Csinálj hanghullámokat. Miért jelenik meg hanghullám? A mélység hangja

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

Hanghullám

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

A hanghullámok jellemzői

Mint minden fizikai jelenségnek, ezeknek is megvannak a saját értékeik, amelyekkel le lehet írni a tulajdonságokat. 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. A természetben és a minket körülvevő világban is van elég példa alacsony és magas frekvenciájú hangokra. A csalogány csiripelése, a mennydörgés, a hegyi folyó zúgása és mások mind különböző hangfrekvenciák. A hullám amplitúdójának értéke közvetlenül függ attól, hogy milyen hangos a hang. A hangerő pedig csökken, ahogy távolodik a hangforrástól. Ennek megfelelően minél kisebb az amplitúdó, minél távolabb van a hullám az epicentrumtól. Más szóval, a hanghullám amplitúdója a hangforrástól való távolsággal csökken.

Hangsebesség

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

Zajok

A mindennapi életben állandó zajok vannak. 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 fájdalomérzetet okozhat. A leghangosabb állat a kék bálna. Ha hangokat ad ki, több mint 800 kilométeres távolságból is hallható.

Visszhang

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

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 megmérjük azt az időt, ameddig az ultrahang eléri a helyet, és visszatér. Sok állat képes visszhangot észlelni. Például a denevérek, delfinek élelemkeresésre használják. Az echolocation újabb alkalmazást talált az orvostudományban. Az ultrahanggal végzett vizsgálatok során kép alakul ki az ember belső szerveiről. Ez a módszer azon alapszik, hogy az ultrahang a levegőtől eltérő közegbe kerülve visszatér, így kép alakul ki.

Hanghullámok a zenében

Miért adnak ki bizonyos hangokat a hangszerek? Gitár csákányok, zongora dallamok, mély dobok és trombiták, egy bájos vékony fuvola hangja. Mindezek és még sok más hang a levegő rezgésének, vagy más szóval hanghullámok megjelenésének köszönhető. De miért ilyen változatos a hangszerek hangzása? Kiderül, hogy ez több tényezőtől is függ. Az első a hangszer formája, a második az anyag, amelyből készült.

Nézzük meg a vonós hangszerek példáját. A húrok megérintésekor hangforrássá válnak. Ennek eredményeként elkezdenek rezgéseket kelteni, és különböző hangokat küldenek a környezetbe. Bármely vonós hangszer halk hangja a húr nagyobb vastagságából és hosszából, valamint a feszültség gyengeségéből adódik. Ezzel szemben minél erősebben 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 egyenes arányban van. Bármely mikrofon belsejében egy vékony fémlemez található. Hanghatásnak kitéve rezgő mozgásokat kezd végezni. 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 rezeg a pólusai között, elektromos áram keletkezik, amely a spirál mentén, majd a hangoszlopba (hangszóró) vagy az információs adathordozóra (kazettára, lemezre, számítógépre) rögzítő berendezésre jut. Egyébként egy hasonló szerkezetben van mikrofon a telefonban. De hogyan működnek a mikrofonok vezetékes és mobiltelefonokon? A kezdeti fázis számukra ugyanaz - egy emberi hang hangja továbbítja rezgéseit a mikrofonlapra, 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 - mint a mikrofonban, a hang elektromos árammá alakítva fut át ​​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 ilyen feltételek jönnek létre, amikor a fizikai test rezgésének amplitúdója meredeken megnő. Ez a kényszerrezgések frekvenciájának és az objektum (test) rezgéseinek természetes frekvenciájának konvergenciájának köszönhető. A rezonancia lehet hasznos és káros is. Például egy autó kimentéséhez egy lyukból beindítják és előre-hátra tolják, hogy rezonanciát keltsen és lendületet adjon az autónak. De voltak olyan esetek is, amikor a rezonancia negatív következményekkel járt. Például Szentpéterváron mintegy száz éve egy híd omlott össze a szinkronizált menetelő katonák alatt.

Ez a lecke a „Hanghullámok” témával foglalkozik. Ebben a leckében folytatjuk az akusztika tanulmányozását. Először megismételjük a hanghullámok meghatározását, majd figyelembe vesszük a frekvenciatartományukat, és megismerkedünk az ultrahang- és infrahanghullámok fogalmával. Megbeszéljük továbbá a hanghullámok tulajdonságait a különböző médiában, és megtudjuk, milyen jellemzőkkel rendelkeznek. .

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

Rizs. 1. Hanghullám

A fizikában ezekkel a hullámokkal foglalkozó részt akusztikának nevezzük. Azok az emberek, akiket általában "hallóknak" neveznek, az akusztika. A hanghullám elasztikus közegben terjedő hullám, hosszanti hullám, rugalmas közegben terjedve kompresszió és ritkítás váltakozik. Idővel, távolságon keresztül továbbítódik (2. ábra).

Rizs. 2. Hanghullám terjedése

A hanghullámok közé tartoznak az olyan rezgések, amelyek 20-20 000 Hz frekvenciájúak. Ezek a frekvenciák 17 m (20 Hz esetén) és 17 mm (20 000 Hz) hullámhossznak felelnek meg. Ezt a tartományt hallható hangnak nevezzük. Ezek a hullámhosszak olyan levegőre vonatkoznak, amelyben a hang terjedési sebessége egyenlő.

Vannak olyan tartományok is, amelyekkel az akusztikusok foglalkoznak - infrahang és ultrahang. Az infrahangosok azok, amelyek frekvenciája 20 Hz-nél kisebb. Az ultrahangosak pedig azok, amelyek frekvenciája meghaladja a 20 000 Hz-et (3. ábra).

Rizs. 3. Hanghullámok tartományai

Minden művelt embernek el kell vezetnie a hanghullámok frekvenciatartományát, és tudnia kell, hogy ha ultrahangvizsgálatra megy, akkor a számítógép képernyőjén a kép 20 000 Hz-nél nagyobb frekvenciával épül fel.

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

Az egymilliárd hertznél nagyobb frekvenciájú hullámokat nevezzük hiperszonikus.

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. Az ilyen módszert ún ultrahangos hibafelismerés.

További példák az ultrahang használatára az ultrahang gépek, ultrahang gépek, 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, zivatarok.

Az infrahang szintén fontos hullám, amelyet a felület rezgésére használnak (például néhány nagy tárgy elpusztítására). Infrahangot indítunk a talajba - és a talaj összetörik. 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 terjedésének sebessége különböző közegekben

Figyelem: levegőben a hangsebesség egyenlő -vel, míg a sebesség -kal 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 változtatásával érzékeli a hőmérsékleti eltéréseket. Azt már tudjuk, hogy minél sűrűbb a közeg, minél komolyabb a kölcsönhatás a közeg részecskéi között, annál gyorsabban terjed a hullám. Ezt az utolsó bekezdésben a száraz levegő és a nedves levegő példáján tárgyaltuk. Víznél 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. És még gyorsabb acélban: (6. ábra).

Rizs. 6. Hanghullám terjedési sebessége

Az eposzokból tudja, hogy Ilja Muromets (és a Gaidar Forradalmi Katonai Tanács összes hőse és hétköznapi orosz embere és fiú) egy nagyon érdekes módszert alkalmazott egy közeledő, de még távoli tárgy észlelésére. A mozgás közben kiadott hang még nem hallható. Ilja Murometsz fülét a földre szorítva hallja. Miért? Mivel szilárd talajon nagyobb sebességgel továbbítják a hangot, ami azt jelenti, hogy gyorsabban éri el Ilja Muromets fülét, és fel tud készülni 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 hanghullámot kapunk, amit zenei hangnak nevezünk. A hanghullámok ilyen forrásai lehetnek például egy gitár vagy egy zongora húrjai. Ez lehet egy hanghullám, amely a légcső (orgona vagy cső) résében keletkezik. A zeneórákról ismeri a hangjegyeket: do, re, mi, fa, salt, la, si. Az akusztikában hangoknak nevezik (7. ábra).

Rizs. 7. Zenei hangok

Minden olyan elem, amely hangokat bocsát ki, rendelkezik funkciókkal. Miben különböznek egymástól? Hullámhosszban és frekvenciában különböznek egymástól. Ha ezeket a hanghullámokat nem harmonikusan hangzó testek hozzák létre, vagy nem kapcsolódnak egy közös zenekari darabba, akkor az ilyen hangokat zajnak nevezzük.

Zaj- különböző fizikai természetű véletlenszerű fluktuációk, amelyeket az időbeli és spektrális szerkezet összetettsége jellemez. A zaj fogalma mindennapos 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. Mi határozza meg egy hang hangerejét? Tekintsük egy hanghullám időbeni terjedését vagy egy hanghullámforrás rezgéseit (8. ábra).

Rizs. 8. Hangerő

Ugyanakkor, ha nem adtunk sok hangot a rendszerhez (például halkan ütjük a zongorabillentyűt), akkor halk hang lesz. Ha hangosan, a kezünket a magasba emelve a billentyű leütésével hívjuk ezt a hangot, akkor hangos hangot kapunk. Mitől függ? A csendes hangoknak kevesebb a rezgésük, mint a hangosnak.

A következő fontos jellemzője a zenei hangzásnak és minden másnak magasság. Mi határozza meg a hang magasságát? A hangmagasság a frekvenciától függ. A forrást gyakran oszcillálhatjuk, vagy nem túl gyorsan oszcillálhatjuk (vagyis kevesebb oszcillációt hajthatunk végre egységnyi idő alatt). Tekintsük az azonos amplitúdójú magas és alacsony hangok időzítését (9. ábra).

Rizs. 9. Hangmagasság

Érdekes következtetést lehet levonni. Ha valaki basszusgitárban énekel, akkor a hangforrása (ezek a hangszálak) többszörösen lassabban ingadozik, mint a szopránt éneklőké. A második esetben a hangszálak gyakrabban rezegnek, ezért gyakrabban okoznak kompressziós és ritkulási gócokat a hullám terjedésében.

A hanghullámoknak van egy másik érdekes tulajdonsága, amelyet a fizikusok nem tanulmányoznak. azt hangszín. Ismeri és könnyen megkülönbözteti ugyanazt a zenét, amelyet a balalajkán vagy a csellón játszanak. Mi a különbség ezek között a hangok vagy az előadás között? A kísérlet elején megkértük azokat az embereket, akik hangokat produkálnak, hogy hozzávetőlegesen azonos amplitúdójúak legyenek, hogy a hang hangereje azonos legyen. Ez olyan, mint egy zenekarnál: ha nem kell hangszert kiemelni, akkor mindenki megközelítőleg egyformán, azonos erővel játszik. A balalajka és a cselló hangszíne tehát más. Ha diagramok segítségével lerajzolnánk azt a hangot, ami az egyik hangszerből, a másikból származik, akkor ugyanazok lennének. De ezeket a hangszereket könnyen megkülönböztetheti a hangjukról.

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

Bibliográfia

1. Sokolovics Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: referenciakönyv problémamegoldási példákkal. - 2. kiadás újraelosztása. - 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. Járhat-e a hang az űrben?
3. Minden hullámot, amely eléri az emberi fület, észleli?

2016. február 18

Az otthoni szórakoztatás világa meglehetősen változatos, és a következőket foglalhatja magában: filmnézés egy jó házimozi rendszeren; szórakoztató és addiktív játékmenet vagy zenehallgatás. Általában mindenki talál valamit ezen a területen, vagy mindent egyszerre kombinál. De nem számít, milyen céljai vannak az embernek a szabadidejének megszervezésében, és nem számít, milyen szélsőségbe megy, ezeket a kapcsolatokat szorosan összekapcsolja egyetlen egyszerű és érthető szó - "hang". Valóban, ezekben az esetekben a fogantyúnál fogva vezet minket a hangsáv. 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 alkatrészeket vásárolni (bár nagyon hasznos lesz), hanem elég egy jó fizikai elmélet ismeret, amivel a legtöbb felmerülő probléma kiküszöbölhető mindenkinél aki arra törekszik, hogy kiváló minőségű szinkronjátékot szerezzen.

Ezután a hang- és akusztikaelméletet fogjuk megvizsgálni a fizika szemszögéből. Ebben az esetben megpróbálom a lehető legjobban hozzáférhetővé tenni minden olyan személy számára, aki esetleg távol áll a fizikai törvények vagy képletek ismeretétől, de mégis szenvedélyesen álmodik a tökéletes akusztika létrehozásáról szóló álmának megvalósításáról. rendszer. Nem állítom, hogy jó eredmények eléréséhez otthon (vagy például autóban) alaposan ismerni kell ezeket az elméleteket, azonban az alapok megértésével elkerülhető sok hülye és abszurd hiba, valamint a rendszer maximális hanghatásának elérése érdekében.

Általános hangelmélet és zenei terminológia

Mi a hang? Ez az az érzés, amelyet a hallószerv érzékel. "fül"(maga a jelenség a „fül” részvétele nélkül is létezik, de így könnyebb megérteni), ami akkor következik be, amikor a dobhártyát hanghullám gerjeszti. A fül ebben az esetben a különböző frekvenciájú hanghullámok "vevőjeként" működik.
Hanghullám Valójában ez a közeg (leggyakrabban a levegő normál körülmények között) különböző frekvenciájú tömítéseinek és kisüléseinek 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 részecskéi mozgása stb.

Mivel a hanghullám oszcilláló jellegű, van egy olyan jellemzője, mint a frekvencia. Frekvencia hertzben mérve (Heinrich Rudolf Hertz német fizikus tiszteletére), és a rezgések számát jelöli egy másodperces időtartam alatt. Azok. például a 20 Hz-es frekvencia egy másodperc alatt 20 rezgésből álló ciklust jelent. A magasságának szubjektív fogalma a hang frekvenciájától is függ. Minél több hangrezgés keletkezik másodpercenként, annál "magasabbnak" tűnik a hang. A hanghullámnak van egy másik fontos jellemzője is, amelynek neve is van - a 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 között képes érzékelni a hullámokat (egy adott személy tulajdonságaitól függően valaki kicsit többet, valaki 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 erősen gyengül.

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 frekvenciák aránya 1:2. Egy oktáv általában nagyon jól hallható, míg az ezen az intervallumon belüli hangok nagyon hasonlóak lehetnek egymáshoz. Oktávnak nevezhetjük azt a hangot is, amely kétszer annyi rezgést ad ki, mint egy másik hang ugyanabban az időszakban. Például a 800 Hz-es frekvencia nem más, mint egy magasabb, 400 Hz-es oktáv, a 400 Hz-es frekvencia pedig a következő hangoktáv 200 Hz-es frekvenciával. Egy oktáv hangokból és felhangokból áll. Az egy frekvenciájú harmonikus hanghullám változó rezgéseit az emberi fül úgy érzékeli zenei hangnem. A magas frekvenciájú rezgések magas hangokként, az alacsony frekvenciájú rezgések mély hangokként értelmezhetők. Az emberi fül képes egyértelműen megkülönböztetni a hangokat egy hangkülönbséggel (4000 Hz-ig). Ennek ellenére rendkívül kis számú hangot használnak a zenében. Ezt a harmonikus összhangzat 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, akkor egy adott hangtónus folyamatosan megfigyelhető, a kívánt hangolási frekvenciát halljuk. Ezt a hangot alaphangnak nevezik. A zenei területen a fő hanghoz az első oktáv "la" hangjának frekvenciája, amely 440 Hz, hivatalosan elfogadott. 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 a hangszereknek és a hangoknak egyedi, felismerhető hangzást ad, még akkor is, ha azonos hangmagasságú és hangerős hangokat hasonlít össze. Az egyes hangszerek hangszíne attól függ, hogy a hang megjelenése pillanatában a hangenergia eloszlik a felhangok között.

A felhangok az alaphang egy sajátos színét alkotják, amely alapján könnyen azonosíthatunk és felismerhetünk egy adott hangszert, valamint egyértelműen megkülönböztethetjük a 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 diszharmonikus. A zenében a nem többszörös felhangok működése gyakorlatilag kizárt, ezért a kifejezés a „felhang”, azaz a harmonikus fogalmára redukálódik. Egyes hangszereknél, például a zongoránál a főhangnak még nincs ideje kialakulni, rövid ideig a felhangok hangenergiája megnövekszik, majd ugyanolyan gyorsan visszaesés következik be. Sok hangszer úgynevezett "átmeneti hang" effektust hoz létre, amikor bizonyos felhangok energiája egy adott időpontban maximális, általában a legelején, de aztán hirtelen megváltozik és más felhangokra költözik. Az egyes hangszerek frekvenciatartománya külön-külön is figyelembe vehető, és általában korlátozza azon alaphangok frekvenciáit, amelyeket az adott hangszer képes reprodukálni.

A hangelméletben létezik olyan is, mint a ZAJ. Zaj- ez minden olyan hang, amelyet egymással ellentétes források kombinációja hoz létre. Mindenki jól ismeri a fák leveleinek zaját, a szél lengette stb.

Mi határozza meg a hangerőt? Nyilvánvaló, hogy egy ilyen jelenség közvetlenül függ a hanghullám által szállított energia mennyiségétől. A hangosság 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 beszélgetésben az intenzitás körülbelül 9 vagy 10 W/cm2. Az emberi fül meglehetősen széles érzékenységi tartományú hangok érzékelésére képes, miközben a frekvenciák érzékenysége nem egyenletes a hangspektrumon belül. Tehát a legjobban észlelt frekvenciatartomány az 1000 Hz - 4000 Hz, amely a legszélesebb körben lefedi az emberi beszédet.

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

A hang hullám jellege

A hanghullámgenerálás rendszerének jobb megértéséhez képzeljünk el egy klasszikus hangszórót, amely levegővel teli csőben található. Ha a hangszóró éles előremozdulást végez, akkor a diffúzor közvetlen közelében lévő levegő egy pillanatra összenyomódik. Ezt követően a levegő kitágul, ezáltal a sűrített levegőt a cső mentén nyomja.
Ez a hullámmozgás lesz a későbbiekben a hang, amikor eléri a hallószervet és „izgatja” a dobhártyát. Amikor hanghullám lép fel egy gázban, túlnyomás és sűrűség keletkezik, és a részecskék állandó sebességgel mozognak. A hanghullámokkal kapcsolatban fontos megjegyezni, hogy az anyag nem mozog együtt a hanghullámmal, hanem csak a légtömegek átmeneti zavarása következik be.

Ha elképzelünk egy rugóra szabad térben felfüggesztett dugattyút, amely ismétlődő mozgásokat végez "előre-hátra", akkor az ilyen rezgéseket harmonikusnak vagy szinuszosnak nevezzük (ha a hullámot grafikon formájában ábrázoljuk, akkor ebben az esetben kapjuk tiszta szinuszhullám ismétlődő emelkedésekkel és csökkenésekkel). Ha elképzelünk egy hangszórót egy csőben (mint a fent leírt példában), amely harmonikus oszcillációkat hajt végre, akkor abban a pillanatban, amikor a hangszóró "előre" mozdul, akkor a légsűrítés már ismert hatása jön létre, és amikor a hangszóró "vissza" mozog , a ritkítás fordított hatása érhető el. Ebben az esetben váltakozó összenyomások és ritkítások hulláma terjed át a csövön. A cső mentén a szomszédos maximumok vagy minimumok (fázisok) közötti távolságot hívják meg hullámhossz. Ha a részecskék a hullámterjedés irányával párhuzamosan oszcillálnak, akkor a hullámot ún hosszirányú. Ha a terjedési irányra merőlegesen oszcillálnak, akkor a hullámot ún átlós. A hanghullámok gázokban és folyadékokban általában hosszirányúak, míg szilárd testekben mindkét típusú hullámok előfordulhatnak. A szilárd testekben a keresztirányú hullámok 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 fordulnak elő), míg a longitudinális hullámoknak 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 hangsebesség szilárd anyagokban közvetlenül függ az anyag típusától és tulajdonságaitól. A gáznemű közegben a sebesség csak egyfajta közeg alakváltozástól függ: a kompressziós-ritkulástól. A hanghullámban a nyomásváltozás a környező részecskékkel való hőcsere nélkül megy végbe, és ezt adiabatikusnak nevezzük.
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 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 közegekben a hőmérséklettől való azonos függés mellett elég fontos a közeg sűrűsége és összetétele/szerkezete. Minél kisebb az anyag sűrűsége, annál nagyobb a hangsebesség és fordítva. A közeg összetételétől való függés bonyolultabb, 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 való visszaverődés hatása. Ennek eredményeként a leggyakrabban interferencia hatás- amikor két vagy több hanghullám van egymásra rakva. Az interferencia jelenségének speciális esetei a következők: 1) verőhullámok vagy 2) állóhullámok. A hullámok verése- ez az eset áll fenn, ha közeli frekvenciájú és amplitúdójú hullámok jönnek létre. Az ütemek előfordulásának mintázata: amikor két hasonló frekvenciájú hullám kerül egymásra. Egy adott időpontban ilyen átfedéssel az amplitúdócsúcsok "fázisban" eshetnek egybe, és az "antifázis" recessziói is egybeeshetnek. Így jellemzik a hangütéseket. Fontos megjegyezni, hogy az állóhullámokkal ellentétben a csúcsok fázisegybeesése nem állandóan, hanem bizonyos időközönként jelentkezik. Hallás szerint az ütemek ilyen mintázata meglehetősen világosan különbözik, és a hangerő időszakos növekedéseként, illetve csökkenéseként hallható. Ennek a hatásnak a mechanizmusa rendkívül egyszerű: a csúcsok egybeesésének pillanatában a térfogat nő, a recesszió egybeesésekor a térfogat csökken.

állóhullámok 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 állóhullám alakult ki) két frekvenciaamplitúdó szuperpozíciójának képe keletkezik, váltakozó maximumokkal (ún. antinódusok) és minimumokkal (ún. csomópontokkal). Amikor ez a jelenség előfordul, rendkívül fontos a hullám frekvenciája, fázisa és csillapítási együtthatója a visszaverődés helyén. Ellentétben a haladó hullámokkal, az állóhullámban nincs energiaátadás, mivel a hullámot alkotó előre és hátrafelé irányuló hullámok egyenlő mennyiségben szállítanak energiát előre és ellentétes irányban. Az állóhullám előfordulásának vizuális megértéséhez képzeljünk el egy példát az otthoni akusztikából. Tegyük fel, hogy néhány korlátozott helyen (teremben) vannak padlón álló hangszóróink. Miután lejátszottak egy dalt sok basszussal, próbáljuk meg megváltoztatni a hallgató helyét a szobában. Így a hallgató az állóhullám minimumának (kivonásának) zónájába kerülve azt a hatást fogja érezni, hogy a basszus nagyon kicsi lett, és ha a hallgató belép a frekvenciák maximumának (összeadásának) zónájába, akkor fordítva. 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 saját rezonanciafrekvenciája van. Ennek a hatásnak a megértése meglehetősen egyszerű egy hagyományos cső példáján, amely csak az egyik végén van nyitva. Képzeljünk el egy olyan szituációt, amikor a cső másik végéről egy hangszóró van csatlakoztatva, ami valamilyen állandó frekvenciát tud lejátszani, azt később is lehet változtatni. Nos, 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 többszörös növelése lesz. A hangszóró ugyanis jelentős amplitúdóval gerjeszti a csőben lévő levegőoszlop rezgéseit, amíg meg nem találjuk ugyanazt a „rezonanciafrekvenciát”, és létrejön az addíciós hatás. Az így létrejövő jelenséget a következőképpen írhatjuk le: ebben a példában a cső egy meghatározott frekvencián rezonálva "segíti" a hangszórót, erőfeszítéseik összeadódnak, és hallható hangos hatást "öntenek". A hangszerek példáján ez a jelenség könnyen nyomon követhető, mivel a legtöbb kialakításban rezonátornak nevezett elemek találhatók. Nem nehéz kitalálni, mi szolgálja egy bizonyos frekvencia vagy zenei hang felerősítését. Például: egy gitártest rezonátorral, lyuk formájában, hangerővel illeszkedve; A cső kialakítása a fuvolánál (és általában az összes cső); A dob testének hengeres alakja, amely maga 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. Az ilyen gráfot hangfrekvencia-spektrumgráfnak nevezzük. A hang frekvenciaspektruma Két típusa van: diszkrét és folyamatos. A diszkrét spektrum diagram egyenként jeleníti meg a frekvenciákat, üres helyekkel elválasztva. A folytonos spektrumban az összes hangfrekvencia egyszerre van jelen.
Zene vagy akusztika esetében leggyakrabban a megszokott órarendet alkalmazzák. Csúcs-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 hangsugárzó vagy hangsugárzórendszer egészének erősségei vagy gyengeségei, az energiavisszaadás legerősebb területei, a frekvenciacsökkenések és -emelkedések, 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: a vízbe dobott kavics.
Attól a helytől, ahol a kő leesett, a hullámok elkezdenek szétválni a víz felszínén minden irányban. Képzeljünk el azonban egy olyan szituációt, 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 ad, mint például egy basszusdob), hogy a hangszóró gyors mozgást végez "előre", majd ugyanazt a gyors mozgást "vissza". Meg kell érteni, hogy amikor a hangszóró előremozdul, hanghullámot bocsát ki, amit utólag hallunk. De mi történik, ha a hangszóró hátrafelé mozog? És paradox módon ugyanaz történik, a hangszóró ugyanazt a hangot ad ki, csak a példánkban teljesen a doboz hangerején belül terjed, anélkül, hogy túllépne rajta (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 hangerőben a hallgató irányába sugároz - "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 időpontban a tér valamely pontján. A fázis a legkönnyebben érthető a zenei anyagok hagyományos sztereó padlón álló otthoni hangszórópárral történő lejátszásának példáján. Képzeljük el, hogy két ilyen padlón álló hangszórót telepítenek egy bizonyos helyiségbe, és játszanak. Ebben az esetben mindkét hangszóró szinkron változó hangnyomásjelet reprodukál, ráadásul az egyik hangszóró hangnyomása hozzáadódik a másik hangszóró hangnyomásához. Hasonló hatás lép fel a bal és a jobb hangszóró jelvisszaadásának szinkronizálása miatt, vagyis a bal és a jobb hangszóró által kibocsátott hullámok csúcsai és völgyei egybeesnek.

Most képzeljük el, hogy a hangnyomások továbbra is ugyanúgy változnak (nem változtak), de most ellentétesek egymással. Ez akkor fordulhat elő, ha a két hangszóró egyikét fordított polaritással csatlakoztatja ("+" kábel az erősítőtől a hangsugárzórendszer "-" csatlakozójához, és "-" kábel az erősítőtől a hangszóró "+" csatlakozójához rendszer). Ebben az esetben az ellenkező irányú jel nyomáskülönbséget okoz, amelyet a következőképpen lehet számokkal ábrázolni: a bal hangszóró "1 Pa" nyomást, a jobb oldali pedig "mínusz 1 Pa" nyomást hoz létre. . Ennek eredményeként a hallgató pozíciójában a teljes hangerő nulla lesz. Ezt a jelenséget antifázisnak nevezik. Ha a példát részletesebben megvizsgáljuk a megértés érdekében, akkor kiderül, hogy két "fázisban" játszó hangszóró ugyanazokat a légsűrítési és ritkítási területeket hozza létre, amelyek valójában egymást segítik. Idealizált antifázis esetén az egyik hangszóró által létrehozott légtértömörítési területhez a második hangszóró által létrehozott légtérritkulás területe társul. Körülbelül úgy néz ki, mint a hullámok kölcsönös szinkron csillapításának jelensége. Igaz, a gyakorlatban a hangerő nem csökken nullára, erősen torz és tompított hangot fogunk hallani.

Ezt a jelenséget a leginkább hozzáférhető módon a következőképpen írhatjuk le: két jel azonos rezgésekkel (frekvenciájú), de időben eltolva. Ennek fényében célszerűbb ezeket az elmozdulási jelenségeket a közönséges körórák példájával ábrázolni. Képzeljük el, hogy több egyforma kerek óra lóg a falon. Ha ezeknek az óráknak a másodpercmutatói szinkronban futnak, az egyik órán 30 másodpercet, a másikon 30 másodpercet, akkor ez egy példa egy fázisban lévő jelre. Ha a másodpercmutatók eltolással futnak, de a sebesség továbbra is ugyanaz, például az egyik órán 30 másodperc, a másikon 24 másodperc, akkor ez a fáziseltolódás (shift) klasszikus példája. Ugyanígy a fázist fokokban mérjük, egy virtuális körön belül. Ebben az esetben, ha a jelek egymáshoz képest 180 fokkal el vannak tolva (a periódus fele), akkor klasszikus antifázis jön létre. A gyakorlatban gyakran előfordulnak kisebb fáziseltolódások, amelyek fokokban is meghatározhatók és sikeresen kiküszöbölhetők.

A hullámok laposak és gömb alakúak. A lapos hullámfront csak egy irányba terjed, és a gyakorlatban ritkán fordul elő. A gömb alakú hullámfront egy egyszerű hullámtípus, amely egyetlen pontból sugárzik és minden irányba terjed. A hanghullámoknak van tulajdonságuk diffrakció, azaz az akadályok és tárgyak elkerülésének képessége. A beburkoltság mértéke a hanghullám hosszának az akadály vagy lyuk méreteihez viszonyított arányától függ. Diffrakció akkor is előfordul, ha akadály van a hang útjában. Ebben az esetben két forgatókönyv lehetséges: 1) Ha az akadály méretei sokkal nagyobbak, 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 méretei összemérhetők a hullámhosszal, vagy annál kisebbek, akkor a hang valamennyi irányban eldiffrakodik. Ha egy hanghullám, amikor egy közegben mozog, egy másik közeggel érintkezik a határfelülettel (például egy légközeg szilárd közeggel), akkor három forgatókönyv adódhat: 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 hívják "hullámtörésnek".

A hanghullám túlnyomásának és az oszcillációs térfogati sebességnek az arányát hullámimpedanciának nevezzük. Egyszerű szavakkal, a közeg hullámellenállása nevezhetjük a hanghullámok elnyelésének vagy „ellenállásának” képességének. A reflexiós és átviteli együtthatók közvetlenül függenek a két közeg hullámimpedanciáinak arányától. A hullámellenállás gázközegben sokkal kisebb, mint vízben vagy szilárd anyagokban. Ezért ha a levegőben lévő hanghullám szilárd tárgyra vagy mélyvíz felszínére esik, akkor a hang vagy visszaverődik a felszínről, vagy nagymértékben elnyelődik. Ez attól függ, hogy milyen vastagságú a felület (víz vagy szilárd anyag), amelyre a kívánt hanghullám esik. Szilárd vagy folyékony közeg alacsony vastagsága esetén a hanghullámok szinte teljesen "áthaladnak", és fordítva, nagy közegvastagság esetén a hullámok gyakrabban verődnek vissza. 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 egy hanghullám meghajlításából (megtöréséből) áll egy akadállyal való „találkozás” után, és szükségszerűen a sebesség változásával jár. A fénytörés a közeg hőmérsékletétől is függ, amelyben a visszaverődés megtörténik.

A hanghullámok térbeli terjedésének folyamatában intenzitásuk elkerülhetetlenül csökken, mondhatjuk a hullámok csillapítását és a hang gyengülését. A gyakorlatban meglehetősen egyszerű találkozni egy ilyen hatással: például, ha két ember egy mezőn áll egy közeli távolságban (egy méterrel vagy közelebb), és elkezd valamit mondani egymásnak. Ha ezt követően növeli az emberek közötti távolságot (ha elkezdenek távolodni egymástól), akkor az azonos szintű beszélgetési hangerő egyre kevésbé lesz hallható. Egy hasonló példa egyértelműen bemutatja a hanghullámok intenzitásának csökkentésének jelenségét. Miért történik ez? Ennek oka a különböző hőátadási folyamatok, molekuláris kölcsönhatások és a hanghullámok belső súrlódása. A gyakorlatban leggyakrabban a hangenergia hőenergiává történő átalakítása történik. 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 a hang specifikus frekvenciájától is függ. Amikor egy hanghullám folyadékokban vagy gázokban terjed, a különböző részecskék között súrlódási hatás lép fel, amelyet viszkozitásnak nevezünk. Ennek a molekuláris szintű súrlódásnak köszönhetően a hullám hangból termikussá 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, akkor a viszkozitás és a hővezetőképesség fenti függéseit figyelembe véve a hangelnyelés minél nagyobb, annál nagyobb a frekvenciája. Például normál hőmérsékleten és nyomáson, levegőben az 5000 Hz frekvenciájú hullám abszorpciója 3 dB / km, az 50 000 Hz frekvenciájú hullám abszorpciója pedig már 300 dB / m.

Szilárd közegben az összes fenti függőség (hővezetőképesség és viszkozitás) megmarad, de ehhez még néhány feltétel 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 egy sor átalakuláson és torzuláson megy keresztül, ami leggyakrabban a hangenergia szórásához és elnyeléséhez vezet. Molekuláris szinten a diszlokációk hatása 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 lassulásukat 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 megpróbálom elemezni az emberi hallásérzékelés sajátosságait, valamint a hangterjedés néhány finomságát és sajátosságát.

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

A kép forrása: pixabay.com

Valójában minden, amit hangnak szoktunk tekinteni, csak egy a rezgések (levegő) egyik fajtája, amelyet agyunk és szerveink érzékelnek.

Mi a hang természete

Minden, a levegőben terjedő hang egy hanghullám rezgése. Egy tárgy rezgésén keresztül keletkezik, és minden irányban eltér a forrásától. Az oszcilláló tárgy összenyomja a környezetben lévő molekulákat, majd megritkult atmoszférát hoz létre, aminek következtében a molekulák egyre távolabb taszítják egymást. Így a légnyomás változásai a tárgytól távolodnak, maguk a molekulák ugyanabban a helyzetben maradnak maguknak.

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

Ahogy a hanghullám a térben terjed, 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 hanghullám főbb jellemzői

A hanghullám legegyszerűbb formája a szinuszhullám. A tiszta szinuszhullámok ritkán találhatók meg a természetben, de ezekkel érdemes elkezdeni a hangfizika tanulmányozását, mivel bármilyen hang szinuszhullámok kombinációjára bontható.

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

Frekvencia

Minél alacsonyabb az oszcillációs frekvencia, annál alacsonyabb a hang. Kép ​​forrása: ReasonGuide.Ru

A frekvencia egy olyan érték, amely a másodpercenkénti oszcillációk számát jellemzi. Ezt a rezgési periódusok számában vagy hertzben (Hz) mérik. Az emberi fül 20 Hz (alacsony frekvencia) és 20 kHz (magas frekvencia) tartományban képes érzékelni a hangot. Az e tartomány feletti hangokat ultrahangnak, alatta pedig infrahangnak nevezik, és az emberi hallószervek nem érzékelik.

Amplitúdó

Minél nagyobb a hanghullám amplitúdója, annál hangosabb a hang.

A hanghullám amplitúdója (vagy intenzitása) a hang erősségére utal, amelyet az emberi hallószervek a hang hangerejeként vagy hangerejeként érzékelnek. Az emberek a hangerő meglehetősen széles skáláját érzékelhetik: egy csendes lakásban csöpögő csaptól a koncerten lejátszott zenéig. A hangerő mérése fonométerekkel történik (az indikátorok decibelben), 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 jelenti, 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 fáziselnyomás, valamint óriási kellemetlenség az eredeti hanghullám és az akusztikus helyiség felületeiről visszaverődő hullám kombinációja. 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 skálán minden egymást követő belánál tízszer erősebb a vett jel. Például egy hangos hang hangnyomása milliárdszor nagyobb, mint egy csendes hangé. Az ilyen nagy értékek megjelenítéséhez a decibelek relatív értékét (dB) kezdték használni – míg 1 000 000 000 az 109, vagy egyszerűen csak 9. Az akusztikus fizikusok ezt az értéket elfogadták, ami lehetővé tette, hogy kényelmesebben dolgozhassanak hatalmas számokkal. .

Hangerőskála különféle hangokhoz. A kép forrása: Nauet.ru

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

A fentiekből kitűnik, hogy a zajszintet általában decibelben mérik. Néhány hangszint-szabványt évek óta alkalmaznak az akusztikában, a telefon feltalálásától a mai napig. Ezeknek a szabványoknak a többsége nehezen alkalmazható a modern berendezésekkel kapcsolatban, csak az elavult berendezésekre alkalmazzák őket. Manapság a felvételi és műsorszóró stúdiók berendezései olyan egységet használnak, mint a dBu (decibel a 0,775 V-os szinthez képest), a háztartási berendezésekben pedig a dBV (decibel, 1 V-os szinthez viszonyítva). A digitális audioberendezések dBFS-t (Decibel Full Scale) használnak a hangteljesítmény mérésére.

dBm– Az „m” a milliwattot (mW) jelenti, amely az elektromos teljesítmény mérésére használt mértékegység. A teljesítményt meg kell különböztetni az elektromos feszültségtől, bár a két fogalom szorosan összefügg egymással. A dBm mértékegységet a telefonos kommunikáció bevezetésének hajnalán kezdték használni, ma már a professzionális berendezésekben is használják.

dBu- ebben az esetben a feszültséget (teljesítmény helyett) a referencia nulla szinthez viszonyítva mérjük, a 0,75 voltot tekintjük referenciaszintnek. A modern professzionális audioalkalmazásokban a dBu-t a dBm váltotta fel. Mértékegységként a hangtechnika területén kényelmesebb volt a dBu használata a múltban, amikor a jelszint értékelésénél fontosabb volt az elektromos teljesítményt figyelembe venni, nem pedig a feszültséget.

dBV- ez a mértékegység is a referencia nulla szintre épül (mint a dBu esetében), azonban 1 V-ot veszünk referenciaszintnek, ami kényelmesebb, mint a 0,775 V. Ezt a hangmérő egységet gyakran használják háztartási és félprofesszionális audioberendezésekhez.

dBFS- Ezt a jelszint-becslést széles körben használják a digitális hangban, és nagyon eltér a fenti mértékegységektől. Az FS (teljes skála) a teljes skála, amelyet azért használnak, mert az optimális feszültségű analóg hanggal ellentétben a digitális értékek teljes tartománya egyformán elfogadható digitális jellel végzett munka során. A 0 dBFS a maximális lehetséges digitális hangszint, amely torzítás nélkül rögzíthető. Az analóg mérési szabványoknak, mint például a dBu és a dBV, nincs 0 dBFS-nél nagyobb mozgástér.

Ha tetszett a cikk tedd tetszik és iratkozz fel a csatornára TUDOMÁNYOS POP . Maradjatok velünk, barátaim! Sok érdekes dolog vár még ránk!

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

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

A hang a közegben hanghullámok formájában terjed. A hanghullámok olyan mechanikai rezgések, amelyek a közegben annak feltételes részecskéi segítségével továbbadódnak. A környezet feltételes részecskéi alatt érti a mikrotérfogatait.

Az akusztikus hullám főbb fizikai jellemzői:

1. Gyakoriság.

Frekvencia hanghullám a mennyiség egyenlő az időegység alatti teljes rezgések számával. Szimbólum jelzi v (meztelen) és mért hertzben. 1 Hz \u003d 1 count/mp \u003d [s -1].

A hangrezgések skálája 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 frekvenciájához szorosan kapcsolódik a reciproka, a hanghullám periódusa. Időszak hanghullám a közeg részecskéinek egy teljes oszcillációjának ideje. Jelölve Tés másodpercben [s] mérik.

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

· hosszanti;

átlós.

Longitudinális hullámoknál a közeg részecskéinek rezgési iránya egybeesik a hanghullám közegében való 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 alakja szerint a hanghullámokat a következőkre osztják:

· egyszerű hullámok;

összetett hullámok.

Egy egyszerű hullám grafikonja szinuszos hullám.

A komplex hullámgráf bármely periodikus, nem szinuszos görbe .

4. Hullámhossz.

Hullámhossz - magnitúdó, egyenlő azzal a távolsággal, amelyen egy hanghullám egy periódusnak megfelelő idő alatt terjed. 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 sebessége 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 legnagyobb hangsebesség szilárd rugalmas testekben, kevesebb - folyadékokban, és a legkisebb - gázokban.

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, ha a hőmérséklet 10 fokkal emelkedik.