Akár hanghullámok. Miért jelenik meg hanghullám? Mélységek hangzása

A hang olyan hanghullámok, amelyek a levegő, más gázok, valamint a folyékony és szilárd közeg apró részecskéinek rezgését okozzák. Hang csak ott keletkezhet, ahol van anyag, függetlenül attól, hogy milyen halmazállapotban van. Vákuumos körülmények között, ahol nincs közeg, a hang nem terjed, mert nincsenek olyan részecskék, amelyek a hanghullámok elosztójaként működnének. Például az űrben. A hang módosítható, megváltoztatható, más energiaformákká alakítható. Így a rádióhullámokká vagy elektromos energiává alakított hang távolságokra továbbítható és információs médián rögzíthető.

Hanghullám

A tárgyak, testek mozgása szinte mindig ingadozást okoz a környezetben. Nem számít, hogy víz vagy levegő. Ennek során a közeg részecskéi is rezegni kezdenek, amelyre a test rezgései átadódnak. Hanghullámok keletkeznek. Ezenkívül a mozgásokat előre és hátrafelé hajtják végre, fokozatosan helyettesítve egymást. Ezért a hanghullám longitudinális. Soha nincs benne oldalirányú mozgás fel és le.

A hanghullámok jellemzői

Mint minden fizikai jelenségnek, ezeknek is megvannak a maguk mennyiségei, amelyek segítségével a tulajdonságok leírhatók. A hanghullámok fő jellemzői a frekvenciája és az amplitúdója. Az első érték azt mutatja, hány hullám keletkezik másodpercenként. A második határozza meg a hullám erősségét. Az alacsony frekvenciájú hangok alacsony frekvenciájúak, és fordítva. A hang frekvenciáját Hertzben mérik, és ha meghaladja a 20 000 Hz-et, akkor ultrahang történik. Rengeteg példa van alacsony és magas frekvenciájú hangokra a természetben és a minket körülvevő világban. A csalogány csiripelése, a mennydörgés dübörgése, a hegyi folyó zúgása és mások mind különböző hangfrekvenciák. A hullám amplitúdója közvetlenül függ attól, hogy milyen hangos a hang. A hangerő pedig a hangforrástól való távolság növekedésével csökken. Ennek megfelelően minél távolabb van a hullám az epicentrumtól, annál kisebb az amplitúdója. Más szavakkal, a hanghullám amplitúdója a hangforrástól való távolsággal csökken.

Hangsebesség

A hanghullámnak ez a mutatója közvetlenül függ annak a közegnek a természetétől, amelyben terjed. Itt mind a páratartalom, mind a levegő hőmérséklete jelentős szerepet játszik. Átlagos időjárási körülmények között a hangsebesség körülbelül 340 méter másodpercenként. A fizikában létezik olyan, hogy szuperszonikus sebesség, ami mindig nagyobb, mint a hangsebesség. Ez az a sebesség, amellyel a hanghullámok terjednek, amikor egy repülőgép mozog. A repülőgép szuperszonikus sebességgel mozog, és még az általa keltett hanghullámokat is túlszárnyalja. A repülőgép mögött fokozatosan növekvő nyomás hatására hanglökéshullám képződik. Ennek a sebességnek a mértékegysége érdekes, és kevesen tudják. Machnak hívják. Mach 1 egyenlő a hangsebességgel. Ha egy hullám 2 Mach sebességgel halad, akkor kétszer olyan gyorsan halad, mint a hangsebesség.

Zajok

Az ember mindennapi életében állandó zaj van. A zajszintet decibelben mérik. Az autók mozgása, a szél, a lombsuhogás, az emberek hangjainak összefonódása és egyéb hangzajok mindennapi kísérőink. De az emberi halláselemző képes megszokni az ilyen zajokat. Vannak azonban olyan jelenségek is, amelyekkel még az emberi fül alkalmazkodóképessége sem tud megbirkózni. Például a 120 dB-t meghaladó zaj fájdalmat okozhat. A leghangosabb állat a kék bálna. Ha hangokat ad ki, több mint 800 kilométerre is hallható.

Visszhang

Hogyan jön létre a visszhang? Itt minden nagyon egyszerű. A hanghullám képes különböző felületekről visszaverődni: vízről, szikláról, falakról egy üres szobában. Ez a hullám visszatér hozzánk, így másodlagos hangot hallunk. Nem olyan tiszta, mint az eredeti, mert a hanghullám energiájának egy része az akadály felé haladva eloszlik.

Echolocation

A hangvisszaverődést különféle gyakorlati célokra használják. Például az echolocation. Azon alapul, hogy ultrahanghullámok segítségével meg lehet határozni azt a távolságot a tárgytól, amelyről ezek a hullámok visszaverődnek. A számításokat úgy végezzük, hogy mérjük azt az időt, amely alatt az ultrahang eljut egy adott helyre és visszatér. Sok állatnak megvan a képessége az echolokációra. Például a denevérek és a delfinek élelemkeresésre használják. Az echolocation újabb alkalmazást talált az orvostudományban. Az ultrahangos vizsgálatok során kép alakul ki az ember belső szerveiről. Ennek a módszernek az alapja, hogy az ultrahang a levegőtől eltérő közegbe jutva visszatér, így kép alakul ki.

Hanghullámok a zenében

Miért adnak ki bizonyos hangokat a hangszerek? Gitár pengetés, zongora pengetés, dobok és trombiták halk hangjai, a fuvola bájos vékony hangja. Mindezek és sok más hang a levegő rezgésének vagy más szóval hanghullámok megjelenésének köszönhetően keletkezik. De miért ilyen változatos a hangszerek hangzása? Kiderül, hogy ez több tényezőtől is függ. Az első a szerszám formája, a második az anyag, amelyből készült.

Nézzük meg ezt a vonós hangszerekkel példaként. A húrok megérintésekor hangforrássá válnak. Ennek eredményeként vibrálni kezdenek, és különböző hangokat küldenek a környezetbe. Bármely vonós hangszer halk hangja a húr nagyobb vastagságából és hosszából, valamint a feszültség gyengeségéből adódik. És fordítva, minél szorosabban van megfeszítve a húr, minél vékonyabb és rövidebb, annál magasabb a játék eredményeként kapott hang.

Mikrofon művelet

A hanghullámok energiájának elektromos energiává történő átalakításán alapul. Ebben az esetben az áramerősség és a hang jellege közvetlenül függ. Bármely mikrofon belsejében van egy vékony fémlemez. Hanghatásnak kitéve rezgőmozgásokat kezd végrehajtani. A spirál, amelyhez a lemez kapcsolódik, szintén vibrál, ami elektromos áramot eredményez. Miért jelenik meg? Ennek az az oka, hogy a mikrofonba beépített mágnesek is vannak. Amikor a spirál a pólusai között oszcillál, elektromos áram keletkezik, amely a spirál mentén, majd egy hangoszlopba (hangszóróba) vagy az információs adathordozóra (kazetta, lemez, számítógép) rögzítő berendezésbe jut. Egyébként a telefon mikrofonja is hasonló felépítésű. De hogyan működnek a mikrofonok vezetékes és mobiltelefonokon? A kezdeti fázis számukra ugyanaz - az emberi hang hangja továbbítja rezgéseit a mikrofonlemezre, majd minden a fent leírt forgatókönyv szerint zajlik: egy spirál, amely mozgáskor két pólust lezár, áram keletkezik. Mi a következő lépés? Vezetékes telefonnál többé-kevésbé minden tiszta - akárcsak a mikrofonban, a hang elektromos árammá alakítva fut végig a vezetékeken. De mi a helyzet a mobiltelefonnal vagy például a walkie-talkie-val? Ezekben az esetekben a hang rádióhullám-energiává alakul, és eléri a műholdat. Ez minden.

Rezonancia jelenség

Néha olyan körülmények jönnek létre, amikor a fizikai test rezgésének amplitúdója meredeken megnő. Ez a kényszerrezgések frekvenciájának és az objektum (test) rezgéseinek természetes frekvenciájának konvergenciája miatt következik be. A rezonancia lehet hasznos és káros is. Például ahhoz, hogy egy autót kihozzanak egy lyukból, beindítják és előre-hátra tolják, hogy rezonanciát keltsen és tehetetlenséget adjon az autónak. De előfordultak a rezonancia negatív következményei is. Például Szentpéterváron körülbelül száz éve egy híd omlott össze az egyhangúan menetelő katonák alatt.

Ez a lecke a „Hanghullámok” témával foglalkozik. Ebben a leckében folytatjuk az akusztika tanulmányozását. Először ismételjük meg a hanghullámok definícióját, majd vegyük figyelembe a frekvenciatartományukat, és ismerkedjünk meg az ultrahang- és infrahanghullámok fogalmával. Megbeszéljük továbbá a hanghullámok tulajdonságait a különböző médiában, és megtudjuk, milyen jellemzőik vannak. .

Hang hullámok - ezek mechanikai rezgések, amelyeket a hallószervvel szétterjedve és azzal kölcsönhatásba lépve érzékel az ember (1. ábra).

Rizs. 1. Hanghullám

A fizika azon ágát, amely ezekkel a hullámokkal foglalkozik, akusztikának nevezik. A népszerûen „hallgatónak” nevezett emberek szakmája az akusztikus. A hanghullám egy rugalmas közegben terjedő hullám, hosszanti hullám, és amikor rugalmas közegben terjed, kompresszió és kisülés váltakozik. Idővel, távolságon keresztül továbbítódik (2. ábra).

Rizs. 2. Hanghullám terjedése

A hanghullámok közé tartoznak a 20 és 20 000 Hz közötti frekvenciájú rezgések. Ezekhez a frekvenciákhoz a megfelelő hullámhossz 17 m (20 Hz esetén) és 17 mm (20 000 Hz esetén). Ezt a tartományt hallható hangnak nevezzük. Ezek a hullámhosszak olyan levegőre vonatkoznak, amelyben a hang sebessége egyenlő.

Vannak olyan tartományok is, amelyekkel az akusztikusok foglalkoznak - infrahangos és ultrahangos. Az infrahangosok azok, amelyek frekvenciája 20 Hz-nél kisebb. Az ultrahangosak pedig azok, amelyek frekvenciája nagyobb, mint 20 000 Hz (3. ábra).

Rizs. 3. Hanghullám-tartományok

Minden művelt embernek ismernie kell a hanghullámok frekvenciatartományát, és tudnia kell, hogy ha ultrahangra megy, akkor a kép a számítógép képernyőjén 20 000 Hz-nél nagyobb frekvenciával készül.

ultrahang – Ezek a hanghullámokhoz hasonló mechanikai hullámok, de 20 kHz és egy milliárd hertz közötti frekvenciájúak.

Az egymilliárd hertznél nagyobb frekvenciájú hullámokat nevezzük hiperhang.

Az ultrahangot az öntött alkatrészek hibáinak kimutatására használják. Rövid ultrahangjelek folyamát irányítják a vizsgált alkatrészre. Azokon a helyeken, ahol nincs hiba, a jelek áthaladnak az alkatrészen anélkül, hogy a vevő regisztrálná őket.

Ha repedés, légüreg vagy egyéb inhomogenitás van az alkatrészen, akkor az ultrahangos jel visszaverődik róla, és visszatérve a vevőbe kerül. Ezt a módszert hívják ultrahangos hibafelismerés.

Az ultrahangos alkalmazások további példái az ultrahanggépek, az ultrahanggépek, az ultrahangterápia.

infrahang - hanghullámokhoz hasonló, de 20 Hz-nél kisebb frekvenciájú mechanikai hullámok. Az emberi fül nem érzékeli őket.

Az infrahanghullámok természetes forrásai a viharok, cunamik, földrengések, hurrikánok, vulkánkitörések és zivatarok.

Az infrahang szintén fontos hullám, amelyet a felület rezgésére használnak (például néhány nagy tárgy megsemmisítésére). Infrahangot bocsátunk a talajba – és a talaj feltörik. Hol használják ezt? Például gyémántbányákban, ahol gyémántkomponenseket tartalmazó ércet vesznek fel, és apró részecskékre zúzzák, hogy megtalálják ezeket a gyémántzárványokat (4. ábra).

Rizs. 4. Infrahang alkalmazása

A hangsebesség a környezeti feltételektől és a hőmérséklettől függ (5. ábra).

Rizs. 5. A hanghullámok terjedési sebessége különböző közegekben

Kérjük, vegye figyelembe: levegőben a hang sebessége egyenlő -vel, és -nél a sebesség -val nő. Ha Ön kutató, akkor ez a tudás hasznos lehet az Ön számára. Még az is előfordulhat, hogy kitalál valami hőmérséklet-érzékelőt, amely a közegben lévő hangsebesség megváltoztatásával rögzíti a hőmérséklet-különbségeket. Azt már tudjuk, hogy minél sűrűbb a közeg, minél komolyabb a kölcsönhatás a közeg részecskéi között, annál gyorsabban terjed a hullám. Az utolsó bekezdésben ezt a száraz levegő és a nedves levegő példáján tárgyaltuk. Víz esetében a hang terjedési sebessége . Ha hanghullámot hoz létre (kopogás egy hangvillára), akkor annak terjedési sebessége a vízben négyszer nagyobb lesz, mint a levegőben. Vízzel az információ négyszer gyorsabban jut el, mint a levegőben. Acélban pedig még gyorsabb: (6. ábra).

Rizs. 6. Hanghullám terjedési sebessége

Tudja az eposzokból, hogy Ilja Muromets (és az összes hős és hétköznapi orosz ember és fiú a Gaidar RVS-ből) egy nagyon érdekes módszert alkalmazott egy közeledő, de még távol lévő tárgy észlelésére. A mozgás közben kiadott hang még nem hallható. Ilja Murometsz fülét a földre szorítva hallja. Miért? Mert szilárd talajon nagyobb sebességgel továbbítják a hangot, ami azt jelenti, hogy gyorsabban éri el Ilja Muromets fülét, és felkészülhet az ellenséggel való találkozásra.

A legérdekesebb hanghullámok a zenei hangok és zajok. Milyen tárgyak képesek hanghullámokat létrehozni? Ha veszünk egy hullámforrást és egy rugalmas közeget, ha a hangforrást harmonikusan rezegtetjük, akkor csodálatos hanghullámunk lesz, amit zenei hangnak nevezünk. A hanghullámok ilyen forrásai lehetnek például egy gitár vagy zongora húrjai. Ez lehet egy hanghullám, amely egy cső (orgona vagy cső) légrésében keletkezik. A zeneórákról ismeri a hangokat: do, re, mi, fa, sol, la, si. Az akusztikában ezeket hangoknak nevezik (7. ábra).

Rizs. 7. Zenei hangok

Minden olyan objektum, amely hangokat képes előállítani, rendelkezik funkciókkal. Miben különböznek? Hullámhosszban és frekvenciában különböznek egymástól. Ha ezeket a hanghullámokat nem harmonikusan hangzó testek hozzák létre, vagy nem kapcsolódnak valamilyen közös zenekari darabba, akkor az ilyen hangmennyiséget zajnak nevezzük.

Zaj– különböző fizikai természetű véletlenszerű oszcillációk, amelyeket időbeli és spektrális szerkezetük összetettsége jellemez. A zaj fogalma egyszerre háztartási és fizikai, nagyon hasonlóak, ezért külön fontos szempontként vezetjük be.

Térjünk át a hanghullámok mennyiségi becslésére. Melyek a zenei hanghullámok jellemzői? Ezek a jellemzők kizárólag a harmonikus hangrezgésekre vonatkoznak. Így, hangerő. Hogyan határozható meg a hangerő? Tekintsük egy hanghullám időbeni terjedését vagy a hanghullám forrásának rezgéseit (8. ábra).

Rizs. 8. Hangerő

Ugyanakkor, ha nem adtunk sok hangot a rendszerhez (például halkan ütünk egy zongorabillentyűt), akkor halk hang lesz. Ha hangosan a magasba emeljük a kezünket, akkor ezt a hangot a billentyű leütésével keltjük, erős hangot kapunk. Mitől függ ez? A halk hangnak kisebb a rezgési amplitúdója, mint a hangosnak.

A zenei hang és minden más hang következő fontos jellemzője magasság. Mitől függ a hangmagasság? A magasság a frekvenciától függ. A forrást gyakran oszcillálhatjuk, vagy nem túl gyorsan oszcillálhatjuk (azaz időegység alatt kevesebb oszcillációt hajthatunk végre). Tekintsük egy azonos amplitúdójú magas és alacsony hang idősöprését (9. ábra).

Rizs. 9. Hangmagasság

Érdekes következtetést lehet levonni. Ha valaki basszushangon énekel, akkor a hangforrása (a hangszálak) többszörösen lassabban rezeg, mint a szopránt éneklőké. A második esetben a hangszálak gyakrabban rezegnek, ezért gyakrabban okoznak kompressziós és kisülési zsebeket a hullám terjedésében.

A hanghullámoknak van egy másik érdekes tulajdonsága, amelyet a fizikusok nem tanulmányoznak. Ez hangszín. Ismeri és könnyen megkülönbözteti ugyanazt a zenét, amelyet balalajkán vagy csellón adnak elő. Miben különböznek ezek a hangok vagy ez az előadás? A kísérlet elején megkértük azokat az embereket, akik hangokat produkálnak, hogy körülbelül azonos amplitúdójúak legyenek, hogy a hang hangereje azonos legyen. Ez olyan, mint egy zenekarnál: ha nem kell kiemelni egyetlen hangszert sem, akkor mindenki megközelítőleg egyformán játszik, ugyanolyan erősséggel. A balalajka és a cselló hangszíne tehát más. Ha diagramok segítségével lerajzolnánk az egyik hangszer által keltett hangot a másikból, akkor ugyanazok lennének. De ezeket a hangszereket könnyen megkülönböztetheti a hangjukról.

Egy újabb példa a hangszín fontosságára. Képzeljünk el két énekest, akik ugyanazon a zenei egyetemen végeznek, ugyanazokkal a tanárokkal. Egyformán jól tanultak, egyenes A-val. Az egyikből valamiért kiemelkedő előadó lesz, míg a másik egész életében elégedetlen a karrierjével. Valójában ezt kizárólag a hangszerük határozza meg, ami hangrezgéseket okoz a környezetben, vagyis hangszínükben különbözik a hangjuk.

Bibliográfia

1. Sokolovics Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: referenciakönyv problémamegoldási példákkal. - 2. kiadás újrapartició. - X.: Vesta: "Ranok" kiadó, 2005. - 464 p.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M., Fizika. 9. évfolyam: általános műveltségi tankönyv. intézmények/A.V. Peryskin, E.M. Gutnik. - 14. kiadás, sztereotípia. - M.: Túzok, 2009. - 300 p.

1. „eduspb.com” internetes portál ()
2. „msk.edu.ua” internetes portál ()
3. „class-fizika.narod.ru” internetes portál ()

Házi feladat

1. Hogyan terjed a hang? Mi lehet a hang forrása?
2. A hang átjuthat az űrben?
3. Érzékel minden hullámot, amely eléri az ember hallószervét?

2016. február 18

Az otthoni szórakoztatás világa meglehetősen változatos, és a következőket foglalhatja magában: filmnézés egy jó házimozi rendszeren; izgalmas és izgalmas játékmenet vagy zenehallgatás. Általában mindenki talál valamit ezen a területen, vagy mindent egyszerre kombinál. De bármilyen célja is legyen az embernek a szabadidejének megszervezésével, és bármilyen szélsőségbe megy is, ezeket a kapcsolatokat szorosan összekapcsolja egyetlen egyszerű és érthető szó - „hang”. Valóban, a fenti esetekben a hangok kézen fogva vezetnek bennünket. De ez a kérdés nem olyan egyszerű és triviális, különösen azokban az esetekben, amikor kiváló minőségű hangot kívánnak elérni egy szobában vagy bármilyen más körülmények között. Ehhez nem kell mindig drága hifi vagy hi-end komponenseket vásárolni (bár nagyon hasznos lesz), hanem elég egy jó fizikai elmélet ismeret, amivel a legtöbb felmerülő probléma kiküszöbölhető bárkinél aki arra törekszik, hogy kiváló minőségű hangszínészetet szerezzen.

Ezután a hang- és akusztikaelméletet fogjuk megvizsgálni a fizika szemszögéből. Ebben az esetben igyekszem ezt a lehető legelérhetőbbé tenni minden olyan ember számára, aki talán távol áll a fizikai törvények vagy képletek ismeretétől, de mégis szenvedélyesen álmodik egy tökéletes akusztikai rendszer létrehozásának álmának megvalósításáról. Nem feltételezem azt, hogy ahhoz, hogy otthon (vagy például autóban) jó eredményeket érjen el ezen a területen, alaposan ismernie kell ezeket az elméleteket, de az alapok megértése lehetővé teszi, hogy elkerülje a sok hülye és abszurd hibát. , és lehetővé teszi a maximális hanghatás elérését a rendszerből bármilyen szinten.

Általános hangelmélet és zenei terminológia

Mi az hang? Ez az az érzés, amelyet a hallószerv érzékel "fül"(maga a jelenség a „fül” részvétele nélkül is létezik, de ez könnyebben érthető), ami akkor következik be, amikor a dobhártyát hanghullám gerjeszti. A fül ebben az esetben a különböző frekvenciájú hanghullámok „vevőjeként” működik.
Hanghullám ez lényegében a közeg (leggyakrabban a levegő közeg normál körülmények között) különböző frekvenciájú tömörítéseinek és kiürítéseinek egymást követő sorozata. A hanghullámok természete oszcilláló, bármely test rezgése okozza és hozza létre. A klasszikus hanghullámok megjelenése és terjedése három rugalmas közegben lehetséges: gáznemű, folyékony és szilárd halmazállapotú. Ha hanghullám lép fel az ilyen típusú térben, akkor bizonyos változások elkerülhetetlenül bekövetkeznek magában a közegben is, például megváltozik a levegő sűrűsége vagy nyomása, a légtömeg-részecskék mozgása stb.

Mivel a hanghullám oszcilláló jellegű, van egy olyan jellemzője, mint a frekvencia. Frekvencia hertzben mérve (Heinrich Rudolf Hertz német fizikus tiszteletére), és az egy másodpercnek megfelelő időtartam alatti rezgések számát jelöli. Azok. például a 20 Hz-es frekvencia egy másodperc alatt 20 rezgésből álló ciklust jelez. A magasságának szubjektív fogalma a hang frekvenciájától is függ. Minél több hangrezgés következik be másodpercenként, annál „magasabbnak” tűnik a hang. A hanghullámnak van egy másik fontos jellemzője is, amelynek neve - hullámhossz. Hullámhossz Szokás figyelembe venni azt a távolságot, amelyet egy bizonyos frekvenciájú hang megtesz egy másodpercnek megfelelő időtartam alatt. Például az emberi hallható tartomány legalacsonyabb hangjának hullámhossza 20 Hz-en 16,5 méter, a legmagasabb hang hullámhossza 20 000 Hz-en 1,7 centiméter.

Az emberi fül úgy van kialakítva, hogy csak korlátozott tartományban, körülbelül 20 Hz - 20 000 Hz hullámokat képes érzékelni (egy adott személy jellemzőitől függően van, aki kicsit többet, van, aki kevesebbet hall) . Ez tehát nem jelenti azt, hogy ne léteznének ezen frekvenciák alatti vagy feletti hangok, egyszerűen nem érzékeli őket az emberi fül, túllépve a hallható tartományon. A hallható tartomány feletti hangot ún ultrahang, a hallható tartomány alatti hangot hívják infrahang. Egyes állatok képesek érzékelni az ultra- és infrahangokat, vannak, akik ezt a tartományt az űrben való tájékozódásra is használják (denevérek, delfinek). Ha a hang olyan közegen halad át, amely nem érintkezik közvetlenül az emberi hallószervvel, akkor előfordulhat, hogy az ilyen hang nem hallható, vagy később jelentősen gyengülhet.

A hang zenei terminológiájában olyan fontos megnevezések vannak, mint az oktáv, a hang és a hang felhangja. Oktáv olyan intervallumot jelent, amelyben a hangok közötti frekvenciaarány 1:2. Az oktáv általában nagyon jól megkülönböztethető füllel, míg az ezen az intervallumon belüli hangok nagyon hasonlóak lehetnek egymáshoz. Oktávnak nevezhetjük azt a hangot is, amely kétszer annyit rezeg, mint egy másik hang ugyanazon idő alatt. Például a 800 Hz-es frekvencia nem más, mint egy magasabb, 400 Hz-es oktáv, a 400 Hz-es pedig a következő hangoktáv 200 Hz-es frekvenciával. Az oktáv pedig hangokból és felhangokból áll. Az azonos frekvenciájú harmonikus hanghullám változó rezgéseit az emberi fül érzékeli, mint zenei hangnem. A magas frekvenciájú rezgések magas hangokként, míg az alacsony frekvenciájú rezgések mély hangokként értelmezhetők. Az emberi fül képes egyértelműen megkülönböztetni a hangokat egy hangkülönbséggel (4000 Hz-ig). Ennek ellenére a zene rendkívül kevés hangot használ. Ezt a harmonikus összhang elvének megfontolásai magyarázzák, minden az oktáv elvén alapul.

Tekintsük a zenei hangok elméletét egy bizonyos módon megfeszített húr példáján. Egy ilyen húr, a feszítőerőtől függően, egy adott frekvenciára lesz „hangolva”. Amikor ezt a húrt egy meghatározott erővel érik valami, ami rezgésbe hoz, egy adott hangtónus következetesen megfigyelhető, és a kívánt hangolási frekvenciát halljuk. Ezt a hangot alaphangnak nevezik. Az első oktáv „A” hangjának frekvenciája hivatalosan elfogadott alaphangként a zenei térben, ami 440 Hz. A legtöbb hangszer azonban soha nem reprodukálja önmagában a tiszta alaphangokat, óhatatlanul kísérik az ún. felhangok. Itt illik felidézni a zenei akusztika egy fontos meghatározását, a hangszín fogalmát. Hangszín- ez a zenei hangok sajátossága, amely megadja a hangszerek és a hangok egyedi, felismerhető hangspecifikusságát, még akkor is, ha azonos hangmagasságú és hangerős hangokat hasonlít össze. Az egyes hangszerek hangszíne a hangenergia felhangok közötti eloszlásától függ a hang megjelenésének pillanatában.

A felhangok az alaphang sajátos színezetét alkotják, amellyel könnyen azonosíthatunk és felismerhetünk egy adott hangszert, valamint egyértelműen megkülönböztethetjük hangját egy másik hangszertől. Kétféle felhang létezik: harmonikus és nem harmonikus. Harmonikus felhangok definíció szerint az alapfrekvencia többszörösei. Ellenkezőleg, ha a felhangok nem többszörösek, és észrevehetően eltérnek az értékektől, akkor ezeket hívják nem harmonikus. A zenében a több felhanggal való operáció gyakorlatilag kizárt, ezért a kifejezés a „felhang” fogalmára redukálódik, vagyis a harmonikus. Egyes hangszereknél, például a zongoránál, az alaphangnak még nincs ideje kialakulni, rövid időn belül a felhangok hangenergiája megnő, majd ugyanilyen gyorsan csökken. Sok hangszer létrehozza az úgynevezett "átmeneti hang" effektust, ahol bizonyos felhangok energiája egy adott időpontban a legmagasabb, általában a legelején, de aztán hirtelen megváltozik, és más felhangokra lép át. Az egyes hangszerek frekvenciatartománya külön-külön is figyelembe vehető, és általában azokra az alapfrekvenciákra korlátozódik, amelyeket az adott hangszer képes előállítani.

A hangelméletben létezik egy olyan fogalom is, mint a ZAJ. Zaj- ez minden olyan hang, amelyet egymással ellentétes források kombinációja hoz létre. Mindenki ismeri a szél lengedező faleveleinek hangját stb.

Mi határozza meg a hangerőt? Nyilvánvaló, hogy egy ilyen jelenség közvetlenül függ a hanghullám által átadott energia mennyiségétől. A hangerő mennyiségi mutatóinak meghatározásához létezik egy fogalom - a hangintenzitás. Hangintenzitásúgy definiálható, mint az időegység alatt (például másodpercenként) áthaladó energia áramlása a tér bizonyos területén (például cm2). Normál beszélgetés közben az intenzitás körülbelül 9 vagy 10 W/cm2. Az emberi fül meglehetősen széles érzékenységi tartományban képes érzékelni a hangokat, míg a frekvenciák érzékenysége heterogén a hangspektrumon belül. Így a legjobban az 1000 Hz - 4000 Hz frekvenciatartomány érzékelhető, amely a legszélesebb körben lefedi az emberi beszédet.

Mivel a hangok nagyon eltérő intenzitásúak, kényelmesebb logaritmikus mennyiségnek tekinteni, és decibelben mérni (a skót tudós, Alexander Graham Bell nyomán). Az emberi fül hallásérzékenységének alsó küszöbe 0 dB, a felső 120 dB, amit „fájdalomküszöbnek” is neveznek. Az érzékenység felső határát az emberi fül is nem ugyanúgy érzékeli, hanem az adott frekvenciától függ. Az alacsony frekvenciájú hangoknak sokkal nagyobb intenzitásúaknak kell lenniük, mint a magas frekvenciáknak, hogy kiváltsák a fájdalomküszöböt. Például a fájdalomküszöb alacsony, 31,5 Hz-es frekvencián 135 dB hangintenzitásnál jelentkezik, amikor 2000 Hz-es frekvencián a fájdalomérzet 112 dB-en jelenik meg. Létezik a hangnyomás fogalma is, amely tulajdonképpen kiterjeszti a hanghullám levegőben való terjedésének szokásos magyarázatát. Hangnyomás- ez egy változó túlnyomás, amely egy rugalmas közegben hanghullám áthaladása következtében keletkezik.

A hang hullám jellege

A hanghullámgenerálás rendszerének jobb megértéséhez képzeljünk el egy klasszikus hangszórót, amely levegővel töltött csőben található. Ha a hangszóró éles mozdulatot tesz előre, a diffúzor közvetlen közelében lévő levegő pillanatnyilag összenyomódik. A levegő ekkor kitágul, ezáltal a sűrített levegőt a cső mentén nyomja.
Ez a hullámmozgás később hangossá válik, amikor eléri a hallószervet és „izgatja” a dobhártyát. Amikor hanghullám lép fel egy gázban, túlnyomás és túlzott sűrűség keletkezik, és a részecskék állandó sebességgel mozognak. A hanghullámokkal kapcsolatban fontos megjegyezni, hogy az anyag nem mozog együtt a hanghullámmal, csak a légtömegek átmeneti zavarása következik be.

Ha elképzelünk egy rugóra szabad térben felfüggesztett dugattyút, amely ismétlődő mozgásokat végez „oda-vissza”, akkor az ilyen rezgéseket harmonikusnak vagy szinuszosnak nevezzük (ha a hullámot grafikonként képzeljük el, akkor ebben az esetben tiszta szinuszos ismétlődő csökkenéssel és emelkedéssel). Ha elképzelünk egy hangszórót egy csőben (mint a fentebb leírt példában), amely harmonikus rezgéseket hajt végre, akkor abban a pillanatban, amikor a hangszóró „előre” mozog, a légsűrítés jól ismert hatása jön létre, és amikor a hangszóró „hátra” mozog a ritkaság ellentétes hatása lép fel. Ebben az esetben váltakozó összenyomás és ritkulás hulláma terjed a csövön keresztül. A cső mentén a szomszédos maximumok vagy minimumok (fázisok) közötti távolságot hívják meg hullámhossz. Ha a részecskék a hullám terjedési irányával párhuzamosan oszcillálnak, akkor a hullámot ún hosszirányú. Ha a terjedési irányra merőlegesen oszcillálnak, akkor a hullámot ún átlós. A hanghullámok gázokban és folyadékokban jellemzően hosszirányúak, de szilárd testekben mindkét típusú hullám előfordulhat. A keresztirányú hullámok szilárd testekben az alakváltozással szembeni ellenállás miatt keletkeznek. A fő különbség e két hullámtípus között az, hogy a transzverzális hullámnak van polarizációs tulajdonsága (rezgések egy bizonyos síkban lépnek fel), míg a longitudinális hullámnak nincs.

Hangsebesség

A hang sebessége közvetlenül függ annak a közegnek a jellemzőitől, amelyben terjed. Ezt a közeg két tulajdonsága határozza meg (függő): az anyag rugalmassága és sűrűsége. A szilárd anyagok hangsebessége közvetlenül függ az anyag típusától és tulajdonságaitól. A gáznemű közegben a sebesség csak a közeg deformációjának egy típusától függ: a kompressziós-ritkulástól. A hanghullám nyomásváltozása a környező részecskékkel történő hőcsere nélkül történik, és ezt adiabatikusnak nevezik.
A hangsebesség egy gázban főként a hőmérséklettől függ – a hőmérséklet emelkedésével növekszik, csökkenésével pedig csökken. Ezenkívül a hangsebesség gáznemű közegben a gázmolekulák méretétől és tömegétől függ - minél kisebb a részecskék tömege és mérete, annál nagyobb a hullám „vezetőképessége”, és ennek megfelelően annál nagyobb a sebesség.

Folyékony és szilárd közegben a hang terjedési elve és sebessége hasonló ahhoz, ahogy a hullám terjed a levegőben: kompressziós-kisüléssel. De ezekben a környezetekben a hőmérséklettől való azonos függés mellett a közeg sűrűsége és összetétele/szerkezete is igen fontos. Minél kisebb az anyag sűrűsége, annál nagyobb a hangsebesség és fordítva. A közeg összetételétől való függés összetettebb, és minden egyes esetben meghatározható, figyelembe véve a molekulák/atomok elhelyezkedését és kölcsönhatását.

Hangsebesség levegőben t, °C 20 hőmérsékleten: 343 m/s
Hangsebesség desztillált vízben t, °C 20-on: 1481 m/s
Hangsebesség acélban t-nél, °C 20: 5000 m/s

Állóhullámok és interferencia

Amikor egy hangszóró hanghullámokat hoz létre egy zárt térben, elkerülhetetlenül fellép a határokról visszaverődő hullámok hatása. Ennek eredményeként ez a leggyakrabban előfordul interferencia hatás- ha két vagy több hanghullám átfedi egymást. Az interferencia jelenségek speciális esetei a következők: 1) verőhullámok vagy 2) állóhullámok. Hullám ver- ez az eset, amikor hasonló frekvenciájú és amplitúdójú hullámok összeadása történik. Az ütemek előfordulásának képe: amikor két hasonló frekvenciájú hullám átfedi egymást. Egy adott időpontban ilyen átfedéssel az amplitúdócsúcsok „fázisban” eshetnek egybe, és a csökkenések „antifázisban” is egybeeshetnek. Így jellemzik a hangütéseket. Fontos megjegyezni, hogy az állóhullámokkal ellentétben a csúcsok fázisegybeesése nem állandóan, hanem bizonyos időközönként jelentkezik. A fül számára ez az ütemminta meglehetősen világosan megkülönböztethető, és a hangerő periodikus növekedéseként, illetve csökkenéseként hallható. Ennek a hatásnak a mechanizmusa rendkívül egyszerű: amikor a csúcsok egybeesnek, a térfogat nő, és amikor a völgyek egybeesnek, a térfogat csökken.

Álló hullámok két azonos amplitúdójú, fázisú és frekvenciájú hullám szuperpozíciója esetén merülnek fel, amikor az ilyen hullámok „találkozása” során az egyik előre, a másik az ellenkező irányba mozog. A tér területén (ahol az állóhullám kialakult) két frekvenciaamplitúdó szuperpozíciójának képe jelenik meg, váltakozó maximumokkal (ún. antinódusok) és minimumokkal (ún. csomópontok). Amikor ez a jelenség előfordul, rendkívül fontos a hullám frekvenciája, fázisa és csillapítási együtthatója a visszaverődés helyén. Ellentétben a haladó hullámokkal, az állóhullámban nincs energiaátvitel, mivel a hullámot alkotó előre és hátrafelé irányuló hullámok egyenlő mennyiségben adják át az energiát előre és ellentétes irányban. Az állóhullám előfordulásának világos megértéséhez képzeljünk el egy példát az otthoni akusztikából. Tegyük fel, hogy néhány korlátozott helyen (helyiségben) vannak padlón álló hangszórórendszereink. Ha sok basszussal játszanak valamit, próbáljuk meg megváltoztatni a hallgató helyét a szobában. Így az a hallgató, aki egy állóhullám minimális (kivonási) zónájában találja magát, azt a hatást fogja érezni, hogy nagyon kevés a basszus, és ha a hallgató a frekvenciák maximumának (összeadásának) zónájában találja magát, akkor az ellenkezője. a basszus régió jelentős növekedésének hatása érhető el. Ebben az esetben a hatás az alapfrekvencia minden oktávjában megfigyelhető. Például, ha az alapfrekvencia 440 Hz, akkor az „összeadás” vagy „kivonás” jelensége a 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz stb. frekvenciákon is megfigyelhető.

Rezonancia jelenség

A legtöbb szilárd testnek természetes rezonanciafrekvenciája van. Ezt a hatást meglehetősen könnyű megérteni egy közönséges cső példáján, amely csak az egyik végén van nyitva. Képzeljünk el egy olyan helyzetet, amikor a cső másik végére egy hangszóró csatlakozik, amely egy állandó frekvenciát tud lejátszani, amely később szintén változtatható. Tehát a csőnek saját rezonanciafrekvenciája van, leegyszerűsítve - ez az a frekvencia, amelyen a cső „rezonál”, vagy saját hangot ad ki. Ha a hangszóró frekvenciája (a beállítás eredményeként) egybeesik a cső rezonanciafrekvenciájával, akkor a hangerő többszöri növelésének hatása következik be. Ez azért történik, mert a hangszóró jelentős amplitúdóval gerjeszti a csőben lévő levegőoszlop rezgéseit, amíg meg nem találjuk ugyanazt a „rezonanciafrekvenciát”, és létrejön az addíciós hatás. Az így létrejövő jelenség a következőképpen írható le: ebben a példában a cső egy meghatározott frekvencián rezonálva „segíti” a hangszórót, erőfeszítéseik összeadódnak és hallható hangos hatást „eredményeznek”. A hangszerek példáján jól látható ez a jelenség, hiszen a legtöbb hangszer kialakítása tartalmaz rezonátornak nevezett elemeket. Nem nehéz kitalálni, mi szolgálja egy bizonyos frekvencia vagy zenei hang fokozásának célját. Például: egy gitártest rezonátorral, amely lyuk formájában illeszkedik a hangerővel; A fuvolacső (és általában az összes cső) kialakítása; A dobtest hengeres alakja, amely maga is egy bizonyos frekvenciájú rezonátor.

A hang frekvenciaspektruma és a frekvenciaválasz

Mivel a gyakorlatban gyakorlatilag nincsenek azonos frekvenciájú hullámok, szükségessé válik a hallható tartomány teljes hangspektrumának felhangokra vagy harmonikusokra bontása. Erre a célra léteznek grafikonok, amelyek a hangrezgések relatív energiájának frekvenciától való függését mutatják. Ezt a grafikont hangfrekvencia-spektrumgráfnak nevezzük. A hang frekvenciaspektruma Két típusa van: diszkrét és folyamatos. A diszkrét spektrum diagram az egyes frekvenciákat üres helyekkel elválasztva jeleníti meg. A folyamatos spektrum az összes hangfrekvenciát egyszerre tartalmazza.
Zene vagy akusztika esetében leggyakrabban a szokásos grafikont használják Amplitúdó-frekvencia jellemzők(rövidítve "AFC"). Ez a grafikon a hangrezgések amplitúdójának frekvenciától való függését mutatja a teljes frekvenciaspektrumban (20 Hz - 20 kHz). Egy ilyen grafikonon könnyen megérthető például egy adott hangszóró vagy akusztikai rendszer erősségei vagy gyengeségei, az energiakibocsátás legerősebb területei, a frekvencia süllyedése és emelkedése, a csillapítás, valamint nyomon követhető a meredekség. a hanyatlásról.

Hanghullámok terjedése, fázis és antifázis

A hanghullámok terjedésének folyamata a forrástól minden irányban megtörténik. A jelenség megértésére a legegyszerűbb példa egy vízbe dobott kavics.
Attól a helytől, ahol a kő leesett, hullámok kezdenek terjedni a víz felszínén minden irányba. Képzeljünk el azonban egy olyan helyzetet, amikor egy hangszórót használunk egy bizonyos hangerőben, mondjuk egy zárt dobozban, ami egy erősítőhöz van kötve, és valamilyen zenei jelet játszik le. Könnyen észrevehető (különösen, ha erős alacsony frekvenciájú jelet alkalmaz, például basszusdob), hogy a hangszóró gyors mozgást végez „előre”, majd ugyanazt a gyors mozgást „hátra”. Amit még meg kell érteni, hogy amikor a hangszóró előremozdul, hanghullámot bocsát ki, amelyet később hallunk. De mi történik, ha a hangszóró hátrafelé mozog? És paradox módon ugyanaz történik, a hangszóró ugyanazt a hangot ad ki, csak példánkban teljes mértékben a doboz hangerején belül terjed, anélkül, hogy túllépné annak határait (a doboz zárva van). Általánosságban elmondható, hogy a fenti példában elég sok érdekes fizikai jelenséget lehet megfigyelni, amelyek közül a legjelentősebb a fázis fogalma.

A hanghullám, amelyet a hangszóró a hangerőben lévén a hallgató irányába bocsát ki, „fázisban van”. A fordított hullám, amely a doboz térfogatába megy, ennek megfelelően antifázisú lesz. Már csak meg kell érteni, mit jelentenek ezek a fogalmak? Jelfázis– ez a hangnyomásszint az aktuális pillanatban a tér valamely pontjában. A fázis megértésének legegyszerűbb módja a zenei anyagok hagyományos, padlón álló sztereó otthoni hangsugárzó-párral történő reprodukálásának példája. Képzeljük el, hogy két ilyen padlón álló hangszórót telepítenek egy bizonyos helyiségbe, és játszanak. Ebben az esetben mindkét akusztikus rendszer változó hangnyomású szinkron jelet reprodukál, és az egyik hangszóró hangnyomása hozzáadódik a másik hangszóró hangnyomásához. Hasonló hatás lép fel a bal és a jobb oldali hangszórók jelvisszaadásának szinkronja miatt, vagyis a bal és a jobb hangszóró által kibocsátott hullámok csúcsai és mélységei egybeesnek.

Most képzeljük el, hogy a hangnyomások továbbra is ugyanúgy változnak (nem változtak), de csak most ellentétesek egymással. Ez akkor fordulhat elő, ha a kettő közül egyet fordított polaritással csatlakoztat ("+" kábel az erősítőtől a hangsugárzórendszer "-" csatlakozójához, és "-" kábel az erősítőtől a "+" csatlakozóhoz hangszórórendszer). Ebben az esetben az ellentétes jel nyomáskülönbséget okoz, amelyet a következőképpen ábrázolhatunk számokkal: a bal hangszóró „1 Pa”, a jobb oldali pedig „mínusz 1 Pa” nyomást hoz létre. Ennek eredményeként a hallgató tartózkodási helyén a teljes hangerő nulla lesz. Ezt a jelenséget antifázisnak nevezik. Ha a példát részletesebben megnézzük a megértés kedvéért, akkor kiderül, hogy két „fázisban” játszó hangszóró azonos légtömörítési és ritkulási területet hoz létre, ezzel ténylegesen segítve egymást. Idealizált antifázis esetén az egyik hangszóró által létrehozott sűrített légteret a második hangszóró által létrehozott ritka légterű terület kíséri. Ez körülbelül úgy néz ki, mint a hullámok kölcsönös szinkron kioltásának jelensége. Igaz, a gyakorlatban a hangerő nem csökken nullára, és erősen torz és gyengített hangot fogunk hallani.

A jelenség leírásának legelérhetőbb módja a következő: két jel azonos rezgésekkel (frekvenciájú), de időben eltolva. Ennek fényében kényelmesebb elképzelni ezeket az elmozdulási jelenségeket egy közönséges kerek óra példáján. Képzeljük el, hogy több egyforma kerek óra lóg a falon. Amikor az óra másodpercmutatói szinkronban futnak, az egyik órán 30 másodpercet, a másikon 30 másodpercet, akkor ez egy példa egy fázisban lévő jelre. Ha a másodpercmutatók eltolással mozognak, de a sebesség továbbra is ugyanaz, például az egyik órán 30 másodperc, a másikon 24 másodperc, akkor ez a fáziseltolás klasszikus példája. Ugyanígy a fázist fokokban mérjük, egy virtuális körön belül. Ebben az esetben, ha a jeleket egymáshoz képest 180 fokkal eltoljuk (fél periódus), akkor klasszikus antifázis jön létre. A gyakorlatban gyakran előfordulnak kisebb fáziseltolódások, amelyek fokokban is meghatározhatók és sikeresen kiküszöbölhetők.

A hullámok sík és gömb alakúak. A sík hullámfront csak egy irányba terjed, és a gyakorlatban ritkán találkozunk vele. A gömb alakú hullámfront egy egyszerű hullámtípus, amely egyetlen pontból származik, és minden irányban halad. A hanghullámoknak van tulajdonságuk diffrakció, azaz akadályok és tárgyak megkerülésének képessége. A hajlítás mértéke a hanghullámhossz és az akadály vagy lyuk méretének arányától függ. Diffrakció akkor is előfordul, ha valamilyen akadály van a hang útjában. Ebben az esetben két forgatókönyv lehetséges: 1) Ha az akadály mérete jóval nagyobb, mint a hullámhossz, akkor a hang visszaverődik vagy elnyelődik (az anyag elnyelési fokától, az akadály vastagságától stb. függően). ), és az akadály mögött „akusztikus árnyék” zóna képződik. 2) Ha az akadály mérete összemérhető a hullámhosszal, vagy még kisebb is annál, akkor a hang valamennyi irányban eldiffrakodik. Ha egy hanghullám, miközben az egyik közegben mozog, egy másik közeggel (például levegő közeggel szilárd közeggel) ütközik, akkor három forgatókönyv fordulhat elő: 1) a hullám visszaverődik a határfelületről 2) a hullám irányváltoztatás nélkül átjuthat egy másik közegbe 3) egy hullám a határon irányváltoztatással átjuthat egy másik közegbe, ezt nevezzük „hullámtörésnek”.

A hanghullám túlnyomásának és az oszcillációs térfogati sebességnek az arányát hullámellenállásnak nevezzük. Egyszerű szavakkal, a közeg hullámimpedanciája nevezhetjük a hanghullámok elnyelésének vagy „ellenállásának” képességének. A reflexiós és átviteli együtthatók közvetlenül függenek a két közeg hullámimpedanciáinak arányától. A hullámellenállás gáznemű közegben sokkal kisebb, mint vízben vagy szilárd anyagokban. Ezért ha egy hanghullám a levegőben szilárd tárgyba vagy mélyvíz felszínébe ütközik, a hang vagy visszaverődik a felszínről, vagy nagymértékben elnyelődik. Ez annak a felületnek a vastagságától függ (víz vagy szilárd anyag), amelyre a kívánt hanghullám esik. Ha egy szilárd vagy folyékony közeg vastagsága alacsony, a hanghullámok szinte teljesen „áthaladnak”, és fordítva, ha a közeg vastagsága nagy, a hullámok gyakrabban verődnek vissza. A hanghullámok visszaverődése esetén ez a folyamat egy jól ismert fizikai törvény szerint megy végbe: "A beesési szög egyenlő a visszaverődés szögével." Ebben az esetben, amikor egy kisebb sűrűségű közegből származó hullám eléri a nagyobb sűrűségű közeg határát, akkor a jelenség bekövetkezik. fénytörés. Ez a hanghullám meghajlításából (töréséből) áll, miután „találkozott” egy akadállyal, és szükségszerűen a sebesség változásával jár. A fénytörés a közeg hőmérsékletétől is függ, amelyben a visszaverődés megtörténik.

A hanghullámok térben való terjedésének folyamatában intenzitásuk elkerülhetetlenül csökken, azt mondhatjuk, hogy a hullámok gyengülnek, a hang gyengül. A gyakorlatban egy hasonló hatást nagyon egyszerű találni: például ha két ember egy mezőn áll valami közeli távolságban (egy méter vagy közelebb), és elkezdenek mondani valamit egymásnak. Ha utólag növeli az emberek közötti távolságot (ha elkezdenek távolodni egymástól), akkor az azonos szintű beszélgetési hangerő egyre kevésbé lesz hallható. Ez a példa egyértelműen bemutatja a hanghullámok intenzitásának csökkenésének jelenségét. Miért történik ez? Ennek oka a különböző hőcsere-folyamatok, a molekuláris kölcsönhatás és a hanghullámok belső súrlódása. A gyakorlatban leggyakrabban a hangenergiát hőenergiává alakítják. Az ilyen folyamatok elkerülhetetlenül fellépnek a 3 hangterjedési közeg bármelyikében, és így jellemezhetők hanghullámok elnyelése.

A hanghullámok intenzitása és abszorpció mértéke számos tényezőtől függ, például a közeg nyomásától és hőmérsékletétől. Az abszorpció az adott hangfrekvenciától is függ. Amikor a hanghullám folyadékokon vagy gázokon keresztül terjed, a különböző részecskék között súrlódási hatás lép fel, amit viszkozitásnak nevezünk. Ennek a molekuláris szintű súrlódásnak köszönhetően a hullám hangból hővé alakul át. Más szóval, minél nagyobb a közeg hővezető képessége, annál kisebb a hullámelnyelés mértéke. A hangelnyelés gáznemű közegben a nyomástól is függ (a légköri nyomás a tengerszinthez viszonyított magasság növekedésével változik). Ami az abszorpció mértékének a hangfrekvenciától való függését illeti, figyelembe véve a viszkozitás és a hővezetőképesség fent említett függését, minél nagyobb a hangfrekvencia, annál nagyobb a hangelnyelés. Például normál hőmérsékleten és levegőnyomáson egy 5000 Hz frekvenciájú hullám abszorpciója 3 dB/km, az 50 000 Hz frekvenciájú hullám abszorpciója pedig 300 dB/m.

Szilárd közegben az összes fenti függőség (hővezetőképesség és viszkozitás) megmarad, de ehhez még több feltétel is hozzáadódik. Ezek a szilárd anyagok molekulaszerkezetéhez kapcsolódnak, amelyek eltérőek lehetnek, saját inhomogenitásokkal. Ettől a belső szilárd molekulaszerkezettől függően a hanghullámok abszorpciója ebben az esetben eltérő lehet, és az adott anyag típusától függ. Amikor a hang áthalad egy szilárd testen, a hullám számos átalakuláson és torzuláson megy keresztül, ami leggyakrabban a hangenergia szétszóródásához és elnyeléséhez vezet. Molekuláris szinten diszlokációs hatás léphet fel, amikor egy hanghullám atomi síkok elmozdulását idézi elő, amelyek aztán visszatérnek eredeti helyzetükbe. Vagy a diszlokációk mozgása a rájuk merőleges diszlokációkkal vagy a kristályszerkezet hibáival való ütközéshez vezet, ami gátlásukat és ennek következtében a hanghullám némi elnyelését okozza. Azonban a hanghullám is rezonálhat ezekkel a hibákkal, ami az eredeti hullám torzulásához vezet. A hanghullám energiája az anyag molekulaszerkezetének elemeivel való kölcsönhatás pillanatában a belső súrlódási folyamatok következtében disszipálódik.

Ebben a cikkben megpróbálom elemezni az emberi hallási észlelés jellemzőit, valamint a hangterjedés néhány finomságát és jellemzőjét.

Mennydörgés, zene, szörfözés, emberi beszéd és minden más, amit hallunk, hang. Mi az a "hang"?

A kép forrása: pixabay.com

Valójában minden, amit hangnak szoktunk tekinteni, csak az egyik olyan rezgéstípus (levegő), amelyet agyunk és szerveink képesek érzékelni.

Mi a hang természete

Minden, a levegőben terjedő hang egy hanghullám rezgése. Egy tárgy rezgésén keresztül keletkezik, és minden irányban eltér a forrásától. A vibráló tárgy összenyomja a környezetben lévő molekulákat, majd megritkult atmoszférát hoz létre, aminek hatására a molekulák egyre jobban taszítják egymást. Így a légnyomás változása elterjed a tárgyról, maguk a molekulák változatlan helyzetben maradnak maguknak.

A hanghullámok hatása a dobhártyára. A kép forrása: prd.go.th

Ahogy a hanghullám áthalad a térben, visszaverődik az útjába kerülő tárgyakról, és változásokat idéz elő a környező levegőben. Amikor ezek a változások elérik a fület, és hatással vannak a dobhártyára, az idegvégződések jelet küldenek az agynak, és Ön hangként érzékeli ezeket a rezgéseket.

A hanghullámok alapvető jellemzői

A legegyszerűbb hanghullám alakzat a szinuszhullám. A szinuszhullámok tiszta formájukban ritkán találhatók meg a természetben, de ezekkel kell elkezdeni tanulmányozni a hang fizikáját, mivel bármely hang szinuszhullámok kombinációjára bontható.

A szinuszhullám egyértelműen bemutatja a hang három fő fizikai kritériumát - frekvenciát, amplitúdót és fázist.

Frekvencia

Minél alacsonyabb a rezgési frekvencia, annál alacsonyabb a hang, Kép forrása: ReasonGuide.Ru

A frekvencia egy olyan mennyiség, amely a másodpercenkénti rezgések számát jellemzi. Ezt az oszcillációs periódusok számában vagy hertzben (Hz) mérik. Az emberi fül 20 Hz (alacsony frekvenciák) és 20 KHz (magas frekvenciák) tartományban képes érzékelni a hangokat. Az e tartomány feletti hangokat ultrahangnak, alatta pedig infrahangnak nevezik, és az emberi hallás nem érzékeli.

Amplitúdó

Minél nagyobb a hanghullám amplitúdója, annál hangosabb a hang.

A hanghullám amplitúdója (vagy intenzitása) a hang erősségére utal, amelyet az emberi hallás a hang hangerejeként vagy hangerejeként érzékel. Az emberek a hangerő meglehetősen széles skáláját érzékelhetik: egy csendes lakásban csöpögő csaptól a koncerten lejátszott zenéig. A hangerő mérésére fonométereket használnak (decibelben mérve), amelyek logaritmikus skálát használnak a mérések kényelmesebbé tétele érdekében.

Hanghullám fázis

A hanghullám fázisai. A kép forrása: Muz-Flame.ru

Két hanghullám tulajdonságainak leírására szolgál. Ha két hullám azonos amplitúdójú és frekvenciájú, akkor azt mondjuk, hogy a két hanghullám fázisban van. A fázis mérése 0 és 360 között történik, ahol a 0 azt az értéket jelzi, hogy a két hanghullám szinkron (fázisban van), a 180 pedig egy olyan érték, amely azt jelzi, hogy a hullámok egymással ellentétesek (fázison kívül). Ha két hanghullám fázisban van, a két hang átfedi egymást, és a jelek erősítik egymást. Ha két, amplitúdójukban nem egyező jelet kombinálunk, a nyomáskülönbség miatt a jelek elnyomódnak, ami nulla eredményhez vezet, vagyis a hang eltűnik. Ezt a jelenséget „fázis elnyomásnak” nevezik.

Két azonos hangjel kombinálásakor komoly problémát jelenthet a fáziskioltás, és az eredeti hanghullám és az akusztikus helyiség felületeiről visszaverődő hullám kombinálása is óriási probléma. Például, ha egy sztereó keverő bal és jobb csatornáját kombinálják, hogy harmonikus felvételt készítsenek, a jel fáziskimaradást szenvedhet.

Mi az a decibel?

A decibelek a hangnyomás vagy az elektromos feszültség szintjét mérik. Ez egy olyan mértékegység, amely két különböző mennyiség egymáshoz viszonyított arányát mutatja. A Bel (amerikai tudós Alexander Bellről kapta a nevét) egy decimális logaritmus, amely két különböző jel egymáshoz viszonyított arányát tükrözi. Ez azt jelenti, hogy a skála minden egyes következő belje esetén a vett jel tízszer erősebb. Például egy hangos hang hangnyomása milliárdszor nagyobb, mint egy csendes hangé. Az ilyen nagy értékek megjelenítésére a decibelek (dB) relatív értékét kezdték használni – 1 000 000 000 109 vagy egyszerűen 9. Ennek az értéknek a fizikusok és akusztikusok általi elfogadása lehetővé tette a hatalmas számokkal való munka kényelmesebbé tételét. .

Hangerő skála különböző hangokhoz. A kép forrása: Nauet.ru

A gyakorlatban a bel túl nagy mértékegység a hangszint mérésére, ezért helyette a decibelt használták, ami a bel egytizede. Nem mondhatjuk, hogy a bels helyett decibelt használni olyan, mintha méter helyett centimétert használnánk a cipőméret jelzésére; a bel és a decibel relatív érték.

A fentiekből kitűnik, hogy a hangszintet általában decibelben mérik. Néhány hangszint-szabványt évek óta alkalmaznak az akusztikában, a telefon feltalálásától napjainkig. E szabványok többsége nehezen alkalmazható a modern berendezésekhez képest, csak az elavult berendezésekre alkalmazzák. Manapság a felvételi és műsorszóró stúdiók berendezései olyan mértékegységet használnak, mint a dBu (decibel a 0,775 V-os szinthez képest), a háztartási berendezésekben pedig a dBV (1 V-os szinthez mért decibel). A digitális audioberendezések dBFS-t (decibel teljes skála) használnak a hangteljesítmény mérésére.

dBm– Az „m” a milliwattot (mW) jelenti, az elektromos teljesítmény jelölésére használt mértékegység. Meg kell különböztetni a teljesítményt az elektromos feszültségtől, bár ez a két fogalom szorosan összefügg egymással. A dBm mértékegységet a telefonkommunikáció bevezetésének hajnalán kezdték használni, ma már a professzionális berendezésekben is alkalmazzák.

dBu- ebben az esetben a feszültséget (teljesítmény helyett) a referencia nulla szinthez viszonyítva mérjük, referenciaszintnek a 0,75 voltot tekintjük. Ha modern professzionális audioberendezésekkel dolgozik, a dBu-t dBm váltja fel. Korábban kényelmesebb volt a dBu-t mértékegységként használni a hangtechnika területén, amikor a jelerősség értékeléséhez fontosabb volt az elektromos teljesítmény számolása, mint a feszültség.

dBV– ez a mértékegység is a nulla referenciaszinten alapul (mint a dBu esetében), azonban 1 V-ot veszünk referenciaszintnek, ami kényelmesebb, mint a 0,775 V. Ez a hangmértékegység gyakran használják háztartási és félprofesszionális audioberendezésekhez.

dBFS– ezt a jelszint-besorolást széles körben használják a digitális hangtechnikában, és nagyon eltér a fenti mértékegységektől. Az FS (teljes skála) egy teljes skála, amelyet azért használnak, mert az optimális feszültségű analóg audiojeltől eltérően a digitális értékek teljes tartománya egyformán elfogadható digitális jellel végzett munka során. A 0 dBFS a digitális audiojel maximális lehetséges szintje, amely torzítás nélkül rögzíthető. Az analóg mérési szabványoknak, mint például a dBu és a dBV, nincs 0 dBFS-nél nagyobb dinamikatartomány-magasság.

Ha tetszett a cikk, mint És iratkozz fel a csatornára NAUCHPOP . Maradjanak velünk, barátaim! Rengeteg érdekes dolog van még előttünk!

A hang olyan mechanikai rezgések, amelyek egy rugalmas anyagú közegben elsősorban hosszanti hullámok formájában terjednek.

Vákuumban a hang nem terjed, mivel a hangátvitelhez anyagi közegre és az anyagi közeg részecskéi közötti mechanikai érintkezésre van szükség.

Egy közegben a hang hanghullámok formájában terjed. A hanghullámok olyan mechanikai rezgések, amelyeket a közegben a feltételes részecskéi segítségével továbbítanak. A közeg hagyományos részecskéi a mikrotérfogatait jelentik.

Az akusztikus hullám alapvető fizikai jellemzői:

1. Gyakoriság.

Frekvencia hanghullám a nagysága egyenlő az időegység alatti teljes rezgések számával. A szimbólum jelzi v (meztelen) és mért hertzben. 1 Hz = 1 számlálás/mp = [ s -1 ].

A hangrezgés skála a következő frekvenciaintervallumokra oszlik:

· infrahang (0 és 16 Hz között);

· hallható hang (16 és 16 000 Hz között);

· ultrahang (16 000 Hz felett).

A hanghullám frekvenciája szorosan összefügg annak inverz mennyiségével – a hanghullám periódusával. Időszak A hanghullám a közeg részecskéinek egy teljes oszcillációjának ideje. Kijelölve Tés másodpercben [s] mérik.

A hanghullámot hordozó közeg részecskéinek rezgési iránya szerint a hanghullámokat a következőkre osztják:

· hosszanti;

· keresztirányú.

Longitudinális hullámok esetén a közeg részecskéinek rezgési iránya egybeesik a hanghullám közegben terjedési irányával (1. ábra).

A keresztirányú hullámok esetében a közeg részecskéinek rezgési irányai merőlegesek a hanghullám terjedési irányára (2. ábra).

Rizs. 1 ábra. 2

A longitudinális hullámok gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban terjednek. Keresztirányú - csak szilárd anyagokban.

3. A rezgések alakja.

A rezgések formája szerint a hanghullámokat a következőkre osztják:

· egyszerű hullámok;

összetett hullámok.

Egy egyszerű hullám grafikonja szinuszhullám.

Egy komplex hullám grafikonja bármely periodikus, nem szinuszos görbe .

4. Hullámhossz.

A hullámhossz a mennyiség egyenlő azzal a távolsággal, amelyet egy hanghullám egy periódusnak megfelelő idő alatt megtesz. Jelölése λ (lambda), és méterben (m), centiméterben (cm), milliméterben (mm), mikrométerben (µm) mérik.

A hullámhossz attól függ, hogy milyen közegben terjed a hang.

5. Hanghullám sebessége.

Hanghullám sebesség a hang terjedési sebessége álló hangforrású közegben. V szimbólummal jelölve, a következő képlettel számítva:

A hanghullám sebessége a közeg típusától és a hőmérséklettől függ. A hangsebesség szilárd, rugalmas testekben a legnagyobb, folyadékokban kisebb, gázokban a legkisebb.

levegő, normál légköri nyomás, hőmérséklet - 20 fok, v = 342 m/s;

víz, hőmérséklet 15-20 fok, v = 1500 m/s;

fémek, v = 5000-10000 m/s.

A hangsebesség a levegőben körülbelül 0,6 m/s-al nő a hőmérséklet 10 fokos emelkedésével.