Презентация "Характеристики звука"

План:

• Субъективные характеристики звука
• Громкость
• Высота звука
• Тембр звука
• Объективные характеристики звука
• Интенсивность (сила) звука
• Частота звуковых колебаний. Интервалы в музыке
• Логарифмический закон восприятия Вебера–Фехнера. Уровень громкости звука
• Голосовой и слуховой аппарат человека
• Голосовой аппарат человека
• Слуховой аппарат человека

Важнейшими характеристиками звука являются громкость, высота тона и тембр. Эти субъективные характеристики связаны с объективными физическими величинами – с амплитудой (интенсивностью звука), частотой колебаний и спектром соответственно

Объективные и субъективные характеристики звука

Субъективные характеристики звука

Субъективные характеристики – это параметры звукового ощущения, которое возникает у человека при воздействии звуковых волн (высота тона, громкость звука, тембр).

Громкость

Громкостью называют субъективное качество, определяющее силу слухового ощущения, вызываемого звуком у слушателя. Чем больше амплитуда колебаний, тем звук громче (чем меньше амплитуда колебаний, тем звук тише).

Однако громкость не определяется только амплитудой силы звука, так как она зависит от частотного состава звукового сигнала, от условий его восприятия и длительности воздействия.

Звук будет тем громче, чем больше упругость среды распространения . Например, на высоких горах, где воздух более разрежен, громкость звука от одного и того же источника будет меньше, чем у подножья горы.

В акустике для количественной оценки громкости применяют метод субъективного сравнения измеряемого звука с эталонным, в качестве которого применяется синусоидальный тон частотой 1кГц. В процессе сравнения уровень эталонного тона изменяют до тех пор, пока эталонный и измеряемый звуки станут восприниматься человеком равногромкими.

Высота звука

Субъективную меру частоты колебаний звука называют высотой звука.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, воспринимаются человеком как определенный музыкальный то н. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона , звуки низкой частоты – как звуки низкого тона.

Тембр

Звуковые колебания, не подчиняющиеся гармоническому закону, воспринимаются человеком как сложный звук, обладающий тембром . Тембр помогает нам отличить звук одного музыкального инструмента от другого.

Натуральные звуки, с которыми мы сталкиваемся в жизни, практически никогда не бывают «чистыми» синусоидальными тонами: источник вместе с основным колебанием излучает волны с частотами в 2, 3, 4, 5 и т.д. раз большими основной частоты. По принятой в музыкально акустике терминологии эти колебания называются, соответственно, основным тоном и обертонами: 1 – м, 2 – м, 3 – м, 4 – м и т.д. В физике используется иная терминология: основной тон называют 1 – й гармоникой, а обертоны называют высшими гармониками 2 – й, 3 – й, 4 – й и т.д. по порядку.

Тембр – это звук, в котором присутствуют колебания разных наборов частот и амплитуд.

Основной тон определяет высоту звука , обертоны, накладываясь в определенных соотношениях, придают звуку специфическую окраску – тембр .

Можно сказать, что тембр определяется величиной амплитуд отдельных гармоник (т.е. зависит от числа высших гармоник и отношения их амплитуд к амплитуде основной гармоники и не зависит от фаз высших гармоник).

У различных музыкальных инструментов относительные амплитуды разных обертонов оказываются различными . Если на фор­тепиано, а затем на гобое взять ноту одинаковой громкости и одной высоты (предположим «до» первой октавы), получившиеся звуки будут различаться. Отли­чать звук одного инструмента от другого нам помогает тембр ( тональная окраска звука). У различных музыкальных инструментов относитель­ные амплитуды разных обертонов оказываются различными.

Способ звукоизвлечения также влияет на качество звука.

Например, перебирая струны скрипки, мы получим совсем иной звук, чем тогда, когда водим по струнам смычком. Спектр звука в самом начале (например, в момент удара молоточка по струне фортепиано) или в конце звучания ноты может значительно отличаться от спектра звука при дальнейшем звучании ноты.

Относительные интенсивности гармоник в спектре звуковых волн камертона (1)

и фортепиано (2), которые звучат на ноте «ля» контроктавы (f 1  = 220 Гц)

http://old.college.ru/physics/courses/op25part1/content/chapter2/section/paragraph7/theory.html

1) узкополосные шумы (которыми сопровождаются звуки всех музыкальных инструментов). Шумы имеют непрерывный спектр. Например, играя на флейте, музыкант возбуждает не только периодический музыкальный тон, но и шум от вдувания воздуха. Из этого шума флейта, как акустический резонатор, выделяет узкую полосу вблизи основного тона. Этот узкополосный шум смешивается с основным тоном, благодаря чему звук флейты приобретает присущую ему выразительность.

2) процессы нарастания звука и его затухание . Дело в том, что любой звук, возникает и устанавливается на каком-то определённом «стационарном» уровне не мгновенно и затухает он так же постепенно – за определённый промежуток времени. Процесс нарастания звука и процесс его затухания называют нестационарными процессами . От продолжительности нарастания и затухания звука, а также от формы огибающей нестационарных процессов существенно зависит его тембр.

А это, в свою очередь, определяется конструкцией инструмента , а также способом звукоизвлечения ( скольжения смычка, щипка или удара молоточка по струнам, возбуждения колебаний столба воздуха в корпусе духового инструмента и т.п .). Акустические свойства помещения также существенно влияют на характер звучания исполняемой в нем музыки и речи.

Объективные характеристики звука

Объективные характеристики – это параметры звуковой волны, которые задает источник звука (интенсивность, частота и акустический спектр).

• Объективные характеристики – это параметры звуковой волны, которые задает источник звука (интенсивность, частота и акустический спектр).
• Объективные характеристики – это параметры звуковой волны, которые задает источник звука (интенсивность, частота и акустический спектр).

Интенсивность (сила) звука

Чистые тоны субъективно воспринимаются громкими или тихими в зависимости от силы – интенсивности звука. Сила звука зависит от свойств звучащего тела, от среды, в которой звук распространяется, от местонахождения слушающего по отношению к источнику звука.

Интенсивность звука (I) – величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

Интенсивность звука связана со звуковым давлением квадратичной зависимостью. Для плоской волны:

где ρ∙υ - удельное акустическое сопротивление среды.

С увеличением расстояния от источника звука до слушателя, сила звука ослабляется. Степень поглощения звуковой энергии при распространении звуковой волны в жидкостях и газах зависит, с одной стороны, от свойств среды (в частности, в воздухе главным образом сказывается вязкость и в значительно меньшей мере – внутренняя теплопроводность , что приводит к превращению организованного колебательного движения молекул в их хаотическое тепловое движение), а с другой – от частоты звуковых колебаний .

• С увеличением расстояния от источника звука до слушателя, сила звука ослабляется. Степень поглощения звуковой энергии при распространении звуковой волны в жидкостях и газах зависит, с одной стороны, от свойств среды (в частности, в воздухе главным образом сказывается вязкость и в значительно меньшей мере – внутренняя теплопроводность , что приводит к превращению организованного колебательного движения молекул в их хаотическое тепловое движение), а с другой – от частоты звуковых колебаний .

Чем выше частота звуковых колебаний, тем больше хаотическая молекулярная скорость молекул в элементе сжимаемого объема, тем большее молекулярное рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна и тем на меньшее расстояние передаются звуковые колебания .

Человек начинает слышать при силе звука равной некоторой величине, называемой порогом слышимости (или слуховым порогом). Более слабые звуки слухового ощущения не вызывают.

При увеличении силы звука достигается нормальная слышимость, а затем при еще больших амплитудах звуковых колебаний к воспринимаемому звуку добавляется осязаемое ощущение давления.

При дальнейшем росте силы звука раздражение органа слуха становится болезненным. Так называемый болевой порог ограничивает область слышимости при больших уровнях интенсивности.

Однако ч увствительность человеческого уха еще зависит от частоты сигнала, поэтому уровень порога слышимости для разных частот различный .

На рисунке изображены значения силы звука и соответствующие им звуковые давления, при которых звуковые сигналы с различными частотами становятся едва слышимыми. На этом же рисунке обозначен и болевой порог.

Порог слышимости на частоте 1 кГц соответствует силе звука:

Вт/м 2

Частота звуковых колебаний.

Количество колебаний воздуха в секунду называется частотой звука.

• Количество колебаний воздуха в секунду называется частотой звука.

Например, диапазон частот органа – от 16,4 до 8372 Гц, фортепиано – от 27,5 до 3520 Гц, клавесина – от 87 до 1400 Гц, акустической гитары – от 81 до 1300 Гц, арфы – от 34,6 до 3320 Гц.

• Например, диапазон частот органа – от 16,4 до 8372 Гц, фортепиано – от 27,5 до 3520 Гц, клавесина – от 87 до 1400 Гц, акустической гитары – от 81 до 1300 Гц, арфы – от 34,6 до 3320 Гц.

В музыке целочисленное соотношение двух частот называется интервалом . Простейшие интервалы: октава – 1:2 (удвоение частоты), квинта 2:3, кварта 3:4, большая терция 4:5, малая терция 5:6.

• В музыке целочисленное соотношение двух частот называется интервалом . Простейшие интервалы: октава – 1:2 (удвоение частоты), квинта 2:3, кварта 3:4, большая терция 4:5, малая терция 5:6.

Логарифмический закон восприятия Вебера–Фехнера. Уровень громкости звука

Следует отличать объективную характеристику звука – его интенсивность от субъективного ощущения громкости . Так при удваивании интенсивности раздражения громкость не воспринимается нами удвоившейся. Результаты исследований показали, что интенсивность ощущений возрастает медленнее, чем вызывающее его раздражение .

Эрнст Генрих Вебер

Согласно психофизическому закону Вебера–Фехнера слух одинаково оценивает равные относительные изменения силы звука (при росте в геометрической прогрессии интенсивности раздражения, интенсивность восприятия растет в арифметической прогрессии).

Другими словами, изменение громкости воспринимается человеком одинаково, в том случае, когда сила звука изменяется в одно и то же число раз, при этом восприятие не зависит от абсолютного уровня силы звука .

Густав Теодор Фехнер

Это объясняется логарифмическим законом восприятия – ощущение пропорционально логарифму раздражения (ощущение изменения громкости пропорционально не изменениям силы звука, а логарифму этих величин):

где L – воспринимаемое изменение громкости (уровень интенсивности звука),

I 1 и I 2 – сила звука соответственно до и после его изменения,

С – коэффициент пропорциональности,

lg – десятичный логарифм.

Напомним, логарифмом положительного числа b по основанию a называется показатель степени х , в которую нужно возвести а , чтобы получить b . Обозначение логарифма:

Эта запись равнозначна следующей:

При a=10 логарифм называется десятичным и обозначается  lg , т.е. log 10 b=lgb .

Для пояснения физиологической значимости логарифмического закона восприятия изобразим график логарифмической функции L =C·lgI. При малых аргументах I функция L =C·lgI растет довольно быстро с увеличением аргумента. Это означает, что небольшое увеличение малой интенсивности (на величину ∆ I ) приводит к значительному увеличению громкости (на величину ∆ L 1 ) – как только интенсивность звука немного превысила пороговое значение, уже возникает слуховое ощущение. Если же интенсивность звука велика, то ее дальнейшее увеличение на ту же величину ∆ I дает малый прирост громкости (на величину ∆ L 2 ) – при большой интенсивности звук хорошо слышен и дальнейшее увеличение интенсивности звука на возрастание ощущения громкости сказывается существенно слабее.

Итак, если сила звука увеличится в 100 раз то субъективное ощущение громкости изменится пропорционально 2 (при С=1), т.к. lg(100)=2; если это изменение – 1000, то громкость возрастет пропорционально lg(1000)=3. Принято измерять увеличение или уменьшение силы звука в специальных логарифмических единицах – «белах» [Б] (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона):

в этом случае С=1.

Небольшие изменения звуковых уровней измеряют в долях Бела. На практике в основном используется единица измерения, равная десятой части Бела – децибел (1 дБ=0,1 Б). Изменение уровня силы звука, выраженное в дБ, равно численному значению десятичного логарифма отношения сравниваемых уровней интенсивностей, умноженному на 10 (С=10):

В качестве I 1 обычно берется порог слышимости, т.е. интенсивность самого тихого звука, который способен слышать средний человек

Вт/м 2

Однако, громкость не может быть охарактеризована только величиной силы звука, так как на восприятие громкости человеком влияет частотный состав звукового сигнала. На практике используют относительную величину, называемую уровнем громкости (громкостью).

Уровень громкости выражается в фонах и численно равен уровню звукового давления (в децибелах – дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц равногромким данному звуку.

Голосовой и слуховой аппарат человека

Голосовой аппарат человека состоит из лёгких , гортани с голосовыми связками , глоточной , ротовой и носовой полости

В гортани между передним и задним хрящами натянуты голосовые связки. При спокойном дыхании они вялы и между ними образуется широкая щель для свободного прохождения воздуха.

При разговоре голосовые связки напрягаются и приближаются друг к другу, так что между ними остаётся лишь узкий промежуток, так называемая голосовая щель. Когда воздух, выдыхаемый лёгкими, проходит через эту щель, голосовые связки приходят в колебания, причём частота колебаний зависит от длины голосовых связок и их натяжения.

Звуковые волны, образующиеся в голосовой щели, сложны и представляют собой наложение большого числа всевозможных тонов.

Ротовая и носовая полости, глотка играют роль резонаторов, проходя которые одни частоты ослабевают, другие усиливаются. Изменение формы рта и глотки дает преимущество гармоникам одних частот над другими

Когда мы меняем форму рта, мы даем преимущество гармоникам одних частот над другими. Благодаря этому мы произносим различно звуки, например «а», «е», «и», «о» и т.д.

Слуховой аппарат человека

Почему человек слышит звуки только в диапазоне 20-20000 Гц?

Орган слуха состоит из наружного, среднего и внутреннего уха.

Наружный слуховой проход и барабанная перепонка

Наружный слуховой проход имеет дли­ну 21–27 мм, диаметр – 6–8 мм. В приближении можно считать трубочкой, закрытой с внутренней стороны барабанной перепонкой (его функция состоит в проведении звуковых колебаний к барабанной перепонке). Он играет роль резонатора, имеющего собственную частоту колебаний, равную 3000 Гц.

Наружный слуховой проход

Размеры воспринимающей поверхности барабанной перепонки (S=70–80 мм 2 ) значительно преобладают над площадью овального окна. Таким образом, специальная система рычагов, созданная сочленениями слуховых косточек, а также различия в размерах эффективной поверхности мембраны овального окна и барабанной перепонки создают условия для роста давления, прилагаемого к овальному окну, которое примерно в 20 раз больше давления, действующего на барабанную перепонку .

Давление воздушного пространства в полости среднего уха близко к атмосферному, что служит необходимым условием для нормальных колебаний барабанной перепонки.

Уравниванию давления способствует специальное образование, названное евстахиевой трубой, которая соединяет носоглотку с полостью среднего уха. Уравнивание давления в полости среднего уха происходит во время акта глотания, когда стенки евстахиевой трубы расходятся и атмосферный воздух попадает в барабанную полость. Это особенно важно и в случае с резким перепадом давления (при подъеме или спуске на самолете, в скоростном лифте).

Звуковая волна улавливается ушной раковиной . Через слуховой проход звук доходит до барабанной перепонки . Барабанная перепонка натянута сравнительно туго, и звук заставляет ее колебаться (вибрировать). За барабанной перепонкой находится среднее ухо .

Когда давление в наружном ухе увеличивается, барабанная перепонка прогибается внутрь .

Перепады давления в среднем ухе повторяют перепады давления в звуковой волне и передаются дальше – во внутреннее ухо.

В действии органов слуха большую роль играет резонанс . Основная мембрана, натянутая вдоль улитки внутреннего уха, состоит из множества эластичных волокон, общее число которых достигает 24000. У основания улитки они короткие (0,04мм), тонкие и натянутые, а у вершины длинные (до 0, 5) мм, более толстые и менее натянутые. Попавшие в ухо звуковые волны вызывают вынужденные колебания жидкости, заполняющей внутреннее ухо . И вследствие явления резонанса возникают вибрации волокон определенной длины. Чем выше звук, тем более короткие волокна резонируют с ним; чем сильнее звук, тем больше размах колебаний волокон. Именно этим и объясняется способность человека воспринимать звуки от 20 Гц до 20 кГц.

Основная причина снижения слуха у пожилых людей – возрастная дегенерация и гибель волосковых клеток.

Потерю слуха можно компенсировать с помощью различных слуховых аппаратов.

Так Бетховен, чтобы слышать музыку, зажимал в зубах палочку и прикладывал ее к деке рояля. В 1900 году Поладио предложил очень похожий слуховой аппарат. Он состоял из деревянной палочки длиной 0,5 метра, на одном конце ее было металлическое полукольцо, которое надевалось на гортань говорящего, а другой конец оканчивался кружочком, который глухой должен был сжимать зубами.

Для усиления звука в начале XX века предлагался даже фонограф. Его укрепляли на лбу больного. Нижний конец трубки фонографа, закрытый мембраной, имел в центре овальное отверстие, которое передавало во время речи колебания костям черепа.

Первый электрический слуховой аппарат изготовил в 1875 году американский изобретатель Александр Грехем Белл. На основе слухового аппарата через год был создан телефон.

Физика 11 класс

Мария Донченко