90. Висота тону.

Ударимо по двох клавішах рояля; матимемо різні звуки: один нижчий, другий вищий. Чоловічий голос видає звуки нижчі, ніж жіночий голос, бас нижчий від тенора, сопрано вищий від альта. Звуки розрізняють за висотою тону.

Візьмемо два камертони, що дають звуки різної висоти, і запишемо графіки їхніх коливань на закуреній пластинці, водячи обома камертонами заразом. Ми матимемо криві, показані на рис. 108. Верхню криву добуто від камертона, що дає низький звук, нижню — від камертона з високим звуком. У першому випадку вийшла крива з довшою хвилею, у другому — меншої довжини. Отже, у першого камертона (з низьким тоном) буде довший період коливань і менша частота, ніж у другого. Висота звука залежить від періоду, або від частоти коливань. Що менший період і відповідно більша частота коливань, то звук вищий.

Рис.108.

Дуже простими спробами можна показати, що при збільшенні частоти коливань підвищується звук.

Візьмемо зубчасте колесо, що крутиться на осі. Надаємо йому обертового руху й доторкнемося до його зубців якою-небудь пластинкою (приміром, з твердого картону). Коли повз пластинку проходить зубець, пластинка відхиляється, коли повз неї проходить вийма, пластинка випростовується. Далі пластинка набуває коливального руху.

Що швидше ми обертатимемо колесо, то частіші будуть коливання пластинки і вищий буде тон, який вона дає.

Дуже часто число коливань визначають приладом, що називаються сиреною. В найпростішій формі вона являє собою диск з маленькими отворами біля країв, розміщеними по колу (рис. 109). Диск обертається; одночасно пускають сильну струмину повітря (з вузької трубки) на отвори. За диском струмина повітря весь час переривається; наслідком цього повітря коливається і утворюється звук. Частоту коливань можна збільшувати, роблячи густіші отвори в сирені, або збільшуючи число її оборотів. Якщо число отворів у диску дорівнює п, а диск робить N оборотів на секунду, то матимемо звук, частота якого ν = nN. Щоб знати число коливань якогось іншого джерела звука (струни, труби, голосу тощо), можна порівняти висоту цього звука з висотою звука сирени. Для цього примушують сирену звучати, відповідно добираючи швидкість її обертання, тим самим тоном, що його дає досліджуване джерело звука. Тоді висота звуків сирени й джерела буде однакова, а через те однакові будуть і частоти їхніх коливань.

Рис.109.

Частоти вимірюють одиницями, що називаються герцами (за ім'ям німецького фізика Герца).

Частота в 1 герц — це одно коливання в секунду. Наше вухо може чути не всі звуки. Є границі для низьких і високих тонів. Більшість людей чують низькі звуки, починаючи і 15 — 30 герців. Високі звуки ми чуємо до 30000 — 40000 герців у джерелі звука. Поверхня сфери зростатиме пропорційно квадратові віддалі від джерела. Енергія, що припадає на кожну одиницю площини сфери, буде обернено пропорційна квадратові віддалі від джерела звука.

З цього: сила звука змінюється обернено пропорційно квадратові віддалі від джерела звука.

Коли загородити дорогу хвилям по боках і пустити звук в одному напрямі, наприклад, по трубі з однаковим поперечним перекроєм (рис. 110), то в цьому випадку звук І на віддалі майже не втрачає своєї сили. Такі труби, так звані говірні, використовували, наприклад, для розмов через кілька поверхів будинків. Невелике зменшення звука в міру того, як він віддаляється, можна спостерігати і в довгих вузьких коридорах.

Рис.110.

Часто для підсилення звуків використовують конусоподібні труби — рупори. Рупор не дає змоги звукам розходитися у всі сторони й примушує їх іти в одному напрямі. Рупором можна також зібрати розсіяні звуки. Прикладемо рупор до вуха його вузьким кінцем і звуки стануть голосніші. На вухо діє вся енергія, що прийшла до зовнішнього, широкого кінця рупора. У скільки разів зовнішній отвір рупора своєю площиною більший ніж отвір вуха, у стільки разів посилиться і звук. Наше вухо має свій власний рупор — вушну раковину. Іноді, щоб почути слабкі звуки, ми збільшуємо цей рупор, прикладаючи руку до вуха. Людське вухо надзвичайно чутливе; воно ловить звуки у мільйон разів слабші від звичайного людського голосу. З другого боку, людина звикає переносити і такі сильні звуки, як артилерійську канонаду.

Проте, наше вухо, як виявляється, неоднаково чутливе до звуків різної частоти; воно найчутливіше до тонів, що лежать у границях 1000 — 3000 герців. Щоб вухо почуло звук в умовах найбільшої чутливості (близько 2000 герців), звукові хвилі, як доводять сучасні виміри, повинні приносити до вуха за кожну секунду енергію тільки на 5 трильйонних частин ерга. Ця енергія в І0²¹ раз менша від енергії, що її дає двигун в одну кінську силу за секунду. Амплітуда коливань частинок повітря при цьому буде менша однієї десятиміліардної частини міліметра.

Запитання.

1. Від чого залежить звук скла?

2. У скільки разів зміниться амплітуда коливань частинок тіла, якщо сила звука збільшиться в 4 рази?

3. Як змінюється сила звука в міру віддалення від джерела звука?

4. Що таке говірні труби і чому в них менше ослаблюється звук в міру віддалення ?

5. Яка будова рупорів і для чого їх уживають?

6. Яка чутливість нашого вуха до різних звуків ?