"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Звук создаётся колебаниями, но разные колебания воспринимаются по-разному: один звук кажется громким, другой — высоким, а музыкальные инструменты отличаются окраской звучания. Громкость связана прежде всего с интенсивностью и амплитудой колебаний, высота — с частотой, а тембр — с формой колебаний и составом дополнительных тонов. Эти характеристики помогают описывать звук и понимать, почему можно изменить его громкость, не меняя высоту, или различить инструменты, играющие одну ноту.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Громкость звука — характеристика слухового ощущения, связанная с интенсивностью звуковых колебаний. Она зависит прежде всего от амплитуды: при прочих равных условиях более сильные колебания обычно слышатся громче. Громкость субъективна: один и тот же звук люди могут оценивать по-разному. Это понятие помогает описать, насколько сильным кажется звук слушателю.
Высота звука — характеристика, по которой звук воспринимается как низкий или высокий. Она определяется частотой колебаний: частота показывает, сколько повторений колебания происходит за секунду, и измеряется в герцах (Гц). Чем больше частота, тем выше звук. Высота нужна, чтобы сравнивать звучание нот и различать низкие и высокие звуки.
Тембр звука — характерная окраска звучания, по которой можно различить источники даже при одинаковых высоте и громкости. Например, одна нота на флейте и скрипке обычно звучит неодинаково. Разницу создают особенности колебаний, а не только их сила или частота. Тембр помогает узнавать голоса и инструменты на слух.
Основной тон и обертоны — составляющие сложного звука. Основной тон задаёт воспринимаемую высоту, а обертоны — дополнительные тоны с частотами, кратными частоте основного тона — участвуют в формировании тембра. Их соотношение и сила меняются у разных источников. Эти понятия объясняют, почему одна нота может иметь разную окраску.
Когда источник колеблется, он передаёт колебательное движение частицам окружающей среды. Так возникает звуковая волна, которая доходит до уха и вызывает колебания чувствительных структур слуха. Мозг воспринимает эти сигналы как звук и различает их свойства. Поэтому громкость, высота и тембр связаны с параметрами колебаний, хотя это не одно и то же.
Амплитуда показывает, насколько сильно отклоняется колеблющееся тело или частица среды от положения равновесия. При увеличении амплитуды колебания обычно передают больше энергии, интенсивность звука возрастает, и он кажется громче. Но до слушателя доходит не только звук, созданный источником: при удалении от него волна ослабевает. На оценку громкости также влияют особенности слуха и способность человека воспринимать звуки разной силы.
Частота сообщает, сколько колебаний совершается за секунду. Если колебания повторяются чаще, слух воспринимает звук как более высокий; если реже — как более низкий. Это можно понять, сравнив два сигнала за одинаковый промежуток времени: у более высокого звука повторов будет больше. Амплитуда может измениться отдельно от частоты, поэтому усиление звука не обязано менять его высоту.
Звук музыкального инструмента обычно состоит из основного тона и дополнительных составляющих. Частота основного тона определяет высоту, а частоты обертонов являются кратными ей: например, при основном тоне 100 Гц обертон может иметь частоту 200 Гц. У разных инструментов обертоны отличаются по числу и выраженности. Поэтому одинаковая основная частота может сопровождаться разной окраской звучания.
На графике смещения от времени амплитуда видна по расстоянию от среднего уровня до пика: больший размах связан с более громким звуком. Частоту сравнивают по количеству повторов за один и тот же отрезок времени: где циклов больше, там частота выше. Если период — время одного полного колебания — одинаков, но форма сигнала различается, это указывает на разный состав составляющих и тембр. График условный: он показывает связь параметров, а не точную громкость, которую услышит каждый человек.
| Характеристика | Что воспринимает слух | Главным образом зависит от | Как изменение параметра меняет звук |
|---|---|---|---|
| Громкость | Сильный или слабый звук | Интенсивности и амплитуды колебаний | Большая амплитуда обычно делает звук громче |
| Высота | Низкий или высокий звук | Частоты основного тона | Большая частота повышает звук |
| Тембр | Окраску звучания, особенности источника | Формы колебаний и состава обертонов | Изменение обертонов или формы меняет окраску |
Чтобы определить, какая характеристика меняется, сначала выясни, что именно изменилось в колебаниях: амплитуда, частота или форма сигнала. Таблица помогает не путать громкость с высотой. Реальное ощущение громкости зависит не только от параметров источника, но и от условий слушания.
Задача 1. Два звука имеют одинаковую частоту, но амплитуда колебаний второго больше. Сравните их громкость и высоту.
Ответ: второй звук громче, а высота обоих звуков одинакова.
Задача 2. Частота одного звука равна 250 Гц, другого — 500 Гц. Какой звук выше и во сколько раз различаются частоты?
Ответ: звук частотой 500 Гц выше; частоты различаются в 2 раза.
Задача 3. Два музыкальных инструмента звучат на одной ноте и с одинаковой воспринимаемой громкостью, но их звуки различаются. Объясните почему и укажите, что изменится, если у одного инструмента увеличить амплитуду колебаний, не меняя частоту и состав обертонов.
Ответ: инструменты различаются тембром; увеличение амплитуды сделает звук громче, не меняя высоту и тембр.
Ошибочно считать, что высота зависит от амплитуды. Так путают параметры, потому что оба связаны с колебаниями, но амплитуда характеризует размах, а частота — число колебаний за время. Проверь себя: если в условии меняется только амплитуда, сравни громкость, а не высоту.
Неверно полагать, что громкость определяется только амплитудой источника. Амплитуда важна, но слышимый звук ослабевает с расстоянием, а слух у людей различается. Проверка простая: учти, где находится слушатель и что звук может восприниматься по-разному даже при одинаковом источнике.
Высоту иногда смешивают с тембром, хотя это разные свойства. Высота связана с частотой основного тона, а тембр — с формой колебаний и обертонами; поэтому изменение окраски не обязательно означает изменение ноты. Чтобы проверить себя, отдельно спроси: звук стал ниже или выше, либо лишь стал похож на другой инструмент?
Ещё одна ошибка — думать, что одинаковая высота гарантирует одинаковое звучание. Частота основного тона может совпадать, но состав обертонов у источников различается, и тембр получается разным. Если одна нота на инструментах звучит неодинаково, сравнивай не высоту, а окраску звука.
Чтобы разобраться в громкости, высоте и тембре, нужно знать, что звук создаётся колебаниями и распространяется в упругой среде как звуковая волна. Также пригодится умение различать амплитуду и частоту и читать график смещения от времени. Эти знания связывают свойства звука с тем, как колеблется источник и как сигнал доходит до слушателя. Они пригодятся при изучении музыкальных звуков, акустики помещений, микрофонов и способов записи и воспроизведения звука.
Почему один и тот же звук становится тише, когда отходишь от источника?
По мере удаления звуковая волна распространяется на всё большую область, и её интенсивность убывает. Поэтому до слуха доходит меньше звуковой энергии и звук воспринимается тише.
Можно ли сделать звук громче, не меняя его высоту?
Да. Если увеличить амплитуду колебаний, звук обычно станет громче, а частота может остаться прежней. Тогда высота не изменится.
Почему писк воспринимается выше, чем гудение?
Писк обычно имеет большую частоту колебаний, чем гудение. Чем больше частота, тем выше воспринимаемый звук.
Почему одна и та же нота на разных музыкальных инструментах звучит по-разному?
У инструментов могут совпадать частота основного тона и воспринимаемая громкость, но различаться форма колебаний и состав обертонов. Это создаёт разный тембр.
Может ли звук быть высоким, но тихим?
Да. Высота определяется частотой, а громкость связана главным образом с интенсивностью и амплитудой. Поэтому высокая частота может сочетаться с небольшой амплитудой и тихим звучанием.
18. Громкость звука. Высота и тембр звука
