Vores opfattelse af tonehøjden af en lyd og dens andre egenskaber bestemmes af den akustiske bølges karakteristika. Dette er de samme egenskaber, som er iboende i enhver mekanisk bølge, nemlig perioden, frekvensen, amplitude af svingninger. De subjektive fornemmelser af lyd afhænger ikke af bølgens længde og hastighed. I artiklen vil vi analysere lydens fysik. Tonehøjde og klang - hvordan bestemmes de? Hvorfor opfatter vi nogle lyde som høje og andre som stille? Svarene på disse og andre spørgsmål vil blive givet i artiklen.
Pitch
Hvad bestemmer højden? For at forstå dette, lad os lave et simpelt eksperiment. Lad os tage en fleksibel lang lineal, helst aluminium.
Lad os presse den mod bordet og skubbe kanten kraftigt. Lad os ramme den frie kant af linealen med din finger - den vil skælve, men dens bevægelse vil være tavs. Lad os nu flytte linealen tættere på os, så dens mindre del stikker ud over kanten af bordpladen. Lad os slå igenlineal. Dens kant vil vibrere meget hurtigere og med en mindre amplitude, og vi vil høre en karakteristisk lyd. Vi konkluderer, at for at lyd kan forekomme, skal oscillationsfrekvensen være mindst en vis værdi. Den nedre grænse for lydfrekvensområdet er 20 Hz, og den øvre grænse er 20.000 Hz.
Lad os fortsætte eksperimentet. Forkort linealens frie kant endnu mere, sæt den i gang igen. Det mærkes, at lyden har ændret sig, den er blevet højere. Hvad viser forsøget? Han beviser afhængigheden af tonehøjden af lyden af frekvensen og amplituden af dens kildes svingninger.
Lydstyrke
For at studere lydstyrken vil vi bruge en stemmegaffel - et specielt værktøj til at studere lydens egenskaber. Der findes stemmegafler med forskellige benlængder. De vibrerer, når de slås med en hammer. Store stemmegafler svinger langsommere og producerer en lav lyd. De små vibrerer ofte og adskiller sig i tonehøjde.
Lad os trykke på stemmegaflen og lytte. Lyden svækkes med tiden. Hvorfor sker det? Lydens lydstyrke dæmpes på grund af et fald i amplituden af oscillationen af enhedens ben. De vibrerer ikke så kraftigt, hvilket betyder, at amplituden af vibrationer af luftmolekyler også falder. Jo lavere den er, jo mere stille vil lyden være. Dette udsagn gælder for lyde med samme frekvens. Det viser sig, at både tonehøjden og lydstyrken afhænger af bølgens amplitude.
Opfattelse af lyde med forskellige lydstyrker
Ud fra ovenstående ser det ud til, at jo højere lyden er, jo klarere er vivi hører, jo mere subtile ændringer kan vi opfatte. Det er ikke sandt. Hvis kroppen er lavet til at oscillere med en meget stor amplitude, men en lav frekvens, så vil en sådan lyd være dårligt skelnelig. Faktum er, at i hele hørbarheden (20-20 tusind Hz) skelner vores øre bedst lyde omkring 1 kHz. Menneskets hørelse er mest følsom over for disse frekvenser. Sådanne lyde forekommer os højest. Advarselssignaler, sirener er indstillet nøjagtigt til 1 kHz.
Lydstyrkeniveau for forskellige lyde
Tabellen viser almindelige lyde og deres lydstyrke i decibel.
| Støjtype | Lydstyrke, dB |
| Rolig vejrtrækning | 0 |
| Hvisken, raslen af løv | 10 |
| Tikken af et ur 1 m væk | 30 |
| Almindelig samtale | 45 |
| Støj i butikken, samtale på kontoret | 55 |
| Sound of the street | 60 |
| Højt tale | 65 |
| Print Shop Noise | 74 |
| Bil | 77 |
| Bus | 80 |
| Engineering af værktøjsmaskiner | 80 |
| Højt skrig | 85 |
| Motorcykel med lyddæmper | 85 |
| Drejebænk | 90 |
| Metallurgisk anlæg | 99 |
| Orkester, undergrundsbane | 100 |
| Kompressorstation | 100 |
| Kædesav | 105 |
| Helikopter | 110 |
| Thunder | 120 |
| Jetmotor | 120 |
| Nitning, skæring af stål (dette volumen er lig med smertegrænsen) | 130 |
| Fly ved opsendelse | 130 |
| Raketopsendelse (forårsager granatchok) | 145 |
| Lyden af et haglgevær af middel kaliber nær mundingen (forårsager skade) | 150 |
| Supersoniske fly (denne volumen fører til skade og smertechok) | 160 |
Timbre
Tonehøjden og lydstyrken af lyden bestemmes, som vi fandt ud af, af bølgens frekvens og amplitude. Timbre er uafhængig af disse egenskaber. Lad os tage to lydkilder med samme tonehøjde for at forstå, hvorfor de har en anden klangfarve.
Det første instrument vil være en stemmegaffel, der lyder ved en frekvens på 440 Hz (dette er tone for den første oktav), det andet - en fløjte, den tredje - en guitar. Med musikinstrumenter gengiver vi den samme tone, som stemmegaflen lyder på. Alle tre har samme tonehøjde, men lyder stadig forskelligt, adskiller sig i klang. Hvad er grunden? Det hele handler om lydbølgens vibrationer. Bevægelsen, som en akustisk bølge af komplekse lyde laver, kaldes en ikke-harmonisk svingning. Bølgen i forskellige områder svinger med forskellig styrke og frekvens. Disse ekstra overtoner, der adskiller sig i volumen og tonehøjde, kaldes overtoner.
Forveksle ikke tonehøjde og klang. Lydens fysik er sådan, at hvis"mix" yderligere, højere til hovedlyden, får vi det, der kaldes en klang. Det bestemmes af lydstyrken og antallet af overtoner. Frekvensen af overtonerne er et multiplum af frekvensen af den laveste tone, dvs. den er et helt antal gange større - 2, 3, 4 osv. Den laveste tone kaldes hovedtonen, det er den der bestemmer tonehøjden, og overtonerne påvirker klangen.
Der er lyde, der slet ikke indeholder overtoner, såsom en stemmegaffel. Hvis du afbilder bevægelsen af dens lydbølge på en graf, får du en sinusbølge. Sådanne vibrationer kaldes harmoniske. Stemmegaflen udsender kun grundtonen. Denne lyd kaldes ofte kedelig, farveløs.
Når en lyd har mange højfrekvente overtoner, bliver den hård. Lave overtoner giver lyden blødhed, fløjlsagtig. Hvert musikinstrument, stemme har sit eget sæt overtoner. Det er kombinationen af grundtonen og overtonerne, der giver en unik lyd, som giver lyden en vis klang.
