Задачи теоретического исследования
Группа физиков-теоретиков
Задачи исследования
Выяснить: 1.Что называется музыкальным звуком, шумом? Привести примеры.
2.Что называется акустическим спектром? Привести примеры.
Результаты исследования
Различают следующие звуки:
1. тоны, или музыкальные звуки (пение, свист, звучание струн, звон);
2. шумы (треск, скрип, шипение, гром);
3. звуковые удары (хлопок, взрыв).
Музыкальным тоном или тоном называется звук, издаваемый гармонически колеблющемся телом.
Этот тон ещё называется простым или чистым. Простой тон издает, например, камертон (рис.1).
Рис.1
Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Это объективная характеристика звука, которая оценивается специальными приборами независимо от человека. Во всяком музыкальном тоне можно различить на слух два качества: громкость и высоту. Это субъективные характеристики звука. Высота тона определяется, прежде всего, частотой основного тона. Возьмем камертоны различных размеров. Самый большой камертон дает наиболее низкий звук. Самый маленький – наиболее высокий. Чем выше звук, издаваемый камертоном, тем больше частота колебаний камертона. (вставка фильма) Громкость звука какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний. Чем сильнее удар молоточка по камертону, тем громче звучит камертон. А более сильный удар вызывает колебания большей амплитуды (вставка фильма). Чувствительность нашего уха зависит от частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд не кажутся нам одинаково громкими, если частоты их различны. Наше ухо наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 3500 Гц.
Громкость характеризует субъективное звуковое ощущение и пропорциональна интенсивности звука, которая является объективной энергетической характеристике акустических волн.
Ангармоническому (негармоническому) колебанию соответствует сложный тон. Сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т. п. Сложный тон может быть разложен на простые. Ж. Фурье показал, что периодическая функция любой сложности может быть представлена в виде суммы гармонических функций, частоты которых кратны частоте сложной периодической функции. Теорема Фурье: всякое периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с периодами, равными Т, Т/2, Т/3, Т/4 и т.д., т.е. с частотами Наиболее низкая частота называется основной частотой. Колебание с основной частотой называется первой гармоникой или основным тоном, а колебания с частотами высшими гармониками или обертонами.
Такое разложение периодической функции на гармонические составляющие и, следовательно, разложение различных периодических процессов (механические, электрические и т. п.) на гармонические колебания называется гармоническим анализом. Совокупность гармонических колебаний, на которые разложено сложное колебание, называется гармоническим спектром сложного колебания.
Гармонический спектр удобно представить как набор частот (или круговых частот) отдельных гармоник совместно с соответствующими им амплитудами. Наиболее наглядно такое представление выполняется графически. В качестве примера на рис.2,а изображены графики сложного колебания (кривая 4) и составляющих его гармонических колебаний (кривые 1, 2 и 3); на рис.2,б показан гармонический спектр, соответствующий этому примеру.
Рис.2
Гармонический анализ позволяет достаточно детально описать и проанализировать любой сложный колебательный процесс, он находит применение в акустике, радиотехнике, электронике и других областях науки и техники.
Набор частот с указанием их относительной интенсивности (или амплитуды А) называется акустическим спектром. Спектр сложного тона линейчатый. На рис. 3 показаны осциллограммы звуковых колебаний, создаваемых роялем (а) и кларнетом (б) для одной и той же ноты (частота равна 100 Гц) и их акустические спектры.
Рис.3
Если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет ещё одно качество, специфический оттенок, называемый тембром.
По различному тембру мы легко распознаем звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты. Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом (числом обертонов и их амплитудами). На рис. 3 а, б разные акустические спектры соответствуют разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона одинаковы. Период обоих колебаний одинаков (0,01 с), но они сильно отличаются друг от друга по форме, т.е. имеют разный гармонический состав. Оба звука состоят из одних и тех же гармонических колебаний (тонов), но в каждом из них эти тоны - основной и его обертоны - представлены разными амплитудами и фазами. В звуке рояля заметны гармоники до 18-ой, причем 15-я и 16-я практически отсутствуют. У кларнета присутствуют гармоники лишь до 12-ой, отсутствуют 2-ая и 4-ая.
С помощью компьютерной программы (рис.4)можно создать звуки различных инструментов одной частоты.
Рис.4
Шумом называют звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью.
К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т. п.
Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет сплошным, например спектр, полученный от шума горения бунзеновской газовой горелки (рис. 5).
Рис.5
Выводы исследования
Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная частота колебаний. В шуме присутствуют колебания всевозможных частот.
Группа физиков-практиков
Задачи теоретического исследования
Определить длину резонатора (ящика) камертона, чтобы произошло усиление звука. Выяснить почему музыкальные инструменты[1]имеют сложную форму по сравнению с ящиком камертона.