שירת ציפורים, קול גשם ורוח, רעמים, מוזיקה - כל מה שאנו שומעים, אנו מחשיבים קול.

מנקודת מבט מדעית, קול הוא תופעה פיזיקלית, כלומר רעידות מכניות המתפשטות בתווך מוצק, נוזלי וגזי. הם מעוררים תחושות שמיעה.

איך נוצר גל קול?

לחץ על התמונה

כל הצלילים מתפשטים בצורה של גלים אלסטיים. וגלים מתעוררים תחת פעולת כוחות אלסטיים המופיעים כאשר הגוף מעוות. כוחות אלו נוטים להחזיר את הגוף למצבו המקורי. לדוגמה, מיתר מתוח במצב נייח אינו נשמע. אבל צריך רק לקחת אותו הצידה, שכן בהשפעת כוח הגמישות, הוא יטה לתפוס את עמדתו המקורית. רוטט, הוא הופך למקור צליל.

כל גוף מתנודד יכול להיות מקור קול, למשל לוח פלדה דקה קבועה בצד אחד, אוויר בכלי נשיפה, מיתרי קול אנושיים, פעמון וכו'.

מה קורה באוויר כשמתרחשת רטט?

כמו כל גז, לאוויר יש גמישות. הוא מתנגד לדחיסה ומתחיל מיד להתרחב כאשר הלחץ מופחת. זה מעביר באופן שווה כל לחץ עליו לכיוונים שונים.

אם אתה דוחס את האוויר בחדות בעזרת בוכנה, הלחץ יגדל מיד במקום הזה. הוא יועבר מיד לשכבות אוויר שכנות. הם יתכווצו, והלחץ בהם יגדל, ובשכבה הקודמת הוא יקטן. אז לאורך השרשרת, אזורים מתחלפים של לחץ גבוה ונמוך מועברים הלאה.

בסטייה לצדדים לסירוגין, המיתר הנשמע דוחס את האוויר, תחילה בכיוון אחד, ולאחר מכן בכיוון ההפוך. בכיוון שאליו סטה המיתר, הלחץ הופך גבוה מהלחץ האטמוספרי במידה מסוימת. בצד הנגדי, הלחץ יורד באותה כמות, מכיוון שהאוויר שם מוזל. דחיסה ונדירות יתחלפו ויתפשטו בכיוונים שונים, ויגרמו לתנודות אוויר. תנודות אלו נקראות גל קול . וההבדל בין לחץ אטמוספרי ללחץ בשכבת דחיסה או הרחקה של אוויר נקרא אֲקוּסְטִי, אוֹ לחץ קול.

לחץ על התמונה

גל קול מתפשט לא רק באוויר, אלא גם במדיה נוזלית ומוצקה. לדוגמה, מים הם מוליך צליל מצוין. אנו שומעים את פגיעתו של סלע מתחת למים. רעש המדחפים של ספינת שטח קולט את האקוסטיקה של הצוללת. אם נניח שעון יד על קצה אחד של לוח עץ, אז, כאשר שמים את האוזן שלנו בקצה הנגדי של הלוח, נשמע אותו מתקתק.

האם הצלילים יהיו שונים בוואקום? הפיזיקאי, הכימאי והתיאולוג האנגלי רוברט בויל, שחי במאה ה-17, הציב שעון בכלי זכוכית, שממנו נשאב האוויר. הוא לא שמע את תקתוק השעון. המשמעות היא שגלי קול אינם מתפשטים בחלל חסר אוויר.

מאפייני גלי קול

צורת רעידות הקול תלויה במקור הקול. לתנודות אחידות או הרמוניות יש את הצורה הפשוטה ביותר. הם יכולים להיות מיוצגים כסינוסואיד. תנודות כאלה מאופיינות באמפליטודה, אורך גל ותדירות התפשטות של תנודות.

אמפליטודה

אמפליטודה במקרה הכללי, הסטייה המקסימלית של הגוף ממצב שיווי המשקל נקראת.

מכיוון שגל קול מורכב מאזורים מתחלפים של לחץ גבוה ונמוך, הוא נחשב לעתים קרובות כתהליך של התפשטות של תנודות לחץ. לכן הם מדברים על משרעת לחץ אוויר בגל.

עוצמת הצליל תלויה באמפליטודה. ככל שהוא גדול יותר, כך הצליל חזק יותר.

לכל צליל של דיבור אנושי יש צורה של רעידות, המיוחדות רק לו. לפיכך, צורת התנודות של הצליל "א" שונה מצורת התנודות של הצליל "ב".

תדירות גל ותקופה

מספר הרעידות בשנייה נקרא תדר גל .

f = 1/T

איפה ט היא תקופת התנודה. זהו משך הזמן שלוקח לתנודה שלמה אחת להתרחש.

ככל שהתקופה ארוכה יותר, התדירות נמוכה יותר ולהיפך.

יחידת התדירות במערכת המדידה הבינלאומית SI היא הרץ (הרץ). 1 הרץ הוא תנודה אחת לשנייה.

1 הרץ = 1 s-1.

לדוגמה, תדר של 10 הרץ אומר 10 תנודות בשנייה אחת.

1000 הרץ = 1 קילו-הרץ

הגובה תלוי בתדר הרטט. ככל שהתדר גבוה יותר, כך הטון של הצליל גבוה יותר.

האוזן האנושית אינה מסוגלת לקלוט את כל גלי הקול, אלא רק את אלו שיש להם תדר של 16 עד 20,000 הרץ. גלים אלו נחשבים לגלי קול. גלים שתדירותם נמוכה מ-16 הרץ נקראים אינפרסאונד, ואלה שמעל 20,000 הרץ נקראים אולטרסאונד.

אדם אינו קולט לא גלים אינפראסוניים או קוליים. אבל בעלי חיים וציפורים יכולים לשמוע אולטרסאונד. לדוגמה, פרפר רגיל מבחין בצלילים בעלי תדר של 8,000 עד 160,000 הרץ. הטווח הנתפס על ידי דולפינים הוא אפילו רחב יותר, הוא נע בין 40 ל-200 אלף הרץ.

אֹרֶך גַל

אֹרֶך גַל קוראים למרחק בין שתי נקודות הקרובות ביותר של גל הרמוני שנמצאות באותו שלב, למשל, בין שתי פסגות. מעוצב כמו ƛ .

בזמן השווה לתקופה אחת, גל עובר מרחק השווה לאורכו.

מהירות התפשטות הגלים

v = ƛ /T

כי T = 1/f

לאחר מכן v = ƛ f

מהירות קול

ניסיונות לקבוע את מהירות הקול בעזרת ניסויים נעשו במחצית הראשונה של המאה ה-17. הפילוסוף האנגלי פרנסיס בייקון, בעבודתו The New Organon, הציע דרך משלו לפתור בעיה זו, בהתבסס על ההבדל במהירויות האור והקול.

ידוע שמהירות האור גבוהה בהרבה ממהירות הקול. לכן בזמן סופת רעמים אנחנו רואים תחילה הבזק של ברק ורק אחר כך שומעים רעמים. לדעת את המרחק בין מקור האור והקול למתבונן, כמו גם את הזמן בין הבזק האור לצליל, ניתן לחשב את מהירות הקול.

הרעיון של בייקון שימש את המדען הצרפתי מרין מרסן. משקיף במרחק מה מהאיש שיורה את המוסקטה תיעד את הזמן שחלף מהבזק האור ועד לקול הירייה. ואז המרחק חולק בזמן כדי לקבל את מהירות הקול. לפי תוצאות הניסוי, המהירות הייתה שווה ל-448 מ"ש. זו הייתה הערכה גסה.

בתחילת המאה ה-19, קבוצה של מדענים מהאקדמיה למדעים של פריז חזרה על החוויה הזו. לפי החישובים שלהם, מהירות האור הייתה 350-390 מ"ש. אבל גם הנתון הזה לא היה מדויק.

תיאורטית, ניוטון ניסה לחשב את מהירות האור. הוא ביסס את חישוביו על חוק בויל-מריוט, שתיאר את התנהגות הגז ב איזותרמית תהליך (בטמפרטורה קבועה). וזה קורה כאשר נפח הגז משתנה לאט מאוד, ומצליח לתת לסביבה את החום המתרחש בה.

ניוטון גם הניח שבין אזורי הדחיסה והנדירה, הטמפרטורה מתפלסת במהירות. אבל תנאים אלה אינם קיימים בגל קול. אוויר לא מוליך חום טוב, והמרחק בין שכבות הדחיסה וההרחקה גדול. לחום משכבת ​​הדחיסה אין זמן לעבור לשכבת הנדיר. ויש הבדל טמפרטורה ביניהם. לכן, החישובים של ניוטון התבררו כשגויים. הם נתנו נתון של 280 מ' לשנייה.

המדען הצרפתי לפלס הצליח להסביר שהטעות של ניוטון הייתה שגל קול מתפשט באוויר ב אדיאבטי תנאים בטמפרטורות משתנות. לפי החישובים של לפלס, מהירות הקול באוויר בטמפרטורה של 0 o C היא 331.5 מ'/שניה. יתר על כן, זה עולה עם עליית הטמפרטורה. וכשהטמפרטורה תעלה ל-20 מעלות צלזיוס, היא כבר תהיה שווה ל-344 מ' לשנייה.

גלי קול נעים במהירויות שונות במדיות שונות.

עבור גזים ונוזלים, מהירות הקול מחושבת על ידי הנוסחה:

איפה עם -מהירות קול,

β - דחיסה אדיאבטית של המדיום,

ρ - צפיפות.

כפי שניתן לראות מהנוסחה, המהירות תלויה בצפיפות ובדחיסות המדיום. באוויר, זה פחות מאשר בנוזל. לדוגמה, במים בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס זה שווה ל-1484 מ' לשנייה. יתרה מכך, ככל שהמליחות של המים גבוהה יותר, כך הקול מתפשט בהם מהר יותר.

בפעם הראשונה, מהירות הקול במים נמדדה בשנת 1827. ניסוי זה הזכיר מעט את מדידת מהירות האור על ידי Maren Marsenne. פעמון הורד למים מצדה של סירה אחת. במרחק של יותר מ-13 ק"מ מהסירה הראשונה הייתה השנייה. בסירה הראשונה הפעמון הושמע ובמקביל הוצת אבק שריפה. בסירה השנייה תועד זמן ההבזק ולאחר מכן זמן הגעת הצליל מהפעמון. על ידי חלוקת המרחק בזמן, אנו מקבלים את מהירות גל הקול במים.

לצליל יש את המהירות הגבוהה ביותר במדיום מוצק. לדוגמה, בפלדה הוא מגיע ליותר מ-5000 מ'/שנייה.

18 בפברואר 2016

עולם הבידור הביתי מגוון למדי ויכול לכלול: צפייה בסרט במערכת קולנוע ביתית טובה; משחק מהנה וממכר או האזנה למוזיקה. ככלל, כל אחד מוצא משהו משלו בתחום הזה, או משלב הכל בבת אחת. אבל לא משנה מה המטרות של אדם בארגון שעות הפנאי שלו ולא משנה לאיזו קיצון הוא מגיע, כל הקישורים הללו מחוברים היטב במילה אחת פשוטה ומובנת - "צליל". ואכן, בכל המקרים הללו, נוביל אותנו ביד הפסקול. אבל השאלה הזו היא לא כל כך פשוטה וטריוויאלית, במיוחד במקרים שבהם יש רצון להשיג סאונד איכותי בחדר או כל תנאי אחר. לשם כך, לא תמיד יש צורך לקנות רכיבי Hi-Fi או Hi-End יקרים (למרות שזה יהיה מאוד שימושי), אבל מספיק ידע טוב בתיאוריה הפיזיקלית, מה שיכול לבטל את רוב הבעיות שעולות לכולם שיוצא להשיג משחק קול באיכות גבוהה.

לאחר מכן, תורת הסאונד והאקוסטיקה תיחשב מנקודת המבט של הפיזיקה. במקרה זה, אנסה להנגיש אותו ככל האפשר להבנתו של כל אדם, שאולי רחוק מלהכיר חוקים פיסיקליים או נוסחאות, אך בכל זאת חולם בלהט על הגשמת החלום ליצור אקוסטיקה מושלמת. מערכת. אני לא מתיימר לטעון שכדי להגיע לתוצאות טובות בתחום הזה בבית (או ברכב, למשל) צריך להכיר את התיאוריות הללו לעומק, עם זאת, הבנת היסודות תמנע טעויות מטופשות ומופרכות רבות, וכן תאפשר כדי להשיג את אפקט הסאונד המקסימלי מהמערכת. בכל רמה.

תורת הצליל הכללית ומינוח מוזיקלי

מה זה נשמע? זו התחושה שתופס איבר השמיעה. "אֹזֶן"(התופעה עצמה קיימת ללא השתתפות ה"אוזן" בתהליך, אך קל יותר להבין זאת), המתרחשת כאשר עור התוף מתרגש מגל קול. האוזן במקרה זה פועלת כ"מקלט" של גלי קול בתדרים שונים.
גל קולזוהי, למעשה, סדרה רציפה של אטמים ופריקות של המדיום (לרוב סביבת האוויר בתנאים רגילים) בתדרים שונים. טבעם של גלי הקול הוא תנודתי, נגרם ומופק על ידי רטט של כל גוף. הופעתו והתפשטותו של גל קול קלאסי אפשריים בשלושה אמצעים אלסטיים: גזי, נוזלי ומוצק. כאשר מתרחש גל קול באחד מסוגי החלל הללו, מתרחשים בהכרח שינויים מסוימים בתווך עצמו, למשל, שינוי בצפיפות או בלחץ האוויר, תנועת חלקיקים של מסות אוויר וכו'.

מכיוון שלגל הקול יש אופי נדנוד, יש לו מאפיין כמו תדר. תדירותנמדד בהרץ (לכבודו של הפיזיקאי הגרמני היינריך רודולף הרץ), ומציין את מספר הרעידות על פני פרק זמן השווה לשניה אחת. הָהֵן. לדוגמה, תדר של 20 הרץ פירושו מחזור של 20 תנודות בשנייה אחת. התפיסה הסובייקטיבית של גובהו תלויה גם בתדירות הצליל. ככל שנשמעות יותר רעידות קול בשנייה, כך הצליל נראה "גבוה יותר". לגל הקול יש גם מאפיין חשוב נוסף, שיש לו שם - אורך הגל. אֹרֶך גַלנהוג להתייחס למרחק שעובר צליל בתדר מסוים בתקופה השווה לשנייה אחת. לדוגמה, אורך הגל של הצליל הנמוך ביותר בטווח השמיעה האנושי ב-20 הרץ הוא 16.5 מטר, ואורך הגל של הצליל הגבוה ביותר ב-20,000 הרץ הוא 1.7 סנטימטרים.

האוזן האנושית מעוצבת בצורה כזו שהיא מסוגלת לקלוט גלים רק בטווח מוגבל, בערך 20 הרץ - 20,000 הרץ (בהתאם למאפיינים של אדם מסוים, מישהו מסוגל לשמוע קצת יותר, מישהו פחות) . לפיכך, זה לא אומר שצלילים מתחת או מעל התדרים הללו אינם קיימים, הם פשוט לא נתפסים על ידי האוזן האנושית, עוברים את הטווח הנשמע. צליל מעל הטווח הנשמע נקרא אולטרסאונד, נקרא צליל מתחת לטווח הנשמע אינפרסאונד. יש בעלי חיים שמסוגלים לקלוט קולות אולטרה ואינפרה, חלקם אפילו משתמשים בטווח הזה להתמצאות במרחב (עטלפים, דולפינים). אם הצליל עובר דרך תווך שאינו בא ישירות במגע עם איבר השמיעה האנושי, ייתכן שקול כזה לא יישמע או ייחלש מאוד מאוחר יותר.

בטרמינולוגיה המוזיקלית של סאונד, ישנם ייעודים חשובים כמו אוקטבה, טון וצליל עליון. אוֹקְטָבָהפירושו מרווח שבו היחס בין התדרים בין הצלילים הוא 1 ל-2. אוקטבה לרוב נשמעת מאוד, בעוד שצלילים בתוך מרווח זה יכולים להיות דומים מאוד זה לזה. אוקטבה יכולה להיקרא גם צליל שמשמיע פי שניים תנודות מצליל אחר באותו פרק זמן. לדוגמה, תדר של 800 הרץ אינו אלא אוקטבה גבוהה יותר של 400 הרץ, ותדר של 400 הרץ הוא בתורו האוקטבה הבאה של הצליל עם תדר של 200 הרץ. אוקטבה מורכבת מצלילים ומצלילי על. תנודות משתנות בגל קול הרמוני בתדר אחד נתפסות על ידי האוזן האנושית כ טון מוזיקלי. תנודות בתדר גבוה יכולות להתפרש כצלילים בעלי צלילים גבוהים, תנודות בתדר נמוך כצלילים בעלי צלילים נמוכים. האוזן האנושית מסוגלת להבחין בבירור בין צלילים בהבדל של טון אחד (בטווח של עד 4000 הרץ). למרות זאת, מספר קטן ביותר של צלילים משמשים במוזיקה. זה מוסבר משיקולים של עקרון העיצורים הרמוניים, הכל מבוסס על עקרון האוקטבות.

שקול את התיאוריה של צלילים מוזיקליים באמצעות דוגמה של מיתר שנמתח בצורה מסוימת. מיתר כזה, בהתאם לכוח המתח, יהיה "מכוון" לתדר מסוים אחד. כאשר המיתר הזה נחשף למשהו בעל כוח אחד ספציפי, שיגרום לו לרטוט, ייצפה בהתמדה טון אחד ספציפי של צליל, אנו נשמע את תדר הכוונון הרצוי. צליל זה נקרא הטון היסודי. עבור הטון הראשי בתחום המוזיקלי, תדר התו "la" של האוקטבה הראשונה, השווה ל-440 הרץ, מתקבל רשמית. עם זאת, רוב כלי הנגינה לעולם אינם משחזרים צלילי יסוד טהורים בלבד; הם מלווים בהכרח בצליל על הנקרא צלילים עיליים. כאן ראוי להיזכר בהגדרה חשובה של אקוסטיקה מוזיקלית, המושג גוון צליל. גָוֶן- זוהי תכונה של צלילים מוזיקליים המעניקים לכלי נגינה ולקולות את הספציפיות הייחודית לזיהוי שלהם של הצליל, גם כאשר משווים צלילים באותו גובה ועוצמה. הגוון של כל כלי נגינה תלוי בהתפלגות אנרגיית הצליל על הצלילים העליונים ברגע הופעת הצליל.

צלילים על יוצרים צבע מסוים של הטון היסודי, שבאמצעותו נוכל לזהות ולזהות בקלות כלי מסוים, כמו גם להבחין בבירור בין הצליל שלו מכלי אחר. ישנם שני סוגים של צלילים: הרמוניים ולא הרמוניים. צלילים הרמונייםהם, בהגדרה, כפולות של התדר הבסיסי. להיפך, אם הצלילים העליונים אינם כפולות וחורגים באופן ניכר מהערכים, אז הם נקראים לא הרמוני. במוזיקה, פעולתם של צלילים לא מרובים כמעט אינה נכללת, ולכן המונח מצטמצם למושג "צלילי על", כלומר הרמוני. עבור חלק מהכלים, למשל, הפסנתר, לטון הראשי אין אפילו זמן להיווצר, לתקופה קצרה יש עלייה באנרגיית הצליל של הצלילים העליונים, ואז מתרחשת ירידה באותה מהירה. כלים רבים יוצרים אפקט שנקרא "טון מעבר", כאשר האנרגיה של צלילים על מסויימים היא מקסימלית בנקודת זמן מסוימת, בדרך כלל ממש בהתחלה, אך לאחר מכן משתנה בפתאומיות ועוברת לצלילים אחרים. ניתן לשקול את טווח התדרים של כל מכשיר בנפרד והוא מוגבל בדרך כלל על ידי התדרים של צלילי היסוד שהמכשיר המסוים הזה מסוגל לשחזר.

בתורת הסאונד יש גם דבר כזה NOISE. רַעַשׁ- זהו כל צליל שנוצר על ידי שילוב של מקורות שאינם עולים בקנה אחד עם השני. כולם מודעים היטב לרעש העלים של העצים, המתנדנדים ברוח וכו'.

מה קובע את עוצמת הקול?ברור שתופעה כזו תלויה ישירות בכמות האנרגיה שנושא גל הקול. כדי לקבוע את האינדיקטורים הכמותיים של עוצמת קול, יש מושג - עוצמת קול. עוצמת קולמוגדר כזרימת האנרגיה העוברת דרך אזור כלשהו בחלל (לדוגמה, cm2) ליחידת זמן (לדוגמה, לשנייה). בשיחה רגילה, העוצמה היא בערך 9 או 10 W/cm2. האוזן האנושית מסוגלת לקלוט צלילים בטווח רחב למדי של רגישות, בעוד שהרגישות של התדרים אינה אחידה בספקטרום הצלילים. אז טווח התדרים הנתפס הטוב ביותר הוא 1000 הרץ - 4000 הרץ, אשר מכסה באופן הנפוץ ביותר דיבור אנושי.

מכיוון שצלילים כל כך משתנים בעוצמתם, יותר נוח לחשוב עליו כעל ערך לוגריתמי ולמדוד אותו בדציבלים (על פי המדען הסקוטי אלכסנדר גרהם בל). הסף התחתון של רגישות השמיעה של האוזן האנושית הוא 0 dB, הסף העליון 120 dB, זה נקרא גם "סף הכאב". הגבול העליון של הרגישות גם לא נתפס על ידי האוזן האנושית באותו אופן, אלא תלוי בתדירות הספציפית. לצלילים בתדר נמוך חייבת להיות עוצמה הרבה יותר גדולה מתדרים גבוהים על מנת לעורר סף כאב. לדוגמא, סף הכאב בתדר נמוך של 31.5 הרץ מתרחש ברמת עוצמת קול של 135 dB, כאשר בתדר של 2000 הרץ תחושת הכאב מופיעה כבר ב-112 dB. יש גם את המושג לחץ קול, שלמעשה מרחיב את ההסבר הרגיל להתפשטות גל קול באוויר. לחץ קול- זהו לחץ יתר משתנה המתרחש בתווך אלסטי כתוצאה ממעבר גל קול דרכו.

אופי גל של צליל

כדי להבין טוב יותר את מערכת יצירת גלי הקול, דמיינו רמקול קלאסי הממוקם בצינור מלא באוויר. אם הרמקול עושה תנועה חדה קדימה, אז האוויר בסביבה הקרובה של המפזר נדחס לרגע. לאחר מכן, האוויר יתרחב, ובכך ידחוף את אזור האוויר הדחוס לאורך הצינור.
תנועת הגל הזו היא שתהיה לאחר מכן הצליל כאשר הוא יגיע לאיבר השמיעה ו"מרגש" את עור התוף. כאשר מתרחש גל קול בגז, נוצרים עודפי לחץ וצפיפות, וחלקיקים נעים במהירות קבועה. לגבי גלי קול, חשוב לזכור את העובדה שהחומר אינו זז יחד עם גל הקול, אלא מתרחשת רק הפרעה זמנית של מסות האוויר.

אם נדמיין בוכנה תלויה בחלל פנוי על קפיץ ועושה תנועות חוזרות "קדימה ואחורה", אז תנודות כאלה ייקראו הרמוניות או סינוסואידיות (אם נציג את הגל בצורה של גרף, אז במקרה זה נקבל גל סינוס טהור עם עליות וירידות חוזרות ונשנות). אם נדמיין רמקול בצינור (כמו בדוגמה שתוארה לעיל), מבצע תנודות הרמוניות, אז ברגע שהרמקול נע "קדימה", מתקבל האפקט הידוע כבר של דחיסת אוויר, וכאשר הרמקול זז "אחורה" , מתקבלת ההשפעה ההפוכה של הנדירות. במקרה זה, גל של דחיסות מתחלפות ונדירות יתפשט דרך הצינור. המרחק לאורך הצינור בין מקסימום או מינימה (שלבים) סמוכים ייקרא אֹרֶך גַל. אם חלקיקים מתנודדים במקביל לכיוון התפשטות הגל, אזי הגל נקרא אֹרכִּי. אם הם מתנודדים בניצב לכיוון ההתפשטות, אז הגל נקרא רוחבי. בדרך כלל, גלי קול בגזים ובנוזלים הם אורכיים, בעוד שבמוצקים יכולים להתרחש גלים משני הסוגים. גלים רוחביים במוצקים נוצרים עקב התנגדות לשינוי צורה. ההבדל העיקרי בין שני סוגי הגלים הללו הוא שלגל רוחבי יש תכונה של קיטוב (תנודות מתרחשות במישור מסוים), בעוד שלגל אורכי אין.

מהירות קול

מהירות הקול תלויה ישירות במאפייני המדיום שבו הוא מתפשט. הוא נקבע (תלוי) על ידי שתי תכונות של המדיום: גמישות וצפיפות החומר. מהירות הקול במוצקים, בהתאמה, תלויה ישירות בסוג החומר ובתכונותיו. המהירות במדיה גזי תלויה רק ​​בסוג אחד של דפורמציה בינונית: דחיסה-נדירות. השינוי בלחץ בגל קול מתרחש ללא חילופי חום עם החלקיקים שמסביב ונקרא אדיאבטי.
מהירות הקול בגז תלויה בעיקר בטמפרטורה - היא עולה עם עליית הטמפרטורה ויורדת עם הירידה. כמו כן, מהירות הקול בתווך גזי תלויה בגודל ובמסה של מולקולות הגז עצמן - ככל שהמסה והגודל של החלקיקים קטנים יותר, כך ה"מוליכות" של הגל גדולה יותר והמהירות גדולה יותר, בהתאמה.

במדיה נוזלית ומוצקה, עקרון ההתפשטות ומהירות הקול דומים לאופן שבו גל מתפשט באוויר: על ידי דחיסה-פריקה. אבל במדיה אלו, בנוסף לאותה תלות בטמפרטורה, יש חשיבות רבה לצפיפות המדיום והרכבו/מבנהו. ככל שצפיפות החומר נמוכה יותר, כך מהירות הקול גבוהה יותר ולהיפך. התלות בהרכב המדיום מורכבת יותר ונקבעת בכל מקרה ספציפי תוך התחשבות במיקום ואינטראקציה של מולקולות/אטומים.

מהירות הקול באוויר ב-t, °C 20: 343 m/s
מהירות הקול במים מזוקקים ב-t, °C 20: 1481 m/s
מהירות הקול בפלדה ב-t, °C 20: 5000 m/s

גלים עומדים והפרעות

כאשר רמקול יוצר גלי קול בחלל מצומצם, ההשפעה של השתקפות גלים מהגבולות מתרחשת בהכרח. כתוצאה מכך, לרוב אפקט הפרעה- כאשר שני גלי קול או יותר מונחים זה על זה. מקרים מיוחדים של תופעת ההפרעות הם היווצרות של: 1) גלים מכים או 2) גלים עומדים. פעימות הגלים- זה המקרה כאשר יש תוספת של גלים עם תדרים ואמפליטודות קרובים. תבנית התרחשות פעימות: כאשר שני גלים דומים בתדירות מונחים זה על גבי זה. בנקודת זמן מסוימת עם חפיפה כזו, שיאי המשרעת עשויים לחפוף "בשלב", וגם המיתונים ב"אנטיפאזה" עשויים לחפוף. כך מאופיינים פעימות סאונד. חשוב לזכור שבניגוד לגלים עומדים, צירופי שלב של פסגות אינם מתרחשים כל הזמן, אלא במרווחי זמן מסוימים. לפי האוזן, דפוס כזה של פעימות שונה די ברור, ונשמע כעלייה וירידה תקופתית בעוצמת הקול, בהתאמה. מנגנון התרחשות האפקט הזה הוא פשוט ביותר: ברגע של צירוף מקרים של פסגות, הנפח גדל, ברגע של צירוף מקרים של מיתון, הנפח יורד.

גלים עומדיםנוצרים כאשר שני גלים בעלי אותה משרעת, פאזה ותדירות מונחים על גבי, כאשר, כאשר גלים כאלה "נפגשים", אחד נע בכיוון קדימה, והשני בכיוון ההפוך. באזור החלל (שם נוצר גל עומד), עולה תמונה של סופרפוזיציה של שתי משרעות תדר, עם מקסימום לסירוגין (מה שנקרא antinodes) ומינימה (מה שנקרא צמתים). כאשר תופעה זו מתרחשת, התדירות, הפאזה ומקדם הנחתה של הגל במקום ההשתקפות חשובים ביותר. בניגוד לגלים נעים, אין העברת אנרגיה בגל עומד בשל העובדה שהגלים קדימה ואחורה היוצרים גל זה נושאים אנרגיה בכמויות שוות הן קדימה והן בכיוונים מנוגדים. להבנה ויזואלית של התרחשות גל עומד, בואו נדמיין דוגמה מהאקוסטיקה הביתית. נניח שיש לנו רמקולים רצפתיים בשטח מוגבל (חדר). לאחר שגרמנו להם לנגן איזה שיר עם הרבה בס, בואו ננסה לשנות את המיקום של המאזין בחדר. לפיכך, המאזין, לאחר שנכנס לאזור המינימום (חיסור) של הגל העומד, ירגיש את האפקט שהבס הפך קטן מאוד, ואם המאזין נכנס לאזור המקסימום (תוספת) של תדרים, אז הפוך מתקבלת השפעה של עלייה משמעותית באזור הבס. במקרה זה, ההשפעה נצפה בכל האוקטבות של תדר הבסיס. לדוגמה, אם תדר הבסיס הוא 440 הרץ, אז תופעת ה"חיבור" או ה"חיסור" תיצפה גם בתדרים של 880 הרץ, 1760 הרץ, 3520 הרץ וכו'.

תופעת תהודה

לרוב המוצקים יש תדר תהודה משלהם. כדי להבין את האפקט הזה הוא די פשוט בדוגמה של צינור קונבנציונלי, פתוח רק בקצה אחד. תארו לעצמכם מצב שבו רמקול מחובר מהקצה השני של הצינור, שיכול לנגן איזה תדר אחד קבוע, שגם אותו ניתן לשנות מאוחר יותר. כעת, לצינור יש תדר תהודה משלו, במילים פשוטות, זהו התדר שבו הצינור "מהדהד" או משמיע צליל משלו. אם תדר הרמקול (כתוצאה מהתאמה) עולה בקנה אחד עם תדר התהודה של הצינור, אז תהיה השפעה של הגדלת עוצמת הקול מספר פעמים. הסיבה לכך היא שהרמקול מעורר את הרעידות של עמוד האוויר בצינור עם משרעת משמעותית עד שנמצא אותו "תדר תהודה" ומתרחש אפקט התוספת. ניתן לתאר את התופעה המתקבלת כך: הצינור בדוגמה זו "עוזר" לרמקול על ידי הדהוד בתדר מסוים, המאמצים שלהם מסתכמים ו"נשפכים החוצה" לאפקט חזק נשמע. בדוגמה של כלי נגינה, ניתן לאתר בקלות תופעה זו, שכן העיצוב של הרוב מכיל אלמנטים הנקראים מהודים. לא קשה לנחש מה משרת את המטרה של הגברה של תדר מסוים או טון מוזיקלי. לדוגמה: גוף גיטרה עם תהודה בצורת חור, מותאם לעוצמת הקול; עיצוב הצינור בחליל (וכל הצינורות בכלל); הצורה הגלילית של גוף התוף, שהוא עצמו מהוד בתדר מסוים.

ספקטרום התדרים של צליל ותגובת תדרים

מכיוון שבפועל אין כמעט גלים מאותו תדר, יש צורך לפרק את כל ספקטרום הצלילים של הטווח הנשמע לצלילים על או להרמוניות. למטרות אלו, ישנם גרפים המציגים את התלות של האנרגיה היחסית של תנודות קול בתדר. גרף כזה נקרא גרף ספקטרום תדר קול. ספקטרום התדרים של צלילישנם שני סוגים: דיסקרטי ורציף. עלילת הספקטרום הבדידה מציגה את התדרים בנפרד, מופרדים על ידי רווחים ריקים. בספקטרום הרציף, כל תדרי הקול נמצאים בבת אחת.
במקרה של מוזיקה או אקוסטיקה, לרוב נעשה שימוש בלוח הזמנים הרגיל. מאפייני שיא לתדר(קיצור "AFC"). גרף זה מראה את התלות של משרעת תנודות הקול בתדר לאורך כל ספקטרום התדרים (20 הרץ - 20 קילו-הרץ). כשמסתכלים על גרף כזה, קל להבין, למשל, את החוזקות או החולשות של רמקול או מערכת רמקולים מסויימת בכללותה, את האזורים החזקים ביותר של החזרת אנרגיה, ירידות ועליות תדר, הנחתה, וכן לעקוב אחר התלולות. של הירידה.

התפשטות גלי קול, פאזה ואנטי-פאזה

תהליך התפשטות גלי הקול מתרחש לכל הכיוונים מהמקור. הדוגמה הפשוטה ביותר להבנת התופעה הזו: חלוק נחל שנזרק למים.
ממקום נפילת האבן מתחילים להתפצל גלים על פני המים לכל הכיוונים. עם זאת, בואו נדמיין סיטואציה באמצעות רמקול בעוצמה מסוימת, נניח קופסה סגורה, שמחוברת למגבר ומשמיעה אות מוזיקלי כלשהו. קל להבחין (במיוחד אם אתה נותן אות חזק בתדר נמוך, כמו תוף בס), שהרמקול עושה תנועה מהירה "קדימה", ואז אותה תנועה מהירה "לאחור". יש להבין שכאשר הרמקול נע קדימה, הוא פולט גל קול, אותו אנו שומעים לאחר מכן. אבל מה קורה כשהרמקול זז לאחור? אבל באופן פרדוקסלי, אותו דבר קורה, הרמקול משמיע את אותו צליל, רק שהוא מתפשט בדוגמה שלנו לגמרי בתוך הווליום של הקופסה, בלי לחרוג ממנו (הקופסה סגורה). באופן כללי, בדוגמה שלעיל, אפשר לראות לא מעט תופעות פיזיקליות מעניינות, שהמשמעותית שבהן היא הרעיון של שלב.

גל הקול שהרמקול, בהיותו בווליום, מקרין לכיוון המאזין - הוא "בפאזה". הגל ההפוך, שנכנס לנפח התיבה, יהיה אנטי-פאזי בהתאם. נותר רק להבין מה משמעות המושגים הללו? שלב האות- זוהי רמת לחץ הקול בזמן הנוכחי בנקודה כלשהי בחלל. השלב מובן בצורה הקלה ביותר על ידי הדוגמה של השמעת חומרים מוזיקליים על ידי זוג רמקולים רצפתיים סטריאו רגילים. בואו נדמיין ששני רמקולים רצפתיים כאלה מותקנים בחדר מסוים ומתנגנים. שני הרמקולים במקרה זה משחזרים אות לחץ קול משתנה סינכרוני, יתר על כן, לחץ הקול של רמקול אחד מתווסף ללחץ הקול של הרמקול השני. אפקט דומה מתרחש עקב הסינכרון של שחזור האות של הרמקולים השמאלי והימני, בהתאמה, במילים אחרות, הפסגות והעמקים של הגלים הנפלטים מהרמקול השמאלי והימני חופפים.

עכשיו בואו נדמיין שלחצי הקול עדיין משתנים באותו אופן (הם לא השתנו), אבל עכשיו הם מנוגדים זה לזה. זה יכול לקרות אם אתה מחבר אחד משני הרמקולים בקוטביות הפוכה ("כבל +" מהמגבר למסוף "-" של מערכת הרמקולים, וכבל "-" מהמגבר למסוף "+" של הרמקול מערכת). במקרה זה, האות המנוגד לכיוון יגרום להפרש לחץ, אותו ניתן לייצג כמספרים באופן הבא: הרמקול השמאלי יצור לחץ של "1 Pa" והרמקול הימני יצור לחץ של "מינוס 1 Pa" . כתוצאה מכך, עוצמת הקול הכוללת בעמדת המאזין תהיה שווה לאפס. תופעה זו נקראת אנטי-פאזה. אם נבחן את הדוגמה ביתר פירוט לצורך הבנה, מתברר ששתי דינמיקות המתנגנות "בשלב" יוצרות את אותם אזורים של דחיסת אוויר ונדירות, שלמעשה עוזרות זו לזו. במקרה של אנטי-פאזה אידיאלית, אזור דחיסת חלל האוויר שנוצר על ידי רמקול אחד ילווה באזור של נדירות חלל אוויר שנוצר על ידי הרמקול השני. זה נראה בערך כמו התופעה של שיכוך הדדי סינכרוני של גלים. נכון, בפועל, הווליום לא יורד לאפס, ונשמע צליל מעוות ומוחלש מאוד.

בצורה הנגישה ביותר, ניתן לתאר תופעה זו כך: שני אותות בעלי אותן תנודות (תדירות), אך מוזזים בזמן. לאור זאת, נוח יותר לייצג את תופעות התזוזה הללו באמצעות הדוגמה של שעונים עגולים רגילים. בואו נדמיין שכמה שעונים עגולים זהים תלויים על הקיר. כאשר המחוגים השניים של השעונים הללו פועלים בסנכרון, 30 שניות בשעון אחד ו-30 שניות בשעון השני, אז זו דוגמה לאות שנמצא בשלב. אם המחוגים השניים רצים עם תזוזה, אבל המהירות עדיין זהה, למשל, בשעון אחד 30 שניות, ובשני 24 שניות, אז זו דוגמה קלאסית להזזת פאזה (היסט). באותו אופן, פאזה נמדדת במעלות, בתוך מעגל וירטואלי. במקרה זה, כאשר האותות מוזזים זה לזה ב-180 מעלות (מחצית מהתקופה), מתקבל אנטי-פאזה קלאסית. לעתים קרובות, בפועל, יש הזזות פאזה קלות, שניתן לקבוע גם בדרגות ולבטל אותן בהצלחה.

גלים שטוחים וכדוריים. חזית גל שטוחה מתפשטת בכיוון אחד בלבד ולעתים רחוקות נתקלים בה בפועל. חזית גל כדורית היא סוג פשוט של גל שמקרין מנקודה אחת ומתפשט לכל הכיוונים. לגלי קול יש את המאפיין הִשׁתַבְּרוּת, כלומר היכולת להימנע ממכשולים וחפצים. מידת המעטפת תלויה ביחס בין אורך גל הקול לממדי המכשול או החור. עקיפה מתרחשת גם כאשר יש מכשול בנתיב הקול. במקרה זה יתכנו שני תרחישים: 1) אם מימדי המכשול גדולים בהרבה מאורך הגל, אז הצליל מוחזר או נבלע (בהתאם למידת הספיגה של החומר, עובי המכשול וכו'. ), ונוצר אזור "צל אקוסטי" מאחורי המכשול. 2) אם מידות המכשול דומות לאורך הגל או אפילו פחותות ממנו, אז הצליל מתעקם במידה מסוימת לכל הכיוונים. אם גל קול, כאשר הוא נע במדיום אחד, פוגע בממשק עם תווך אחר (לדוגמה, מדיום אוויר עם תווך מוצק), אז עשויים להיווצר שלושה תרחישים: 1) הגל ישתקף מהממשק 2) הגל יכול לעבור לתווך אחר מבלי לשנות כיוון 3) גל יכול לעבור לתווך אחר עם שינוי כיוון בגבול, זה נקרא "שבירה של גל".

היחס בין הלחץ העודף של גל קול למהירות הנפח המתנודדת נקרא עכבת הגל. במילים פשוטות, התנגדות גל של המדיוםיכולה להיקרא היכולת לקלוט גלי קול או "להתנגד" להם. מקדמי ההשתקפות והשידור תלויים ישירות ביחס בין עכבות הגל של שתי המדיה. התנגדות הגלים בתווך גז נמוכה בהרבה מאשר במים או במוצקים. לכן, אם גל קול באוויר נופל על עצם מוצק או על פני המים העמוקים, אז הקול מוחזר מהמשטח או נספג במידה רבה. זה תלוי בעובי המשטח (מים או מוצק) שעליו נופל גל הקול הרצוי. עם עובי נמוך של תווך מוצק או נוזלי, גלי הקול "חולפים" כמעט לחלוטין, ולהיפך, עם עובי גדול של המדיום, הגלים משתקפים לעתים קרובות יותר. במקרה של החזרה של גלי קול, תהליך זה מתרחש על פי חוק פיזיקלי ידוע: "זווית הפגיעה שווה לזווית ההשתקפות". במקרה זה, כאשר גל מתווך עם צפיפות נמוכה יותר פוגע בגבול עם מדיום בעל צפיפות גבוהה יותר, התופעה מתרחשת שבירה. הוא מורכב מכיפוף (שבירה) של גל קול לאחר "פגישה" עם מכשול, והוא מלווה בהכרח בשינוי במהירות. השבירה תלויה גם בטמפרטורה של המדיום שבו מתרחשת השתקפות.

בתהליך התפשטות גלי הקול בחלל עוצמתם פוחתת בהכרח, ניתן לומר הנחתת הגלים והיחלשות הקול. בפועל, די פשוט להיתקל באפקט כזה: למשל, אם שני אנשים עומדים בשדה במרחק קרוב כלשהו (מטר או קרוב יותר) ומתחילים לדבר אחד עם השני. אם לאחר מכן תגדיל את המרחק בין אנשים (אם הם יתחילו להתרחק אחד מהשני), אותה רמה של עוצמת שיחה תהיה פחות ופחות נשמעת. דוגמה דומה מדגימה בבירור את התופעה של הפחתת עוצמת גלי הקול. למה זה קורה? הסיבה לכך היא התהליכים השונים של העברת חום, אינטראקציה מולקולרית וחיכוך פנימי של גלי קול. לרוב, בפועל, מתרחשת המרה של אנרגיית קול לאנרגיה תרמית. תהליכים כאלה מתעוררים בהכרח בכל אחת מ-3 מדיות הפצת הקול וניתן לאפיין אותם כ קליטה של ​​גלי קול.

עוצמת ומידת הקליטה של ​​גלי הקול תלויה בגורמים רבים, כגון לחץ וטמפרטורה של המדיום. כמו כן, הקליטה תלויה בתדר הספציפי של הצליל. כאשר גל קול מתפשט בנוזלים או בגזים, ישנה השפעה של חיכוך בין חלקיקים שונים, הנקראת צמיגות. כתוצאה מחיכוך זה ברמה המולקולרית מתרחש תהליך הפיכת הגל מצליל לתרמי. במילים אחרות, ככל שהמוליכות התרמית של המדיום גבוהה יותר, כך מידת ספיגת הגלים נמוכה יותר. קליטת הקול במדיה גזי תלויה גם בלחץ (לחץ אטמוספרי משתנה עם עלייה בגובה ביחס לגובה פני הים). באשר לתלות של דרגת הקליטה בתדירות הקול, אזי אם לוקחים בחשבון את התלות שלעיל של צמיגות ומוליכות תרמית, קליטת הקול היא ככל שתדירותו גבוהה יותר. לדוגמה, בטמפרטורה ולחץ רגילים, באוויר, הקליטה של ​​גל בתדר של 5000 הרץ היא 3 dB/km, והבליטה של ​​גל בתדר של 50,000 הרץ תהיה כבר 300 dB/m.

במדיה מוצקה, כל התלות לעיל (מוליכות תרמית וצמיגות) נשמרות, אך מתווספים לכך עוד כמה תנאים. הם קשורים למבנה המולקולרי של חומרים מוצקים, שיכולים להיות שונים, עם אי-הומוגניות משלו. בהתאם למבנה מולקולרי מוצק פנימי זה, קליטת גלי הקול במקרה זה יכולה להיות שונה ותלויה בסוג החומר המסוים. כאשר קול עובר דרך גוף מוצק, הגל עובר סדרה של טרנספורמציות ועיוותים, מה שמוביל לרוב לפיזור וקליטה של ​​אנרגיית הקול. ברמה המולקולרית יכולה להתרחש השפעת נקעים, כאשר גל קול גורם לתזוזה של מישורים אטומיים, שחוזרים לאחר מכן למיקומם המקורי. לחלופין, תנועת הנקעים מובילה להתנגשות עם נקעים בניצב להם או פגמים במבנה הגבישי, מה שגורם להאטתן וכתוצאה מכך לבלימה מסוימת של גל הקול. עם זאת, גל הקול עשוי להדהד גם עם פגמים אלו, מה שיוביל לעיוות של הגל המקורי. האנרגיה של גל קול ברגע האינטראקציה עם מרכיבי המבנה המולקולרי של החומר מתפזרת כתוצאה מתהליכי חיכוך פנימיים.

בשנת אנסה לנתח את תכונות התפיסה השמיעתית האנושית וכמה מהדקויות והתכונות של התפשטות הקול.

צליל הוא גלים אלסטיים במדיום (לעיתים קרובות אוויר) שאינם נראים אך ניתנים לאוזן האנושית (הגל פועל על עור התוף). גל הקול הוא גל דחיסה אורכי.

אם ניצור ואקום, האם נצליח להבחין בצלילים? רוברט בויל הניח שעון בכלי זכוכית בשנת 1660. כשהוא שואב את האוויר, הוא לא שמע קול. הניסיון מוכיח זאת יש צורך במדיום כדי להפיץ צליל.

צליל יכול גם להתפשט במדיה נוזלית ומוצקה. מתחת למים אפשר לשמוע בבירור את פגיעות האבנים. שים את השעון על קצה אחד של לוח העץ. על ידי הצבת האוזן לקצה השני, אתה יכול לשמוע בבירור את תקתוק השעון.

גל קול מתפשט דרך העץ

מקור הצליל הוא בהכרח גוף מתנודד. לדוגמה, מיתר גיטרה במצבו הרגיל אינו נשמע, אך ברגע שאנו גורמים לו להתנודד, מתעורר גל קול.

עם זאת, הניסיון מלמד שלא כל גוף רוטט הוא מקור לקול. לדוגמה, משקל תלוי על חוט אינו משמיע קול. העובדה היא שהאוזן האנושית אינה קולטת את כל הגלים, אלא רק את אלו היוצרים גופים המתנודדים בתדר של 16 הרץ עד 20,000 הרץ. גלים כאלה נקראים נשמע. תנודות עם תדר נמוך מ-16 הרץ נקראות אינפרסאונד. תנודות עם תדר גדול מ-20,000 הרץ נקראות אולטרסאונד.

מהירות קול

גלי קול אינם מתפשטים באופן מיידי, אלא במהירות סופית מסוימת (בדומה למהירות התנועה האחידה).

לכן בזמן סופת רעמים אנו רואים לראשונה ברק, כלומר אור (מהירות האור גדולה בהרבה ממהירות הקול), ואז נשמע קול.

מהירות הקול תלויה במדיום: במוצקים ובנוזלים, מהירות הקול גדולה בהרבה מאשר באוויר. אלו הם קבועים שנמדדו בטבלה. עם עלייה בטמפרטורה של המדיום, מהירות הקול עולה, עם ירידה היא יורדת.

הצלילים שונים. כדי לאפיין את הצליל, מוצגות כמויות מיוחדות: עוצמה, גובה צליל וגוון הצליל.

עוצמת הצליל תלויה באמפליטודה של התנודות: ככל שהמשרעת של התנודות גדולה יותר, כך הצליל חזק יותר. בנוסף, תפיסת עוצמת הקול על ידי האוזן שלנו תלויה בתדירות הרעידות בגל הקול. גלים בתדר גבוה יותר נתפסים כחזקים יותר.

התדר של גל הקול קובע את גובה הצליל. ככל שתדר הרטט של מקור הקול גבוה יותר, כך הצליל המופק ממנו גבוה יותר. קולות אנושיים מחולקים למספר טווחים לפי גובה הצליל שלהם.

צלילים ממקורות שונים הם שילוב של רעידות הרמוניות בתדרים שונים. המרכיב של התקופה הגדולה ביותר (התדר הנמוך ביותר) נקרא הטון היסודי. שאר מרכיבי הסאונד הם צלילים. הסט של רכיבים אלה יוצר את הצביעה, את גוון הצליל. מכלול הצלילים בקולות של אנשים שונים שונה לפחות במעט, אבל זה קובע את הגוון של קול מסוים.

הֵד. הד נוצר כתוצאה מהשתקפות קול ממכשולים שונים - הרים, יערות, חומות, מבנים גדולים וכו'. הד מתרחש רק כאשר הצליל המוחזר נתפס בנפרד מהצליל הנאמר במקור. אם ישנם משטחים מחזירי אור רבים והם נמצאים במרחקים שונים מאדם, הרי שגלי הקול המוחזרים יגיעו אליו בזמנים שונים. במקרה זה, ההד יהיה מרובה. המכשול חייב להיות במרחק של 11 מ' מהאדם כדי לשמוע את ההד.

השתקפות קול.צליל קופץ על משטחים חלקים. לכן, בעת שימוש בצופר, גלי הקול אינם מתפזרים לכל הכיוונים, אלא יוצרים אלומה צרה, עקב כך עוצמת הקול גדלה והיא מתפשטת למרחק גדול יותר.

חלק מהחיות (לדוגמה, עטלף, דולפין) פולטות תנודות קוליות, ואז קולטות את הגל המוחזר ממכשולים. אז הם קובעים את המיקום והמרחק לחפצים שמסביב.

הד. זוהי שיטה לקביעת מיקומם של גופים על ידי אותות אולטרסאונד המשתקפים מהם. בשימוש נרחב בניווט. מותקן על ספינות סונרים- מכשירים לזיהוי עצמים תת מימיים וקביעת עומק וטופוגרפיה של הקרקעית. בתחתית הכלי ממוקמים פולט ומקלט קול. הפולט נותן אותות קצרים. על ידי ניתוח זמן ההשהיה והכיוון של האותות החוזרים, המחשב קובע את המיקום והגודל של האובייקט שהשתקף את הצליל.

אולטרסאונד משמש לאיתור וקביעת נזקים שונים בחלקי מכונות (חללים, סדקים וכו'). המכשיר המשמש למטרה זו נקרא גלאי פגמים קולי. זרם של אותות אולטרסאונד קצר מופנה אל החלק הנחקר, המשתקפים מהאי-הומוגניות שבתוכו וחוזרים, נופלים לתוך המקלט. באותם מקומות בהם אין פגמים, האותות עוברים דרך החלק ללא השתקפות משמעותית ואינם מוקלטים על ידי המקלט.

אולטרסאונד נמצא בשימוש נרחב ברפואה לאבחון וטיפול במחלות מסוימות. בניגוד לקרני רנטגן, לגלים שלו אין השפעה מזיקה על הרקמות. אולטרסאונד אבחנתי (ארה"ב)לאפשר, ללא התערבות כירורגית, לזהות שינויים פתולוגיים באיברים ורקמות. מכשיר מיוחד שולח גלים קוליים בתדר של 0.5 עד 15 מגה-הרץ לאזור מסוים בגוף, הם משתקפים מהאיבר הנחקר והמחשב מציג את תמונתו על המסך.

אינפרסאונד מאופיין בספיגה נמוכה במדיות שונות, וכתוצאה מכך גלי אינפרסאונד באוויר, במים ובקרום כדור הארץ יכולים להתפשט למרחקים ארוכים מאוד. תופעה זו מוצאת יישום מעשי ב קביעת מקומותפיצוצים חזקים או מיקום הנשק היורה. התפשטות האינפראסאונד למרחקים ארוכים בים מאפשרת זאת תחזיות אסונות טבע- צונאמי. מדוזות, סרטנים וכו' מסוגלים לקלוט אינפרא-צלילים והרבה לפני פרוץ הסערה מרגישים את התקרבותה.

תוכן המאמר

סאונד ואקוסטיקה.צליל הוא רעידות, כלומר. הפרעה מכנית תקופתית במדיה אלסטית - גזי, נוזלי ומוצק. הפרעה כזו, שהיא שינוי פיזיקלי כלשהו בתווך (למשל שינוי בצפיפות או לחץ, תזוזה של חלקיקים), מתפשטת בו בצורה של גל קול. תחום הפיזיקה העוסק במקור, התפשטות, קליטה ועיבוד של גלי קול נקרא אקוסטיקה. צליל עשוי להיות בלתי נשמע אם התדר שלו נמצא מעבר לרגישות האוזן האנושית, או אם הוא מתפשט בתווך כגון מוצק שאינו יכול ליצור מגע ישיר עם האוזן, או אם האנרגיה שלו מתפזרת במהירות בתווך. לפיכך, התהליך הרגיל של תפיסת הצליל עבורנו הוא רק צד אחד של האקוסטיקה.

גלי קול

שקול צינור ארוך מלא באוויר. מהקצה השמאלי מוכנסת לתוכה בוכנה המחוברת בחוזקה לקירות (איור 1). אם הבוכנה מוזזת בחדות ימינה ונעצרת, אז האוויר בסביבתה הקרובה יידחס לרגע (איור 1, א). ואז האוויר הדחוס יתרחב, ידחוף את האוויר הסמוך אליו מימין, ואזור הדחיסה, שהופיע בתחילה ליד הבוכנה, יעבור דרך הצינור במהירות קבועה (איור 1, ב). גל דחיסה זה הוא גל הקול בגז.

גל קול בגז מאופיין בעודף לחץ, צפיפות עודפת, תזוזה של חלקיקים ומהירותם. עבור גלי קול, הסטיות הללו מערכי שיווי המשקל תמיד קטנות. לפיכך, הלחץ העודף הקשור לגל קטן בהרבה מהלחץ הסטטי של הגז. אחרת, אנו מתמודדים עם תופעה נוספת - גל הלם. בגל קול המתאים לדיבור רגיל, הלחץ העודף הוא רק כמיליון מהלחץ האטמוספרי.

חשוב שהחומר לא ייסחף בגל הקול. גל הוא רק הפרעה זמנית העוברת באוויר, שלאחריה האוויר חוזר למצב שיווי משקל.

תנועת גלים, כמובן, אינה ייחודית לצליל: אותות אור ורדיו נעים בצורה של גלים, וכולם מכירים את הגלים על פני המים. כל סוגי הגלים מתוארים מתמטית על ידי מה שנקרא משוואת הגלים.

גלים הרמוניים.

הגל בצינור באיור. 1 נקרא דופק קול. סוג גל חשוב מאוד נוצר כאשר הבוכנה רוטטת קדימה ואחורה כמו משקולת תלויה בקפיץ. תנודות כאלה נקראות הרמוניות פשוטות או סינוסואידיות, והגל הנרגש במקרה זה נקרא הרמוני.

עם תנודות הרמוניות פשוטות, התנועה חוזרת על עצמה מעת לעת. מרווח הזמן בין שני מצבי תנועה זהים נקרא תקופת התנודה, ומספר התקופות השלמות בשנייה נקרא תדר התנודה. בואו נסמן את התקופה ב ט, והתדר דרך ו; אז אפשר לכתוב את זה ו= 1/ט.אם, למשל, התדר הוא 50 פרקים בשנייה (50 הרץ), אז התקופה היא 1/50 שניה.

תנודות הרמוניות פשוטות מבחינה מתמטית מתוארות על ידי פונקציה פשוטה. תזוזה של בוכנה עם תנודות הרמוניות פשוטות לכל רגע של זמן טניתן לכתוב בטופס

כאן ד-תזוזה של הבוכנה ממצב שיווי המשקל, ו דהוא מכפיל קבוע, השווה לערך המרבי של הכמות דוהוא נקרא משרעת העקירה.

נניח שהבוכנה מתנדנדת לפי נוסחת התנודה ההרמונית. לאחר מכן, כאשר הוא זז ימינה, מתרחשת דחיסה, כבעבר, וכאשר נעים שמאלה, הלחץ והצפיפות יפחתו ביחס לערכי שיווי המשקל שלהם. אין דחיסה, אלא נדירות של הגז. במקרה זה, הימין יתפשט, כפי שמוצג באיור. 2, גל של דחיסות ונדירות מתחלפות. בכל רגע בזמן, עקומת חלוקת הלחץ לאורך הצינור תהיה בצורת סינוסואיד, והסינוסואיד הזה ינוע ימינה במהירות הקול v. המרחק לאורך הצינור בין אותם שלבי גל (לדוגמה, בין מקסימום סמוך) נקרא אורך הגל. זה מסומן בדרך כלל באות היוונית ל(למבדה). אֹרֶך גַל להוא המרחק שעבר הגל בזמן ט. בגלל זה ל = טֵלֶוִיזִיָה, או v = lf.

גלים אורכיים ורוחביים.

אם החלקיקים מתנודדים במקביל לכיוון התפשטות הגל, אז הגל נקרא אורכי. אם הם מתנודדים בניצב לכיוון ההתפשטות, אז הגל נקרא רוחבי. גלי קול בגזים ובנוזלים הם אורכיים. במוצקים קיימים גלים משני הסוגים. גל רוחבי במוצק אפשרי בשל קשיחותו (התנגדות לשינוי צורה).

ההבדל המשמעותי ביותר בין שני סוגי הגלים הללו הוא שלגל גזירה יש את התכונה קיטוב(תנודות מתרחשות במישור מסוים), אבל האורכי לא. בתופעות מסוימות, כמו השתקפות והעברת קול דרך גבישים, הרבה תלוי בכיוון תזוזה של החלקיקים, ממש כמו במקרה של גלי אור.

מהירות גלי הקול.

מהירות הקול היא מאפיין של המדיום שבו מתפשט הגל. זה נקבע על ידי שני גורמים: גמישות וצפיפות החומר. התכונות האלסטיות של מוצקים תלויות בסוג העיוות. אז, התכונות האלסטיות של מוט מתכת אינן זהות במהלך פיתול, דחיסה וכיפוף. ותנודות הגלים המקבילות מתפשטות במהירויות שונות.

תווך אלסטי הוא כזה שבו העיוות, בין אם זה פיתול, דחיסה או כיפוף, הוא פרופורציונלי לכוח הגורם לעיוות. חומרים כאלה כפופים לחוק הוק:

מתח = גדפורמציה יחסית,

איפה מהוא מודול האלסטיות, בהתאם לחומר ולסוג העיוות.

מהירות קול vעבור סוג נתון של דפורמציה אלסטית ניתן על ידי הביטוי

איפה רהוא צפיפות החומר (מסה ליחידת נפח).

מהירות הקול במוט מוצק.

מוט ארוך ניתן למתוח או ללחוץ בכוח המופעל על הקצה. תן לאורך המוט להיות למופעל כוח מתיחה ו, והגידול באורך הוא D ל. ערך D ל/לנקרא לעיוות היחסי, והכוח ליחידת שטח של חתך המוט ייקרא המתח. אז המתח הוא ו/א, איפה אבל -שטח חתך של המוט. כפי שמיושם על מוט כזה, לחוק של הוק יש את הצורה

איפה יהוא המודולוס של יאנג, כלומר. מודול האלסטיות של המוט למתח או דחיסה, המאפיין את חומר המוט. המודולוס של יאנג נמוך עבור חומרים בעלי מתיחה קלה כגון גומי וגבוה עבור חומרים קשיחים כגון פלדה.

אם כעת נעורר בו גל דחיסה על ידי פגיעה בקצה המוט בפטיש, אז הוא יתפשט במהירות, שם ר, כמו קודם, היא הצפיפות של החומר שממנו עשוי המוט. ערכי מהירויות הגלים עבור כמה חומרים טיפוסיים ניתנים בטבלה. אחד.

טבלה 1. מהירות הקול עבור סוגים שונים של גלים בחומרים מוצקים
חוֹמֶר	גלים אורכיים בדגימות מוצקות מורחבות (m/s)	גלי גזירה ופיתול (מ/ש)	גלי דחיסה במוטות (מ/ש)
אֲלוּמִינְיוּם
פליז
עוֹפֶרֶת
בַּרזֶל
כסף
פלדת אל - חלד
זכוכית צור
זכוכית כתר
פרספקס
פוליאתילן
פוליסטירן

הגל הנחשב במוט הוא גל דחיסה. אבל זה לא יכול להיחשב אורכי לחלוטין, שכן התנועה של המשטח הרוחבי של המוט קשורה לדחיסה (איור 3, א).

שני סוגי גלים נוספים אפשריים גם במוט - גל כיפוף (איור 3, ב) וגל פיתול (איור 3, ב). עיוותי כיפוף תואמים לגל שהוא לא אורכי גרידא ולא רוחבי גרידא. דפורמציות פיתול, כלומר. סיבוב סביב הציר של המוט, לתת גל רוחבי גרידא.

מהירותו של גל כיפוף במוט תלויה באורך הגל. גל כזה נקרא "מפזר".

גלי הפיתול במוט הם רוחביים בלבד ואינם מתפזרים. המהירות שלהם נתונה על ידי הנוסחה

איפה Mהוא מודול הגזירה המאפיין את התכונות האלסטיות של החומר ביחס לגזירה. כמה מהירויות אופייניות של גלי גזירה ניתנות בטבלה 1. אחד.

מהירות במדיה מוצקה מורחבת.

במדיה מוצקה של נפח גדול, שבהן ניתן להזניח את השפעת הגבולות, שני סוגים של גלים אלסטיים אפשריים: אורכיים ורוחביים.

העיוות בגל אורכי הוא דפורמציה מישורית, כלומר. דחיסה חד-ממדית (או נדירה) בכיוון התפשטות הגל. העיוות המקביל לגל רוחבי הוא תזוזה של גזירה בניצב לכיוון התפשטות הגל.

המהירות של גלים אורכיים בחומרים מוצקים ניתנת על ידי הביטוי

איפה ג-ל-מודול האלסטיות לעיוות מישור פשוט. זה קשור למודול התפזורת בְּ(אשר מוגדר להלן) ומודול הגזירה m של החומר as C L = ב + 4/3M .בשולחן. 1 מציג את ערכי המהירויות של גלים אורכיים עבור חומרים מוצקים שונים.

מהירות גלי הגזירה במדיה מוצקה מורחבת זהה למהירות גלי פיתול במוט מאותו חומר. לכן, זה ניתן על ידי הביטוי . ערכיו עבור חומרים מוצקים קונבנציונליים מפורטים בטבלה. אחד.

מהירות בגזים.

בגזים, רק סוג אחד של דפורמציה אפשרי: דחיסה - נדירה. מודול גמישות מתאים בְּנקרא מודול התפזורת. זה נקבע לפי היחס

-ד פ = ב(ד V/V).

כאן ד פ– שינוי לחץ, ד V/Vהוא השינוי היחסי בנפח. סימן המינוס מציין שככל שהלחץ עולה, הנפח יורד.

ערך בְּתלוי אם הטמפרטורה של הגז משתנה במהלך הדחיסה או לא. במקרה של גל קול, ניתן להראות שהלחץ משתנה מהר מאוד ולחום המשתחרר במהלך הדחיסה אין זמן לצאת מהמערכת. לפיכך, השינוי בלחץ בגל הקול מתרחש ללא חילופי חום עם החלקיקים שמסביב. שינוי כזה נקרא אדיאבטי. נקבע כי מהירות הקול בגז תלויה רק ​​בטמפרטורה. בטמפרטורה נתונה, מהירות הקול זהה בערך לכל הגזים. בטמפרטורה של 21.1 מעלות צלזיוס, מהירות הקול באוויר יבש היא 344.4 מ' לשנייה ועולה עם עליית הטמפרטורה.

מהירות בנוזלים.

גלי קול בנוזלים הם גלי דחיסה - נדירות, כמו בגזים. המהירות ניתנת על ידי אותה נוסחה. עם זאת, נוזל הוא הרבה פחות ניתן לדחיסה מאשר גז, ולכן הכמות בְּ, יותר וצפיפות ר. מהירות הקול בנוזלים קרובה יותר למהירות במוצקים מאשר בגזים. זה הרבה יותר קטן מאשר בגזים ותלוי בטמפרטורה. לדוגמה, המהירות במים מתוקים היא 1460 מ' לשנייה ב-15.6 מעלות צלזיוס. במי ים עם מליחות רגילה, היא 1504 מ' לשנייה באותה טמפרטורה. מהירות הקול עולה עם עלייה בטמפרטורת המים וריכוז המלח.

גלים עומדים.

כאשר גל הרמוני מתרגש בחלל מצומצם כך שהוא קופץ מגבולות, מתרחשים מה שנקרא גלים עומדים. גל עומד הוא תוצאה של סופרפוזיציה של שני גלים הנעים האחד בכיוון קדימה והשני בכיוון ההפוך. יש תבנית של תנודות שאינה נעה בחלל, עם אנטי-צמתים וצמתים מתחלפים. באנטי-צמתים, הסטיות של החלקיקים המתנודדים ממצבי שיווי המשקל שלהם הן מקסימליות, ובצמתים הן שוות לאפס.

גלים עומדים בחוט.

במיתר מתוח עולים גלים רוחביים, והמיתר נעקר ביחס למיקומו המקורי והמשונן. בעת צילום גלים במיתר, הצמתים והאנטי-צמתים של הטון הבסיסי והצלילים העליונים נראים בבירור.

התמונה של גלים עומדים מקלה מאוד על ניתוח תנועות תנודות של מיתר באורך נתון. שיהיה מחרוזת באורך למחובר בקצוות. כל סוג של רטט של מיתר כזה יכול להיות מיוצג כשילוב של גלים עומדים. מכיוון שקצוות המיתר קבועים, אפשריים רק גלים עומדים כאלה שיש להם צמתים בנקודות הגבול. תדירות הרטט הנמוכה ביותר של מיתר תואמת את אורך הגל המקסימלי האפשרי. מאז המרחק בין צמתים הוא ל/2, התדר מינימלי כאשר אורך המיתר שווה למחצית מאורך הגל, כלומר. בְּ- ל= 2ל. זהו מה שנקרא מצב היסוד של רטט מיתר. התדר המקביל שלו, הנקרא תדר היסוד או הטון הבסיסי, ניתן על ידי ו = v/2ל, איפה vהיא מהירות התפשטות הגלים לאורך המיתר.

ישנו רצף שלם של תנודות בתדר גבוה יותר שמתאימות לגלים עומדים עם יותר צמתים. התדר הגבוה הבא, הנקרא ההרמוני השני או הצליל העליון הראשון, ניתן על ידי

ו = v/ל.

רצף ההרמוניות בא לידי ביטוי בנוסחה f = nv/2ל, איפה n= 1, 2, 3, וכו ' זה מה שנקרא. תדרים עצמיים של תנודות המיתר. הם גדלים ביחס למספרים הטבעיים: הרמוניות גבוהות יותר ב-2, 3, 4... וכו'. פעמים מהתדר הבסיסי. סדרה כזו של צלילים נקראת הסולם הטבעי או ההרמוני.

לכל זה חשיבות רבה באקוסטיקה המוזיקלית, עליה נדון בהרחבה בהמשך. לעת עתה, נציין שהצליל המופק על ידי מיתר מכיל את כל התדרים הטבעיים. התרומה היחסית של כל אחד מהם תלויה בנקודה בה מתרגשות תנודות המיתר. אם, למשל, מחרוזת תולשת באמצע, אז התדר הבסיסי יהיה נרגש ביותר, מכיוון שנקודה זו מתאימה לאנטי-נוד. ההרמונית השנייה תיעדר, מכיוון שהצומת שלה ממוקם במרכז. אותו הדבר ניתן לומר על הרמוניות אחרות ( ראה למטהאקוסטיקה מוזיקלית).

מהירות הגלים במיתר היא

איפה T -מתח מיתר, ו rL -מסה ליחידת אורך של המיתר. לכן, ספקטרום התדר הטבעי של המיתר ניתן על ידי

לפיכך, עלייה במתח המיתר מובילה לעלייה בתדרי הרטט. כדי להוריד את תדירות התנודות בנתון טאתה יכול, לקחת מחרוזת כבדה יותר (גדול ר ל) או להגדיל את אורכו.

גלים עומדים בצינורות עוגב.

ניתן ליישם את התיאוריה המוצהרת ביחס למיתר גם על תנודות אוויר בצינור מסוג איבר. ניתן לראות בפשטות מקטרת עוגב כמקטרת ישרה בה מתרגשים גלים עומדים. לצינור יכולים להיות קצוות סגורים ופתוחים כאחד. נוגדת גל עומד מתרחשת בקצה הפתוח, וקשר מתרחש בקצה הסגור. לכן, לצינור עם שני קצוות פתוחים יש תדר יסוד שבו מחצית מאורך הגל מתאים לאורך הצינור. לצינור, לעומת זאת, שבו קצה אחד פתוח והשני סגור, יש תדר יסוד שבו רבע מאורך הגל מתאים לאורך הצינור. לפיכך, התדירות הבסיסית עבור צינור פתוח בשני הקצוות הוא ו =v/2לולצינור פתוח בקצה אחד, f = v/4ל(איפה להוא אורך הצינור). במקרה הראשון, התוצאה זהה לזו של המיתר: הצלילים העליונים הם כפולים, משולשים וכן הלאה. ערך התדר הבסיסי. עם זאת, עבור צינור פתוח בקצה אחד, הצלילים העליונים יהיו גדולים מהתדר הבסיסי ב-3, 5, 7 וכו'. פַּעַם.

על איור. איורים 4 ו-5 מציגים באופן סכמטי את הגלים העומדים של התדר הבסיסי ואת הצליל הראשון של הצינורות משני הסוגים הנחשבים. מטעמי נוחות, הקיזוזים מוצגים כאן כרוחביים, אך למעשה הם אורכיים.

תנודות תהודה.

גלים עומדים קשורים קשר הדוק לתופעת התהודה. התדרים הטבעיים שנדונו לעיל הם גם תדרי התהודה של צינור מיתר או עוגב. נניח שרמקול ממוקם בסמוך לקצה הפתוח של צינור איבר, הפולט אות בתדר מסוים אחד, שניתן לשנות אותו כרצונו. לאחר מכן, אם התדר של אות הרמקול עולה בקנה אחד עם התדר הראשי של הצינור או עם אחד מהצלילים העליונים שלו, הצינור ישמע חזק מאוד. הסיבה לכך היא שהרמקול מעורר רעידות של עמוד האוויר עם משרעת משמעותית. אומרים שהחצוצרה מהדהדת בתנאים אלו.

ניתוח פורייה וספקטרום תדרים של צליל.

בפועל, גלי קול בתדר בודד הם נדירים. אבל גלי קול מורכבים ניתנים לפירוק להרמוניות. שיטה זו נקראת ניתוח פורייה על שם המתמטיקאי הצרפתי ג'יי פורייה (1768–1830), שהיה הראשון ליישם אותה (בתורת החום).

גרף של האנרגיה היחסית של תנודות קול מול תדר נקרא ספקטרום התדרים של צליל. ישנם שני סוגים עיקריים של ספקטרים ​​כאלה: בדידים ורציפים. הספקטרום הבדיד מורכב מקווים נפרדים לתדרים המופרדים על ידי חללים ריקים. כל התדרים נמצאים בספקטרום הרציף בתוך הרצועה שלו.

תנודות קול תקופתיות.

תנודות קול הן תקופתיות אם תהליך התנודה, לא משנה כמה מורכב הוא, חוזר על עצמו לאחר מרווח זמן מסוים. הספקטרום שלו הוא תמיד דיסקרטי ומורכב מהרמוניות בתדר מסוים. מכאן נובע המונח "ניתוח הרמוני". דוגמה לכך היא תנודות מלבניות (איור 6, א) עם שינוי משרעת מ +אלפני - אבלותקופה T= 1/ו. דוגמה פשוטה נוספת היא תנודת שן המסור המשולשת המוצגת באיור. 6, ב. דוגמה לתנודות מחזוריות של צורה מורכבת יותר עם הרכיבים ההרמוניים המתאימים מוצגת באיור. 7.

צלילים מוזיקליים הם תנודות תקופתיות ולכן מכילים הרמוניות (צלילי על). כבר ראינו שבמחרוזת, יחד עם תנודות של התדר הבסיסי, הרמוניות אחרות מתרגשות במידה זו או אחרת. התרומה היחסית של כל צליל על תלוי באופן שבו המיתר מתרגש. קבוצת הצלילים העיליים נקבעת במידה רבה על ידי גָוֶןצליל מוזיקלי. נושאים אלו נדונים ביתר פירוט להלן בחלק על אקוסטיקה מוזיקלית.

הספקטרום של דופק קול.

הסוג הרגיל של הצליל הוא צליל של זמן קצר: מחיאות כפיים, דפיקה בדלת, קול של נפילה של חפץ על הרצפה, קוקיית קוקייה. צלילים כאלה אינם תקופתיים ואינם מוזיקליים. אבל אפשר גם לפרק אותם לספקטרום תדרים. במקרה זה, הספקטרום יהיה רציף: כדי לתאר את הצליל, יש צורך בכל התדרים בתוך פס מסוים, שיכול להיות רחב למדי. הכרת ספקטרום תדרים כזה היא הכרחית כדי לשחזר צלילים כאלה ללא עיוות, שכן המערכת האלקטרונית המתאימה חייבת "לעבור" את כל התדרים הללו באותה מידה.

ניתן להבהיר את המאפיינים העיקריים של דופק קול על ידי בחינת דופק בצורה פשוטה. הבה נניח שהצליל הוא תנודה של משך D ט, שבו השינוי בלחץ הוא כפי שמוצג באיור. שמונה, א. ספקטרום תדרים משוער למקרה זה מוצג באיור. שמונה, ב. התדר המרכזי מתאים לרעידות שהיו לנו אילו אותו אות היה מתארך ללא הגבלת זמן.

אורך ספקטרום התדרים נקרא רוחב הפס D ו(איור 8, ב). רוחב פס הוא טווח התדרים המשוער הדרוש כדי לשחזר את הדופק המקורי ללא עיוות מוגזם. יש קשר בסיסי מאוד פשוט בין ד' וו-D ט, כלומר

ד וד ט" אחד.

קשר זה תקף עבור כל פולסי הקול. המשמעות שלו היא שככל שהפולס קצר יותר, כך הוא מכיל יותר תדרים. הבה נניח שסונאר משמש לזיהוי צוללת, הפולט אולטרסאונד בצורת דופק באורך של 0.0005 שניות ותדר אות של 30 קילו-הרץ. רוחב הפס הוא 1/0.0005 = 2 קילו-הרץ, והתדרים הכלולים בפועל בספקטרום של פולס האיתור נעים בטווח שבין 29 ל-31 קילו-הרץ.

רַעַשׁ.

רעש מתייחס לכל צליל המופק על ידי מספר מקורות לא מתואמים. דוגמה לכך היא קולם של עלי עצים המתנדנדים ברוח. רעש מנוע סילון נובע מערבולנטיות של זרם הפליטה המהיר. רעש כצליל מעצבן נחשב באמנות. זיהום אקוסטי של הסביבה.

עוצמת קול.

עוצמת הקול עשויה להשתנות. קל לראות שזה נובע מהאנרגיה שנושא גל הקול. לצורך השוואות כמותיות של עוצמת קול, יש צורך להציג את המושג עוצמת הצליל. עוצמת גל קול מוגדרת כשטף האנרגיה הממוצע דרך יחידת שטח של חזית הגל ליחידת זמן. במילים אחרות, אם ניקח אזור בודד (לדוגמה, 1 ס"מ 2), שיספוג קול לחלוטין, ונמקם אותו בניצב לכיוון התפשטות הגל, אזי עוצמת הקול שווה לאנרגיה האקוסטית הנספגת בשנייה אחת. . העוצמה מתבטאת בדרך כלל ב-W/cm2 (או W/m2).

אנו נותנים את הערך של ערך זה עבור כמה צלילים מוכרים. משרעת לחץ היתר המתרחשת במהלך שיחה רגילה היא כמיליונית מהלחץ האטמוספרי, התואמת לעוצמת קול אקוסטית בסדר גודל של 10-9 W/cm 2 . ההספק הכולל של הצליל הנפלט במהלך שיחה רגילה הוא בסדר גודל של 0.00001 וואט בלבד. היכולת של האוזן האנושית לתפוס אנרגיות קטנות כל כך מעידה על רגישותה המדהימה.

טווח עוצמות הקול הנתפס על ידי האוזן שלנו רחב מאוד. עוצמת הצליל החזק ביותר שהאוזן יכולה לשאת היא בערך פי 1014 מהמינימום שהיא יכולה לשמוע. העוצמה המלאה של מקורות הקול מכסה טווח רחב לא פחות. לפיכך, ההספק הנפלט במהלך לחישה שקטה מאוד יכול להיות בסדר גודל של 10-9 וואט, בעוד שההספק הנפלט ממנוע סילון מגיע ל-10-5 וואט. שוב, העוצמות שונות בפקטור של 10 14.

דֵצִיבֵּל.

מכיוון שצלילים משתנים כל כך בעוצמתם, יותר נוח לחשוב עליו כעל ערך לוגריתמי ולמדוד אותו בדציבלים. הערך הלוגריתמי של העוצמה הוא הלוגריתם של היחס בין הערך הנחשב של הכמות לערכה, הנלקח כמקור. רמת אינטנסיביות יביחס לאינטנסיביות כלשהי שנבחרה על תנאי י 0 הוא

רמת עוצמת הקול = 10 ל"ג ( י/י 0) dB.

לפיכך, צליל אחד שהוא 20 dB יותר אינטנסיבי מאחר הוא עוצמתי פי 100.

בתרגול של מדידות אקוסטיות נהוג לבטא את עוצמת הצליל במונחים של משרעת לחץ היתר המתאימה פ ה. כאשר הלחץ נמדד בדציבלים ביחס ללחץ כלשהו שנבחר באופן קונבנציונלי ר 0, קבל את מה שנקרא רמת לחץ הקול. מכיוון שעוצמת הצליל פרופורציונלית לגודל פ ה 2, ו-lg( פ ה 2) = 2 גרם פ ה, רמת לחץ הקול נקבעת באופן הבא:

רמת לחץ קול = 20 lg ( פ ה/פ 0) dB.

לחץ נומינלי ר 0 = 2×10–5 Pa מתאים לסף השמיעה הסטנדרטי עבור צליל בתדר של 1 קילו-הרץ. בשולחן. 2 מציג את רמות לחץ הקול עבור כמה מקורות קול נפוצים. אלו הם ערכים אינטגרליים המתקבלים על ידי ממוצע על פני כל טווח התדרים הנשמע.

טבלה 2. רמות לחץ קול אופייניות
מקור קול	רמת לחץ קול, dB (rel. 2H 10-5 פאה)
חנות הטבעה
חדר מכונות על הסיפון
סדנת טוויה ואריגה
בקרון רכבת תחתית
במכונית בזמן נסיעה בפקק
לשכת כתיבה
ראיית חשבון
מִשׂרָד
מגורים
אזור מגורים בלילה
אולפן שידור

כרך.

רמת לחץ הקול אינה קשורה לקשר פשוט עם התפיסה הפסיכולוגית של עוצמת קול. הראשון מבין הגורמים הללו הוא אובייקטיבי, והשני הוא סובייקטיבי. ניסויים מראים שתפיסת העוצמה תלויה לא רק בעוצמת הצליל, אלא גם בתדר ובתנאי הניסוי שלו.

לא ניתן להשוות את עוצמת הצלילים שאינם קשורים לתנאי ההשוואה. ובכל זאת, ההשוואה של גוונים טהורים היא מעניינת. כדי לעשות זאת, קבע את רמת לחץ הקול שבה טון נתפס נתפס כרם באותה מידה כמו טון סטנדרטי בתדר של 1000 הרץ. על איור. 9 מציג עקומות עוצמה שוות שהתקבלו בניסויים של פלטשר ומנסון. עבור כל עקומה, מצוין רמת לחץ הקול המתאימה של צליל סטנדרטי של 1000 הרץ. לדוגמה, בתדר צליל של 200 הרץ, יש צורך ברמת קול של 60 dB כדי להיתפס כשווה לטון של 1000 הרץ עם רמת לחץ קול של 50 dB.

עקומות אלו משמשות להגדרת המהום, יחידת עוצמה הנמדדת גם בדציבלים. הרקע הוא רמת עוצמת הקול שעבורה רמת לחץ הקול של טון טהור סטנדרטי חזק באותה מידה (1000 הרץ) היא 1 dB. אז, לצליל עם תדר של 200 הרץ ברמה של 60 dB יש עוצמת שמע של 50 phons.

העקומה התחתונה באיור. 9 הוא עקומת סף השמיעה של אוזן טובה. טווח התדרים הנשמעים משתרע בין כ-20 ל-20,000 הרץ.

התפשטות גלי קול.

כמו הגלים של אבן נחל המושלכת למים שקטים, גלי קול מתפשטים לכל הכיוונים. נוח לאפיין תהליך התפשטות כזה כחזית גל. חזית גל היא משטח במרחב, שבכל נקודותיו מתרחשות תנודות באותו שלב. חזיתות גל מחלוק אבן שנפל למים הן עיגולים.

גלים שטוחים.

חזית הגלים של הצורה הפשוטה היא שטוחה. גל מישור מתפשט רק בכיוון אחד והוא אידיאליזציה שמתממשת רק בקירוב בפועל. גל קול בצינור יכול להיחשב שטוח בערך, ממש כמו גל כדורי במרחק גדול מהמקור.

גלים כדוריים.

סוגי גלים פשוטים כוללים גל בעל חזית כדורית, הבוקע מנקודה ומתפשט לכל הכיוונים. ניתן לעורר גל כזה באמצעות כדור פועם קטן. מקור שמעורר גל כדורי נקרא מקור נקודתי. עוצמתו של גל כזה פוחתת ככל שהוא מתפשט, כאשר האנרגיה מתפזרת על פני כדור ברדיוס גדול מתמיד.

אם מקור נקודתי המייצר גל כדורי מקרין הספק של 4 pQ, אם כן, מאז שטח הפנים של כדור עם רדיוס רשווה 4 יחסי ציבור 2, עוצמת הצליל בגל כדורי שווה ל

י = ש/ר 2 ,

איפה רהוא המרחק מהמקור. לפיכך, עוצמתו של גל כדורי יורדת הפוך לריבוע המרחק מהמקור.

עוצמתו של כל גל קול במהלך התפשטותו פוחתת עקב קליטת הקול. תופעה זו תידון להלן.

עקרון הויגנס.

עקרון הויגנס תקף להתפשטות חזית הגלים. כדי להבהיר זאת, הבה נבחן את צורת חזית הגלים המוכרת לנו בנקודת זמן כלשהי. ניתן למצוא אותו גם לאחר זמן מה D ט, אם כל נקודה של חזית הגל הראשונית נחשבת כמקור לגל כדורי יסודי המתפשט על פני מרווח זה למרחק vד ט. המעטפת של כל חזיתות הגלים הכדוריות היסודיות הללו תהיה חזית הגלים החדשה. העיקרון של הויגנס מאפשר לקבוע את צורת חזית הגל לאורך תהליך ההתפשטות. זה גם מרמז שגלים, מישוריים וכדוריים כאחד, שומרים על הגיאומטריה שלהם במהלך ההתפשטות, בתנאי שהמדיום הומוגני.

עקיפה של קול.

עקיפה היא הגל המתכופף סביב מכשול. הדיפרקציה מנותחת באמצעות עקרון Huygens. מידת הכיפוף הזה תלויה ביחס בין אורך הגל לגודל המכשול או החור. מכיוון שאורך הגל של גל קול ארוך פי כמה מזה של האור, עקיפה של גלי קול מפתיעה אותנו פחות מעקירת האור. אז אתה יכול לדבר עם מישהו שעומד מעבר לפינת הבניין, למרות שהוא לא נראה. גל הקול מתכופף בקלות מעבר לפינה, בעוד האור, בשל הקטנות של אורך הגל שלו, יוצר צללים חדים.

שקול את העקיפה של תקרית גל קול מישור על מסך שטוח מוצק עם חור. כדי לקבוע את צורת חזית הגל בצד השני של המסך, עליך לדעת את הקשר בין אורך הגל לוקוטר החור ד. אם הערכים האלה זהים בערך או להרבה יותר ד, אז מתקבלת עקיפה מלאה: חזית הגל של הגל היוצא תהיה כדורית, והגל יגיע לכל הנקודות מאחורי המסך. אם לקצת פחות ד, אז הגל היוצא יתפשט בעיקר בכיוון קדימה. ולבסוף, אם להרבה פחות ד, אז כל האנרגיה שלו תתפשט בקו ישר. מקרים אלה מוצגים באיור. עשר.

עקיפה נצפית גם כאשר יש מכשול בנתיב הקול. אם מימדי המכשול גדולים בהרבה מאורך הגל, אז הצליל מוחזר, ונוצר אזור צל אקוסטי מאחורי המכשול. כאשר גודל המכשול דומה או קטן מאורך הגל, הצליל מתעקם במידה מסוימת לכל הכיוונים. זה נלקח בחשבון באקוסטיקה אדריכלית. כך, למשל, לפעמים קירות בניין מכוסים בבליטות במידות בסדר גודל של אורך הגל של הקול. (בתדר של 100 הרץ, אורך הגל באוויר הוא כ-3.5 מ'.) במקרה זה, הקול, הנופל על הקירות, מפוזר לכל הכיוונים. באקוסטיקה אדריכלית, תופעה זו נקראת דיפוזיה של קול.

השתקפות והעברת צליל.

כאשר גל קול הנעים במדיום אחד מתרחש בממשק עם מדיום אחר, שלושה תהליכים יכולים להתרחש בו זמנית. הגל יכול להשתקף מהממשק, הוא יכול לעבור למדיום אחר מבלי לשנות כיוון, או שהוא יכול לשנות כיוון בממשק, כלומר. לִשְׁבּוֹר. על איור. 11 מציג את המקרה הפשוט ביותר, כאשר גל מישור נופל בזווית ישרה למשטח שטוח המפריד בין שני חומרים שונים. אם מקדם השתקפות העוצמה, שקובע את שיעור האנרגיה המשתקפת, שווה ל ר, אז מקדם השידור יהיה שווה ל ט = 1 – ר.

עבור גל קול, היחס בין לחץ עודף למהירות נפח רטט נקרא עכבה אקוסטית. מקדמי ההשתקפות והשידור תלויים ביחס בין עכבות הגל של שני המדיות, עכבות הגל, בתורן, פרופורציונליות לעכבות האקוסטיות. התנגדות הגלים של גזים נמוכה בהרבה מזו של נוזלים ומוצקים. אז אם גל באוויר פוגע בחפץ מוצק עבה או במשטח של מים עמוקים, הצליל מוחזר כמעט לחלוטין. לדוגמה, עבור הגבול של אוויר ומים, היחס בין התנגדויות הגלים הוא 0.0003. בהתאם לכך, אנרגיית הקול העוברת מהאוויר למים שווה רק ל-0.12% מהאנרגיה הנכנסת. מקדמי ההשתקפות והשידור הם הפיכים: מקדם ההשתקפות הוא מקדם השידור בכיוון ההפוך. כך, קול למעשה אינו חודר לא מהאוויר לאגן המים, ולא מתחת למים כלפי חוץ, המוכר היטב לכל מי ששחה מתחת למים.

במקרה של השתקפות שנחשבו לעיל, ההנחה הייתה שעובי המדיום השני בכיוון התפשטות הגל הוא גדול. אבל מקדם השידור יהיה גדול משמעותית אם המדיום השני הוא קיר המפריד בין שני אמצעים זהים, כגון מחיצה מוצקה בין חדרים. העובדה היא שעובי הדופן בדרך כלל קטן מאורך הגל של הקול או דומה לו. אם עובי הדופן הוא כפולה של מחצית מאורך הגל של הקול בקיר, אזי מקדם השידור של הגל בשכיחות בניצב הוא גדול מאוד. הבלבול היה שקוף לחלוטין לצליל התדר הזה אלמלא הקליטה, שאנו מזניחים כאן. אם עובי הדופן קטן בהרבה מאורך הגל של הקול בו, הרי שההשתקפות תמיד קטנה, והשידור גדול, אלא אם כן ננקטו אמצעים מיוחדים להגברת קליטת הקול.

שבירה של צליל.

כאשר גל קול מישור נופל בזווית על ממשק, זווית ההשתקפות שלו שווה לזווית הפגיעה. הגל המשודר סוטה מכיוון הגל הנוצר אם זווית הפגיעה שונה מ-90°. שינוי זה בכיוון הגל נקרא שבירה. הגיאומטריה של השבירה בגבול שטוח מוצגת באיור. 12. מצוינות הזוויות בין כיוון הגלים לנורמלי לפני השטח ש 1 עבור גל התקריות ו ש 2 - לעבר השבור. היחס בין שתי הזוויות הללו כולל רק את היחס בין מהירויות הקול של שתי המדיה. כמו במקרה של גלי אור, זוויות אלו קשורות זו לזו על ידי חוק Snell (Snell):

לפיכך, אם מהירות הקול במדיום השני קטנה מזו של הראשון, אזי זווית השבירה תהיה קטנה מזווית הפגיעה; אם המהירות במדיום השני גדולה יותר, אזי זווית השבירה תהיה גדולה יותר. מאשר זווית הפגיעה.

שבירה עקב שיפוע טמפרטורה.

אם מהירות הקול במדיום לא הומוגני משתנה ברציפות מנקודה לנקודה, אזי גם השבירה משתנה. מכיוון שמהירות הקול באוויר ובמים תלויה בטמפרטורה, בנוכחות שיפוע טמפרטורה, גלי קול יכולים לשנות את כיוון התנועה שלהם. באטמוספרה ובאוקיינוס, עקב ריבוד אופקי, נצפים בדרך כלל שיפועים אנכיים של טמפרטורה. לכן, עקב שינויים במהירות הקול לאורך האנכי, עקב שיפוע טמפרטורה, ניתן להטות את גל הקול למעלה או למטה.

הבה נבחן את המקרה שבו האוויר חם יותר במקום כלשהו ליד פני כדור הארץ מאשר בשכבות הגבוהות יותר. לאחר מכן, ככל שהגובה עולה, טמפרטורת האוויר כאן יורדת, ואיתה יורדת גם מהירות הקול. צליל הנפלט ממקור ליד פני כדור הארץ יעלה עקב שבירה. זה מוצג באיור. 13, אשר מציג קול "אלומות".

הסטת קרני הקול המוצגת באיור. 13 מתואר בדרך כלל על ידי חוק סנל. אם דרך ש, כמו קודם, מציינים את הזווית בין האנכי לכיוון הקרינה, אז לחוק סנל המוכלל יש צורה של חטא שוויון ש/v= const המתייחס לכל נקודה של הקורה. לפיכך, אם הקרן עוברת לאזור שבו המהירות vפוחת, ואז הזווית שצריך גם להקטין. לכן, אלומות הקול תמיד מוסטות לכיוון של ירידה במהירות הקול.

מתוך איור. 13 ניתן לראות שיש אזור שנמצא במרחק מה מהמקור, שאליו קרני הקול לא חודרות כלל. זה מה שנקרא אזור השתיקה.

בהחלט ייתכן שאיפשהו בגובה גדול מזה שמוצג באיור. 13, עקב שיפוע הטמפרטורה, מהירות הקול עולה עם הגובה. במקרה זה, גל הקול שסטה בתחילה כלפי מעלה יסטה כאן אל פני כדור הארץ במרחק גדול. זה קורה כאשר נוצרת שכבה של היפוך טמפרטורה באטמוספירה, וכתוצאה מכך ניתן לקבל אותות קול לטווח ארוך במיוחד. יחד עם זאת, איכות הקליטה בנקודות מרוחקות אפילו טובה יותר מאשר בקרבת מקום. היו דוגמאות רבות של קליטה לטווח ארוך במיוחד בהיסטוריה. לדוגמה, במהלך מלחמת העולם הראשונה, כאשר תנאי האטמוספירה העדיפו שבירה מתאימה של קול, ניתן היה לשמוע תותחים בחזית הצרפתית באנגליה.

שבירה של קול מתחת למים.

שבירת קול עקב שינויי טמפרטורה אנכיים נצפית גם באוקיינוס. אם הטמפרטורה, ולפיכך מהירות הקול, יורדת עם העומק, קרני הקול מוסטות כלפי מטה, וכתוצאה מכך נוצר אזור שקט דומה לזה שמוצג באיור. 13 לאווירה. עבור האוקיינוס, התמונה המתאימה תתברר אם התמונה הזו פשוט תהפוך.

נוכחותם של אזורי דממה מקשה על זיהוי צוללות עם סונאר, ושבירה, שמסיטה את גלי הקול כלפי מטה, מגבילה משמעותית את טווח ההתפשטות שלהן ליד פני השטח. עם זאת, נצפית גם סטייה כלפי מעלה. זה יכול ליצור תנאים נוחים יותר לסונאר.

הפרעה של גלי קול.

הסופרפוזיציה של שני גלים או יותר נקראת הפרעות גלים.

גלים עומדים כתוצאה מהפרעות.

הגלים העומדים לעיל הם מקרה מיוחד של הפרעות. גלים עומדים נוצרים כתוצאה מסופרפוזיציה של שני גלים בעלי אותה משרעת, פאזה ותדר, המתפשטים בכיוונים מנוגדים.

המשרעת באנטי-נודות של גל עומד שווה לשתי משרעת של כל אחד מהגלים. מכיוון שעוצמת הגל פרופורציונלית לריבוע המשרעת שלו, משמעות הדבר היא שהעוצמה באנטי-נודות גדולה פי 4 מעוצמת כל אחד מהגלים, או פי 2 מהעוצמה הכוללת של שני הגלים. אין כאן הפרה של חוק שימור האנרגיה, שכן העוצמה בצמתים היא אפס.

פעימות.

תיתכן גם הפרעה של גלים הרמוניים בתדרים שונים. כאשר שני תדרים שונים מעט, מתרחשות מה שנקרא פעימות. פעימות הן שינויים במשרעת הצליל המתרחשים בתדר השווה להפרש בין התדרים המקוריים. על איור. 14 מציג את צורת גל הקצב.

יש לזכור שתדר הקצב הוא התדר של אפנון המשרעת של הצליל. כמו כן, אין לבלבל בין פעימות לבין תדר ההבדל הנובע מעיוות של אות הרמוני.

פעימות משמשות לעתים קרובות בעת כוונון שני צלילים יחד. התדר מותאם עד שהפעימות אינן נשמעות יותר. גם אם תדירות הפעימה נמוכה מאוד, האוזן האנושית מסוגלת לקלוט את העלייה והירידה התקופתית בעוצמת הקול. לכן, פעימות הן שיטת כוונון רגישה מאוד בטווח האודיו. אם ההגדרה אינה מדויקת, ניתן לקבוע את הפרש התדרים לפי האוזן על ידי ספירת מספר הפעימות בשנייה אחת. במוזיקה, פעימות של מרכיבים הרמוניים גבוהים יותר נתפסים גם על ידי האוזן, המשמשת בעת כוונון הפסנתר.

קליטת גלי קול.

עוצמת גלי הקול בתהליך התפשטותם יורדת תמיד בשל העובדה שחלק מסוים מהאנרגיה האקוסטית מפוזר. בשל תהליכי העברת חום, אינטראקציה בין מולקולרית וחיכוך פנימי, גלי קול נספגים בכל תווך. עוצמת הקליטה תלויה בתדירות גל הקול ובגורמים נוספים כמו לחץ וטמפרטורה של המדיום.

קליטת גל בתווך מאופיינת מבחינה כמותית על ידי מקדם הספיגה א. זה מראה באיזו מהירות יורד הלחץ העודף בהתאם למרחק שעבר הגל המתפשט. ירידה באמפליטודה של לחץ יתר -D פ הכאשר עוברים מרחק D איקספרופורציונלי למשרעת של לחץ היתר הראשוני פ הומרחק ד איקס. בדרך זו,

-ד פ ה = א פ הד איקס.

לדוגמה, כשאומרים שהפסד הקליטה הוא 1 dB/m, זה אומר שבמרחק של 50 מ' רמת לחץ הקול מופחתת ב-50 dB.

ספיגה עקב חיכוך פנימי והולכת חום.

במהלך תנועת חלקיקים הקשורים להתפשטות של גל קול, חיכוך בין חלקיקים שונים של המדיום הוא בלתי נמנע. בנוזלים ובגזים, החיכוך הזה נקרא צמיגות. צמיגות, הקובעת את ההמרה הבלתי הפיכה של אנרגיית גל אקוסטית לחום, היא הסיבה העיקרית לקליטת הקול בגזים ובנוזלים.

בנוסף, הספיגה בגזים ובנוזלים נובעת מאיבוד חום במהלך הדחיסה בגל. כבר אמרנו שבמהלך מעבר הגל הגז בשלב הדחיסה מתחמם. בתהליך זורם מהיר זה, לרוב אין זמן לחום לעבור לאזורים אחרים של הגז או לדפנות הכלי. אבל במציאות, תהליך זה אינו אידיאלי, וחלק מהאנרגיה התרמית המשתחררת יוצא מהמערכת. קשורה לכך בליעת קול עקב הולכת חום. ספיגה כזו מתרחשת בגלי דחיסה בגזים, נוזלים ומוצקים.

ספיגת הקול, עקב הצמיגות והמוליכות התרמית כאחד, עולה בדרך כלל בריבוע התדר. לפיכך, צלילים בתדר גבוה נספגים הרבה יותר חזק מצלילים בתדר נמוך. לדוגמה, בלחץ וטמפרטורה רגילים, מקדם הספיגה (עקב שני המנגנונים) בתדר של 5 קילו-הרץ באוויר הוא כ-3 dB/km. מכיוון שהבליטה פרופורציונלית לריבוע התדר, מקדם הבליעה ב-50 קילו-הרץ הוא 300 dB/km.

ספיגה במוצקים.

מנגנון בליעת הקול עקב מוליכות חום וצמיגות, המתקיים בגזים ובנוזלים, נשמר גם במוצקים. אולם כאן מתווספים לו מנגנוני קליטה חדשים. הם קשורים לפגמים במבנה המוצקים. הנקודה היא שחומרים מוצקים רב גבישיים מורכבים מגבישים קטנים; כאשר קול עובר דרכם, מתרחשים עיוותים, המובילים לקליטת אנרגיית קול. צליל מפוזר גם בגבולות הגבישים. בנוסף, אפילו גבישים בודדים מכילים פגמים מסוג נקע התורמים לספיגת הקול. נקעים הם הפרות של התיאום של מטוסים אטומיים. כאשר גל הקול גורם לאטומים לרטוט, הנקעים נעים ואז חוזרים למיקומם המקורי, ומפזרים אנרגיה עקב חיכוך פנימי.

ספיגה עקב נקעים מסבירה, במיוחד, מדוע הפעמון המוביל אינו מצלצל. עופרת היא מתכת רכה עם הרבה נקעים, ולכן תנודות הקול בה מתפוררות מהר במיוחד. אבל זה יצלצל היטב אם הוא יתקרר באוויר נוזלי. בטמפרטורות נמוכות, נקעים "קופאים" במצב קבוע, ולכן אינם זזים ואינם ממירים אנרגיית קול לחום.

אקוסטיקה מוזיקלית

צלילים מוזיקליים.

אקוסטיקה מוזיקלית חוקרת את תכונותיהם של צלילים מוזיקליים, מאפייניהם הקשורים לאופן בו אנו תופסים אותם, ומנגנוני הצליל של כלי נגינה.

צליל או טון מוזיקלי הוא צליל תקופתי, כלומר. תנודות שחוזרות על עצמן שוב ושוב לאחר תקופה מסוימת. נאמר לעיל שניתן לייצג צליל תקופתי כסכום התנודות עם תדרים שהם כפולות של התדר הבסיסי ו: 2ו, 3ו, 4ווכו ' כמו כן, צוין כי מיתרים ועמודי אוויר רוטטים פולטים צלילים מוזיקליים.

צלילים מוזיקליים נבדלים על ידי שלושה מאפיינים: עוצמה, גובה צליל וגוון. כל האינדיקטורים הללו הם סובייקטיביים, אך ניתן לשייך אותם לערכים הנמדדים. עוצמת הקול קשורה בעיקר לעוצמת הצליל; גובה הצליל, המאפיין את מיקומו במערכת המוזיקלית, נקבע לפי תדירות הטון; הגוון, שבו נבדלים כלי או קול אחד מאחרים, מתאפיין בחלוקת האנרגיה על פני ההרמוניות ובשינוי בהתפלגות זו לאורך זמן.

גובה הצליל.

הגובה של צליל מוזיקלי קשור קשר הדוק לתדר, אך אינו זהה לו, שכן הערכת הגובה היא סובייקטיבית.

כך, למשל, נמצא כי אומדן הגובה של צליל חד-תדר תלוי במידה מסוימת ברמת העוצמה שלו. עם עלייה משמעותית בנפח, נניח 40 dB, התדר הנראה יכול לרדת ב-10%. בפועל, התלות הזו בעוצמה אינה משנה, שכן צלילים מוזיקליים מורכבים הרבה יותר מצליל חד-תדר.

בשאלת הקשר בין גובה הצליל לתדר, משהו אחר משמעותי יותר: אם צלילים מוזיקליים מורכבים מהרמוניות, אז עם איזה תדר משויך הגובה הנתפס? מסתבר שאולי זה לא התדר שמתאים לאנרגיה המקסימלית, ולא התדר הנמוך בספקטרום. כך, למשל, צליל מוזיקלי המורכב ממערכת של תדרים של 200, 300, 400 ו-500 הרץ נתפס כצליל בגובה של 100 הרץ. כלומר, גובה הצליל קשור לתדר היסודי של הסדרה ההרמונית, גם אם הוא לא בספקטרום הצליל. נכון, לרוב התדר הבסיסי קיים במידה מסוימת בספקטרום.

אם כבר מדברים על הקשר בין הגובה והתדר שלו, אסור לשכוח את התכונות של איבר השמיעה האנושי. זהו רסיבר אקוסטי מיוחד שמציג עיוותים משלו (שלא לדבר על העובדה שיש היבטים פסיכולוגיים וסובייקטיביים של השמיעה). האוזן מסוגלת לבחור כמה תדרים, בנוסף, גל הקול עובר בו עיוותים לא ליניאריים. סלקטיביות התדר נובעת מההבדל בין עוצמת הצליל לעוצמתו (איור 9). קשה יותר להסביר עיוותים לא ליניאריים, המתבטאים בהופעה של תדרים שנעדרים באות המקורי. האי-לינאריות של תגובת האוזן נובעת מאסימטריה של התנועה של מרכיביה השונים.

אחת המאפיינים האופייניים של מערכת קליטה לא ליניארית היא שכאשר היא מתרגשת על ידי צליל עם תדר ו 1 צלילים הרמוניים מתרגשים בו 2 ו 1 , 3ו 1 ,..., ובמקרים מסוימים גם תת הרמוניות מסוג 1/2 ואחד . בנוסף, כאשר מערכת לא ליניארית מתרגשת בשני תדרים ו 1 ו ו 2, תדרי הסכום וההבדל נרגשים בו ו 1 + ו 2 ו ו 1 - ו 2. ככל שהמשרעת של התנודות הראשוניות גדולה יותר, כך תרומתם של תדרים "נוספים" גדולה יותר.

לפיכך, בשל חוסר הליניאריות של המאפיינים האקוסטיים של האוזן, עשויים להופיע תדרים שנעדרים בצליל. תדרים כאלה נקראים צלילים סובייקטיביים. נניח שהסאונד מורכב מגוונים טהורים עם תדרים של 200 ו-250 הרץ. בשל חוסר הלינאריות של התגובה, יופיעו תדרים נוספים 250 - 200 = 50, 250 + 200 = 450, 2' 200 = 400, 2' 250 = 500 הרץ וכו'. למאזין ייראה שיש סט שלם של שילוב תדרים בצליל, אך המראה שלהם נובע למעשה מהתגובה הלא לינארית של האוזן. כאשר צליל מוזיקלי מורכב מתדר יסוד ומהרמוניות שלו, ברור שהתדר הבסיסי מוגבר למעשה על ידי תדרי ההבדל.

נכון, מחקרים הראו שתדרים סובייקטיביים נוצרים רק במשרעת גדולה מספיק של האות המקורי. לכן, ייתכן שבעבר תפקידם של התדרים הסובייקטיביים במוזיקה היה מוגזם מאוד.

סטנדרטים מוזיקליים ומדידת גובה הצליל המוזיקלי.

בהיסטוריה של המוזיקה, צלילים בתדרים שונים נלקחו כטון הראשי, הקובע את המבנה המוזיקלי כולו. כעת התדר המקובל עבור התו "la" של האוקטבה הראשונה הוא 440 הרץ. אבל בעבר זה השתנה מ-400 ל-462 הרץ.

הדרך המסורתית לקבוע את גובה הצליל היא להשוות אותו לטון של מזלג כוונון סטנדרטי. הסטייה של התדר של צליל נתון מהתקן נשפטת על פי נוכחות של פעימות. מזלגות הכוונון עדיין בשימוש, אם כי כעת ישנם מכשירים נוחים יותר לקביעת הגובה, כגון מתנד ייחוס תדר יציב (עם מהוד קוורץ), שניתן לכוון בצורה חלקה בכל טווח הצלילים. נכון, הכיול המדויק של מכשיר כזה הוא די קשה.

השיטה הסטרובוסקופית למדידת גובה הצליל נמצאת בשימוש נרחב, שבה צליל של כלי נגינה קובע את תדירות ההבזקים של מנורת הסטרוב. המנורה מאירה דפוס על גבי דיסק המסתובב בתדר ידוע, והתדר הבסיסי של הטון נקבע על פי תדירות התנועה הנראית לעין של הדפוס על הדיסק תחת תאורה סטרובוסקופית.

האוזן רגישה מאוד לשינוי גובה הצליל, אך הרגישות שלה תלויה בתדירות. זה מקסימום ליד הסף התחתון של השמיעה. אפילו אוזן לא מאומנת יכולה לזהות רק 0.3% הבדל בתדרים בין 500 ל-5000 הרץ. ניתן להגביר את הרגישות על ידי אימון. למוזיקאים יש חוש גובה מפותח מאוד, אבל זה לא תמיד עוזר בקביעת התדר של הטון הטהור שמפיק מתנד ההתייחסות. זה מצביע על כך שכאשר קובעים את התדירות של צליל באוזן, הגוון שלו משחק תפקיד חשוב.

גָוֶן.

גוון מתייחס לאותם תכונות של צלילים מוזיקליים המעניקים לכלי נגינה ולקולות את הספציפיות הייחודית שלהם, גם אם נשווה צלילים באותו גובה ועוצמה. זו, כביכול, איכות הסאונד.

הגוון תלוי בספקטרום התדרים של הצליל ובשינוי שלו לאורך זמן. היא נקבעת על ידי מספר גורמים: התפלגות האנרגיה על פני צלילי על, התדרים המתרחשים ברגע שהצליל מופיע או נעצר (מה שנקרא צלילי המעבר) והדעיכה שלהם, כמו גם האמפליטודה והאפנון התדר האיטי של הצליל ("ויברטו").

עוצמת גוון יתר.

קחו בחשבון מיתר מתוח, שמתרגש על ידי צביטה בחלקו האמצעי (איור 15, א). מכיוון שלכל ההרמוניות הזוגיות יש צמתים באמצע, הם יהיו נעדרים, והתנודות יהיו מורכבות מהרמוניות אי-זוגיות בתדר הבסיסי השווה ל. ו 1 = v/2ל, איפה v-מהירות הגל במיתר, ו להוא אורכו. לפיכך, רק תדרים יהיו נוכחים ו 1 , 3ו 1 , 5ו 1 וכו' האמפליטודות היחסיות של הרמוניות אלה מוצגות באיורים. חֲמֵשׁ עֶשׂרֵה, ב.

דוגמה זו מאפשרת לנו להסיק את המסקנה הכללית החשובה הבאה. קבוצת ההרמוניות של מערכת תהודה נקבעת על פי תצורתה, והתפלגות האנרגיה על פני הרמוניות תלויה בשיטת העירור. כאשר המיתר מתרגש באמצעו, התדר הבסיסי שולט וההרמוניות הזוגיות מדוכאות לחלוטין. אם המיתר מקובע בחלקו האמצעי ומרוט במקום אחר, אזי התדר הבסיסי וההרמוניה האי-זוגית ידחקו.

כל זה חל על כלי נגינה ידועים אחרים, אם כי הפרטים יכולים להיות שונים מאוד. לכלים יש בדרך כלל חלל אוויר, לוח סאונד או קרן כדי להפיק קול. כל זה קובע את מבנה הטונים העיליים ואת המראה של פורמנטים.

פורמנטים.

כפי שהוזכר לעיל, איכות הצליל של כלי נגינה תלויה בחלוקת האנרגיה בין ההרמוניות. כאשר משנים את גובה הצליל של כלים רבים, ובמיוחד של הקול האנושי, התפלגות ההרמוניות משתנה כך שהצלילים הראשיים ממוקמים תמיד בערך באותו טווח תדרים, הנקרא טווח הפורמנט. אחת הסיבות לקיומם של פורמנטים היא השימוש באלמנטים תהודה להגברת הסאונד, כגון לוחות סאונד ותהודי אוויר. רוחב הרזוננסים הטבעיים הוא בדרך כלל גדול, שבגללו יעילות הקרינה בתדרים המקבילים גבוהה יותר. עבור כלי נשיפה, הפורמנטים נקבעים לפי הפעמון שממנו נפלט הצליל. הצלילים העיליים שנופלים בטווח הפורמננטיים מודגשים תמיד מאוד, מכיוון שהם נפלטים באנרגיה מקסימלית. פורמנטים קובעים במידה רבה את התכונות האיכותיות האופייניות של הצלילים של כלי נגינה או קול.

שינוי צלילים לאורך זמן.

הטון של הצליל של כל כלי רק לעתים נדירות נשאר קבוע לאורך זמן, והגוון קשור בעצם לזה. גם כאשר הכלי מחזיק צליל ארוך, יש אפנון מחזורי קל של תדר ואמפליטודה, המעשיר את הצליל - "ויברטו". זה נכון במיוחד עבור כלי מיתר כמו כינור ועבור הקול האנושי.

עבור כלים רבים, כמו הפסנתר, משך הצליל הוא כזה שלטון קבוע אין זמן להיווצר - הצליל הנרגש מתגבר במהירות, ואז מגיעה דעיכה מהירה שלו. מכיוון שהדעיכה של צלילי העל נובעת בדרך כלל מהשפעות תלויות תדר (כגון קרינה אקוסטית), ברור שהתפלגות צלילי העל משתנה במהלך הטון.

אופי השינוי בטון לאורך זמן (קצב העלייה והירידה של הצליל) עבור חלק מהמכשירים מוצג באופן סכמטי באיור. 18. כפי שאתה יכול לראות, לכלי מיתר (קטוע וקלידים) אין כמעט טון קבוע. במקרים כאלה, אפשר לדבר על ספקטרום הצלילים העליונים רק בתנאי, שכן הצליל משתנה במהירות בזמן. מאפייני העלייה והירידה הם גם חלק חשוב מהגוון של מכשירים אלה.

צלילי מעבר.

ההרכב ההרמוני של טון משתנה בדרך כלל במהירות תוך זמן קצר לאחר עירור הצליל. באותם כלים שבהם הצליל מתרגש על ידי מכה במיתרים או מריטה, האנרגיה המיוחסת להרמוניות גבוהות יותר (כמו גם לרכיבים לא הרמוניים רבים) היא מקסימלית מיד לאחר תחילת הצליל, ולאחר שבריר שנייה התדרים הללו. לִדעוֹך. צלילים כאלה, הנקראים מעברי, נותנים צביעה ספציפית לצליל הכלי. בפסנתר הם נגרמים מפעולת הפטיש שפוגע במיתר. לפעמים ניתן להבחין בכלי נגינה בעלי אותו מבנה צליל על רק על פי צלילי המעבר שלהם.

הצליל של כלי נגינה

ניתן לרגש ולשנות צלילים מוזיקליים בדרכים רבות, ולכן כלי נגינה נבדלים במגוון צורות. כלי נגינה נוצרו ושופרו בעיקר על ידי הנגנים עצמם ועל ידי בעלי מלאכה מיומנים שלא פנו לתיאוריה מדעית. לכן, המדע האקוסטי אינו יכול להסביר, למשל, מדוע לכינור יש צורה כזו. עם זאת, ניתן בהחלט לתאר את תכונות הצליל של כינור במונחים של העקרונות הכלליים של נגינה ובנייה בכינור.

טווח התדרים של מכשיר מובן בדרך כלל כטווח התדרים של צלילי היסוד שלו. הקול האנושי מכסה כשתי אוקטבות, וכלי נגינה - לפחות שלוש (עוגב גדול - עשרה). ברוב המקרים, הצלילים העליונים משתרעים עד לקצה טווח הצליל הנשמע.

לכלי נגינה שלושה חלקים עיקריים: אלמנט מתנודד, מנגנון לעירור שלו ומהוד עזר (צופר או לוח סאונד) לתקשורת אקוסטית בין האלמנט המתנודד לאוויר הסובב.

צליל מוזיקלי הוא תקופתי בזמן, וצלילים תקופתיים מורכבים מסדרה של הרמוניות. מכיוון שהתדרים הטבעיים של תנודות מיתרים ועמודי אוויר באורך קבוע קשורים באופן הרמוני, במכשירים רבים האלמנטים הרוטטים העיקריים הם מיתרים ועמודי אוויר. למעט כמה יוצאי דופן (החליל הוא אחד מהם), לא ניתן לקחת צליל חד-תדר על כלים. כאשר הוויברטור הראשי מתרגש, מתעורר צליל המכיל צלילים עיליים. חלק מתדרי התהודה של ויברטורים אינם רכיבים הרמוניים. כלים מהסוג הזה (למשל תופים ומצלתיים) משמשים במוזיקה תזמורתית לשם ביטוי מיוחד ודגש על קצב, אך לא לפיתוח מלודי.

כלי מיתר.

כשלעצמו, מיתר רוטט הוא פולט גרוע של צליל, ולכן לכלי מיתר חייב להיות מהוד נוסף כדי לעורר צליל בעוצמה ניכרת. זה יכול להיות נפח סגור של אוויר, סיפון או שילוב של שניהם. אופי הצליל של הכלי נקבע גם על פי אופן התרגשות המיתרים.

ראינו קודם לכן כי התדר הבסיסי של תנודה של מיתר קבוע באורך לניתן ע"י

איפה טהוא כוח המתיחה של המיתר, ו ר להיא המסה ליחידת אורך של המיתר. לכן, אנו יכולים לשנות את התדר בשלוש דרכים: על ידי שינוי האורך, המתח או המסה. כלים רבים משתמשים במספר קטן של מיתרים באותו אורך, שהתדרים הבסיסיים שלהם נקבעים על ידי הבחירה הנכונה של מתח ומסה. תדרים אחרים מתקבלים על ידי קיצור אורך המיתר בעזרת האצבעות.

לכלי נגינה אחרים, כמו הפסנתר, יש מיתר אחד מני רבים המכוונים מראש לכל תו. כוונון פסנתר שבו טווח התדרים גדול זו משימה לא פשוטה, במיוחד באזור התדרים הנמוכים. כוח המתח של כל מיתרי הפסנתר כמעט זהה (כ-2 קילו-ניין), ומגוון התדרים מושג על ידי שינוי אורך ועובי המיתרים.

כלי מיתר יכול להתרגש במריטה (לדוגמה, בנבל או בנג'ו), מכה (על פסנתר), או בקשת (במקרה של כלי נגינה ממשפחת הכינורות). בכל המקרים, כפי שמוצג לעיל, מספר ההרמוניות והמשרעת שלהן תלויים באופן הנרגש של המיתר.

פְּסַנְתֵר.

דוגמה טיפוסית לכלי שבו עירור של מיתר מופק על ידי מכה הוא ה-pianoforte. לוח הסאונד הגדול של הכלי מספק מגוון רחב של פורמנטים, כך שהגוון שלו אחיד מאוד לכל תו נרגש. המקסימום של הפורמנטים הראשיים מתרחשים בתדרים בסדר גודל של 400-500 הרץ, ובתדרים נמוכים יותר, הצלילים עשירים במיוחד בהרמוניות, ומשרעת התדר הבסיסי קטנה מזו של חלק מהצלילים העליונים. בפסנתר, הפטיש על כל המיתרים, מלבד הקצרים ביותר, נופל על נקודה הממוקמת 1/7 מאורך המיתר מאחד מקצותיו. זה מוסבר בדרך כלל על ידי העובדה שבמקרה זה ההרמונית השביעית, שהיא דיסוננטית ביחס לתדר הבסיסי, מדוכאת באופן משמעותי. אבל בגלל הרוחב הסופי של ה-malleus, הרמוניות אחרות הממוקמות ליד השביעי מדוכאות גם הן.

משפחת כינורות.

במשפחת הכלים של הכינורות, צלילים ארוכים מופקים על ידי קשת המפעילה כוח מניע משתנה על המיתר כדי לשמור על רטט המיתר. בפעולת קשת נעה, החוט נמשך הצידה עקב חיכוך עד שהוא נשבר עקב עלייה בכוח המתיחה. חוזרים למיקומו המקורי, הוא נסחף שוב על ידי הקשת. תהליך זה חוזר על עצמו כך שכוח חיצוני תקופתי פועל על המיתר.

לפי סדר הגדלת הגודל והקטנת טווח התדרים, כלי המיתר הראשיים עם קשת מסודרים באופן הבא: כינור, ויולה, צ'לו, קונטרבס. ספקטרום התדרים של הכלים הללו עשיר במיוחד בצליל על, מה שללא ספק מעניק חום וכושר ביטוי מיוחד לצליל שלהם. במשפחת הכינורות, המיתר הרוטט מחובר אקוסטית לחלל האוויר ולגוף הכלי, הקובעים בעיקר את מבנה הפורמנטים, התופסים טווח תדרים רחב מאוד. לנציגים גדולים של משפחת הכינורות יש קבוצה של פורמנטים המוזזים לעבר תדרים נמוכים. לכן, אותו צליל שנלקח בשני כלים ממשפחת הכינורות מקבל צבע גוון שונה בשל השוני במבנה הצלילים העליונים.

לכינור יש תהודה בולטת ליד 500 הרץ, בשל צורת גופו. כאשר מושמע צליל שהתדר שלו קרוב לערך זה, ניתן להפיק צליל רטט לא רצוי הנקרא "טון זאב". לחלל האוויר בתוך גוף הכינור יש גם תדרי תהודה משלו, שהעיקרי שבהם ממוקם ליד 400 הרץ. בשל צורתו המיוחדת, לכינור יש מספר רב של רזוננסים מרווחים. כולם, פרט לטון הזאב, לא ממש בולטים בספקטרום הכללי של הצליל שחולץ.

כלי נשיפה.

כלי נשיפה מעץ.

תנודות טבעיות של אוויר בצינור גלילי באורך סופי נדונו קודם לכן. תדרים טבעיים יוצרים סדרה של הרמוניות, שהתדר הבסיסי שלהן עומד ביחס הפוך לאורך הצינור. צלילים מוזיקליים בכלי נשיפה עולים עקב עירור תהודה של עמוד האוויר.

תנודות אוויר מעוררות או על ידי רעידות בסילון האוויר הנופלות על הקצה החד של דופן התהודה, או על ידי רעידות של המשטח הגמיש של הלשון בזרימת האוויר. בשני המקרים, שינויים בלחץ תקופתיים מתרחשים באזור מקומי של חבית הכלי.

הראשונה מבין שיטות העירור הללו מבוססת על התרחשותם של "גווני קצה". כאשר זרם אוויר יוצא מהחריץ, נשבר על ידי מכשול בצורת טריז עם קצה חד, מופיעות מעת לעת מערבולות - תחילה בצד אחד, ואז בצד השני של הטריז. תדירות היווצרותם גדולה יותר, ככל שמהירות זרימת האוויר גדולה יותר. אם התקן כזה מחובר אקוסטי לעמוד אוויר מהדהד, אזי תדר צליל הקצה "נתפס" על ידי תדר התהודה של עמוד האוויר, כלומר. תדירות היווצרות מערבולת נקבעת על ידי עמוד האוויר. בתנאים כאלה, התדר העיקרי של עמוד האוויר מתרגש רק כאשר מהירות זרימת האוויר עולה על ערך מינימלי מסוים. בטווח מסוים של מהירויות העולה על ערך זה, התדר של צליל הקצה שווה לתדר הבסיסי הזה. במהירות זרימת אוויר גבוהה עוד יותר (בסמוך לזו שבה תדר הקצוות בהעדר תקשורת עם המהוד יהיה שווה להרמונית השנייה של המהוד), תדר הקצוות מוכפל בפתאומיות והגובה הנפלט על ידי כל המערכת מסתובב. יוצאת להיות אוקטבה גבוהה יותר. זה נקרא הצפה.

צלילי קצה מרגשים עמודי אוויר בכלים כמו עוגב, חליל ופיקולו. כאשר מנגנים בחליל, המבצע מלהיב את גווני הקצוות על ידי נשיפה מהצד לתוך חור צדדי ליד אחד הקצוות. תווים של אוקטבה אחת, החל מ"D" ומעלה, מתקבלים על ידי שינוי האורך האפקטיבי של הקנה, פתיחת החורים הצדדיים, עם גוון קצה רגיל. אוקטבות גבוהות יותר מוגזמות.

דרך נוספת לעורר את צליל כלי נשיפה מבוססת על הפסקה תקופתית של זרימת האוויר על ידי לשון מתנודדת, הנקראת קנה, שכן היא עשויה מקנים. שיטה זו משמשת בכלי נשיפה ונשיפה שונים מעץ. ישנן אפשרויות עם קנה בודד (כמו, למשל, בכלי קלרינט, סקסופון ואקורדיון) ועם קנה כפול סימטרי (כמו, למשל, באבוב ובסון). בשני המקרים, תהליך התנודה זהה: אוויר מועף דרך חריץ צר, בו הלחץ יורד בהתאם לחוק ברנולי. במקביל, המקל נמשך לתוך הרווח ומכסה אותו. בהיעדר זרימה, המקל האלסטי מתיישר והתהליך חוזר על עצמו.

בכלי נשיפה, בחירת התווים של הסולם, כמו בחליל, מתבצעת על ידי פתיחת החורים הצדדיים ומקיפת יתר.

בניגוד לצינור הפתוח בשני קצותיו, שיש לו סט מלא של צלילי על, לצינור הפתוח רק בקצה אחד יש רק הרמוניות מוזרות ( ס"מ. מֵעַל). זוהי התצורה של הקלרינט, ולכן אפילו הרמוניות מתבטאות בה בצורה חלשה. נפיחות יתר בקלרינט מתרחשת בתדירות הגבוהה פי 3 מהראשי.

באבוב, ההרמוניה השנייה די אינטנסיבית. הוא נבדל מהקלרינט בכך שלקדח שלו יש צורה חרוטית, בעוד שבקלרינט חתך הקדח קבוע לאורך רוב אורכו. קשה יותר לחשב את התדרים בחבית חרוטית מאשר בצינור גלילי, אבל עדיין יש מגוון שלם של צלילים. במקרה זה, תדרי התנודה של צינור חרוטי עם קצה צר סגור זהים לאלו של צינור גלילי פתוח בשני הקצוות.

כלי נשיפה מפליז.

פליז, לרבות קרן, חצוצרה, קורנט-בוכנה, טרומבון, קרן וטובה, מתרגשים מהשפתיים, שפעולתם, בשילוב עם שופר בעל צורה מיוחדת, דומה לזו של קנה כפול. לחץ האוויר בזמן עירור קול גבוה בהרבה כאן מאשר בכלי נשיפה מעץ. כלי נשיפה פליז, ככלל, הם חבית מתכת עם חלקים גליליים וקוניים, המסתיימים בפעמון. הקטעים נבחרים כך שכל מגוון ההרמוניות מסופק. האורך הכולל של הקנה נע בין 1.8 מ' לצינור ועד 5.5 מ' לטובה. הטובה בצורת שבלול לצורך קלות הטיפול, לא מסיבות אקוסטיות.

עם אורך קבוע של הקנה, לרשות המבצע יש רק תווים הנקבעים על פי התדרים הטבעיים של הקנה (יתרה מכך, התדר הבסיסי בדרך כלל "לא נלקח"), והרמוניות גבוהות יותר מתרגשות על ידי הגדלת לחץ האוויר בפיה . לפיכך, ניתן לנגן רק כמה צלילים (שני, שלישי, רביעי, חמישי ושישי) על בוגל באורך קבוע. בכלי נשיפה אחרים, התדרים השוכבים בין ההרמוניות נלקחים עם שינוי באורך החבית. הטרומבון ייחודי במובן זה, שאורך הקנה שלו מווסת על ידי התנועה החלקה של הכנפיים הנשלפות בצורת U. ספירת התווים של כל הסולם מסופקת על ידי שבעה עמדות שונות של הכנפיים עם שינוי בגוון העל הנרגש של תא המטען. בכלי פליז אחרים, זה מושג על ידי הגדלת האורך הכללי של הקנה ביעילות עם שלושה קדחים לרוחב באורכים ושילובים משתנים. זה נותן שבעה אורכי חבית שונים. כמו בטרומבון, התווים של הסולם כולו מנוגנים על ידי עירור של סדרות שונות של צלילים על התואמים לשבעת אורכי הגזע הללו.

הצלילים של כל כלי הנשיפה עשירים בהרמוניות. הדבר נובע בעיקר מנוכחות פעמון, מה שמגביר את יעילות פליטת הקול בתדרים גבוהים. החצוצרה והקרן נועדו לנגן מגוון רחב הרבה יותר של הרמוניות מאשר ה-bugle. החלק של החצוצרה הסולו ביצירותיו של I. Bach מכיל קטעים רבים באוקטבה הרביעית של הסדרה, המגיעים להרמונית ה-21 של כלי זה.

כלי הקשה.

כלי הקשה משמיעים צליל על ידי פגיעה בגוף הכלי ובכך מרגשים את תנודותיו החופשיות. מהפסנתר, שבו גם תנודות מתרגשות ממכה, כלים כאלה נבדלים בשני היבטים: גוף רוטט אינו נותן צלילים הרמוניים, והוא עצמו יכול לפלוט צליל ללא תהודה נוסף. כלי הקשה כוללים תופים, מצלתיים, קסילופון ומשולש.

התנודות של מוצקים מורכבות הרבה יותר מאלו של מהוד אוויר באותה צורה, מכיוון שיש יותר סוגי תנודות במוצקים. אז, גלים של דחיסה, כיפוף ופיתול יכולים להתפשט לאורך מוט מתכת. לכן, למוט גלילי יש הרבה יותר מצבי רטט, ולכן, תדרי תהודה מאשר עמוד אוויר גלילי. בנוסף, תדרי התהודה הללו אינם יוצרים סדרה הרמונית. הקסילופון משתמש בתנודות הכיפוף של מוטות מוצקים. יחסי הצלילים של פס הקסילופון הרוטט לתדר הבסיסי הם: 2.76, 5.4, 8.9 ו-13.3.

מזלג כוונון הוא מוט מעוגל מתנודד, וסוג התנודה העיקרי שלו מתרחש כאשר שתי הזרועות מתקרבות זו לזו או מתרחקות זו מזו. למזלג הכוונון אין סדרה הרמונית של צלילים, ורק התדר הבסיסי שלו משמש. התדר של הצליל הראשון שלו הוא יותר מפי 6 מהתדר הבסיסי.

דוגמה נוספת לגוף מוצק מתנודד שמפיק צלילים מוזיקליים היא פעמון. גדלים של פעמונים יכולים להיות שונים - מפעמון קטן ועד פעמוני כנסייה מרובי טון. ככל שהפעמון גדול יותר, כך הצלילים שהוא משמיע נמוך יותר. צורתם ותכונותיהם האחרות של הפעמונים עברו שינויים רבים במהלך האבולוציה בת מאות השנים שלהם. מעט מאוד מפעלים עוסקים בייצור שלהם, מה שדורש מיומנות רבה.

סדרת הצלילים הראשונית של הפעמון אינה הרמונית, ויחסי הצלילים אינם זהים עבור פעמונים שונים. כך, למשל, עבור פעמון גדול אחד, היחסים הנמדדים של תדרי צלילי העל לתדר הבסיסי היו 1.65, 2.10, 3.00, 3.54, 4.97 ו-5.33. אבל התפלגות האנרגיה על פני הצלילים העליונים משתנה במהירות מיד לאחר הפעמון, ונראה שצורת הפעמון נבחרה כך שהתדרים הדומיננטיים קשורים זה לזה באופן הרמוני בערך. גובה הפעמון נקבע לא על פי התדר הבסיסי, אלא על ידי הצליל השולט מיד לאחר הנגיחה. זה תואם בערך את הטון החמישי של הפעמון. לאחר זמן מה, הצלילים הנמוכים מתחילים לשלוט בצליל הפעמון.

בתוף, האלמנט הרוטט הוא קרום עור, בדרך כלל עגול, אשר יכול להיחשב כאנלוגי דו מימדי של מיתר מתוח. במוזיקה, התוף אינו חשוב כמו המיתר, מכיוון שהסט הטבעי של התדרים הטבעיים שלו אינו הרמוני. היוצא מן הכלל הוא הטימפני, שהקרום שלו נמתח על תהודה אוויר. ניתן להפוך את רצף צלילי התוף להרמוני על ידי שינוי עובי הראש בכיוון הרדיאלי. דוגמה לתוף כזה היא טבלהמשמש במוזיקה הודית קלאסית.

מתרחש במדיה גזים, נוזליים ומוצקים, אשר בהגיעם לאיברי השמיעה האנושיים, נתפס בעיניהם כקול. התדירות של גלים אלו נעה בטווח שבין 20 ל-20,000 תנודות בשנייה. אנו נותנים נוסחאות לגל קול ושוקלים את תכונותיו ביתר פירוט.

מדוע מופיע גל קול?

אנשים רבים תוהים מהו גל קול. טבעו של הקול טמון בהתרחשות של הפרעות בתווך אלסטי. לדוגמה, כאשר מתרחשת הפרעת לחץ בצורת דחיסה בנפח מסוים של אוויר, אזור זה נוטה להתפשט בחלל. תהליך זה מוביל לדחיסת אוויר באזורים הסמוכים למקור, שגם הם נוטים להתרחב. תהליך זה מכסה יותר ויותר מהחלל עד שהוא מגיע למקלט כלשהו, ​​למשל, האוזן האנושית.

מאפיינים כלליים של גלי קול

שקול את השאלות של מהו גל קול וכיצד הוא נתפס על ידי האוזן האנושית. גל הקול הוא אורכי; כאשר הוא נכנס למעטפת האוזן, הוא גורם לעור התוף לרטוט בתדירות ובמשרעת מסוימים. אתה יכול גם לייצג את התנודות האלה כשינויים תקופתיים בלחץ במיקרונפח האוויר הסמוך לממברנה. ראשית, הוא עולה ביחס ללחץ אטמוספרי רגיל, ולאחר מכן יורד, תוך ציות לחוקים המתמטיים של תנועה הרמונית. משרעת השינויים בדחיסת האוויר, כלומר ההפרש בין הלחץ המרבי או המינימלי שנוצר על ידי גל קול, עם לחץ אטמוספרי הוא פרופורציונלי למשרעת של גל הקול עצמו.

ניסויים פיזיקליים רבים הראו שהלחץ המקסימלי שהאוזן האנושית יכולה לתפוס מבלי לפגוע בה הוא 2800 µN/cm 2 . לשם השוואה, נניח שהלחץ האטמוספרי ליד פני כדור הארץ הוא 10 מיליון µN/cm 2 . בהתחשב במידתיות של לחץ ומשרעת של תנודות, אנו יכולים לומר שהערך האחרון אינו משמעותי אפילו עבור הגלים החזקים ביותר. אם נדבר על אורך גל קול, אז עבור תדר של 1000 רעידות בשנייה זה יהיה אלפית הסנטימטר.

הצלילים החלשים ביותר יוצרים תנודות לחץ בסדר גודל של 0.001 μN / ס"מ 2, המשרעת המתאימה של תנודות גל לתדר של 1000 הרץ היא 10 -9 ס"מ, בעוד שהקוטר הממוצע של מולקולות האוויר הוא 10 -8 ס"מ, כלומר, האוזן האנושית היא איבר רגיש במיוחד.

הרעיון של עוצמת גלי הקול

מנקודת מבט גיאומטרית, גל קול הוא רטט בצורה מסוימת, אך מנקודת מבט פיזית, המאפיין העיקרי של גלי הקול הוא יכולתם להעביר אנרגיה. הדוגמה החשובה ביותר להעברת אנרגיית גלים היא השמש, שהגלים האלקטרומגנטיים המוקרנים שלה מספקים אנרגיה לכל כוכב הלכת שלנו.

עוצמת גל קול בפיזיקה מוגדרת ככמות האנרגיה שנושא גל דרך משטח יחידה, המאונך להתפשטות הגל, ולכל יחידת זמן. בקיצור, עוצמת הגל היא הכוח שלו המועבר דרך יחידת שטח.

עוצמת גלי הקול נמדדת בדרך כלל בדציבלים, המבוססים על סולם לוגריתמי, נוח לניתוח מעשי של התוצאות.

עוצמת צלילים שונים

סולם הדציבלים הבא נותן מושג על משמעות השונה והתחושות שהוא גורם:

• הסף של תחושות לא נעימות ולא נוחות מתחיל ב-120 דציבלים (dB);
• הפטיש המרתק יוצר רעש של 95 dB;
• רכבת מהירה - 90 dB;
• רחוב עם עומס תנועה כבד - 70 dB;
• עוצמת הקול של שיחה רגילה בין אנשים - 65 dB;
• מכונית מודרנית הנעה במהירויות מתונות מייצרת רעש של 50 dB;
• עוצמת הקול הממוצעת של הרדיו - 40 dB;
• שיחה שקטה - 20 dB;
• רעש עלווה עצים - 10 dB;
• הסף המינימלי של רגישות לצליל אנושי קרוב ל-0 dB.

רגישות האוזן האנושית תלויה בתדר הקול והיא הערך המקסימלי לגלי קול בתדר של 2000-3000 הרץ. עבור צליל בטווח תדרים זה, הסף התחתון של רגישות אנושית הוא 10 -5 dB. תדרים גבוהים ונמוכים מהמרווח שצוין מביאים לעלייה בסף הרגישות התחתון באופן שאדם שומע תדרים קרובים ל-20 הרץ ו-20,000 הרץ רק בעוצמתם של כמה עשרות dB.

באשר לסף העוצמה העליון, שאחריו הקול מתחיל לגרום אי נוחות לאדם ואף לכאב, יש לומר שהוא למעשה אינו תלוי בתדר ונמצא בטווח של 110-130 dB.

מאפיינים גיאומטריים של גל קול

גל קול אמיתי הוא חבילה מורכבת תנודתית של גלים אורכיים, שניתן לפרק לתנודות הרמוניות פשוטות. כל תנודה כזו מתוארת מנקודת מבט גיאומטרית על ידי המאפיינים הבאים:

1. משרעת - הסטייה המקסימלית של כל קטע של הגל משיווי המשקל. ערך זה מסומן A.
2. פרק זמן. זה הזמן שלוקח לגל פשוט להשלים את התנודה המלאה שלו. לאחר זמן זה, כל נקודה של הגל מתחילה לחזור על תהליך התנודה שלה. התקופה מסומנת בדרך כלל באות T ונמדדת בשניות במערכת SI.
3. תדירות. זוהי גודל פיזיקלי שמראה כמה תנודות מבצע גל נתון בשנייה. כלומר, במשמעותו, זהו ערך הפוך לתקופה. הוא מסומן f. לתדירות של גל קול, הנוסחה לקביעתו במונחים של תקופה היא כדלקמן: f = 1/T.
4. אורך הגל הוא המרחק שהוא עובר בתקופה אחת של תנודה. מבחינה גיאומטרית, אורך הגל הוא המרחק בין שני מקסימומים הקרובים ביותר או שתי מינימות הקרובות ביותר על עקומה סינוסואידית. אורך התנודה של גל קול הוא המרחק בין האזורים הקרובים ביותר של דחיסת אוויר או המקומות הקרובים ביותר של הנדירות שלו בחלל שבו הגל נע. זה מסומן בדרך כלל באות היוונית λ.
5. מהירות ההתפשטות של גל קול היא המרחק שבו מתפשט אזור הדחיסה או אזור הנדירות של הגל ליחידת זמן. ערך זה מסומן באות v. למהירות של גל קול, הנוסחה היא: v = λ*f.

הגיאומטריה של גל קול טהור, כלומר, גל של טוהר מתמיד, מצייתת לחוק סינוסואידי. במקרה הכללי, נוסחת גלי הקול היא: y = A*sin(ωt), כאשר y הוא ערך הקואורדינטה של ​​נקודה נתונה של הגל, t הוא זמן, ω = 2*pi*f הוא המחזוריות תדר תנודות.

צליל א-מחזורי

מקורות סאונד רבים יכולים להיחשב מחזוריים, למשל, הצליל מכלי נגינה כמו גיטרה, פסנתר, חליל, אך יש גם מספר רב של צלילים בטבע שהם א-מחזוריים, כלומר תנודות קול משנות את התדר והצורה שלהם בחלל. מבחינה טכנית, סוג זה של צליל נקרא רעש. דוגמאות חיות לצליל א-מחזורי הן רעש עירוני, צליל הים, צלילים מכלי הקשה, למשל, מתוף ועוד.

מדיום התפשטות קול

בניגוד לקרינה אלקטרומגנטית, שהפוטונים שלה אינם זקוקים לשום תווך חומרי לצורך התפשטותם, אופי הקול הוא כזה שנדרש מדיום מסוים לצורך התפשטותו, כלומר, לפי חוקי הפיזיקה, גלי קול אינם יכולים להתפשט בוואקום.

צליל יכול להתפשט בגזים, נוזלים ומוצקים. המאפיינים העיקריים של גל קול המתפשט במדיום הם כדלקמן:

• הגל מתפשט באופן ליניארי;
• הוא מתפשט באותה מידה לכל הכיוונים במדיום הומוגני, כלומר, צליל סוטה מהמקור ויוצר משטח כדורי אידיאלי.
• ללא קשר למשרעת ותדירות הקול, הגלים שלו מתפשטים באותה מהירות במדיום נתון.

מהירות גלי הקול במדיות שונות

מהירות התפשטות הקול תלויה בשני גורמים עיקריים: המדיום שבו נע הגל והטמפרטורה. באופן כללי, הכלל הבא חל: ככל שהמדיום צפוף יותר, וככל שהטמפרטורה שלו גבוהה יותר, כך הקול עובר בו מהר יותר.

לדוגמה, מהירות ההתפשטות של גל קול באוויר ליד פני כדור הארץ בטמפרטורה של 20 ℃ ולחות של 50% היא 1235 קמ"ש או 343 מ"ש. במים, בטמפרטורה נתונה, הקול עובר פי 4.5 מהר יותר, כלומר כ-5735 קמ"ש או 1600 מ"ש. באשר לתלות של מהירות הקול בטמפרטורה באוויר, היא עולה ב-0.6 מ'/ש' עם עלייה בטמפרטורה עבור כל מעלה צלזיוס.

גוון וטון

אם מיתר או לוח מתכת נותנים לרטוט בחופשיות, הם יפיקו צלילים בתדרים שונים. נדיר מאוד למצוא גוף שיפלוט צליל בתדר מסוים אחד, בדרך כלל לצליל של עצם יש קבוצה של תדרים במרווח מסוים.

הגוון של צליל נקבע על פי מספר ההרמוניות הקיימות בו והעוצמות שלהן. גוון הוא ערך סובייקטיבי, כלומר, הוא תפיסה של אובייקט נשמע על ידי אדם ספציפי. גוון מאופיין בדרך כלל בשמות התואר הבאים: גבוה, מבריק, קולי, מלודי וכו'.

טון הוא תחושת קול המאפשרת לסווג אותו כגבוה או נמוך. ערך זה הוא גם סובייקטיבי ואינו ניתן למדידה בשום מכשיר. הטון קשור לכמות אובייקטיבית - התדר של גל קול, אך אין ביניהם קשר חד משמעי. לדוגמה, עבור צליל חד-תדר בעוצמה קבועה, הטון עולה ככל שהתדר עולה. אם תדירות הצליל נשארת קבועה, ועוצמתו עולה, אז הטון הופך נמוך יותר.

צורת מקורות קול

בהתאם לצורת הגוף המבצע רעידות מכניות ובכך מייצר גלים, ישנם שלושה סוגים עיקריים:

1. מקור נקודתי. הוא מייצר גלי קול בעלי צורה כדורית ומתפוררים במהירות עם מרחק מהמקור (כ-6 dB אם המרחק מהמקור מוכפל).
2. מקור קו. הוא יוצר גלים גליליים, שעוצמתם פוחתת לאט יותר מאשר ממקור נקודתי (על כל הכפלה של המרחק מהמקור, העוצמה יורדת ב-3 dB).
3. מקור שטוח או דו מימדי. זה מייצר גלים רק בכיוון מסוים. דוגמה למקור כזה תהיה בוכנה הנעה בצילינדר.

מקורות קול אלקטרוניים

ליצירת גל קול משתמשים במקורות אלקטרוניים בממברנה מיוחדת (רמקול), המבצעת רעידות מכניות עקב תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית. מקורות כאלה כוללים את הדברים הבאים:

• נגני דיסקים שונים (CD, DVD ואחרים);
• מקליטים;
• מקלטי רדיו;
• טלוויזיות ועוד כמה.