Наше сприйняття висоти звуку і інших його властивостей визначається характеристиками акустичної хвилі. Це ті ж характеристики, що притаманні будь-механічної хвилі, а саме період, частота, амплітуда коливань. Від довжини і швидкості хвилі суб'єктивні відчуття від звуку не залежать. У статті ми розберемо фізику звуку. Висота і тембр — чим вони визначаються? Чому одні звуки ми сприймаємо гучними, а інші — тихими? Відповіді на ці та інші питання будуть дані в статті.

Висота звуку

Від чого залежить висота? Щоб розібратися з цим, проведемо простий досвід. Візьмемо гнучку довгу лінійку, краще алюмінієву. Притиснемо до столу, висунувши сильно край. Вдаримо пальцем по вільному краю лінійки — вона затремтить, але її рух буде беззвучним. Тепер придвинем лінійку ближче до себе, так, щоб через край стільниці виступала менша її частина. Знов вдаримо по лінійці. Її край завібрує набагато швидше і з меншою амплітудою, а ми почуємо характерний звук. Робимо висновок: для того, щоб виник звук, частота коливань повинна бути не менше певної величини. Нижня межа діапазону звукових частот — 20 Гц, а верхня — 20000 Гц.


Продовжимо досвід. Вкоротимо вільний край лінійки ще більше, знову приведемо її в рух. Помітно, що звук змінився, став вище. Про що свідчить експеримент? Він доводить залежність висоти звуку від частоти і амплітуди коливань його джерела.

Гучність звуку

Для вивчення гучності скористаємося камертоном — спеціальним інструментом для вивчення властивостей звуку. Існують камертони з різною довжиною ніжок. Вони вібрують, якщо вдарити по приладу молоточком. Великі камертони коливаються повільніше і видають низький звук. Маленькі вібрують часто і відрізняються висотою звуку. Вдаримо по камертоном і прислухаємося. Звук з часом слабшає. Чому так відбувається? Гучність звуку загасає через зменшення амплітуди коливання ніжок приладу. Вони вібрують не так сильно, а це значить, що зменшується амплітуда коливань молекул повітря. Чим вона нижча, тим більш тихим виходить звук. Це твердження вірне для звуків однакової частоти. Виходить, що і висота і гучність звуку залежить від амплітуди хвилі.

Сприйняття звуків різної гучності

З вищесказаного складається враження, що чим голосніше звук, тим чіткіше ми його чуємо, тим більш тонкі зміни ми можемо вловити. Це не так. Якщо змусити тіло коливатися з дуже великою амплітудою, але малою частотою, то такий звук буде погано розрізнюється. Справа в тому, що у всьому діапазоні чутності (20-20 тис. Гц) наше вухо найкраще розрізняє звуки близько 1 КГц. Слух людини найбільш чутливий до цих частот. Такі звуки здаються нам найбільш гучними. Сигнали оповіщення, сирени налаштовані саме на 1 КГц.

Рівень гучності різних звуків

У таблиці представлені поширені звуки і їх гучність в децибелах.

Вид шуму



Рівень гучності, дБ



Спокійне дихання



0



Шепіт, шурхіт листя



10



Цокання годинника, розташованих на відстані 1 м



30



Звичайна розмова



45



Шум в магазині, розмова в офісному приміщенні



55



Звук вулиці



60



Гучний розмова



65



Шум друкарського цеху



74



Легковий автомобіль



77



Автобус



80



Машинобудівний верстат



80



Гучний крик



85



Мотоцикл з глушником



85



Токарний верстат



90



Металургійне підприємство



99



Оркестр, вагон метро



100



Компресорна станція



100



Бензопила



105



Вертоліт



110



Грім



120



Реактивний двигун



120



Клепка, рубання сталі (така гучність дорівнює больового порога)



130



Літак на старті



130



Старт ракети (викликає контузію)



145



Звук від пострілу середньокаліберного рушниці біля дула (призводить до травм)



150



Надзвуковий літак (така гучність призводить до травм і больового шоку)



160

Тембр

Висота і гучність звуку визначаються, як ми з'ясували, частотою і амплітудою хвилі. Тембр не залежить від цих характеристик. Візьмемо два джерела звуку однакової висоти, щоб зрозуміти, чому вони мають різний тембр. Першим інструментом буде камертон, що звучить на частоті 440 Гц (це нота ля першої октави), другим — флейта, третім — гітара. Музичними інструментами відтворимо ту ж ноту, на якій звучить камертон. Всі три мають одну висоту, але все таки звучать по-різному, відрізняються тембром. У чому причина? Вся справа в особливостях коливань звукової хвилі. Рух, який здійснює акустична хвиля складних звуків, називається негармоническим коливанням. Хвиля на різних ділянках коливається з різною силою і частотою. Ці додаткові призвуки, які відрізняються по гучності і висоті, називаються обертонами.
Не варто плутати висоту і тембр. Фізика звуку така, що якщо «додати» до основного звуку додаткові, більш високі, отримаємо те, що називається тембром. Він визначається гучністю і кількості обертонів. Частота обертонів кратна частоті найнижчого тону, тобто вона більше в ціле число разів — у 234 і т. д. найнижчий тон називається основним, саме він визначає висоту, а обертони впливають на темброве забарвлення. Є звуки, взагалі не містять обертонів, наприклад камертон. Якщо зобразити рух його звукової хвилі на графіку, вийде синусоїда. Такі коливання називають гармонічними. Камертон видає тільки основний тон. Подібне звучання часто називають нудним, безбарвним. Коли в звуці багато високочастотних обертонів, він виходить різким. Низькі обертони надають звучанню м'якість, шовковистість. Кожен музичний інструмент, голос має свій набір обертонів. Саме сукупність основного тону та обертонів надає неповторне звучання, наділяє звук певної тембрового забарвлення.