Висота звуку, а його тембр і гучність

Висота звуку — це його властивість, яка визначається частотою хвилі. Гучність безпосередньо пов’язана з амплітудою та інтенсивністю акустичної хвилі. Тембр залежить від частоти і інтенсивності. У статті ми докладно розглянемо всі властивості звуку: висоту, гучність, тембр. Дізнаємося, звуки яких частот сприймає наше вухо, і що таке поріг чутності. Розберемося, чому при одній і тій же висоті вони мають різну темброве забарвлення.

Висота звуку

Низькі звуки генерують тіла, що коливаються з низькою частотою. Високі виходять від високочастотної вібрації. Прикладом, що демонструє залежність висоти звуку від частоти, є флексатон. Це музичний інструмент, який складається з металевої рамки та прикріпленої до її основи гнучкої пластинки. Платівку відгинають пальцем, і виходить звук. Чим швидше вона тремтить, тим вищий тон.

Здатність людини сприймати певні частоти обмежена діапазоном чутності. Ось його межі: від 20 герц (Гц) до 20 000 Гц. Все, що вище, називається ультразвуком, нижче — інфразвуком. Діапазон залежить від віку та індивідуальних особливостей сприйняття, тому його межі можуть незначно звужуватися і розширюватися.

Гучність

Ще одна властивість звуку — це гучність. Якщо ми вдаримо молоточком по камертон, то мелодія з часом, звичайно, буде спадати. Як при цьому поводяться ніжки камертона? Амплітуда зменшується, такі коливання називаються затухаючими. Значить, гучність якось пов’язана з амплітудою. Буде точніше, якщо сказати, що гучність залежить від енергії, яку переносить акустична хвиля. Фізика звуку така, що пружна хвиля завдяки володінню енергією змушує нашу барабанну перетинку коливатися і сприймати шум. Енергію акустичної хвилі можна охарактеризувати з допомогою фізичної величини — інтенсивності.

Інтенсивність

Інтенсивність хвилі (I) визначає гучність. Гучні звуки володіють більшою інтенсивністю, тихі — меншою. Інтенсивність деяких настільки мала, що ми їх ледь чути. Найменша, яку ми можемо сприйняти, — це поріг чутності. Позначимо інтенсивність, що відповідає порогу, як I0. Вона дорівнює 10-12 Вт/м2. Це інтенсивність самого тихого звуку, яку сприймає наше вухо. Якщо він стає все голосніше і голосніше, то ми вже не стільки чуємо звук, скільки відчуваємо біль у вухах. Така інтенсивність відповідає больового порогу (I=1 Вт/м2).

Звук — це відчуття, яке володіє такою закономірністю. Збільшимо на генераторі частот інтенсивність в 10 разів, а потім ще в 10 разів. При кожній зміні буде відчуття, що гучність зросла на одне і те ж число.

Щоб охарактеризувати гучність звуку, фізики ввели величину рівня гучності (β, дБ). Порогу чутності I0 відповідає рівень гучності 0 децибел. 10 I0 — відповідає 10 дБ. Інтенсивності в 100 порогів чутності 100 I0 відповідає 20 дБ, 1000 — 30 дБ. Якщо рівень гучності підвищився на 10 децибел, це значить, що інтенсивність звукової хвилі зросла в 10 разів.

Тембр

Відтворимо кілька звуків, висота яких однакова, але самі вони мають різний тембр. Вдаримо молоточком по камертон частотою 440 Гц і візьмемо на гітарі ноту «ля». Обидва інструменти звучать приблизно на однаковій частоті, але їх складно переплутати. Чому так?

Щоб дослідити ці звуки, скористаємося мікрофоном і комп’ютером. На комп’ютері встановлена програма, яка передає сигнал від мікрофона і малює траєкторію руху хвилі.

На графіку видно гармонійні коливання, які створює камертон. Осцилограма показує, як зі зниженням гучності зменшується амплітуда коливань. Програма дозволяє побачити, які частоти присутні в цьому звуці.

Винесемо за допомогою гітарної струни ноту «ля». Графік демонструє, що частота звукової хвилі (висота звуку) та ж сама, але форма коливань відрізняється. Видно спотворення гармонійної форми, особливо, коли гучний звук.

По мірі того, як він стає тихіше, коливання наближаються до гармонійним. Поки струна ще звучить дзвінко, виходять періодичні коливання, але вони аж ніяк не гармонійні. В звуці гітари, на відміну від камертона, міститься цілий набір частот. Більш високі призвуки називаються обертонами. Тембр визначається їх кількістю та інтенсивністю. Якщо відтворити перед мікрофоном звук «ш-ш-ш», вийдуть не гармонійні, а хаотичні коливання.