Чем определяется 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

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Громкость звука и высота тона

Звуковые волны, как и другие волны, характеризуются такими объективными величинами, как частота, амплитуда, фаза колебаний, скорость распространения, интенсивность звука и другими. Но. кроме этого, они описываются тремя субъективными характеристиками. Это — громкость звука, высота тона и тембр.

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшая (порог слышимости) и наибольшая (порог болевого ощущения) интенсивность звука, которая способна вызвать звуковое ощущение. На рисунке 15.10 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, является областью слышимости. Наибольшее расстояние между кривыми приходится на частоты, к которым ухо наиболее чувствительно (1000—5000 Гц).

Если интенсивность звука — величина, объективно характеризующая волновой процесс, то субъективной характеристикой звука является громкость Громкость зависит от интенсивности звука, т.е. определяется квадратом амплитуды колебаний в звуковой волне и чувствительностью уха (физиологическими особенностями). Так как интенсивность звука \(

I \sim A^2,\) то чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Высота тона — качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. Чем больше частота, тем выше тон звука.

Звуковые колебания, происходящие по гармоническому закону, с определенной частотой, воспринимаются человеком как определенный музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, звуки низкой частоты — как звуки низкого тона. Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой. Так, например, тон «ля» первой октавы соответствует частоте 440 Гц, тон «ля» второй октавы — частоте 880 Гц.

Музыкальным звукам соответствуют звуки, издаваемые гармонически колеблющимся телом.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука. Тоны, соответствующие остальным частотам в составе звука, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте \(

\nu_0\) основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой \(

\nu_0\) называется первой гармоникой, обертон со следующей частотой \(

2 \nu_0\) — второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном различаются тембром, который определяется наличием обертонов — их частотами и амплитудами, характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спадом в конце звучания.

При одной высоте тона звуки, издаваемые, например, скрипкой и пианино, отличаются тембром.

Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Шумы — это звуки, образующие сплошной спектр, состоящий из набора частот, т.е. в шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 431-432.

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

Чем определяется высота тона звука

1. Как исследовалась зависимость высоты звука от частоты колебаний его источника? Какой вывод был сделан?

Свободная часть линейки создает звук только в том случае, если она колеблется с частотой, не меньшей чем 20 Гц.
Если укоротить верхнюю часть линейки и привести ее в колебательное движение, то частота колебаний линейки увеличится, а издаваемый ею звук станет выше.

Вывод:
С увеличением частоты колебаний звук повышается.

Возьмем зубчатый диск, с помощью специального устройства приведем его во вращение и прикоснемся к зубчатому краю тонкой картонной пластинкой.
Под воздействием зубьев вращающегося диска пластинка начнет совершать вынужденные колебания, в результате чего мы услышим звук.
Увеличим скорость вращения диска, и пластинка станет колебаться чаще, а издаваемый ею звук будет выше.

2. С какой целью ставился опыт, изображенный на рисунке?

Цель опыта показать, что с увеличением частоты колебаний звук повышается.

3. Какой из двух камертонов издает более высокий звук?

Сравним звучание двух камертонов с разной собственной частотой.
Частоты на камертонах не указаны.
Тогда частоты можно сравнить, получив следы колебаний на закопченных пластинках.

Вывод:
Камертон, колеблющийся с большей частотой (а), издает более высокий звук, а с меньшей ( б) — более низкий.

4. От чего зависит высота звука?

Высота звука зависит от частоты колебаний:
чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.

5. Что называется чистым тоном?

Ветви камертона совершают гармонические (синусоидальные) колебания.
Таким колебаниям присуща только одна строго определенная частота.
Гармонические колебания являются самым простым видом колебаний.
Звук камертона является чистым тоном.

Чистым тоном называется звук источника, совершающего гармонические колебания одной частоты.

6. Что такое основной тон?

6. Что такое обертоны звука?

Высота сложного звука определяется высотой его основного тона.
Все остальные тоны сложного звука называются обертонами.
Частоты всех обертонов данного звука в целое число раз больше частоты его основного тона (поэтому их называют также высшими гармоническими тонами).

7. Чем определяется высота звука?

Высота звука определяется частотой его основного тона.
Чем больше частота основного тона, тем выше звук.

8. Что такое тембр звука и чем он определяется?

Тембр звука определяется совокупностью его обертонов.
Совокупность обертонов различных источников может отличаться количеством обертонов, их амплитудами, сдвигом фаз между ними, спектром частот.

Легко отличаем звук рояля от звука скрипки даже в том случае, если эти звуки имеют одинаковую высоту, т. е. одну и ту же частоту основного тона.
Отличие этих звуков обусловлено разным набором обертонов.

Источник

Главы из «Физики и анатомии музыки», часть 6, как мы определяем высоту звука. Феномен пропущенной фундаментальной.

Слушаем музыку и получаем удовольствие!

2.3. Как мы определяем высоту звука?

Определение высоты звуков, которые мы слышим, — основная задача нашей слуховой системы. Именно по высоте звука (наряду с тембром) мы различаем и группируем различную информацию. Речь без мо- дуляций и интонирования по высоте — безжизненна и малопонятна, в многотоновых языках, например китайском, вообще будет неясно, о чем человек говорит, если он говорит на одном тоне, на одной высоте звука. Также, естественно, на определении высоты звуков построена и вся музыка, которую мы слушаем — или не слушаем.

Важность определения высоты звуков для слуховой системы не случайна и, вероятно, вовсе не является результатом стремления всего

человечества сочинять музыку. Восприятие высоты играет основную роль в определении различных объектов в мире звуков и сепарирова- нии, отделении их друг от друга. Природа вокруг нас наполнена разно- образными конкурирующими звуками: интересными, угрожающими, шумовыми. Все смешалось, и слуховая система несет ответственность за их выделение, идентификацию и классификацию. Высота звука есть главный индикатор, позволяющий отделять важный звук от дру- гих звуковых объектов.

Хотя в природе, конечно, не бывает простых звуков с одной вы- деленной частотой, синусоидальных, однако начнем мы с них — для простоты.

Высота простых звуков

Было проведено множество экспериментов по определению того, на- сколько точно мы можем различать два звука по высоте. В среднем диапазоне частот (область речи, музыки) слуховая система может раз- личить по высоте два звука, отличающиеся всего на 0,2% по частоте. Это очень высокая точность.

Ниже частоты 500 Гц слуховая система может выделить примерно 140 градаций высоты тона, в диапазоне от 0,5 кГц до 16 кГц — при- мерно 480 градаций высоты тона (всего 620 градаций). В европейской музыке инструменты с равномерно темперированной шкалой исполь- зуют порядка 100 градаций высоты тона, а не 620. Это обстоятельство вселяет оптимизм во многих музыкантов, пишущих и играющих му- зыку в древних и микротоновых музыкальных строях. А оптимизм — важная вещь для человека, без него сложно жить в нашем мире.

Ощущение высоты чистого тона (одной частоты) связано не толь- ко с частотой, но и с интенсивностью звука и его длительностью. Как показали различные исследования, при повышении интенсивности громкие низкие звуки кажутся еще ниже (!), а высокие звуки кажутся еще выше (!). Для средних частот 0,5–2 кГц влияние интенсивности незаметно. Эта зависимость для простых звуков незначительна, а для сложных музыкальных звуков почти незаметна. Что является великим счастьем для музыки, так как иначе при переходе от pp к ff звуковысо- тные отношения между нотами (мелодия и гармония) были бы нару- шены, а музыканты, занимающиеся дома, играющие специально тихо, чтобы не ругались соседи, сходили бы с ума, ведь музыка, которую они играли бы дома, и музыка, исполняемая на концертном рояле на кон- церте в концертном зале, разительно отличались бы. Бы. Но природа пожалела музыкантов.

Восприятие высоты звука зависит и от его длительности, но об этом мы уже говорили.

Высота сложных звуков

В музыке простые синусоидальные тоны не используются. Каждый музыкальный тон имеет сложную структуру, состоящую из основного тона, гармоник и обертонов.

Однако можно установить соответствие по высоте музыкального тона, например ноты

1-й октавы, и чистого синусоидального сигнала с частотой 440 Гц. Воспринимаемые нами высоты звуков будут одинако- выми, но тембры — разными. Это свидетельствует о том, что для слож- ных периодических сигналов высота определяется по частоте основно- го тона (первой гармонике), так как именно он соответствует 440 Гц.

В музыке используются свои шкалы для сравнения различных нот по высоте — полутоны, тоны, квинты, октавы и другие музыкальные интервалы. Связь с психофизической шкалой высоты звука, построен- ной для чистых тонов, неоднозначна. До частоты примерно 5 кГц уве- личение высоты тона на октаву связано с удвоением частоты. Напри- мер, переход от ноты

2-й октавы соответствует увеличению частоты от 440 до 880 Гц. Но выше частоты 5 кГц это пра- вило нарушается. Чтобы получить ощущение увеличения высоты на октаву, в 2 раза, нужно увеличить соотношение частот почти в 10 раз! При создании компьютерных и электронных композиций нет ограни- чений для того, чтобы воспроизвести какой-либо звук какой-либо час- тоты, есть только ограничения, связанные со вкусом человека. Поэтому создавать музыкальные произведения на компьютерах и синтезаторах нужно аккуратно. Как, впрочем, и детей, даже без предварительного компьютерного моделирования.

Ученые-акустики предложили две размерности высоты тона: психофизическую в мелах, пропорциональную логарифму частоты и установленную для чистых тонов (pitch height), и музыкальную, со- ответствующую названию нот (pitch chroma), которая может быть оп- ределена примерно до 5 кГц. (Интересно, что даже музыканты с абсо- лютным музыкальным слухом затрудняются в определении названий нот для звуков с частотой выше 5 кГц.)

Для объяснения механизма восприятия высоты как простых, так и сложных звуков используются две основные теории: теория места и временна

Теория места

Почему эта теория называется теорией места? Базилярная мембрана вкупе с кортиевым органом способна выполнять частотный анализ сложного звука, то есть действовать как спектраль- ный анализатор (выполняя прямое преобразование Фурье). Базилярная

мембрана организована весьма замысловатым образом. Каждый тон (каждая частота) имеет свое место (свою топографию) размещения на мембране, это свойство еще называется «тонотопическим». Звуковой сигнал вызывает появление на базилярной мембране волны, но стран- ная особенность возбуждения мембраны состоит в том, что максимум смещения стоячей волны разных частот располагается в разных же, определенных местах базилярной мембраны. Низкие частоты имеют максимум смещения вблизи вершины мембраны, высокие — вблизи овального окна. Природа этой особенности не вполне ясна. Каждая час- тота также имеет свое место максимума возбуждения на мембране, за- висящее от тембра звука (спектрального состава, гармонического спек- тра). Волосковые клетки сообщают мозгу, какие частоты присутствуют в спектре звука. Таким образом, информация о звуке в мозг передается в виде кода, матрицы, основанной на том, нейроны каких участков ак- тивны, а каких — пассивны. Определяемая высота звука меняется при этом скачкообразно, ведь количество волосковых клеток и нервных кле- ток ограничено, а частота звука может меняться как угодно плавно.

Строго говоря, для сложных звуков, содержащих множество гар- моник, это не совсем так. Ведь только для одной гармоники высота звука будет меняться скачкообразно при изменении частоты. Ког- да слышимое количество гармоник велико, они попадают на разные участки «полосовых фильтров», левее, правее максимума. И эффект скачкообразного изменения восприятия высоты тона сглаживается, почти нивелируется.

Изменение реакции волосковых клеток от частоты звука

Таким образом, можно считать, что наша слуховая система содер- жит банк, набор «полосовых фильтров» (слуховых фильтров, пропус- кающих лишь звуки узкого диапазона частот) с перекрывающимися полосами. Их ширина выше 1 кГц составляет примерно 10–17% от центральной частоты. Например, на частоте 1 кГц ширина полосы со- ставляет 160 Гц. С шириной слуховых фильтров связано известное по- нятие «критическая полоса» — внутри нее звуковая информация сум- мируется, интегрируется слухом. Если мы выйдем за пределы полосы,

произойдет скачкообразное изменение слуховых ощущений, что под- тверждается многочисленными экспериментами. Наверное, это похоже на расческу, лучше всего не прямоугольной формы, а изогнутую. Зубья расчески соответствуют определенной полосе звука; проводя пером руч- ки Mont Blanc по зубьям расчески, мы услышим меняющиеся по высоте звуки. Теперь постарайтесь засунуть эту расческу себе в ухо. Впрочем, подождите и дочитайте книгу до конца. Потом.

Итак. В соответствии с теорией места, при восприятии музыкаль- ного звука для слуховой системы существуют три возможности, три метода определения высоты звука:

1) определить, локализовать место на базилярной мембране ос- новной (фундаментальной) частоты, первой гармоники и по нему (по месту) определить высоту тона;

2) найти минимальную разницу между соседними гармониками, которая при этом будет равна фундаментальной частоте (n + 1)f

, где n = 1, 2, 3. — и принять ее за высоту звука;

3) найти общий наибольший сомножитель, который получается при делении частот всех гармоник на последовательные целые числа, и использовать его в качестве высоты звука.

Сомнения в правильности первого метода возникли, когда стало возможным электрическим путем синтезировать спектры сложных звуков. В 1940 году Шутен продемонстрировал, что ощущение высоты тона сложной периодической волны не изменится, если в музыкаль- ном тоне вырезать фундаментальную частоту (первую гармонику).

изображена форма сигнала, музыкального звука, соответствующего приблизительно ноте

малой октавы (200 Гц), включающего в себя звуки частотой 200 Гц (фундаментальная часто- та), 400, 600 и 800 Гц. Спектр этого сигнала изображен на рисунке

Звук с формой сигнала как на рисунке

также ассоциируется с нотой

малой октавы (200 Гц), однако он не содержит в своем спектре (рисунок

) звука с частотой в 200 Гц, а содержит лишь часто- ты 400, 600 и 800 Гц. Это явление называется «феномен пропущенной фундаментальной».

Из рисунка видно, что присутствие фундаментальной частоты (первой гармоники) не обязательно для восприятия высоты и что низ- шая частота не всегда является основой определения высоты звука (!).

Эксперимент этот получил название «феномен пропущенной фундаментальной» и доказал, что первый метод не может служить единственной базой для определения высоты сложного тона, хотя он работает для подавляющего большинства музыкальных звуков.

То есть еще проще, если мы имеем звук с основной частотой 100 Гц и гармониками в 200 Гц, 300 Гц, 400 Гц и т.д., наше ухо счита- ет, что мы слышим тембрально окрашенный звук высотой 100 Гц. Ес- ли мы вырежем с помощью современной техники первую гармонику в 100 Гц и оставим только гармоники в 200 Гц, 300 Гц, 400 Гц и т.д., то мы услышим все равно звук частоты 100 Гц, только с несколько отли- чающимся тембром. Важно это помнить, когда мы говорим о низких музыкальных звуках, например звуках больших органных труб. Там самый низкий звук, первая гармоника может лежать вне слышимого диапазона, но мы тем не менее опознаем этот звук как музыкальный и можем определить высоту его тона.

Однако с помощью компьютерных технологий можно создать ситуацию, которую не удастся объяснить и с помощью этого метода. Например, рассмотрим звук, в котором присутствуют только нечетные гармоники, скажем, 100 Гц, 300 Гц, 500 Гц, 700 Гц. Если фундаменталь- ная частота, первая гармоника есть в спектре, то слух определяет высо- ту по ней, 100 Гц. Если ее вырезать, то расстояние между гармониками останется 200 Гц, но слух продолжит определять высоту тона, равную фундаментальной, также 100 Гц.

Третий метод позволяет объяснить и пропущенную фундамен- тальную, и наличие только нечетных гармоник, так как от отсутствия каких-то гармоник общий наибольший сомножитель 100 Гц не меня- ется. Данный метод позволяет также объяснить восприятие слабого ощущения высоты тона у колоколов и других не вполне периодичес- ких звуков.

В рамках теории места гармоника звука опознается, если «кри- тическая полоса» слухового фильтра, соответствующая этой частоте, достаточна узкая и соседние гармоники внутрь этого фильтра не попа-

дают. Если гармоники находятся настолько близко по частоте друг от друга, что внутрь одного слухового фильтра попадает несколько гар- моник, то они не разворачиваются, то есть не распознаются раздельно. Какой бы ни была фундаментальная (базовая, основная) частота, слу- ховой механизм разворачивает (различает раздельно) только первые 6–7 гармоник — именно они и являются основными при определении высоты звука.

Но теория места не может объяснить ряд экспериментально об- наруженных фактов, например очень высокую точность определения высоты звука для тонов, чьи частотные компоненты не разворачива- ются, то есть для звуков с гармониками выше седьмой.

Временна ́я теория

я теория восприятия высоты основывается на анализе времен- но

й структуры звуковой волны. Эта теория использует синхронизацию разрядов нейронов о

ргана Корти с фазой колебания базилярной мемб- раны (эффект запирания фазы). При смещениях определенной точки мембраны в сторону расположения волосковых клеток в них возникает электрический потенциал, а при смещении в противоположную сто- рону — потенциал отсутствует. Благодаря фазовому запиранию время между импульсами в любом отдельном волокне будет равно целому числу (1, 2, 3. ), умноженному на период основного звука. Нервные волокна при этом могут кооперироваться при декодировании (распоз- навании) частот выше 300 Гц.

С моей точки зрения, более-менее подробное изложение времен- но

й теории определения высоты звука превышает допустимый уро- вень сложности изложения материала в этой книге. Интересующих- ся отсылаю к специальной литературе, например к статьям и книгам И.А. Алдошиной или к медицинской литературе.

Приведу лишь краткий вывод из временной

теории определения высоты звука. Временная

теория позволяет понять, как слуховая сис- тема определяет фундаментальную частоту звука на основе анализа временных

интервалов между нервными импульсами от различных мест на базилярной мембране и по ней определяет высоту сложного тона. Од- нако временная

теория не объясняет восприятия высоты тона на частотах выше 5 кГц, так как эффект фазового запирания не срабатывает на этих частотах. Причина этого скорее всего в том, что никакой нейрон не может генерировать нервные импульсы быстрее 1000 раз в секунду из-за особен- ностей электрохимической динамики потенциала действия. Вероятно (!), в этой области частот меняется механизм восприятия высоты тона.

Напомню, что для звуков с базовой частотой выше 5 кГц в слухо- вой диапазон человеческого уха (до 20 кГц) попадают только две-три

Источник