Звуковые волны. Источники звука. Характеристики звука

 Что такое звук

Тема урока по­свя­ще­на ис­точ­ни­кам звука, зву­ко­вым ко­ле­ба­ни­ям. По­го­во­рим мы и о ха­рак­те­ри­сти­ках звука – вы­со­те, гром­ко­сти и темб­ре. Пре­жде чем го­во­рить о звуке, о зву­ко­вых вол­нах, да­вай­те вспом­ним, что ме­ха­ни­че­ские волны рас­про­стра­ня­ют­ся в упру­гих сре­дах. Часть про­доль­ных ме­ха­ни­че­ских волн, ко­то­рая вос­при­ни­ма­ет­ся че­ло­ве­че­ски­ми ор­га­на­ми слуха, на­зы­ва­ет­ся зву­ком, зву­ко­вы­ми вол­на­ми. Звук – это вос­при­ни­ма­е­мые че­ло­ве­че­ски­ми ор­га­на­ми слуха ме­ха­ни­че­ские волны, ко­то­рые вы­зы­ва­ют зву­ко­вые ощу­ще­ния.

 Диапазон звуковых волн

Опыты по­ка­зы­ва­ют, что че­ло­ве­че­ское ухо, ор­га­ны слуха че­ло­ве­ка вос­при­ни­ма­ют ко­ле­ба­ния ча­сто­та­ми от 16 Гц до 20000 Гц. Имен­но этот диа­па­зон мы и на­зы­ва­ем зву­ко­вым. Ко­неч­но, су­ще­ству­ют волны, ча­сто­та ко­то­рых мень­ше 16 Гц (ин­фра­звук) и боль­ше 20000 Гц (уль­тра­звук). Но этот диа­па­зон, эти раз­де­лы че­ло­ве­че­ским ухом не вос­при­ни­ма­ют­ся.

Ин­фра­звук                                  Звук                                       Уль­тра­звук

|________________|_______________________________|______________________

                                            0                            16–20                                                              20000                                          Гц

Рис. 1. Диа­па­зон слы­ши­мо­сти че­ло­ве­че­ско­го уха

Как мы го­во­ри­ли, об­ла­сти ин­фра­зву­ка и уль­тра­зву­ка че­ло­ве­че­ски­ми ор­га­на­ми слуха не вос­при­ни­ма­ют­ся. Хотя могут вос­при­ни­мать­ся, на­при­мер, неко­то­ры­ми жи­вот­ны­ми, на­се­ко­мы­ми.

Что такое ис­точ­ник звука? Ис­точ­ни­ка­ми звука могут быть любые тела, ко­то­рые со­вер­ша­ют ко­ле­ба­ния со зву­ко­вой ча­сто­той (от 16 до 20000 Гц)

Рис. 2. За­жа­тая в тиски ко­леб­лю­ща­я­ся ли­ней­ка может быть ис­точ­ни­ком звука 

Об­ра­тим­ся к опыту и по­смот­рим, как об­ра­зу­ет­ся зву­ко­вая волна. Для этого нам по­тре­бу­ет­ся ме­тал­ли­че­ская ли­ней­ка, ко­то­рую мы за­жмем в тиски. Те­перь, воз­дей­ствуя на ли­ней­ку, мы смо­жем на­блю­дать ко­ле­ба­ния, но ни­ка­ко­го звука не слы­шим. И тем не менее во­круг ли­ней­ки со­зда­ет­ся ме­ха­ни­че­ская волна. Об­ра­ти­те вни­ма­ние, когда ли­ней­ка сме­ща­ет­ся в одну сто­ро­ну, здесь об­ра­зу­ет­ся уплот­не­ние воз­ду­ха. В дру­гую сто­ро­ну – тоже уплот­не­ние. Между этими уплот­не­ни­я­ми об­ра­зу­ет­ся раз­ря­же­ние воз­ду­ха. Про­доль­ная волна – это и есть зву­ко­вая волна, со­сто­я­щая из уплот­не­ний и раз­ря­же­ний воз­ду­ха. Ча­сто­та ко­ле­ба­ний ли­ней­ки в дан­ном слу­чае мень­ше зву­ко­вой ча­сто­ты, по­это­му мы не слы­шим этой волны, этого звука. На ос­но­ве опыта, ко­то­рый мы толь­ко что про­на­блю­да­ли, в конце XVIII века был со­здан при­бор, ко­то­рый на­зы­ва­ет­ся ка­мер­тон.

Рис. 3. Рас­про­стра­не­ние про­доль­ных зву­ко­вых волн от ка­мер­то­на

Как мы убе­ди­лись, звук по­яв­ля­ет­ся в ре­зуль­та­те ко­ле­ба­ний тела со зву­ко­вой ча­сто­той. Рас­про­стра­ня­ют­ся зву­ко­вые волны во все сто­ро­ны. Между слу­хо­вым ап­па­ра­том че­ло­ве­ка и ис­точ­ни­ком зву­ко­вых волн обя­за­тель­но долж­на быть среда. Эта среда может га­зо­об­раз­ной быть, жид­кой, твер­дой, но это обя­за­тель­но долж­ны быть ча­сти­цы, спо­соб­ные пе­ре­да­вать ко­ле­ба­ния. Про­цесс пе­ре­да­чи зву­ко­вых волн дол­жен обя­за­тель­но про­ис­хо­дить там, где есть ве­ще­ство. Если ве­ще­ства нет, ни­ка­ко­го звука мы не услы­шим.

 Условия, необходимые для существования звука

Для су­ще­ство­ва­ния звука необ­хо­ди­мы:

1. Ис­точ­ник звука

2. Среда

3. Слу­хо­вой ап­па­рат

4. Ча­сто­та 16–20000 Гц

5. Ин­тен­сив­ность

 Высота

Те­перь пе­рей­дем к об­суж­де­нию ха­рак­те­ри­стик звука. Пер­вая – это вы­со­та звука. Вы­со­та звука – ха­рак­те­ри­сти­ка, ко­то­рая опре­де­ля­ет­ся ча­сто­той ко­ле­ба­ний. Чем боль­ше ча­сто­та у тела, ко­то­рое про­из­во­дит ко­ле­ба­ния, тем звук будет выше. Да­вай­те вновь об­ра­тим­ся к ли­ней­ке, за­жа­той в тиски. Как мы уже го­во­ри­ли, мы ви­де­ли ко­ле­ба­ния, но не слы­ша­ли звука. Если те­перь длину ли­ней­ки сде­лать мень­ше, то мы будем слы­шать звук, но уви­деть ко­ле­ба­ния будет го­раз­до слож­нее. По­смот­ри­те на ли­ней­ку. Если мы по­дей­ству­ем на нее сей­час, звука ни­ка­ко­го мы не услы­шим, но зато на­блю­да­ем ко­ле­ба­ния. Если уко­ро­тим ли­ней­ку, мы услы­шим звук опре­де­лен­ной вы­со­ты. Мы можем сде­лать длину ли­ней­ки еще ко­ро­че, тогда мы услы­шим звук еще боль­шей вы­со­ты (ча­сто­ты). То же самое мы можем про­на­блю­дать и с ка­мер­то­на­ми. Если мы возь­мем боль­шой ка­мер­тон (он еще на­зы­ва­ет­ся де­мон­стра­ци­он­ный) и уда­рим по нож­кам та­ко­го ка­мер­то­на, то можем про­на­блю­дать ко­ле­ба­ние, но звука не услы­шим. Если возь­мем дру­гой ка­мер­тон, то, уда­рив по нему, услы­шим опре­де­лен­ный звук. И сле­ду­ю­щий ка­мер­тон, на­сто­я­щий на­стро­еч­ный ка­мер­тон, ко­то­рый ис­поль­зу­ет­ся для на­строй­ки му­зы­каль­ных ин­стру­мен­тов. Он из­да­ет звук, со­от­вет­ству­ю­щий ноте ля, или, как го­во­рят еще, 440 Гц.

 Тембр

Сле­ду­ю­щая ха­рак­те­ри­сти­ка – тембр звука. Темб­ром на­зы­ва­ет­ся окрас­ка звука. Как можно про­ил­лю­стри­ро­вать эту ха­рак­те­ри­сти­ку? Тембр – это то, чем от­ли­ча­ют­ся два оди­на­ко­вых звука, ис­пол­нен­ные раз­лич­ны­ми му­зы­каль­ны­ми ин­стру­мен­та­ми. Вы все зна­е­те, что нот у нас всего семь. Если мы услы­шим одну и ту же ноту ля, взя­тую на скрип­ке и на фор­те­пи­а­но, то мы от­ли­чим их. Мы сразу смо­жем ска­зать, какой ин­стру­мент этот звук со­здал. Имен­но эту осо­бен­ность – окрас­ку звука – и ха­рак­те­ри­зу­ет тембр. Нужно ска­зать, что тембр за­ви­сит от того, какие вос­про­из­во­дят­ся зву­ко­вые ко­ле­ба­ния, кроме ос­нов­но­го тона. Дело в том, что про­из­воль­ные зву­ко­вые ко­ле­ба­ния до­воль­но слож­ные. Они со­сто­ят из на­бо­ра от­дель­ных ко­ле­ба­ний, го­во­рят спек­тра ко­ле­ба­ний. Имен­но вос­про­из­ве­де­ние до­пол­ни­тель­ных ко­ле­ба­ний (обер­то­нов) и ха­рак­те­ри­зу­ет кра­со­ту зву­ча­ния того или иного го­ло­са или ин­стру­мен­та. Тембр яв­ля­ет­ся одним из ос­нов­ных и ярких про­яв­ле­ний звука.

 Громкость

Еще одна ха­рак­те­ри­сти­ка – гром­кость. Гром­кость звука за­ви­сит от ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний. Да­вай­те по­смот­рим и убе­дим­ся, что гром­кость свя­за­на с ам­пли­ту­дой ко­ле­ба­ний. Итак, возь­мем ка­мер­тон. Сде­ла­ем сле­ду­ю­щее: если уда­рить по ка­мер­то­ну слабо, то ам­пли­ту­да ко­ле­ба­ний будет неболь­шая и звук будет тихий. Если те­перь по ка­мер­то­ну уда­рить силь­нее, то и звук го­раз­до гром­че. Это свя­за­но с тем, что ам­пли­ту­да ко­ле­ба­ний будет го­раз­до боль­ше. Вос­при­я­тие звука – вещь субъ­ек­тив­ная, за­ви­сит от того, каков слу­хо­вой ап­па­рат, ка­ко­во са­мо­чув­ствие че­ло­ве­ка.