Чем определяется тембр звука в физике

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

Тембр — все что нужно знать

Тембр – это окраска звука, его индивидуальность, специфическая особенность. Тембр является средством музыкальной выразительности. Он придаёт музыке настроение, передает характер. Именно благодаря неповторимой окраске, вы можете отличить голос Муслима Магомаева от голоса Баскова. Различать тембры умеет даже ребенок, но от чего зависит окраска звука? Давайте разбираться.

Тембр

У каждого звука, в музыке особенно, есть точные характеристики:

Представьте себе, что вам предложили определить на слух разные звуки. Эти звуки будут одинаковыми по высоте и громкости. Сможете ли вы отличить:

Думаю, вы справитесь без труда. Но по какому признаку? Ведь высота звука одинаковая, длительность и громкость тоже. При этом все голоса звучат по-разному. Почему? Потому что имеют разный тембр.

Как я уже сказал, тембр – это окраска звука и его индивидуальность. В переводе с французского языка timbre означает «колокольчик», «отличительный знак», «метка». Часто, характеризуя звук голоса или инструмента, мы говорим: бархатный, визгливый, глубокий, журчащий, мягкий. Мы как бы окрашиваем подходящими словами то, что слышит наше ухо.

Семь основных цветов радуги имеют тысячи оттенков. Тембры музыкальных звуков так же разнообразны. Наш слух, как и зрение, может улавливать разные мелочи. Порой для цвета и звука мы используем одни и те же эпитеты. Тёплый и холодный, яркий и приглушённый, бледный и насыщенный. Так отчего зависит музыкальная палитра? Попробуем рассмотреть ответ с разных точек зрения.

Тембр с точки зрения физики

Тембр с точки зрения теории музыки

Единого определения тембра с точки зрения музыкальной теории пока не выработано. По терминологии, принятой музыковедами, тембр делится на четыре основных вида:

Тембральная окраска звучания разных инструментов

Итак, мы выяснили, что инструментальный тембр зависит от особенностей того или иного инструмента. И у каждого инструмента – свой голос. От чего он зависит?

В группе струнных инструментов источником звука являются струны. По способу игры на них различают два вида.

Какие слова чаще всего используют, чтобы описать тембр этих инструментов? Певучие, журчащие, струящиеся, нежные, мягкие. Тембр виолончели сравнивают с человеческим голосом.

Музыканты знают, что два одинаковых с виду инструмента могут звучать по-разному. Например, гитара с металлическими струнами звучит громче и звонче. А с нейлоновыми – мягче и тише. На звук влияет порода дерева, из которой сделан корпус инструмента. Верхнюю деку скрипки, гитары, балалайки чаще всего делают из ели или кедра. Нижнюю деку и обечайку – из клёна, красного дерева или палисандра. Каждая порода придаёт тембру специфическое звучание. И профессиональные музыканты это ценят.

Клавишные инструменты отличает от всех других наличие клавиатуры. Она может быть разного вида. Фортепиано, орган, аккордеон – клавиши. Баян и гармонь – кнопки. Клавишные тоже делятся на две группы.

Тембры этих инструментов очень разные. За счёт большого количества октав звучание бывает звонким, бархатистым, серебристым, прозрачным. Орган, конечно, стоит особняком. Его звук – мощный, трубный – не перепутать ни с чем. Фортепиано тоже, порой оно может заменить целый оркестр. Баян и аккордеон часто снабжены дополнительными переключателями регистров. Они делают их тембр похожим на другие инструменты: кларнет, гобой, орган, челесту и т.д.

Духовые – те, в которые музыканты вдувают воздух с помощью своих лёгких. Всевозможные трубы, рожки и гуделки. По материалу изготовления также делятся на две группы.

Кстати, всеми любимый саксофон можно отнести к обеим группам. Корпус у него металлический, а язычок – деревянный.

Тембральная окраска духовых тоже яркая и легко узнаваемая. Металлические, звонкие, гудящие у медных. Более мягкие, переливчатые, струящиеся у деревянных. Могут напоминать пение птиц и бурчание недовольного человека, журчание ручья и поступь бегемота.

Сергей Прокофьев очень умело использует тембры инструментов в симфонической сказке «Петя и волк». Послушайте самое начало:

Если вас заинтересовала эта сказка, предлагаю вашему вниманию замечательный мультфильм, в основе которого лежит музыка Прокофьева:

Тембр человеческого голоса

Итак, с музыкальными инструментами разобрались. А что с голосом человека, спросите вы? Вроде бы «материал» у всех людей один и тот же, и конструкция – тоже: головной аппарат у всех устроен одинаково. Воздух проходит через связки, они колеблются, и получается звук. А звучат все голоса по-разному… И без труда можно угадать, кто говорит или поёт, даже с закрытыми глазами.

Прежде всего, все голоса можно разделить на мужские, женские и детские. Заметили, что детские не делятся на девочек и мальчиков? Потому что на слух их отличить невозможно. Все одинаково звонкие и мимимишные. Хотя каждый отличается, то есть уже имеет свой тембр.

Что влияет на окраску голоса человека? Конечно, строение его голосового аппарата. Ширина и толщина голосовых связок, размеры гортани и основных резонаторов. Да, у голоса человека тоже есть «корпус инструмента». Это полости, которые усиливают проходящий через них звук:

Понятно, что двух одинаковых людей не бывает. Все мы – уникальны, каждый – единственный в своём роде экземпляр. И уникальный голос нам даётся от природы, как цвет глаз или отпечатки пальцев. Но, в отличие от них, один раз в жизни наш голос (или его тембр) меняется кардинально. Когда это происходит?

Вернёмся к девочкам и мальчикам. Вступая в подростковый возраст, дети постепенно становятся взрослыми. Под действием гормонов мальчики превращаются в юношей, затем в мужчин. А девочки – в девушек и женщин. Именно в этот период происходит мутация голоса. У девочек эта перемена происходит плавно и незаметно. А у мальчиков – более резко и отчётливо. Вам знакомы ситуации, когда вчерашний юнец вдруг заговорил басом? Это как раз наглядное проявление внутренних изменений. Гортань «выросла», приняла взрослые очертания. И теперь она останется такой на всю жизнь. А вместе с ней и тембр голоса.

На то, как звучит наш голос, могут влиять многие факторы. Простуда, усталость, стресс. Но эти изменения временны и обратимы. Вылечились, отдохнули – и вернули себе прежнее звучание. Можно изменить голос, если начать ему вредить целенаправленно. Курение, хронические простуды, недосып и постоянное напряжение голосовых связок – не лучшие спутники нашего голоса.

Можно ли существенно изменить тембр голоса? Тут однозначного мнения нет. Как нет пока и однозначного определения – что же такое тембр. Одни считают, что тембр можно изменять, если овладеть вокальной техникой. Но это не значит, что можно радикально «исправить» тип голоса. Например, был тенор, стал бас. Скорее речь идёт именно об окраске звука, умении сделать его более насыщенным и красивым. То есть вокальная техника не изменяет тембр голоса, а обогащает его новыми красками.

Другие приводят в пример пародистов. Ведь иногда их пародии так похожи на оригинал, что отличить практически невозможно! Но это скорее – технические приёмы, рассчитанные на короткий срок действия. Они слышны, пока вокалист поёт или выступает артист разговорного жанра. Возвращается он к обычной повседневной речи – и тембр его голоса становится таким, каким мы его привыкли слышать.

Самым талантливым пародистом всех времен я считаю Виктора Чистякова. И вы можете насладиться его талантом:

А теперь, позвольте познакомить вас с Имой Сумак — певицей, которая по материнской линии является прямым потомком Атауальпы — последнего императора инков. Диапазон ее голоса составляет 5 октав, а тембр невозможно перепутать с чьим-либо еще:

Исследованиями тембра голоса занимаются многие службы, весьма далёкие от пения и музыки. Политики изучают, какой тембр вызывает наибольшее доверие у избирателей, и призывает их голосовать «правильно». Социологи и психологи убеждены, что голоса лидеров и успешных людей отличаются от голосов обычных людей. Криминалисты делают спектральный анализ голосовых аудиозаписей. Ведь тембр каждого человека уникален как молекула ДНК или отпечатки пальцев. И порой запись телефонного разговора помогает выявить преступника. С помощью голоса можно закодировать сейф в банке или доступ к своему телефону.

Но как говорится лучше 1 раз увидеть:

Мне понравилось 12

Заключение

Над научным определением термина «тембр» наука бьётся уже несколько столетий. «Физики» и «лирики» объясняют его по-разному. Физики рисуют графики и сложные математические формулы. Лирики (они же музыканты) больше доверяют чувствам, эмоциям и настроению.

Любой из нас безошибочно узнает на слух голос мамы. Или любого другого человека. По нескольким музыкальным фразам мы легко отгадаем фамилию эстрадного или оперного певца. На слух отличим звучание одного музыкального инструмента от другого. Нам не нужны для этого сложные приборы и измерения. Всё это мы просто слышим.

Надеюсь, теперь вам понятно что такое тембр, от чего он зависит и на что влияет. Если остались вопросы – пишите в комментариях.

Источник

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

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