18. Громкость звука. Высота и тембр звука

Определения и обозначения

Громкость звука — слуховое ощущение силы звука. Она связана с интенсивностью звуковой волны, то есть с тем, сколько энергии волна переносит за определённое время через определённую площадь. Однако одинаковый звук разные люди могут оценить неодинаково: восприятие зависит от чувствительности слуха. Это понятие помогает описать, насколько звук кажется тихим или громким.

Высота звука — слуховое ощущение, по которому различают низкие и высокие звуки. Она связана с частотой колебаний: частота показывает, сколько колебаний происходит за секунду, и измеряется в герцах (Гц). Чем она больше, тем выше воспринимаемый звук. Благодаря этому можно сравнивать тоны не по их громкости, а по высоте.

Тембр звука — его характерная окраска, позволяющая различать звуки одинаковых высоты и громкости. Тембр зависит от состава звука, то есть от сочетания входящих в него колебаний, и от формы результирующих колебаний. Поэтому тембр помогает узнавать голос или музыкальный инструмент даже тогда, когда они звучат на одной ноте. Это свойство отличает звучание источников, которые по высоте и громкости совпадают.

Основной тон — составляющая сложного звука с наименьшей частотой. Он задаёт основное ощущение высоты, хотя в звучании присутствуют и другие составляющие. Разобрав сложный звук на основной тон и добавочные компоненты, можно понять, почему его высота воспринимается определённым образом, а тембр остаётся особенным.

Как это устроено

Когда тело колеблется, оно воздействует на частицы окружающей упругой среды: они начинают колебаться и передают возмущение дальше. Так возникает звуковая волна, которая доходит до уха. Сила воздействия волны связана с тем, насколько интенсивно колеблется воздух, но слух не является точным измерительным прибором. Поэтому одно и то же физическое воздействие может восприниматься людьми по-разному из-за различий в чувствительности слуха.

Если амплитуда колебаний источника увеличивается, источник обычно сильнее воздействует на окружающую среду. В результате звуковая волна становится интенсивнее, и слушателю звук чаще кажется более громким. Амплитуда — наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия; на графике большей амплитуде соответствует большая высота волны. Но связь не означает, что громкость определяется только амплитудой источника: при распространении звук ослабевает, а восприятие зависит и от слуха.

Частота показывает, как быстро повторяются колебания, и именно с ней связано ощущение высоты. При большей частоте за то же время происходит больше колебаний, поэтому звук воспринимается более высоким. Например, низкий тон колеблется реже, чем высокий; громкость при этом может быть одинаковой. Значит, для сравнения высоты нужно сопоставить частоты, а не амплитуды.

Звучание многих источников не является простым тоном: оно складывается из основного тона и дополнительных составляющих. Каждая из них вносит вклад в общие колебания, а их сочетание меняет форму результирующего колебания. Основной тон с наименьшей частотой особенно важен для ощущения высоты, а соотношение составляющих помогает сформировать тембр. Поэтому сложный звук одновременно имеет определённую высоту и индивидуальную окраску.

Два источника могут создавать звуки одной высоты и одинаковой громкости, но их колебания будут отличаться по составу и форме. Например, струна и духовой инструмент, исполняя одну ноту, добавляют к основному тону разные составляющие. Ухо воспринимает эти различия как тембр, поэтому звуки не кажутся одинаковыми. На графике можно увидеть различие формы колебаний, хотя период основного тона и размах могут совпадать.

На схеме большая амплитуда показана более высоким размахом колебаний, а большая частота — большим числом повторений за тот же промежуток времени. Это позволяет отдельно проследить признаки, связанные с громкостью и высотой. Синусоидальная линия иллюстрирует простое колебание, а сложные реальные звуки могут иметь более замысловатую форму. По такой схеме нельзя напрямую судить о чувствительности слушателя или о том, как звук ослабнет по пути.

Как физические характеристики связаны со слуховым восприятием

Сначала определите, какую именно слуховую характеристику сравнивают: громкость, высоту или тембр. Затем найдите в таблице физическую связь и признак на графике. График помогает увидеть особенности колебаний, но ощущение громкости зависит также от условий распространения и слуха.

Разбор задач

Задача 1. Два одинаковых камертона звучат по-разному громко. У какого колебания воздуха около камертона имеет большую амплитуду? Нужно связать указанное слуховое различие с физическими особенностями волны. Поскольку камертоны одинаковы, сравниваем именно колебания воздуха, а не высоту звука.

1. Громкость связана с интенсивностью звуковой волны.
2. Более интенсивной волне обычно соответствует большая амплитуда колебаний воздуха.
3. Значит, у камертона, звук которого воспринимается громче, амплитуда колебаний воздуха больше.

Ответ: большую амплитуду имеют колебания воздуха около громче звучащего камертона. Из условия нельзя заключить, что у него выше частота: громкость и высота связаны с разными характеристиками.

Задача 2. Частота одного звука равна 200 Гц, другого — 800 Гц. Какой звук воспринимается выше? Здесь даны частоты, поэтому сравнение сразу относится к высоте. Громкость звуков в условии не указана и для ответа не требуется.

1. Высота звука связана с частотой колебаний.
2. Сравним значения: 800 Гц больше, чем 200 Гц.
3. Значит, второй звук имеет большую частоту и воспринимается выше.

Ответ: выше звук частотой 800 Гц. По этим данным нельзя определить, какой из звуков громче, потому что частота отвечает за высоту, а не за интенсивность волны.

Задача 3. Два музыкальных инструмента играют ноту одной высоты и с одинаковой громкостью, но звучат по-разному. Нужно выяснить, какая характеристика различается, не смешивая её с высотой и громкостью. Раз одинаковы и высота, и громкость, причина различия связана с другим свойством звука.

1. Одинаковая высота означает, что основная частота воспринимается одинаково.
2. Одинаковая громкость означает, что звуки воспринимаются одинаково сильными, но не обязательно имеют одинаковый состав.
3. Инструменты создают разные дополнительные составляющие и формы колебаний; это меняет тембр.

Ответ: различается тембр. Именно он позволяет распознать звучание инструментов, даже если те играют одну ноту с одинаковой громкостью.

Типичные ошибки

Ошибка — считать громкость и высоту одним свойством, потому что оба слова описывают слуховое впечатление. Но громкость прежде всего связана с интенсивностью, а высота — с частотой колебаний. Проверьте себя: если звук стал выше, это ещё не доказывает, что он стал громче. Для каждой характеристики нужно назвать свою физическую связь.

Иногда думают, что увеличение частоты делает звук громче: оба параметра меняются при изменении колебаний, и их легко спутать. На деле частота определяет высоту, а громкость связана с интенсивностью и обычно с амплитудой. Чтобы проверить рассуждение, представьте высокий тихий сигнал: он возможен, значит, частота не задаёт громкость сама по себе.

Ошибочно заключать, что звуки одной высоты одинаковы. Частота основного тона может совпадать, но дополнительные составляющие у источников различаются, поэтому различается тембр. Самопроверка проста: если разные инструменты играют одну ноту и узнаются на слух, значит, одной высоты недостаточно, чтобы описать звучание полностью.

Нельзя утверждать, что громкость определяется только амплитудой источника: такая связь часто приводится как основное объяснение. По пути волна может ослабнуть, а слушатели обладают разной чувствительностью слуха. Проверяйте, указаны ли условия распространения и особенности слушателя; без них амплитуда источника не даёт полного описания воспринимаемой громкости.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что звук возникает при колебаниях и распространяется в упругой среде в виде волны. Ранее изученные амплитуда и частота механических колебаний помогают объяснить различия громкости и высоты. Эти понятия понадобятся при изучении акустики и музыкальных звуков, а также принципов работы микрофонов и громкоговорителей. Такие устройства преобразуют колебания и сигналы, поэтому свойства звука позволяют понять, что именно они передают или воспроизводят.

Что запомнить

• Громкость — характеристика слухового восприятия силы звука.
• Большей интенсивности звуковой волны обычно соответствует большая громкость.
• Высота звука связана с частотой колебаний.
• Чем больше частота, тем выше воспринимаемый звук.
• Тембр помогает различать звуки одинаковой высоты и громкости.
• Тембр зависит от состава сложного звука и формы колебаний.
• Слуховое восприятие зависит не только от физических характеристик звука, но и от особенностей слуха.