"Физика", Перышкин А.В., Гутник Е.М.
Звуки различаются не только тем, что один громкий, а другой тихий. Высота зависит прежде всего от частоты колебаний, громкость связана с амплитудой и интенсивностью звуковой волны, а тембр позволяет узнать знакомый голос или инструмент. Эти характеристики помогают описывать звук и объяснять, почему одна и та же нота на разных инструментах звучит по-разному.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Высота звука — субъективное восприятие, зависящее прежде всего от частоты колебаний источника: чем частота больше, тем звук выше. Например, высокий писк и низкий гул отличаются частотой колебаний. Понятие высоты помогает сравнивать тона, не смешивая это свойство с громкостью.
Тембр звука — характерная окраска звука, по которой различают звуки одинаковой высоты и громкости. Благодаря тембру можно узнать, сыграна ли нота на флейте или скрипке, даже если её высота и громкость совпадают. Тембр нужен, чтобы описывать особенности звучания источника.
Громкость звука — субъективная характеристика, связанная с амплитудой колебаний и интенсивностью звуковой волны. Обычно более сильным колебаниям соответствует более громкое восприятие. Это понятие описывает, насколько звук кажется тихим или сильным слушателю.
Основной тон и обертоны — составляющие сложного звука: основной тон имеет наименьшую частоту, а обертоны — более высокие частоты. Вместе они образуют звучание реального инструмента или голоса. Их соотношение помогает объяснить, почему звуки с одной высотой могут иметь разную окраску.
Когда тело колеблется, оно попеременно сжимает и разрежает воздух вокруг себя. Возникающие изменения давления распространяются в виде звуковой волны и доходят до уха. Частота колебаний источника определяет частоту основного тона, поэтому быстро колеблющееся тело создаёт более высокий звук. Это позволяет связать слышимую высоту с физическим движением источника.
Звук музыкального инструмента обычно не состоит из одной-единственной частоты. В нём есть основной тон и дополнительные составляющие — обертоны, частоты которых выше частоты основного тона. У разных инструментов обертоны имеют разную силу и соотношение, поэтому при одной основной частоте звучание всё равно отличается. Именно это различие слух воспринимает как тембр.
Если записать колебания сложного звука, получится линия, форма которой не обязательно похожа на простую синусоиду. Причина в том, что колебания основного тона и обертонов складываются в одно общее движение. При изменении состава или соотношения этих составляющих меняется и форма итогового колебания. Поэтому различие осциллограмм помогает заметить различие тембров.
Амплитуда показывает, насколько далеко тело отклоняется от положения равновесия. При большей амплитуде источник обычно создаёт более интенсивную звуковую волну, и слушатель воспринимает звук как более громкий. Но громкость не определяется одной амплитудой: волна ослабевает с расстоянием, а слух по-разному чувствителен к звукам разных частот. Поэтому одинаковые источники могут казаться неодинаково громкими в разных условиях.
| Характеристика | От чего зависит | Как воспринимается | Что сравнивать |
|---|---|---|---|
| Высота звука | Частота колебаний | Как высокий или низкий тон | Частоту основного тона и обертонов |
| Тембр звука | Состав и соотношение составляющих сложного звука | Как характерная окраска звучания | Состав и соотношение обертонов |
| Громкость звука | Амплитуда и интенсивность звуковой волны | Как тихий или громкий звук | Расстояние до источника и чувствительность слуха |
Сначала определите, какую характеристику нужно сравнить: высоту, тембр или громкость. Для высоты ищите различие частот, для тембра — различие состава звука, а для громкости учитывайте амплитуду и условия, в которых слушают. Такая проверка помогает не подменять одно свойство звука другим.
Частота колебаний одного камертона равна 440 Гц, другого — 880 Гц. Нужно определить, какой из них издаёт более высокий звук. Частота показывает число колебаний за секунду, а высота тона растёт вместе с ней. Сравним значения, не смешивая высоту с громкостью.
Ответ: более высокий звук издаёт второй камертон с частотой 880 Гц. По этим данным нельзя заключить, какой звук громче: для этого понадобились бы сведения об амплитуде или интенсивности. Значит, в задаче мы сравнили именно высоту.
Два одинаковых источника колеблются с одинаковой частотой, но амплитуда колебаний второго в два раза больше. Нужно описать различие звуков. Одинаковая частота означает одинаковую высоту тона. Амплитуда связана с интенсивностью, поэтому больший размах колебаний обычно даёт более громкое звучание.
Ответ: второй звук будет громче, но не выше. Увеличение амплитуды вдвое не означает, что звук обязательно покажется человеку ровно вдвое громче: восприятие громкости зависит не только от амплитуды. Тембр по приведённым данным сравнить нельзя.
Две ноты имеют одинаковую основную частоту и звучат с одинаковой громкостью, но их осциллограммы различаются по форме. Нужно объяснить, почему слушатель может определить разные инструменты. Совпадение основной частоты означает совпадение высоты, а одинаковая громкость убирает ещё одно возможное различие. Остаётся сравнить состав сложных звуков.
Ответ: слушатель может различить инструменты по тембру. Разные обертоны по-разному складываются с основным тоном и создают разные формы колебаний. Поэтому одна и та же нота может звучать узнаваемо на разных инструментах.
Ошибка — считать, что громкость определяется частотой. Частота прежде всего влияет на высоту, а громкость связана с амплитудой и интенсивностью; путаница возникает, потому что обе характеристики описывают слышимый звук. Проверьте себя вопросом: изменилось ли число колебаний в секунду или размах колебаний?
Ошибка — считать, что одинаковая высота означает одинаковое звучание. Высота связана с частотой основного тона, а тембр может различаться из-за состава и соотношения обертонов; это легко упустить, если сравнивать только ноты. Проверьте, совпадают ли не только основные частоты, но и особенности сложного звука.
Ошибка — путать амплитуду с частотой. Амплитуда — размах колебаний, а частота — число колебаний за единицу времени; путаница появляется из-за того, что обе величины описывают движение источника. Для проверки представьте колебания: амплитуда показывает, насколько велико отклонение, а частота — как часто оно повторяется.
Ошибка — считать громкость только свойством источника. На восприятие также влияют расстояние до источника и особенности слуха, потому что волна ослабевает по мере распространения, а уши неодинаково чувствительны к разным звукам. Проверьте вывод, уточнив, где находится слушатель и какие условия сравнения заданы.
Для понимания темы нужны знания о механических колебаниях, их амплитуде, периоде и частоте. Связь частоты с высотой звука пригодится при дальнейшем изучении звуковых волн и ультразвука. Представление об амплитуде и сложении колебаний поможет разобраться в распространении и наложении звуковых волн.
Почему струна звучит выше, если её натянуть сильнее?
Натянутая сильнее струна колеблется быстрее, то есть частота её колебаний становится больше. А чем больше частота, тем выше воспринимаемый звук.
Могут ли два инструмента играть одну и ту же ноту, но звучать по-разному?
Да. У них может совпадать частота основного тона, но различаться состав и соотношение обертонов, поэтому звуки имеют разный тембр.
Почему звук становится тише, когда мы отходим от источника?
По мере удаления звуковая волна распространяется на всё большую область, и её интенсивность у слушателя уменьшается. Поэтому звук обычно воспринимается как более тихий.
Означает ли большая частота, что звук громче?
Нет. Частота прежде всего определяет высоту звука, а громкость связана с амплитудой колебаний и интенсивностью волны. Высокий звук может быть и тихим, и громким.
Что в осциллограмме звука показывает его тембр?
Осциллограмма показывает форму колебаний. Её особенности связаны с составом звука и соотношением основного тона с обертонами, поэтому звуки одной высоты могут иметь разные формы осциллограмм.
§ 31 Высота, тембр и громкость звука
