Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Число прерываний воздушной струи в секунду равно, очевидно, произведению числа отверстий г на число оборотов и диска в 1 с, период же равен обратной величине: Т= — '. Так как колебания воздуха, возникающие прп работе сирены, не имеют характера гармонических, то число прерываний воздушной струи (гп) н е я в л я е т с я ч ас т о т о й колебания, Как уже упоминалось, периодиче- 50 ское негармоническое движение не может быть охарактеризовано одной частотой, а представляет собой набор гармонических колебаний с частотами, кратными основной частоте т= — 1(Т $17). $19. Предмет акустики. Вопросы, которыми занимается акустика, очень разнообразны.
Некоторые из нпх в конечном счете связаны со свойствами и особенностями нашего слуха. Предметом ф и з и о л о г и ч е с к о й а к у с т ик и является сам орган слуха, его устройство и действие. Л р х и т е к т у р н а я а к у с т и к а изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров н формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки, и т. д. При этом опять-таки имеется в виду слуховое восприятие звука.
Под тем же углом зрения м узыкальная акустика исследует музыкальные инструменты н условия наилучшего их звучания. Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последние десятилетия охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустпка). Она широко пользуется при этом разнообразными методами превращения механических колебания в электрические и обратно, так называемыми методами электроакустикн. Применительно к звуковым колебаниям в число задач физической акустики входит и выяснение физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различаемые на слух. Мы различаем, например, м у з ы к а л ь н ы е з в у к и (пение, свист, звучание струн, звон) и ш у м ы (всевозможные трески, стуки, гром, шипение, скрип). Очевидно, было бы совсем неверно сказать, что музыкальные звуки извлекаются из музыкальных инструментов, а шумы нет.
Существуют шумовые музыкальные инструменты (барабаны, литавры, кастаньеты и др.), а с другой стороны, мы говорим о свисте пуль, вое ветра, гудении проводов, гудении самолета и т. д., улавливая во всех подобных звуках некоторую музыкальность. Чем же отличаются колебания, дающие ощущение музыкального звука, от шумовых колебаний? Прежде чем ответить на этот и ряд подобных вопросов, рассмотрим подробнее музыкальные звуки.
Мы начинаем с них потому, что они более простые, чем шумы. Это видно хотя бы из того,что комбинация многих музыкальных внуков может дать ощущение шума, но никакая комбинация шумов не может дать музыкальный звук, й 20. Музыкальный тон. Громкость и высота тона. С помощью зеркальной развеоткн мы убедились в том, что колебания камертона по своей форме очень близки к гармоническому колебанию (Я 4, 5). Отклонение от периодичности, обусловленное затуханием, у камертона невелико, т. е.
амплитуда спадает медленно, в течение очень большого времени. Звук, который мы слышим тогда, когда источник его совершает гармоническое колебание, называется музьжальным тоном или, коротко, тоном. Согласно сказанному звук камертона дает хорошее представление о тоне. Во всяком музыкальном тоне мы можем различить на слух два качества: громкость и высоту.
Простейшие наблюдения убеждают нас в том, что громкость тона какой-либо данной высоты определяется амплитудой колебаний, Звук камертона после удара по нему постепенно затихает. Это происходит вместе с затуханием колебаний, т. е. со спаданием их амплитуды. Ударив камертон сильнее, т. е. сообщив колебаниям ббльшую амплитуду, мы услышим более громкий звук, чем при слабом ударе. То же можно наблюдать и со струной и вообще со всяким источником звука. С каким свойством колебаний связана высота тона? Если мы возьмем несколько камертонов разного размера, то не представит труда расположить их на слух в порядке возрастания высоты звука. Тем самым они окажутся расположенными и по размеру: самый большой камертон Рис.
37. Сравнение частот камертонов дает наиболее низкий звук, самый маленький — наиболее высокий. С помощью зеркальной развертки нетрудно увидеть, что чем меньше камертон, тем больше частота его колебаний. Рис. 37 показывает, как зто можно сделать. 52 Таким образом, высота тона определяется частотой колебаний. Чем выше частота и, следовательно, чем короче период колебаний, тем более высокий звук мы слышим. $21. Тембр.
1л тем же заключениям, что и в предыдущем параграфе, можно прийти, пользуясь не камертонами, а упрощенной сиреной — вращающимся диском с отверстиями, через которые продувается струя воздуха (рис. 35). Повышая напор струи воздуха, мы усиливаем колебания плотности воздуха позади отверстий. При этом звук, сохраняя одну и ту же высоту, делается громче. Ускоряя вращение диска, мы уменьшаем период прерываний воздушной струи. Вместе с тем звук, не меняясь по громкости, повышается.
Можно также сделать в диске два или более рядов отверстий с разным количеством отверстий в каждом ряду. Продувание воздуха через каждый из рядов дает тем более высокий звук, чем больше отверстий в этом ряду, т. е, чем короче период прерываний. Но, взяв в качестве источника звука сирену,мы получаем хотя и периодическое, но уже негармоническое колебание: плотность воздуха в прерывистой струе меняется резкими толчками. Наряду с этим и звук сирены, хотя и является музыкальным, по совсем не похож на топ камертона. Можно подобрать высоту звука сирены такой же, как и у какого-либо из камертонов, т.
е,, как говорят, заставить сирену звучать в унисон с камертоном.Можно при этом и громкость звука сделать одинаковой. Тем не менее мы легко отличим звук камертона от звука сирены. Таким образом, если колебание не является гармоническим, то на слух оно имеет еще одно качество, кроме высоты и громкости, а именно — специфический о тт е н о к, называемый тембром. По различному тембру мы легко распознаем звук голоса, свист, звучание струны рояля, скрипичной струны, звук флейты, гармонии и т, д., хотя бы все этн звуки имели одну и ту же высоту и громкость.
По тембру же мы можем узнать голоса разных людей. С чем же связан тембр звука, с какой особенностью колебанийй На рис. 38 показаны осциллограммы звуковых колебаний, создаваемых роялем и кларнетом, причем для одной и той же ноты, т. е. для звука одной и той же высоты, соответствующей периоду 0,01 с. Осциллограммы показывают, что период обоих колебаний одинаков, но они сильно отличаются друг от друга по фор м е и, следовательно, различаются, как мы знаем (5 17), своим гармоническим составом.
53 Оба звука состоят из одних и тех же гармонических колебаний (тонов), но в каждом из них эти тоны — огновной и его обертоны —.представлены с разными амплитудами н фазами. Вопрос заключается, таким образом, в том, что же именно создает ощущение того илн иного тембра: амплитуды ли гармоник, или их фазы, илн и то и друтое вместе. о от'с Рис, 38. Осциллограммы звуков ааяля и кларнета Исследование этого вопроса показало, что для нашего уха существенны только ч а с т б т ы и а м п л и т у д ы тонов, входящих в состав звука, т.е.
апелабр звука опрсдемеапся его гармоническим спекпгром, Сдвиги отдельных тонов по времени, другими словами, и зм е н е н и я фаз тонов, никак не воспринимаются на слух, хотя н могут очень сильно менять форму результирующего колебания, Таким образом, о д и н и т о т ж е з в у к может восприниматься при очень р а з л и ч н ы х формах колебания. Важно только, чтобы сохранялся с п е к т р, т. е.
частоты и амплитуды составляющих тонов. На рис, 39 изображены спектры тех звуков, осцилограммы которых показаны на рис. 38. Так как высоты звуков одинаковы, то и частоты тонов — основного и обертонов— одни и те же. Однако амплитуды отдельных гармоник в каждом спектре сильно различаются. В звуке рояля замет- ны гармоники до 18-й, причем 18-я н 16-я практически отсутствуют;,в то время как у кларнета налицо гармоники лишь до 12-й и отсутствуют вторая и четвертая гармоники. йп ез Рпалз рп,ю % а ппа впп угпп уппп гпап гав Чаататат ГЦ ,/и озаряет 1 чпп вап угпа гппп гппа гза1р йцзп пто, Гц Рнс.
39, Спектры звуков рояля н кларнетз й 22. Акустический резонанс. Резонансные явления можно наблюдать на механических колебаниях любой частоты, в частности и на звуковых колебаниях. Пример звукового или акустического резонанса мы имеем в следующем опыте. Поставим рядом два оди- 2 иаковых камертона, обратив отверстия ящиков, на которых они укреплены, друг к другу ,$ (рис. 40). Ящики нужны потому, что они усиливают звук камертонов.
Зто происходит вследствие резонанса между камертоном и столбом возду. Ряс. 40. Резонанс камертонов ха, заключенного в ящике; поэтому ящики называются резонаторами илн резонансными ящиками. Подробнее мы объясним действие этих ящиков ниже, при изучении распространения звуковых волн в воздухе. В опыте, который мы сейчас разберем, роль ящиков чисто вспомогательная.
Ударим один из камертонов и затем приглушим его пальцами. Мы услышим, как звучит второй камертон. Возьмем два разных камертона, т. е. с различной высотой тона, и повторим опыт. Теперь каждый из камертонов уже не будет откликаться на звук другого камертона. 55 Нетрудно объяснить этот результат. Колебания одного камертона (1) действуют через воздух с некоторой силой на второй камертон (2), заставляя его совершать вынужденные колебания.
Так как камертон 1 совершает гармоническое колебание, то и сила, действующая на камертон 2, будет меняться по закону гармонического колебания с частотой камертона 1. Если частота силы та же, что и собственная частота камертона 2, то имеет место резонанс — камертон 2 сильно раскачивается. Если же частота силы иная, то вынужденные колебания камертона 2 будут настолько слабымп, что мы их не услышим. Так как камертоны обладают очень небольшим затуханием, то резонанс у них острый 9 14). Поэтому уже небольшая разность между частотами камертонов приводит к тому, что один перестает откликаться на колебания другого. Лостаточно, например, приклеить к ножкам одного из двух одинаковых камертонов кусочки пластилина или воска, и камертоны уже будут расстроены, резонанса не будет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
