"Физика (базовый и профильный уровни)", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Звук воспринимается не одинаково: один кажется высоким или низким, другой — громким или тихим, а третий отличается особой окраской. Высота связана главным образом с частотой колебаний, громкость — с интенсивностью волны и амплитудой, тембр — с составом обертонов. Эти свойства помогают описывать речь, музыку и работу источников звука. По осциллограмме и спектру можно отдельно исследовать каждую характеристику.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Высота звука — субъективное свойство, по которому звук воспринимают как низкий или высокий. Она определяется главным образом частотой колебаний: чем больше частота f, тем выше звук. Это понятие нужно, чтобы сравнивать ноты и связывать слуховое ощущение с периодом T по формуле f = 1/T.
Громкость звука — субъективное восприятие силы звука. Оно связано с интенсивностью волны и амплитудой колебаний: при прочих равных условиях большая амплитуда обычно воспринимается как более громкий звук. Термин помогает описывать различие между тихим и сильным звучанием, не смешивая его с высотой.
Тембр звука — свойство, позволяющее различать звуки одинаковой высоты и громкости. Тембр зависит от состава и соотношения обертонов, то есть дополнительных частот в сложном звуке. Благодаря тембру мы узнаём голос или музыкальный инструмент.
Звуковой спектр — совокупность частот, входящих в сложный звук, и их относительных интенсивностей. Он показывает, из каких составляющих складывается звучание и какая из них сильнее. По спектру можно объяснить различие тембров и отделить основной тон от обертонов.
Частота показывает, сколько колебаний происходит за единицу времени. При увеличении частоты последовательность воздействий на слуховой аппарат становится более быстрой, и мозг воспринимает звук как более высокий. При уменьшении частоты колебания повторяются реже, поэтому звук кажется ниже; физически это означает уменьшение f и увеличение периода T.
Амплитуда характеризует наибольшее отклонение частиц среды от положения равновесия. При увеличении амплитуды волна переносит больше энергии, а её интенсивность возрастает, поэтому обычно увеличивается и громкость. Однако громкость нельзя полностью отождествлять с амплитудой: это ощущение зависит также от частоты, расстояния до источника, длительности звука и чувствительности слуха.
Одинаковая частота не гарантирует одинаковый тембр. Реальные источники обычно создают не одну синусоидальную волну, а основной тон вместе с колебаниями больших частот — обертонами. Их наличие и относительная интенсивность изменяют форму результирующего колебания, поэтому два источника с одной высотой могут звучать по-разному.
Чистый тон близок к синусоидальному колебанию одной основной частоты. Музыкальный или речевой звук чаще является сложным: в нём присутствуют основная частота и набор обертонов. Спектр чистого тона содержит одну выраженную составляющую, а спектр сложного звука — несколько составляющих с разными интенсивностями.
Осциллограмма показывает изменение смещения во времени. По расстоянию между одинаковыми фазовыми точками находят период и частоту, по размаху оценивают амплитуду, а по форме замечают влияние обертонов. Спектр дополняет график: положение составляющих помогает определить частоты и высоту, их уровни — громкость отдельных компонентов, а соотношение обертонов — тембр.
| Характеристика | Что определяет | Физическая основа | Как проявляется |
|---|---|---|---|
| Высота звука | Низкий или высокий звук | Частота основного тона | Изменяется при изменении частоты колебаний |
| Громкость звука | Слабый или сильный звук | Интенсивность звуковой волны и амплитуда колебаний | Изменяется при изменении энергии, переносимой волной |
| Тембр звука | Особый характер звучания и различие источников | Состав и относительные интенсивности обертонов | Определяется формой колебаний и спектром |
Таблицу удобно читать по строкам: сначала определите слуховое свойство, затем найдите его физическую причину. По столбцу «Физическая основа» можно понять, какую величину измерять. Не следует заменять одну характеристику другой: частота отвечает прежде всего за высоту, а амплитуда и интенсивность — за силу звучания.
Два камертона издают звуки с частотами 440 Гц и 660 Гц. Нужно определить, какой звук выше, и сравнить частоты. Высота связана с частотой, поэтому достаточно сопоставить данные значения.
Ответ: выше звук частотой 660 Гц; его частота в 1,5 раза больше частоты первого.
Амплитуда второй звуковой волны в два раза больше амплитуды первой, а частоты одинаковы. Рост амплитуды означает увеличение переносимой волной энергии и обычно воспринимается как усиление громкости. Поскольку частота не изменилась, свойство, связанное с высотой, останется прежним.
Ответ: второй звук обычно будет восприниматься как более громкий; его высота не изменится.
Скрипка и пианино издают ноту одной высоты и одинаковой громкости, но звучат по-разному. Одинаковая высота означает совпадение основных частот, а одинаковая громкость — близость общего слухового уровня. Причина различия должна быть связана с третьей характеристикой, то есть с тембром.
Ответ: инструменты различаются тембром; их спектры имеют разный состав и соотношение обертонов.
Высота определяется громкостью. Так ошибаются, потому что сильный звук субъективно кажется более заметным. Проверка проста: сравните звуки одной частоты с разной амплитудой — высота останется прежней.
Большая амплитуда означает большую высоту. Амплитуда задаёт размах и связана с громкостью, а высоту задаёт частота. Проверьте себя, отдельно записав, какая величина изменилась: если только A, частота не выросла.
Тембр — это только форма графика. Форма действительно отражает тембр, но возникает она из-за определённого спектрального состава. Чтобы не допустить ошибку, связывайте график с наличием и интенсивностью обертонов.
Громкость и интенсивность — одно и то же. Интенсивность измеряется физически и характеризует перенос энергии, а громкость является ощущением человека. Проверяйте формулировку: если речь идёт о восприятии, используйте «громкость», если о волне — «интенсивность».
Для понимания звука нужны механические колебания и волны, а также период, частота, амплитуда и формула f = 1/T. Эти понятия позволяют перейти к распространению звука, резонансу, акустике помещений и уровню звука. Связь частоты, спектра и тембра используется при изучении музыкальных инструментов, речи, записи и обработки аудиосигналов.
Почему при увеличении громкости высота звука обычно не меняется?
Увеличение громкости обычно означает рост амплитуды колебаний и интенсивности волны. Частота при этом остаётся прежней, поэтому высота звука не изменяется.
Можно ли по одной только амплитуде определить, какой звук услышит человек?
Нет. Амплитуда помогает оценить физическую интенсивность и связанную с ней громкость, но не показывает частоту и спектральный состав. Для полного описания нужны также частота и сведения об обертонах.
Почему один и тот же музыкальный звук по-разному звучит у разных инструментов?
Инструменты могут издавать одну и ту же основную частоту, но добавлять к ней разные обертоны. Поэтому форма колебаний и спектр отличаются, а слушатель воспринимает разный тембр.
Чем основной тон отличается от обертона?
Основной тон имеет наименьшую частоту в составе периодического сложного звука и обычно задаёт его высоту. Обертоны имеют большие частоты и добавляют звуку характерную окраску.
Как по графику колебаний определить частоту и сравнить высоту звуков?
Нужно измерить период T — время одного полного повторения колебания, а затем вычислить частоту: f = 1/T. Чем меньше период и больше частота, тем выше воспринимаемая высота звука.
§ 31. Высота, громкость и тембр звука
