În ce mediu pot apărea undele sonore. Enciclopedia școlară

Legile de bază ale propagării sunetului includ legile reflectării și refracției sale la granițele diferitelor medii, precum și difracția sunetului și împrăștierea acestuia în prezența obstacolelor și neomogenităților în mediu și la interfețele dintre medii.

Distanța de propagare a sunetului este influențată de factorul de absorbție a sunetului, adică de transferul ireversibil al energiei undelor sonore în alte tipuri de energie, în special în căldură. Un factor important este, de asemenea, direcția radiației și viteza de propagare a sunetului, care depinde de mediu și de starea lui specifică.

Undele acustice se propagă de la o sursă de sunet în toate direcțiile. Dacă o undă sonoră trece printr-o gaură relativ mică, atunci se propagă în toate direcțiile și nu merge într-un fascicul direcționat. De exemplu, sunetele străzii care pătrund printr-o fereastră deschisă într-o cameră se aud în toate punctele acesteia, și nu doar pe fereastră.

Natura propagării undelor sonore la un obstacol depinde de raportul dintre dimensiunile obstacolului și lungimea de undă. Dacă dimensiunile obstacolului sunt mici în comparație cu lungimea de undă, atunci unda curge în jurul acestui obstacol, propagăndu-se în toate direcțiile.

Undele sonore, care pătrund dintr-un mediu în altul, se abat de la direcția lor inițială, adică sunt refractate. Unghiul de refracție poate fi mai mare sau mai mic decât unghiul de incidență. Depinde de ce mediu provine sunetul. Dacă viteza sunetului în al doilea mediu este mai mare, atunci unghiul de refracție va fi mai mare decât unghiul de incidență și invers.

Întâlnind un obstacol pe drum, undele sonore sunt reflectate din acesta conform unei reguli strict definite - unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență - conceptul de ecou este asociat cu aceasta. Dacă sunetul este reflectat de mai multe suprafețe la distanțe diferite, apar ecouri multiple.

Sunetul se propagă sub forma unei unde sferice divergente care umple un volum din ce în ce mai mare. Pe măsură ce distanța crește, oscilațiile particulelor mediului se slăbesc, iar sunetul se disipează. Se știe că pentru a crește distanța de transmisie, sunetul trebuie concentrat într-o direcție dată. Când vrem, de exemplu, să fim auziți, ne ducem mâinile la gură sau folosim un muștiuc.

Influență mare Difracția, adică curbura razelor de sunet, afectează distanța de propagare a sunetului. Cu cât mediul este mai eterogen, cu atât fasciculul de sunet este mai îndoit și, în consecință, distanța de propagare a sunetului este mai scurtă.

propagarea sunetului

Undele sonore se pot propaga în aer, gaze, lichide și solide. Valurile nu se formează în spațiul fără aer. Acest lucru este ușor de verificat experiență simplă. Dacă se pune un sonerie electrică sub un capac etanș din care se evacuează aerul, nu vom auzi niciun sunet. Dar de îndată ce capacul este umplut cu aer, apare un sunet.

Viteza de propagare a mișcărilor oscilatorii de la particulă la particulă depinde de mediu. În vremuri străvechi, războinicii puneau urechile la pământ și astfel au descoperit cavaleria inamicului mult mai devreme decât părea la vedere. Iar celebrul om de știință Leonardo da Vinci scria în secolul al XV-lea: „Dacă tu, fiind pe mare, cobori orificiul țevii în apă și pui celălalt capăt la ureche, vei auzi zgomotul navelor foarte îndepărtate de tu."

Viteza sunetului în aer a fost măsurată pentru prima dată în secolul al XVII-lea de Academia de Științe din Milano. Pe unul dintre dealuri a fost instalat un tun, iar pe celălalt a fost amplasat un post de observare. Ora a fost înregistrată atât în ​​momentul fotografierii (prin bliț), cât și în momentul recepționării sunetului. Din distanța dintre postul de observație și pistol și momentul originii semnalului, viteza de propagare a sunetului nu mai era greu de calculat. S-a dovedit a fi egal cu 330 de metri pe secundă.

În apă, viteza de propagare a sunetului a fost măsurată pentru prima dată în 1827 pe lacul Geneva. Două bărci erau una de cealaltă la o distanță de 13847 de metri. Pe primul, un clopot era atârnat sub fund, iar pe al doilea, un simplu hidrofon (corn) a fost coborât în ​​apă. Pe prima barcă, în același timp în care se dădea clopotul, s-a incendiat praful de pușcă, la al doilea observator, în momentul fulgerului, a pornit cronometrul și a început să aștepte sosirea semnalului sonor de la clopot. . S-a dovedit că sunetul călătorește de peste 4 ori mai repede în apă decât în ​​aer, adică. cu o viteză de 1450 de metri pe secundă.

Viteza de propagare a sunetului

Cu cât este mai mare elasticitatea mediului, cu atât viteza este mai mare: în cauciuc50, în aer330, în apă1450 și în oțel - 5000 de metri pe secundă. Dacă noi, aflându-ne la Moscova, am putea striga atât de tare încât sunetul ar ajunge la Petersburg, atunci am fi auziți acolo doar în jumătate de oră, iar dacă sunetul s-ar propaga pe aceeași distanță în oțel, ar fi primit în două minute.

Viteza de propagare a sunetului este influențată de starea aceluiași mediu. Când spunem că sunetul călătorește în apă cu o viteză de 1450 de metri pe secundă, asta nu înseamnă deloc că în orice apă și în orice condiții. Odată cu creșterea temperaturii și a salinității apei, precum și cu creșterea adâncimii și, în consecință, a presiunii hidrostatice, viteza sunetului crește. Sau ia oțel. Și aici viteza sunetului depinde atât de temperatură, cât și de compoziție de calitate oțel: cu cât conține mai mult carbon, cu atât este mai dur, cu atât sunetul circulă mai repede în el.

Întâlnind un obstacol pe drum, undele sonore sunt reflectate de acesta după o regulă strict definită: unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență. Undele sonore care vin din aer sunt aproape complet reflectate în sus de la suprafața apei, iar undele sonore care provin de la o sursă din apă sunt reflectate în jos de pe aceasta.

Undele sonore, care pătrund dintr-un mediu în altul, se abat de la poziția lor inițială, adică sunt refractate. Unghiul de refracție poate fi mai mare sau mai mic decât unghiul de incidență. Depinde de mediul din care pătrunde sunetul. Dacă viteza sunetului în al doilea mediu este mai mare decât în ​​primul, atunci unghiul de refracție va fi mai mare decât unghiul de incidență și invers.

În aer, undele sonore se propagă sub forma unei unde sferice divergente, care umple un volum din ce în ce mai mare, pe măsură ce vibrațiile particulelor cauzate de sursele de sunet sunt transferate în masa de aer. Cu toate acestea, pe măsură ce distanța crește, oscilațiile particulelor slăbesc. Se știe că pentru a crește distanța de transmisie, sunetul trebuie concentrat într-o direcție dată. Când vrem să fim auziți mai bine, punem palmele la gură sau folosim un corn. În acest caz, sunetul va fi mai puțin atenuat, iar undele sonore se vor propaga mai departe.

Pe măsură ce grosimea peretelui crește, sonarul la frecvențele medii joase crește, dar rezonanța „insidiosă” a coincidenței, care provoacă sufocarea sonarului, începe să apară, mai mult frecvente joase ah și captează o zonă mai largă a acestora.

1. Sursa sunetului poate fi orice corp care vibrează.

2. Cum circulă sunetul?

2. Sunetul se propagă sub formă de unde longitudinale în aer.

3. Se poate propaga sunetul într-un spațiu lipsit de materie?

3. Într-un spațiu lipsit de materie, sunetul nu se va propaga. Deoarece unda sonoră nu se poate propaga.

4. Oare vreun val care ajunge la urechea umană provoacă o senzație de sunet?

4. Nu, totul depinde de frecvența oscilațiilor în undă.

5. De ce nu sunt percepute ca sunete ale undei cauzate de bătăile inimii? Fluctuații ale volumului pulmonar în timpul respirației?

5. Undele cauzate de bătăile inimii și ale volumului pulmonar în timpul respirației nu sunt percepute ca sunete, deoarece frecvența lor este foarte scăzută (sub 20 Hz). De exemplu, în cazul bătăilor inimii, dacă luăm în considerare că pulsul uman mediu este de 100 de bătăi pe minut, obținem că frecvența bătăilor inimii este v ≈ 1,67 Hz, ceea ce este mult mai mic decât 20 Hz. Același lucru se întâmplă și în cazul fluctuațiilor volumului pulmonar în timpul respirației.

Conținutul articolului

SUNET ȘI ACUSTICĂ. Sunetul sunt vibrații, adică. perturbații mecanice periodice în medii elastice - gazoase, lichide și solide. Un astfel de scandal, care este ceva schimbare fizicaîntr-un mediu (de exemplu, o schimbare a densității sau a presiunii, deplasarea particulelor), se propagă în el sub forma unei unde sonore. Domeniul fizicii care se ocupă cu originea, propagarea, recepția și procesarea undelor sonore se numește acustică. Un sunet poate fi inaudibil dacă frecvența sa se află în afara intervalului de sensibilitate. urechea umană, sau se propagă într-un mediu, cum ar fi un solid, care nu poate avea contact direct cu urechea, sau energia sa este rapid disipată în mediu. Astfel, procesul obișnuit de percepție a sunetului pentru noi este doar o latură a acusticii.

UNDE SONORE

Luați în considerare o țeavă lungă plină cu aer. Din capătul din stânga, un piston atașat strâns de pereți este introdus în el (Fig. 1). Dacă pistonul este mișcat brusc spre dreapta și oprit, atunci aerul din imediata sa vecinătate va fi comprimat pentru un moment (Fig. 1, A). Apoi aerul comprimat se va extinde, împingând aerul adiacent acestuia în dreapta, iar zona de compresie, care a apărut inițial lângă piston, se va deplasa prin țeavă cu o viteză constantă (Fig. 1, b). Această undă de compresie este unda sonoră din gaz.

O undă sonoră într-un gaz se caracterizează prin exces de presiune, exces de densitate, deplasarea particulelor și viteza acestora. Pentru undele sonore, aceste abateri de la valorile de echilibru sunt întotdeauna mici. Astfel, presiunea în exces asociată cu valului este mult mai mică decât presiunea statică a gazului. Altfel, avem de-a face cu un alt fenomen - o undă de șoc. Într-o undă sonoră corespunzătoare vorbirii obișnuite, presiunea în exces este de doar aproximativ o milioneme presiune atmosferică.

Este important ca substanța să nu fie purtată de unda sonoră. O undă este doar o perturbare temporară care trece prin aer, după care aerul revine la o stare de echilibru.

Mișcarea valurilor, desigur, nu este exclusivă pentru sunet: semnalele luminoase și radio călătoresc sub formă de unde și toată lumea este familiarizată cu undele de pe suprafața apei. Toate tipurile de unde sunt descrise matematic de așa-numita ecuație a undelor.

unde armonice.

Valul din conductă din Fig. 1 se numește puls sonor. Un tip foarte important de undă este generat atunci când pistonul vibrează înainte și înapoi ca o greutate suspendată de un arc. Astfel de oscilații sunt numite armonice simple sau sinusoidale, iar unda excitată în acest caz se numește armonică.

Cu oscilații armonice simple, mișcarea se repetă periodic. Intervalul de timp dintre două stări identice de mișcare se numește perioadă de oscilație, iar numărul de perioade complete pe secundă se numește frecvență de oscilație. Să notăm perioada cu T, și frecvența prin f; atunci se poate scrie asta f= 1/T. Dacă, de exemplu, frecvența este de 50 de perioade pe secundă (50 Hz), atunci perioada este de 1/50 de secundă.

Oscilațiile armonice simple din punct de vedere matematic sunt descrise printr-o funcție simplă. Deplasarea pistonului cu oscilații armonice simple pentru orice moment de timp t poate fi scris sub forma

Aici d- deplasarea pistonului din poziția de echilibru și D este un multiplicator constant, care este egal cu valoarea maximă a mărimii dși se numește amplitudine de deplasare.

Să presupunem că pistonul oscilează conform formulei de oscilație armonică. Apoi, când se deplasează spre dreapta, are loc compresia, ca înainte, iar când se deplasează spre stânga, presiunea și densitatea vor scădea în raport cu valorile lor de echilibru. Nu există compresie, ci rarefiere a gazului. În acest caz, dreapta se va propaga, așa cum se arată în Fig. 2, un val de compresii și rarefacții alternante. În fiecare moment, curba de distribuție a presiunii de-a lungul lungimii conductei va avea forma unei sinusoide, iar această sinusoidă se va deplasa spre dreapta cu viteza sunetului. v. Distanța de-a lungul conductei dintre aceleași faze de undă (de exemplu, între maximele adiacente) se numește lungime de undă. Este de obicei notat cu litera greacă l(lambda). Lungime de undă l este distanța parcursă de val în timp T. De aceea l = televizor, sau v = lf.

Unde longitudinale și transversale.

Dacă particulele oscilează paralel cu direcția de propagare a undei, atunci unda se numește longitudinală. Dacă ele oscilează perpendicular pe direcția de propagare, atunci unda se numește transversală. Undele sonore în gaze și lichide sunt longitudinale. În solide, există valuri de ambele tipuri. O undă transversală într-un solid este posibilă datorită rigidității sale (rezistența la schimbarea formei).

Cea mai semnificativă diferență între aceste două tipuri de unde este că o undă de forfecare are proprietatea polarizare(oscilațiile au loc într-un anumit plan), dar cel longitudinal nu. În unele fenomene, cum ar fi reflectarea și transmiterea sunetului prin cristale, depinde mult de direcția deplasării particulelor, la fel ca în cazul undelor luminoase.

Viteza undelor sonore.

Viteza sunetului este o caracteristică a mediului în care se propagă unda. Este determinat de doi factori: elasticitatea și densitatea materialului. Proprietățile elastice ale solidelor depind de tipul deformației. Deci, proprietățile elastice ale unei tije metalice nu sunt aceleași în timpul torsirii, compresiei și îndoirii. Și oscilațiile corespunzătoare ale undelor se propagă la viteze diferite.

Un mediu elastic este unul în care deformarea, fie că este vorba de torsiune, compresie sau încovoiere, este proporțională cu forța care provoacă deformarea. Astfel de materiale sunt supuse legii lui Hooke:

Tensiune = Cґ Deformare relativă,

Unde CU este modulul de elasticitate, în funcție de material și tipul deformației.

Viteza sunetului v pentru un anumit tip de deformare elastică este dat de expresia

Unde r este densitatea materialului (masa pe unitatea de volum).

Viteza sunetului într-o tijă solidă.

O tijă lungă poate fi întinsă sau comprimată prin forță aplicată la capăt. Fie lungimea tijei L forța de întindere aplicată F, iar creșterea în lungime este D L. Valoarea D L/L vom numi deformarea relativă, iar forța pe unitate de suprafață a secțiunii transversale a tijei se va numi stres. Deci tensiunea este F/A, Unde A - zona secțională a tijei. Așa cum este aplicată unei astfel de lansete, legea lui Hooke are forma

Unde Y este modulul lui Young, adică modulul de elasticitate al tijei pentru întindere sau compresie, care caracterizează materialul tijei. Modulul Young este scăzut pentru materialele ușor de întins, cum ar fi cauciucul și ridicat pentru materialele rigide, cum ar fi oțelul.

Dacă acum excităm o undă de compresie în ea lovind capătul tijei cu un ciocan, atunci se va propaga cu o viteză , unde r, ca și înainte, este densitatea materialului din care este realizată tija. Valorile vitezelor undelor pentru unele materiale tipice sunt date în tabel. 1.

Tabelul 1. VITEZA SUNETULUI PENTRU DIFERITE TIPURI DE UNDE ÎN MATERIALE SOLIDE
Material	Unde longitudinale în probe solide extinse (m/s)	Unde de forfecare și torsiune (m/s)	Unde de compresie în tije (m/s)
Aluminiu
Alamă
Conduce
Fier
Argint
Oţel inoxidabil
Flintglass
Sticlă de coroană
plexiglas
Polietilenă
Polistiren

Valul considerat în tijă este o undă de compresie. Dar nu poate fi considerat strict longitudinal, deoarece mișcarea suprafeței laterale a tijei este asociată cu compresia (Fig. 3, A).

În tijă sunt posibile și alte două tipuri de valuri - o undă de îndoire (Fig. 3, b) și o undă de torsiune (Fig. 3, V). Deformațiile de încovoiere corespund unei undă care nu este nici pur longitudinală, nici pur transversală. Deformații de torsiune, de ex. rotație în jurul axei tijei, dă o undă pur transversală.

Viteza unei unde de îndoire într-o tijă depinde de lungimea de undă. Un astfel de val se numește „dispersiv”.

Undele de torsiune din tijă sunt pur transversale și nedispersive. Viteza lor este dată de formula

Unde m este modulul de forfecare care caracterizează proprietățile elastice ale materialului în raport cu forfecarea. Câteva viteze tipice ale undelor de forfecare sunt prezentate în Tabelul 1. 1.

Viteza în medii solide extinse.

În mediile solide de volum mare, unde influența limitelor poate fi neglijată, sunt posibile două tipuri de unde elastice: longitudinale și transversale.

Deformația într-o undă longitudinală este o deformație plană, adică. compresie unidimensională (sau rarefacție) în direcția de propagare a undei. Deformația corespunzătoare unei unde transversale este o deplasare de forfecare perpendiculară pe direcția de propagare a undei.

Viteza undelor longitudinale în materialele solide este dată de expresia

Unde C-L- modulul de elasticitate pentru deformarea plană simplă. Este legat de modulul vrac ÎN(care este definit mai jos) și modulul de forfecare m al materialului ca C L = B + 4/3m .În tabel. 1 arată valorile vitezelor undelor longitudinale pentru diferite materiale solide.

Viteza undelor de forfecare în mediile solide extinse este aceeași cu viteza undelor de torsiune într-o tijă din același material. Prin urmare, este dat de expresia . Valorile sale pentru materialele solide convenționale sunt date în tabel. 1.

viteza in gaze.

În gaze, este posibil un singur tip de deformare: compresie - rarefacție. Modulul de elasticitate corespunzător ÎN se numește modul în vrac. Este determinat de relație

-D P = B(D V/V).

Aici D P- schimbarea presiunii, D V/V – schimbare relativă volum. Semnul minus indică faptul că pe măsură ce presiunea crește, volumul scade.

Valoare ÎN depinde dacă temperatura gazului se modifică sau nu în timpul compresiei. In cazul unei unde sonore se poate arata ca presiunea se schimba foarte repede si caldura degajata in timpul compresiei nu are timp sa paraseasca sistemul. Astfel, schimbarea presiunii în unda sonoră are loc fără schimb de căldură cu particulele din jur. O astfel de schimbare se numește adiabatică. S-a stabilit că viteza sunetului într-un gaz depinde numai de temperatură. La o anumită temperatură, viteza sunetului este aproximativ aceeași pentru toate gazele. La o temperatură de 21,1 ° C, viteza sunetului în aer uscat este de 344,4 m / s și crește odată cu creșterea temperaturii.

Viteza in lichide.

Undele sonore din lichide sunt unde de compresie - rarefacție, ca în gaze. Viteza este dată de aceeași formulă. Cu toate acestea, un lichid este mult mai puțin compresibil decât un gaz și, prin urmare, cantitatea ÎN, mai mult și densitate r. Viteza sunetului în lichide este mai apropiată de viteza în solide decât în ​​gaze. Este mult mai mic decât în ​​gaze și depinde de temperatură. De exemplu, viteza în apă dulce este de 1460 m / s la 15,6 ° C. În apa de mare cu salinitate normală, este de 1504 m / s la aceeași temperatură. Viteza sunetului crește odată cu creșterea temperaturii apei și a concentrației de sare.

valuri stătătoare.

Atunci când o undă armonică este excitată într-un spațiu restrâns, astfel încât să sară în afara granițelor, apar așa-numitele unde staționare. O undă staționară este rezultatul suprapunerii a două unde care călătoresc una în direcția înainte și cealaltă în direcția opusă. Există un model de oscilații care nu se mișcă în spațiu, cu antinoduri și noduri alternative. La antinoduri, abaterile particulelor oscilante de la pozițiile lor de echilibru sunt maxime, iar la noduri sunt egale cu zero.

Unde stătătoare într-o sfoară.

Într-un șir întins, apar unde transversale, iar șirul este deplasat față de poziția sa inițială, rectilinie. Când fotografiați unde într-un șir, nodurile și antinodurile tonului fundamental și tonurilor sunt clar vizibile.

Imaginea undelor staţionare facilitează foarte mult analiza mişcărilor oscilatorii ale unui şir de o lungime dată. Să fie un șir de lungime L atașat la capete. Orice fel de vibrație a unui astfel de șir poate fi reprezentat ca o combinație de unde staționare. Deoarece capetele șirului sunt fixe, sunt posibile doar astfel de unde staționare care au noduri la punctele de limită. Cea mai joasă frecvență de vibrație a unei coarde corespunde lungimii de undă maxime posibile. Deoarece distanța dintre noduri este l/2, frecvența este minimă atunci când lungimea șirului este egală cu jumătate din lungimea de undă, adică la l= 2L. Acesta este așa-numitul mod fundamental de vibrație a corzilor. Frecvența ei corespunzătoare, numită frecvență fundamentală sau ton fundamental, este dată de f = v/2L, Unde v este viteza de propagare a undei de-a lungul șirului.

Există o serie întreagă de oscilații de frecvență mai mare care corespund undelor staționare cu mai multe noduri. Următoarea frecvență mai mare, care se numește a doua armonică sau prima harmonică, este dată de

f = v/L.

Succesiunea armonicilor este exprimată prin formula f = nv/2L, Unde n= 1, 2, 3, etc. Acesta este așa-numitul. frecvențele proprii ale vibrațiilor corzilor. Ele cresc proporțional cu numerele naturale: armonici mai mari în 2, 3, 4...etc. ori frecvența fundamentală. O astfel de serie de sunete se numește scară naturală sau armonică.

Toate acestea sunt de mare importanță în acustica muzicală, despre care vom discuta mai detaliat mai jos. Deocamdată, observăm că sunetul produs de o coardă conține toate frecvențele naturale. Contribuția relativă a fiecăruia dintre ele depinde de punctul în care sunt excitate vibrațiile corzii. Dacă, de exemplu, o coardă este ciupită în mijloc, atunci frecvența fundamentală va fi cea mai excitată, deoarece acest punct corespunde antinodului. A doua armonică va fi absentă, deoarece nodul său este situat în centru. Același lucru se poate spune despre alte armonice ( vezi mai jos acustica muzicala).

Viteza undelor din coardă este

Unde T - tensiunea corzilor și rL - masa pe unitatea de lungime a coardei. Prin urmare, spectrul de frecvență natural al șirului este dat de

Astfel, o creștere a tensiunii corzilor duce la o creștere a frecvențelor de vibrație. Pentru a reduce frecvența oscilațiilor la un dat T poți, luând o sfoară mai grea (mare rL) sau mărindu-i lungimea.

Unde stătătoare în țevi de orgă.

Teoria enunțată în legătură cu o coardă poate fi aplicată și vibrațiilor aerului dintr-o țeavă de tip organ. O țeavă de orgă poate fi privită simplist ca o țeavă dreaptă în care sunt excitate undele staționare. Conducta poate avea ambele capete închise și deschise. Un antinod al unei unde staționare are loc la capătul deschis, iar un nod are loc la capătul închis. Prin urmare, o țeavă cu două capete deschise are o frecvență fundamentală la care jumătate din lungimea de undă se potrivește pe lungimea țevii. O țeavă, pe de altă parte, în care un capăt este deschis și celălalt este închis, are o frecvență fundamentală la care un sfert din lungimea de undă se potrivește pe lungimea țevii. Astfel, frecvența fundamentală pentru o conductă deschisă la ambele capete este f =v/2L, iar pentru o conductă deschisă la un capăt, f = v/4L(Unde L este lungimea conductei). În primul caz, rezultatul este același ca și pentru șir: armonizările sunt duble, triple și așa mai departe. valoarea frecvenței fundamentale. Cu toate acestea, pentru o conductă deschisă la un capăt, tonurile vor fi mai mari decât frecvența fundamentală cu 3, 5, 7 etc. o singura data.

Pe fig. Figurile 4 și 5 prezintă schematic undele staționare ale frecvenței fundamentale și primul ton pentru conductele celor două tipuri considerate. Din motive de comoditate, decalajele sunt prezentate aici ca transversale, dar de fapt sunt longitudinale.

oscilații rezonante.

Undele staţionare sunt strâns legate de fenomenul de rezonanţă. Frecvențele naturale discutate mai sus sunt, de asemenea, frecvențele de rezonanță ale unei coarde sau ale unei țevi de orgă. Să presupunem că un difuzor este plasat lângă capătul deschis al țevii de orgă, emițând un semnal de o anumită frecvență, care poate fi schimbat după bunul plac. Apoi, dacă frecvența semnalului difuzorului coincide cu frecvența principală a conductei sau cu una dintre tonurile sale, conducta va suna foarte tare. Acest lucru se datorează faptului că difuzorul excită vibrațiile coloanei de aer cu o amplitudine semnificativă. Se spune că trompeta rezonează în aceste condiții.

Analiza Fourier și spectrul de frecvență al sunetului.

În practică, undele sonore de o singură frecvență sunt rare. Dar undele sonore complexe pot fi descompuse în armonici. Această metodă se numește analiză Fourier după matematicianul francez J. Fourier (1768–1830), care a fost primul care a aplicat-o (în teoria căldurii).

Un grafic al energiei relative a vibrațiilor sonore în funcție de frecvență se numește spectrul de frecvență al sunetului. Există două tipuri principale de astfel de spectre: discrete și continue. Spectrul discret constă din linii separate pentru frecvențe separate prin spații goale. Toate frecvențele sunt prezente în spectrul continuu din banda sa.

Vibrații sonore periodice.

Vibrațiile sonore sunt periodice dacă procesul oscilator, oricât de complex ar fi, se repetă după un anumit interval de timp. Spectrul său este întotdeauna discret și constă din armonici de o anumită frecvență. De aici și termenul de „analiza armonică”. Un exemplu sunt oscilațiile dreptunghiulare (Fig. 6, A) cu o modificare a amplitudinii de la +A inainte de - Ași punct T= 1/f. Un alt exemplu simplu este oscilația triunghiulară a dinților de ferăstrău prezentată în Fig. 6, b. Un exemplu de oscilații periodice de formă mai complexă cu componentele armonice corespunzătoare este prezentat în fig. 7.

Sunetele muzicale sunt vibrații periodice și, prin urmare, conțin armonici (harmonice). Am văzut deja că într-o coardă, împreună cu oscilațiile frecvenței fundamentale, alte armonice sunt excitate într-o măsură sau alta. Contribuția relativă a fiecărei tonuri depinde de modul în care este excitată șirul. Un set de tonuri în într-o mare măsură determinat timbru sunet muzical. Aceste probleme sunt discutate mai detaliat mai jos în secțiunea despre acustica muzicală.

Spectrul unui impuls sonor.

Varietatea obișnuită a sunetului este sunetul de scurtă durată: bătăi din palme, bătăi la ușă, sunetul unui obiect care cade pe podea, cucul de cuc. Astfel de sunete nu sunt nici periodice, nici muzicale. Dar ele pot fi și descompuse într-un spectru de frecvență. În acest caz, spectrul va fi continuu: pentru a descrie sunetul, sunt necesare toate frecvențele într-o anumită bandă, care poate fi destul de largă. Cunoașterea unui astfel de spectru de frecvență este necesară pentru a reproduce astfel de sunete fără distorsiuni, deoarece sistemul electronic corespunzător trebuie să „trece” toate aceste frecvențe la fel de bine.

Principalele caracteristici ale unui puls sonor pot fi clarificate luând în considerare un puls de formă simplă. Să presupunem că sunetul este o oscilație de durata D t, la care modificarea presiunii este așa cum se arată în Fig. 8, A. Un spectru de frecvență aproximativ pentru acest caz este prezentat în Fig. 8, b. Frecvența centrală corespunde vibrațiilor pe care le-am avea dacă același semnal ar fi extins la nesfârșit.

Lungimea spectrului de frecvență se numește lățime de bandă D f(Fig. 8, b). Lățimea de bandă este intervalul aproximativ de frecvențe necesare pentru a reproduce impulsul original fără distorsiuni excesive. Există o relație fundamentală foarte simplă între D f si D t, și anume

D f D t" 1.

Această relație este valabilă pentru toate impulsurile sonore. Semnificația sa este că, cu cât pulsul este mai scurt, cu atât conține mai multe frecvențe. Să presupunem că un sonar este utilizat pentru a detecta un submarin, care emite ultrasunete sub formă de impuls cu o durată de 0,0005 s și o frecvență a semnalului de 30 kHz. Lățimea de bandă este 1/0,0005 = 2 kHz, iar frecvențele conținute de fapt în spectrul pulsului de localizare se află în intervalul de la 29 la 31 kHz.

Zgomot.

Zgomotul se referă la orice sunet produs de surse multiple, necoordonate. Un exemplu este sunetul frunzelor copacilor legănate de vânt. Zgomotul motorului cu reacție se datorează turbulenței fluxului de evacuare de mare viteză. zgomot ca sunet enervant tratate la art. POLUAREA ACUSTICĂ A MEDIULUI.

Intensitatea sunetului.

Volumul sunetului poate varia. Este ușor de observat că acest lucru se datorează energiei transportate de unda sonoră. Pentru comparații cantitative ale volumului, este necesar să se introducă conceptul de intensitate a sunetului. Intensitatea unei unde sonore este definită ca fluxul mediu de energie printr-o unitate de suprafață a frontului de undă pe unitate de timp. Cu alte cuvinte, dacă luăm o singură zonă (de exemplu, 1 cm 2), care ar absorbi complet sunetul și o plasăm perpendicular pe direcția de propagare a undei, atunci intensitatea sunetului este egală cu energia acustică absorbită într-o secundă. . Intensitatea este de obicei exprimată în W/cm2 (sau W/m2).

Oferim valoarea acestei valori pentru unele sunete familiare. Amplitudinea suprapresiunii care apare în timpul unei conversații normale este de aproximativ o milioneme din presiunea atmosferică, ceea ce corespunde unei intensități acustice a sunetului de ordinul 10–9 W/cm 2 . Puterea totală a sunetului emis în timpul unei conversații normale este de ordinul a doar 0,00001 wați. Capacitatea urechii umane de a percepe energii atât de mici mărturisește sensibilitatea sa uimitoare.

Gama intensităților sunetului percepute de urechea noastră este foarte largă. Intensitatea sunet puternic pe care urechea îl poate suporta este de aproximativ 10 14 ori minim pe care îl poate auzi. Puterea deplină a surselor de sunet acoperă o gamă la fel de largă. Astfel, puterea emisă în timpul unei șoapte foarte liniștite poate fi de ordinul 10–9 W, în timp ce puterea emisă motor turboreactor, atinge 10 5 W. Din nou, intensitățile diferă cu un factor de 10 14.

Decibel.

Deoarece sunetele variază atât de mult ca intensitate, este mai convenabil să ne gândim la el ca o valoare logaritmică și să o măsuram în decibeli. Valoarea logaritmică a intensității este logaritmul raportului dintre valoarea considerată a cantității și valoarea sa, luată ca originală. Nivel de intensitate J cu privire la o intensitate aleasă condiționat J 0 este

Nivel de intensitate a sunetului = 10 lg ( J/J 0) dB.

Astfel, un sunet care este cu 20 dB mai intens decât altul este de 100 de ori mai intens.

În practica măsurătorilor acustice, se obișnuiește să se exprime intensitatea sunetului în termeni de amplitudine a suprapresiunii corespunzătoare. P e. Când presiunea este măsurată în decibeli în raport cu o presiune selectată în mod convențional R 0 , obțineți așa-numitul nivel de presiune sonoră. Deoarece intensitatea sunetului este proporțională cu magnitudinea P e 2 și lg( P e 2) = 2lg P e, nivelul presiunii acustice se determină după cum urmează:

Nivel de presiune acustică = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Presiunea nominală R 0 = 2×10–5 Pa corespunde pragului standard de auz pentru sunetul cu o frecvență de 1 kHz. În tabel. 2 arată nivelurile de presiune sonoră pentru unele surse de sunet obișnuite. Acestea sunt valori integrale obținute prin medierea întregului interval audibil frecvente.

Tabelul 2. NIVELURI TIPICE DE PRESIUNE A FOND
Sursa de sunet	Nivelul presiunii sonore, dB (rel. 2H 10–5 Pa)
magazin de ștanțare
Sala motoarelor la bord
Magazin de tors și țesut
Într-un vagon de metrou
Într-o mașină în timp ce conduceți în trafic
Biroul de dactilografiere
Contabilitate
Birou
spaţii de locuit
Zona rezidentiala noaptea
studio de difuzare

Volum.

Nivelul presiunii sonore nu este asociat cu o simplă relație cu percepția psihologică a zgomotului. Primul dintre acești factori este obiectiv, iar al doilea este subiectiv. Experimentele arată că percepția sunetului depinde nu numai de intensitatea sunetului, ci și de frecvența acestuia și de condițiile experimentale.

Nu se pot compara volumele de sunete care nu sunt legate de condițiile de comparație. Totuși, comparația tonurilor pure este de interes. Pentru a face acest lucru, determinați nivelul de presiune sonoră la care un anumit ton este perceput la fel de puternic ca un ton standard cu o frecvență de 1000 Hz. Pe fig. 9 prezintă curbele de volum egale obținute în experimentele lui Fletcher și Manson. Pentru fiecare curbă, este indicat nivelul de presiune sonoră corespunzător al unui ton standard de 1000 Hz. De exemplu, la o frecvență a tonului de 200 Hz, este necesar un nivel de sunet de 60 dB pentru a fi perceput ca fiind egal cu un ton de 1000 Hz cu un nivel de presiune sonoră de 50 dB.

Aceste curbe sunt folosite pentru a defini zumzetul, o unitate de volum care se măsoară și în decibeli. Fundalul este nivelul volumului sunetului pentru care nivelul presiunii sonore a unui ton pur standard la fel de puternic (1000 Hz) este de 1 dB. Deci, un sunet cu o frecvență de 200 Hz la un nivel de 60 dB are un nivel de volum de 50 de foni.

Curba inferioară din fig. 9 este curba pragului auditiv al unei urechi bune. Gama de frecvențe audibile se extinde de la aproximativ 20 la 20.000 Hz.

Propagarea undelor sonore.

Asemenea valurilor dintr-o pietricică aruncată în apă plată, undele sonore se propagă în toate direcțiile. Este convenabil să se caracterizeze un astfel de proces de propagare ca un front de undă. Un front de undă este o suprafață în spațiu, în toate punctele căreia au loc oscilații în aceeași fază. Fronturile de valuri de la o pietricică care a căzut în apă sunt cercuri.

Valuri plate.

Frontul de undă al formei celei mai simple este plat. O undă plană se propagă într-o singură direcție și este o idealizare care se realizează doar aproximativ în practică. O undă sonoră într-o țeavă poate fi considerată aproximativ plată, la fel ca o undă sferică la o distanță mare de sursă.

unde sferice.

LA tipuri simple undele pot fi atribuite și unei undă cu front sferic, care emană dintr-un punct și se propagă în toate direcțiile. O astfel de undă poate fi excitată folosind o mică sferă pulsatorie. O sursă care excită o undă sferică se numește sursă punctiformă. Intensitatea unei astfel de unde scade pe măsură ce se propagă, pe măsură ce energia este distribuită pe o sferă cu rază din ce în ce mai mare.

Dacă o sursă punctiformă care produce o undă sferică radiază o putere de 4 pQ, apoi, deoarece aria suprafeței unei sfere cu o rază r este egal cu 4 relatii cu publicul 2, intensitatea sunetului într-o undă sferică este egală cu

J = Q/r 2 ,

Unde r este distanța de la sursă. Astfel, intensitatea unei unde sferice scade invers cu pătratul distanței de la sursă.

Intensitatea oricărei unde sonore în timpul propagării sale scade din cauza absorbției sunetului. Acest fenomen va fi discutat mai jos.

Principiul Huygens.

Principiul Huygens este valabil pentru propagarea frontului de undă. Pentru a o clarifica, să luăm în considerare forma frontului de undă cunoscută la un moment dat în timp. Poate fi găsit chiar și după un timp D t, dacă fiecare punct al frontului inițial de undă este considerat ca o sursă a unei unde sferice elementare care se propagă pe acest interval la o distanță v D t. Învelișul tuturor acestor fronturi elementare de undă sferică va fi noul front de undă. Principiul lui Huygens face posibilă determinarea formei frontului de undă pe tot parcursul procesului de propagare. De asemenea, implică faptul că undele, atât plane, cât și sferice, își păstrează geometria în timpul propagării, cu condiția ca mediul să fie omogen.

difracția sunetului.

Difracția este unda care se îndoaie în jurul unui obstacol. Difracția este analizată folosind principiul Huygens. Gradul acestei îndoiri depinde de relația dintre lungimea de undă și dimensiunea obstacolului sau găurii. Deoarece lungimea de undă a undelor sonore este de multe ori mai mare decât cea a luminii, difracția undelor sonore ne surprinde mai puțin decât difracția luminii. Așadar, poți vorbi cu cineva care stă după colțul clădirii, deși nu este vizibil. Unda sonoră se îndoaie cu ușurință în jurul colțului, în timp ce lumina, datorită dimensiunii mici a lungimii de undă, creează umbre ascuțite.

Luați în considerare difracția unei unde sonore plane incidente pe un ecran plat solid cu o gaură. Pentru a determina forma frontului de undă de pe cealaltă parte a ecranului, trebuie să cunoașteți relația dintre lungimea de undă lși diametrul găurii D. Dacă aceste valori sunt aproximativ aceleași sau l mult mai mult D, atunci se obține difracția completă: frontul de undă al undei de ieșire va fi sferic, iar unda va ajunge în toate punctele din spatele ecranului. Dacă l ceva mai putin D, atunci unda de ieșire se va propaga predominant în direcția înainte. Și în sfârșit, dacă l mult mai putin D, atunci toată energia sa se va propaga în linie dreaptă. Aceste cazuri sunt prezentate în Fig. 10.

Difracția se observă și atunci când există un obstacol în calea sunetului. Dacă dimensiunile obstacolului sunt mult mai mari decât lungimea de undă, atunci sunetul este reflectat și se formează o zonă de umbră acustică în spatele obstacolului. Când dimensiunea obstacolului este comparabilă cu sau mai mică decât lungimea de undă, sunetul difractează într-o oarecare măsură în toate direcțiile. Acest lucru este luat în considerare în acustica arhitecturală. Deci, de exemplu, uneori pereții unei clădiri sunt acoperiți cu proeminențe cu dimensiuni de ordinul lungimii de undă a sunetului. (La o frecvență de 100 Hz, lungimea de undă în aer este de aproximativ 3,5 m.) În acest caz, sunetul, căzând pe pereți, este împrăștiat în toate direcțiile. În acustica arhitecturală, acest fenomen se numește difuzie a sunetului.

Reflectarea și transmiterea sunetului.

Când o undă sonoră care călătorește într-un mediu este incidentă pe o interfață cu un alt mediu, trei procese pot avea loc simultan. Unda poate fi reflectată de la interfață, poate trece într-un alt mediu fără a schimba direcția sau poate schimba direcția la interfață, de exemplu. refracta. Pe fig. 11 prezintă cel mai simplu caz, când o undă plană este incidentă în unghi drept cu o suprafață plană care separă două diverse substanțe. Dacă coeficientul de reflexie a intensității, care determină proporția energiei reflectate, este egal cu R, atunci coeficientul de transmisie va fi egal cu T = 1 – R.

Pentru o undă sonoră, raportul dintre presiunea în exces și viteza volumetrică vibrațională se numește impedanță acustică. Coeficienții de reflexie și transmisie depind de raportul dintre impedanțele de undă ale celor două medii, impedanțele de undă, la rândul lor, sunt proporționale cu impedanțele acustice. Rezistența la undă a gazelor este mult mai mică decât cea a lichidelor și solidelor. Deci, dacă o undă în aer lovește un obiect solid gros sau suprafața apei adânci, sunetul este aproape complet reflectat. De exemplu, pentru limita aerului și apei, raportul rezistențelor undelor este 0,0003. În consecință, energia sunetului care trece din aer în apă este egală cu doar 0,12% din energia incidentă. Coeficientii de reflexie si transmisie sunt reversibile: coeficientul de reflexie este coeficientul de transmisie in sens invers. Astfel, sunetul practic nu pătrunde nici din aer în bazinul de apă, nici de sub apă în exterior, lucru binecunoscut tuturor celor care au înotat sub apă.

În cazul reflexiei luate în considerare mai sus, s-a presupus că grosimea celui de-al doilea mediu pe direcția de propagare a undei este mare. Dar coeficientul de transmisie va fi semnificativ mai mare dacă al doilea mediu este un perete care separă două medii identice, cum ar fi un despărțitor solid între camere. Faptul este că grosimea peretelui este de obicei mai mică decât lungimea de undă a sunetului sau comparabilă cu aceasta. Dacă grosimea peretelui este un multiplu al jumătate din lungimea de undă a sunetului din perete, atunci coeficientul de transmisie al undei la incidența perpendiculară este foarte mare. Deflectorul ar fi absolut transparent la sunetul acestei frecvențe dacă nu ar fi absorbția, ceea ce o neglijăm aici. Dacă grosimea peretelui este mult mai mică decât lungimea de undă a sunetului din acesta, atunci reflexia este întotdeauna mică, iar transmisia este mare, cu excepția cazului în care se iau măsuri speciale pentru a crește absorbția sunetului.

refracția sunetului.

Când o undă sonoră plană este incidentă la un unghi pe o interfață, unghiul de reflexie a acesteia este egal cu unghiul de incidență. Unda transmisă se abate de la direcția undei incidente dacă unghiul de incidență este diferit de 90°. Această schimbare a direcției undei se numește refracție. Geometria refracției la o limită plană este prezentată în Fig. 12. Sunt indicate unghiurile dintre direcția undelor și normala la suprafață q 1 pentru valul incident și q 2 - pentru trecutul refractat. Relația dintre aceste două unghiuri include doar raportul dintre vitezele sunetului pentru cele două medii. Ca și în cazul undelor luminoase, aceste unghiuri sunt legate între ele prin legea Snell (Snell):

Astfel, dacă viteza sunetului în al doilea mediu este mai mică decât în ​​primul, atunci unghiul de refracție va fi mai mic decât unghiul de incidență; dacă viteza în al doilea mediu este mai mare, atunci unghiul de refracție va fi mai mare. decât unghiul de incidență.

Refractie datorata gradientului de temperatura.

Dacă viteza sunetului într-un mediu neomogen se modifică continuu de la un punct la altul, atunci se modifică și refracția. Deoarece viteza sunetului atât în ​​aer cât și în apă depinde de temperatură, în prezența unui gradient de temperatură, undele sonore își pot schimba direcția de mișcare. În atmosferă și ocean, datorită stratificării orizontale, se observă frecvent gradienți verticali de temperatură. Prin urmare, din cauza modificărilor vitezei sunetului de-a lungul verticală, datorită gradienților de temperatură, unda sonoră poate fi deviată fie în sus, fie în jos.

Să luăm în considerare cazul când aerul este mai cald într-un loc lângă suprafața Pământului decât în ​​straturile superioare. Apoi, pe măsură ce altitudinea crește, temperatura aerului de aici scade și, odată cu aceasta, scade și viteza sunetului. Sunetul emis de o sursă de lângă suprafața Pământului va crește din cauza refracției. Acest lucru este prezentat în fig. 13, care arată „grinzile” sonore.

Deviația razelor de sunet prezentată în fig. 13 este în general descris de legea lui Snell. Dacă prin q, ca mai înainte, notează unghiul dintre verticală și direcția radiației, atunci legea lui Snell generalizată are forma de egalitate sin q/v= const referitor la orice punct al grinzii. Astfel, dacă fasciculul trece în regiunea în care viteza v scade, apoi unghiul q ar trebui, de asemenea, să scadă. Prin urmare, fasciculele sonore sunt întotdeauna deviate în direcția scăderii vitezei sunetului.

Din fig. 13 se poate observa că există o regiune situată la o oarecare distanţă de sursă, în care razele sonore nu pătrund deloc. Aceasta este așa-numita zonă de tăcere.

Este foarte posibil ca undeva la o înălțime mai mare decât cea prezentată în Fig. 13, datorită gradientului de temperatură, viteza sunetului crește odată cu înălțimea. În acest caz, unda sonoră deviată inițial în sus se va abate aici către suprafața Pământului prin departe. Acest lucru se întâmplă atunci când în atmosferă se formează un strat de inversare a temperaturii, rezultând posibila receptie ultra-lung semnale sonore. În același timp, calitatea recepției în punctele îndepărtate este chiar mai bună decât în ​​apropiere. Au existat multe exemple de recepție cu rază ultra-lungă în istorie. De exemplu, în timpul Primului Război Mondial, când conditiile atmosferice favorizată de refracția corespunzătoare a sunetului, tunul de pe frontul francez se auzea în Anglia.

Refracția sunetului sub apă.

Refracția sunetului din cauza schimbărilor verticale de temperatură se observă și în ocean. Dacă temperatura și, prin urmare, viteza sunetului, scade odată cu adâncimea, razele sonore sunt deviate în jos, rezultând o zonă de liniște similară cu cea prezentată în Fig. 13 pentru atmosferă. Pentru ocean, imaginea corespunzătoare se va dovedi dacă această imagine este pur și simplu răsturnată.

Prezența zonelor de liniște face dificilă detectarea submarinelor cu sonar, iar refracția, care deviază undele sonore în jos, limitează semnificativ domeniul lor de propagare în apropierea suprafeței. Cu toate acestea, se observă și deviație în sus. Ea poate crea mai mult conditii favorabile pentru hidrolocalizare.

Interferența undelor sonore.

suprapunerea a doi sau Mai mult undele se numesc interferenta undelor.

Unde staţionare ca urmare a interferenţelor.

Undele staționare de mai sus sunt un caz special de interferență. Undele stătătoare se formează ca urmare a suprapunerii a două unde de aceeași amplitudine, fază și frecvență, care se propagă în direcții opuse.

Amplitudinea la antinoduri ale unei unde staționare este egală cu dublul amplitudinii fiecăreia dintre unde. Deoarece intensitatea undei este proporțională cu pătratul amplitudinii sale, aceasta înseamnă că intensitatea la antinoduri este de 4 ori mai mare decât intensitatea fiecăreia dintre unde, sau de 2 ori mai mare decât intensitatea totală a celor două unde. Nu există nicio încălcare a legii conservării energiei aici, deoarece la noduri intensitatea este zero.

bate.

Este de asemenea posibilă interferența undelor armonice de diferite frecvențe. Când două frecvențe diferă puțin, apar așa-numitele bătăi. Bătăile sunt modificări ale amplitudinii sunetului care apar la o frecvență egală cu diferența dintre frecvențele inițiale. Pe fig. 14 arată forma de undă de ritm.

Trebuie avut în vedere că frecvența bătăilor este frecvența modulației în amplitudine a sunetului. De asemenea, bătăile nu trebuie confundate cu diferența de frecvență rezultată din distorsiunea unui semnal armonic.

Beats sunt adesea folosite atunci când acordați două tonuri la unison. Frecvența este reglată până când bătăile nu mai sunt auzite. Chiar dacă frecvența bătăilor este foarte scăzută, urechea umană capabil să surprindă creșterea și scăderea periodică a volumului sunetului. Prin urmare, bătăile sunt o metodă de acordare foarte sensibilă în domeniul audio. Dacă setarea nu este exactă, atunci diferența de frecvență poate fi determinată după ureche, numărând numărul de bătăi într-o secundă. În muzică, bătăile componentelor armonice mai înalte sunt percepute și de ureche, care este folosită la acordarea pianului.

Absorbția undelor sonore.

Intensitatea undelor sonore în procesul de propagare a acestora scade întotdeauna datorită faptului că o anumită parte energia acustică este disipată. Datorită proceselor de transfer de căldură, interacțiune intermoleculară și frecare internă, undele sonore sunt absorbite în orice mediu. Intensitatea absorbției depinde de frecvența undei sonore și de alți factori precum presiunea și temperatura mediului.

Absorbția unei unde într-un mediu este caracterizată cantitativ de coeficientul de absorbție A. Arată cât de repede scade excesul de presiune în funcție de distanța parcursă de unda care se propagă. Scăderea amplitudinii suprapresiunii –D P e la trecerea distanței D X proporţional cu amplitudinea suprapresiunii iniţiale P e si distanta D X. Prin urmare,

-D P e = a P e D X.

De exemplu, când spunem că pierderea de absorbție este de 1 dB/m, asta înseamnă că la o distanță de 50 m nivelul presiunii acustice este redus cu 50 dB.

Absorbție datorită frecării interne și conducerii căldurii.

În timpul mișcării particulelor asociate cu propagarea unei unde sonore, frecarea dintre diferitele particule ale mediului este inevitabilă. În lichide și gaze, această frecare se numește vâscozitate. Vâscozitatea, care determină conversia ireversibilă a energiei undelor acustice în căldură, este principalul motiv pentru absorbția sunetului în gaze și lichide.

În plus, absorbția în gaze și lichide se datorează pierderii de căldură în timpul compresiei în val. Am spus deja că în timpul trecerii undei, gazul în faza de compresie se încălzește. În acest proces cu curgere rapidă, căldura nu are de obicei timp să fie transferată în alte regiuni ale gazului sau pe pereții vasului. Dar, în realitate, acest proces nu este ideal și o parte din energia termică eliberată părăsește sistemul. Asociată cu aceasta este absorbția sunetului datorită conducției căldurii. O astfel de absorbție are loc în undele de compresie în gaze, lichide și solide.

Absorbția sunetului, datorită atât viscozității, cât și conductivității termice, crește în general cu pătratul frecvenței. Astfel, sunetele de înaltă frecvență sunt absorbite mult mai puternic decât sunetele de joasă frecvență. De exemplu, când presiune normală si temperatura, coeficientul de absorbtie (datorita ambelor mecanisme) la o frecventa de 5 kHz in aer este de aproximativ 3 dB/km. Deoarece absorbția este proporțională cu pătratul frecvenței, coeficientul de absorbție la 50 kHz este de 300 dB/km.

Absorbția în solide.

Mecanismul de absorbție a sunetului datorat conductivității termice și vâscozității, care are loc în gaze și lichide, se păstrează și în solide. Totuși, aici i se adaugă noi mecanisme de absorbție. Ele sunt asociate cu defecte în structura solidelor. Ideea este că policristalin materiale dure constau din cristalite mici; când sunetul trece prin ele, apar deformații, ducând la absorbția energiei sonore. Sunetul este împrăștiat și la granițele cristalitelor. În plus, chiar și cristalele simple conțin defecte de tip dislocare care contribuie la absorbția sunetului. Dislocațiile sunt încălcări ale coordonării planurilor atomice. Când unda sonoră face ca atomii să vibreze, dislocațiile se mișcă și apoi revin la poziția inițială, disipând energia datorită frecării interne.

Absorbția din cauza luxațiilor explică, în special, de ce clopoțelul de plumb nu sună. Plumbul este un metal moale cu o mulțime de dislocații și, prin urmare, vibrațiile sonore din el se degradează extrem de rapid. Dar va suna bine dacă este răcit cu aer lichid. La temperaturi scăzute, dislocațiile sunt „înghețate” într-o poziție fixă ​​și, prin urmare, nu se mișcă și nu transformă energia sonoră în căldură.

ACUSTICĂ MUZICALĂ

Sunete muzicale.

Acustica muzicală studiază trăsăturile sunetelor muzicale, caracteristicile lor legate de modul în care le percepem și mecanismele sunetului. instrumente muzicale.

Sunetul sau tonul muzical este un sunet periodic, de exemplu. fluctuaţii care se repetă iar şi iar după o anumită perioadă. S-a spus mai sus că sunetul periodic poate fi reprezentat ca suma oscilațiilor cu frecvențe care sunt multipli ai frecvenței fundamentale. f: 2f, 3f, 4f etc. S-a remarcat, de asemenea, că corzile vibrante și coloanele de aer emit sunete muzicale.

Sunetele muzicale se disting prin trei caracteristici: volum, înălțime și timbru. Toți acești indicatori sunt subiectivi, dar pot fi asociați cu valorile măsurate. Loudness este legată în principal de intensitatea sunetului; înălțimea sunetului, care îi caracterizează poziția în sistemul muzical, este determinată de frecvența tonului; timbrul, prin care un instrument sau voce diferă de altul, se caracterizează prin distribuția energiei peste armonici și modificarea acestei distribuții în timp.

Tonalitatea sunetului.

Înălțimea unui sunet muzical este strâns legată de frecvență, dar nu identică cu aceasta, deoarece evaluarea înălțimii este subiectivă.

Deci, de exemplu, s-a constatat că estimarea înălțimii unui sunet cu o singură frecvență depinde oarecum de nivelul zgomotului său. Cu o creștere semnificativă a volumului, să zicem 40 dB, frecvența aparentă poate scădea cu 10%. În practică, această dependență de zgomot nu contează, deoarece sunetele muzicale sunt mult mai complexe decât sunetul cu o singură frecvență.

În ceea ce privește relația dintre înălțimea și frecvența, altceva este mai semnificativ: dacă sunetele muzicale sunt formate din armonici, atunci cu ce frecvență este asociată înălțimea percepută? Se pare că aceasta poate să nu fie frecvența care corespunde energiei maxime și nu cea mai joasă frecvență din spectru. Deci, de exemplu, un sunet muzical format dintr-un set de frecvențe de 200, 300, 400 și 500 Hz este perceput ca un sunet cu o înălțime de 100 Hz. Adică, înălțimea este asociată cu frecvența fundamentală a seriei armonice, chiar dacă nu se află în spectrul sunetului. Adevărat, cel mai adesea frecvența fundamentală este prezentă într-o oarecare măsură în spectru.

Vorbind despre relația dintre înălțimea unui sunet și frecvența acestuia, nu ar trebui să uităm de caracteristici organ uman auz. Acesta este un receptor acustic special care introduce propriile distorsiuni (ca să nu mai vorbim de faptul că există aspecte psihologice și subiective ale auzului). Urechea este capabilă să selecteze unele frecvențe, în plus, unda sonoră suferă distorsiuni neliniare în ea. Selectivitatea în frecvență se datorează diferenței dintre intensitatea sunetului și intensitatea acestuia (Fig. 9). Este mai dificil de explicat distorsiunile neliniare, care sunt exprimate în apariția frecvențelor care sunt absente în semnalul original. Neliniaritatea reacției urechii se datorează asimetriei mișcării diferitelor sale elemente.

Una dintre caracteristicile unui sistem de recepție neliniar este că atunci când este excitat de sunet cu o frecvență f 1 tonuri armonice sunt excitate în ea 2 f 1 , 3f 1 ,..., iar în unele cazuri și subarmonici de tip 1/2 f 1 . În plus, atunci când un sistem neliniar este excitat de două frecvențe f 1 și f 2, frecvențele suma și diferența sunt excitate în el f 1 + f 2 Și f 1 - f 2. Cu cât amplitudinea oscilațiilor inițiale este mai mare, cu atât este mai mare contribuția frecvențelor „extra”.

Astfel, din cauza neliniarității caracteristicilor acustice ale urechii, pot apărea frecvențe care sunt absente în sunet. Astfel de frecvențe sunt numite tonuri subiective. Să presupunem că sunetul este format din tonuri pure cu frecvențe de 200 și 250 Hz. Datorită neliniarității răspunsului vor apărea frecvențe suplimentare 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz etc. Ascultătorului i se va părea că există un întreg set de frecvențe combinate în sunet, dar aspectul lor se datorează de fapt răspunsului neliniar al urechii. Când un sunet muzical constă dintr-o frecvență fundamentală și armonicile ei, este evident că frecvența fundamentală este amplificată efectiv de frecvențele diferențiale.

Adevărat, studiile au arătat că frecvențele subiective apar doar la o amplitudine suficient de mare a semnalului original. Prin urmare, este posibil ca în trecut rolul frecvențelor subiective în muzică să fi fost mult exagerat.

Standarde muzicale și măsurarea înălțimii sunetului muzical.

În istoria muzicii, sunetele de diferite frecvențe au fost luate ca ton principal, care determină întreaga structură muzicală. Acum, frecvența general acceptată pentru nota „la” a primei octave este de 440 Hz. Dar în trecut s-a schimbat de la 400 la 462 Hz.

Modul tradițional de a determina înălțimea unui sunet este de a-l compara cu tonul unui diapazon standard. Abaterea frecvenței unui sunet dat de la standard este judecată de prezența bătăilor. Diapasoanele sunt încă folosite astăzi, deși acum există dispozitive mai convenabile pentru determinarea înălțimii, cum ar fi un oscilator de referință de frecvență stabil (cu un rezonator cu cuarț), care poate fi reglat fără probleme în întreaga gamă de sunet. Adevărat, calibrarea exactă a unui astfel de dispozitiv este destul de dificilă.

Metoda stroboscopică de măsurare a înălțimii este utilizată pe scară largă, în care sunetul unui instrument muzical stabilește frecvența fulgerelor unei lămpi stroboscopice. Lampa luminează un model pe un disc care se rotește la o frecvență cunoscută, iar frecvența fundamentală a tonului este determinată din frecvența aparentă de mișcare a modelului de pe disc sub iluminare stroboscopică.

Urechea este foarte sensibilă la modificarea înălțimii, dar sensibilitatea sa depinde de frecvență. Este maxim în apropierea pragului inferior al audibilității. Chiar și o ureche neantrenată poate detecta doar 0,3% diferență de frecvențe între 500 și 5000 Hz. Sensibilitatea poate fi crescută prin antrenament. Muzicienii au un simț al înălțimii foarte dezvoltat, dar acest lucru nu ajută întotdeauna la determinarea frecvenței tonului pur produs de oscilatorul de referință. Acest lucru sugerează că atunci când se determină frecvența unui sunet după ureche, timbrul acestuia joacă un rol important.

Timbru.

Timbre se referă la acele caracteristici ale sunetelor muzicale care conferă instrumentelor muzicale și vocilor specificitatea lor unică, chiar dacă comparăm sunete de aceeași înălțime și volum. Aceasta este, ca să spunem așa, calitatea sunetului.

Timbrul depinde de spectrul de frecvență al sunetului și de schimbarea acestuia în timp. Este determinată de mai mulți factori: distribuția energiei peste tonuri, frecvențele care apar în momentul în care sunetul apare sau se oprește (așa-numitele tonuri de tranziție) și decăderea lor, precum și modularea lentă a amplitudinii și frecvenței a sunetului. sunet („vibrato”).

intensitatea tonului.

Luați în considerare o sfoară întinsă, care este excitată de o strângere în partea sa din mijloc (Fig. 15, A). Deoarece toate armonicile pare au noduri în mijloc, acestea vor fi absente, iar oscilațiile vor consta din armonici impare cu frecvența fundamentală egală cu f 1 = v/2l, Unde v- viteza undei în coardă și l este lungimea lui. Astfel, vor fi prezente doar frecvențele f 1 , 3f 1 , 5f 1 etc. Amplitudinile relative ale acestor armonici sunt prezentate în Fig. 15, b.

Acest exemplu ne permite să facem următoarele importante concluzie generală. Setul de armonici ale unui sistem rezonant este determinat de configurația sa, iar distribuția energiei peste armonici depinde de metoda de excitare. Când coarda este excitată în mijlocul său, frecvența fundamentală domină și armonicile pare sunt complet suprimate. Dacă coarda este fixată în partea de mijloc și ciupită în alt loc, atunci frecvența fundamentală și armonicile impare vor fi suprimate.

Toate acestea se aplică altor instrumente muzicale cunoscute, deși detaliile pot fi foarte diferite. Instrumentele au de obicei o cavitate de aer, o placă de sunet sau un claxon pentru a emite sunet. Toate acestea determină structura tonurilor și aspectul formanților.

Formanții.

După cum am menționat mai sus, calitatea sunetului instrumentelor muzicale depinde de distribuția energiei între armonici. Atunci când se schimbă înălțimea multor instrumente, și în special vocea umană, distribuția armonicilor se modifică, astfel încât acordurile principale sunt întotdeauna situate în aproximativ aceeași gamă de frecvență, care se numește gama formanților. Unul dintre motivele existenței formanților este utilizarea elementelor rezonante pentru amplificarea sunetului, cum ar fi plăcile de sunet și rezonatoarele de aer. Lățimea rezonanțelor naturale este de obicei mare, datorită căreia eficiența radiației la frecvențele corespunzătoare este mai mare. Pentru instrumentele de alamă, formanții sunt determinați de clopotul din care este emis sunetul. Tonurile care se încadrează în intervalul formanților sunt întotdeauna puternic accentuate, deoarece sunt emise cu energie maximă. Formanții determină în mare măsură caracteristica caracteristici de calitate sunetele unui instrument muzical sau ale unei voci.

Schimbarea tonurilor în timp.

Tonul sunetului oricărui instrument rămâne rareori constant în timp, iar timbrul este legat în esență de acest lucru. Chiar și atunci când instrumentul susține o notă lungă, există o ușoară modulare periodică a frecvenței și amplitudinii, îmbogățind sunetul - „vibrato”. Acest lucru este valabil mai ales pentru instrumentele cu coarde precum vioara și pentru vocea umană.

Pentru multe instrumente, cum ar fi pianul, durata sunetului este de așa natură încât un ton constant nu are timp să se formeze - sunetul excitat crește rapid, iar apoi urmează decăderea rapidă a acestuia. Deoarece decăderea tonurilor se datorează de obicei efectelor dependente de frecvență (cum ar fi radiația acustică), este clar că distribuția tonurilor se modifică pe parcursul unui ton.

Natura modificării tonului în timp (rata de creștere și scădere a sunetului) pentru unele instrumente este prezentată schematic în Fig. 18. După cum puteți vedea, instrumentele cu coarde (cipit și clape) aproape că nu au un ton constant. În astfel de cazuri, este posibil să vorbim despre spectrul de tonuri numai condiționat, deoarece sunetul se schimbă rapid în timp. Caracteristicile de ridicare și cădere sunt, de asemenea, o parte importantă a timbrului acestor instrumente.

tonuri de tranziție.

Compoziția armonică a unui ton se schimbă de obicei rapid un timp scurt după stimularea sonoră. La acele instrumente în care sunetul este excitat prin lovirea coardelor sau prin ciupire, energia atribuită armonicilor superioare (precum și numeroaselor componente nearmonice) este maximă imediat după începerea sunetului și după o fracțiune de secundă aceste frecvențe. decolorare. Astfel de sunete, numite de tranziție, dau o colorare specifică sunetului instrumentului. La pian, acestea sunt cauzate de acțiunea ciocanului care lovește coarda. Uneori, instrumentele muzicale cu aceeași structură de harmonică pot fi distinse doar prin tonuri de tranziție.

SUNETUL INSTRUMENTELOR MUZICALE

Sunetele muzicale pot fi excitate și modificate în multe feluri și, prin urmare, instrumentele muzicale se disting printr-o varietate de forme. Instrumentele au fost în mare parte create și îmbunătățite de muzicieni înșiși și de meșteri pricepuți care nu au recurs la teorie științifică. Prin urmare, știința acustică nu poate explica, de exemplu, de ce o vioară are o astfel de formă. Cu toate acestea, este destul de posibil să descriem proprietățile sunetului unei viori în termeni de principii generale jocuri pe ea și desenele sale.

Gama de frecvență a unui instrument este de obicei înțeleasă ca gama de frecvență a tonurilor sale fundamentale. Vocea umană acoperă aproximativ două octave și un instrument muzical - cel puțin trei (o orgă mare - zece). În cele mai multe cazuri, tonurile se extind până la marginea intervalului de sunet audibil.

Instrumentele muzicale au trei părți principale: un element oscilant, un mecanism de excitare a acestuia și un rezonator auxiliar (claxon sau placă de sunet) pentru comunicarea acustică între elementul oscilant și aerul din jur.

Sunetul muzical este periodic în timp, iar sunetele periodice sunt compuse dintr-o serie de armonice. Deoarece frecvențele naturale ale vibrațiilor corzilor și coloanelor de aer de lungime fixă ​​sunt legate armonic, în multe instrumente principalele elemente vibratoare sunt corzile și coloanele de aer. Cu câteva excepții (flautul este unul dintre ele), sunetul cu o singură frecvență nu poate fi preluat de instrumente. Când vibratorul principal este excitat, apare un sunet care conține tonuri. Unele vibratoare, frecvențele de rezonanță nu sunt componente armonice. Instrumente de acest fel (de exemplu, tobe și chimvale) sunt folosite în muzica orchestrală pentru expresivitate deosebită și accent pe ritm, dar nu pentru dezvoltarea melodică.

Instrumente cu coarde.

În sine, o coardă care vibra este un emițător slab de sunet și, prin urmare, un instrument cu coarde trebuie să aibă un rezonator suplimentar pentru a excita un sunet de intensitate vizibilă. Poate fi un volum închis de aer, o punte sau o combinație a ambelor. Natura sunetului instrumentului este determinată și de modul în care sunt excitate corzile.

Am văzut mai devreme că frecvența fundamentală de oscilație a unui șir fix de lungime L este dat de

Unde T este forța de întindere a coardei și rL este masa pe unitatea de lungime a coardei. Prin urmare, putem schimba frecvența în trei moduri: modificând lungimea, tensiunea sau masa. Multe instrumente folosesc un număr mic de coarde de aceeași lungime, ale căror frecvențe fundamentale sunt determinate de alegerea corectă a tensiunii și a masei. Alte frecvențe se obțin prin scurtarea lungimii șirului cu degetele.

Alte instrumente, cum ar fi pianul, au una dintre multele coarde pre-acordate pentru fiecare notă. Acordarea unui pian unde gama de frecvențe este mare nu este o sarcină ușoară, mai ales în regiunea de frecvență joasă. Forța de tensiune a tuturor corzilor de pian este aproape aceeași (aproximativ 2 kN) și se obține o varietate de frecvențe prin modificarea lungimii și grosimii coardelor.

Un instrument cu coarde poate fi excitat printr-o ciupire (de exemplu, la o harpă sau un banjo), o lovitură (la pian) sau cu un arc (în cazul instrumentelor muzicale din familia viorilor). În toate cazurile, așa cum se arată mai sus, numărul de armonici și amplitudinea lor depind de modul în care este excitată șirul.

pian.

Un exemplu tipic de instrument în care excitarea unei coarde este produsă de o lovitură este pianul. Placa de sunet mare a instrumentului oferă o gamă largă de formanți, astfel încât timbrul său este foarte uniform pentru orice notă excitată. Maximele formanților principali apar la frecvențe de ordinul 400–500 Hz, iar la frecvențe inferioare tonurile sunt deosebit de bogate în armonici, iar amplitudinea frecvenței fundamentale este mai mică decât cea a unor harmonici. La pian, lovitura de ciocan pe toate corzile, cu excepția celor mai scurte, cade într-un punct situat la 1/7 din lungimea coardei de la unul dintre capete. Acest lucru se explică de obicei prin faptul că, în acest caz, a șaptea armonică, care este disonantă în raport cu frecvența fundamentală, este suprimată semnificativ. Dar din cauza lățimii finite a maleusului, alte armonice situate în apropierea celei de-a șaptea sunt de asemenea suprimate.

Familia de viori.

În familia instrumentelor de vioară, sunetele lungi sunt produse de un arc, care aplică o forță motrice variabilă coardei, care menține coarda în vibrație. Sub acțiunea unui arc în mișcare, sfoara este trasă în lateral din cauza frecării până se rupe din cauza creșterii forței de tensiune. Revenind la poziția inițială, este din nou dus de arc. Acest proces se repetă astfel încât asupra coardei să acționeze o forță externă periodică.

În ordinea mărimii crescătoare și a gamei de frecvență descrescătoare, principalele instrumente cu coarde cu arc sunt aranjate astfel: vioară, violă, violoncel, contrabas. Spectrele de frecvență ale acestor instrumente sunt deosebit de bogate în tonuri, ceea ce conferă, fără îndoială, o căldură și o expresivitate deosebită sunetului lor. În familia viorilor, coarda vibrantă este conectată acustic la cavitatea de aer și corpul instrumentului, care determină în principal structura formanților, care ocupă o gamă de frecvență foarte largă. Marii reprezentanți ai familiei de viori au un set de formanți deplasați către frecvențe joase. Prin urmare, aceeași notă luată pe două instrumente din familia viorii capătă o colorație de timbru diferită din cauza diferenței de structură a tonurilor.

Vioara are o rezonanță pronunțată aproape de 500 Hz, datorită formei corpului său. Când se redă o notă a cărei frecvență este apropiată de această valoare, poate fi produs un sunet vibrant nedorit numit „ton de lup”. Cavitatea de aer din interiorul corpului viorii are, de asemenea, propriile frecvențe de rezonanță, a căror principală este situată aproape de 400 Hz. Datorită formei sale speciale, vioara are numeroase rezonanțe strâns distanțate. Toate, cu excepția tonului de lup, nu se remarcă cu adevărat în spectrul general al sunetului extras.

Instrumente de suflat.

Instrumente de suflat.

Vibrațiile naturale ale aerului într-o țeavă cilindrică de lungime finită au fost discutate mai devreme. Frecvențele naturale formează o serie de armonici, a căror frecvență fundamentală este invers proporțională cu lungimea conductei. Sunetele muzicale din instrumentele de suflat apar din cauza excitației rezonante a coloanei de aer.

Vibrațiile aerului sunt excitate fie de vibrațiile în jetul de aer care cad pe marginea ascuțită a peretelui rezonatorului, fie de vibrațiile suprafeței flexibile a limbii în fluxul de aer. În ambele cazuri, schimbări periodice de presiune apar într-o zonă localizată a cilindrului sculei.

Prima dintre aceste metode de excitare se bazează pe apariția „tonurilor de margine”. Când un curent de aer iese din fantă, rupt de un obstacol în formă de pană cu o margine ascuțită, periodic apar vârtejuri - mai întâi pe o parte, apoi pe cealaltă parte a panei. Frecvența formării lor este mai mare, cu atât viteza fluxului de aer este mai mare. Dacă un astfel de dispozitiv este cuplat acustic la o coloană de aer rezonantă, atunci frecvența tonului de margine este „captată” de frecvența de rezonanță a coloanei de aer, adică. frecvența formării vortexului este determinată de coloana de aer. În astfel de condiții, frecvența principală a coloanei de aer este excitată numai atunci când viteza fluxului de aer depășește o anumită valoare minimă. Într-un anumit interval de viteze care depășesc această valoare, frecvența tonului de margine este egală cu această frecvență fundamentală. La o viteză și mai mare a fluxului de aer (aproape de cea la care frecvența marginii în absența comunicării cu rezonatorul ar fi egală cu a doua armonică a rezonatorului), frecvența marginii se dublează brusc și pasul emis de întregul sistem se întoarce a fi cu o octava mai mare. Aceasta se numește preaplin.

Tonurile de margine excită coloanele de aer în instrumente precum orga, flaut și piccolo. Când cântă la flaut, interpretul excită tonurile de margine suflând din lateral într-o gaură laterală lângă unul dintre capete. Notele de o octavă, începând de la „D” și mai sus, se obțin prin modificarea lungimii efective a butoiului, deschizând găurile laterale, cu un ton de margine normal. Octavele mai înalte sunt exagerate.

O altă modalitate de a excita sunetul unui instrument de suflat se bazează pe întreruperea periodică a fluxului de aer de către o limbă oscilantă, care se numește trestie, deoarece este făcută din trestie. Această metodă este utilizată la diferite instrumente de suflat și alamă. Există opțiuni cu o singură trestie (cum ar fi, de exemplu, la instrumentele de tip clarinet, saxofon și acordeon) și cu o trestie dublă simetrică (ca, de exemplu, la oboi și fagot). În ambele cazuri, procesul oscilator este același: aerul este suflat printr-un spațiu îngust, în care presiunea scade în conformitate cu legea lui Bernoulli. În același timp, bastonul este tras în gol și îl acoperă. În lipsa curgerii, bastonul elastic se îndreaptă și procesul se repetă.

La instrumentele de suflat, selectarea notelor scalei, ca la flaut, se realizează prin deschiderea găurilor laterale și suprasuflare.

Spre deosebire de o țeavă care este deschisă la ambele capete, care are un set complet de tonuri, o țeavă care este deschisă la un singur capăt are doar armonici impare ( cm. superior). Aceasta este configurația clarinetului și, prin urmare, chiar și armonicile sunt slab exprimate în el. Suprasuflarea la clarinet are loc la o frecvență de 3 ori mai mare decât cea principală.

La oboi, a doua armonică este destul de intensă. Diferă de clarinet prin faptul că orificiul său are o formă conică, în timp ce la clarinet secțiunea transversală a orificiului este constantă pe cea mai mare parte a lungimii sale. Frecvențele într-un butoi conic sunt mai dificil de calculat decât într-o țeavă cilindrică, dar există încă o gamă completă de tonuri. În acest caz, frecvențele de oscilație ale unui tub conic cu capătul îngust închis sunt aceleași cu cele ale unui tub cilindric deschis la ambele capete.

Instrumente de suflat din alamă.

Alama, inclusiv corn, trompetă, cornet-a-piston, trombon, corn și tuba, sunt excitate de buzele, acțiunea cărora, în combinație cu un muștiuc cu formă specială, este similară cu cea a unei stuf dublu. Presiunea aerului în timpul excitației sunetului este mult mai mare aici decât în ​​vânt din lemn. Instrumentele de suflat din alamă, de regulă, sunt un butoi metalic cu secțiuni cilindrice și conice, care se termină cu un clopot. Secțiunile sunt selectate astfel încât să fie furnizată întreaga gamă de armonici. Lungimea totală a butoiului variază de la 1,8 m pentru țeavă la 5,5 m pentru tubă. Tuba are formă de melc pentru ușurință în manipulare, nu din motive acustice.

Cu o lungime fixă ​​a butoiului, interpretul are la dispoziție doar note determinate de frecvențele naturale ale butoiului (mai mult, frecvența fundamentală este de obicei „nu este luată”), iar armonicile superioare sunt excitate prin creșterea presiunii aerului în muștiuc. . Astfel, doar câteva note (a doua, a treia, a patra, a cincea și a șasea armonică) pot fi redate pe un bubel cu lungime fixă. La alte instrumente de alamă, frecvențele care se află între armonici sunt luate cu o schimbare a lungimii butoiului. Trombonul este unic în acest sens, a cărui lungime a țevii este reglată de mișcarea lină a aripilor retractabile în formă de U. Enumerarea notelor întregii scale este asigurată de șapte pozitii diferite scene cu schimbarea tonului emoționat al portbagajului. În alte instrumente de alamă, acest lucru se realizează prin creșterea efectivă a lungimii totale a țevii cu trei canale laterale de lungimi diferite și în combinații diferite. Acest lucru oferă șapte lungimi diferite de butoi. Ca și în cazul trombonului, notele întregii scări sunt redate prin excitarea diferitelor serii de tonuri corespunzătoare acestor șapte lungimi de tulpină.

Tonurile tuturor instrumentelor de alamă sunt bogate în armonici. Acest lucru se datorează în principal prezenței unui clopoțel, care crește eficiența emisiei de sunet la frecvențe înalte. Trâmbița și claxonul sunt concepute pentru a cânta o gamă mult mai largă de armonici decât cea a claxonului. Partea de trompetă solo din lucrările lui I. Bach conține multe pasaje în octava a patra a seriei, ajungând la armonica a 21-a a acestui instrument.

Instrumente de percutie.

Instrumentele de percuție produc sunet lovind corpul instrumentului și astfel excitând vibrațiile sale libere. De la pian, în care vibrațiile sunt, de asemenea, excitate de o lovitură, astfel de instrumente diferă în două privințe: un corp vibrant nu dă tonuri armonice și el însuși poate radia sunet fără un rezonator suplimentar. Instrumentele de percuție includ tobe, chimvale, xilofon și triunghi.

Oscilațiile corpurilor solide sunt mult mai complicate decât cele ale unui rezonator de aer de aceeași formă, deoarece în corpurile solide mai multe tipuri fluctuatii. Deci, undele de compresie, îndoire și torsiune se pot propaga de-a lungul unei tije metalice. Prin urmare, o tijă cilindrică are mult mai multe moduri de vibrație și, prin urmare, frecvențe de rezonanță decât o coloană de aer cilindrică. În plus, aceste frecvențe de rezonanță nu formează o serie armonică. Xilofonul folosește vibrațiile de îndoire ale barelor solide. Rapoartele harmonice ale barei de xilofon vibrator la frecvența fundamentală sunt: ​​2,76, 5,4, 8,9 și 13,3.

Un diapazon este o tijă curbă oscilantă, iar tipul său principal de oscilație are loc atunci când ambele brațe se apropie simultan sau se îndepărtează unul de celălalt. Diapazonul nu are o serie armonică de tonuri și este folosită doar frecvența sa fundamentală. Frecvența primului său ton este de peste 6 ori frecvența fundamentală.

Un alt exemplu de corp solid oscilant care produce sunete muzicale este un clopot. Dimensiunile clopotelor pot fi diferite - de la un clopot mic la clopote de biserică de mai multe tone. Cu cât clopotul este mai mare, cu atât sunetele pe care le scoate sunt mai mici. Forma și alte trăsături ale clopotelor au suferit multe modificări în cursul evoluției lor de secole. Foarte puține întreprinderi sunt angajate în fabricarea lor, ceea ce necesită o mare îndemânare.

Seria inițială de tonuri a clopotului nu este armonică, iar raporturile de tonuri nu sunt aceleași pentru diferite clopote. Deci, de exemplu, pentru un clopot mare, rapoartele măsurate ale frecvenței de ton și frecvența fundamentală au fost 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 și 5,33. Dar distribuția energiei peste tonuri se schimbă rapid imediat după ce este lovit clopotul, iar forma clopotului pare să fie aleasă în așa fel încât frecvențele dominante să fie legate între ele aproximativ armonic. Tonul clopotului este determinat nu de frecvența fundamentală, ci de nota care este dominantă imediat după lovitură. Corespunde aproximativ celui de-al cincilea ton al clopotului. După ceva timp, în sunetul clopotului încep să predomine tonurile inferioare.

În tambur, elementul vibrator este o membrană de piele, de obicei rotundă, care poate fi considerată ca un analog bidimensional al unei sfori întinse. În muzică, toba nu are așa ceva important, ca o coardă, deoarece setul său natural de frecvențe naturale nu este armonic. Excepție fac timpanii, a căror membrană este întinsă peste un rezonator de aer. Secvența de tonuri ale tobei poate fi făcută armonică prin schimbarea grosimii capului în direcția radială. Un exemplu de astfel de tobă este tabla folosit în muzica clasică indiană.

Știm că sunetul călătorește prin aer. De aceea putem auzi. Niciun sunet nu poate exista în vid. Dar dacă sunetul este transmis prin aer, datorită interacțiunii particulelor sale, nu va fi transmis prin alte substanțe? Voi.

Propagarea și viteza sunetului în diferite medii

Sunetul nu este transmis doar prin aer. Probabil că toată lumea știe că dacă pui urechea la perete, poți auzi conversații în camera alăturată. În acest caz, sunetul este transmis de perete. Sunetele se propagă în apă și în alte medii. În plus, propagarea sunetului în diverse medii se întâmplă altfel. Viteza sunetului variază in functie de substanta.

În mod curios, viteza de propagare a sunetului în apă este de aproape patru ori mai mare decât în ​​aer. Adică peștii aud „mai repede” decât noi. În metale și sticlă, sunetul circulă și mai repede. Acest lucru se datorează faptului că sunetul este o vibrație a mediului, iar undele sonore se deplasează mai repede în medii cu o conductivitate mai bună.

Densitatea și conductivitatea apei este mai mare decât cea a aerului, dar mai mică decât cea a metalului. În consecință, sunetul este transmis diferit. Când treceți de la un mediu la altul, viteza sunetului se schimbă.

Lungimea undei sonore se modifică, de asemenea, pe măsură ce trece de la un mediu la altul. Doar frecvența sa rămâne aceeași. Dar de aceea putem distinge cine vorbește în mod specific chiar și prin pereți.

Deoarece sunetul este vibrații, toate legile și formulele pentru vibrații și unde sunt bine aplicabile vibrațiilor sonore. Când se calculează viteza sunetului în aer, ar trebui să se țină seama și de faptul că această viteză depinde de temperatura aerului. Pe măsură ce temperatura crește, viteza de propagare a sunetului crește. În condiții normale, viteza sunetului în aer este de 340.344 m/s.

unde sonore

Undele sonore, așa cum se știe din fizică, se propagă în medii elastice. De aceea sunetele sunt bine transmise de pământ. Punând urechea la pământ, poți auzi de departe zgomotul pașilor, zgomotul copitelor etc.

În copilărie, toată lumea trebuie să se fi distrat punând urechea la șine. Sunetul roților trenului este transmis de-a lungul șinelor pe câțiva kilometri. Pentru a crea efect invers absorbția sunetului, utilizați materiale moi și poroase.

De exemplu, pentru a proteja împotriva sunete străine orice incapere, sau, dimpotriva, pentru a preveni scaparea sunetelor din incapere in exterior, camera este tratata, izolata fonic. Peretii, podeaua si tavanul sunt tapitate cu materiale speciale pe baza de polimeri spumati. Într-o astfel de tapițerie, toate sunetele se atenuează foarte repede.