§ 4.11. Музыкальные звуки и шумы. Громкость и высота звука

Звуки, которые мы слышим каждый день, очень разнообразны. Любой из нас достаточно отчетливо отличает так называемые музыкальные звуки от шумов. К первым, например, относится пение, звучание натянутых струн музыкальных инструментов, свист. Шумы возникают при взрывах, работе двигателей внутреннего сгорания, шипении змеи, скрипе несмазанных дверных петель и т. д. Мы в состоянии с помощью своих органов речи воспроизвести более или менее гармоничный звук и, конечно, шум.

Резкой границы между музыкальными звуками и шумами нет. Испорченный музыкальный инструмент или заигранная грампластинка создает хриплые, дребезжащие звуки, весьма похожие на шум. С другой стороны, некоторую музыкальность можно уловить в шуме дождя или вое ветра.

Музыкальные звуки

Чем с точки зрения физики отличаются музыкальные звуки от шума и по какой причине столь несхожими могут быть музыкальные звуки между собой?

Чистый музыкальный звук можно получить с помощью простого прибора, называемого камертоном. На рисунке 4.26 показан камертон, который закреплен на деревянном ящике, открытом с одной стороны. Ударив молоточком по одной из ветвей камертона, мы услышим музыкальный звук. Постепенно звук ослабевает вследствие затухания колебаний ветвей. Звуковая волна возбуждается колеблющимися ветвями камертона. Характер этих колебаний можно установить, если прикрепить к ветви камертона иглу и провести ею с постоянной скоростью по поверхности закопченной стеклянной пластинки. На пластинке появится линия, очень близкая к синусоиде (рис. 4.27). Это временна́я развертка колебаний, подобная той, которую получают с помощью маятника с песочницей. Отсюда можно заключить, что колебания ветвей камертона очень близки к гармоническим.

Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом, называют музыкальным тоном или просто тоном.

Музыкальные тоны отличаются на слух громкостью и высотой.

Г ромкость звука

Громкость звука определяется амплитудой колебаний давления. Чем сильнее удар молоточка по камертону, тем громче звучит камертон. А более сильный удар вызывает колебания большей амплитуды. Можно не сомневаться, что и громкость любого звука определяется амплитудой колебаний в звуковой волне.

Нужно, однако, иметь в виду, что чувствительность нашего уха зависит от частоты звука. Звуковые колебания одинаковых амплитуд не кажутся нам одинаково громкими, если частоты их различны. Наше ухо, как уже говорилось, наиболее чувствительно к колебаниям с частотой около 3500 Гц.

В акустике вводят специальную величину — интенсивность звука. Интенсивность звука равна отношению энергии, переносимой звуковой волной за время t через поверхность площадью S, перпендикулярную к направлению распространения волны, к произведению площади S и времени t. Энергия колебаний в волне пропорциональна квадрату амплитуды. Поэтому и интенсивность звука определяется амплитудой колебаний: пропорциональна квадрату амплитуды.

Громкость характеризует субъективное звуковое ощущение и пропорциональна интенсивности звука — объективной энергетической характеристике акустических волн.

Высота звука

Для того чтобы определить, с чем связана определенная высота звука, нужно располагать несколькими камертонами различных размеров. Проводя иглой, прикрепленной к ветви звучащего камертона, вдоль закопченной пластинки, можно заметить, что, чем выше звук, издаваемый камертоном, тем меньше период появляющейся на пластинке синусоиды и, следовательно, тем больше частота колебаний камертона. Высота звука (точнее, высота тона) определяется частотой колебаний.

То же самое можно наблюдать при колебаниях струны. Увеличение натяжения струны приводит к увеличению частоты свободных колебаний. Поэтому, натягивая струны гитары с помощью колков, мы делаем звук более высоким.

Кроме того частота колебаний струны зависит (при данной силе натяжения) от ее длины [см. формулу (4.7.2)]. При игре гитарист прижимает пальцами струны к грифу. Благодаря этому меняется высота звука инструмента.

Шум и борьба с ним

Шум отличается от музыкального тона тем, что ему не соответствует какая-либо определенная частота колебаний и, следовательно, определенная высота звука. В шуме присутствуют колебания всевозможных частот.

С развитием промышленности и современного скоростного транспорта появилась новая проблема — борьба с шумом. Возникло даже новое понятие «шумовое загрязнение» среды обитания. Шум, особенно большой интенсивности, не просто надоедает и утомляет — он может и серьезно подорвать здоровье.

С шумом борются простыми административными мерами: в городах запрещено пользоваться автомобильными сигналами, отменены полеты самолетов над городами и т. д. Борются с шумами и с помощью технических устройств. Так, все автомобили, тракторы и мотоциклы снабжены глушителями. На пути выхлопных газов сооружают сложный металлический лабиринт с перегородками и отверстиями, в которых звуковая волна теряет энергию. Кто хотя бы раз слышал рев мотоцикла без глушителя, хорошо представляет себе, насколько успешно глушитель справляется со своей задачей.