Простые и сложные звуковые колебания. Гармонический анализ Что показал гармонический анализ гласных

В случае гармонических звуковых колебаний среды наше ощущение высоты звука объективно соответствует частоте колебаний. Если звуковые колебания среды негармоничны, то, пользуясь теоремой Фурье, такие колебания можно представить как сумму гармонических колебаний с кратными частотами. В этом случае составляющее гармоническое колебание, характеризуемое наименьшей частотой называют основным тоном, а все другие - обертонами (первый обертон имеет частоту второй ).

Рис. 163. Резонатор Гельмгольца.

Явление акустического резонанса позволяет опытным путем анализировать звуковые негармонические колебания сложной формы, т. е. определять частоту основного тона и относительную силу обертонов. Для такого анализа звуков может служить набор резонаторов Гелъмгольца, представляющих собой полые шары различных размеров, изготовленные из стекла или латуни (рис. 163) и имеющие по два отверстия: одно широкое, через которое колебания воздуха передаются внутрь шара, и другое узкое, которое экспериментатор вставляет в ухо. Звук любой формы возбуждает в резонаторе Гельмгольца собственные колебания воздуха, частота которых определяется объемом воздуха, заключенного в резонаторе. Но эти собственные колебания воздуха только тогда приобретают большую амплитуду и дают ощущение громкого звука, когда их частота близка к частоте основного тона или к частоте какого-либо сильного обертона возбудившего их звука. Таким образом, слушая некоторый звук и последовательно прикладывая к уху различные резонаторы Гельмгольца, собственные частоты которых известны, нетрудно определить частоту основного тона исследуемого звука и частоты тех. обертонов, которые имеют наибольшую амплитуду.

Для более точного анализа звуков применяют электроакустические приборы, в которых звуковые колебания преобразуются в электрические колебания той же формы и эти электрические колебания разлагаются на гармонические составляющие.

Результаты анализа звука часто выражают графически в виде акустического спектра: на оси абсцисс откладывают частоты, на оси ординат - относительные силы гармонических составляющих (основного тона и обертонов), выраженные в процентах от силы

наиболее интенсивной составляющей; обычно для ординат пользуются логарифмическим масштабом. На рис. 164 представлены акустические спектры для некоторых звуков, издаваемых музыкальными инструментами (частота основного тона анализируемого звука указана в скобках на каждом спектре рядом с названием инструмента).

Рис. 164. Акустические спектры.

Положение вертикальных штрихов указывает частоты гармонических составляющих анализируемого звука, а высота этих штрихов определяет относительную силу этих составляющих. Из приведенных спектров видно, сколь сложен каждый звук, издаваемый музыкальным инструментом.

Рис. 165. Основной и добавочные тоны камертона.

Частоту основного тона такого сложного звука мы воспринимаем как высоту звука; сила и число обертонов и характер нарастания звука определяют тембр звука.

Наиболее «чистый» звук (т. е. звук со слабыми и малочисленными обертонами) - можно получить посредством камертона, если осторожно провести смычком скрипки по свободному концу ветвей камертона. Чтобы этот звук был явственно слышен, камертон ставят на резонаторный ящик, открытый с одного конца (длина этого ящика должна быть равна четверти длины волны основного тона камертона в воздухе).

Ветви камертона колеблются так, что образуется стоячая волна, показанная пунктиром на рис. 165, а. На это колебание, которое соответствует основному тону, накладываются колебания, которые

порождают добавочные тоны, причем заметно выражены те гармонические колебания, частоты которых в Раз превосходят частоту основного тона.

Если провести смычком скрипки несколько ниже середины ветви камертона, то преобладающим колебанием будет то, которое показано на рис. 165, б. В этом случае камертон издает весьма чистый первый добавочный тон, частота которого в раз больше частоты основного тона.

Частота основного тона звука, издаваемого музыкальной трубой (например, флейтой, кларнетом, фаготом и др.), зависит от длины столба воздуха, резонансные колебания которого усиливают возбужденный в трубе звук. В этом столбе воздуха возникают стоячие звуковые волны, причем если труба открыта с обоих концов, то на концах трубы будут находиться пучности стоячей волны; если же труба открыта только с одного конца; то у открытого конца будет находиться пучность, а у закрытого - узел.

Рис. 166. Колебания воздуха в трубе, открытой с обоих концов (а) и с одного конца (б).

В любой стоячей волне расстояние между пучностями всегда равно половине длины волны, поэтому основной тон звука, резонансно усиливаемого открытой с обоих концов трубой, имеет длину волны, равную удвоенной длине трубы. Одновременно с этим основным колебанием в трубе, открытой с обоих концов, могут происходить колебания со всеми кратными частотами (рис. 166).

Если труба закрыта с одного конца, то основной тон звука, резонансно усиливаемого этой трубой, будет иметь длину волны, равную учетверенной длине трубы (в этом случае, как было упомянуто, у открытого конца трубы будет находиться пучность, а у закрытого - узел; расстояние же между пучностью и узлом равно четверти длины волны).

Сопоставляя рис. 166, а и б, нетрудно сообразить, что для трубы, закрытой с одного конца, числа колебаний основного тона и обертонов будут относиться, как четные

обертоны отсутствуют (действительно, если мы разрежем вертикально посредине рис. 166, а и отбросим фигуры, где в середине трубы имеется пучность, а не узел, то получим изображение всех возможных стоячих волн в трубе, закрытой с одного конца, т. е. получим рис. 166, б).

Частотный состав звука, издаваемого струной, зависит от длины, массы и натяжения струны, а также и от способа возбуждения колебаний струны. Основной тон и обертоны звука, издаваемого струной, соответствуют стоячим волнам поперечных колебаний струны.

Стоячие волны в струнах были исследованы Мельде (1860), схема опытов которого ппедставлена на рис. 167. Мельде для возбуждения колебаний струны пользовался камертоном, к одной из ветвей которого был прикреплен один конец струны, тогда как другой конец струны был переброшен через блок и нагружен гирей. Указанный способ возбуждения колебаний интересен в том отношении, что в данном случае продольные импульсы, сообщаемые камертоном струне, порождают поперечные колебания струны. Это - случай так называемого параметрического возбуждения колебаний (от слова «параметр» - величина; воздействие колеблющегося камертона на струну заключается в периодическом изменении величины натяжения струны).

Рис. 167. Опыт Мельде.

В опыте Мельде стоячие волны колебаний струны образуются и являются резко выраженными при определенном соотношении между числом колебаний камертона и собственной частотой поперечных колебаний струны. Этот случай резонанса называют параметрическим резонансом; он наблюдается, когда частота внешнего воздействия (частота камертона) в целое число раз превышает собственную частоту колебаний системы (струны). Собственная частота поперечных колебаний струны пропорциональна корню квадратному из натяжения струны. Воспроизводя опыт Мельде, нетрудно подобрать такую гирю, натягивающую струну, чтобы собственная частота колебаний струны была в два раза меньше частоты колебаний камертона; тогда образуется стоячая волна, показанная на рис. 167, А. При гире в четыре раза меньшего веса возникает узел посредине струны (рис. 167, В); если уменьшить вес гири в 9, 16, 25 и т. д. раз, то число узлов каждый раз возрастает на единицу.

Законы колебания струн открыл Мерсён (1636). Эти законы были обобщены Тейлором (1713) в формуле, выведенной теоретически:

здесь при означает частоту основного тона, издаваемого струной; при и т. д. означает частоту соответствующего обертона; длина струны; натяжение струны; масса единицы длины струны.

Относительная сила обертонов зависит от способа возбуждения колебаний струны. Например, если осторожно провести смычком посредине струны, где находится узел стоячей волны первого обертона, то возбуждается звук, почти не содержащий первого обертона.

Рис. 168. Область частот, характерных для гласных звуков (форманты гласных звуков).

Звуки речи излучаются голосовыми связками, колебания которых имеют очень сложный характер. Благодаря резонансным свойствам полости глотки и главным образом полости рта характер звука, излучаемого связками, претерпевает резкое изменение: отдельные компоненты, частоты которых приближаются к собственным частотам резонансных полостей, усиливаются, и именно на них и сосредоточивается максимальная энергия излучаемого звука. Так как собственная частота полости определяется ее размерами и формой, то очевидно, что положение максимально усиливаемых компонентов определяется формой, придаваемой полости рта при произнесении того или иного речевого звука.

Мы знаем по ежедневному опыту, что каждому звуку речи соответствует известная форма полости рта, определяемая положением языка и губ; следовательно, каждому звуку речи соответствует одна или несколько характеристических областей частот, лежащих вблизи собственных частот резонирующих полостей. Именно эта концентрация звуковой энергии в определенных (для гласных звуков очень узких) областях частот и дает нам возможность отличать звуки речи один от другого. Эти характерные для каждого речевого звука области частот называют формантами. Положение формант отдельных гласных звуков показано на рис. 168: двумя крестами обозначены основные (главные) форманты, одним крестом обозначены второстепенные форманты, характеризующие главным образом индивидуальные особенности тембра.

Согласные звуки, по своей природе скорее приближающиеся к шумам, также характеризуются формантами. Однако формантные области здесь шире, чем у гласных, охватывая значительно более широкий диапазон частот. Нужно заметить, что в процессе возбуждения отдельных согласных звуков участвуют не только голосовые связки, но и сами резонансные полости, например при произнесении согласной «с» струя воздуха продувается между языком и зубами; этим и определяется ее свистящий характер. Для некоторых согласных форманты лежат в области очень высоких частот (например, спектр согласной «с» простирается до гц).

В отличие от музыкальных звуков, в которых всегда можно обнаружить совокупность гармонических колебаний, шумы представляют собой звуки,

обусловленные процессами, частота и амплитуда которых изменяются со временем. Как было пояснено выше, для музыкальных звуков является характерным линейчатый акустический спектр. В шуме, если попытаться разложить его на гармонические колебания, обнаоуживаются колебания всех частот, вплоть до очень высоких частот порядка гц. На рис. 169 представлен в качестве примера спектр шума бунзеновской горелки.

Рис. 169. Спектр шума бунзеновской газовой горелки.

Текстовые задания ГИА

Задание №FF157A

Ареометр – прибор для измерения плотности жидкостей, принцип работы которого основан на законе Архимеда. Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью для достижения необходимой массы (рис. 1). В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности раствора . Плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объёму, на который он погружается в жидкость. Так как плотность жидкостей сильно зависит от температуры, измерения плотности должны проводиться при строго определённой температуре, для чего ареометр иногда снабжают термометром.

Используя текст и рисунки, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) Согласно рис. 2 плотность жидкости во второй мензурке больше плотности жидкости в первой мензурке.
2) Ареометр приспособлен для измерения плотности только тех жидкостей, плотность которых больше средней плотности ареометра.
3) При нагревании жидкости глубина погружения в неё ареометра не изменяется.
4) Глубина погружения ареометра в данную жидкость не зависит от количества дроби в нём.
5) Выталкивающая сила, действующая на ареометр в жидкости (1), равна выталкивающей силе, действующей на ареометр в жидкости (2).

Задание №fad1e8

На рисунке показан профиль волны.

Длина и амплитуда волны равны соответственно

1) 12 см и 9 см
2) 18 см и 6 см
3) 12 см и 18 см
4) 18 см и 12 см
Анализ звука

Раньше анализ звука выполнялся с помощью резонаторов, представляющих собой полые шары разного размера, имеющих открытый отросток, вставляемый в ухо, и отверстие с противоположной стороны. Для анализа звука существенно, что всякий раз, когда в анализируемом звуке содержится тон, частота которого равна частоте резонатора, последний начинает громко звучать в этом тоне .

Такие способы анализа, однако, очень неточны и кропотливы. В настоящее время они вытеснены значительно более совершенными, точными и быстрыми электроакустическими методами. Суть их сводится к тому, что акустическое колебание сначала преобразуется в электрическое колебание с сохранением той же формы, а, следовательно, имеющее тот же спектр, а затем это колебание анализируется электрическими методами.

Очевидно, в спектрах гласных должны быть какие-то особенности, характерные для каждого гласного звука, сверх тех особенностей, которые создают тембр голоса данного человека. Гармонический анализ гласных подтверждает это предположение, а именно, гласные звуки характеризуются наличием в их спектрах областей обертонов с большой амплитудой, причем эти области лежат для каждой гласной всегда на одних и тех же частотах, независимо от высоты пропетого гласного звука.

Задание №03C14B

Чем обусловлены особенности различных гласных звуков?

Правильным является ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Задание №27CDDB

Что понимают под гармоническим анализом звука?

1) установление громкости звука
2) установление частот и амплитуд тонов, входящих в состав сложного звука
3) установление возможности пения на одной и той же ноте различных гласных звуков
4) установление высоты сложного звука

Задание №C2AE03

Какое физическое явление лежит в основе анализа звука с помощью полых шаров?

1) резонанс
2) электрические колебания
3) отражение звука от отростка шара
4) превращение звуковых колебаний в электрические

Анализ звука

При помощи наборов акустических резонаторов можно установить, какие тоны входят в состав данного звука и каковы их амплитуды. Такое установление спектра сложного звука называется его гармоническим анализом.

Один из существенных результатов гармонического анализа касается звуков нашей речи. По тембру мы можем узнать голос человека. Но чем различаются звуковые колебания, когда один и тот же человек поёт на одной и той же ноте различные гласные? Другими словами, чем различаются в этих случаях периодические колебания воздуха, вызываемые голосовым аппаратом при разных положениях губ и языка и изменениях формы полости рта и глотки? Очевидно, в спектрах гласных должны быть какие-то особенности, характерные для каждого гласного звука, сверх тех особенностей, которые создают тембр голоса данного человека. Гармонический анализ гласных подтверждает это предположение, а именно: гласные звуки характеризуются наличием в их спектрах областей обертонов с большой амплитудой, причём эти области лежат для каждой гласной всегда на одних и тех же частотах независимо от высоты пропетого гласного звука.

Задание №0B3BD1

Гармоническим анализом звука называют

А. установление числа тонов, входящих в состав сложного звука.

Б. установление частот и амплитуд тонов, входящих в состав сложного звука.

Правильный ответ

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Задание №439A8F

Можно ли, используя спектр звуковых колебаний, отличить один гласный звук от другого? Ответ поясните.

Задание №9DA26D

Какое физическое явление лежит в основе электроакустического метода анализа звука?

1) преобразование электрических колебаний в звуковые
2) разложение звуковых колебаний в спектр
3) резонанс
4) преобразование звуковых колебаний в электрические

Флотация

Одним из способов обогащения руды, основанным на явлении смачивания, является флотация. Сущность флотации состоит в следующем. Раздробленная в мелкий порошок руда взбалтывается в воде. Туда же добавляется небольшое количество вещества, обладающего способностью смачивать одну из подлежащих разделению частей, например крупицы полезного ископаемого, и не смачивать другую часть – крупицы пустой породы. Кроме того, добавляемое вещество не должно растворяться в воде. При этом вода не будет смачивать поверхность крупицы руды, покрытую слоем добавки. Обычно применяют какое-нибудь масло. В результате перемешивания крупицы полезного ископаемого обволакиваются тонкой пленкой масла, а крупицы пустой породы остаются свободными. В получившуюся смесь очень мелкими порциями вдувают воздух. Пузырьки воздуха, пришедшие в соприкосновение с крупицей полезной породы, покрытой слоем масла и потому не смачиваемой водой, прилипают к ней. Это происходит потому, что тонкая пленка воды между пузырьками воздуха и не смачиваемой ею поверхностью крупицы стремится уменьшить свою площадь, подобно капле воды на промасленной бумаге, и обнажает поверхность крупицы.

Задание №0CC91A

Что такое флотация?

1) способ обогащения руды, в основе которого лежит явление плавания тел
2) плавание тел в жидкости
3) способ обогащения руды, в основе которого лежат явления смачивания и плавания
4) способ получения полезных ископаемых

Задание №6F39A2

Почему крупицы полезной руды поднимаются вверх из смеси воды и руды?

1) на крупицы действует выталкивающая сила, меньшая, чем сила тяжести, действующая на крупицы

на прилипшие к ним пузырьки действует выталкивающая сила, меньшая, чем сила тяжести, действующая на крупицы

3) на крупицы и прилипшие к ним пузырьки действует выталкивающая сила, равная силе тяжести, действующая на крупицы
4) на них действует сила поверхностного натяжения слоя воды между масляной пленкой и пузырьком воздуха

Флотация

Чистая руда почти никогда не встречается в природе. Почти всегда полезное ископаемое перемешано с «пустой», ненужной горной породой. Процесс отделения пустой породы от полезного ископаемого называют обогащением руды.

Крупицы полезной руды с пузырьками воздуха поднимаются вверх, а крупицы пустой породы опускаются вниз. Таким образом, происходит более или менее полное отделение пустой породы и получается концентрат, богатый полезной рудой.

Задание №866BE9

Можно ли, используя флотацию, сделать так, чтобы пустая порода всплывала вверх, а крупицы руды оседали на дно? Ответ поясните.

Охлаждающие смеси

Возьмём в руки кусок сахара и коснёмся им поверхности кипятка. Кипяток втянется в сахар и дойдёт до наших пальцев. Однако мы не почувствуем ожога, как почувствовали бы, если бы вместо сахара был кусок ваты. Это наблюдение показывает, что растворение сахара сопровождается охлаждением раствора. Если бы мы хотели сохранить температуру раствора неизменной, то должны были бы подводить к раствору энергию. Отсюда следует, что при растворении сахара внутренняя энергия системы сахар–вода увеличивается.

То же происходит при растворении большинства других кристаллических веществ. Во всех подобных случаях внутренняя энергия раствора больше, чем внутренняя энергия кристалла и растворителя при той же температуре, взятых в отдельности.

В примере с сахаром необходимое для его растворения количество теплоты отдаёт кипяток, охлаждение которого заметно даже по непосредственному ощущению.

Если растворение происходит в воде при комнатной температуре, то температура получившейся смеси в некоторых случаях может оказаться даже ниже 0 °С, хотя смесь и остаётся жидкой, поскольку температура застывания раствора может быть значительно ниже 0°С. Этот эффект используют для получения сильно охлаждённых смесей из снега и различных солей.

Снег, начиная таять при 0 °С, превращается в воду, в которой растворяется соль; несмотря на понижение температуры, сопровождающее растворение, получившаяся смесь не затвердевает. Снег, смешанный с этим раствором, продолжает таять, забирая энергию от раствора и, соответственно, охлаждая его. Процесс может продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута температура замерзания полученного раствора. Смесь снега и поваренной соли в отношении 2:1 позволяет, таким образом, получить охлаждение до −21 °С; смесь снега с хлористым кальцием (CaCl 2) в отношении 7:10 позволяет получить охлаждение до −50 °С.

Задание №17A777

Где ноги будут мёрзнуть больше: на заснеженном тротуаре или на таком же тротуаре, посыпанном солью?

1) на заснеженном тротуаре
2) на тротуаре, посыпанном солью
3) одинаково на заснеженном тротуаре и на тротуаре, посыпанном солью
4) ответ зависит от температуры окружающего воздуха

Шум и здоровье человека

Современный шумовой дискомфорт вызывает у живых организмов болезненные реакции. Транспортный или производственный шум действует угнетающе на человека - утомляет, раздражает, мешает сосредоточиться. Как только такой шум смолкает, человек испытывает чувство облегчения и покоя.

Уровень шума в 20–30 децибел (дБ) практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого невозможна человеческая жизнь. Для “громких звуков” предельно допустимая граница примерно 80–90 децибел. Звук в 120–130 децибел уже вызывает у человека болевые ощущения, а в 150 - становится для него непереносимым. Влияние шума на организм зависит от возраста, слуховой чувствительности, продолжительности действия.

Наиболее пагубны для слуха длительные периоды непрерывного воздействия шума большой интенсивности. После воздействия сильного шума заметно повышается нормальный порог слухового восприятия, то есть самый низкий уровень (громкость), при котором данный человек еще слышит звук той или иной частоты. Измерения порогов слухового восприятия производят в специально оборудованных помещениях с очень низким уровнем окружающего шума, подавая звуковые сигналы через головные телефоны. Эта методика называется аудиометрией; она позволяет получить кривую индивидуальной чувствительности слуха, или аудиограмму. Обычно на аудиограммах отмечают отклонения от нормальной чувствительности слуха (см. рисунок).

Аудиограмма типичного сдвига порога слышимости после кратковременного воздействия шума

Задание №1EEF3E

Порог слышимости определяется как

1) минимальная частота звука, воспринимаемая человеком
2) максимальная частота звука, воспринимаемая человеком
3) самый высокий уровень, при котором звук той или иной частоты не приводит к потере слуха
4) самый низкий уровень, при котором данный человек еще слышит звук той или иной частоты

Задание №29840A

Какие утверждения, сделанные на основании аудиограммы (см. рисунок), справедливы?

А. Максимальный сдвиг порога слышимости соответствует низким частотам (примерно до 1000 Гц).

Б. Максимальная потеря слуха соответствует частоте 4000 Гц.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Задание №79F950

Определите, какие источники шума, представленные в таблице, создают недопустимые уровни шума.

1) В
2) В и Б
3) В, Б и Г
4) В, Б, Г и А

Сейсмические волны

При землетрясении или крупном взрыве в коре и толще Земли возникают механические волны, которые называются сейсмическими. Эти волны распространяются в Земле и могут быть зарегистрированы при помощи специальных приборов – сейсмографов.

Действие сейсмографа основано на том принципе, что груз свободно подвешенного маятника при землетрясении остаётся практически неподвижным относительно Земли. На рисунке представлена схема сейсмографа. Маятник подвешен к стойке, прочно закреплённой в грунте, и соединен с пером, чертящим непрерывную линию на бумажной ленте равномерно вращающегося барабана. При колебаниях почвы стойка с барабаном также приходят в колебательное движение, и на бумаге появляется график волнового движения.

Различают несколько типов сейсмических волн, из них для изучения внутреннего строения Земли наиболее важны продольная волна P и поперечная волна S . Продольная волна характеризуется тем, что колебания частиц происходят в направлении распространения волны ; эти волны возникают и в твёрдых телах, и в жидкостях, и в газах. Поперечные механические волны не распространяются ни в жидкостях, ни в газах.

Скорость распространения продольной волны примерно в 2 раза превышает скорость распространения поперечной волны и составляет несколько километров в секунду. Когда волны P и S проходят через среду, плотность и состав которой изменяются, то скорости волн также меняются, что проявляется в преломлении волн. В более плотных слоях Земли скорость волн возрастает. Характер преломления сейсмических волн позволяет исследовать внутреннее строение Земли.

Задание №3F76F0

На рисунке представлены графики зависимости скоростей сейсмических волн от глубины погружения в недра Земли. График для какой из волн (P или S ) указывает на то, что ядро Земли находится не в твёрдом состоянии? Ответ обоснуйте.

Задание №8286DD

Какое(-ие) утверждение(-я) справедливо(-ы)?

А. При землетрясении груз маятника сейсмографа совершает колебания относительно поверхности Земли.

Б. Сейсмограф, установленный на некотором расстоянии от эпицентра землетрясения, сначала зафиксирует сейсмическую волну P , а затем волну S .

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Задание №9815BE

Сейсмическая волна P является

1) механической продольной волной
2) механической поперечной волной
3) радиоволной
4) световой волной

Запись звука

Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта в 1877 году американским изобретателем Т.А. Эдисоном. Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино. Запись музыкальных произведений, рассказов и даже целых пьес на граммофонные или патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи.

На рисунке 1 дана упрощенная схема механического звукозаписывающего устройства. Звуковые волны от источника (певца, оркестра и т.д.) попадают в рупор 1, в котором закреплена тонкая упругая пластинка 2, называемая мембраной. Под действием звуковой волны мембрана колеблется. Колебания мембраны передаются связанному с ней резцу 3, острие которого чертит при этом на вращающемся диске 4 звуковую бороздку. Звуковая бороздка закручивается по спирали от края диска к его центру. На рисунке показан вид звуковых бороздок на пластинке, рассматриваемых через лупу.

Диск, на котором производится звукозапись, изготавливается из специального мягкого воскового материала. С этого воскового диска гальванопластическим способом снимают медную копию (клише). При этом используется осаждение на электроде чистой меди при прохождении электрического тока через раствор ее солей. Затем с медной копии делают оттиски на дисках из пластмассы . Так получают граммофонные пластинки.

При воспроизведении звука граммофонную пластинку ставят под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят пластинку во вращение. Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется, вместе с ним колеблется и мембрана, причем эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.

Задание №5848B0

При механической записи звука используется камертон. При увеличении времени звучания камертона в 2 раза

Применение метода гармонического анализа к исследованию акустических явлений позволило разрешить многие теоретические и практические проблемы. Одним из трудных вопросов акустики является вопрос об особенностях восприятия человеческой речи.

Физическими характеристиками звуковых колебаний являются частота, амплитуда и начальная фаза колебаний. Для восприятия звука человеческим ухом важны только две физические характеристики - частота и амплитуда колебаний.

Но если это действительно так, то каким образом мы узнаем одни и те же гласные а, о, у и т. д. в речи разных людей? Ведь один человек говорит басом, другой - тенором, третий - сопрано; поэтому высота звука, т. е. частота звуковых колебаний, при произношении одной и той же гласной оказывается у разных людей различной. Можно пропеть на одной и той же гласной а целую октаву, изменяя частоту звуковых колебаний вдвое, и все же мы узнаем, что это а, но не о или у.

Не изменяется наше восприятие гласных и при изменении громкости звука, т. е. при изменении амплитуды колебаний. И громко и тихо произнесенное а мы уверенно отличаем от и, у, о, э.

Объяснение этой замечательной особенности человеческой речи дают результаты анализа спектра звуковых колебаний, возникающих при произнесении гласных.

Анализ спектра звуковых колебаний может быть осуществлен различными способами. Самый простой из них заключается в использовании набора акустических резонаторов, называемых резонаторами Гельмгольца.

Акустический резонатор - это полость обычно шарообразной

формы, сообщающаяся с внешней средой через небольшое отверстие. Как показал Гельмгольц, собственная частота колебаний воздуха, заключенного в такой полости, в первом приближении не зависит от формы полости и для случая круглого отверстия определяется формулой:

где - собственная частота резонатора; - скорость звука в воздухе; - диаметр отверстия; V - объем резонатора.

Если иметь набор резонаторов Гельмгольца с различными собственными частотами, то для определения спектрального состава звука от какого-нибудь источника нужно поочередно подносить разные резонаторы к уху и определять на слух наступление резонанса по усилению громкости звучания. На основании таких опытов можно утверждать, что в составе сложных акустических колебаний имеются гармонические составляющие, являющиеся собственными частотами резонаторов, в которых наблюдалось явление резонанса.

Такой способ определения спектрального состава звука слишком трудоемок и не очень надежен. Можно было бы попытаться усовершенствовать его: применить сразу весь комплект резонаторов, снабдив каждый из них микрофоном для преобразования звуковых колебаний в электрические и прибором для измерения силы тока на выходе микрофона. Для получения сведений о спектре гармонических составляющих сложных звуковых колебаний с помощью такого прибора достаточно снять показания со всех измерительных приборов на выходе.

Однако и такой способ не применяют на практике, так как разработаны более удобные и надежные способы спектрального анализа звука. Сущность наиболее распространенного из них состоит в следующем. С помощью микрофона исследуемые колебания давления воздуха звуковой частоты преобразуются в колебания электрического напряжения на выходе микрофона. Если качество микрофона достаточно высокое, то зависимость напряжения на выходе микрофона от времени выражается той же функцией, что и изменение со временем звукового давления. Тогда анализ спектра звуковых колебаний можно заменить анализом спектра электрических колебаний. Анализ же спектра электрических колебаний звуковой частоты осуществляется технически проще, и результаты измерений оказываются значительно более точными. Принцип действия соответствующего анализатора также основан на явлении резонанса, но уже не в механических системах, а в электрических цепях.

Применение метода анализа спектров к исследованию человеческой речи позволило обнаружить, что при произнесении человеком, например, гласной а на высоте тона до первой октавы

возникают звуковые колебания сложного частотного спектра. Кроме колебаний с частотой 261,6 Гц, соответствующих тону до первой октавы, в них обнаруживается ряд гармоник более высокой частоты. При изменении тона, на котором произносится гласная, в спектре звуковых колебаний происходят изменения. Падает до нуля амплитуда гармоники с частотой 261,6 Гц, и появляется гармоника, соответствующая тому тону, на котором теперь произносится гласная, но ряд других гармоник при этом не изменяет своей амплитуды. Устойчивую группу гармоник, характерную для данного звука, называют его формантой.

Если проиграть на скорости 78 об/мин грампластинку с записью исполнения какой-нибудь песни, предназначенную для проигрывания на скорости 33 об/мин, то мелодия песни останется неизменной, но звуки и слова звучат не просто более высоко, а становятся неузнаваемыми. Причина этого явления состоит в том, что изменяются частоты всех гармонических составляющих каждого звука.

Мы приходим к выводу, что мозг человека по сигналам, поступающим через нервные волокна от слухового аппарата, способен определять не только частоту и амплитуду звуковых колебаний, но и спектральный состав сложных звуковых колебаний, как бы выполняя работу анализатора спектра гармонических составляющих негармонических колебаний.

Человек способен узнавать голоса знакомых людей, отличать звуки одного тона, полученные с помощью различных музыкальных инструментов. Эта способность также основана на различии спектрального состава звуков одного основного тона от разных источников. Наличие в их спектре устойчивых групп - формант гармонических составляющих - придает звучанию каждого музыкального инструмента характерную «окраску», называемую тембром звука.

1. Приведите примеры негармонических колебаний.

2. В чем заключается существо метода гармонического анализа?

3. Каковы практические применения метода гармонического анализа?

4. Чем отличаются друг от друга различные гласные звуки?

5. Как осуществляется на практике гармонический анализ звука?

6. Что такое тембр звука?

Обсуждая вопрос о природе звуковых волн, мы имели в виду такие звуковые колебания, которые подчиняются синусоидальному закону. Это простые звуковые колебания. Их называют чистыми звуками, или тонами. Но в природных условиях такие звуки практически не встречаются. Шум листвы, журчанье ручья, раскаты грома, голоса птиц и зверей представляют собой сложные звуки. Однако любой сложный звук может быть представлен в виде набора различных по частоте и амплитуде тонов. Это достигается путем проведения спектрального анализа звука. Графическое изображение результата анализа сложного звука по составляющим его компонентам называют амплитудно-частотным спектром. На спектре амплитуду выражают в двух разных единицах: логарифмических (в децибелах) и линейных (в процентах). Если используют процентное выражение, то отсчет чаще всего ведут относительно амплитуды наиболее выраженной составляющей спектра. В этом случае ее принимают за нуль децибел, а уменьшение амплитуды остальных спектральных составляющих измеряют в отрицательных единицах. Иногда, в частности при усреднении нескольких спектров, за основу отсчета удобнее брать амплитуду всего анализируемого звука. Качество звука, или его тембр, существенно зависит от количества составляющих его синусоидальных компонентов, а также от степени выраженности каждого из них, то есть от амплитуд слагающих его тонов. В этом легко убедиться, прослушав одну и ту же ноту, исполненную на разных музыкальных инструментах. Во всех случаях основная частота звука этой ноты - у струнных инструментов, например, соответствующая частоте колебания струны - одинакова. Заметим, однако, что для каждого инструмента характерна своя форма амплитудно-частотного спектра.

1. Амплитудно-частотные спектры ноты "до" первой октавы, воспроизведенной на разных музыкальных инструментах. За 100 процентов принята амплитуда колебаний первой гармоники, называемой частотой основного тона (она отмечена стрелкой). Особенность звучания кларнета по сравнению со звучанием рояля проявляется в ином соотношении амплитуд спектральных составляющих, то есть гармоник; кроме того, в спектре звука кларнета отсутствуют вторая и четвертая гармоники.

Все сказанное выше о звуках музыкальных инструментов справедливо и для голосовых звуков. Основная часть голосовых звуков - в этом случае ее обычно называют частотой основного тона - соответствует частоте колебания голосовых связок. Исходящий из голосового аппарата звук кроме основного тона включает также многочисленные сопутствующие ему тоны. Основной тон и эти дополнительные тоны и составляют сложный звук. Если частота сопутствующих тонов превосходит частоту основного тона в целое число раз, то такой звук называют гармоническим. Сами же сопутствующие тоны и соответствующие им спектральные составляющие в амплитудно-частотном спектре звука называют гармониками. Расстояния по шкале частот между соседними гармониками соответствуют частоте основного тона, то есть частоте колебании голосовых связок.

2. Амплитудно-частотные спектры звука, производимого голосовыми связками человека при произношении им любого гласного (рисунок слева), и гласного звука "и", созданного голосовым трактом (рисунок справа). Вертикальными отрезками изображены гармоники; расстояние между ними на шкале частот соответствует частоте основного тона голоса. Изменение (уменьшение) амплитуды гармоник выражено в децибелах относительно амплитуды наибольшей гармоники. На огибающей спектра звука "и" появились так называемые формантные частоты (F 1 , F 2 , F 3), представляющие собой наибольшие по амплитуде гармонические составляющие.

В качестве примера рассмотрим процесс образования звуков речи. Во время произнесения любого гласного колеблющиеся голосовые связки создают сложный звук, спектр которого состоит из ряда гармоник с постепенно уменьшающейся амплитудой. Для всех гласных спектр звука, создаваемого голосовыми связками, одинаков. Различие в звучании гласных достигается благодаря изменениям конфигурации и размеров воздушных полостей голосового тракта. Так, например, когда мы произносим звук "и", мягкое небо перекрывает доступ воздуха в носовую полость и к небу поднимается передняя часть спинки языка, в результате чего ротовая полость приобретает определенные резонансные свойства, видоизменяя первоначальный спектр созданного голосовыми связками звука. В этом спектре появляется ряд специфических для данного гласного звука пиков амплитуды спектральных составляющих, называемых спектральными максимумами. В таком случае говорят об изменении огибающей спектра звука. Энергетически наиболее выраженные спектральные максимумы, обусловленные работой голосового тракта как резонатора и фильтра, называют формантами. Форманты обозначают порядковыми номерами, причем первой формантой считают ту, которая следует сразу после частоты основного тона.

В виде суммы гармонических колебаний можно представить не только голосовые звуки, но и разнообразные шумы, издаваемые животными: сопение, фырканье, стуки и чмоканье. Так как спектры шумовых звуков состоят из множества плотно примыкающих друг к другу тонов, то в них невозможно выделить отдельные гармоники. Обычно шумовые звуки характеризуются довольно широким диапазоном частот.

В биоакустике, как и в технических науках, все звуки принято называть акустическими или звуковыми сигналами. Если спектр звукового сигнала охватывает широкую полосу частот, сам сигнал и его спектр называют широкополосным, а если узкую, то - узкополосным.

Гармоническим анализом звука называют

А. установление числа тонов, входящих в состав сложного звука.

Б. установление частот и амплитуд тонов, входящих в состав сложного звука.

Правильный ответ:

1) только А

2) только Б

4) ни А, ни Б

Анализ звука

Такие способы анализа, однако, очень неточны и кропотливы. В настоящее время они вытеснены значительно более совершенными, точными и быстрыми электроакустическими методами. Суть их сводится к тому, что акустическое колебание сначала преобразуется в электрическое колебание с сохранением той же формы, а следовательно, имеющее тот же спектр, а затем это колебание анализируется электрическими методами.

Какое физическое явление лежит в основе электроакустического метода анализа звука?

1) преобразование электрических колебаний в звуковые

2) разложение звуковых колебаний в спектр

3) резонанс

4) преобразование звуковых колебаний в электрические

Решение.

Идея электроакустического метода анализа звука состоит в том, что исследуемые звуковые колебания действуют на мембрану микрофона и вызывают её периодическое перемещение. Мембрана связана с нагрузкой, сопротивление которой изменяется в соответствии с законом перемещения мембраны. Поскольку сопротивление меняется при неизменной силе тока, меняется и напряжение. Говорят, что происходит модуляция электрического сигнала - возникают электрические колебания. Таким образом, в основе электроакустического метода анализа звука лежит преобразование звуковых колебаний в электрические.

Правильный ответ указан под номером 4.