Чем определяется громкость и высота тона звука

Высота звука, его громкость и тембр

Наше восприятие высоты звука и других его свойств определяется характеристиками акустической волны. Это те же характеристики, что присущи любой механической волне, а именно период, частота, амплитуда колебаний. От длины и скорости волны субъективные ощущения от звука не зависят. В статье мы разберем физику звука. Высота и тембр — чем они определяются? Почему одни звуки мы воспринимаем громкими, а другие — тихими? Ответы на эти и другие вопросы будут даны в статье.

Высота звука

От чего зависит высота? Чтобы разобраться с этим, проведем простой опыт. Возьмем гибкую длинную линейку, лучше алюминиевую.

Вам будет интересно: Очереди в СССР: быт и культура, интересные факты, фото

Прижмем ее к столу, сильно выдвинув край. Ударим пальцем по свободному краю линейки — она задрожит, но ее движение будет беззвучным. Теперь придвинем линейку к себе поближе, так, чтобы за край столешницы выступала меньшая ее часть. Снова ударим по линейке. Ее край завибрирует намного быстрее и с меньшей амплитудой, а мы услышим характерный звук. Делаем вывод: для того, чтобы возник звук, частота колебаний должна быть не меньше определенной величины. Нижняя граница диапазона звуковых частот — 20 Гц, а верхняя — 20 000 Гц.

Продолжим опыт. Укоротим свободный край линейки еще больше, снова приведем ее в движение. Заметно, что звук изменился, стал выше. О чем свидетельствует эксперимент? Он доказывает зависимость высоты звука от частоты и амплитуды колебаний его источника.

Громкость звука

Для изучения громкости воспользуемся камертоном — специальным инструментом для изучения свойств звука. Существуют камертоны с разной длиной ножек. Они вибрируют, если ударить по прибору молоточком. Большие камертоны колеблются медленнее и издают низкий звук. Маленькие вибрируют часто и отличаются высотой звука.

Ударим по камертону и прислушаемся. Звук со временем слабеет. Почему так происходит? Громкость звука затухает из-за уменьшения амплитуды колебания ножек прибора. Они вибрируют не так сильно, а это значит, что уменьшается и амплитуда колебаний молекул воздуха. Чем она ниже, тем более тихим выходит звук. Это утверждение верно для звуков одинаковой частоты. Получается, что и высота, и громкость звука зависят от амплитуды волны.

Восприятие звуков разной громкости

Из вышесказанного складывается впечатление, что чем громче звук, тем четче мы его слышим, тем более тонкие изменения мы можем уловить. Это не так. Если заставить тело колебаться с очень большой амплитудой, но малой частотой, то такой звук будет плохо различим. Дело в том, что во всем диапазоне слышимости (20-20 тыс. Гц) наше ухо лучше всего различает звуки около 1 КГц. Слух человека наиболее чувствителен к этим частотам. Такие звуки кажутся нам самыми громкими. Сигналы оповещения, сирены настроены именно на 1 КГц.

Уровень громкости разных звуков

В таблице представлены распространенные звуки и их громкость в децибелах.

Тембр

Высота и громкость звука определяются, как мы выяснили, частотой и амплитудой волны. Тембр не зависит от этих характеристик. Возьмем два источника звука одинаковой высоты, чтобы понять, почему они имеют разный тембр.

Первым инструментом будет камертон, звучащий на частоте 440 Гц (это нота ля первой октавы), вторым — флейта, третьим — гитара. Музыкальными инструментами воспроизведем ту же ноту, на которой звучит камертон. Все три имеют одну высоту, но все таки звучат по-разному, отличаются тембром. В чем причина? Все дело в особенностях колебаний звуковой волны. Движение, которое совершает акустическая волна сложных звуков, называется негармоническим колебанием. Волна на разных участках колеблется с разной силой и частотой. Эти дополнительные призвуки, которые отличаются по громкости и высоте, называются обертонами.

Не стоит путать высоту и тембр. Физика звука такова, что если «подмешать» к основному звуку дополнительные, более высокие, получим то, что называется тембром. Он определяется громкостью и количеством обертонов. Частота обертонов кратна частоте самого низкого тона, т. е. она больше в целое число раз — в 2, 3, 4 и т. д. Самый низкий тон называется основным, именно он определяет высоту, а обертоны влияют на тембровую окраску.

Есть звуки, вообще не содержащие обертонов, например камертон. Если изобразить движение его звуковой волны на графике, получится синусоида. Такие колебания называют гармоническими. Камертон издает только основной тон. Подобное звучание часто называют скучным, бесцветным.

Когда в звуке много высокочастотных обертонов, он получается резким. Низкие обертоны придают звучанию мягкость, бархатистость. Каждый музыкальный инструмент, голос имеет свой набор обертонов. Именно совокупность основного тона и обертонов придает неповторимое звучание, наделяет звук определенной тембровой окраской.

Источник

Высота звука, его тембр и громкость

Высота звука — это его свойство, которое определяется частотой волны. Громкость напрямую связана с амплитудой и интенсивностью акустической волны. Тембр зависит от частоты и от интенсивности. В статье мы подробно рассмотрим все свойства звука: высоту, громкость, тембр. Узнаем, звуки каких частот воспринимает наше ухо, и что такое порог слышимости. Разберемся, почему при одной и той же высоте они имеют разную тембровую окраску.

Высота звука

Низкие звуки генерируют тела, которые колеблются с низкой частотой. Высокие получаются от высокочастотной вибрации. Примером, демонстрирующим зависимость высоты звука от частоты, является флексатон. Это музыкальный инструмент, который состоит из металлической рамки и прикрепленной к ее основанию гибкой пластинки. Пластинку отгибают пальцем, и получается звук. Чем быстрее она дрожит, тем выше тон.

Способность человека воспринимать определенные частоты ограничена диапазоном слышимости. Вот его границы: от 20 герц (Гц) до 20 000 Гц. Все, что выше, называется ультразвуком, ниже — инфразвуком. Диапазон зависит от возраста и индивидуальных особенностей восприятия, поэтому его границы могут незначительно сужаться и расширяться.

Громкость

Еще одно свойство звука — это громкость. Если мы ударим молоточком по камертону, то мелодия со временем, конечно, будет затихать. Как при этом ведут себя ножки камертона? Амплитуда их уменьшается, такие колебания называются затухающими. Значит, громкость как-то связана с амплитудой. Будет точнее, если сказать, что громкость зависит от энергии, которую переносит акустическая волна. Физика звука такова, что упругая волна благодаря обладанию энергией заставляет нашу барабанную перепонку колебаться и воспринимать шум. Энергию акустической волны можно охарактеризовать с помощью физической величины — интенсивности.

Интенсивность

Звук — это ощущение, которое обладает такой закономерностью. Увеличим на генераторе частот интенсивность в 10 раз, а потом еще в 10 раз. При каждом изменении будет ощущение, что громкость возросла на одно и то же число.

Чтобы охарактеризовать громкость звука, физики ввели величину уровня громкости (β, дБ). Порогу слышимости I₀ соответствует уровень громкости в 0 децибел. 10 I₀ — соответствует 10 дБ. Интенсивности в 100 порогов слышимости 100 I₀ соответствует 20 дБ, в 1000 — 30 дБ. Если уровень громкости повысился на 10 децибел, это значит, что интенсивность звуковой волны возросла в 10 раз.

Тембр

Воспроизведем несколько звуков, высота которых одинакова, но сами они имеют разный тембр. Ударим молоточком по камертону частотой 440 Гц и возьмем на гитаре ноту «ля». Оба инструмента звучат примерно на одинаковой частоте, но их сложно перепутать. Почему так?

Чтобы исследовать эти звуки, воспользуемся микрофоном и компьютером. На компьютере установлена программа, которая передает сигнал от микрофона и рисует траекторию движения волны.

На графике видно гармонические колебания, которые создает камертон. Осциллограмма показывает, как со снижением громкости уменьшается амплитуда колебаний. Программа позволяет увидеть, какие частоты присутствуют в этом звуке.

Извлечем с помощью гитарной струны ноту «ля». График демонстрирует, что частота звуковой волны (высота звука) та же самая, но форма колебаний отличается. Видны искажения гармонической формы, особенно, когда звук громкий.

По мере того, как он становится тише, колебания приближаются к гармоническим. Пока струна еще звучит звонко, получаются периодические колебания, но они отнюдь не гармонические. В звуке гитары, в отличие от камертона, содержится целый набор частот. Более высокие призвуки называются обертонами. Тембр определяется их количеством и интенсивностью. Если воспроизвести перед микрофоном звук «ш-ш-ш», получатся не гармонические, а хаотические колебания.

Источник

Громкость, высота, тембр звука

Звук, создаваемый одним источником, отличается от звука, создаваемого другим. Например, каждая из струн гитары издает звук, отличающийся от звука, который выдается другими струнами.

Две, казалось бы, совершенно одинаковые скрипки могут звучать по-разному. При этом звук скрипки нельзя спутать со звуком гобоя, звук барабана — со звуком тромбона. Те же звуки, созданные разными людьми, отличаются друг от друга.

Все это свидетельствует о необходимости ввести характеристики, с помощью которых можно было бы оценивать излучения и восприятия звука.

Ударим молоточком по ножке камертона с прикрепленным к ней острием и проведем ним по закопченному стеклу. Мы увидим знакомый волнообразный следует, изображенный на рисунке.

Ударив по ветке камертона сильнее, мы услышим более громкий звук, а самое на пластинке оставит след, отличающийся от первого большим «размахом», то есть большей амплитудой колебаний. Итак,

· громкость звука определяется амплитудой колебаний тела, звучит .

Конечно, чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем звук кажется более громким, но громкость для звуков различных частот будет разной. Человеческое ухо плохо воспринимает звуки низких частот (около 20 Гц) и высоких (около 20 кГц) частот и значительно лучше — звуки средних частот (от 300 Гц до 3000 Гц). Это объясняется строением органов слуха человека.

Мы хорошо знаем, что звук бывает высокий и низкий. Как известно, бас поет низким голосом, а тенор — высоким. От какой же характеристики звуковой волны зависит высота звука? Опыты показывают, что

· высота звука определяется частотой звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше.

Частота звуковых колебаний, создаваемых музыкальными инструментами, может изменяться от 20 до 4000 Гц.

Писк комара соответствует 500-600 взмахам его крыльев в секунду, жужжание шмеля — 220 взмахам. Колебания голосовых связок певцов могут создавать звуки в диапазоне от 80 до 1400 Гц, хотя в эксперименте фиксировались рекордно низкая (44 Гц) и высокая (2350 Гц) частоты.

В телефоне для воспроизведения человеческой речи используется область частот от 300 до 2000 Гц.

Звуки одинаковой высоты и громкости, создаваемые различными музыкальными инструментами, звучат по-разному, даже та же нота, взятая различными певцами, звучит по-разному.

От чего же зависит тембр звука? Оказывается, что любой источник звука (при незначительных исключений, например, камертона) осуществляет сложные Несинусоидальные колебания. Их можно наблюдать с помощью осциллографа. Если подключить микрофон и спеть какую-нибудь мелодию, то на экране осциллографа появится не синусоида, а сложнее кривая.

На рисунке показаны графики колебаний воздуха у рта человека, поет звуки «А» и «В». Обратите внимание, что колебания воздуха (и голосовых связок человека) являются достаточно сложными, поскольку состоят как бы из нескольких колебаний, накладываются друг на друга.

· Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов — частот, кратных основной.

Именно благодаря тембра звуки различных музыкальных инструментов имеют разное звучание. Чем больше обертонов, тем «насыщеннее», красивее звук. Волшебный серебристый оттенок голосов хороших певцов обусловлен именно высокими обертонами.

Звук, распространяясь в какой-либо среде, доходит до препятствия и почти полностью отражается. В этом можно убедиться на многих опытах.

В лесу, горах, иногда в помещениях нам приходилось слышать эхо.

Луна — результат отражение звука: звуковые волны отражаются от различных препятствий, даже от облаков. Иногда можно услышать даже многократную эхо — результат нескольких отражений.

Эти и другие опыты с механическими волнами позволяют сформулировать обобщения: механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.

Инфразвук вызывают, например, землетрясения и вибрация тяжелых механизмов, автомобилей, тракторов и бытовых приборов. Например, сельскохозяйственные тракторы и грузовики имеют максимальные вибрации в диапазоне 1,5-3,5 Гц, гусеничные тракторы — около 5 Гц. Музыкальный орган так же может излучать инфразвук. Всевозможные взрывы и обвалы также могут излучать звуки инфракрасных частот.

Механизм восприятия инфразвука и его физиологического действия на человека пока полностью не установлен. Такие звуки не слышны, однако они оказывают негативное воздействие на организм человека: появляется повышенная нервозность, чувство страха, приступы тошноты. Иногда из носа и ушей идет кровь.

Чувствительны приемники ультразвука показали, что он входит в состав шума ветра и водопадов, в состав звуков, излучаемых некоторыми животными.

Ультразвуковые волны можно получить с помощью специальных высокочастотных излучателей. Узкий параллельный пучок ультразвуковых волн в процессе распространения очень мало расширяется. Благодаря этому ультразвуковую волну можно излучать в заданном направлении.

С помощью ультразвука «просвечивают» металлические изделия для выявления в них скрытых дефектов — посторонних включений, трещин или пустот.

Ультразвук широко используют и в медицине — как для обследования больного, так и для его лечения. Лечение ультразвуком основано на том, что он вызывает внутренний разогрев тканей организма.

Источник

Физика звука? Что такое громкость? Разбор

Если вы когда-нибудь подбирали себе музыкальную колонку, то сталкивались с тем, что сделать это не так-то просто, особенно если вы не специалист в звуковой аппаратуре. И еще ладно, если вы можете послушать акустику в магазине, но если такой возможности нет, то как понять?

Чем больше Ватт, тем громче, так? Но ведь громкость в децибелах…

Громкость в децибелах или ваттах, частотный диапазон — что это все означает? А если спросить про соотношение сигнал/шум? И это не говоря о том, что звучание — это дело вкуса.

Насколько качественный у музыкальных колонок звук? Насколько мощный бас? Сможет ли колонка раскачать комнату, дачу или целый район? Почему и как мы слышим, и как производители это учитывают и превращают в лайфхаки. Сегодня разберемся в том, как подобрать себе оптимальную акустику.

Что такое звук?

Для начала давайте ненадолго вернемся на урок физики и вспомним, что вообще такое звук. Это механические колебания, распространяющиеся по воздуху, жидкости или даже по твердому телу в виде волн. Но для нас звук, это в большинстве случаев — просто колебание давления в воздухе.

Давление меняется, наши барабанные перепонки улавливают эти изменения и мы слышим звук!

Соответственно, чем сильнее перепады давления, тем звук громче. Казалось бы, все просто. Но здесь физика начинает смешиваться с человеческими ощущениями и все становится сложнее.

Восприятие громкости

Сперва о том, что такое децибелы. Все думают, что это что-то там про громкость. На самом деле дБ — это универсальная штука для обозначения величин в очень широких диапазонах. Потому что децибелы отображаются в логарифмической шкале, и формула у них соответствующая: логарифм отношения двух значений. То есть логарифм показывает не насколько громкий звук, а на сколько порядков этот звук мощнее базового уровня.

Например, утверждение «громкость звука составляет 30 дБ» означает, что интенсивность звука в 1000 раз превышает порог слышимости звука человеком. Но и в данном случае не все так просто. Изменения давления в воздухе измеряется в децибелах, но вот наше восприятие громкости в другой величине — фонах!

Начнем с того, что все частоты мы слышим по-разному. Дело в том, чувствительность нашего уха к разным частотам сильно разная. Поэтому, громкость, это скорее про наши ощущения, чем про давление.

Фон (др.-греч. φωνή звук)

Фоны — это такие кривые громкости которые были построены по усредненным ощущениям людей с нормальным слухом в возрасте от 18 до 25 лет включительно. На этот счет даже есть ГОСТ, стандарт ISO 226. Поэтому не переживайте — все официально. Люди были проверены с вымытыми ушами.

Шкала фонов отличается от шкалы децибелов тем, что в ней значения громкости коррелируют с чувствительностью человеческого слуха на разных частотах.

Например, тон с частотой 1000 Гц мы начинаем слышать при значении 0 децибел, то есть прямо на пороге слышимости. А тон с частотой 20 Гц мы начнем слышать только в районе 80 децибел.

Поэтому в басовитых колонках нужны большие и мощные динамики для низких частот. В JBL Partybox 310 таких динамиков целых два, по 176 мм каждый. Но и за высокие частоты тут отвечают два динамика, естественно, диаметром поменьше — 65 мм.

Кстати, с этими кривыми есть интересный момент. Если нанести на график звуки разных языков, то окажется, что наша речь попадает как раз в провал на графике — примерно от 250 до 5000 герц. То есть у нас от природы есть своеобразный аппаратный усилитель речи. А свистящие призвуки мы слышим громче всего. Именно поэтому они нас так бесят.

Во-вторых, мы воспринимаем громкость нелинейно. Тихие звуки мы различаем между собой гораздо лучше, чем громкие.

Ватты

Окей, с тем, что такое громкость и её восприятием мы разобрались. Но как понять, с какой громкостью будут звучать акустика и хватит ли нам этой громкости, чтобы раскачать нужное помещение?

Этот вопрос не менее каверзный. Громкость в децибелах на колонках никогда не указывается. Зато указывается мощность в Ваттах. Например, в характеристиках JBL Partybox 310 можно найти значение полной выходной мощности — 240 Вт RMS.

Что это значит? Оказывается, мощность тоже бывает разная.

Тут важно обратить на буковки RMS — это значит предельная синусоидальная мощность или Rated Maximum Sinusoidal. Если по-простому, колонка может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. То есть реально на пределе сил. В основном именно такой показатель указывают все приличные производители.

Но нам нужно чтобы музыкальная колонка могла работать более одного часа, поэтому вычислим другой показатель, который называется просто синусоидальная мощность. Это уже такая мощность, при которой колонка сможет бесконечно долго работать без повреждений. Она обычно процентов на 25 меньше RMS.

Итого получается, что наш монстр может выдавать примерно 180 Вт! Кстати, важный момент, часто на дешевых колонках указывают всякие запредельные мощности типа 1000 Вт, но не RMS а PMPO — не путать с PIMP.

PMPO — Peak Music Power Output. Это еще один способ указания мощности. Но проблема в том, что это такая мощность, которую динамик сможет выдержать в течение 1-2 секунд. Поэтому внимательно изучайте какого типа Ватты вам продают.

В JBL Partybox 310 — 240 RMS или примерно 180 Вт чистой мощности. Но много это или мало?

Смотрите, например, у маленькой, но громкой JBL Charge мощность: 30 Вт RMS. Такой колонки хватит, чтобы раскачать небольшое помещение до 20 квадратных метров.

240 Вт RMS хватит на целый спорт зал, а с учетом что тут Тут Bluetooth 5.1 и можно подрубить вторую вторую колонку, чтобы они работали в паре, то можно и концерт устроить.

Вообще эта колонка много чего умеет. Звук можно передать не только по Bluetooth, но и через AUX-вход, а также можно воткнуть USB-флешку и переключать треки прямо с колонки или через специальное приложение Partybox App.

Через это же приложение, можно стримить музыку и управлять светом: тут куча вариантов подсветки. Или даже можно настроить караоке — для этого есть микрофонные входы. Микрофон у JBL тоже есть — PBM100. Он довольно простой, зато его специально создавали под линейку Partybox. У него кардиоидная диаграмма направленности, поэтому слышно только голос, никаких посторонних шумов.

Также прямо в колонке есть целая панель звуковых эффектов. Получается настоящий передвижной караоке. Колонка тяжелая, конечно, но тут есть ручка, как в чемодане, и колесики — очень удобно придумали. Что важно, есть защита от брызг IPX4. А значит и на природе можно устроить движ.

Кстати, ёмкость аккумулятора 72 Вт*ч. Его хватит на 5 часа работы, если врубать музыку на полную, в экстренных условиях, например, на улице с низкой температурой можно рассчитывать на 2-3 часа работы. А в негромком чилл-режиме колонка может проработать до 18 часов.

Ладно, с громкостью и мощностью понятно, а как же с качеством звука?

Тут есть два способа. Первый — просто послушать разные колонки и подобрать себе по вкусу, потому что у каждого свои предпочтения, свои любимые жанры и в конце концов, свой слух.

Второй способ — посмотреть на амплитудно-частотную характеристику звука колонки. Она показывает то, как громко динамики воспроизводят звуки разных частот, а если точнее, то насколько равномерно громкость распределена по частотам. Самому провести замер АЧХ не очень просто, но в интернете обычно можно найти тесты АЧХ на популярные гаджеты.

В идеальном случае АЧХ должна быть почти П-образной с резким возрастанием на самых низких частотах, горизонтальной линией к высоким частотам и падением где-нибудь в районе 20 килогерц. В реальности даже очень дорогие студийные или сценические акустические системы дают не идеальную АЧХ, а в доступных обычному покупателю устройствах она будет сильно отличаться от идеала. Здесь нужно смотреть на то, чтобы на графике не было сильных проседаний, чаще всего это заметно в басах, то есть самых низких частотах, которые расположены слева на графике.

Чтоб вы понимали масштаб явления. Если сравнить АЧХ этой колонки и iPhone 12 Pro, то будет наглядно видно, почему смартфоном комнату не раскачать и он будет звучать пискляво, хоть и громко. Но точных студийных замеров АЧХ для нашей колонки в интернетах, к сожалению, нет.

Соотношение сигнал/шум

Наконец, качество звука показывает соотношение сигнала к шуму. Это говорит нам о том, насколько полезный сигнал, то есть звуки песни или кино, превосходит шум, который неминуемо есть в любой акустике. Его можно заметить самому, если не подавать на колонку или усилитель никакой звук и выкрутить громкость на максимум. Соотношение сигнала к шуму измеряют в децибелах и чем оно больше, тем лучше. Условно можно сказать, что 80 децибел — хороший уровень, 100 — High End. В этой колонке соотношение — 90 децибел, что очень даже хорошо.

Итоги

Сегодня мы узнали гораздо больше о звуке и о том, на что стоит обратить внимание при выборе музыкальных колонок в комнату, на дачу или для выездов на природу. В то же время мы узнали о JBL Partybox 310, которая является представителем мощных и универсальных колонок, которые подойдут для тусовки дома или на природе. Это своеобразный чемоданчик звука с подсветкой, встроенным аккумулятором, высокой громкостью и неплохим качеством. В общем, и для дома, и для пикника.

Источник