Звуковые колебания
Звук возникает при колебаниях источника и распространяется в упругой среде в виде звуковой волны. По графику зависимости смещения частиц среды от времени можно определить основные характеристики звука: высоту, громкость и тембр.
Что называют звуковыми колебаниями
Звуковые колебания — это быстрые механические колебания частиц упругой среды, которые могут вызвать слуховое ощущение. Источником звука может быть струна, мембрана громкоговорителя, голосовые связки или камертон. Колеблющееся тело передаёт движение соседним частицам среды, поэтому возникает звуковая волна.
Звуком Адам обычно воспринимает механические колебания с частотой примерно от \(20\) Гц до \(20\,000\) Гц. Колебания ниже \(20\) Гц называют инфразвуком, а выше \(20\,000\) Гц — ультразвуком.
Для описания колебаний используют смещение \(x\) частицы от положения равновесия, амплитуду \(A\), период \(T\) и частоту \(\nu\). Амплитуда показывает наибольшее смещение, а период — время одного полного колебания. Связь частоты и периода рассматривается также на странице о частоте волны.
Если колебания происходят равномерно и повторяются через одинаковые промежутки времени, их можно описать законом \(x=A\sin(2\pi\nu t+\varphi)\). Здесь \(A\) — амплитуда, \(\nu\) — частота, \(t\) — время, \(\varphi\) — начальная фаза.
Частота и высота звука
Высота звука — слуховая характеристика, по которой звук воспринимается как низкий или высокий. Она определяется прежде всего частотой: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Например, звук частотой \(800\) Гц выше звука частотой \(400\) Гц.
Частота \(\nu\) — число полных колебаний за единицу времени. Единица частоты — герц: \(1\) Гц означает одно колебание за одну секунду.
Если за время \(t\) произошло \(N\) колебаний, частоту находят как число колебаний, делённое на время. Это особенно удобно в экзаменационных задачах, где дано количество колебаний.
Высота звука не определяется амплитудой. Увеличение амплитуды делает звук обычно более громким, но не переводит его в более высокий. Скорость распространения звука зависит главным образом от свойств среды, а не от частоты источника; подробнее это разобрано на странице скорость звука.
Камертон совершает \(440\) колебаний за секунду. Как изменится высота звука, если частота станет \(880\) Гц?
Амплитуда и громкость
Громкость — субъективная характеристика силы звука. При прочих равных условиях она возрастает с увеличением амплитуды колебаний: частицы среды отклоняются сильнее, и звуковая волна переносит больше энергии. О амплитуде волны важно помнить: это максимальное отклонение от положения равновесия, а не размах между крайними положениями.
Чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем обычно громче воспринимается звук. При увеличении амплитуды в несколько раз частота может оставаться прежней, поэтому высота звука не меняется.
На графике колебаний амплитуда — это максимальное расстояние по вертикали от средней линии до вершины или впадины. Расстояние от верхней вершины до нижней впадины равно \(2A\).
Не путайте амплитуду с размахом колебаний. Если график изменяется от \(-3\) см до \(+3\) см, амплитуда равна \(3\) см, а полный размах равен \(6\) см.
Громкость зависит не только от амплитуды колебаний источника, но и от расстояния до источника, особенностей слуха и свойств помещения. Поэтому в простых задачах сравнивают громкость по амплитуде только при прочих равных условиях.
Форма колебаний и тембр
Два звука могут иметь одинаковую частоту и амплитуду, но звучать по-разному. Причина — различная форма колебаний. Тембр — характеристика звука, позволяющая различать источники одинаковой высоты и примерно одинаковой громкости, например флейту и скрипку.
Чистый тон камертона близок к гармоническому колебанию, то есть его график похож на синусоиду. Реальные музыкальные инструменты создают сложные периодические колебания. В них основной тон сочетается с дополнительными колебаниями — обертонами. Соотношение амплитуд этих составляющих и определяет тембр.
Если форма колебаний непериодическая или резко меняется, звук может восприниматься как шум или удар. Таким образом, характеристики звука связаны с параметрами колебаний следующим образом:
| Параметр колебаний | Характеристика звука |
|---|---|
| Частота | Высота звука |
| Амплитуда | Громкость при прочих равных условиях |
| Форма колебаний и состав гармоник | Тембр |
| Наличие нерегулярных колебаний | Шумовой характер звука |
Разбор экзаменационной тапсырма
Дереккөз звука совершает \(1200\) колебаний за \(3\) секунды. Определите частоту и период колебаний. Как изменится высота звука, если за те же \(3\) секунды источник совершит \(2400\) колебаний?
Сначала выпишите, что меняется в условии: частота, амплитуда или форма колебаний. Затем свяжите величину только с соответствующей характеристикой: частота — с высотой, амплитуда — с громкостью, форма — с тембром.
Не делайте вывод о громкости по частоте; не считайте полный размах амплитудой; не путайте период в секундах с частотой в герцах; не утверждайте, что более высокий звук обязательно громче.
Короткая проверка
Проверь основные связи
Главное
- Звуковые колебания — механические колебания источника и частиц упругой среды; слышимый диапазон человека примерно от \(20\) Гц до \(20\,000\) Гц.
- Частота связана с высотой звука: \(\nu=N/t\) и \(T=1/\nu\). Большей частоте соответствует более высокий звук.
- Амплитуда связана с громкостью при прочих равных условиях; амплитуда равна половине полного размаха.
- Форма колебаний и состав гармоник определяют тембр, поэтому инструменты могут различаться при одинаковой высоте звука.
- В есепке сначала определите, какая величина изменяется: частота, амплитуда или форма колебаний.