Lo que determina el volumen y el tono. Parámetros físicos del sonido

Las ondas de sonido, al igual que otras ondas, se caracterizan por cantidades objetivas como frecuencia, amplitud, fase de oscilaciones, velocidad de propagación, intensidad del sonido y otras. Pero, además de esto, son descritos por tres características subjetivas. Estos son el volumen, el tono y el timbre del sonido.

La sensibilidad del oído humano es diferente para diferentes frecuencias. Para causar una sensación de sonido, la onda debe tener una cierta intensidad mínima, pero si esta intensidad excede un cierto límite, entonces el sonido no se escucha y solo causa dolor. Así, para cada frecuencia de oscilación, existe la más pequeña ( umbral de audición) y el más grande ( umbral del dolor) la intensidad de un sonido que es capaz de producir una sensación sonora. La Figura 1 muestra la dependencia de los umbrales de audibilidad y dolor de la frecuencia del sonido. El área entre estas dos curvas es área de audición. distancia más larga entre las curvas cae en las frecuencias a las que el oído es más sensible (1000-5000 Hz).

Si la intensidad del sonido es una cantidad que caracteriza objetivamente el proceso ondulatorio, entonces la característica subjetiva del sonido es el volumen, que depende de la intensidad del sonido, es decir, determinado por el cuadrado de la amplitud de las oscilaciones en la onda de sonido y la sensibilidad del oído (características fisiológicas). Dado que la intensidad del sonido, cuanto mayor es la amplitud de las oscilaciones, más fuerte es el sonido.

Terreno de juego- calidad del sonido, determinada por una persona subjetivamente por el oído y en función de la frecuencia del sonido. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el tono del sonido.

Las vibraciones de sonido que ocurren de acuerdo con la ley armónica, con una cierta frecuencia, son percibidas por una persona como un cierto tono musical. Las vibraciones de alta frecuencia se perciben como sonidos. tono alto, sonidos de baja frecuencia - como sonidos tono bajo. Distancia vibraciones de sonido, correspondiente a un cambio en la frecuencia de oscilación por un factor de dos, se llama octava. Así, por ejemplo, el tono "la" de la primera octava corresponde a una frecuencia de 440 Hz, el tono "la" de la segunda octava corresponde a una frecuencia de 880 Hz.

Los sonidos musicales corresponden a sonidos emitidos por un cuerpo que vibra armoniosamente.

tono principal Se denomina sonido musical complejo a un tono que corresponde a la frecuencia más baja que existe en el conjunto de frecuencias de un sonido dado. Los tonos correspondientes a otras frecuencias en la composición del sonido se denominan matices. Si las frecuencias armónicas son múltiplos de la frecuencia fundamental, entonces los armónicos se llaman armónicos y el tono fundamental con una frecuencia se llama primer armónico, un sobretono con la siguiente frecuencia - segundo armónico etc.

Los sonidos musicales con el mismo tono fundamental difieren en el timbre, que está determinado por la presencia de armónicos: sus frecuencias y amplitudes, la naturaleza del aumento de las amplitudes al comienzo del sonido y su disminución al final del sonido.

En el mismo tono, los sonidos hechos, por ejemplo, por un violín y un piano, difieren timbre.

La percepción del sonido por parte de los órganos auditivos depende de qué frecuencias se incluyen en la composición. onda de sonido.

ruidos- estos son sonidos que forman un espectro continuo, que consta de un conjunto de frecuencias, es decir, El ruido contiene fluctuaciones de varias frecuencias.

Hablando de la estructura del aparato auditivo, nos estamos moviendo gradualmente al principio de analizar la señal recibida de la cóclea por el cerebro. ¿Qué es? ¿Y cómo lo descifra el cerebro? ¿Cómo determina el tono de un sonido? Hoy solo hablaremos de este último, ya que automáticamente revela las respuestas a las dos primeras preguntas.

Cabe señalar que el cerebro detecta solo los componentes sinusoidales periódicos del sonido. La percepción del tono humano también depende del volumen y la duración. En el último artículo hablamos sobre la membrana basilar y su estructura. Como saben, tiene una heterogeneidad en la rigidez de la estructura. Esto le permite descomponer mecánicamente el sonido en componentes que tienen una ubicación específica en su superficie. Desde donde las células ciliadas luego envían una señal al cerebro. Debido a esta característica estructural de la membrana, la onda de "sonido" que recorre su superficie tiene diferentes máximos: bajas frecuencias- cerca de la parte superior de la membrana, alto - en la ventana oval. El cerebro intenta automáticamente determinar la altura a partir de este "mapa topográfico", encontrando la ubicación de la frecuencia fundamental en él. Este método se puede asociar a un filtro multibanda. De aquí es de donde proviene la teoría de las "bandas críticas" que discutimos anteriormente:

¡Pero este no es el único enfoque! La segunda forma es determinar el tono por armónicos: si encuentra la diferencia de frecuencia mínima entre ellos, siempre es igual a la frecuencia fundamental - [( n +1) f 0 - (nf 0)]= f 0, donde n son números armónicos. Y también, junto con él, se usa el tercer método: encontrar el factor común de dividir todos los armónicos en números sucesivos y, empujando a partir de él, se determina el tono. Los experimentos confirmaron completamente la validez de estos métodos: el sistema auditivo, encontrando los máximos de los armónicos, realiza operaciones computacionales sobre ellos, e incluso si corta el tono fundamental o coloca los armónicos en una secuencia impar, en el cual el método 1 y 2 no ayuda, entonces una persona determina el tono del sonido por el método 3.

Pero resultó que, ¡estas no son todas las posibilidades del cerebro! Se llevaron a cabo ingeniosos experimentos que sorprendieron a los científicos. El punto es que los tres métodos funcionan solo con los primeros 6-7 armónicos. Cuando un armónico del espectro de sonido cae en cada "banda crítica", el cerebro los "determina" con calma. Pero si algunos armónicos están tan cerca unos de otros que varios de ellos caen en un área del filtro auditivo, entonces el cerebro los reconoce peor o no los determina en absoluto: esto se aplica a los sonidos con armónicos por encima del séptimo. . Aquí es donde entra el cuarto método: el método del "tiempo": el cerebro comienza a analizar el tiempo de recepción de las señales del órgano de Corti con la fase de oscilación de toda la membrana basilar. Este efecto se llama "bloqueo de fase". Lo que pasa es que cuando la membrana vibra, cuando se mueve hacia las células ciliadas, estas entran en contacto con ella, formando un impulso nervioso.
Al retroceder, no aparece potencial eléctrico. Aparece una relación: el tiempo entre pulsos en cualquier fibra individual será igual al número entero 1, 2, 3, etc., multiplicado por el período en la onda de sonido principal. f = nT . ¿Cómo ayuda esto a trabajar en conjunto con bandas críticas? Muy simple: sabemos que cuando dos armónicos están tan cerca que caen en la misma "región de frecuencia", entonces entre ellos hay un efecto de "golpe" (que los músicos escuchan cuando afinan el instrumento) - es solo una oscilación con un promedio frecuencia igual a la diferencia de frecuencias. En este caso, tendrán un período T = 1/f 0. Por lo tanto, todos los períodos por encima del sexto armónico son iguales o tienen un bit en un número entero, es decir, el valor s/f 0. A continuación, el cerebro simplemente calcula la frecuencia de tono.

Las ondas de sonido, al igual que otras ondas, se caracterizan por cantidades objetivas como frecuencia, amplitud, fase de oscilaciones, velocidad de propagación, intensidad del sonido y otras. Pero. además, son descritos por tres características subjetivas. Estos son el volumen, el tono y el timbre del sonido.

La sensibilidad del oído humano es diferente para diferentes frecuencias. Para causar una sensación de sonido, la onda debe tener una cierta intensidad mínima, pero si esta intensidad excede un cierto límite, entonces el sonido no se escucha y solo causa dolor. Así, para cada frecuencia de oscilación, existe la menor (umbral de audición) y el mas grande (umbral del dolor) la intensidad de un sonido que es capaz de producir una sensación sonora. La figura 15.10 muestra la dependencia de los umbrales de audición y dolor de la frecuencia del sonido. El área entre estas dos curvas es área de audición. La mayor distancia entre las curvas recae en las frecuencias a las que el oído es más sensible (1000-5000 Hz).

Si la intensidad del sonido es una cantidad que caracteriza objetivamente el proceso ondulatorio, entonces la característica subjetiva del sonido es el volumen, que depende de la intensidad del sonido, es decir, determinado por el cuadrado de la amplitud de las oscilaciones en la onda de sonido y la sensibilidad del oído (características fisiológicas). Dado que la intensidad del sonido es \(~I \sim A^2,\), cuanto mayor sea la amplitud de las oscilaciones, más fuerte será el sonido.

Terreno de juego- calidad del sonido, determinada por una persona subjetivamente por el oído y en función de la frecuencia del sonido. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el tono del sonido.

Las vibraciones de sonido que ocurren de acuerdo con la ley armónica, con una cierta frecuencia, son percibidas por una persona como un cierto tono musical Las vibraciones de alta frecuencia se perciben como sonidos. tono alto, sonidos de baja frecuencia - como sonidos tono bajo. El rango de vibraciones del sonido correspondiente a un cambio en la frecuencia de las vibraciones por un factor de dos se llama octava. Así, por ejemplo, el tono "la" de la primera octava corresponde a una frecuencia de 440 Hz, el tono "la" de la segunda octava corresponde a una frecuencia de 880 Hz.

Los sonidos musicales corresponden a sonidos emitidos por un cuerpo que vibra armoniosamente.

tono principal Se denomina sonido musical complejo a un tono que corresponde a la frecuencia más baja que existe en el conjunto de frecuencias de un sonido dado. Los tonos correspondientes a otras frecuencias en la composición del sonido se denominan sobretonos Si las frecuencias de los sobretonos son múltiplos de la frecuencia \(~\nu_0\) del tono fundamental, entonces los sobretonos se llaman armónicos, y el tono fundamental con una frecuencia \(~\nu_0\) se llama el primer armónico sobretono con la siguiente frecuencia \(~2 \nu_0\) - segundo armónico etc.

Los sonidos musicales con el mismo tono fundamental difieren en el timbre, que está determinado por la presencia de armónicos: sus frecuencias y amplitudes, la naturaleza del aumento de las amplitudes al comienzo del sonido y su disminución al final del sonido.

En el mismo tono, los sonidos hechos, por ejemplo, por un violín y un piano, difieren timbre.

La percepción del sonido por parte de los órganos auditivos depende de qué frecuencias se incluyen en la onda de sonido.

ruidos- estos son sonidos que forman un espectro continuo, que consta de un conjunto de frecuencias, es decir, El ruido contiene fluctuaciones de varias frecuencias.

Literatura

Aksenovich L. A. Física en escuela secundaria: Teoría. Tareas. Pruebas: Proc. Subsidio para instituciones que prestan servicios generales. ambientes, educación / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ed. K. S. Fariño. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - S. 431-432.

Desde el nacimiento hasta la muerte, estamos en un océano de sonidos. En la ciudad escuchamos constantemente los sonidos de los autos en movimiento, las conversaciones de los transeúntes, los ruidos de fondo. Los electrodomésticos funcionan en casa, encendemos televisores, radios, computadoras. No puedes notar estos sonidos, no les prestes atención, pero afectan nuestra cosmovisión y bienestar. Cuando estamos, como parece, en silencio, fuera de la ciudad, en la naturaleza, los sonidos aún existen a nuestro alrededor. hojas, el zumbido de los insectos, el susurro de los pasos sobre la hierba. Silencio absoluto en la Tierra vivos no existe.

Desde el punto de vista de la física, el sonido son ondas elásticas que se propagan en un medio y crean en él vibraciones mecánicas. ¿Qué determina el tono del sonido y nuestras otras sensaciones?

Desde un punto de vista fisiológico, el sonido está asociado con la audición. Y está directamente conectado con nuestros órganos de los sentidos.

El medio de propagación de las ondas sonoras puede ser el aire, el agua, el metal y otras sustancias.

Porque el sonido se describe con los mismos parámetros que cualquier onda. Estos son frecuencia, longitud de onda, amplitud, vector de onda (dirección), velocidad.

Una persona escucha sonidos en el rango de 15 Hz a 20 000 Hz. El rango por debajo del nivel de audibilidad se denomina infrasonido, por encima del nivel y hasta 1 GHz se denomina ultrasonido. Por encima de 1 GHz es hipersonido.

Terreno de juego

La unidad de medida de la brea es la tiza. Las tizas se distribuyen en la escala a intervalos que se perciben audiblemente como iguales.

Los científicos han descubierto que si reproduce pulsos cortos con un intervalo de 5 milisegundos, el oído los percibirá continuamente.

Como cualquier información de nuestros sentidos, la información de sonido es procesada por el cerebro. Considere de qué depende la frecuencia del sonido. Se conoce el llamado efecto Shepard. Una escala que crea la ilusión de un tono constantemente ascendente o descendente, aunque en realidad nada cambia. Esto se logra superponiendo ondas de sonido en octavas (múltiplos en frecuencia). Este efecto fue utilizado intuitivamente por Bach, Ravel, Chopin.

tonos de sonido

Un tono complejo es el sonido de varias frecuencias a la vez. Se puede reproducir un tono simple con un generador de señales de audio o con un diapasón. Un tono complejo es creado por instrumentos musicales y la voz humana. El espectro de un tono complejo consiste en una frecuencia fundamental y muchos armónicos adicionales, los llamados sobretonos. ¿Qué determina el tono de un sonido y el sonido mismo? Depende de la frecuencia fundamental del tono. Pero la intensidad también afecta a la percepción del terreno de juego. Cuanto mayor es la intensidad, más bajo parece el sonido.

Volumen de sonido

El volumen del sonido caracteriza el nivel de sensación sonora. ¿Qué determina el volumen y el tono de un sonido? La percepción del volumen del sonido es un sentimiento subjetivo y depende tanto de la intensidad del sonido como de la edad, el género, el origen étnico y las condiciones de escucha. La sensación de volumen está descrita por la ley psicofísica de Weber-Fechner. De acuerdo con esta ley, si la intensidad del sonido aumenta en progresión geométrica, entonces la sensación de volumen está en la aritmética. (Dependencia logarítmica). ¿Qué determina el volumen y el tono del sonido? Por muchas razones. El tono parece más bajo cuando se aumenta el volumen. Para una persona, las frecuencias altas y bajas siempre parecen más tranquilas que las medias.

Timbre de sonido

Se determina el timbre, los armónicos (armónicos de la frecuencia fundamental) dan color al espectro. Ellos dan colorante emocional cualquier sonido ¿Qué determina el tono y el timbre de un sonido? Dependen del diseño y los materiales. instrumentos musicales, a partir de las características de la voz humana. Los numerosos armónicos resultantes dan al sonido una singularidad.

Cada uno de los famosos violines Stradivarius tenía un timbre único. Esto estaba determinado por la forma del resonador y el tipo de madera, e incluso el barniz del revestimiento.

Algunos creen que la percepción especial del sonido por parte del hombre contribuyó a su supervivencia en la antigüedad. Para analizar el ruido externo, era necesario comprender de qué depende el tono de un sonido, aislar los sonidos de un depredador que se arrastra de la masa de ruido, frecuencias de sonido o escuchar a tiempo el acercamiento de algún desastre natural.

Ahora es posible sintetizar cualquier sonido, procesar grabaciones de audio existentes para lograr el efecto deseado. Pero allá por los primeros días de la grabación, se hacían combinaciones de sonido. Un ejemplo de tal efecto es el famoso grito de Tarzán, creado artificialmente en 1932.

acústica arquitectónica

De lo que depende, por supuesto, de la habitación en la que se produzca.

Esto se sabía en la antigüedad y los templos se construían teniendo en cuenta elementos acústicos, cuya justificación teórica se desarrolló posteriormente. Esta es la forma acústica de cúpulas y conchas acústicas.

La potencia sonora (la intensidad del sonido, que determina su potencia) se define como

Densidad de energía sonora (J/m3) - determina la energía sonora por unidad de volumen del medio

Potencia sonora - flujo de energía sonora W (W/m2)

Terreno de juego

Volumen de sonido

Timbre de sonido

Presión de sonido

Presión sonora p - variable presión demasiada que surgen en el medio durante el paso de una onda sonora. Por lo general, la presión del sonido es pequeña en comparación con la presión constante en el medio. La presión del sonido debe distinguirse de la presión del sonido (consulte la Tabla 1).

por lo tanto 1 dB - nivel presión de sonido, para cual

Tabla 1. Niveles de presión sonora (Murtazov A.K., 2007)

Terreno de juego

El tono del sonido es el reflejo en nuestra mente de la frecuencia de vibración del cuerpo elástico. Percibimos como el sonido del mismo nombre no una cierta frecuencia, sino un número de frecuencias cercanas. Por ejemplo, ¿cómo percibimos a1 movimientos oscilatorios no solo a 440 fps, sino también a 435, 436, 437, 438, 439, 441, 442, 443, 444, 445 fps (aproximadamente). Así, en nuestras mentes, la frecuencia se procesa en altura.

Una persona puede escuchar cambios muy pequeños en el tono. El aparato auditivo humano nota que el cambio de altura no es el mismo en Diferentes areas frecuencias Lo que más notamos es el cambio de tono en la región de 500 a 3000 fps. Para notar esta diferencia se requiere un cambio de 5 centésimas (1/40 de tono).

En un registro bajo, este intervalo aumenta a 1/10 de tono (por ejemplo, en una subcontroctava). En el registro alto, a partir de los 3000 fps, el intervalo para distinguir sonidos en altura también aumenta ligeramente. Al escuchar dos sonidos al mismo tiempo, puede notar una diferencia muy pequeña entre ellos, gracias a los latidos que son claramente audibles si escucha ambos sonidos con un solo oído. Al escuchar dos sonidos, llevados alternativamente a oídos diferentes, la diferencia, por el contrario, aumenta.

Si escuchamos sonidos que son cortos en el tiempo, disminuyendo gradualmente su duración, notaremos que una disminución significativa en la duración provoca una pérdida del sentido del tono de estos sonidos.

Algunos cantidad mínima vibraciones por segundo para que una persona pueda juzgar el tono de un sonido. La investigación ha demostrado que la duración mínima de un sonido necesaria para determinar su tono depende de su frecuencia. (ver tabla 2).

Tabla 2. Duración mínima del sonido requerida para determinar su tono

En la tabla anterior se puede ver que los sonidos más cortos son posibles en el rango de frecuencia de 700 a 3200 fps, es decir, de f2 a g4.

En el registro bajo, en la región de subcontroctava y contraoctava, la duración del sonido debe ser bastante grande.

La habilidad de una persona para determinar intervalos musicales dados y reproducirlos con su voz, así como la habilidad de determinar la altura absoluta de sonidos dados y reproducirlos con su voz, son propiedades del oído musical.

En el primer caso, cuando una persona estima la relación entre los tonos de los sonidos como un intervalo musical, como una cualidad específica, la audición se llama relativa.

Dado que, con algunos cambios entre las frecuencias de los sonidos, el intervalo musical entre ellos conserva su certeza cualitativa, cada intervalo puede tener varias expresiones cuantitativas.

La presencia del tono relativo es absolutamente necesaria para un músico. Su desarrollo está previsto planes de estudio escuelas de musica, escuelas y conservatorios.

En el segundo caso, es decir, si tienes la capacidad de determinar la altura absoluta de determinados sonidos (pasos) o reproducirlos con tu voz, la audición se denomina absoluta.

Por lo general, una persona que tiene un oído absoluto también tiene un oído relativo, pero hay casos en los que, con el oído absoluto, una persona percibe los intervalos musicales no como una cualidad específica, sino solo como una suma de sonidos no relacionados.

La audición absoluta es de dos tipos: verdadera y falsa. Para el primer tipo, una persona debe tener inclinaciones fisiológicas especiales. El segundo tipo de oído absoluto requiere una práctica constante y prolongada.

Entonces, si el verdadero rumor ya se manifiesta desde la primera infancia, entonces el falso rumor solo puede desarrollarse a una edad más madura. El criterio para un buen y verdadero tono absoluto es la capacidad de determinar rápidamente el tono de un sonido dado. Una persona con falso tono absoluto suele memorizar un sonido, por ejemplo, b, a través de ejercicios, y determina el resto de los sonidos comparándolos en altura con este sonido. Además, hay personas que tienen oído absoluto solo en relación con el instrumento que tocan. Pero en todos los casos, el tono absoluto es capaz de determinar y reproducir no la frecuencia de un sonido, sino su tono, es decir, su pertenencia a uno u otro grado.

Algunas personas que no tienen oído absoluto pueden determinar el tono de los sonidos usando algunos métodos adicionales. Por ejemplo, algunos cantantes determinan el tono usando una sensación de tensión en las cuerdas vocales.

Ciertamente es posible desarrollar la audición relativa a través de la práctica. En cuanto a la transformación del tono absoluto falso en un tono cercano al verdadero, esto aún no ha sido probado mediante experimentos.

para el musico gran importancia tiene la presencia de audición interna: la capacidad de imaginar la altura de los sonidos y (en particular) las consonancias. El oído interno permite al intérprete formarse una idea de una pieza musical antes de escucharla, y le da al compositor la oportunidad de crear una pieza sin la ayuda de un instrumento.

Se utiliza una variedad de instrumentos y métodos para determinar con precisión la frecuencia de las vibraciones de un cuerpo sonoro.

El método más simple y antiguo es la comparación auditiva de un sonido dado con otro sonido cercano en tono, cuya frecuencia se conoce con precisión, y el conteo posterior de los latidos que ocurren entre estos dos sonidos. Entonces, por ejemplo, si el sonido en estudio da un latido y medio por segundo con un sonido comparativo de una frecuencia de 440 fps, y con otro sonido comparativo de una frecuencia de 444 fps, dos latidos y medio por segundo, entonces la frecuencia de sus oscilaciones será igual a 141,5 fps, etc.

Sin embargo, el método auditivo de comparación es difícil, ya que requiere un entrenamiento especial de la audición del investigador. Y si el sonido que se está probando lo da una persona (por ejemplo, una voz, en un violín, etc., en un instrumento de viento), generalmente se ajusta instintivamente al segundo sonido que escucha. dispositivo de medición. Por lo tanto, los resultados de la comparación son inexactos.

Más definición precisa la frecuencia de las vibraciones de los cuerpos sonoros proporciona un método estroboscópico de comparación. En este caso, el sonido estudiado se convierte en pulsos de luz (destellos de una lámpara de descarga luminiscente), iluminando un sistema de discos giratorios con sectores alternados en blanco y negro, cuyas relaciones de velocidad son proporcionales a las relaciones entre el número de oscilaciones de un sistema musical Si el número de vibraciones del sonido estudiado coincide con el número de sectores que pasan en cualquiera de los discos de medición, la imagen en este último parecerá estar detenida. Este es el momento de unísono de dos procesos oscilatorios.

En los contadores de frecuencia estroboscópicos más comunes existentes, se utilizan conjuntos de 12 discos de medición, cuyas velocidades se ajustan a una escala musical de temperamento igual. Un dispositivo especial le permite cambiar suavemente la velocidad de rotación de todos los discos simultáneamente dentro de ± 3%, lo que corresponde a un cambio de tono dentro de ± medio semitono. El indicador en la escala del dispositivo permite, en el momento de alcanzar el unísono con el sonido en estudio, leer inmediatamente el tono de este último en relación con el sonido temperado normal más cercano, con una precisión de 0,01 semitonos (es decir, hasta un centavo).

El dispositivo es muy sensible, no requiere un entrenamiento auditivo especial por parte del operador y no emite ningún sonido al que el artista pueda adaptarse.

Los sonidos recibidos en él en unidades musicales (logarítmicas) de tono pueden, si es necesario, traducirse a las frecuencias de oscilación correspondientes (hercios) utilizando tablas especiales.