§ 45. Громкость и высота звука

Определения и обозначения

Громкость звука — слуховое ощущение, зависящее главным образом от амплитуды колебаний источника звука. Проще говоря, она показывает, насколько сильным или тихим кажется звук. Чтобы объяснить громкость физически, нужно сравнить, насколько далеко отклоняется колеблющееся тело от положения равновесия. Само ощущение зависит также от расстояния до источника и особенностей слуха.

Высота звука — слуховое ощущение, определяемое частотой колебаний источника звука. Высоким кажется звук, похожий на тонкий писк, а низким — напоминающий гул. Высота помогает различать звуки, даже если они одинаково громкие. Для её объяснения сравнивают, сколько колебаний источник совершает за одинаковое время.

Амплитуда колебаний — наибольшее отклонение колеблющегося тела от положения равновесия. Положение равновесия — то, около которого тело движется туда и обратно. Амплитуда показывает размер этого движения и выражается в единицах длины, например в метрах или сантиметрах. По ней можно судить, почему один звук воспринимается громче другого.

Частота колебаний — число колебаний, совершаемых телом за одну секунду; её измеряют в герцах (Гц). Например, частота 400 Гц означает 400 колебаний за секунду. Частота нужна, чтобы описывать быстроту повторения колебаний и связывать её с высотой звука. Не путай её с периодом: период — время одного полного колебания.

Как это устроено

Звук начинается с колебаний источника: например, струна движется туда и обратно после щипка. Она воздействует на окружающую среду, создавая распространяющиеся в ней изменения давления. Эти изменения доходят до уха и заставляют колебаться его части. Так движение источника становится звуковым ощущением.

Когда амплитуда источника увеличивается, его движение становится размахнее. При этом звуковая волна сильнее воздействует на органы слуха, и звук обычно воспринимается громче. Поэтому, например, более сильный удар по барабану даёт более громкий звук. Здесь сравнивают именно амплитуды, а не количество колебаний.

Если частота остаётся одинаковой, источник совершает за секунду столько же колебаний, сколько и раньше. Увеличение амплитуды делает колебания заметнее по размаху, но не ускоряет их повторение. Поэтому меняется громкость, а высота остаётся прежней. Аналогично, уменьшение амплитуды при постоянной частоте делает звук тише, но не ниже.

Частота определяет, как быстро повторяется движение источника. Когда за ту же секунду происходит больше колебаний, слух воспринимает более высокий звук; при меньшем числе колебаний звук ниже. Например, басовый звук имеет меньшую частоту, чем писк. Это не означает, что высокий звук обязательно громкий: его амплитуда может быть небольшой.

График показывает, как меняется смещение тела со временем. Расстояние от средней линии до вершины волны — амплитуда, а расстояние по времени между одинаковыми фазами, например соседними вершинами, — период. Частота показывает число колебаний за секунду, поэтому при меньшем периоде частота больше. Сравнивая графики за одинаковый промежуток времени, можно отдельно оценить размах колебаний и их количество.

Связь характеристик колебаний с громкостью и высотой звука

Сопоставляй в таблице физическую величину с тем свойством звука, на которое она влияет. Амплитуда связана с громкостью, а частота — с высотой. Изменение одной величины не следует автоматически приписывать другой характеристике звука.

Разбор задач

Задача 1. Два источника издают звуки одинаковой частоты, но амплитуда колебаний первого источника в два раза больше. Сравните громкость и высоту звуков.

1. Запишем, что частоты одинаковы, поэтому число колебаний источников за секунду совпадает.
2. Амплитуда первого источника больше, а значит, его колебания сильнее воздействуют на среду и слух.
3. По амплитуде сравниваем громкость, а по частоте — высоту. Удвоенная амплитуда не означает, что звук будет восприниматься ровно вдвое громче.

Ответ: первый звук громче, а высота обоих звуков одинакова.

Задача 2. Частота одного звука равна 400 Гц, а другого — 800 Гц. Какой звук выше? Во сколько раз отличаются частоты?

1. Сравним частоты: 800 Гц больше, чем 400 Гц.
2. Больше частота — выше звук, так как источник совершает больше колебаний за секунду.
3. Разделим большую частоту на меньшую: 800 : 400 = 2. Значит, частота второго звука в два раза больше.

Ответ: звук частотой 800 Гц выше; частоты отличаются в два раза.

Задача 3. По графику колебаний нужно определить, какой из двух звуков громче и какой выше. У первого графика больше размах, а у второго за тот же промежуток времени совершается больше колебаний.

1. Сначала сравним отклонения от положения равновесия. Больший размах означает большую амплитуду, если речь идёт о симметричных колебаниях.
2. Затем сравним число полных колебаний за одинаковое время. Где их больше, там выше частота.
3. Свяжем найденные величины со звуком: амплитуда показывает громкость, а частота — высоту. Не делаем вывод о высоте по величине размаха.

Ответ: первый звук громче, а второй выше.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что громкость определяется частотой. Частота действительно связана со звуком, поэтому эти свойства легко перепутать, но она определяет высоту, а громкость зависит прежде всего от амплитуды. Проверь себя: если частота не меняется, а размах колебаний увеличивается, звук становится громче, но не выше.

Ошибка: думать, что высокий звук обязательно громче низкого. Так можно решить, услышав тонкий писк, но высота и громкость описывают разные свойства. Проверь каждое отдельно: высоту сравнивай по частоте, громкость — по амплитуде.

Ошибка: принимать полный размах за амплитуду. Амплитуда измеряется от положения равновесия до одного крайнего положения, а размах — между двумя крайними положениями. Для симметричных колебаний размах в два раза больше амплитуды. На графике сначала найди среднюю линию, затем измерь расстояние от неё до вершины.

Ошибка: считать, что большее число колебаний на рисунке означает более громкий звук. Если графики показаны за одинаковое время, большее число колебаний указывает на большую частоту, а значит, звук выше. Для громкости нужно сравнить амплитуды. Перед выводом проверь, одинаковы ли временные промежутки на графиках.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в громкости и высоте, нужно знать колебательное движение и уметь находить амплитуду, период и частоту. Эти понятия описывают движение источника до того, как оно станет звуком для слушателя. Связь периода и частоты помогает понимать, почему более частые колебания дают более высокий звук. При чтении графика важно отличать расстояние по вертикали от промежутка времени.

Эта тема пригодится при изучении звуковых волн и работы музыкальных инструментов. Например, изменение длины или натяжения струны меняет её колебания и может изменить высоту звука. Знание амплитуды и частоты помогает разбираться в практических способах измерения характеристик звука. Те же идеи применяются, когда сравнивают звучание инструментов или регулируют громкость аудиосигнала.

Что запомнить

• Звук возникает благодаря колебаниям источника.
• Громкость звука зависит от амплитуды колебаний.
• Чем больше амплитуда, тем громче звук.
• Высота звука зависит от частоты колебаний.
• Чем больше частота, тем выше звук.
• Частота измеряется в герцах.
• Громкость и высота звука — разные характеристики.

На графике большая амплитуда соответствует более громкому звуку, а большее число колебаний за одинаковое время — более высокому.