитно. Раздельно. Через дефис. Словарь-справочник

• - ни зву́ка I предик. О всеобщем полном молчании, когда не произносится ни слова, ; полной тишине...

  Толковый словарь Ефремовой

• - Экспрес. Полнейшее безмолвие; абсолютная тишина. - Все столпились вокруг стола и жадно смотрели на золотую струю. Ни слова, ни звука… Даже дыхание у всех спёрлось. На шоссе - ни звука. Это понятно...

  Фразеологический словарь русского литературного языка

• - Разг. О полной тишине, безмолвии, молчании. ФСРЯ, 172...

  Большой словарь русских поговорок

• - безмолвно, в молчании, не проронив ни звука, не проронив ни слова, молчанкой, в полном молчании, не говоря ни слова, молча, без слова, в молчанку, не издав ни звука, без единого звука, без единого слова, без слов,...

  Словарь синонимов

• - мертвая тишина, наступи на язык, молчок, губы на крючок, замолчите, замолчи, заткни фонтан, засохни, закрой клапан, молчите, гробовая тишина, шш, застегни рот, ни гу-гу, ни мур-мур, могильная тишина, молчание, молчи, ни...

  Словарь синонимов

"ВЫСОТА ЗВУКА" в книгах

Высота 70.9