Инфра и ультразвуки

Пашикова Т.Д.

Преподователь кафедры общей физики

Туркменский государственный университет им. Махтумкули

(г. Ашхабад, Туркменистан)

Громкость звука. Высота тона. Тембр. Акустический резонанс

Для того чтобы звуковая волна создала слуховое ощущение, необходимо, чтобы она не только имела частоту звукового диапазона, но еще обладала бы интенсивностью, превышающей некоторое минимальное значение, называемое порогом слышимости. Звук, интенсивность которого ниже порога слышимости, ухом не воспринимается. Звук очень большой интенсивности тоже не вызывает слухового ощущения, а создает лишь ощущение боли и давления в ухе. Максимальное значение интенсивности, превышение которого вызывает болевое ощущение, называется болевым порогом. Значения обоих порогов различны для различных частот. На рис.35.1представлен график зависимости порога слышимости и болевого порога от частоты. График построен в логарифмическом масштабе. Область, заключенная между кривыми, определяет диапазон частот и интенсивностей всех звуков, которые может воспринимать ухо;она называется областью слышимости. Из графика следует, что ухо наиболее чувствительно к звукам в интервале частот 1-3 кГц. Для них порог слышимости составляет около 10 Вт/м², а болевой порог превышает порог слышимости приблизительно в 10¹⁴ раз.

Звуковые ощущения принято характеризоватьгромкостью, высотой и тембром. Громкость звука зависит от амплитуды звуковых колебаний, высота от их частоты, а тембр от формы. Высота, тембр и уровень громкости являются субъективными характеристиками восприятия (ощущения) звука.

Высота звукаопределяется частотой источника звуковых колебаний. Чем больше частота колебаний, тем выше звук. Колебаниям малых частот соответствуют низкие звуки. В телефоне для воспроизведения человеческой речи используется область частот от 300до 2000Гц. В таблице 1то приведен диапазон частот различных источников звука.

таблица 1

Источники музыкальных звуков обычно создают звуковые волны нескольких кратных частот. Частота волны, на которую приходится наибольшая энергия, называетсяосновной частотой. Высота звука определяется его основной частотой: чем больше эта частота, тем выше звук. Волны остальных частот придают звуку специфический оттенок, называемыйтембром звука. При одной и той же высоте тона (частоте) форма сигналов получается разной (рис.35.2). В этом случае звуки отличаются по тембру (окраска звука). Дело в том, что музыкальные инструменты издают звуки не только основной частоты, но и звуки с частотами в два, три раза и т.д. большими основной частоты; так называемые обертоны. В зависимости от состава обертонов звук принимает разную окраску, разный тембр. Только тембром отличаются голоса людей, говорящих и поющих в одном и том же диапазоне частот. Тембром отличаются и звуки различных музыкальных инструментов (скрипки и трубы), соответствующие одной и той же ноте. Тембр звука зависит от набора обертонов-частот, кратных основной частоте звука. Чем больше обертонов, тем “насыщеннее”, красивее звук.

Уровень громкости звука определяется его интенсивностью. Количественная (объективная) оценка уровня громкости основана на психофизическом законе, утверждающем, что прирост ощущения пропорционален логарифму отношения энергий двух сравниваемых раздражителей (закон Вебера-Фехнера).

В данном случае ощущением является уровень громкости , а раздражителем-интенсивность звука . При изменении интенсивности звука отдо уровень громкости изменяется от до . Тогда по закону Вебера-Фехнера

где -коэффициент проапорциональности. Если принять , то . Считая , уровень громкости будет определяться формулой

и выражаться в децибелах (дБ). Минимальный уровень громкости, воспринимаемый ухом, равен 1дБ, шепоту соответствует уровень громкости 10дБ, речи-60дБ, шуму самолетного мотора-120дБ.

Поскольку в звуковой волне происходят механические колебания, то любое тело, попавшее в нее, испытывает на себе действие некоторой периодической силы, частота изменений которой совпадает с частотой колебаний в волне. Если частота ее совпадает с частотой свободных колебаний данного тела (его собственной частотой), то наступит акустический резонанс.

Амплитуда колебаний тела станет большой, и оно зазвучит. Пронаблюдать акустический резонанс проще всего с помощью двух одинаковых камертонов,расположенных вблизи друг друга. (рис.35.3) Звук скрипичной струны слишком слаб, чтобы его можно было услышать на большом расстоянии, однако звук одной единственной скрипки может наполнить огромный театральный зал. Это происходит потому,что звук скрипичных струн многократно усиливается корпусом скрипки вследствие резонанса.