§ 4.11. Музыкальные звуки и шумы. Громкость и высота звука

Определения и обозначения

Музыкальный звук — звук, которому соответствуют периодические колебания и который обычно воспринимается как имеющий определённую высоту. Периодические колебания повторяются через одинаковые промежутки времени. Это определение помогает отличать музыкальные тоны от звуков с нерегулярным характером.

Шум — звук, колебания которого сложны и непериодичны, поэтому ему обычно нельзя приписать определённую высоту. Давление воздуха при шуме меняется нерегулярно, без повторяющегося цикла. Это понятие описывает характер сигнала, а не то, насколько громким он кажется.

Громкость звука — субъективная характеристика слухового ощущения, связанная прежде всего с интенсивностью звука. Она показывает, насколько сильным звук воспринимает слушатель, а не измеряет непосредственно колебание. Различие нужно, чтобы не смешивать физические параметры волны и работу слуха.

Высота звука — субъективная характеристика, связанная с частотой основного тона. Чем выше частота, тем выше обычно воспринимается звук. Это понятие позволяет описать различие между низкими и высокими нотами, не смешивая его с громкостью.

Как это устроено

Звучащее тело колеблется и заставляет колебаться частицы окружающей упругой среды. Частицы передают возмущение соседним частицам, поэтому распространяется звуковая волна, а не само вещество. В воздухе волна создаёт чередование областей повышенного и пониженного давления, которые воздействуют на слуховой аппарат.

Различие музыкального звука и шума связано с тем, как меняется колебание во времени. Если процесс повторяется через равные промежутки, он периодический, и повторяемость создаёт основу для восприятия определённого тона. При непериодических нерегулярных изменениях нет устойчивого цикла, поэтому шуму обычно нельзя приписать одну высоту.

Высота связана с частотой основного тона — составляющей, задающей основную периодичность звука. Частота показывает, сколько колебаний совершается за секунду, и измеряется в герцах. При увеличении частоты колебания быстрее повторяются, поэтому слух воспринимает тон как более высокий, а не просто как более сильный.

Амплитуда характеризует наибольшее отклонение колеблющегося тела или частиц среды от положения равновесия. При прочих равных увеличение амплитуды обычно повышает интенсивность звука, то есть поток энергии через единицу площади за единицу времени, и звук воспринимается громче. Однако громкость не равна амплитуде: это ощущение слушателя, на которое влияют также частота и особенности слуха.

Музыкальный звук часто складывается из основного тона и обертонов — дополнительных составляющих с более высокими частотами. Основной тон определяет высоту, а относительная выраженность обертонов меняет окраску звука. Поэтому одинаковая нота, сыгранная на разных инструментах, может иметь одинаковую высоту, но различаться по тембру.

Физические характеристики звука и слуховые ощущения

Чтобы описать звук, сначала выбери нужное слуховое ощущение: громкость, высоту или тембр. Затем соотнеси его с физической основой в таблице, не подменяя одно другим. Для различения шума и музыкального звука оценивай регулярность колебаний, а не силу звучания.

Разбор задач

Задача 1. Два источника издают музыкальные звуки частотой 440 Гц и 880 Гц. Нужно определить, какой звук выше. Сравнивать следует частоты, потому что именно с частотой основного тона связана высота.

1. Запишем частоты: f₁ = 440 Гц, f₂ = 880 Гц.
2. Сравним их: 880 Гц больше 440 Гц, то есть второй источник колеблется с большей частотой.
3. По связи высоты с частотой делаем вывод: большая частота соответствует более высокому воспринимаемому звуку.

Ответ: выше звук частотой 880 Гц. Из этого сравнения нельзя заключить, какой звук громче: для этого потребовались бы сведения об интенсивности.

Задача 2. На двух одинаковых временных интервалах изображены периодические колебания одной частоты, но разной амплитуды. Нужно указать, какой звук при прочих равных воспринимается громче. Частота одинакова, поэтому высота в этой задаче не меняется.

1. Сравним максимальные отклонения колебаний от положения равновесия: у одного источника амплитуда больше.
2. При прочих равных большая амплитуда связана с большей интенсивностью звука.
3. Большая интенсивность обычно вызывает ощущение большей громкости, хотя сама громкость остаётся субъективным восприятием.

Ответ: обычно громче воспринимается звук с большей амплитудой колебаний. Вывод верен при условии, что остальные условия, в том числе расстояние до источника, одинаковы.

Задача 3. Два инструмента играют одну ноту, но звучат по-разному. Требуется объяснить различие, хотя высота одинакова. В условии уже указано, что нота одна, значит, частоты основных тонов совпадают.

1. Отделим высоту от тембра: высота определяется частотой основного тона, а тембр — составом звука.
2. У инструментов могут различаться число и относительная выраженность обертонов.
3. Именно это различие меняет окраску звука, не обязательно меняя частоту основного тона.

Ответ: инструменты звучат по-разному из-за различного тембра, связанного с неодинаковым спектральным составом. Одинаковая высота не означает одинакового звучания.

Типичные ошибки

Считать громкость и амплитуду одним и тем же. Амплитуда — физическая характеристика колебаний, а громкость — субъективное ощущение. Их путают, потому что большая амплитуда часто сопровождается более громким звучанием. Проверь себя: спроси, описывает ли величина колебание или то, как его слышит человек.

Путать высоту звука с громкостью. Высота связана с частотой, а громкость — прежде всего с интенсивностью. Ошибка возникает потому, что оба свойства воспринимаются слухом и могут меняться одновременно. Для проверки отдельно выясни, изменились ли частота основного тона и сила звука.

Утверждать, что любой периодический звук — чистый тон. Периодический музыкальный звук может включать основной тон и обертоны, а чистый тон имеет одну частотную составляющую. Путаница появляется, если периодичность принимают за отсутствие других составляющих. Проверь себя: периодичность описывает повторение сигнала, а не число частот в его составе.

Считать шум просто очень громким звуком. Громкость характеризует слуховое ощущение, а шум отличается непериодическим и нерегулярным характером колебаний. Их смешивают, потому что бытовые шумы нередко звучат сильно. Проверка проста: оценивай регулярность колебаний отдельно от интенсивности.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны представления о звуке как механической волне и о колебаниях: частоте, периоде и амплитуде. Связь с колебательными процессами позволяет понять, почему регулярное повторение связано с музыкальным звуком, а спектральное разложение объясняет состав звука и тембр. Эти знания пригодятся при изучении акустики, устройства музыкальных инструментов, слуха и способов измерения уровня звука.

Что запомнить

• Звук возникает вследствие колебаний источника и распространяется в упругой среде.
• Музыкальный звук обычно связан с периодическими колебаниями, шум — с непериодическими.
• Частота основного тона определяет высоту звука.
• При прочих равных большая интенсивность обычно воспринимается как большая громкость.
• Громкость — характеристика слухового ощущения, а не непосредственно физическая величина колебаний.
• Соотношение основного тона и обертонов определяет тембр.