Mūsu uztveri par skaņas augstumu un citām tās īpašībām nosaka akustiskā viļņa īpašības. Tie ir tie paši raksturlielumi, kas raksturīgi jebkuram mehāniskam viļņam, proti, svārstību periods, frekvence, amplitūda. Skaņas subjektīvās sajūtas nav atkarīgas no viļņa garuma un ātruma. Rakstā mēs analizēsim skaņas fiziku. Tonis un tembrs - kā tos nosaka? Kāpēc mēs uztveram dažas skaņas kā skaļas, bet citas kā klusas? Atbildes uz šiem un citiem jautājumiem tiks sniegtas rakstā.
Pitch
Kas nosaka augumu? Lai to saprastu, veiksim vienkāršu eksperimentu. Ņemsim elastīgu garu lineālu, vēlams alumīnija.
Piespiedīsim to pie galda, stipri piespiežot malu. Sitīsim ar pirkstu pa lineāla brīvo malu – tas trīcēs, bet kustība klusēs. Tagad pārvietosim lineālu sev tuvāk, lai tā mazākā daļa izvirzītu ārpus darba virsmas malas. Sitīsim vēlreizlineāls. Tā maliņa vibrēs daudz ātrāk un ar mazāku amplitūdu, un mēs dzirdēsim raksturīgu skaņu. Mēs secinām, ka, lai skaņa rastos, svārstību frekvencei jābūt vismaz noteiktai vērtībai. Audio frekvenču diapazona apakšējā robeža ir 20 Hz, bet augšējā robeža ir 20 000 Hz.
Turpināsim eksperimentu. Vēl vairāk saīsiniet lineāla brīvo malu, palaidiet to atkal kustībā. Manāms, ka skaņa mainījusies, kļuvusi augstāka. Ko parāda eksperiments? Viņš pierāda skaņas augstuma atkarību no tās avota svārstību frekvences un amplitūdas.
Skaņas skaļums
Lai pētītu skaļumu, izmantosim kamertoni – speciālu instrumentu skaņas īpašību izpētei. Ir kamertoni ar dažādu kāju garumu. Tie vibrē, kad tos sit ar āmuru. Lielas kamertonis svārstās lēnāk un rada zemu skaņu. Mazās vibrācijas bieži vibrē, un to augstums atšķiras.
Pasitīsim kamertoni un klausīsimies. Laika gaitā skaņa vājinās. Kāpēc tas notiek? Skaņas skaļums ir vājināts, jo samazinās ierīces kāju svārstību amplitūda. Tie nevibrē tik spēcīgi, kas nozīmē, ka samazinās arī gaisa molekulu vibrāciju amplitūda. Jo zemāks tas ir, jo klusāka būs skaņa. Šis apgalvojums attiecas uz tādas pašas frekvences skaņām. Izrādās, ka gan skaņas augstums, gan skaļums ir atkarīgs no viļņa amplitūdas.
Dažādu skaļumu skaņu uztvere
No iepriekš minētā šķiet, ka jo skaļāka skaņa, jo skaidrāk mēsmēs dzirdam, jo smalkākas izmaiņas varam uztvert. Tā nav taisnība. Ja ķermenim liek svārstīties ar ļoti lielu amplitūdu, bet zemu frekvenci, tad šāda skaņa būs slikti atšķirama. Fakts ir tāds, ka visā dzirdamības diapazonā (20-20 tūkstoši Hz) mūsu auss vislabāk atšķir skaņas ap 1 kHz. Cilvēka dzirde ir visjutīgākā pret šīm frekvencēm. Šādas skaņas mums šķiet visskaļākās. Brīdinājuma signāli, sirēnas ir noregulētas tieši uz 1 kHz.
Dažādu skaņu skaļuma līmenis
Tabulā ir parādītas izplatītākās skaņas un to skaļums decibelos.
| Trokšņa veids | Skaļuma līmenis, dB |
| Mierīga elpošana | 0 |
| Čuksti, lapotnes šalkoņa | 10 |
| Pulksteņa tikšķēšana 1 m attālumā | 30 |
| Parasta saruna | 45 |
| Troksnis veikalā, saruna ofisā | 55 |
| Ielas skaņas | 60 |
| Skaļa runa | 65 |
| Drukas troksnis | 74 |
| Auto | 77 |
| Autobuss | 80 |
| Inženiertehniskais darbgalds | 80 |
| Skaļš kliedziens | 85 |
| Motocikls ar trokšņa slāpētāju | 85 |
| Vipa | 90 |
| Metalurģijas rūpnīca | 99 |
| Orķestris, metro vagons | 100 |
| Kompresora stacija | 100 |
| Motorzāģis | 105 |
| Helikopteris | 110 |
| Pērkons | 120 |
| Reaktīvo dzinēju | 120 |
| Tērauda kniedēšana, griešana (šis apjoms ir vienāds ar sāpju slieksni) | 130 |
| Lidmašīna palaišanas brīdī | 130 |
| Raķetes palaišana (izraisa čaulas triecienu) | 145 |
| Vidēja kalibra bises skaņa pie purna (izraisa ievainojumu) | 150 |
| Virsskaņas gaisa kuģis (šis apjoms izraisa traumas un sāpju šoku) | 160 |
Tembrs
Skaņas augstumu un skaļumu, kā noskaidrojām, nosaka viļņa frekvence un amplitūda. Tembris nav atkarīgs no šīm īpašībām. Paņemsim divus vienāda augstuma skaņas avotus, lai saprastu, kāpēc tiem ir atšķirīgs tembrs.
Pirmais instruments būs kamertonis, kas skanēs 440 Hz frekvencē (tā ir pirmās oktāvas nots), otrais - flauta, trešais - ģitāra. Ar mūzikas instrumentiem mēs atveidojam to pašu noti, uz kuras skan kamertonis. Visiem trim ir vienāds tonis, bet tomēr skan atšķirīgi, atšķiras tembrā. Kāds ir iemesls? Tas viss ir par skaņas viļņa vibrācijām. Kustību, ko rada sarežģītu skaņu akustiskais vilnis, sauc par neharmonisku svārstību. Vilnis dažādās zonās svārstās ar atšķirīgu stiprumu un frekvenci. Šīs papildu virstoņus, kas atšķiras pēc skaļuma un augstuma, sauc par virstoņiem.
Nejauciet toņu un tembru. Skaņas fizika ir tāda, ka, jaGalvenajai skaņai “piejauc” papildu, augstākas, iegūstam to, ko sauc par tembru. To nosaka skaļums un virstoņu skaits. Virstoņu frekvence ir zemākā toņa frekvences reizinājums, t.i., tas ir vesels skaitlis, kas reižu lielāks - 2, 3, 4 utt. Zemāko toni sauc par galveno toni, tas nosaka augstumu., un virstoņi ietekmē tembru.
Ir skaņas, kas vispār nesatur virstoņus, piemēram, kamertonis. Ja jūs attēlojat tā skaņas viļņa kustību grafikā, jūs iegūstat sinusoidālo vilni. Šādas vibrācijas sauc par harmoniskām. Kamera izstaro tikai pamata toni. Šo skaņu bieži sauc par garlaicīgu, bezkrāsainu.
Kad skaņai ir daudz augstfrekvences virstoņu, tā kļūst skarba. Zemie pieskaņi piešķir skaņai maigumu, samtainu. Katram mūzikas instrumentam, balsij ir savs virstoņu kopums. Tā ir pamata toņa un virstoņu kombinācija, kas piešķir unikālu skanējumu, piešķir skaņai noteiktu tembru.
