Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Мы видим, что все явления при вынужденных колебаниях происходят у камертонов так же, как и в опытах с вынужденными колебаниями груза на пружине Я 12). Если звук представляет собой ноту (периодическое колебание), но не является тоном (гармоническим колебанием), то это означает, как мы знаем, что он состоит из суммы тонов: наиболее низкого (основного) и обертонов. На такой звук камертон должен резонировать всякий раз, когда частота камертона совпадает с частотой какой-либо из гармоник звука. Опыт можно произвести с упрощенной сиреной и камертоном, поставив отверстие резонатора камертона против прерывистой воздушной струи. Если частота камертона равна 300 Гц, то, как легко убедиться, он будет откликаться на звук сирены не только при 300 прерываниях в секунду (резонанс на основной тон сирены), но и при 130 прерываниях — резонанс на первый обертон сирены, и прп 100 прерываниях — резонанс на второй обертон, и т.
д. Нетрудно воспроизвести со звуковыми колебаниями опыт, аналогичный опыту с набором маятников ф 16). Для этого нужно только иметь набор звуковых резонаторов — камертонов, струн, органных труб. Очевидно, струны рояля илп пианино образуют как раз такой и притом очень обширный набор колебательных систем с разными собственными частотами. Если, открыв рояль и нажав педаль, громко пропеть над струнами какую-нибудь ноту, то мы услышим, как инструмент откликается звуком т о й ж е в ы с о т ы и с х о д н о г о т е м б р а, И здесь наш голос 56 создает через воздух периодическую силу, действующуго на все струны. Однако откликаются только те из них, которые находятся в резонансе с гармоническими колебаниями — основным и обертонами, входящнвии в состав спетой нами ноты. Таким образом, и опыты с акустическим резонансом могут служить прекрасными иллюстрациями справедливости теоремы Фурье.
5 23. Запись и воспроизведение звука. Мы привыкли к тому, что в телефонной трубке, проигрывателе, магнитофоне, громкоговорителе звучит человеческий голос и играет музыка, т. е. к тому, что металлическая пластинка (мембрана) заменяет сложный голосовой аппарат человека и да- Я:~ же целый хоР вли оРкестР., г,,у)З Но по сути дела мы имеем здесь акустическую имитацию. Как же опа достигается? Ряс. 4К Звуковая борозда, вм- Современный проигрмва- яерявваемая вгаой фонографа тель появился в результате усовершенствования фонографа (езвукозаписывателя»), созданного более ста лет назад американским изобретателем Томасом Алва Эдисоном (1847 — 1931).
Устройство фонографа было чрезвычайно простым. Колебания воздуха, вызываемые источником звука, заставляли колебаться мембрану и прикрепленную к ней иглу. Игла при этом чертила на покрытом воском вращающемся цилиндре борозду переменной глубины, На рис. 41 показан сильно увеличенный разрез через иглу и борозду. Профиль дна этой борозды в сущности есть развертка нли осци,т.тограмма колебаний конца иглы. Поставив иглу на исходную точку борозды н вновь вращая покрытый воском цилиндр, мы получим следующее.
Неровное дно борозды вызовет те же колебания иглы и мембраны, которые они совершали при записи звука (в фонографе при записи и воспроизведении звука использовалась одна и та же мевебрана). От мембраны колебания передадутся воздуху, и мы услышим воспроизведенные звуки. В дальнейшем запись звука в виде борозды переменной глубины была заменена поперечной записью, т. е.
в виде борозды с поперечными извилинами. На современных пластинках звуковая борозда (дорожка) имеет форму спирали, по которой при вращении пластинки движется игла, обычно от края пластинки к ее центру. Извилины этой дорожки легко рассмотреть в сильное увеличительное стекло (рис. 42). Не останавливаясь на технических усовершенствованиях (подборе материала для пластинок, технологии их изготовления, способах записывания звука и т, п.), обратим внимание на о с н о в н у ю задачу всякого воспроизведения звука. При записи и воспроизведении звука мы имеем ряд превращений колебаний воздуха в иные колебания и затем ряд обратных превращений.
За- — пись на пластинку состоит в — превращении колебаний воздуха в колебания мембраны и иглы, а игла создает извилины — — на пластинке. Запись звука на киноленту илп на намагничивающуюся ленту (магнитофон) содержит еще больше превращений. Задача заключается в том, Ряс 42 Звуковая дорожк ~ чтобы Рн всех этих пРевРассвремеиной плвствккс Шениях к а к м о ж н о м е и ь- ше исказить спектр к о л е б а н и й, т. е. сохранить тембр первичного звука. Сильные искажения спектра колебаний изменяют звучание музыкальных инструментов и голоса (делают их кне похожими на самих себя»), могут сделать речь неразборчивой, и т.
п. Для звукового восприятия само по себе неважно, чтб именно заставляет воздух колебаться — мембрана или, например, несколько десятков инструментов большого оркестра. Важно только то, чтобы в обоих случаях до нашего уха доходили колебания с одним и тем же спектром. $24. Анализ и синтез звука.
При помощи наборов акустических резонаторов можно установить, какие тоны входят в состав данного звука и с какими амплитудами они присутствуют в данном звуке. Такое установление гармонического спектра сложного звука называется его гармоническим анализом. Раньше такой анализ действительно производился с помощью наборов резонаторов, в частности резонаторов Гельмгольца, представляющих собой полые шары разного размера, снабженные отростком, вставляющимся в ухо, и имеющие отверстие с противоположной стороны (рис. 43). Действие такого резонатора, как я действие ре- 58 зонансного ящика камертона, мы объясним ниже (й 5!), Для анализа звука существенно то,:что всякий раз, когда в анализируемом звуке содержится тон с частотой резонатора, последний начинает громко звучать в этом тоне.
Такие способы анализа, однако, очень неточны и кропотливы. В настоящее время онн вьпеснены значительно более совершенными, точными и быстрыми э л е к т р оа к устически ми способами. Суть их сводится к тому, что акустическое колебание сначала преоб- Уьэт.,з," "".:ге,,"", разуется в электрическое колебание с сохранением той же формы, ® Ф"'ть,',,""ь;,,' :;.'' " а следовательно, имеющее такой же спектр $17); затем уже это электрическое колебание анализируется электрическими методами. Рнс. 43.
Резонатор Гельм- Укажем один существенный а результат гармонического анализа, касающийся звуков нашей речи. По тембру мы можем узнать голос человека. Но чем различаются звуковые колебания, когда один и тот же человек поет на одной и той же ноте различные гласные: а, и, о, у, э)Другими словами, чем различаются в этих случаях периодические колебания воздуха, вызываемые голосовым аппаратом при разных положениях губ и языка и изменениях формы полостей рта и горлаз 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 подтвер>кдает это предположение, а именно, гласные звуки характеризуются наличием в их спектрах областей обертонов с большой амплитудой, причем этн области лежат для каждой гласной всегда на одних и тех же частотах, независимо ог высоты пропетого гласного звука. Эти области сильных обертонов называются форатаятаати.
Каждая гласная имеет две характерные для нее форманты. На рис. 44 показано положение формант гласных у, о, а, э, и. Очевидно, если искусственным путем воспроизвести спектр того или иного звука, в частности спектр гласной, то наше ухо получит впечатление этого звука, хотя бы его «естественный источник» отсутствовал. Особенно легко удается осуществлять такой с и н т е з з в у к о в (и синтез гласных) с помощью электроакустическнх устройств. Электрические музыкальные инструменты позволяют очень просто изменять спектр звука, т.
е. менять его тембр. Простое переключение делает звук похожим на звуки то флейты, то скрипки, то человеческого голоса или же совсем своеобразным, не похожим на звук ни одного из обычных инструментов. гя' яг Гйгч айоа айра оо2 7И т«ФВ аа«Ю Рнс. 44, Положение форнант гласных звуков нз шкале частот $ 25.
Шумы. При многократном проигрывании пластинки игла проигрывателя портит звуковую дорожку, края ее крошатся, форма искажается и т. и, Результатом является ш и и е и и е такой заигранной пластинки. Наличие трещин в пластинке дает щ е л ч к и при ее проигрывании, Таким образом, всякие неправильности звуковой дорожки, вызывающие мелкие и крупные скачки иглы, создают ш у м. Этот пример позволяет подметить основные черты, отличающие друг от друга музыкальные и шумовые колебания, хотя, конечно, резко разграничить их нельзя.
Музыкальный звук (ноту) мы слышим тогда, когда колебание периодическое. Например, такого рода звук издает струна рояля. Если одновременно ударить несколько клавиш, т. е. заставить звучать несколько нот, то ощущение музыкального звука сохранится, но отчетливо выступит различие нонсонирующих и диссонирующих нот. Консонансом называется приятное для слуха созвучие, а диссонансом — неприятное, «режущее слуха. Оказывается, что консонируют те ноты, периоды которых находятся в отношениях небольших целых чисел. Например, консонанс получается при отношении периодов 2: 3 (это созвучие называется в теории музыки иванн«ой), при 3: 4 (кварта), 4: 5 (большая терция] и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
