Главная >> Колебания и волны. Физика 11 класс. Мякишев

Глава 4. Механические волны. Звук

§ 4.12. Тембр. Диапазоны звуковых частот

Тембр

Музыкальные звуки отличаются друг от друга не только громкостью и высотой. Струна гитары издает вполне определенный тон. Но если вы попробуете возбудить ее колебания, сначала оттянув струну в средней части, а затем на расстоянии 1/4 длины от конца, то звуки будут не совсем одинаковыми. Имея одинаковую частоту и примерно одинаковую громкость, эти звуки отличаются друг от друга специфическим оттенком. Музыканты это особое качество звука называют тембром.

В первом случае на струне укладывается половина длины волны и возникают колебания основной частоты. Во втором случае наряду с основным тоном заметную амплитуду будет иметь и первый обертон (в отличие от основного тона для колебаний первого обертона характерно то, что на струне укладывается не половина, а целая длина волны). В произвольном же случае колебаний струны вместе с основным тоном возбуждается много различных обертонов.

Тембр звука определяется числом обертонов и их амплитудами. Именно по тембру мы различаем звуки одинаковой высоты: человеческий голос, свист, звук струны рояля или кларнета. Высота определяется периодом колебаний. Но колебания в перечисленных случаях не являются гармоническими и при одной и той же частоте имеют различную форму. "Оставаясь периодическими, они имеют различные частотные спектры (см. § 1.11). На рисунке 4.28 приведена временна́я развертка звуковых колебаний, создаваемых роялем и кларнетом при одном и том же периоде 0,01 с. Форма колебаний различна вследствие того, что одновременно с колебаниями основной частоты, одинаковой для обоих инструментов, происходят колебания и с другими частотами, кратными основной. При этом амплитуды обертонов одной и той же частоты у различных инструментов сильно отличаются друг от друга.

Диапазоны звуковых частот

Диапазон обычного человеческого голоса заключен в интервале от 200 до 1000 Гц. У отдельных людей диапазон может оказаться и значительно шире. На рисунке 4.29 представлена шкала звуковых частот, на которой буквой Г обозначен диапазон голоса. Воспринимает же человеческое ухо частоты в интервале, обозначенном буквой У. Музыкальные инструменты занимают немного менее широкую полосу частот, обозначенную буквой М.

Для того чтобы голос или музыку передавать на расстояния, записывать и воспроизводить или просто усиливать с помощью тех или иных радиотехнических устройств без заметных искажений, необходимы устройства с широкой полосой воспроизводимых частот. Эти устройства должны пропорционально усиливать и воспроизводить колебания всех частот диапазона голоса или музыкальных инструментов. Осуществить это очень не просто. В паспорте любого магнитофона, проигрывателя или радиоприемника всегда указывается полоса частот, которые эти устройства способны воспроизводить. Диапазон частот у обычного телефона сравнительно невелик (он обозначен буквой Т на рисунке 4.29). Этот диапазон достаточен для того, чтобы разобрать все слова, но слушать симфоническую музыку по телефону нет смысла. У хорошего транзисторного приемника полоса частот простирается от 100 до 10 000 Гц (буква П на рисунке 4.29). Высококачественная аппаратура, гарантирующая высокую достоверность воспроизведения звука, весьма сложна и стоит дорого. Напоминает она внешне лабораторную установку научно-исследовательского института. Полоса пропускания частот у этих установок бывает даже шире полосы слышимых звуков.