Краткие сведения из физической и физиологической акустики Звук и его виды

Адекватный раздражитель слухового анализатора — это звук, который представляет собой колебательные движения среды (воз­духа, воды, почвы и пр.). В звуке, как и во всяком колебательном движении, различают амплитуду — размах колебаний, период — время, в течение которого совершается полное колебательное движение, и частоту — число полных колебаний в 1 с.

Источником звука является колеблющееся тело. В силу упру­гости, присущей любому веществу, любой среде, колебания, воз­никающие в одном месте, передаются на соседние участки, при­чем возникают уплотнения и разрежения среды. Эти уплотнения и разрежения распространяются во все стороны с определенной скоростью, зависящей от величины упругости и плотности сре­ды. Так возникают звуковые волны, состоящие из чередующихся друг с другом уплотнений и разрежений среды.

Одинаковые состояния колеблющейся среды, т. е. сгущения, разрежения и все промежуточные состояния, называют фазами звуковой волны. Расстояние между одинаковыми фазами назы­вают длиной волны. Скорость распространения звуковой волны неодинакова в различных средах. Так, например, в воде она рав­на 1450 м/с, а в воздухе при 0° С — 332 м/с. С повышением температуры скорость звука в воздухе увеличивается и, напри­мер, при 16° С достигает уже 340 м/с.

По характеру колебательных движений звуки делятся на две группы — тоны и шумы. Если колебание совершается ритмично, т.е. через определенные промежутки времени повторяются одинаковые фазы звуковой волны, то образующийся при этом звук воспринимается как музыкальный тон.

Простейший вид тона — гармоническое колебание, так называемый чистый тон. Закон, по которому происходит это колебание, т. е. изменение амплитуды данного колебания во времени, графически изображается синусоидой, поэтому такие колебания называются также синусоидальными. Примером частот тона может служить звук камертона. Другую группу звуков оставляют шумы. К шумам относят такие звуки, как скрип, крик, гул, вой, шорох и т. п. Шумы представляют собой совокупность беспорядочных (хаотических) колебаний, не вязанных между собой какой-либо правильной числовой зависимостью, которая характерна для гармонических колебаний, ходящих в состав музыкальных звуков.

Свойства звука

В звуке различают три основных свойства: силу, высоту и тембр.

Сила звука зависит от величины амплитуды колебаний. Чем больше амплитуда, т. е. чем шире размах колебаний, тем звук сильнее, и, наоборот, чем меньше размах, тем меньше сила звука. Амплитуда колебаний ветвей звучащего камертона по­степенно уменьшается, уменьшается размах колебаний частиц окружающей среды (воздуха) и соответственно — сила звука ка­мертона. Сила звука определяется величиной давления, которое производит звуковая волна на единицу поверхности. Звуковое давление (как и атмосферное) измеряется в паскалях (Па), по­казывающих, какая сила в ньютонах (Н) действует на площадь в квадратных метрах (м²): 1 Па — 1 Н/1 м². Давление в 1 ат­мосферу (атм.) приблизительно составляет 10⁵ паскалей (Па), т.е. 100000 Па.

На практике оказывается более удобным измерять силу звука не в абсолютных, а в относительных единицах. При этом опре­деляют величину отношения данной силы звука к силе звука, условно принятой за нулевую, т. е. за уровень отсчета. Это отно­шение часто выражается огромными цифрами, поэтому пользу­ются его логарифмом, величина которого обозначается в белах. Обычно применяется единица в десять раз меньшая — децибел (дБ). Если, например, говорят, что сила звука равна 30 дБ, то это значит, что отношение данной силы к силе, условно принятой за нулевую, равно 10³, т.е. 1000, или, другими словами, данная сила звука в 1000 раз больше нулевой. Соответственно при 10 дБ это отношение будет равно 10¹, т.е. данная сила звука в 10 раз больше нулевой, а при 50 дБ величина отношения равна 10⁵, или 100000.

Вообще, для того чтобы, зная число децибел, определить величину отношения данной силы звука к нулевому уровню, нужно число децибел разделить на 10 и возвести число 10 в сте­пень, равную полученному частному.

Высота звука зависит от частоты колебаний звучащего тела и измеряется числом полных колебаний в секунду. Звуки с малым числом колебаний в секунду (до 200-300) называют низкими, с большим числом колебаний (выше 2000) — высокими. Число колебаний в секунду обозначается сокращенно Гц (герц — по имени физика Герца).

Тембр звука. Тембром, или окраской, звука называют то его свойство, благодаря которому можно отличить друг от друга одинаковые по интенсивности и по высоте звуки, издаваемые разными источниками.

Если взять одну и ту же ноту с одной и той же силой на скрипке, на рояле, на трубе, в каждом случае получается свой характерный звук. Ни по высоте, ни по силе эти звуки не отличаются друг от друга, но они разнятся своим оттенком, своей окраской, или, как говорят, своим тембром.

В природе чистые тоны почти не встречаются. Все зву­ки, в том числе музыкальные, состоят из ряда простых звуков. В музыкальных звуках различают основной тон, высота которого зависит от основной частоты колебаний источника звука (стру­ны, голосовых складок), и ряд добавочных тонов, или обертонов, число колебаний которых относится к частоте основного тона как 2:1, 3:1, 4:1 и т.д. Обертоны и придают звукам тембровую окраску.

Количество и относительная сила входящих в состав того или иного звука обертонов зависят в основном от величины и формы резонаторов, участвующих в образовании данного зву­ка. Именно поэтому мы различаем по тембру звуки, издаваемые различными музыкальными инструментами, и голоса людей.

Громкость звука. В то время как сила звука является его физическим свойством, громкостью звука обозначают интен­сивность слухового ощущения. Будучи, как и всякое ощущение, отражением внешней реальности (в данном случае отражени­ем объективной силы звука), громкость нарастает с увеличением силы звука и, наоборот, убывает с ее уменьшением. Однако здесь нужно учесть некоторые важные особенности, характеризующие соотношение силы и громкости звуков. Во-первых, громкость, как и всякое другое ощущение, нарастает и падает значительно слабее, чем интенсивность раздражителя, т. е. в данном случае слабее, чем интенсивность звука. Так, например, установле­но, что увеличение интенсивности звука на 10 дБ, т. е. в 10 раз, сопровождается увеличением громкости лишь в 2 раза. Во-вторых, чувствительность нашего слуха к звукам разной высоты неодинакова, вследствие чего звуки одинаковой интенсивности, но разной высоты ощущаются нами с разной громкостью. Нако­нец, в-третьих, необходимо отметить, что ощущение громкости зависит от состояния слухового анализатора и от общего состо­яния нервной системы. Звуки, которые в нормальных условиях воспринимаются как средние по громкости, при повышенной возбудимости нервной системы могут стать чрезвычайно гром­кими.

Человек обладает способностью непосредственно оценивать громкость звуков. Примером практического измерения громко­сти являются известные музыкальные обозначения (латинскими буквами): пиано-пианиссимо (ррр), пианиссимо (рр), пиано (р), меццо-пиано (тр), меццо-форте (mf), форте (f), фортиссимо (ff) и форте-фортиссимо (fff).

Каждая последующая ступень оценивается приблизительно в два раза громче, чем предыдущая. Большинство людей могут довольно точно определять удвоение громкости звука и умень­шение громкости в два раза. Исследование этой способности используется для характеристики состояния функции коркового отдела слухового анализатора.