Lindude laul, vihma ja tuule hääl, äike, muusika - kõike, mida kuuleme, peame heliks.

Teaduslikust vaatenurgast on heli füüsiline nähtus, mis on tahkes, vedelas ja gaasilises keskkonnas levivad mehaanilised vibratsioonid. Nad kutsuvad esile kuulmisaistingud.

Kuidas helilaine tekib?

Klõpsake pildil

Kõik helid levivad elastsete lainete kujul. Ja lained tekivad elastsete jõudude toimel, mis ilmnevad keha deformeerumisel. Need jõud kipuvad viima keha tagasi algsesse olekusse. Näiteks liikumatus olekus venitatud string ei kõla. Kuid tuleb see ainult kõrvale jätta, kuna elastsusjõu mõjul kipub see võtma oma algse positsiooni. Vibreerides muutub see heliallikaks.

Heliallikaks võib olla igasugune võnkuv keha, näiteks ühele küljele kinnitatud õhuke terasplaat, õhk puhkpillis, inimese häälepaelad, kelluke jne.

Mis juhtub õhus, kui tekib vibratsioon?

Nagu igal gaasil, on ka õhul elastsus. See peab vastu survele ja hakkab rõhu vähendamisel kohe laienema. See edastab ühtlaselt igasuguse surve sellele eri suundades.

Kui surute õhku järsult kolvi abil kokku, siis rõhk selles kohas kohe tõuseb. See kantakse kohe üle naaberõhukihtidesse. Need kahanevad ja rõhk neis suureneb ning eelmises kihis väheneb. Nii et piki ahelat edastatakse vahelduvad kõrge ja madala rõhu tsoonid edasi.

Vaheldumisi külgedele kaldudes surub kõlav string õhku kokku, algul ühes, seejärel aga vastassuunas. Suunas, kuhu nöör kaldus, muutub rõhk teatud määral atmosfäärirõhust kõrgemaks. Vastasel küljel väheneb rõhk sama palju, kuna sealne õhk on haruldane. Kokkusurumine ja harvendamine vahelduvad ja levivad eri suundades, põhjustades õhuvibratsiooni. Neid vibratsioone nimetatakse helilaine . Ja atmosfäärirõhu ja rõhu erinevust õhu kokkusurumis- või hõrenemiskihis nimetatakse akustiline, või helirõhk.

Klõpsake pildil

Helilaine levib mitte ainult õhus, vaid ka vedelas ja tahkes keskkonnas. Näiteks vesi on suurepärane helijuht. Kuuleme vee all oleva kivi kokkupõrget. Pinnalaeva propellerite müra tõstab allveelaeva akustikat. Kui paneme käekella puidust tahvli ühte otsa, siis, pannes kõrva tahvli vastasotsa, kuuleme seda tiksumas.

Kas helid on vaakumis erinevad? 17. sajandil elanud inglise füüsik, keemik ja teoloog Robert Boyle asetas klaasnõusse kella, millest õhk välja pumbati. Ta ei kuulnud kella tiksumist. See tähendas, et õhuta ruumis helilained ei levi.

Helilaine omadused

Heli vibratsiooni vorm sõltub heliallikast. Ühtlastel ehk harmoonilistel võnkumistel on kõige lihtsam vorm. Neid saab kujutada sinusoidina. Selliseid võnkumisi iseloomustavad võnkumiste amplituud, lainepikkus ja levimise sagedus.

Amplituud

Amplituud üldjuhul nimetatakse keha maksimaalset kõrvalekallet tasakaaluasendist.

Kuna helilaine koosneb vahelduvatest kõrge ja madala rõhu piirkondadest, peetakse seda sageli rõhukõikumiste levikuks. Seetõttu räägivad nad sellest õhurõhu amplituud laines.

Heli tugevus sõltub amplituudist. Mida suurem see on, seda valjem on heli.

Igal inimkõne helil on vibratsioonivorm, mis on omane ainult talle. Seega erineb heli "a" vibratsioonide vorm heli "b" vibratsiooni vormist.

Laine sagedus ja periood

Vibratsioonide arvu sekundis nimetatakse laine sagedus .

f = 1/T

kus T on võnkeperiood. See on aeg, mis kulub ühe täieliku võnkumise toimumiseks.

Mida pikem on periood, seda madalam on sagedus ja vastupidi.

Sagedusühik rahvusvahelises mõõtesüsteemis SI on hertsi (Hz). 1 Hz on üks võnkumine sekundis.

1 Hz = 1 s -1.

Näiteks sagedus 10 Hz tähendab 10 võnkumist 1 sekundi jooksul.

1000 Hz = 1 kHz

Kõrgus sõltub vibratsiooni sagedusest. Mida kõrgem on sagedus, seda kõrgem on heli toon.

Inimkõrv ei ole võimeline tajuma kõiki helilaineid, vaid ainult neid, mille sagedus on 16–20 000 Hz. Just neid laineid peetakse helilaineteks. Laineid, mille sagedus on alla 16 Hz, nimetatakse infraheliks ja laineid üle 20 000 Hz ultraheliks.

Inimene ei taju ei infra- ega ultrahelilaineid. Loomad ja linnud aga kuulevad ultraheli. Näiteks eristab tavaline liblikas helisid, mille sagedus on 8000–160 000 Hz. Delfiinide tajutav vahemik on veelgi laiem, see jääb vahemikku 40–200 tuhat Hz.

Lainepikkus

Lainepikkus nimetatakse kaugust harmoonilise laine kahe lähima punkti vahel, mis on samas faasis, näiteks kahe harja vahel. Määratud kui ƛ .

Ühe perioodiga võrdse aja jooksul läbib laine selle pikkusega võrdse vahemaa.

Laine levimise kiirus

v = ƛ /T

Sest T = 1/f

siis v = ƛ f

Heli kiirus

Heli kiirust prooviti katsete abil määrata 17. sajandi esimesel poolel. Inglise filosoof Francis Bacon pakkus oma teoses The New Organon välja oma viisi selle probleemi lahendamiseks, mis põhineb valguse ja heli kiiruste erinevusel.

On teada, et valguse kiirus on palju suurem kui heli kiirus. Seetõttu näeme äikese ajal esmalt välku ja alles siis kuuleme äikest. Teades valguse ja heli allika ja vaatleja vahelist kaugust ning valgussähvatuse ja heli vahelist aega, saab arvutada heli kiiruse.

Baconi ideed kasutas prantsuse teadlane Marin Marsenne. Musketit tulistavast mehest mõnel kaugusel asunud vaatleja salvestas aja, mis kulus valgussähvatusest lasuni. Seejärel jagati helikiiruse saamiseks vahemaa ajaga. Katse tulemuste järgi oli kiirus võrdne 448 m/s. See oli ligikaudne hinnang.

19. sajandi alguses kordas rühm Pariisi Teaduste Akadeemia teadlasi seda kogemust. Nende arvutuste järgi oli valguse kiirus 350-390 m/s. Kuid ka see arv ei olnud täpne.

Teoreetiliselt püüdis Newton arvutada valguse kiirust. Ta tugines oma arvutustes Boyle-Mariotte'i seadusele, mis kirjeldas gaasi käitumist isotermiline protsess (konstantsel temperatuuril). Ja see juhtub siis, kui gaasi maht muutub väga aeglaselt, suutes anda keskkonnale selles esineva soojuse.

Newton eeldas ka, et kokkusurumis- ja hõrenemispiirkondade vahel ühtlustub temperatuur kiiresti. Kuid helilaines neid tingimusi ei eksisteeri. Õhk ei juhi soojust hästi ning kokkusurumis- ja lagunemiskihtide vaheline kaugus on suur. Kompressioonikihi soojusel ei ole aega harvenduskihti üle minna. Ja nende vahel on temperatuuride erinevus. Seetõttu osutusid Newtoni arvutused valeks. Nad andsid näitajaks 280 m / s.

Prantsuse teadlane Laplace suutis selgitada, et Newtoni viga seisnes selles, et helilaine levib õhus adiabaatiline tingimused erinevatel temperatuuridel. Laplace’i arvutuste kohaselt on heli kiirus õhus temperatuuril 0 o C 331,5 m/s. Lisaks suureneb see temperatuuri tõustes. Ja kui temperatuur tõuseb 20 ° C-ni, võrdub see juba 344 m / s.

Helilained levivad erinevates meediumites erineva kiirusega.

Gaaside ja vedelike puhul arvutatakse helikiirus järgmise valemiga:

kus Koos -heli kiirus,

β - söötme adiabaatiline kokkusurutavus,

ρ - tihedus.

Nagu valemist näha, sõltub kiirus söötme tihedusest ja kokkusurutavusest. Õhus on seda vähem kui vedelikus. Näiteks vees temperatuuril 20 ° C on see 1484 m / s. Veelgi enam, mida kõrgem on vee soolsus, seda kiiremini heli selles levib.

Esimest korda mõõdeti heli kiirust vees aastal 1827. See katse meenutas mõneti Maren Marsenne’i valguse kiiruse mõõtmist. Ühe paadi küljelt lasti vette kelluke. Esimesest paadist enam kui 13 km kaugusel oli teine. Esimesel paadil löödi kella ja pandi korraga põlema püssirohi. Teisel paadil pandi kirja välguaeg ja seejärel kellahelina saabumise aeg. Jagades vahemaa ajaga, saame helilaine kiiruse vees.

Heli kiirus on tahkes keskkonnas suurim. Näiteks terases ulatub see üle 5000 m/s.

18. veebruar 2016

Koduse meelelahutuse maailm on üsna kirju ja võib hõlmata järgmist: filmi vaatamine heas kodukinosüsteemis; lõbus ja sõltuvust tekitav mäng või muusika kuulamine. Reeglina leiab igaüks selles vallas midagi oma või kombineerib kõike korraga. Kuid olenemata sellest, millised on inimese eesmärgid oma vaba aja korraldamisel ja ükskõik millisesse äärmusse ta kaldub, ühendab kõiki neid lülisid kindlalt üks lihtne ja arusaadav sõna - "heli". Tõepoolest, kõigil neil juhtudel juhib meid heliriba käepide. Kuid see küsimus pole nii lihtne ja triviaalne, eriti juhtudel, kui on soov saavutada ruumis või muudes tingimustes kvaliteetne heli. Selleks ei pea alati ostma kalleid hi-fi või hi-end komponente (kuigi sellest on palju kasu), vaid piisab heast füüsikateooria tundmisest, mis võib enamiku kõigi jaoks ettetulevatest probleemidest kõrvaldada kes soovib saada kvaliteetset häälnäitlemist.

Järgmisena käsitletakse heliteooriat ja akustikat füüsika seisukohalt. Sel juhul püüan teha selle võimalikult ligipääsetavaks iga inimese jaoks, kes võib-olla pole füüsikaseaduste või valemite tundmisest kaugel, kuid unistab sellegipoolest kirglikult unistuse elluviimisest täiusliku akustika loomisest. süsteem. Ma ei väida, et sellel alal heade tulemuste saavutamiseks kodus (või näiteks autos) on vaja neid teooriaid põhjalikult tunda, kuid põhitõdede mõistmine väldib paljusid rumalaid ja absurdseid vigu ning võimaldab süsteemi maksimaalse heliefekti saavutamiseks mis tahes tasemel.

Üldine heliteooria ja muusikaterminoloogia

Mis on heli? See on tunne, mida kuulmisorgan tajub. "kõrv"(nähtus ise eksisteerib isegi ilma "kõrva" protsessis osalemiseta, kuid nii on seda lihtsam mõista), mis tekib siis, kui kuulmekile on helilaine poolt erutatud. Kõrv toimib sel juhul erineva sagedusega helilainete "vastuvõtjana".
Helilaine Tegelikult on see mitme sagedusega keskkonna (tavalistes tingimustes enamasti õhukeskkonna) tihendite ja heidete järjestikune seeria. Helilainete olemus on võnkuv, mida põhjustab ja tekitab mis tahes kehade vibratsioon. Klassikalise helilaine tekkimine ja levimine on võimalik kolmes elastses keskkonnas: gaasilises, vedelas ja tahkes. Kui helilaine tekib ühes seda tüüpi ruumis, tekivad vältimatult mõned muutused keskkonnas endas, näiteks õhu tiheduse või rõhu muutus, õhumasside osakeste liikumine jne.

Kuna helilainel on võnkuv iseloom, on sellel selline omadus nagu sagedus. Sagedus mõõdetuna hertsides (saksa füüsiku Heinrich Rudolf Hertzi auks) ja tähistab ühe sekundiga võnkete arvu ajavahemikul. Need. näiteks sagedus 20 Hz tähendab 20 võnketsüklit ühes sekundis. Selle kõrguse subjektiivne mõiste sõltub ka heli sagedusest. Mida rohkem helivibratsioone sekundis tehakse, seda "kõrgem" heli tundub. Helilainel on ka teine ​​oluline omadus, millel on ka nimi – lainepikkus. Lainepikkus Tavapäraselt arvestatakse vahemaad, mille teatud sagedusega heli läbib ajavahemikus, mis võrdub ühe sekundiga. Näiteks inimese kuuldava vahemiku madalaima heli lainepikkus sagedusel 20 Hz on 16,5 meetrit ja kõrgeima heli lainepikkus 20 000 Hz juures 1,7 sentimeetrit.

Inimese kõrv on konstrueeritud nii, et see suudab tajuda laineid ainult piiratud vahemikus, umbes 20 Hz - 20 000 Hz (olenevalt konkreetse inimese omadustest, keegi kuuleb natuke rohkem, keegi vähem) . Seega ei tähenda see, et nendest sagedustest madalamad või kõrgemad helid ei eksisteeriks, inimkõrv neid lihtsalt ei taju, väljudes kuulmisvahemikust. Heli, mis ületab kuuldava ulatuse, nimetatakse ultraheli, kutsutakse helivahemikku allapoole jäävat heli infraheli. Mõned loomad on võimelised tajuma ultra- ja infraheli, mõned kasutavad seda vahemikku isegi ruumis orienteerumiseks (nahkhiired, delfiinid). Kui heli läbib keskkonda, mis inimese kuulmisorganiga otseselt kokku ei puutu, siis võib selline heli jääda kuulmata või hiljem tugevalt nõrgeneda.

Heli muusikalises terminoloogias on sellised olulised nimetused nagu heli oktav, toon ja ülemtoon. Oktav tähendab intervalli, milles helide sageduste suhe on 1:2. Oktav on tavaliselt väga kuuldav, samas kui selle intervalli helid võivad üksteisega väga sarnased olla. Oktaaviks võib nimetada ka heli, mis teeb samal ajavahemikul kaks korda rohkem vibratsioone kui teine ​​heli. Näiteks 800 Hz sagedus pole midagi muud kui 400 Hz kõrgem oktaav ja sagedus 400 Hz on omakorda järgmine heli oktaav sagedusega 200 Hz. Oktaav koosneb toonidest ja ülemtoonidest. Ühe sagedusega harmoonilise helilaine muutuvaid võnkeid tajub inimkõrv kui muusikaline toon. Kõrgsageduslikke vibratsioone saab tõlgendada kõrgete helidena, madala sagedusega vibratsiooni madalate helidena. Inimkõrv suudab selgelt eristada helisid ühe tooni erinevusega (vahemikus kuni 4000 Hz). Sellele vaatamata kasutatakse muusikas äärmiselt vähe toone. Seda selgitatakse harmoonilise konsonantsi põhimõtte kaalutlustest, kõik põhineb oktaavi põhimõttel.

Mõelge muusikaliste toonide teooriale teatud viisil venitatud keelpilli näitel. Selline string, sõltuvalt pingejõust, "häälestatakse" ühele kindlale sagedusele. Kui see keel puutub kokku millelegi ühe kindla jõuga, mis paneb selle vibreerima, siis jälgitakse pidevalt üht kindlat helitooni, kuuleme soovitud häälestussagedust. Seda heli nimetatakse põhitooniks. Muusikavälja põhitooni jaoks on ametlikult aktsepteeritud esimese oktaavi noodi "la" sagedus, mis võrdub 440 Hz. Kuid enamik muusikainstrumente ei reprodutseeri kunagi puhtaid põhitoone üksi, neid saadavad paratamatult ülemhelid nn. ülemtoonid. Siinkohal on paslik meenutada olulist muusikaakustika määratlust, kõlatämbri mõistet. Tämber- see on muusikahelide omadus, mis annab muusikariistadele ja häältele nende ainulaadse äratuntava helispetsiifilisuse, isegi kui võrrelda sama kõrguse ja tugevusega helisid. Iga muusikainstrumendi tämber sõltub helienergia jaotusest ülemtoonide vahel heli ilmumise hetkel.

Ülemtoonid moodustavad põhitooni spetsiifilise värvi, mille järgi saame hõlpsasti tuvastada ja ära tunda konkreetse pilli, samuti eristada selgelt selle kõla teisest instrumendist. Ülemtoone on kahte tüüpi: harmoonilised ja mitteharmoonilised. Harmoonilised ülemtoonid on definitsiooni järgi põhisageduse kordsed. Vastupidi, kui ülemtoonid ei ole mitmekordsed ja kalduvad väärtustest märgatavalt kõrvale, siis neid kutsutakse ebaharmooniline. Muusikas on mitte-mitme ülemheli toimimine praktiliselt välistatud, seetõttu taandatakse mõiste "ülemtoon" mõistele, mis tähendab harmoonilist. Mõne instrumendi, näiteks klaveri puhul ei jõua põhitoon isegi moodustuda, lühiajaliselt toimub ülemhelide helienergia tõus ja siis sama kiiresti ka langus. Paljud instrumendid loovad nn üleminekutooni efekti, kui teatud ülemtoonide energia on teatud ajahetkel, tavaliselt päris alguses, maksimaalne, kuid seejärel muutub järsult ja liigub üle teistele ülemtoonidele. Iga instrumendi sagedusvahemikku saab käsitleda eraldi ja see on tavaliselt piiratud põhitoonide sagedustega, mida see konkreetne instrument on võimeline taasesitama.

Heliteoorias on ka selline asi nagu MÜRA. Müra- see on mis tahes heli, mis tekib üksteisega vastuolus olevate allikate kombinatsioonist. Kõik teavad hästi puude lehtede müra, tuule kõigutamist jne.

Mis määrab helitugevuse? On ilmne, et selline nähtus sõltub otseselt helilaine poolt kantud energia hulgast. Helitugevuse kvantitatiivsete näitajate määramiseks on olemas mõiste - heli intensiivsus. Heli intensiivsus defineeritakse kui energiavoogu, mis läbib mõnda ruumipiirkonda (näiteks cm2) ajaühikus (näiteks sekundis). Tavalises vestluses on intensiivsus umbes 9 või 10 W/cm2. Inimkõrv on võimeline tajuma helisid üsna laia tundlikkusega, samas kui sageduste vastuvõtlikkus ei ole helispektri piires ühtlane. Seega on kõige paremini tajutav sagedusvahemik 1000 Hz – 4000 Hz, mis hõlmab kõige laiemalt inimkõnet.

Kuna helide intensiivsus on väga erinev, on mugavam käsitleda seda logaritmilise väärtusena ja mõõta detsibellides (Šoti teadlase Alexander Graham Belli järgi). Inimkõrva alumine kuulmistundlikkuse lävi on 0 dB, ülemine 120 dB, seda nimetatakse ka "valuläveks". Tundlikkuse ülemist piiri ei taju ka inimkõrv samamoodi, vaid sõltub konkreetsest sagedusest. Madala sagedusega helide intensiivsus peab olema palju suurem kui kõrgetel sagedustel, et tekitada valulävi. Näiteks valulävi madalal sagedusel 31,5 Hz tekib helitugevuse tasemel 135 dB, kui sagedusel 2000 Hz ilmneb valuaisting juba 112 dB juures. Samuti on olemas helirõhu mõiste, mis tegelikult laiendab tavapärast helilaine õhus levimise seletust. Helirõhk- see on muutuv ülerõhk, mis tekib elastses keskkonnas helilaine läbimise tulemusena.

Heli laineline olemus

Helilainete genereerimise süsteemi paremaks mõistmiseks kujutage ette klassikalist kõlarit, mis asub õhuga täidetud torus. Kui kõlar teeb järsu edasiliikumise, siis hajuti vahetus läheduses olev õhk surutakse hetkeks kokku. Pärast seda õhk paisub, surudes suruõhupiirkonda mööda toru.
Just see laineline liikumine on hiljem heli, kui see jõuab kuulmisorganisse ja "ergastab" kuulmekile. Kui gaasis tekib helilaine, tekib liigne rõhk ja tihedus ning osakesed liiguvad ühtlase kiirusega. Helilainete puhul on oluline meeles pidada tõsiasja, et aine ei liigu helilainega kaasa, vaid tekib ainult ajutine õhumasside häirimine.

Kui kujutame ette vedrul vabas ruumis rippuvat kolvi, mis teeb korduvaid liigutusi "edasi ja tagasi", siis nimetatakse selliseid võnkumisi harmoonilisteks või siinuslikeks (kui kujutame lainet graafiku kujul, siis sel juhul saame puhas siinuslaine korduvate tõusude ja langustega). Kui kujutame ette kõlarit torus (nagu ülalkirjeldatud näites), mis teostab harmoonilisi võnkumisi, siis hetkel liigub kõlar "edasi", saadakse juba teada õhu kokkusurumise efekt ja kui kõlar liigub "tagasi" , saavutatakse harvendamise vastupidine efekt. Sel juhul levib läbi toru vahelduvate kokkusurumiste ja harvendamise laine. Nimetatakse kaugus piki toru külgnevate maksimumide või miinimumide (faaside) vahel lainepikkus. Kui osakesed võnguvad paralleelselt laine levimise suunaga, siis nimetatakse lainet pikisuunaline. Kui need võnguvad levimissuunaga risti, siis nimetatakse lainet põiki. Tavaliselt on helilained gaasides ja vedelikes pikisuunalised, samas kui tahketes ainetes võivad esineda mõlemat tüüpi lained. Põiklained tahketes ainetes tekivad tänu vastupanule kujumuutusele. Peamine erinevus nende kahe lainetüübi vahel seisneb selles, et põiklainel on polarisatsiooni omadus (võnkumine toimub teatud tasapinnas), pikisuunalisel lainel aga mitte.

Heli kiirus

Heli kiirus sõltub otseselt selle levimiskeskkonna omadustest. Selle määravad (sõltuvad) keskkonna kaks omadust: materjali elastsus ja tihedus. Heli kiirus tahketes ainetes sõltub otseselt materjali tüübist ja selle omadustest. Kiirus gaasilises keskkonnas sõltub ainult üht tüüpi keskkonna deformatsioonist: kokkusurumisest-haruldamisest. Rõhu muutus helilaines toimub ilma soojusvahetuseta ümbritsevate osakestega ja seda nimetatakse adiabaatiliseks.
Heli kiirus gaasis sõltub peamiselt temperatuurist – see suureneb temperatuuri tõustes ja väheneb, kui temperatuur langeb. Samuti sõltub heli kiirus gaasilises keskkonnas gaasimolekulide endi suurusest ja massist – mida väiksem on osakeste mass ja suurus, seda suurem on vastavalt laine "juhtivus" ja seda suurem on kiirus.

Vedelas ja tahkes keskkonnas on heli levimise põhimõte ja kiirus sarnane sellele, kuidas laine levib õhus: surve-tühjenemise teel. Kuid nendes keskkondades on lisaks samale temperatuurist sõltuvusele üsna oluline ka keskkonna tihedus ja selle koostis/struktuur. Mida väiksem on aine tihedus, seda suurem on heli kiirus ja vastupidi. Sõltuvus söötme koostisest on keerulisem ja määratakse igal konkreetsel juhul, arvestades molekulide/aatomite paiknemist ja vastasmõju.

Heli kiirus õhus temperatuuril t, °C 20: 343 m/s
Heli kiirus destilleeritud vees temperatuuril t, °C 20: 1481 m/s
Helikiirus terases temperatuuril t, °C 20: 5000 m/s

Seisulained ja häired

Kui kõlar tekitab helilaineid kinnises ruumis, tekib paratamatult piiridelt peegelduva laine efekt. Selle tulemusena kõige sagedamini häireefekt- kui kaks või enam helilainet asetatakse üksteise peale. Interferentsi nähtuse erijuhtudeks on: 1) lööklainete või 2) seisvate lainete teke. Lainete löök- seda juhul, kui lisanduvad lähedased sagedused ja amplituudid. Löökide esinemise muster: kui kaks sarnase sagedusega lainet on üksteise peale asetatud. Mingil ajahetkel sellise kattumisega võivad amplituudi tipud langeda kokku "faasis" ja ka langused "antifaasis" võivad kokku langeda. Nii iseloomustatakse helibiite. Oluline on meeles pidada, et erinevalt seisulainest ei esine tippude faaside kokkulangevusi pidevalt, vaid teatud ajavahemike järel. Kõrva järgi erineb selline löökide muster üsna selgelt ja seda kuuleb vastavalt perioodilise helitugevuse suurenemise ja vähenemisena. Selle efekti ilmnemise mehhanism on äärmiselt lihtne: tippude kokkulangemise hetkel maht suureneb, majanduslanguste kokkulangemise hetkel maht väheneb.

seisulained tekivad kahe sama amplituudi, faasi ja sagedusega laine superpositsioonil, kui selliste lainete "kohtumisel" liigub üks edasi ja teine ​​vastupidises suunas. Ruumipiirkonnas (kus tekkis seisulaine) tekib pilt kahe sagedusamplituudi superpositsioonist, kus vahelduvad maksimumid (nn antisõlmed) ja miinimumid (nn sõlmed). Selle nähtuse ilmnemisel on peegelduskohas laine sagedus, faas ja sumbumiskoefitsient äärmiselt olulised. Erinevalt liikuvatest lainetest ei toimu seisval lainel energiaülekannet, kuna seda lainet moodustavad edasi- ja tagasilained kannavad energiat võrdsetes kogustes nii edasi kui ka vastassuunas. Seisulaine esinemise visuaalseks mõistmiseks kujutame ette näidet koduakustikast. Oletame, et meil on mõnes piiratud ruumis (ruumis) põrandakõlarid. Olles pannud nad mängima mõnda lugu, kus on palju bassi, proovime muuta kuulaja asukohta ruumis. Seega tunneb kuulaja seisvalaine miinimumi (lahutamise) tsooni sattudes efekti, et bass on muutunud väga väikeseks ja kui kuulaja siseneb sageduste maksimumi (liitumise) tsooni, siis vastupidine. saavutatakse bassipiirkonna olulise suurenemise efekt. Sel juhul täheldatakse efekti kõigis baassageduse oktaavides. Näiteks kui baassagedus on 440 Hz, siis "liitmise" või "lahutamise" nähtust täheldatakse ka sagedustel 880 Hz, 1760 Hz, 3520 Hz jne.

Resonantsi nähtus

Enamikul tahketel ainetel on oma resonantssagedus. Selle efekti mõistmine on tavalise toru näitel üsna lihtne, avatud ainult ühest otsast. Kujutagem ette olukorda, kus toru teisest otsast on ühendatud kõlar, mis võib mängida mingit üht konstantset sagedust, seda saab ka hiljem muuta. Nüüd on torul oma resonantssagedus, lihtsamalt öeldes on see sagedus, millega toru "resoneerib" või teeb oma heli. Kui kõlari sagedus (reguleerimise tulemusena) langeb kokku toru resonantssagedusega, suureneb helitugevus mitu korda. Seda seetõttu, et valjuhääldi ergastab torus oleva õhusamba vibratsiooni olulise amplituudiga, kuni leitakse sama “resonantssagedus” ja tekib liiteefekt. Tekkinud nähtust saab kirjeldada järgmiselt: toru selles näites "aitab" kõlarit, resoneerides kindlal sagedusel, nende jõupingutused liidetakse ja "valavad välja" kuuldavaks valju efektiks. Muusikariistade näitel on see nähtus kergesti jälgitav, kuna enamiku kujundus sisaldab elemente, mida nimetatakse resonaatoriteks. Pole raske ära arvata, mis täidab teatud sageduse või muusikalise tooni võimendamise eesmärki. Näiteks: kitarri korpus, mille resonaator on augu kujul, sobitatud helitugevusega; Toru konstruktsioon flöödi juures (ja üldiselt kõik torud); Trumli korpuse silindriline kuju, mis ise on teatud sagedusega resonaator.

Heli sagedusspekter ja sageduskarakteristik

Kuna praktikas sama sagedusega laineid praktiliselt pole, on vaja kogu kuuldava vahemiku helispekter ülem- või harmoonilisteks lagundada. Nendel eesmärkidel on olemas graafikud, mis näitavad helivibratsioonide suhtelise energia sõltuvust sagedusest. Sellist graafikut nimetatakse helisagedusspektri graafikuks. Heli sagedusspekter Neid on kahte tüüpi: diskreetne ja pidev. Diskreetse spektri diagrammil kuvatakse sagedused eraldi, eraldatuna tühikutega. Pidevas spektris esinevad kõik helisagedused korraga.
Muusika või akustika puhul kasutatakse kõige sagedamini tavapärast graafikut. Tipust sageduseni karakteristikud(lühendatult "AFC"). See graafik näitab helivibratsioonide amplituudi sõltuvust sagedusest kogu sagedusspektri ulatuses (20 Hz - 20 kHz). Sellist graafikut vaadates on lihtne aru saada näiteks konkreetse kõlari või kõlarisüsteemi kui terviku tugevustest või nõrkustest, energia tagastamise tugevaimad piirkonnad, sageduse langused ja tõusud, sumbumine, samuti on võimalik jälgida järsust. langusest.

Helilainete levik, faas ja antifaas

Helilainete levimise protsess toimub allikast kõigis suundades. Lihtsaim näide selle nähtuse mõistmiseks: vette visatud kivike.
Alates kohast, kus kivi langes, hakkavad lained veepinnal igas suunas lahknema. Kujutagem aga ette olukorda, kus kasutatakse teatud helitugevusega kõlarit, ütleme näiteks suletud kasti, mis on ühendatud võimendiga ja mängib mingit muusikalist signaali. Lihtne on märgata (eriti kui anda võimas madala sagedusega signaal, näiteks bassitrumm), et kõlar teeb kiire liigutuse "edasi" ja siis sama kiire liigutuse "tagasi". Jääb üle mõista, et kui kõlar liigub edasi, siis see kiirgab helilainet, mida me pärast kuuleme. Aga mis juhtub, kui kõlar liigub tagurpidi? Kuid paradoksaalsel kombel juhtub sama, kõlar teeb sama heli, ainult et see levib meie näites täielikult kasti helitugevuse piires, ilma sellest kaugemale minemata (kast on suletud). Üldiselt võib ülaltoodud näites jälgida päris palju huvitavaid füüsikalisi nähtusi, millest olulisim on faasi mõiste.

Helilaine, mida kõlar, olles helitugevuses, kiirgab kuulaja suunas – on "faasis". Pöördlaine, mis läheb kasti ruumalasse, on vastavalt antifaasiline. Jääb vaid aru saada, mida need mõisted tähendavad? Signaali faas- see on helirõhu tase praegusel ajahetkel mingil ruumipunktil. Faas on kõige lihtsamini mõistetav muusikamaterjali taasesituse näitel tavalise stereo põrandal seisva kodukõlari paariga. Kujutagem ette, et kaks sellist põrandakõlarit on paigaldatud kindlasse ruumi ja mängivad. Mõlemad kõlarid taasesitavad sel juhul sünkroonset muutuva helirõhu signaali, pealegi lisandub ühe kõlari helirõhk teise kõlari helirõhule. Sarnane efekt ilmneb vastavalt vasaku ja parema kõlari signaali taasesituse sünkroniseerimisel, teisisõnu, vasaku ja parema kõlari kiirgavate lainete tipud ja orud langevad kokku.

Kujutagem nüüd ette, et helirõhud muutuvad ikka samamoodi (ei ole muutunud), aga nüüd on need üksteisele vastandlikud. See võib juhtuda, kui ühendate ühe kahest kõlarist vastupidise polaarsusega ("+" kaabel võimendist kõlarisüsteemi "-" klemmiga ja "-" kaabel võimendist kõlari "+" klemmiga süsteem). Sellisel juhul põhjustab vastassuunaline signaal rõhuerinevuse, mida saab esitada numbritena järgmiselt: vasak kõlar tekitab rõhu "1 Pa" ja parem kõlar tekitab rõhu "miinus 1 Pa". . Selle tulemusena on kogu helitugevus kuulaja asukohas võrdne nulliga. Seda nähtust nimetatakse antifaasiks. Kui vaadelda näidet mõistmiseks üksikasjalikumalt, selgub, et kaks "faasis" mängivat dünaamikat loovad samad õhu kokkusurumise ja harvendamise piirkonnad, mis tegelikult üksteist aitavad. Idealiseeritud antifaasi korral kaasneb ühe kõlari tekitatud õhuruumi tihenemisala teise kõlari tekitatud õhuruumi hõrenemise alaga. See näeb välja umbes nagu lainete vastastikuse sünkroonse summutamise nähtus. Tõsi, praktikas ei lange helitugevus nulli ning kuuleme tugevalt moonutatud ja summutatud heli.

Kõige ligipääsetavamal viisil saab seda nähtust kirjeldada järgmiselt: kaks signaali, millel on samad võnked (sagedused), kuid ajaliselt nihkunud. Seda silmas pidades on neid nihkenähtusi mugavam kujutada tavaliste ümarkellade näitel. Kujutagem ette, et seinal ripub mitu ühesugust ümmargust kella. Kui nende kellade sekundiosutajad töötavad sünkroonis, 30 sekundit ühel kellal ja 30 sekundit teisel, siis on see näide signaalist, mis on faasis. Kui sekundiosutajad jooksevad nihkega, aga kiirus on ikka sama, näiteks ühel kellal 30 sekundit, teisel 24 sekundit, siis on see klassikaline näide faasinihkest (nihkest). Samamoodi mõõdetakse faasi kraadides virtuaalses ringis. Sel juhul, kui signaale nihutatakse üksteise suhtes 180 kraadi (pool perioodist), saadakse klassikaline antifaas. Sageli esineb praktikas väiksemaid faasinihkeid, mida saab määrata ka kraadides ja edukalt kõrvaldada.

Lained on lamedad ja sfäärilised. Lame lainefront levib ainult ühes suunas ja seda kohtab praktikas harva. Sfääriline lainefront on lihtsat tüüpi laine, mis kiirgab ühest punktist ja levib kõigis suundades. Helilainetel on omadus difraktsioon, st. oskus vältida takistusi ja objekte. Mähise aste sõltub helilaine pikkuse ja takistuse või augu mõõtmete suhtest. Difraktsioon tekib ka siis, kui heli teel on takistus. Sel juhul on võimalikud kaks stsenaariumi: 1) Kui takistuse mõõtmed on lainepikkusest palju suuremad, siis heli peegeldub või neeldub (olenevalt materjali neeldumisastmest, takistuse paksusest jne). ) ja takistuse taha moodustub "akustilise varju" tsoon. 2) Kui takistuse mõõtmed on lainepikkusega võrreldavad või sellest isegi väiksemad, siis heli difrakteerub mingil määral igas suunas. Kui helilaine ühes keskkonnas liikudes tabab liidest teise kandjaga (näiteks õhukeskkonnaga tahke keskkonnaga), siis võib tekkida kolm stsenaariumi: 1) laine peegeldub liidesest 2) laine võib minna teise keskkonda ilma suunda muutmata 3) laine võib minna teise keskkonda suunamuutusega piiril, seda nimetatakse "laine murdumiseks".

Helilaine ülerõhu suhet võnkumise mahukiirusesse nimetatakse lainetakistuseks. Lihtsate sõnadega, keskkonna lainetakistus võib nimetada võimeks helilaineid neelata või neile "vastu seista". Peegeldus- ja ülekandetegurid sõltuvad otseselt kahe kandja lainetakistuste suhtest. Lainetakistus gaasikeskkonnas on palju madalam kui vees või tahketes ainetes. Seega, kui õhus olev helilaine langeb tahkele objektile või sügavale veepinnale, siis heli kas peegeldub pinnalt või neeldub suurel määral. See sõltub pinna paksusest (vesi või tahke aine), millele soovitud helilaine langeb. Tahke või vedela keskkonna väikese paksuse korral "läbivad" helilained peaaegu täielikult ja vastupidi, suure keskkonna paksuse korral peegelduvad lained sagedamini. Helilainete peegeldumise puhul toimub see protsess hästi tuntud füüsikaseaduse järgi: "Lukumisnurk võrdub peegeldusnurgaga." Sel juhul, kui madalama tihedusega keskkonnast pärit laine tabab suurema tihedusega keskkonna piiri, ilmneb nähtus murdumine. See seisneb helilaine painutamises (murdmises) pärast takistusega "kohtumist" ja sellega kaasneb tingimata kiiruse muutus. Murdumine sõltub ka keskkonna temperatuurist, milles peegeldus toimub.

Helilainete levimise protsessis ruumis nende intensiivsus paratamatult väheneb, võib öelda lainete sumbumine ja heli nõrgenemine. Praktikas on sellist efekti üsna lihtne kohata: näiteks kui kaks inimest seisavad põllul mingil lähedasel kaugusel (meeter või lähemal) ja hakkavad omavahel rääkima. Kui suurendate hiljem inimestevahelist kaugust (kui nad hakkavad üksteisest eemalduma), muutub sama vestluse helitugevus üha vähem kuuldavaks. Sarnane näide demonstreerib selgelt helilainete intensiivsuse vähendamise nähtust. Miks see juhtub? Selle põhjuseks on helilainete erinevad soojusülekande protsessid, molekulaarne interaktsioon ja sisehõõrdumine. Kõige sagedamini toimub praktikas helienergia muundamine soojusenergiaks. Sellised protsessid tekivad vältimatult ükskõik millises kolmest helilevikandjast ja neid võib iseloomustada kui helilainete neeldumine.

Helilainete intensiivsus ja neeldumisaste sõltub paljudest teguritest, näiteks keskkonna rõhust ja temperatuurist. Samuti sõltub neeldumine heli spetsiifilisest sagedusest. Kui helilaine levib vedelikes või gaasides, tekib erinevate osakeste vahel hõõrdumise efekt, mida nimetatakse viskoossuseks. Selle molekulaarsel tasemel hõõrdumise tulemusena toimub laine muundumine helist termiliseks. Teisisõnu, mida kõrgem on keskkonna soojusjuhtivus, seda madalam on laine neeldumisaste. Heli neeldumine gaasilises keskkonnas oleneb ka rõhust (atmosfäärirõhk muutub kõrguse suurenedes merepinna suhtes). Mis puutub neeldumisastme sõltuvusse heli sagedusest, siis võttes arvesse ülaltoodud viskoossuse ja soojusjuhtivuse sõltuvusi, on heli neeldumine seda suurem, mida kõrgem on selle sagedus. Näiteks normaalsel temperatuuril ja rõhul õhus on 5000 Hz sagedusega laine neeldumine 3 dB / km ja sagedusega 50 000 Hz laine neeldumine juba 300 dB / m.

Tahkes keskkonnas säilivad kõik ülaltoodud sõltuvused (soojusjuhtivus ja viskoossus), kuid sellele on lisatud veel mõned tingimused. Neid seostatakse tahkete materjalide molekulaarstruktuuriga, mis võib olla erinev ja millel on oma ebahomogeensus. Sõltuvalt sellest sisemisest tahkest molekulaarstruktuurist võib helilainete neeldumine sel juhul olla erinev ja sõltub konkreetse materjali tüübist. Kui heli läbib tahket keha, läbib laine rea transformatsioone ja moonutusi, mis kõige sagedamini viib helienergia hajumise ja neeldumiseni. Molekulaarsel tasandil võib tekkida dislokatsioonide mõju, kui helilaine põhjustab aatomitasandite nihke, mis seejärel naasevad oma algsesse asendisse. Või põhjustab nihestuste liikumine kokkupõrke nendega risti olevate dislokatsioonidega või kristallstruktuuri defektidega, mis põhjustab nende aeglustumist ja selle tulemusena helilaine mõningast neeldumist. Kuid helilaine võib ka nende defektidega resoneerida, mis toob kaasa alglaine moonutamise. Helilaine energia interaktsiooni hetkel materjali molekulaarstruktuuri elementidega hajub sisemiste hõõrdeprotsesside tulemusena.

Püüan analüüsida inimese kuulmistaju iseärasusi ning mõningaid heli levimise peensusi ja iseärasusi.

Heli on elastsed lained keskkonnas (sageli õhus), mis on inimkõrvale nähtamatud, kuid tajutavad (laine mõjub kuulmekile). Helilaine on pikisuunaline kokkusurumis- ja harvenduslaine.

Kui tekitame vaakumi, kas suudame helisid eristada? Robert Boyle asetas kella klaasnõusse 1660. aastal. Kui ta õhku välja pumbas, ei kuulnud ta heli. Kogemus tõestab seda heli levitamiseks on vaja meediumit.

Heli võib levida ka vedelas ja tahkes keskkonnas. Vee all on selgelt kuulda kivide lööki. Asetage kell puitplaadi ühte otsa. Kõrva teise otsa pannes on selgelt kuulda kella tiksumist.

Helilaine levib läbi puidu

Heli allikaks on tingimata võnkuv keha. Näiteks kitarri keel tavalises olekus ei kõla, aga niipea, kui paneme selle võnkuma, tekib helilaine.

Kogemus näitab aga, et mitte iga vibreeriv keha ei ole heliallikas. Näiteks niidile riputatud raskus ei tee häält. Fakt on see, et inimkõrv ei taju kõiki laineid, vaid ainult neid, mis tekitavad kehasid, mis võnkuvad sagedusega 16 Hz kuni 20 000 Hz. Selliseid laineid nimetatakse heli. Nimetatakse võnkumisi sagedusega alla 16 Hz infraheli. Nimetatakse võnkumisi sagedusega üle 20 000 Hz ultraheli.

Heli kiirus

Helilained ei levi koheselt, vaid teatud lõpliku kiirusega (sarnaselt ühtlase liikumise kiirusega).

Seetõttu näeme äikese ajal esmalt välku ehk valgust (valguse kiirus on palju suurem helikiirusest) ja seejärel kostub heli.

Heli kiirus sõltub keskkonnast: tahkes ja vedelikus on heli kiirus palju suurem kui õhus. Need on tabelina mõõdetud konstandid. Söötme temperatuuri tõusuga heli kiirus suureneb, vähenedes väheneb.

Helid on erinevad. Heli iseloomustamiseks tuuakse sisse erilised suurused: heli valjus, kõrgus ja tämber.

Heli tugevus oleneb võnkumiste amplituudist: mida suurem on võnkumiste amplituud, seda valjem on heli. Lisaks sõltub heli tugevuse tajumine meie kõrva poolt helilaines esinevate vibratsioonide sagedusest. Kõrgema sagedusega laineid tajutakse valjemana.

Helilaine sagedus määrab helikõrguse. Mida kõrgem on heliallika vibratsioonisagedus, seda kõrgem on selle tekitatav heli. Inimhääled jagunevad nende kõrguse järgi mitmeks vahemikuks.

Erinevatest allikatest pärit helid on kombinatsioon erinevate sagedustega harmoonilistest vibratsioonidest. Suurima perioodi (madalaima sageduse) komponenti nimetatakse põhitooniks. Ülejäänud helikomponendid on ülemtoonid. Nende komponentide komplekt loob värvingu, heli tämbri. Ülemtoonide kogus eri inimeste häältes erineb vähemalt veidi, kuid see määrab konkreetse hääle tämbri.

Kaja. Kaja tekib heli peegelduse tulemusena erinevatelt takistustelt - mäed, metsad, müürid, suured hooned jne. Kaja tekib ainult siis, kui peegelduvat heli tajutakse algselt kõneldavast helist eraldi. Kui peegeldavaid pindu on palju ja need asuvad inimesest erineval kaugusel, siis peegeldunud helilained jõuavad temani erinevatel aegadel. Sel juhul on kaja mitmekordne. Takistus peab olema inimesest 11m kaugusel, et kaja oleks kuulda.

Heli peegeldus. Heli põrkab siledatelt pindadelt tagasi. Seetõttu ei haju helilained sarve kasutamisel igas suunas, vaid moodustavad kitsa kiire, mille tõttu helivõimsus suureneb ja see levib suuremale kaugusele.

Mõned loomad (näiteks nahkhiir, delfiin) kiirgavad ultraheli vibratsiooni ja tajuvad seejärel takistustelt peegeldunud lainet. Seega määravad nad asukoha ja kauguse ümbritsevatest objektidest.

Kajalokatsioon. See on meetod kehade asukoha määramiseks nendelt peegelduvate ultrahelisignaalide abil. Kasutatakse laialdaselt navigatsioonis. Paigaldatud laevadele sonarid- seadmed veealuste objektide äratundmiseks ning põhja sügavuse ja topograafia määramiseks. Laeva põhja on paigutatud emitter ja helivastuvõtja. Emiter annab lühikesi signaale. Analüüsides tagasitulevate signaalide viiteaega ja suunda, määrab arvuti heli peegeldanud objekti asukoha ja suuruse.

Ultraheli kasutatakse masinaosade erinevate kahjustuste (tühjad, praod jne) avastamiseks ja määramiseks. Sel eesmärgil kasutatavat seadet nimetatakse ultraheli veadetektor. Uuritavale osale suunatakse lühikeste ultrahelisignaalide voog, mis peegelduvad selle sees olevatest ebahomogeensustest ja langevad tagasi vastuvõtjasse. Nendes kohtades, kus defekte pole, läbivad signaalid detaili ilma olulise peegelduseta ja vastuvõtja neid ei salvesta.

Ultraheli kasutatakse meditsiinis laialdaselt teatud haiguste diagnoosimiseks ja raviks. Erinevalt röntgenikiirgusest ei avalda selle lained kudedele kahjulikku mõju. Diagnostiline ultraheli (USA) võimaldavad ilma kirurgilise sekkumiseta ära tunda patoloogilisi muutusi elundites ja kudedes. Spetsiaalne seade saadab ultrahelilaineid sagedusega 0,5–15 MHz teatud kehaosale, need peegelduvad uuritavalt elundilt ja arvuti kuvab selle pildi ekraanile.

Infraheli iseloomustab madal neelduvus erinevates keskkondades, mille tulemusena võivad infrahelilained õhus, vees ja maakoores levida väga pikkade vahemaade taha. See nähtus leiab praktilist rakendust kohtade määramine tugevad plahvatused või tulistamisrelva asukoht. Infraheli levimine pikkade vahemaade taha meres võimaldab seda looduskatastroofide ennustused- tsunami. Meduusid, vähid jt on võimelised tajuma infraheli ja juba ammu enne tormi algust tunnetavad selle lähenemist.

Artikli sisu

HELI JA AKUSTIKA. Heli on vibratsioon, st. perioodiline mehaaniline häire elastses keskkonnas – gaasilises, vedelas ja tahkes olekus. Selline häiring, milleks on mingi füüsiline muutus keskkonnas (näiteks tiheduse või rõhu muutus, osakeste nihkumine), levib selles helilaine kujul. Füüsika valdkonda, mis tegeleb helilainete tekke, levimise, vastuvõtmise ja töötlemisega, nimetatakse akustikaks. Heli võib olla kuulmatu, kui selle sagedus ületab inimkõrva tundlikkust või kui see levib keskkonnas, nagu tahkis, mis ei saa kõrvaga otsest kontakti saada, või kui selle energia hajub keskkonnas kiiresti. Seega on meie jaoks tavaline helitaju protsess vaid akustika üks pool.

HELILAINED

Kaaluge pikka õhuga täidetud toru. Vasakust otsast sisestatakse sellesse tihedalt seinte külge kinnitatud kolb (joonis 1). Kui kolb liigutatakse järsult paremale ja peatub, surutakse selle vahetus läheduses olev õhk hetkeks kokku (joon. 1, a). Seejärel suruõhk paisub, surudes endaga külgnevat õhku paremale ja surveala, mis algselt tekkis kolvi lähedal, liigub läbi toru ühtlase kiirusega (joonis 1, b). See survelaine on helilaine gaasis.

Gaasi helilainet iseloomustavad liigne rõhk, liigne tihedus, osakeste nihkumine ja nende kiirus. Helilainete puhul on need kõrvalekalded tasakaaluväärtustest alati väikesed. Seega on lainega seotud liigrõhk palju väiksem kui gaasi staatiline rõhk. Vastasel juhul on meil tegemist teise nähtusega – lööklaine. Tavakõnele vastavas helilaines on ülerõhk vaid umbes miljondik atmosfäärirõhust.

Oluline on, et helilaine ei kanduks ainet minema. Laine on vaid ajutine õhku läbiv häire, mille järel õhk naaseb tasakaaluolekusse.

Lainete liikumine ei ole muidugi omane ainult helile: valgus- ja raadiosignaalid liiguvad lainetena ning lained veepinnal on kõigile tuttavad. Igat tüüpi laineid kirjeldatakse matemaatiliselt nn lainevõrrandiga.

harmoonilised lained.

Laine torus joonisel fig. 1 nimetatakse heliimpulsiks. Väga oluline laineliik tekib siis, kui kolb vibreerib edasi-tagasi nagu vedru külge riputatud raskus. Selliseid võnkumisi nimetatakse lihtharmoonilisteks või siinuslikeks ja sel juhul ergastatud lainet nimetatakse harmooniliseks.

Lihtsate harmooniliste võnkumiste korral korratakse liikumist perioodiliselt. Ajavahemikku kahe identse liikumisoleku vahel nimetatakse võnkeperioodiks ja täielike perioodide arvu sekundis nimetatakse võnkesageduseks. Tähistame perioodi tähega T ja sagedus läbi f; siis saab seda kirjutada f= 1/T. Kui sagedus on näiteks 50 perioodi sekundis (50 Hz), siis periood on 1/50 sekundit.

Matemaatiliselt lihtsaid harmoonilisi võnkumisi kirjeldab lihtne funktsioon. Kolvi nihe lihtsate harmooniliste võnkumistega igal ajahetkel t saab vormis kirjutada

Siin d- kolvi nihkumine tasakaaluasendist ja D on konstantne kordaja, mis on võrdne suuruse maksimaalse väärtusega d ja seda nimetatakse nihke amplituudiks.

Oletame, et kolb võngub harmoonilise võnke valemi järgi. Seejärel, kui see liigub paremale, toimub kokkusurumine, nagu varemgi, ja vasakule liikumisel väheneb rõhk ja tihedus nende tasakaaluväärtuste suhtes. Gaasi kokkusurumist ei toimu, vaid see väheneb. Sel juhul levib õigus, nagu on näidatud joonisel fig. 2, vahelduvate kokkusurumiste ja haruldaste laine. Rõhujaotuskõver piki toru pikkust on igal ajahetkel sinusoidi kujuline ja see sinusoid liigub helikiirusel paremale. v. Vahemaad piki toru samade lainefaaside vahel (näiteks külgnevate maksimumide vahel) nimetatakse lainepikkuseks. Tavaliselt tähistatakse seda kreeka tähega l(lambda). Lainepikkus l on laine läbitud vahemaa ajas T. Sellepärast l = TV, või v = lf.

Piki- ja põiklained.

Kui osakesed võnguvad paralleelselt laine levimise suunaga, siis nimetatakse lainet pikisuunaliseks. Kui need võnguvad levimissuunaga risti, nimetatakse lainet põiksuunaliseks. Helilained gaasides ja vedelikes on pikisuunalised. Tahketes ainetes on mõlemat tüüpi laineid. Tahkis on ristlaine võimalik tänu selle jäikusele (vastupidavus kuju muutumisele).

Kõige olulisem erinevus nende kahe lainete vahel on see, et nihkelainel on omadus polarisatsioon(võnkumised tekivad teatud tasapinnas), pikisuunaline aga mitte. Mõne nähtuse puhul, nagu heli peegeldumine ja edasikandumine läbi kristallide, sõltub palju osakeste nihke suunast, nagu ka valguslainete puhul.

Helilainete kiirus.

Heli kiirus on selle keskkonna tunnus, milles laine levib. Selle määravad kaks tegurit: materjali elastsus ja tihedus. Tahkete ainete elastsed omadused sõltuvad deformatsiooni tüübist. Seega ei ole metallvarda elastsed omadused väände, kokkusurumise ja painutamise ajal samad. Ja vastavad lainevõnked levivad erinevatel kiirustel.

Elastne keskkond on selline, mille deformatsioon, olgu selleks vääne, kokkusurumine või painutamine, on võrdeline deformatsiooni põhjustava jõuga. Selliste materjalide suhtes kohaldatakse Hooke'i seadust:

Pinge = Cґ suhteline deformatsioon,

kus FROM on elastsusmoodul, mis sõltub materjalist ja deformatsiooni tüübist.

Heli kiirus v antud tüüpi elastse deformatsiooni korral on antud avaldisega

kus r on materjali tihedus (mass ruumalaühiku kohta).

Heli kiirus tahkes varras.

Pikka varda saab venitada või kokku suruda otsale rakendatud jõuga. Olgu varda pikkus L rakendatud tõmbejõud F ja pikkuse suurenemine on D L. Väärtus D L/L nimetame suhteliseks deformatsiooniks ja jõudu varda ristlõike pindalaühiku kohta nimetatakse pingeks. Nii et pinge on F/A, kus AGA - varda läbilõikepindala. Sellise varda puhul on Hooke'i seadusel vorm

kus Y on Youngi moodul, s.o. varda pingutus- või kokkusurumis elastsusmoodul, mis iseloomustab varda materjali. Youngi moodul on madal kergesti tõmbuvate materjalide (nt kummi) ja kõrge jäikade materjalide (nt teras) puhul.

Kui nüüd ergutada selles survelaine haamriga varda otsa lüües, siis see levib kiirusega , kus r, nagu varemgi, on varda valmistamise materjali tihedus. Mõnede tüüpiliste materjalide lainekiiruste väärtused on toodud tabelis. üks.

Tabel 1. HELI KIIRUS TAHKETE MATERJALIDE ERINEVAT TÜÜPI LAINETELE
Materjal	Pikisuunalised lained laiendatud tahkete proovide puhul (m/s)	Nihke- ja torsioonlained (m/s)	Surulained varrastes (m/s)
Alumiiniumist
Messing
Plii
Raud
Hõbedane
Roostevaba teras
Kiviklaas
Krooni klaas
pleksiklaasist
Polüetüleen
Polüstüreen

Varda vaadeldav laine on survelaine. Kuid seda ei saa pidada rangelt pikisuunaliseks, kuna varda külgpinna liikumine on seotud kokkusurumisega (joonis 3, a).

Varras on võimalikud ka kaks teist tüüpi laineid – painutuslaine (joonis 3, b) ja torsioonlaine (joonis 3, sisse). Paindedeformatsioonid vastavad lainele, mis ei ole puhtalt pikisuunaline ega puhtalt põikisuunaline. Torsioondeformatsioonid, s.o. pöörlemine ümber varda telje, annavad puhtalt põiklaine.

Paindelaine kiirus varras oleneb lainepikkusest. Sellist lainet nimetatakse "hajutavaks".

Varda torsioonlained on puhtalt põikisuunalised ja mittehajutavad. Nende kiirus on antud valemiga

kus m on nihkemoodul, mis iseloomustab materjali elastsusomadusi nihke suhtes. Mõned tüüpilised nihkelaine kiirused on toodud tabelis 1. üks.

Kiirus laiendatud tahkes keskkonnas.

Suure mahuga tahkes keskkonnas, kus piiride mõju võib tähelepanuta jätta, on võimalikud kahte tüüpi elastsed lained: pikisuunalised ja põikisuunalised.

Deformatsioon pikilaines on tasapinnaline deformatsioon, s.o. ühemõõtmeline kokkusurumine (või harvendamine) laine levimise suunas. Ristlainele vastav deformatsioon on laine levimise suunaga risti asetsev nihkenihe.

Pikilainete kiirus tahketes materjalides on antud avaldisega

kus C-L- elastsusmoodul lihtsa tasapinnalise deformatsiooni jaoks. See on seotud mahumooduliga AT(mis on määratletud allpool) ja materjali nihkemoodul m as C L = B + 4/3m . Tabelis. 1 näitab erinevate tahkete materjalide pikisuunaliste lainete kiiruste väärtusi.

Nihkelainete kiirus laiendatud tahkes keskkonnas on sama, mis torsioonlainete kiirus samast materjalist varras. Seetõttu antakse see väljendiga . Selle väärtused tavapäraste tahkete materjalide kohta on toodud tabelis. üks.

kiirus gaasides.

Gaasides on võimalik ainult üht tüüpi deformatsioon: kokkusurumine - harvendamine. Vastav elastsusmoodul AT nimetatakse mahumooduliks. See määratakse suhte järgi

-D P = B(D V/V).

Siin D P- rõhu muutus, D V/V on mahu suhteline muutus. Miinusmärk näitab, et rõhu tõustes maht väheneb.

Väärtus AT sõltub sellest, kas gaasi temperatuur kompressiooni ajal muutub või mitte. Helilaine puhul saab näidata, et rõhk muutub väga kiiresti ja kokkusurumisel eralduv soojus ei jõua süsteemist väljuda. Seega toimub rõhu muutus helilaines ilma soojusvahetuseta ümbritsevate osakestega. Sellist muutust nimetatakse adiabaatiliseks. On kindlaks tehtud, et heli kiirus gaasis sõltub ainult temperatuurist. Teatud temperatuuril on heli kiirus kõigi gaaside puhul ligikaudu sama. Temperatuuril 21,1 ° C on heli kiirus kuivas õhus 344,4 m / s ja suureneb temperatuuri tõustes.

Kiirus vedelikes.

Helilained vedelikes on kokkusurumislained – harvenemine, nagu ka gaasides. Kiirus antakse sama valemiga. Vedelik on aga palju vähem kokkusurutav kui gaas ja seega ka kogus AT, rohkem ja tihedus r. Heli kiirus vedelikes on tahkete ainete kiirusele lähemal kui gaasides. See on palju väiksem kui gaasides ja sõltub temperatuurist. Näiteks magevees on kiirus 15,6 ° C juures 1460 m / s. Normaalse soolsusega merevees on see samal temperatuuril 1504 m / s. Heli kiirus suureneb vee temperatuuri ja soola kontsentratsiooni tõustes.

seisulained.

Kui harmoonilist lainet ergastada piiratud ruumis nii, et see põrkab piiridest välja, tekivad nn seisulained. Seisulaine on kahe laine superpositsiooni tulemus, mis liiguvad üks edasi ja teine ​​vastassuunas. Tekib võnkumiste muster, mis ruumis ei liigu, antisõlmede ja sõlmede vaheldumisi. Antisõlmedes on võnkuvate osakeste kõrvalekalded nende tasakaaluasenditest maksimaalsed ja sõlmedes on need võrdsed nulliga.

Seisulained stringis.

Venitatud stringis tekivad põiklained ja nöör nihkub oma algse sirgjoonelise asendi suhtes. Laineid stringis pildistades on põhitooni ja ülemtoonide sõlmed ja antisõlmed selgelt nähtavad.

Seisulainete pilt hõlbustab oluliselt etteantud pikkusega stringi võnkuvate liikumiste analüüsi. Olgu pikkusega string L otstes kinnitatud. Sellise stringi igasugust vibratsiooni saab kujutada seisulainete kombinatsioonina. Kuna stringi otsad on fikseeritud, on võimalikud ainult sellised seisulained, mille piirpunktides on sõlmed. Stringi madalaim vibratsioonisagedus vastab maksimaalsele võimalikule lainepikkusele. Kuna sõlmede vaheline kaugus on l/2, on sagedus minimaalne, kui stringi pikkus on võrdne poole lainepikkusega, st. juures l= 2L. See on nn põhiline stringi vibratsiooni režiim. Sellele vastava sageduse, mida nimetatakse põhisageduseks või põhitooniks, annab f = v/2L, kus v on laine levimise kiirus piki stringi.

Seal on terve rida kõrgema sagedusega võnkumisi, mis vastavad rohkemate sõlmedega seisvatele lainetele. Järgmine kõrgem sagedus, mida nimetatakse teiseks harmooniliseks või esimeseks ülemtooniks, on antud

f = v/L.

Harmooniliste jada väljendatakse valemiga f = nv/2L, kus n= 1, 2, 3, jne. See on nn. stringi vibratsiooni omasagedused. Need suurenevad proportsionaalselt naturaalarvudega: kõrgemad harmoonilised 2, 3, 4...jne. korda põhisagedus. Sellist helide jada nimetatakse loomulikuks või harmooniliseks skaalaks.

Sellel kõigel on muusikaakustikas suur tähtsus, millest tuleb allpool pikemalt juttu. Praegu märgime, et stringi tekitatud heli sisaldab kõiki loomulikke sagedusi. Igaühe nende suhteline panus sõltub sellest, millises punktis stringi vibratsioonid ergastuvad. Kui näiteks string tõmmatakse keskele, siis on põhisagedus kõige rohkem põnevil, kuna see punkt vastab antisõlmele. Teine harmooniline puudub, kuna selle sõlm asub keskel. Sama võib öelda ka teiste harmooniliste ( vaata allpool muusikaline akustika).

Lainete kiirus stringis on

kus T - nööripinge ja rL - mass nööri pikkuseühiku kohta. Seetõttu on stringi loomulik sagedusspekter antud

Seega põhjustab stringi pinge suurenemine vibratsiooni sageduste tõusu. Et vähendada võnkumiste sagedust etteantud juures T võite võtta raskema nööri (suure r L) või selle pikkust suurendades.

Seisulained orelipillides.

Keelte kohta öeldud teooriat saab rakendada ka orelitüüpi toru õhuvõnketele. Orelipilli võib lihtsustatult vaadelda kui sirget toru, milles ergastuvad seisulained. Torul võib olla nii suletud kui ka lahtised otsad. Seisulaine antinood tekib avatud otsas ja sõlm suletud otsas. Seetõttu on kahe lahtise otsaga torul põhisagedus, mille juures pool lainepikkusest mahub piki toru pikkust. Seevastu torul, mille üks ots on avatud ja teine ​​suletud, on põhisagedus, mille juures veerand lainepikkusest mahub piki toru pikkust. Seega on mõlemast otsast avatud toru põhisagedus f =v/2L ja ühest otsast avatud toru puhul f = v/4L(kus L on toru pikkus). Esimesel juhul on tulemus sama, mis stringi puhul: ülemtoonid on kahe-, kolmekordsed jne. põhisageduse väärtus. Ühest otsast avatud toru puhul on aga ülemtoonid põhisagedusest 3, 5, 7 jne võrra suuremad. üks kord.

Joonisel fig. Joonistel 4 ja 5 on skemaatiliselt kujutatud kahe vaadeldava tüübi torude põhisageduse seisulained ja esimene ülemtoon. Mugavuse huvides on nihked siin näidatud risti, kuid tegelikult on need pikisuunalised.

resonantsvõnkumised.

Seisulained on tihedalt seotud resonantsi nähtusega. Eespool käsitletud omasagedused on ka keelpilli või orelipilli resonantssagedused. Oletame, et orelitoru lahtise otsa lähedale on paigutatud valjuhääldi, mis annab välja ühe kindla sagedusega signaali, mida saab soovi korral muuta. Seejärel, kui valjuhääldi signaali sagedus langeb kokku toru põhisagedusega või selle ühe ülemtooniga, kostab toru väga valjult. Seda seetõttu, et valjuhääldi ergutab õhusamba vibratsiooni olulise amplituudiga. Väidetavalt kostab trompet sellistes tingimustes.

Fourier analüüs ja heli sagedusspekter.

Praktikas on ühe sagedusega helilained haruldased. Kuid keerukaid helilaineid saab lagundada harmoonilisteks. Seda meetodit nimetatakse Fourier’ analüüsiks prantsuse matemaatiku J. Fourier’ (1768–1830) järgi, kes selle esimesena rakendas (soojusteoorias).

Heli vibratsioonide suhtelise energia ja sageduse graafikut nimetatakse heli sagedusspektriks. Selliseid spektreid on kahte peamist tüüpi: diskreetne ja pidev. Diskreetne spekter koosneb sageduste jaoks eraldi ridadest, mis on eraldatud tühjade tühikutega. Kõik sagedused on selle sagedusalas pidevas spektris.

Perioodilised helivibratsioonid.

Helivõnked on perioodilised, kui võnkeprotsess, ükskõik kui keeruline see ka poleks, kordub teatud ajaintervalli järel. Selle spekter on alati diskreetne ja koosneb teatud sagedusega harmoonilistest. Sellest ka termin "harmooniline analüüs". Näiteks ristkülikukujulised võnkumised (joonis 6, a) amplituudi muutusega alates +A enne - AGA ja periood T= 1/f. Veel üks lihtne näide on joonisel fig 1 näidatud kolmnurkne saehamba võnkumine. 6, b. Keerulisema vormi perioodiliste võnkumiste näide koos vastavate harmooniliste komponentidega on näidatud joonisel fig. 7.

Muusikahelid on perioodilised vibratsioonid ja sisaldavad seetõttu harmoonilisi (ületoone). Oleme juba näinud, et stringis koos põhisageduse võnkumisega ergastuvad ühel või teisel määral ka teised harmoonilised. Iga ülemheli suhteline panus sõltub stringi ergastamise viisist. Ülemtoonide komplekti määrab suuresti tämber muusikaline heli. Neid küsimusi käsitletakse üksikasjalikumalt allpool muusikaakustika peatükis.

Heliimpulsi spekter.

Tavaline helivalik on lühiajaline heli: käteplaksutamine, uksele koputamine, põrandale kukkunud eseme heli, kägu kukutamine. Sellised helid ei ole perioodilised ega muusikalised. Kuid neid saab ka sagedusspektriks lagundada. Sel juhul on spekter pidev: heli kirjeldamiseks on vaja kõiki sagedusi teatud riba sees, mis võib olla üsna lai. Sellise sagedusspektri tundmine on vajalik selliste helide moonutusteta reprodutseerimiseks, kuna vastav elektrooniline süsteem peab kõiki neid sagedusi võrdselt hästi "läbima".

Heliimpulsi põhijooned saab selgeks, kui vaadelda lihtsa kujuga impulssi. Oletame, et heli on D kestusega võnkumine t, mille juures rõhu muutus on näidatud joonisel fig. kaheksa, a. Selle juhtumi ligikaudne sagedusspekter on näidatud joonisel fig. kaheksa, b. Kesksagedus vastab vibratsioonile, mis meil tekiks, kui sama signaali pikendataks lõputult.

Sagedusspektri pikkust nimetatakse ribalaiuseks D f(Joonis 8, b). Ribalaius on ligikaudne sagedusvahemik, mis on vajalik algse impulsi taasesitamiseks ilma liigsete moonutusteta. D vahel on väga lihtne fundamentaalne seos f ja D t, nimelt

D f D t"üks.

See seos kehtib kõigi heliimpulsside puhul. Selle tähendus on see, et mida lühem on impulss, seda rohkem sagedusi see sisaldab. Oletame, et allveelaeva tuvastamiseks kasutatakse sonari, mis kiirgab ultraheli impulsi kujul kestusega 0,0005 s ja signaali sagedusega 30 kHz. Ribalaius on 1/0,0005 = 2 kHz ja lokaatori impulsi spektris tegelikult sisalduvad sagedused jäävad vahemikku 29–31 kHz.

Müra.

Müra viitab mis tahes helile, mida tekitavad mitmed koordineerimata allikad. Näiteks võib tuua puulehtede häält, mida tuul kõigub. Reaktiivmootori müra on tingitud suure kiirusega heitgaasivoolu turbulentsist. Müra kui tüütu heli käsitletakse Art. KESKKONNA AKUSTILINE SAASTUS.

Heli intensiivsus.

Helitugevus võib erineda. On lihtne näha, et see on tingitud helilaine poolt kantud energiast. Helitugevuse kvantitatiivseks võrdluseks on vaja kasutusele võtta helitugevuse mõiste. Helilaine intensiivsus on defineeritud kui keskmine energiavoog läbi lainefrondi pindalaühiku ajaühikus. Teisisõnu, kui võtta üks pindala (näiteks 1 cm 2), mis heli täielikult neelaks, ja asetada see laine levimise suunaga risti, on heli intensiivsus võrdne ühes sekundis neeldunud akustilise energiaga. . Intensiivsust väljendatakse tavaliselt ühikutes W/cm2 (või W/m2).

Anname selle väärtuse mõne tuttava heli jaoks. Tavalise vestluse ajal tekkiva ülerõhu amplituud on ligikaudu miljondik atmosfäärirõhust, mis vastab akustilise heli intensiivsusele suurusjärgus 10–9 W/cm 2 . Tavalise vestluse ajal väljastatava heli koguvõimsus on suurusjärgus vaid 0,00001 vatti. Inimkõrva võime tajuda nii väikeseid energiaid annab tunnistust tema hämmastavast tundlikkusest.

Meie kõrvaga tajutav helitugevuse ulatus on väga lai. Kõige valjema heli intensiivsus, mida kõrv talub, on umbes 1014 korda suurem kui kuuldav miinimum. Heliallikate täisvõimsus katab sama laia ulatuse. Seega võib väga vaikse sosistamise ajal väljastatav võimsus olla suurusjärgus 10–9 W, reaktiivmootori võimsus aga 10–5 W. Jällegi erinevad intensiivsused 10 14 korda.

Detsibell.

Kuna helide intensiivsus on väga erinev, on mugavam pidada seda logaritmiliseks väärtuseks ja mõõta seda detsibellides. Intensiivsuse logaritmiline väärtus on koguse vaadeldava väärtuse ja selle väärtuse suhte logaritm, võttes aluseks algväärtuse. Intensiivsuse tase J mingi tinglikult valitud intensiivsuse suhtes J 0 on

Helitugevuse tase = 10 lg ( J/J 0) dB.

Seega on üks heli, mis on teisest 20 dB intensiivsem, 100 korda intensiivsem.

Akustiliste mõõtmiste praktikas on tavaks väljendada heli intensiivsust vastava ülerõhu amplituudina P e. Kui rõhku mõõdetakse detsibellides mõne tavapäraselt valitud rõhu suhtes R 0 , saada nn helirõhutase. Kuna heli intensiivsus on võrdeline helitugevusega P e 2 ja lg( P e 2) = 2 lg P e, määratakse helirõhutase järgmiselt:

Helirõhu tase = 20 lg ( P e/P 0) dB.

Nominaalne rõhk R 0 = 2×10–5 Pa vastab sagedusega 1 kHz heli standardse kuulmislävele. Tabelis. 2 näitab mõne levinud heliallika helirõhutasemeid. Need on terviklikud väärtused, mis saadakse kogu kuuldava sagedusvahemiku keskmistamisel.

Tabel 2. TÜÜPILISED HELIRÕHUTASED
Heliallikas	Helirõhutase, dB (rel. 2H 10–5 Pa)
tembeldamispood
Masinaruum pardal
Ketrus- ja kudumistöökoda
Metroo vagunis
Autos liikluses sõites
Kirjutusmasinate büroo
Raamatupidamine
kontor
eluruumid
Elamurajoon öösel
saatestuudio

Helitugevus.

Helirõhu taset ei seostata lihtsa seosega helitugevuse psühholoogilise tajumisega. Esimene neist teguritest on objektiivne ja teine ​​on subjektiivne. Katsed näitavad, et helitugevuse tajumine ei sõltu ainult heli intensiivsusest, vaid ka selle sagedusest ja katsetingimustest.

Võrrelda ei saa helitugevusi, mis ei ole võrdlustingimustega seotud. Siiski pakub huvi puhaste toonide võrdlus. Selleks määrake helirõhutase, mille juures antud heli tajutakse sama valjuna kui standardtoon sagedusega 1000 Hz. Joonisel fig. 9 näitab Fletcheri ja Mansoni katsetes saadud võrdseid helitugevuse kõveraid. Iga kõvera jaoks on näidatud 1000 Hz standardtooni vastav helirõhutase. Näiteks helisagedusel 200 Hz on vaja 60 dB helitaset tajuda võrdsena 1000 Hz heliga helirõhutasemega 50 dB.

Neid kõveraid kasutatakse mürina määratlemiseks, helitugevuse ühikuks, mida mõõdetakse ka detsibellides. Taustaks on helitugevuse tase, mille puhul sama valju standardse puhta tooni (1000 Hz) helirõhutase on 1 dB. Niisiis, heli sagedusega 200 Hz tasemel 60 dB on helitugevus 50 foni.

Alumine kõver joonisel fig. 9 on hea kõrva kuulmisläve kõver. Kuuldavate sageduste vahemik ulatub umbes 20 kuni 20 000 Hz.

Helilainete levik.

Sarnaselt seisvasse vette visatud kiviklibu lained levivad helilained igas suunas. Sellist levimisprotsessi on mugav iseloomustada kui lainefrondit. Lainefront on pind ruumis, mille kõigis punktides toimuvad võnked samas faasis. Vette kukkunud kiviklibu lainefrondid on ringid.

Lamedad lained.

Lihtsaima vormi lainefront on tasane. Tasapinnaline laine levib ainult ühes suunas ja on idealiseerimine, mida praktikas realiseeritakse vaid ligikaudselt. Torus olevat helilainet võib pidada ligikaudu tasaseks, täpselt nagu allikast suurel kaugusel asuvat sfäärilist lainet.

sfäärilised lained.

Lihtsad lainetüübid hõlmavad sfäärilise frondiga lainet, mis lähtub punktist ja levib igas suunas. Sellist lainet saab ergutada väikese pulseeriva sfääri abil. Allikat, mis ergastab sfäärilist lainet, nimetatakse punktallikaks. Sellise laine intensiivsus väheneb levides, kuna energia jaotub üha suurema raadiusega sfäärile.

Kui sfäärilist lainet tekitav punktallikas kiirgab võimsust 4 pQ, siis, kuna raadiusega sfääri pindala r võrdub 4 p r 2 on heli intensiivsus sfäärilisel lainel võrdne

J = K/r 2 ,

kus r on kaugus allikast. Seega väheneb sfäärilise laine intensiivsus pöördvõrdeliselt allika kauguse ruuduga.

Iga helilaine intensiivsus selle levimise ajal väheneb heli neeldumise tõttu. Seda nähtust arutatakse allpool.

Huygensi põhimõte.

Lainefrondi levimisel kehtib Huygensi põhimõte. Selle selgitamiseks vaadelgem meile mingil ajahetkel teadaolevat lainefrondi kuju. Seda võib leida isegi mõne aja pärast D t, kui esialgse lainefrondi iga punkti peetakse elementaarse sfäärilise laine allikaks, mis levib üle selle intervalli teatud kaugusele v D t. Kõigi nende elementaarsete sfääriliste lainefrontide mähis on uus lainefront. Huygensi põhimõte võimaldab määrata lainefrondi kuju kogu levimisprotsessi vältel. See tähendab ka, et lained, nii tasapinnalised kui ka sfäärilised, säilitavad levimise ajal oma geomeetria, eeldusel, et keskkond on homogeenne.

heli difraktsioon.

Difraktsioon on laine, mis paindub ümber takistuse. Difraktsiooni analüüsitakse Huygensi põhimõtet kasutades. Selle painde määr sõltub lainepikkuse ja takistuse või augu suuruse vahelisest seosest. Kuna helilaine lainepikkus on kordades pikem kui valguse oma, üllatab helilainete difraktsioon meid vähem kui valguse difraktsioon. Seega võite rääkida kellegagi, kes seisab hoone nurga taga, kuigi teda pole näha. Helilaine paindub kergesti ümber nurga, valgus aga loob oma lainepikkuse väiksuse tõttu teravaid varje.

Mõelge tasapinnalise helilaine difraktsioonile, mis langeb kindlale auguga lameekraanile. Et määrata lainefrondi kuju teisel pool ekraani, peate teadma lainepikkuste vahelist seost l ja augu läbimõõt D. Kui need väärtused on ligikaudu samad või l palju rohkem D, siis saadakse täielik difraktsioon: väljuva laine lainefront on sfääriline ja laine jõuab kõikidesse ekraani taha jäävatesse punktidesse. Kui l mõnevõrra vähem D, siis levib väljuv laine valdavalt edasisuunas. Ja lõpuks, kui l palju vähem D, siis kogu selle energia levib sirgjooneliselt. Need juhtumid on näidatud joonisel fig. kümme.

Difraktsiooni täheldatakse ka siis, kui heli teel on takistus. Kui takistuse mõõtmed on lainepikkusest palju suuremad, siis heli peegeldub ja takistuse taha moodustub akustiline varjutsoon. Kui takistuse suurus on võrreldav lainepikkusega või sellest väiksem, difrakteerub heli mingil määral kõigis suundades. Seda arvestatakse arhitektuuriakustikas. Nii on näiteks mõnikord hoone seinad kaetud eenditega, mille mõõtmed on heli lainepikkuse suurusjärgus. (Sagedusel 100 Hz on lainepikkus õhus umbes 3,5 m.) Sel juhul on seintele langev heli hajutatud igas suunas. Arhitektuurses akustikas nimetatakse seda nähtust heli difusiooniks.

Heli peegeldumine ja edastamine.

Kui ühes keskkonnas liikuv helilaine langeb liidesele teise kandjaga, võib samaaegselt toimuda kolm protsessi. Laine võib peegelduda liidesest, see võib minna ilma suunda muutmata teise keskkonda või muuta suunda liideses, s.t. murda. Joonisel fig. 11 kujutab lihtsaimat juhtumit, kui tasapinnaline laine langeb täisnurga all kahte erinevat ainet eraldavale tasasele pinnale. Kui intensiivsuse peegelduskoefitsient, mis määrab peegeldunud energia osakaalu, on võrdne R, siis on ülekandekoefitsient võrdne T = 1 – R.

Helilaine puhul nimetatakse ülerõhu ja vibratsiooni mahulise kiiruse suhet akustiliseks impedantsiks. Peegeldus- ja ülekandetegurid sõltuvad kahe kandja lainetakistuste suhtest, lainetakistus on omakorda võrdeline akustiliste takistustega. Gaaside lainetakistus on palju väiksem kui vedelike ja tahkete ainete oma. Nii et kui õhulaine tabab paksu tahket objekti või sügava vee pinda, peegeldub heli peaaegu täielikult. Näiteks õhu ja vee piiril on lainetakistuste suhe 0,0003. Seega on õhust vette liikuva heli energia võrdne ainult 0,12% langeva energiaga. Peegeldus- ja ülekandetegurid on pööratavad: peegelduskoefitsient on ülekandetegur vastassuunas. Seega ei tungi heli praktiliselt ei õhust basseini ega vee alt väljapoole, mis on hästi teada kõigile, kes vee all ujusid.

Eelpool vaadeldud peegelduse puhul eeldati, et teise keskkonna paksus laine levimise suunas on suur. Kuid ülekandekoefitsient on palju suurem, kui teine ​​meedium on sein, mis eraldab kahte identset keskkonda, näiteks ruumidevaheline tahke vahesein. Fakt on see, et seina paksus on tavaliselt väiksem kui heli lainepikkus või sellega võrreldav. Kui seina paksus on poole seinas oleva heli lainepikkuse kordne, siis on laine ülekandetegur risti langemisel väga suur. Deflektor oleks selle sageduse heli jaoks täiesti läbipaistev, kui see poleks neeldumine, mida me siin tähelepanuta jätame. Kui seina paksus on palju väiksem kui selles oleva heli lainepikkus, on peegeldus alati väike ja läbilaskvus suur, kui heli neeldumise suurendamiseks ei võeta erimeetmeid.

heli murdumine.

Kui tasapinnaline helilaine langeb liidese nurga all, on selle peegeldusnurk võrdne langemisnurgaga. Ülekantav laine kaldub langeva laine suunast kõrvale, kui langemisnurk erineb 90°-st. Seda lainesuuna muutust nimetatakse murdumiseks. Murdumise geomeetria tasasel piiril on näidatud joonisel. 12. Näidatud on lainete suuna ja pinnanormaali vahelised nurgad q 1 langeva laine jaoks ja q 2 - murdunud mineviku jaoks. Nende kahe nurga suhe hõlmab ainult kahe kandja helikiiruste suhet. Nagu valguslainete puhul, on need nurgad üksteisega seotud Snelli (Snelli) seadusega:

Seega, kui heli kiirus teises keskkonnas on väiksem kui esimeses, on murdumisnurk väiksem kui langemisnurk; kui kiirus teises keskkonnas on suurem, siis murdumisnurk on suurem. kui langemisnurk.

Temperatuurigradiendist tingitud murdumine.

Kui heli kiirus ebahomogeenses keskkonnas muutub pidevalt punktist punkti, siis muutub ka murdumine. Kuna heli kiirus nii õhus kui ka vees sõltub temperatuurist, siis temperatuurigradiendi olemasolul võivad helilained muuta oma liikumissuunda. Atmosfääris ja ookeanis täheldatakse horisontaalse kihistumise tõttu tavaliselt vertikaalseid temperatuurigradiente. Seetõttu võib helikiiruse muutumise tõttu piki vertikaali, temperatuuri gradientide mõjul helilaine kalduda kas üles või alla.

Vaatleme juhtumit, kui õhk on mõnes Maapinna lähedal soojem kui kõrgemates kihtides. Siis kõrguse kasvades siinne õhutemperatuur langeb ja koos sellega väheneb ka heli kiirus. Maapinna lähedal asuvast allikast kiirgav heli tõuseb murdumise tõttu. See on näidatud joonisel fig. 13, mis näitab heli "kiirte".

Joonisel fig. 13 kirjeldab üldiselt Snelli seadus. Kui läbi q, nagu varemgi, tähistab nurka vertikaali ja kiirguse suuna vahel, siis üldistatud Snelli seadusel on võrdsuse patu kuju q/v= const, mis viitab kiire mis tahes punktile. Seega, kui kiir liigub piirkonda, kus kiirus v väheneb, siis nurk q peaks ka vähenema. Seetõttu on helikiired alati kõrvale kaldunud helikiiruse vähenemise suunas.

Jooniselt fig. 13 on näha, et allikast mingil kaugusel asub piirkond, kuhu helikiired üldse ei tungi. See on nn vaikuse tsoon.

On täiesti võimalik, et kusagil kõrgemal kui joonisel fig. 13, temperatuurigradiendi tõttu suureneb heli kiirus kõrgusega. Sel juhul kaldub algselt kõrvalekalduv ülespoole suunatud helilaine siin Maa pinnale suurel kaugusel. See juhtub siis, kui atmosfääris moodustub temperatuuri inversiooni kiht, mille tulemusena on võimalik vastu võtta ülipika ulatusega helisignaale. Samas on kaugpunktides vastuvõtukvaliteet isegi parem kui lähedal. Ajaloos on olnud palju näiteid ülipika vastuvõtu kohta. Näiteks Esimese maailmasõja ajal, kui atmosfääriolud soodustasid piisavat helimurdumist, võis Inglismaal kuulda Prantsuse rindel kanonaadi.

Heli murdumine vee all.

Ookeanis täheldatakse ka vertikaalsetest temperatuurimuutustest tingitud heli murdumist. Kui temperatuur ja seega ka heli kiirus sügavusega väheneb, suunatakse helikiired allapoole, mille tulemuseks on vaikuse tsoon, mis on sarnane joonisel fig. 13 atmosfääri jaoks. Ookeani jaoks selgub vastav pilt, kui see pilt lihtsalt ümber pöörata.

Vaikuse tsoonide olemasolu muudab allveelaevade tuvastamise sonari abil keeruliseks ja murdumine, mis suunab helilaineid allapoole, piirab oluliselt nende levimisulatust pinna lähedal. Siiski täheldatakse ka ülespoole suunatud kõrvalekallet. See võib luua sonari jaoks soodsamad tingimused.

Helilainete häired.

Kahe või enama laine superpositsiooni nimetatakse laine interferentsiks.

Seisulained interferentsi tagajärjel.

Ülaltoodud seisulained on häirete erijuht. Seisulained tekivad kahe sama amplituudi, faasi ja sagedusega laine superpositsiooni tulemusena, mis levivad vastassuundades.

Seisulaine antisõlmede amplituud on võrdne iga laine kahekordse amplituudiga. Kuna laine intensiivsus on võrdeline selle amplituudi ruuduga, tähendab see, et intensiivsus antisõlmedes on 4 korda suurem kui kummagi laine intensiivsus või 2 korda suurem kui kahe laine koguintensiivsus. Siin ei ole energia jäävuse seadust rikutud, kuna intensiivsus sõlmedes on null.

lööb.

Võimalik on ka erineva sagedusega harmooniliste lainete interferents. Kui kaks sagedust erinevad vähe, tekivad nn löögid. Löökid on heli amplituudi muutused, mis tekivad sagedusel, mis on võrdne algsageduste erinevusega. Joonisel fig. 14 näitab löögi lainekuju.

Tuleb meeles pidada, et löögisagedus on heli amplituudmodulatsiooni sagedus. Samuti ei tohiks lööke segi ajada harmoonilise signaali moonutusest tuleneva sageduse erinevusega.

Kahe tooni kooshäälestamisel kasutatakse sageli lööke. Sagedust reguleeritakse seni, kuni lööki pole enam kuulda. Isegi kui löögisagedus on väga madal, suudab inimkõrv tajuda helitugevuse perioodilist tõusu ja langust. Seetõttu on löögid helivahemikus väga tundlik häälestusmeetod. Kui seadistus pole täpne, saab sageduse erinevust määrata kõrva järgi, lugedes löökide arvu ühes sekundis. Muusikas tajutakse kõrgemate harmooniliste komponentide lööke ka kõrvaga, mida kasutatakse klaveri häälestamisel.

Helilainete neeldumine.

Helilainete intensiivsus nende levimisprotsessis väheneb alati tänu sellele, et teatud osa akustilisest energiast on hajutatud. Soojusülekande, molekulidevahelise interaktsiooni ja sisemise hõõrdumise protsesside tõttu neelduvad helilained mis tahes keskkonnas. Neeldumise intensiivsus sõltub helilaine sagedusest ja muudest teguritest, nagu keskkonna rõhk ja temperatuur.

Laine neeldumist keskkonnas iseloomustab kvantitatiivselt neeldumistegur a. See näitab, kui kiiresti ülerõhk väheneb sõltuvalt leviva laine läbitud vahemaast. Ülerõhu amplituud –D P e distantsi D läbimisel X võrdeline algse ülerõhu amplituudiga P e ja kaugus D X. Sellel viisil,

-D P e = ahv D x.

Näiteks kui ütleme, et neeldumiskadu on 1 dB/m, tähendab see, et 50 m kaugusel väheneb helirõhutase 50 dB võrra.

Sisehõõrdumisest ja soojusjuhtivusest tingitud neeldumine.

Helilaine levimisega seotud osakeste liikumise ajal on hõõrdumine keskkonna erinevate osakeste vahel vältimatu. Vedelikes ja gaasides nimetatakse seda hõõrdumist viskoossuseks. Viskoossus, mis määrab akustilise laine energia pöördumatu muundamise soojuseks, on peamine põhjus heli neeldumisel gaasides ja vedelikes.

Lisaks on gaaside ja vedelike neeldumine tingitud soojuskadudest laines kokkusurumisel. Oleme juba öelnud, et laine läbimise ajal soojeneb kompressioonifaasis olev gaas. Selles kiiresti voolavas protsessis ei ole soojusel tavaliselt aega gaasi teistesse piirkondadesse või anuma seintesse ülekandmiseks. Kuid tegelikult pole see protsess ideaalne ja osa vabanenud soojusenergiast lahkub süsteemist. Sellega on seotud soojusjuhtivuse tõttu heli neeldumine. Selline neeldumine toimub gaaside, vedelike ja tahkete ainete survelainetes.

Nii viskoossusest kui ka soojusjuhtivusest tingitud heli neeldumine suureneb üldiselt sageduse ruuduga. Seega neelduvad kõrgsagedushelid palju tugevamini kui madala sagedusega helid. Näiteks normaalrõhul ja -temperatuuril on neeldumistegur (mõlema mehhanismi tõttu) sagedusel 5 kHz õhus umbes 3 dB/km. Kuna neeldumine on võrdeline sageduse ruuduga, on neeldumistegur 50 kHz juures 300 dB/km.

Imendumine tahketes ainetes.

Soojusjuhtivusest ja viskoossusest tulenev helineeldumise mehhanism, mis toimub gaasides ja vedelikes, säilib ka tahkes. Siin aga lisanduvad sellele uued neeldumismehhanismid. Neid seostatakse tahkete ainete struktuuri defektidega. Asi on selles, et polükristallilised tahked materjalid koosnevad väikestest kristalliitidest; kui heli neid läbib, tekivad deformatsioonid, mis põhjustavad helienergia neeldumist. Heli on hajutatud ka kristalliitide piiridel. Lisaks sisaldavad isegi monokristallid dislokatsiooni tüüpi defekte, mis aitavad kaasa heli neeldumisele. Dislokatsioonid on aatomitasandite koordineerimise rikkumised. Kui helilaine paneb aatomid vibreerima, liiguvad dislokatsioonid ja naasevad seejärel oma algasendisse, hajutades energiat sisemise hõõrdumise tõttu.

Dislokatsioonidest tingitud neeldumine selgitab eelkõige seda, miks pliikell ei helise. Plii on pehme metall, millel on palju nihestusi ja seetõttu lagunevad selles sisalduvad helivibratsioonid ülikiiresti. Kuid see heliseb hästi, kui seda jahutada vedela õhuga. Madalatel temperatuuridel on nihestused "külmunud" fikseeritud asendis ning seetõttu ei liigu ega muuda helienergiat soojuseks.

MUUSIKAKUSTIKA

Muusikalised helid.

Muusikaakustika uurib muusikahelide tunnuseid, nende tajumisega seotud omadusi ja muusikariistade kõlamehhanisme.

Muusikaline heli ehk toon on perioodiline heli, s.o. kõikumised, mis korduvad teatud perioodi järel ikka ja jälle. Eespool öeldi, et perioodilist heli saab esitada võnkumiste summana, mille sagedused on põhisageduse kordsed. f: 2f, 3f, 4f jne. Samuti märgiti, et vibreerivad keeled ja õhusambad eraldavad muusikalisi helisid.

Muusikalisi helisid eristab kolm omadust: valjus, helikõrgus ja tämber. Kõik need näitajad on subjektiivsed, kuid neid saab seostada mõõdetud väärtustega. Valjus on seotud peamiselt heli intensiivsusega; heli kõrgus, mis iseloomustab selle asukohta muusikasüsteemis, määratakse tooni sagedusega; tämbrit, mille poolest üks instrument või hääl teisest erineb, iseloomustab energia jaotus harmooniliste vahel ja selle jaotuse muutumine ajas.

Helikõrgus.

Muusikalise heli kõrgus on sagedusega tihedalt seotud, kuid mitte sellega identne, kuna kõrguse hindamine on subjektiivne.

Näiteks leiti, et ühesagedusliku heli kõrguse hinnang sõltub mõnevõrra selle helitugevuse tasemest. Helitugevuse olulise suurenemisega, näiteks 40 dB, võib näiv sagedus väheneda 10%. Praktikas ei oma see sõltuvus valjust, kuna muusikahelid on palju keerulisemad kui ühesageduslikud helid.

Kõnekõrguse ja sageduse vahekorra küsimuses on olulisem midagi muud: kui muusikalised helid koosnevad harmoonilistest, siis millise sagedusega seostatakse tajutavat helikõrgust? Selgub, et see ei pruugi olla sagedus, mis vastab maksimaalsele energiale, ja mitte spektri madalaim sagedus. Nii näiteks tajutakse muusikalist heli, mis koosneb 200, 300, 400 ja 500 Hz sageduste komplektist, helina, mille kõrgus on 100 Hz. See tähendab, et helikõrgus on seotud harmoonilise jada põhisagedusega, isegi kui see ei kuulu heli spektrisse. Tõsi, enamasti on põhisagedus mingil määral spektris olemas.

Kõrguse ja selle sageduse suhetest rääkides ei tohiks unustada inimese kuulmisorgani iseärasusi. See on spetsiaalne akustiline vastuvõtja, mis toob sisse omad moonutused (rääkimata sellest, et kuulmisel on psühholoogilised ja subjektiivsed aspektid). Kõrv on võimeline valima mõningaid sagedusi, lisaks läbib helilaine selles mittelineaarseid moonutusi. Sageduse selektiivsus tuleneb heli valjuse ja selle intensiivsuse erinevusest (joonis 9). Keerulisem on seletada mittelineaarseid moonutusi, mis väljenduvad algses signaalis puuduvate sageduste ilmnemises. Kõrva reaktsiooni mittelineaarsus on tingitud selle erinevate elementide liikumise asümmeetriast.

Mittelineaarse vastuvõtusüsteemi üks iseloomulikke tunnuseid on see, kui seda ergastatakse sagedusega heliga f 1 selles erutuvad harmoonilised ülemtoonid 2 f 1 , 3f 1 ,... ja mõnel juhul ka 1/2 tüüpi alamharmoonikud füks . Lisaks, kui mittelineaarset süsteemi ergastatakse kahe sagedusega f 1 ja f 2, on selles erutatud summa ja vahe sagedused f 1 + f 2 ja f 1 - f 2. Mida suurem on algvõnkumiste amplituud, seda suurem on "lisa" sageduste panus.

Seega võivad kõrva akustiliste omaduste mittelineaarsuse tõttu ilmneda sagedused, mis helis puuduvad. Selliseid sagedusi nimetatakse subjektiivseteks toonideks. Oletame, et heli koosneb puhastest toonidest sagedustega 200 ja 250 Hz. Reaktsiooni mittelineaarsuse tõttu tekivad lisasagedused 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 Hz jne. Kuulajale tundub, et helis on terve rida kombineeritud sagedusi, kuid nende välimus on tegelikult tingitud kõrva mittelineaarsest reaktsioonist. Kui muusikaline heli koosneb põhisagedusest ja selle harmoonilistest, on ilmne, et põhisagedust võimendavad sageduste erinevused tõhusalt.

Tõsi, uuringud on näidanud, et subjektiivsed sagedused tekivad ainult algsignaali piisavalt suure amplituudi korral. Seetõttu on võimalik, et varem oli subjektiivsete sageduste roll muusikas tugevalt liialdatud.

Muusikalised standardid ja muusikalise heli kõrguse mõõtmine.

Muusikaajaloos võeti põhitooniks erineva sagedusega helid, mis määrab kogu muusikalise struktuuri. Nüüd on esimese oktaavi noodi "la" üldtunnustatud sagedus 440 Hz. Kuid varem on see muutunud 400-lt 462 Hz-le.

Traditsiooniline viis heli kõrguse määramiseks on võrrelda seda tavalise hääletuskahvli tooniga. Antud heli sageduse kõrvalekallet standardist hinnatakse löökide olemasolu järgi. Häälestushargid on endiselt kasutusel, kuigi nüüd on helikõrguse määramiseks mugavamad seadmed, näiteks stabiilne sageduse referentsostsillaator (kvartsresonaatoriga), mida saab sujuvalt häälestada kogu helivahemiku piires. Tõsi, sellise seadme täpne kalibreerimine on üsna keeruline.

Laialdaselt kasutatakse stroboskoopilist helikõrguse mõõtmise meetodit, mille puhul muusikainstrumendi heli määrab strobolampi välkude sageduse. Lamp valgustab mustrit kettal, mis pöörleb teadaoleva sagedusega ja mustri näiv liikumise sagedus kettal stroboskoopilise valgustuse all määrab tooni põhisageduse.

Kõrv on helikõrguse muutuse suhtes väga tundlik, kuid selle tundlikkus sõltub sagedusest. See on maksimaalne kuuldavuse alumise läve lähedal. Isegi treenimata kõrv suudab tuvastada vaid 0,3% sageduste erinevust vahemikus 500–5000 Hz. Tundlikkust saab treeninguga tõsta. Muusikutel on väga arenenud helikõrguse tunnetus, kuid see ei aita alati määrata referentsostsillaatori poolt tekitatud puhta tooni sagedust. See viitab sellele, et heli sageduse määramisel kõrva järgi on selle tämbril oluline roll.

Tämber.

Tämber viitab muusikahelide nendele tunnustele, mis annavad muusikariistadele ja häältele nende ainulaadse eripära, isegi kui võrrelda sama kõrguse ja valjusega helisid. See on nii-öelda helikvaliteet.

Tämber sõltub heli sagedusspektrist ja selle muutumisest ajas. Selle määravad mitmed tegurid: energia jaotus ülemtoonide vahel, heli ilmumise või katkemise hetkel esinevad sagedused (nn üleminekutoonid) ja nende vaibumine, samuti heli aeglane amplituud ja sagedusmodulatsioon. (“vibrato”).

ülemtoonide intensiivsus.

Mõelge venitatud nöörile, mida ergastab näputäis selle keskosas (joonis 15, a). Kuna kõigil paarisharmoonilistel on sõlmed keskel, siis need puuduvad ja võnkumised koosnevad paaritutest harmoonilistest, mille põhisagedus on võrdne f 1 = v/2l, kus v- laine kiirus stringis ja l on selle pikkus. Seega on kohal ainult sagedused f 1 , 3f 1 , 5f 1 jne. Nende harmooniliste suhtelised amplituudid on näidatud joonistel fig. viisteist, b.

See näide võimaldab meil teha järgmise olulise üldise järelduse. Resonantssüsteemi harmooniliste hulga määrab selle konfiguratsioon ja energia jaotus harmooniliste vahel sõltub ergastusmeetodist. Kui string on selle keskel ergastatud, domineerib põhisagedus ja ühtlased harmoonilised surutakse täielikult alla. Kui keel on fikseeritud oma keskosas ja kitkuda mõnes teises kohas, siis põhisagedus ja paaritu harmoonilised summutatakse.

Kõik see kehtib ka teiste tuntud muusikariistade kohta, kuigi detailid võivad olla väga erinevad. Instrumentidel on tavaliselt heli väljastamiseks õhuõõnsus, kõlalaud või sarv. Kõik see määrab ülemtoonide struktuuri ja formantide välimuse.

Formantid.

Nagu eespool mainitud, sõltub muusikariistade helikvaliteet energia jaotusest harmooniliste vahel. Paljude instrumentide ja eriti inimhääle kõrguse muutmisel muutub harmooniliste jaotus nii, et peamised ülemhelid paiknevad alati ligikaudu samas sagedusvahemikus, mida nimetatakse formandivahemikuks. Formantide olemasolu üheks põhjuseks on resonantselementide, näiteks kõlalaudade ja õhuresonaatorite kasutamine heli võimendamiseks. Looduslike resonantside laius on tavaliselt suur, tänu millele on kiirgusefektiivsus vastavatel sagedustel suurem. Vaskpuhkpillide puhul määrab formandid kella järgi, millest heli välja tuleb. Formandlisse vahemikku jäävad ülemtoonid on alati tugevalt esile tõstetud, kuna need kiirguvad maksimaalse energiaga. Formantid määravad suuresti ära muusikainstrumendi või hääle helide iseloomulikud kvalitatiivsed tunnused.

Aja jooksul muutuvad toonid.

Ühegi pilli helitoon jääb harva aja jooksul muutumatuks ja tämber on sellega sisuliselt seotud. Isegi kui instrument säilitab pikka nooti, ​​toimub sageduse ja amplituudi kerge perioodiline modulatsioon, mis rikastab heli – "vibrato". See kehtib eriti keelpillide, näiteks viiuli ja inimhääle kohta.

Paljude pillide, näiteks klaveri puhul on heli kestus selline, et konstantsel toonil ei ole aega moodustuda – ergastatud heli tõuseb kiiresti ja siis järgneb selle kiire vaibumine. Kuna ülemtoonide vaibumine on tavaliselt tingitud sagedusest sõltuvatest mõjudest (näiteks akustiline kiirgus), on selge, et ülemtoonide jaotus muutub tooni käigus.

Mõne instrumendi tooni muutumise olemus ajas (heli tõusu ja languse kiirus) on skemaatiliselt näidatud joonisel fig. 18. Nagu näete, pole keelpillidel (plitsi- ja klahvpillidel) peaaegu mingit püsivat tooni. Sellistel juhtudel saab ülemtoonide spektrist rääkida ainult tinglikult, kuna heli muutub ajas kiiresti. Tõusu- ja langusomadused on samuti nende pillide tämbri oluline osa.

üleminekutoonid.

Tooni harmooniline koosseis muutub tavaliselt lühikese aja jooksul pärast heli ergastamist kiiresti. Nendes pillides, mille heli ergastab keelpillide löömine või kitkumine, on kõrgematele harmoonilistele (nagu ka paljudele mitteharmoonilistele komponentidele) omistatav energia maksimaalne kohe pärast heli algust ja sekundi murdosa pärast on need sagedused maksimaalne. tuhmuma. Sellised helid, mida nimetatakse üleminekuteks, annavad instrumendi kõlale spetsiifilise värvingu. Klaveril on need põhjustatud nöörile lööva haamri tegevusest. Mõnikord saab ühesuguse ülemhelistruktuuriga muusikainstrumente eristada vaid üleminekutoonide järgi.

MUUSIKARIISTADE HELI

Muusikalisi helisid saab erutada ja muuta mitmel viisil ning seetõttu eristuvad muusikariistad erinevate vormide poolest. Pille lõid ja täiustasid enamasti muusikud ise ja vilunud käsitöölised, kes ei kasutanud teaduslikku teooriat. Seetõttu ei oska akustikateadus seletada näiteks seda, miks viiulil selline kuju on. Küll aga on täiesti võimalik kirjeldada viiuli kõlaomadusi selle mängu üldiste põhimõtete ja ehituse kaudu.

Instrumendi sagedusala all mõistetakse tavaliselt selle põhitoonide sagedusvahemikku. Inimhääl katab umbes kaks oktaavi ja muusikainstrument - vähemalt kolm (suur orel - kümme). Enamasti ulatuvad ülemtoonid kuuldava helivahemiku päris servani.

Muusikariistadel on kolm põhiosa: võnkeelement, mehhanism selle ergastamiseks ja abiresonaator (sarv või kõlalaud) võnkuva elemendi ja ümbritseva õhu vaheliseks akustiliseks suhtluseks.

Muusikaline heli on ajas perioodiline ja perioodilised helid koosnevad harmooniliste seeriast. Kuna keelpillide ja fikseeritud pikkusega õhusammaste vibratsiooni omasagedused on harmooniliselt seotud, on paljudes instrumentides peamisteks vibreerivateks elementideks keeled ja õhusambad. Mõne erandiga (flööt on üks neist) ei saa pillidele võtta ühesageduslikku heli. Kui põhivibraator on erutatud, tekib ülemtoone sisaldav heli. Mõned vibraatorite resonantssagedused ei ole harmoonilised komponendid. Selliseid instrumente (näiteks trumme ja taldrikut) kasutatakse orkestrimuusikas erilise väljendusrikkuse ja rütmi rõhutamiseks, kuid mitte meloodia arendamiseks.

Keelpillid.

Vibreeriv keel on iseenesest halb heli tekitaja ja seetõttu peab keelpillil olema lisaresonaator, et ergutada märgatava intensiivsusega heli. See võib olla suletud õhuhulk, tekk või mõlema kombinatsioon. Pilli kõla iseloomu määrab ka keelpillide erutusviis.

Varem nägime, et fikseeritud pikkusega stringi võnke põhisagedus L on antud

kus T on nööri tõmbejõud ja r L on stringi mass pikkuseühiku kohta. Seetõttu saame sagedust muuta kolmel viisil: muutes pikkust, pinget või massi. Paljud pillid kasutavad vähest sama pikkusega keeli, mille põhisagedused on määratud õige pinge ja massi valikuga. Muud sagedused saadakse nööri pikkust sõrmedega lühendades.

Teistel pillidel, näiteks klaveril, on iga noodi jaoks üks paljudest eelhäälestatud keeltest. Suure sagedusalaga klaveri häälestamine ei ole lihtne ülesanne, eriti madala sagedusega piirkonnas. Kõigi klaverikeelte pingejõud on peaaegu sama (umbes 2 kN) ning sageduste mitmekesisus saavutatakse keelte pikkuse ja paksuse muutmisega.

Keelpilli saab ergutada plikaga (näiteks harfil või bandžol), löögiga (klaveril) või poognaga (viiulipere muusikariistade puhul). Kõigil juhtudel, nagu ülal näidatud, sõltub harmooniliste arv ja nende amplituud stringi ergastamise viisist.

klaver.

Tüüpiline näide instrumendist, kus keele ergutus tekib löögiga, on pianoforte. Pilli suur kõlalaud pakub laia valikut formante, mistõttu on selle tämber iga põnevil noodi jaoks väga ühtlane. Peamiste formantide maksimumid esinevad sagedustel suurusjärgus 400–500 Hz ja madalamatel sagedustel on toonid eriti harmooniliste rikkad ning põhisageduse amplituud on väiksem kui mõnel ülemhelil. Klaveril langeb haamri löök kõigile, välja arvatud lühimatele keeltele, punkti, mis asub 1/7 keele pikkusest selle ühest otsast. Tavaliselt seletatakse seda asjaoluga, et sel juhul surutakse oluliselt alla seitsmes harmooniline, mis on põhisageduse suhtes dissonantne. Kuid malleuse piiratud laiuse tõttu on ka teised seitsmenda lähedal asuvad harmoonilised summutatud.

Viiuli perekond.

Viiuli pillide perekonnas toodab pikki noote poognaga, mis rakendab keelele muutuvat liikumapanevat jõudu, et keel püsiks vibreerimas. Liikuva vibu toimel tõmmatakse nöör hõõrdumise tõttu küljele, kuni see pingejõu suurenemise tõttu katkeb. Algsesse asendisse naastes kannab see jälle vibu. Seda protsessi korratakse nii, et stringile mõjub perioodiline välisjõud.

Suuruse suurenemise ja sagedusvahemiku kahanemise järjekorras on põhilised poogenkeelpillid järjestatud järgmiselt: viiul, vioola, tšello, kontrabass. Nende pillide sagedusspektrid on eriti rikkad ülemtoonide poolest, mis kahtlemata annab nende kõlale erilise soojuse ja väljendusrikkuse. Viiuliperekonnas on vibreeriv keel akustiliselt ühendatud õhuõõne ja pilli korpusega, mis määravad peamiselt formantide struktuuri, mis hõivavad väga laia sagedusvahemiku. Viiuliperekonna suurtel esindajatel on formantide komplekt nihkunud madalate sageduste poole. Seetõttu omandab kahele viiuliperekonna pillile võetud sama noot ülemtoonide struktuuri erinevuse tõttu erineva tämbrivärvingu.

Viiulil on selle korpuse kuju tõttu tugev resonants sagedusel 500 Hz. Kui esitatakse nooti, ​​mille sagedus on sellele väärtusele lähedane, võib tekkida soovimatu vibreeriv heli, mida nimetatakse "hunditooniks". Ka viiuli korpuse sees olevas õhuõõnes on oma resonantssagedused, millest peamine asub 400 Hz lähedal. Oma erilise kuju tõttu on viiulil arvukalt tihedalt asetsevaid resonantse. Kõik need, välja arvatud hunditoon, ei paista väljavõetud heli üldises spektris eriti silma.

Puhkpillid.

Puupuhkpillid.

Õhu loomulikest vibratsioonidest piiratud pikkusega silindrilises torus oli juttu varem. Omasagedused moodustavad harmooniliste jada, mille põhisagedus on pöördvõrdeline toru pikkusega. Muusikalised helid puhkpillides tekivad õhusamba resonantsergastuse tõttu.

Õhuvibratsiooni ergastab kas resonaatori seina teravale servale langeva õhujoa vibratsioon või õhuvoolus oleva keele painduva pinna vibratsioon. Mõlemal juhul toimuvad tööriista silindri lokaliseeritud piirkonnas perioodilised rõhumuutused.

Esimene neist ergutusmeetoditest põhineb "serva toonide" esinemisel. Kui pesast väljub õhuvool, mille purustab terava servaga kiilukujuline takistus, tekivad perioodiliselt keerised - esmalt ühel, seejärel teisel pool kiilu. Nende moodustumise sagedus on seda suurem, mida suurem on õhuvoolu kiirus. Kui selline seade on akustiliselt ühendatud resoneeriva õhusambaga, siis ääretooni sagedus “püüab” õhusamba resonantssageduse, s.o. keeriste tekkimise sageduse määrab õhusammas. Sellistes tingimustes ergastab õhusamba põhisagedus ainult siis, kui õhuvoolu kiirus ületab teatud miinimumväärtust. Teatud seda väärtust ületavate kiiruste vahemikus on ääretooni sagedus võrdne selle põhisagedusega. Veelgi suurema õhuvoolu kiiruse juures (lähedal sellele, mille juures resonaatoriga side puudumisel oleks servasagedus võrdne resonaatori teise harmoonilisega) kahekordistub servasagedus järsult ja kogu süsteemi poolt väljastatav helikõrgus pöördub. oktaavi võrra kõrgemaks. Seda nimetatakse ülevooluks.

Ääretoonid erutavad õhusambaid sellistes instrumentides nagu orel, flööt ja pikolo. Flöödi mängides ergastab esineja ääretoone, puhudes küljelt ühe otsa lähedal olevasse küljeauku. Ühe oktavi noodid, alates "D"-st ja üle selle, saadakse tünni efektiivse pikkuse muutmisel, avades külgmised augud, tavalise ääretooniga. Kõrgemad oktaavid on üle puhutud.

Teine viis puhkpilli heli ergastamiseks põhineb õhuvoolu perioodilisel katkestamisel võnkuva keelega, mida nimetatakse pillirooks, kuna see on valmistatud pilliroost. Seda meetodit kasutatakse erinevatel puu- ja vaskpuhkpillidel. Võimalusi on ühe pillirooga (nagu näiteks klarneti-, saksofoni- ja akordioni tüüpi pillidel) ja sümmeetrilise topeltrooga (nagu näiteks oboes ja fagottis). Mõlemal juhul on võnkeprotsess sama: õhku puhutakse läbi kitsa pilu, milles rõhk Bernoulli seaduse kohaselt väheneb. Samal ajal tõmmatakse kepp pilu sisse ja katab selle. Voolu puudumisel elastne kepp sirgub ja protsessi korratakse.

Puhkpillides toimub skaala nootide valimine, nagu flöödil, külgmiste aukude avamise ja ülepuhumisega.

Erinevalt mõlemast otsast avatud torust, millel on täielik ülemtoonide komplekt, on torul, mis on avatud ainult ühest otsast, ainult paaritu harmoonilised ( cm. eespool). See on klarneti konfiguratsioon ja seetõttu on isegi harmoonilised selles nõrgalt väljendunud. Klarnetis ülepuhumine toimub sagedusega, mis on 3 korda suurem kui põhi.

Oboes on teine ​​harmooniline üsna intensiivne. See erineb klarnetist selle poolest, et selle ava on koonilise kujuga, samas kui klarnetis on ava ristlõige suurema osa pikkusest konstantne. Koonilises tünnis on sagedusi keerulisem arvutada kui silindrilises torus, kuid seal on siiski täielik ülemtoonide vahemik. Sellisel juhul on suletud kitsa otsaga koonilise toru võnkesagedused samad, mis mõlemast otsast avatud silindrilisel torul.

Vaskpuhkpillid.

Messing, sealhulgas metsasarv, trompet, kornet-a-kolb, tromboon, metsasarv ja tuuba, on erutatud huulte poolt, mille tegevus on koos spetsiaalse kujuga huulikuga sarnane kahekordse pilliroo omaga. Õhurõhk heli ergastamisel on siin palju suurem kui puupuhkpillidel. Vaskpuhkpillid on reeglina silindriliste ja kooniliste osadega metallist tünn, mis lõpeb kellaga. Sektsioonid valitakse nii, et oleks tagatud kogu harmooniliste vahemik. Tünni kogupikkus jääb vahemikku 1,8 m toru puhul kuni 5,5 m toru puhul. Tuba on teokujuline käsitsemise hõlbustamiseks, mitte akustilistel põhjustel.

Kindla pikkusega tünni puhul on esineja käsutuses vaid tünni loomulike sagedustega määratud noodid (pealegi põhisagedust tavaliselt “ei võeta”) ning kõrgemaid harmoonilisi ergutab huuliku õhurõhu tõus. . Seega saab fikseeritud pikkusega bugle'il mängida vaid mõnda nooti (teine, kolmas, neljas, kvint ja kuues harmooniline). Teistel vaskpuhkpillidel võetakse harmooniliste vahel olevad sagedused tünni pikkuse muutusega. Selles mõttes on ainulaadne tromboon, mille tünni pikkust reguleerib sissetõmmatavate U-kujuliste tiibade sujuv liikumine. Kogu skaala nootide loetlemist pakuvad tiibade seitse erinevat asendit koos tüve erutatud ülemtooni muutumisega. Teiste vaskpuhkpillide puhul saavutatakse see toru kogupikkuse efektiivse suurendamisega kolme erineva pikkusega külgkanaliga ja erinevates kombinatsioonides. See annab seitse erinevat tünni pikkust. Nagu trombooni puhul, kõlavad kogu skaala noodid erinevate ülemtoonide seeriate ergastamisel, mis vastavad neile seitsmele tüvepikkusele.

Kõikide vaskpillide toonid on harmooniliselt rikkad. See on peamiselt tingitud kella olemasolust, mis suurendab heliemissiooni efektiivsust kõrgetel sagedustel. Trompet ja metsasarv on loodud mängima palju laiemat harmooniat kui bugle. Soolotrompeti osa I. Bachi loomingus sisaldab mitmeid lõike sarja neljandas oktavis, ulatudes selle instrumendi 21. harmooniliseni.

Löökpillid.

Löökpillid tekitavad heli, lüües pilli keha ja ergutades seeläbi selle vabu vibratsioone. Klaverist, milles vibratsiooni ergastatakse ka löögiga, erinevad sellised pillid kahe poolest: vibreeriv keha ei anna harmoonilisi ülemtoone ning ta suudab ise heli väljastada ilma lisaresonaatorita. Löökpillide hulka kuuluvad trummid, taldrikud, ksülofon ja kolmnurk.

Tahkete ainete võnkumised on palju keerulisemad kui sama kujuga õhuresonaatori omad, kuna tahketes ainetes on võnkumisi rohkem. Seega võivad surve-, painutus- ja väändlained levida mööda metallvarda. Seetõttu on silindrilisel vardal palju rohkem vibratsioonirežiime ja seega ka resonantssagedusi kui silindrilisel õhusambal. Lisaks ei moodusta need resonantssagedused harmoonilist jada. Ksülofon kasutab tahkete vardade painutusvibratsiooni. Vibreeriva ksülofoni riba ülemtoonide suhted põhisagedusega on: 2,76, 5,4, 8,9 ja 13,3.

Häälestushark on võnkuv kaardus varras ja selle peamine võnketüüp tekib siis, kui mõlemad käed lähenevad samaaegselt üksteisele või eemalduvad üksteisest. Häänikul pole ülemtoonide harmoonilisi seeriaid ja kasutatakse ainult selle põhisagedust. Selle esimese ülemheli sagedus on rohkem kui 6 korda suurem kui põhisagedus.

Teine näide võnkuvast tahkest kehast, mis tekitab muusikalisi helisid, on kell. Kellade suurused võivad olla erinevad – väikesest kellast kuni mitmetonniste kirikukelladeni. Mida suurem on kell, seda madalamaid helisid see teeb. Kellade kuju ja muud omadused on nende sajanditepikkuse evolutsiooni käigus palju muutunud. Väga vähesed ettevõtted tegelevad nende valmistamisega, mis nõuab suuri oskusi.

Kella esialgne ülemtoonide seeria ei ole harmooniline ja ülemtoonide suhted ei ole erinevate kellade puhul samad. Näiteks ühe suure kella puhul olid ülemhelisageduste ja põhisageduse mõõdetud suhted 1,65, 2,10, 3,00, 3,54, 4,97 ja 5,33. Kuid energia jaotus ülemtoonide vahel muutub kiiresti pärast kella löömist ja kella kuju näib olevat valitud nii, et domineerivad sagedused on üksteisega seotud ligikaudu harmooniliselt. Kella helikõrguse määrab mitte põhisagedus, vaid noot, mis on domineeriv vahetult pärast lööki. See vastab ligikaudu kella viiendale ülemtoonile. Mõne aja pärast hakkavad kellahelis domineerima madalamad ülemtoonid.

Trumlis on vibreerivaks elemendiks nahkmembraan, tavaliselt ümmargune, mida võib pidada venitatud nööri kahemõõtmeliseks analoogiks. Muusikas ei ole trummel nii tähtis kui keel, sest selle loomulik omasageduste komplekt ei ole harmooniline. Erandiks on timpan, mille membraan on venitatud üle õhuresonaatori. Trummi ülemtoonide jada saab muuta harmooniliseks, muutes pea paksust radiaalsuunas. Sellise trummi näide on tabla kasutatakse India klassikalises muusikas.

Esineb gaasilises, vedelas ja tahkes keskkonnas, mida inimese kuulmisorganitesse jõudes tajuvad nad helina. Nende lainete sagedus jääb vahemikku 20 kuni 20 000 võnkumist sekundis. Anname helilaine valemid ja käsitleme selle omadusi üksikasjalikumalt.

Miks helilaine ilmub?

Paljud inimesed mõtlevad, mis on helilaine. Heli olemus seisneb häirete esinemises elastses keskkonnas. Näiteks kui teatud õhuhulga korral tekib survehäire, kipub see piirkond ruumis levima. See protsess viib õhu kokkusurumiseni allikaga külgnevatel aladel, mis samuti kipuvad laienema. See protsess hõlmab üha suuremat osa ruumist, kuni see jõuab mõne vastuvõtjani, näiteks inimese kõrva.

Helilainete üldised omadused

Mõelge küsimustele, mis on helilaine ja kuidas seda inimkõrv tajub. Helilaine on pikisuunaline, kui see siseneb kõrvakarpi, paneb see trummikile teatud sageduse ja amplituudiga vibreerima. Neid kõikumisi saate kujutada ka perioodiliste rõhumuutustena membraaniga külgneva õhu mikromahus. Esiteks suureneb see normaalse atmosfäärirõhu suhtes ja seejärel väheneb, järgides harmoonilise liikumise matemaatilisi seadusi. Õhu kokkusurumise muutuste amplituud, st helilaine tekitatud maksimaalse või minimaalse rõhu erinevus atmosfäärirõhuga on võrdeline helilaine enda amplituudiga.

Paljud füüsikalised katsed on näidanud, et maksimaalne rõhk, mida inimkõrv suudab tajuda ilma seda kahjustamata, on 2800 µN/cm 2 . Võrdluseks oletame, et atmosfäärirõhk maapinna lähedal on 10 miljonit µN/cm 2 . Arvestades rõhu ja võnkumiste amplituudi proportsionaalsust, võib öelda, et viimane väärtus on ebaoluline isegi kõige tugevamate lainete puhul. Kui räägime helilaine pikkusest, siis sagedusel 1000 vibratsiooni sekundis on see sentimeetri tuhandik.

Kõige nõrgemad helid tekitavad rõhukõikumisi suurusjärgus 0,001 μN / cm 2, lainevõnkumiste vastav amplituud sagedusel 1000 Hz on 10 -9 cm, samas kui õhumolekulide keskmine läbimõõt on 10 -8 cm, see tähendab, inimese kõrv on äärmiselt tundlik organ.

Helilainete intensiivsuse mõiste

Geomeetrilisest vaatenurgast on helilaine teatud vormis vibratsioon, kuid füüsikalisest vaatenurgast on helilainete peamine omadus nende võime energiat üle kanda. Laineenergia ülekande olulisim näide on päike, mille kiiratavad elektromagnetlained annavad energiat kogu meie planeedile.

Helilaine intensiivsus on füüsikas defineeritud kui energia hulk, mida laine kannab läbi ühikpinna, mis on laine levimisega risti, ja ajaühikus. Lühidalt öeldes on laine intensiivsus selle pindalaühiku kaudu üle kantud võimsus.

Helilainete tugevust mõõdetakse tavaliselt detsibellides, mis põhinevad logaritmilisel skaalal, mis on mugav tulemuste praktiliseks analüüsiks.

Erinevate helide intensiivsus

Järgmine detsibellide skaala annab aimu eri tähendusest ja selle tekitatud tunnetest:

• ebameeldivate ja ebamugavate aistingute lävi algab 120 detsibellist (dB);
• neetimishaamer tekitab 95 dB müra;
• kiirrong - 90 dB;
• tiheda liiklusega tänav - 70 dB;
• tavalise inimestevahelise vestluse helitugevus - 65 dB;
• mõõdukal kiirusel liikuv kaasaegne auto tekitab 50 dB müra;
• raadio keskmine helitugevus - 40 dB;
• vaikne vestlus - 20 dB;
• puu lehestiku müra - 10 dB;
• inimese helitundlikkuse minimaalne lävi on 0 dB lähedal.

Inimkõrva tundlikkus sõltub heli sagedusest ja on maksimaalne väärtus helilainete puhul sagedusega 2000-3000 Hz. Selle sagedusvahemiku heli puhul on inimese tundlikkuse alumine lävi 10–5 dB. Määratud intervallist kõrgemad ja madalamad sagedused toovad kaasa madalama tundlikkusläve tõusu selliselt, et inimene kuuleb 20 Hz ja 20 000 Hz lähedasi sagedusi vaid nende mitmekümne dB intensiivsusega.

Mis puudutab ülemist intensiivsuse läve, pärast mida hakkab heli tekitama inimesele ebamugavusi ja isegi valu, siis tuleb öelda, et see praktiliselt ei sõltu sagedusest ja jääb vahemikku 110-130 dB.

Helilaine geomeetrilised omadused

Tõeline helilaine on keeruline pikilainete võnkepakett, mida saab lagundada lihtsateks harmoonilisteks võnkudeks. Iga sellist võnkumist kirjeldatakse geomeetrilisest vaatepunktist järgmiste omadustega:

1. Amplituud – laine iga lõigu maksimaalne kõrvalekalle tasakaalust. See väärtus on tähistatud A.
2. Periood. See on aeg, mis kulub lihtsal lainel oma täieliku võnkumise lõpuleviimiseks. Selle aja möödudes hakkab iga laine punkt kordama oma võnkeprotsessi. Perioodi tähistatakse tavaliselt tähega T ja seda mõõdetakse SI-süsteemis sekundites.
3. Sagedus. See on füüsikaline suurus, mis näitab, kui palju võnkeid antud laine sekundis teeb. See tähendab, et oma tähenduses on see perioodile pöördväärtus. See on tähistatud f. Helilaine sageduse jaoks on selle määramise valem perioodi järgi järgmine: f = 1/T.
4. Lainepikkus on vahemaa, mille see läbib ühe võnkeperioodi jooksul. Geomeetriliselt on lainepikkus kaugus kahe lähima maksimumi või kahe lähima miinimumi vahel siinuskõveral. Helilaine võnkepikkus on kaugus lähimate õhu kokkusurumisalade või lähimate selle harvaesinemiskohtade vahel ruumis, kus laine liigub. Tavaliselt tähistatakse seda kreeka tähega λ.
5. Helilaine levimiskiirus on vahemaa, mille üle laine kokkusurumis- või harulduspiirkond levib ajaühikus. Seda väärtust tähistatakse tähega v. Helilaine kiiruse valem on järgmine: v = λ*f.

Puhta helilaine, see tähendab pideva puhtusega laine, geomeetria järgib sinusoidaalset seadust. Üldjuhul on helilaine valem: y = A*sin(ωt), kus y on laine antud punkti koordinaadi väärtus, t on aeg, ω = 2*pi*f on tsükliline võnkesagedus.

perioodiline heli

Perioodiliseks võib pidada paljusid heliallikaid, näiteks muusikariistade, nagu kitarr, klaver, flööt, heli, kuid looduses on ka suur hulk helisid, mis on aperioodilised, st helivõnked muudavad oma sagedust ja kuju. kosmoses. Tehniliselt nimetatakse sellist heli müraks. Aperioodilise heli ilmekateks näideteks on linnamüra, merekohin, löökpillidest, näiteks trumlist, kostuvad helid ja teised.

Heli levimise vahend

Erinevalt elektromagnetkiirgusest, mille footonid ei vaja levimiseks mingit materiaalset keskkonda, on heli olemus selline, et selle levimiseks on vaja kindlat keskkonda ehk füüsikaseaduste järgi ei saa helilained vaakumis levida.

Heli võib levida gaasides, vedelikes ja tahketes ainetes. Keskkonnas leviva helilaine peamised omadused on järgmised:

• laine levib lineaarselt;
• see levib homogeenses keskkonnas kõigis suundades võrdselt, see tähendab, et heli eraldub allikast, moodustades ideaalse sfäärilise pinna.
• sõltumata heli amplituudist ja sagedusest levivad selle lained antud keskkonnas sama kiirusega.

Helilainete kiirus erinevates meediumites

Heli levimise kiirus sõltub kahest peamisest tegurist: keskkonnast, milles laine liigub, ja temperatuurist. Üldiselt kehtib järgmine reegel: mida tihedam on keskkond ja mida kõrgem on selle temperatuur, seda kiiremini heli selles levib.

Näiteks helilaine levimiskiirus maapinna lähedal õhus temperatuuril 20 ℃ ja õhuniiskusel 50% on 1235 km/h ehk 343 m/s. Vees liigub heli antud temperatuuril 4,5 korda kiiremini ehk umbes 5735 km/h ehk 1600 m/s. Mis puudutab helikiiruse sõltuvust õhutemperatuurist, siis see suureneb 0,6 m / s, kui temperatuur tõuseb iga Celsiuse kraadi võrra.

Tämber ja toon

Kui keelpillil või metallplaadil lasta vabalt vibreerida, tekitab see erineva sagedusega helisid. Väga harva leitakse keha, mis kiirgaks ühe kindla sagedusega heli, tavaliselt on objekti helil teatud intervalli sageduste komplekt.

Heli tämbri määrab selles esinevate harmooniliste arv ja nende vastav intensiivsus. Tämber on subjektiivne väärtus, st see on konkreetse inimese tajumine kõlavast objektist. Tämbrit iseloomustavad tavaliselt järgmised omadussõnad: kõrge, särav, kõlav, meloodiline jne.

Toon on heliaisting, mis võimaldab selle liigitada kõrgeks või madalaks. See väärtus on samuti subjektiivne ja seda ei saa ühegi instrumendiga mõõta. Toon on seotud objektiivse suuruse - helilaine sagedusega, kuid nende vahel puudub ühemõtteline seos. Näiteks püsiva intensiivsusega ühesagedusliku heli puhul tõuseb toon sageduse kasvades. Kui heli sagedus jääb konstantseks ja selle intensiivsus suureneb, muutub toon madalamaks.

Heliallikate kuju

Vastavalt keha kujule, mis teostab mehaanilist vibratsiooni ja tekitab seeläbi laineid, on kolm peamist tüüpi:

1. punktallikas. See tekitab sfäärilise kujuga helilaineid, mis vaibuvad kiiresti kauguse tõttu allikast (umbes 6 dB, kui kaugust allikast kahekordistatakse).
2. liini allikas. See tekitab silindrilisi laineid, mille intensiivsus väheneb aeglasemalt kui punktallikast (iga kauguse allikast kahekordistumisel väheneb intensiivsus 3 dB võrra).
3. Lame või kahemõõtmeline allikas. See tekitab laineid ainult teatud suunas. Sellise allika näiteks oleks silindris liikuv kolb.

Elektroonilised heliallikad

Helilaine tekitamiseks kasutavad elektroonilised allikad spetsiaalset membraani (kõlarit), mis teostab elektromagnetilise induktsiooni nähtuse tõttu mehaanilisi vibratsioone. Sellised allikad on järgmised:

• erinevate plaatide (CD, DVD ja teised) mängijad;
• kassettmagnetofonid;
• raadiovastuvõtjad;
• telerid ja mõned teised.